Brevet FR2969215A1 — publié le 20120622

Collecteur de répartition de gaz dans la culasse d'un moteur L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et plus particulièrement les échangeurs de chaleur utilisés dans le domaine automobile. Un moteur thermique de véhicule automobile comporte une chambre de combustion, généralement formée par une pluralité de cylindres, dans laquelle un mélange de comburant et de carburant est brûlé pour générer le travail du moteur. Les gaz admis dans la chambre de combustion sont dénommés gaz d'admission. Dans certains cas, ces gaz d'admission doivent être refroidis avant d'être introduits dans la chambre de combustion. Cette fonction est remplie par un échangeur de chaleur, qui est un refroidisseur. 15 De manière classique, un échangeur de chaleur comporte un faisceau d'échange de chaleur formé par une pluralité d'éléments d'échange empilés entre deux plaques d'extrémités (plaque de fond et plaque de dessus). Les espaces entre les éléments d'échange du faisceau forment des canaux de conduite d'un flux de gaz à refroidir, ici des gaz d'admission. Les éléments d'échange du faisceau sont 20 creux et conduisent un fluide caloporteur, destiné à échanger de la chaleur avec le flux de gaz à refroidir circulant dans les canaux de conduite de fluide pour le refroidir. Afin de réduire les émissions de gaz polluants, il est également connu 25 d'introduire dans le flux de gaz d'admission des gaz d'échappement dit "recirculés". Il s'agit de gaz d'échappement prélevés en aval de la chambre de combustion pour être réacheminés (recirculés) vers le flux de gaz d'admission, en amont de la chambre de combustion, où ils sont mélangés aux gaz d'admission en vue de leur admission dans la chambre de combustion. Les gaz d'échappement 30 recirculés sont introduits dans une canalisation d'admission des gaz s'étendant 10 entre le refroidisseur des gaz d'admission et le moteur, pour que les gaz d'échappement recirculés se mélangent avec les gaz provenant du refroidisseur. Afin d'abaisser la consommation en carburant des moteurs thermiques (et donc leur émission de gaz polluants), il convient de contrôler la température des gaz d'admission alimentant les soupapes d'admission des moteurs, et plus particulièrement la température des gaz d'admission en sortie de l'échangeur de chaleur. Pour cela, il a été envisagé de pourvoir les modules d'admission servant à l'introduction des gaz d'admission dans la culasse des moteurs thermiques, d'un capteur de température monté dans un collecteur de répartition du module. Selon une solution possible, on a ainsi prévu un collecteur comportant un volume interne de mélange délimité par un carter de collecteur et destiné à recevoir un flux de gaz d'admission (refroidi par l'échangeur de chaleur) et un flux de gaz d'échappement recirculés du moteur, le capteur de température étant implanté dans ce volume de mélange. Un inconvénient d'une telle solution est que le capteur risquerait d'être au contact des gaz d'échappement recirculés. Dans ce cas, les gaz d'échappement recirculés encrasseraient, au fil du temps, le capteur de température des gaz, ce qui affecterait la qualité des mesures de ce dernier. L'encrassement du capteur étant aléatoire, les erreurs de mesure le seraient également. Ainsi, de par leur caractère aléatoire, les erreurs de mesure du capteur ne pourraient être prises en compte par les calculateurs de contrôle de la température associés aux moteurs. L'alimentation en gaz des moteurs évoluerait donc dans le temps et provoquerait des variations indésirables et incontrôlées de la consommation en carburant et donc de l'émission de gaz polluants, au cours de la vie des moteurs. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et, notamment, de permettre une mesure fiable d'un paramètre des gaz d'admission (par exemple la température) tout au long de la vie d'un moteur thermique. A cette fin, selon l'invention, le collecteur de répartition de gaz dans la 10 culasse d'un moteur thermique de véhicule, le collecteur comportant : - un carter de collecteur permettant la circulation d'un flux de gaz d'admission ;et - un volume interne de mélange délimité par le carter de collecteur et destiné à recevoir le flux de gaz d'admission et un flux de gaz d'échappement 15 recirculés du moteur, est remarquable par le fait que : - ledit carter de collecteur est configuré pour recevoir au moins un capteur de mesure, externe au collecteur, apte à mesurer un paramètre des gaz d'admission ; et 20 - le collecteur comporte des moyens pour protéger le capteur de mesure du flux de gaz d'échappement recirculés. Ainsi, grâce à l'invention, la qualité des mesures effectuées par le capteur de mesure, protégé du flux de gaz recirculés par les moyens de protection, est 25 maintenue stable tout au long de la vie du moteur, ce qui prévient toute variation indésirable de la consommation en carburant du moteur thermique et donc de son émission de gaz polluants (notamment lorsque le capteur est une sonde de température). En particulier, les moyens de protection du capteur de mesure évitent son encrassement par le flux de gaz d'échappement recirculés, introduits 30 dans le volume interne de mélange du collecteur de répartition. Le carter de collecteur comprend, par exemple, une face d'entrée du flux de gaz d'admission et une face de sortie destinée à déboucher dans la culasse du moteur. De préférence, les moyens de protection se présentent sous la forme d'un canal, par exemple tubulaire, configuré pour recevoir au moins une partie du capteur de mesure. 10 Selon une première forme de réalisation conforme à la présente invention, le canal de protection est ménagé dans la paroi supérieure du carter de collecteur. Autrement dit, le canal de protection est formé dans la masse du carter de collecteur, ce qui en facilite la réalisation (en limitant les étapes de fabrication). 15 Selon une seconde forme de réalisation conforme à la présente invention, le canal de protection est rapporté (par exemple par soudage) sur la face, orientée vers le volume de mélange, de la paroi supérieure du carter de collecteur. Quelle que soit la forme de réalisation de l'invention considérée, le canal 20 de protection s'étend de préférence depuis la face d'entrée du carter jusqu'à la face de sortie de ce dernier et débouche respectivement dans ces deux faces. Ainsi, le canal de protection permet de diriger et de canaliser une partie du gaz d'admission non mélangé avec le flux de gaz d'échappement recirculés en direction du capteur de mesure. 25 Par ailleurs, le canal de protection peut être incliné par rapport à une direction orthogonale à la face d'entrée du carter. En outre, l'extrémité interne du capteur de mesure est de préférence 30 agencée à proximité de la face de sortie du carter pour l'affleurer. Ainsi, le5 positionnement du capteur de mesure à l'aval du carter de collecteur (selon la direction de circulation du mélange gazeux) ne s'oppose pas à une injection des gaz d'échappement recirculés à l'amont du volume de mélange (c'est-à-dire dans un voisinage de la face d'entrée du carter de collecteur). De plus, le carter de collecteur comporte de préférence un orifice traversant, par exemple de section cylindrique, qui débouche dans le canal de protection et par lequel le capteur de mesure est apte à être introduit. 10 L'orifice traversant peut être incliné par rapport au canal de protection, par exemple vers l'aval en direction de la face de sortie du carter de collecteur, ce qui limite les perturbations du flux de gaz d'admission circulant dans le canal de protection provoquées par l'extrémité interne du capteur de mesure, formant saillie. 15 En outre, l'orifice traversant peut comporter, à son extrémité externe, un filetage interne formé pour coopérer avec un filetage complémentaire porté par le capteur de mesure. 20 De préférence, le collecteur comporte une canalisation tubulaire d'injection du flux de gaz d'échappement recirculés dans le volume de mélange, qui est ménagée dans la paroi supérieure du carter de collecteur. En particulier, la canalisation d'injection peut s'étendre parallèlement à la 25 face d'entrée du carter, à proximité de celle-ci, et comprendre au moins un orifice d'injection configuré pour alimenter le volume de mélange en gaz d'échappement recirculés.5 Par ailleurs, la présente invention concerne également un module d'admission de gaz pour culasse de moteur thermique de véhicule, ledit module comprenant : - un échangeur de chaleur comportant un faisceau d'échange de chaleur de 5 refroidissement de gaz ; et - un collecteur de répartition des gaz tel que spécifié précédemment. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des 10 éléments semblables. La figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation du module d'admission de gaz dans une culasse de moteur conforme à la présente invention. La figure 2 est une coupe partielle du module d'admission de la figure 1, selon la ligne II-II. La figure 3 est une coupe partielle du module d'admission de la figure 1, 20 selon la ligne III-III (figure 2). La figure 4 est une vue en perspective de la face de sortie du collecteur du module d'admission de la figue 1. 25 Sur la figure 1, on a représenté un module 1 d'admission de gaz dans la culasse (non représentée) d'un moteur thermique de véhicule automobile qui comporte un échangeur de chaleur 2 comprenant un faisceau d'échange de chaleur 6 agencé pour échanger de la chaleur avec un premier flux de gaz (symbolisé par la flèche G en pointillés), ici des gaz d'admission comportant de 30 l'air, circulant dans le faisceau 6 d'échange de chaleur. 15 Par la suite, les orientations « amont » et « aval» sont définies par rapport au sens de circulation du flux de gaz d'admission G dans le module d'admission 1, les gaz d'admission G circulant de l'amont vers l'aval dans le module 1 selon la direction de circulation des gaz représentée par la flèche X. En outre, les orientations « supérieure », « inférieure », « gauche » et « droite » sont définies par rapport à l'orientation du module d'admission 1 représenté en perspective sur la figure 1 et conformément au repère orthonormal d'axes (X, Y, Z), l'axe X étant orienté de l'amont vers l'aval, l'axe Y étant orienté de la gauche vers la droite et l'axe Z étant orienté du bas vers le haut, c'est à dire de la partie inférieure du module d'admission 1 vers sa partie supérieure. Les gaz d'admission G sont introduits dans l'échangeur de chaleur 2 par un collecteur d'entrée 3, monté en amont de l'échangeur de chaleur 2, et évacués par un collecteur de sortie 4, également dénommé collecteur de répartition 4, monté en aval de l'échangeur de chaleur 2 et destiné à être relié à la culasse du moteur. Le collecteur de répartition 4 permet une admission répartie, dans la culasse, du flux de gaz refroidi G issu de l'échangeur de chaleur 2. Afin de bien comprendre l'invention, chaque élément de l'exemple particulier de module d'admission 1 conforme à l'invention, illustré par les figures 1 à 4, est décrit individuellement ci-après. - Echangeur de chaleur Comme le montrent les figures 1 à 4, l'échangeur de chaleur 2 comprend un carter d'échangeur 5 enveloppant le faisceau 6 d'échange de chaleur de refroidissement comportant une pluralité d'éléments d'échange 6A empilés (figure 2). Les espaces entre les éléments d'échange du faisceau forment des canaux 6B de conduite du flux de gaz à refroidir G, ici les gaz d'admission. Les éléments 6A d'échange du faisceau 6 sont creux et conduisent un fluide caloporteur, destiné à échanger de la chaleur avec le flux de gaz à refroidir G circulant d'amont en aval dans les canaux 6B de conduite de fluide (figure 4). Le faisceau 6 d'échange de chaleur se présente sous la forme d'un parallélépipède s'étendant dans sa longueur selon la direction X de circulation des gaz et comprenant une face d'entrée amont par laquelle sont introduits les gaz d'admission à refroidir G et une face de sortie aval par laquelle sont évacués les gaz d'admission G refroidis. - Collecteur d'entrée Le collecteur d'entrée 3 (figure 1) permet de guider et de répartir le flux de gaz à refroidir G sur la surface totale de la face d'entrée du faisceau 6 d'échange de chaleur. A cet effet, le collecteur d'entrée 3 se présente sous la forme d'un carter sensiblement évasé de l'amont vers l'aval dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont du carter d'échangeur 5. Le collecteur d'entrée 3 comporte une face de sortie débouchant sur la face d'entrée de l'échangeur de chaleur 2, et un orifice d'entrée 7, par exemple situé latéralement, c'est-à-dire, dans un plan situé orthogonalement à sa face de sortie, par lequel sont introduits les gaz d'admission à refroidir G dans le collecteur d'entrée 3. - Collecteur de répartition Comme le montrent les figures 2 à 4, le collecteur de répartition 4, monté en aval de l'échangeur de chaleur 2, comprend une face 4A d'entrée de gaz d'admission G dans laquelle débouche la face de sortie du faisceau 6 d'échange de chaleur de l'échangeur 2, et une face de sortie 4B destinée à être reliée à la face d'entrée des gaz de la culasse (non représentée). Le collecteur de répartition 4 comprend un carter de collecteur 8 guidant les gaz introduits depuis la face d'entrée 4A jusqu'à la culasse du moteur via la face de sortie 4B. En outre, le collecteur de répartition 4 comprend un volume interne de mélange V, délimité par le carter de collecteur 8 et destiné à recevoir le flux de gaz d'admission G et un flux de gaz d'échappement recirculés issus du moteur (symbolisé par la flèche H en pointillés) et connus de l'homme du métier sous l'abréviation anglaise « EGR » (pour « Exhaust Gas Recirculation » ). Comme le montrent les figures 3 et 4, le volume interne V se présente sous une forme sensiblement évasée de l'amont vers l'aval, l'extrémité aval dudit volume V communiquant avec des conduits d'admission correspondants de la culasse. Comme le montre la figure 2, le collecteur de répartition 4 comprend en outre une canalisation 9 d'injection du flux de gaz d'échappement recirculés H. La canalisation 9, de forme tubulaire, est ménagée dans la paroi supérieure 8S du carter de collecteur 8, du côté amont, et s'étend transversalement par rapport à la direction X, depuis la gauche vers la droite dans toute la longueur de la paroi supérieure 8S. La canalisation d'injection 9 est agencée pour introduire, à l'intérieur du 25 volume de mélange V, un flux de gaz d'échappement recirculés H, pour qu'il se mélange avec le flux de gaz d'admission H bien en amont de la culasse. Tel qu'illustré sur la figure 1, le carter de collecteur 8 comporte un corps principal 8A destiné à la circulation du flux de gaz d'admission G, et un corps 30 d'extension 8B comprenant une embase 10 destinée au montage d'une vanne 11 d'admission du flux de gaz d'échappement recirculés H dans la canalisation d'injection 9. En outre, le collecteur de répartition 4 comporte une entrée d'admission du flux de gaz d'échappement recirculés H, sous la forme d'un orifice (non représenté) traversant le carter de collecteur 8, par exemple selon la direction X, de manière à permettre le passage des gaz d'échappement recirculés, l'orifice traversant étant formé dans l'embase 10 du corps d'extension 8B. La vanne d'admission 11 comprend une soupape d'admission (non représentée) qui est logée dans l'orifice d'admission du collecteur de répartition 4 de manière à autoriser, après ouverture, un passage d'une partie du flux de gaz d'échappement recirculés H dans la canalisation d'injection 9 du collecteur de répartition 4. A cet effet, la canalisation d'injection 9 comporte à son extrémité gauche un orifice d'entrée (non visible sur la figure 1) débouchant dans l'orifice d'admission du corps d'extension 8B. Comme le montre la figure 2, la section transversale (selon la direction X) de la canalisation 9 d'injection présente une forme sensiblement trapézoïdale. De plus, la canalisation d'injection est fermée, à son extrémité gauche, par une paroi gauche et, à son extrémité droite, par une paroi droite, les parois gauche et droite s'étendant dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan (X, Y). En particulier, la paroi gauche est percée par l'orifice d'entrée pour mettre en communication la canalisation d'injection 9 avec l'orifice traversant destiné au passage de gaz d'échappement recirculés H. 25 Comme le montrent les figures 2 à 4, la canalisation d'injection 9 est perforée par une pluralité d'orifices d'injection 12, de manière à injecter le flux de gaz d'échappement recirculés H dans le flux de gaz refroidis G. Ces orifices 12 sont inclinés vers l'amont et vers le bas, dans un plan (Z, X). Autrement dit, les orifices d'injection 12 sont orientés à contre-courant du flux de gaz d'admission G de manière à former des turbulences importantes et favoriser le cisaillement du flux de gaz refroidis G par le flux de gaz d'échappement H. En variante, en lieu et place de la pluralité d'orifices d'injection 12, on 10 pourrait envisager une fente d'injection longitudinale. De même, l'orientation des orifices et/ou de la fente pourrait être différente. Par ailleurs, comme le montrent les figures (et notamment la figure 2), le collecteur de répartition 4 de l'invention comporte un capteur de mesure 13 15 amovible (ici un capteur de température, bien que l'on pourrait envisager d'autres types de capteur, comme par exemple un capteur de pression). Le capteur 13, de forme allongée, comporte, à son extrémité supérieure, une douille de fixation 13A qui est filetée sur sa partie externe. 20 Afin de monter le capteur de mesure 13 sur le carter de collecteur 8, un orifice traversant 14 est ménagé dans la partie supérieure 8S dudit carter 8, à l'aval de celui-ci. L'orifice 14, allongé et de section transversale circulaire, débouche, par son extrémité supérieure, à l'extérieur du carter de collecteur 8. Il comporte en outre, à cette extrémité supérieure, un filetage interne 14A formé 25 pour coopérer, avec ajustement, avec le filetage externe de la douille 13A. De plus, l'orifice traversant 14 débouche, par son extrémité inférieure, à l'intérieur d'un canal 15 destiné à protéger le capteur de mesure 13 du flux de gaz d'échappement recirculés G. 30 Selon l'exemple de réalisation des figures 1 à 4, le canal de protection 15 est intégré dans la masse du carter de collecteur 8. En particulier, le canal 15, qui présente une section transversale circulaire, est ménagé dans la partie supérieure 8S dudit carter 8 et s'étend depuis la face d'entrée 4A jusqu'à la face de sortie 4B de celui-ci, dans lesquelles il débouche respectivement à ses extrémités longitudinales 15A et 15B. Autrement dit, dans l'exemple décrit, le canal de protection 15 est ouvert à ses deux extrémités longitudinales amont et aval 15A et 15B. Dans une variante de réalisation de l'invention (non représentée), il est envisageable de rapporter (par exemple par soudage) le canal de protection sur la face, orientée vers le volume de mélange V, de la paroi supérieure 8S du carter de collecteur 8. Dans l'exemple décrit, comme le montre la figure 3, le canal de protection 15 est incliné, dans un plan (X, Y), par rapport à une direction O-O orthogonale à la face d'entrée 4A du collecteur 4. Autrement dit, le canal 15 présente une inclinaison par rapport à la direction principale de circulation des gaz d'admission G. De plus, le canal de protection 15 fait saillie à l'intérieur du volume interne de mélange V. En outre, tel que l'illustre la figure 2, l'orifice traversant 14 est incliné par rapport au canal de protection 15 vers l'aval, dans un plan (X, Z) et débouche, à son extrémité inférieure, dans ce dernier. Ainsi, une fois le capteur de mesure 13 positionné dans l'orifice traversant 14 et fixé au carter de collecteur 8, l'extrémité interne 13I du capteur 13 fait saillie à l'intérieur du canal de protection 15 pour être agencée à proximité de la face de sortie 4B du collecteur 4 (et donc à l'aval de ce dernier) en l'affleurant. Grâce à l'invention, une partie des gaz d'admission G, provenant de l'échangeur de chaleur 2, est séparée du reste du flux entrant et est guidée par le canal de protection 15 vers l'extrémité inférieure 13I du capteur 13 qui est ainsi protégé du flux de gaz d'échappement de recirculation H. En d'autres termes, les mesures effectuées par le capteur 13 ne sont pas altérées au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, puisque celui-ci est protégé de l'encrassement résultant des gaz d'échappement recirculés H. Par ailleurs, comme le montrent les figures 2 à 4, des entretoises de renfort 16 sont prévues entre les parois inférieure 8I et supérieure 8S du carter de collecteur 8. En particulier, dans l'exemple décrit, le canal de protection 15 traverse une desdites entretoises de renfort 16. Il est bien évident que la présente invention ne se limite pas à la forme du canal de protection précédemment décrit simplement à titre d'exemple illustratif. En effet, le canal de protection pourrait tout aussi bien être courbe, incliné dans un plan (X, Z), ou bien encore présenter une section transversale par exemple semi-circulaire. REVENDICATIONS1. Collecteur de répartition de gaz dans la culasse d'un moteur thermique 5 de véhicule, le collecteur (4) comportant : - un carter de collecteur (8) permettant la circulation d'un flux de gaz d'admission (G) ; et - un volume interne (V) de mélange délimité par le carter de collecteur (8) et destiné à recevoir le flux de gaz d'admission (G) et un flux de gaz 10 d'échappement recirculés du moteur (H), caractérisé par le fait que : - ledit carter de collecteur (8) est configuré pour recevoir au moins un capteur de mesure (13), externe au collecteur (4), apte à mesurer un paramètre des gaz d'admission (G) ; et 15 - le collecteur (4) comporte des moyens (15) pour protéger le capteur de mesure (13) du flux de gaz d'échappement recirculés (H). 2. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de protection (15) se présentent sous la forme d'un canal configuré pour recevoir au 20 moins une partie (13I) du capteur de mesure (13). 3. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel le canal de protection (15) est ménagé dans la paroi supérieure (8S) du carter de collecteur. 25 4. Collecteur selon la revendication 2, dans lequel le canal de protection (15) est rapporté sur la face, orientée vers le volume de mélange (V), de la paroi supérieure (8S) du carter de collecteur. 5. Collecteur selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le canal de 30 protection (15) s'étend depuis une face d'entrée des gaz d'admission (4A) ducarter jusqu'à une face de sortie (4B) de ce dernier et débouche respectivement dans ces deux faces. 6. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel le canal de 5 protection (15) est incliné par rapport à une direction (O-O) orthogonale à la face d'entrée (4A) du carter. 7. Collecteur selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel l'extrémité interne (13I) du capteur de mesure (13) est agencée à proximité 10 de la face de sortie (4B) du carter pour l'affleurer. 8. Collecteur selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel le carter de collecteur (8) comporte un orifice traversant (14), de préférence cylindrique, qui débouche dans le canal de protection (15) et par lequel le capteur de mesure (13) 15 est destiné à être introduit. 9. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel l'orifice traversant (14) est incliné par rapport au canal de protection (15). 20 10. Collecteur selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel l'orifice traversant (14) comporte, à son extrémité externe, un filetage interne (14A) formé pour coopérer avec un filetage complémentaire porté par le capteur de mesure. 25 11. Collecteur selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le canal de protection (15) est tubulaire. 12. Collecteur selon l'une des revendications précédentes, comportant une canalisation tubulaire (9) d'injection du flux de gaz d'échappement recirculés(H) dans le volume de mélange (V), ladite canalisation étant ménagée dans la paroi supérieure (8S) du carter de collecteur. 13. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel la 5 canalisation d'injection (9) s'étend parallèlement à une face d'entrée des gaz d'admission (4A) du carter, à proximité de celle-ci. 14. Collecteur selon la revendication précédente, dans lequel la canalisation d'injection (9) comprend au moins un orifice d'injection (12) 10 configuré pour alimenter le volume de mélange en gaz d'échappement recirculés. 15. Module d'admission de gaz pour culasse de moteur thermique de véhicule, ledit module (1) comprenant : - un échangeur de chaleur (2) comportant un faisceau (6) d'échange de chaleur 15 de refroidissement de gaz ; et - un collecteur (4) de répartition des gaz tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 14.