Brevet FR3005996A1 — publié le 20141128

DISPOSITIF POUR UNE RECIRCULATION HOMOGENEISEE DE GAZ D'ECHAPPEMENT [0001] L'invention concerne un dispositif de recirculation de gaz d'échappement dans un moteur suralimenté à combustion interne ainsi qu'un moteur suralimenté équipé d'un tel dispositif. [0002] Selon la conception traditionnelle, un moteur suralimenté à combustion interne n'aspire pas l'air frais directement de son environnement mais est alimenté en air frais par un compresseur se présentant généralement sous la forme d'un turbocompresseur qui fournit l'air en quantité et pression augmentées par rapport à une alimentation directe, dite atmosphérique. Le compresseur d'un tel turbocompresseur est entraîné par une turbine qui, elle, est entraînée par des gaz d'échappement du moteur. Ainsi, dans un moteur à quatre cylindres, il y a quatre bouffés de gaz sur deux tours du vilebrequin. [0003] Cependant, lorsque le moteur à quatre cylindres est équipé d'un système de recirculation de gaz d'échappement où un des quatre cylindres est dédié entièrement à la recirculation de ses gaz d'échappement, les gaz d'échappement de ce cylindre ne passent pas par la turbine. Il en résulte pour un tel moteur à quatre cylindres que la turbine reçoit trois bouffées successives de gaz, suivi d'un temps mort, et que, en conséquence, l'énergie fournie à la turbine est moindre que sur un moteur suralimenté classique. De plus, cette conception ne répond pas à l'exigence que l'énergie récupérée par le compresseur doit être suffisante pour alimenter les quatre cylindres et doit compenser les effets de gaz inertes des gaz recirculés. [0004] Pour le fonctionnement du moteur, cela signifie que, par rapport à un moteur suralimenté de conception traditionnelle, la recirculation de gaz d'échappement d'un seul des quatre cylindres entraîne une baisse du couple à bas régimes et une perte de puissance à hauts régimes, comme cela est représenté par le diagramme de la Figure 5. [0005] Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients décrits ci-avant et notamment de récupérer la partie d'énergie perdue dans les gaz d'échappement du cylindre entièrement dédié à la recirculation de ses gaz d'échappement. [0006] Le but de l'invention est atteint avec un dispositif de recirculation de gaz d'échappement dans un moteur suralimenté à combustion interne ayant une pluralité de cylindres dont au moins un cylindre est dédié entièrement à la recirculation de ses gaz d'échappement, le moteur étant équipé de moyens de compression engendrant la suralimentation en comprimant l'air de combustion avant son admission aux cylindres du moteur, les moyens de compression étant entraînés par des moyens d'entraînement actionnés par des gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement comprennent deux étages de turbine dont l'un est actionné par les gaz d'échappement des cylindres non dédiés à la recirculation des leurs gaz d'échappement et dont l'autre est actionné par les gaz d'échappement du (ou des) cylindre(s) entièrement dédié(s) à la recirculation de ses (ou de leurs) gaz d'échappement. [0007] Selon différents modes de réalisation possibles, l'invention concerne également les caractéristiques ci-après, considérées isolément ou en combinaison : - les deux étages de turbine font partie d'une seule turbine ; - les deux étages de turbine forment deux turbines distinctes ; - les deux étages de turbine sont bloqués l'un par rapport à l'autre en rotation de façon à tourner avec la même vitesse de rotation ; - les deux étages de turbine sont reliés entre eux par une transmission assurant un rapport de vitesses de rotation entre eux ; - la transmission est adaptée pour que le rapport entre les vitesses de rotation des deux étages de turbine puisse être variable. [0008] La présente invention concerne également un moteur suralimenté à combustion interne ayant une pluralité de cylindres dont au moins un cylindre est dédié entièrement à la recirculation de ses gaz d'échappement, ce moteur étant équipé du dispositif décrit ci-avant. [0009] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de trois modes de réalisation en référence aux dessins annexés dont : - la figure 1 représente le schéma classique d'un moteur avec recirculation de gaz d'échappement, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l'invention et - la figure 5 représente un diagramme illustrant respectivement la perte de couple et la perte de puissance en cas de recirculation des gaz d'échappement d'un seul cylindre de l'ensemble des cylindres d'un moteur. [0010] Selon la conception classique, représentée sur la figure 1, d'un moteur à combustion interne ayant une pluralité de cylindres dont un cylindre est entièrement dédié à la recirculation de ses gaz d'échappement, le moteur comprend un bloc moteur 1 ayant quatre cylindres 2, 3, 4, 5, un bloc unique d'admission 6 pour les quatre cylindres, un collecteur de gaz d'échappement 7 pour les cylindres 2 à 4, et un conduit d'échappement 8 pour l'acheminement des gaz d'échappement du cylindre 5 vers un catalyseur 9 à partir duquel ces gaz d'échappement sont recirculés par un conduit 10, en passant par un refroidisseur 11 des gaz d'échappement recirculés, pour être réintroduits dans le moteur 1. [0011] Le conduit 10 débouche dans un mélangeur non représenté dans lequel débouche également un conduit 12 amenant de l'air frais. Le mélange air / gaz d'échappement passe ensuite par un volet d'admission 13 avant d'arriver au bloc d'admission 6. [0012] Selon ce qui est également visible sur la Figure 1, le moteur 1 est suralimenté, c'est-à-dire l'air frais arrivant par le conduit 12 est passé auparavant par un compresseur 14 entraîné par une turbine 15 qui, elle, est entraînée par les gaz d'échappement sortant des trois cylindres 2 à 4 non dédiés à la recirculation de leurs gaz d'échappement. Ces gaz d'échappement sont évacués par un système catalytique 16. [0013] Selon la présente invention, la conception classique de la figure 1 est modifiée, comme représenté sur les figures 2 à 4, en intercalant entre la sortie du cylindre entièrement dédié à la recirculation de ses gaz d'échappement, donc du cylindre 5 dans l'exemple représenté, et le catalyseur 9 une seconde turbine 21 dont l'énergie rotative est fournie, en supplément à l'énergie venant de la turbine 15, au compresseur 14. La seconde turbine 21 peut être réalisée comme un élément séparé de la turbine 15 tout comme elle peut former avec la turbine 15 une turbine unique à deux étages où chaque étage est entraîné par les gaz d'échappement correspondants. [0014] D'une manière générale, la première turbine 15 et la seconde turbine 21 sont montées sur un même axe et ainsi directement relié mécaniquement au compresseur 14. Cependant, il est également concevable d'intercaler une transmission 22 entre les deux turbines afin de créer un ratio fixe ou un ratio variable entre les vitesses de rotation de ces deux turbines. [0015] Les figures 2 à 4 représentent trois modes de réalisation différentes de la conception selon l'invention, les différences concernant l'endroit où les gaz recirculés sont mélangés avec l'air frais. [0016] Selon le mode de réalisation de la figure 2, les gaz d'échappement venant du refroidisseur 11 sont mélangés à l'air frais comme dans la conception classique de la figure 1, c'est-à-dire dans un mélangeur non représenté dans lequel débouche aussi le conduit 12 d'air frais. [0017] Selon le mode de réalisation de la figure 3, les gaz d'échappement venant du refroidisseur 11 sont reconduit par un conduit 23 jusqu'à une entrée du compresseur 14 ou, comme représenté sur la figure 3, jusqu'à un point en amont d'un conduit d'entrée 24 du compresseur 14 pour y être mélangés à l'air frais et pour être ensuite comprimés avec l'air frais. [0018] Et selon le mode de réalisation de la figure 4, les gaz d'échappement venant du refroidisseur 10 arrivent dans une vanne à trois voies 25 qui permet d'alterner entre le mode de réalisation de la figure 2 et celui de la figure 3. [0019] En résumé, les figures 2 à 4 montrent la disposition des deux étages de turbines 15 et 21 entraînant le compresseur 14 ainsi que différentes façons de réinjecter les gaz recirculés à l'admission du moteur. Cette conception, quel qu'en soit son mode de réalisation, permet d'envoyer la totalité de l'énergie des gaz d'échappement au compresseur, ce qui permet à ce dernier de comprimer l'air frais de la même façon qu'un moteur équipé d'une suralimentation traditionnelle. [0020] En même temps, la conception de l'invention permet de redonner au moteur la courbe de pleine charge d'un moteur équivalent, non équipé d'un système de recirculation de gaz d'échappement comportant un cylindre entièrement dédié à la recirculation de ses 30 gaz d'échappement (appelé ci-après système D-EGR pour « Dedicated Exhaust Gas Recirculation » en anglais). La technologie D-EGR est déjà connue, et par exemple décrite dans le brevet US2009/0308070. [0021] Le bénéfice de l'invention est visible sur le diagramme de la figure 5 où - la courbe A représente le couple d'un moteur avec une suralimentation traditionnelle, - la courbe B représente le couple d'un moteur équivalent équipé d'un système DEGR, - la courbe C représente la puissance d'un moteur avec une suralimentation traditionnelle et - la courbe D représente la puissance d'un moteur équivalent équipé d'un système D-EGR. REVENDICATIONS1. Dispositif de recirculation de gaz d'échappement dans un moteur suralimenté à combustion interne (1) ayant une pluralité de cylindres (2 à 5) dont au moins un cylindre (5) est dédié entièrement à la recirculation de ses gaz d'échappement, le moteur (1) étant équipé de moyens de compression (14) engendrant la suralimentation en comprimant l'air de combustion avant son admission aux cylindres (2 à 5) du moteur (1), les moyens de compression (14) étant entraînés par des moyens d'entraînement actionnés par des gaz d'échappement du moteur (1), caractérisé en ce que les moyens d'entraînement comprennent deux étages de turbine (15, 21) dont l'un (15) est actionné par les gaz d'échappement des cylindres (2 à 4) non dédiés à la recirculation des leurs gaz d'échappement et dont l'autre (21) est actionné par les gaz d'échappement du (ou des) cylindre(s) (5) entièrement dédié(s) à la recirculation de ses (ou de leurs) gaz d'échappement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux étages de turbine (15, 21) font partie d'une seule turbine. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux étages de turbine (15, 21) forment deux turbines distinctes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux étages de turbine (15, 21) sont bloquées l'un par rapport à l'autre en rotation de façon à tourner avec la même vitesse de rotation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux étages de turbine (15, 21) sont reliées entre eux par une transmission (22) assurant un rapport de vitesses de rotation entre eux. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la transmission (22) est adaptée pour que le rapport entre les vitesses de rotation des deux étages de turbine (15, 21) puisse être variable. 7. Moteur suralimenté à combustion interne (1) ayant une pluralité de cylindres (2 à 5) dont au moins un cylindre (5) est dédié entièrement à la recirculation de ses gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.