Brevet FR3008141A1 — publié le 20150109

CIRCUIT DE GAZ DE CARTER D'UN MOTEUR THERMIQUE MUNI D'UN CLAPET DE REGULATION, MOTEUR THERMIQUE ET CLAPET DE REGULATION CORRESPONDANTS [0001] La présente invention porte sur un circuit de gaz de carter d'un moteur thermique muni d'un clapet de régulation, ainsi que sur le moteur thermique et le clapet de régulation correspondants. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'automobile. [0002] Dans un moteur à combustion interne, la chambre de combustion est délimitée du côté du carter par le piston et les segments qui assurent l'étanchéité entre le piston et la paroi du cylindre monté dans (ou faisant partie intégrante du carter). Néanmoins, cette étanchéité n'est jamais parfaite, et de façon inhérente au principe même de conception d'un tel moteur, une fuite d'une partie des gaz de combustion via les segments est inéluctable. Ces gaz sont communément appelés gaz de carter, ou encore en utilisant la terminologie anglo-saxonne, gaz de blow-by, ces différents termes étant utilisés comme des synonymes dans la suite de ce document. Ainsi, l'expression «circuit des gaz de carter» est synonyme de «circuit des gaz de blow-by» ou plus simplement de «circuit de blow-by». [0003] Des normes environnementales imposent que les gaz de blow-by ne soient pas rejetés dans l'atmosphère, mais soient brûles. Ils sont donc réintroduits à l'admission du moteur par un circuit, dit circuit de blow-by. Pour ce faire, ils sont aspirés à l'admission moteur ce qui permet de plus de maintenir le bas du carter en dépression. Ces gaz se chargeant en huile lors de leur passage dans le bas moteur, un déshuileur a pour but de séparer au maximum les particules d'huile des gaz avant qu'ils ne soient réintroduits dans le circuit d'air admission via un piquage implanté sur la ligne d'air. [0004] Outre des gaz de combustion, c'est-à-dire essentiellement de la vapeur d'eau du dioxyde de carbone et de l'azote, les gaz de carter comportent donc également des imbrûlés (air ou plus exactement oxygène et azote et du carburant) et de l'huile (essentiellement l'huile de lubrification des pistons entraînée par les gaz de combustion). Les gaz de carter s'écoulent vers le bas du carter, puis remontent généralement vers la culasse par des cheminées. [0005] La réadmission est obtenue typiquement à l'aide d'un répartiteur. Par temps froid, ce répartiteur peut présenter une température bien inférieure à 0° C en sorte que la vapeur d'eau contenue dans les gaz de carter peut se condenser, puis se solidifier, ou former une émulsion eau/huile qui se solidifie, formant une masse qui bouche les conduits, fait monter en pression le carter et peut ainsi entraîner une casse moteur et/ou, une fuite d'huile à l'échappement augmentant les émissions polluantes, voire un incendie du véhicule équipé du moteur. [0006] Pour remédier à ce risque, il est connu d'implanter des moyens de chauffage électriques des tuyaux de gaz carter. Ces moyens sont typiquement constitués par une résistance sous tension venant localement réchauffer une surface. Ces moyens présentent toutefois l'inconvénient de consommer beaucoup d'énergie et supposent la présence d'un faisceau électrique, entraînant un certain nombre d'inconvénients liés aux problématiques de complexité d'architecture et de montage (ergonomie de montage, passage d'outils, etc.) ainsi que d'implantation car il faut prévoir des points de fixation pour les faisceaux électriques, les connexions d'alimentation et les multiples supports nécessaires au système. [0007] Une autre solution connue consiste à faire passer les tuyaux de gaz de carter à l'intérieur des tuyaux acheminant le fluide de refroidissement. Cette solution pose également des problèmes d'implantation, est relativement onéreuse, et il reste malgré son application des zones dans lesquelles le gel ou l'émulsion peuvent éventuellement se former. [0008] Afin de limiter l'impact sur l'architecture du circuit de blow-by, il est proposé dans le document FR2891317 une approche différente consistant à diluer les gaz de carter avec un gaz diluant présentant un moindre degré d'hygrométrie que lesdits gaz de carter. Typiquement, on peut diluer les gaz de carter avec de l'air d'admission. [0009] Néanmoins, cette approche est basée sur un traitement des gaz de carter dès leur formation dans le bas moteur. La dilution permet de limiter la formation de gel ou d'émulsion dans tout le circuit de blow-by, mais nécessite ponctuellement l'introduction d'une grande quantité de gaz dans le bas moteur, ce qui augmente sensiblement la quantité de gaz à traiter (issus du mélange entre les gaz de carter et les gaz de dilution introduits), ce qui est néfaste pour le bon fonctionnement du déshuileur du circuit. [0010] On a cependant constaté que le phénomène de formation et d'accumulation de gel et d'émulsion est majoritairement localisé au niveau du point de d'introduction des gaz de blow-by dans l'air d'admission du moteur. En effet, dans cette zone la température peut être extrêmement basse et le flux des gaz de blow-by faible, dans le cas d'un fonctionnement du moteur à faible charge (entraînant un faible débit de gaz de carter) par une température ambiante inférieure à 0°C. L'eau ccntenue sous forme de vapeur dans les gaz de blow-by s'y condense et gèle instantanément au contact des tubulures. [0011] Dans l'invention, on tend à proposer une solution, contre la formation de gel ou d'émulsion pouvant obstruer le circuit des gaz de carter, qui a tout à la fois un impact faible sur l'architecture générale du circuit, et qui évite de recourir à une dilution massive des gaz dans le bas moteur. [0012] Plus précisément, l'invention a pour objet un circuit de gaz de carter d'un moteur thermique, comportant un déshuileur suivi d'un conduit d'introduction de gaz de carter à l'admission du moteur piqué sur un conduit d'admission d'air du moteur, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'insufflation de gaz débouchant dans le conduit d'introduction de gaz de carter, le gaz insufflé étant à une température supérieure à 0°C, et en ce qu'il comporte en outre un clapet de régulation apte à autoriser un passage du gaz insufflé uniquement lorsqu'un écart de pression de part et d'autre dudit clapet entre une pression des gaz insufflés et une pression dans le conduit d'introduction des gaz de carter est compris entre une pression d'ouverture et une pression de fermeture du clapet. [0013] Dans des conditions de grand froid, lorsque la température ambiante est négative, cela permet une augmentation localisée de la température et du débit des gaz, limitant les risques d'obstruction par agglomération d'un amalgame ou par gel au niveau de l'endroit soufflé et en aval de ce point. Le fait d'insuffler en aval du déshuileur permet de ne pas augmenter le débit de gaz traversant le déshuileur, et ainsi de ne pas en limiter l'efficacité (le déshuileur est plus efficace pour un faible débit de gaz) ni de risquer un désamorçage du déshuileur du fait d'un trop fort débit le traversant. En outre, l'utilisation du clapet de régulation permet d'éviter les éventuelles fuites des gaz de carter via le moyen d'insufflation et de maximiser, le cas échéant, les performances du turbocompresseur lorsque le moteur est suffisamment chaud pour éviter tout risque de gel éventuel au niveau du circuit de gaz de carter. [0014] Selon une réalisation, le clapet de régulation comporte une bille située entre deux sièges et sollicitée par un élément élastique, ledit clapet étant apte à prendre: - une première position dans laquelle le clapet est fermé par l'effet de l'élément élastique sur la bille plaquée contre un des sièges lorsque l'écart de pression est négatif ou inférieur à la pression d'ouverture, - une deuxième position autorisant un passage des gaz à travers le clapet dans laquelle la bille n'est pas plaquée contre un des sièges lorsque l'écart de pression est compris entre la pression d'ouverture et la pression de fermeture définies par des caractéristiques d'élasticité de l'élément élastique, et - une troisième position dans laquelle le clapet est fermé par la bille plaquée sur le siège opposé à celui contre lequel est plaquée la bille dans la première position lorsque l'écart de pression devient supérieur à la pression de fermeture. [0015] Selon une réalisation, le clapet de régulation comporte un ajutage limitant une section de passage du gaz insufflé. [0016] Selon une réalisation, l'ajutage présente un diamètre de l'ordre de deux millimètres. [0017] Selon une réalisation, le clapet de régulation est intégré à un connecteur encliquetable. [0018] Selon une réalisation, le moyen d'insufflation est arrangé pour insuffler du gaz supérieur à 0°C au niveau du piquage du conduit d'htroduction de gaz de carter sur le conduit d'admission d'air du moteur. [0019] Selon une réalisation, le moyen d'insufflation comporte un tuyau d'insufflation reliant le conduit d'admission d'air, en aval d'un compresseur de suralimentation, au conduit d'introduction de gaz de carter. [0020] L'invention a également pour objet un moteur thermique comportant un circuit de gaz de carter conforme à l'invention. [0021] L'invention porte en outre sur le clapet de régulation caractérisé en ce qu'il comporte une bille située entre deux sièges et sollicitée par un élément élastique, ledit clapet étant apte à prendre: - une première position dans laquelle le clapet est fermé par l'effet de l'élément élastique sur la bille plaquée contre un des sièges lorsque l'écart de pression est négatif ou inférieur à une pression d'ouverture, - une deuxième position autorisant un passage des gaz à travers le clapet dans laquelle la bille n'est pas plaquée contre un des sièges lorsque l'écart de pression est compris entre la pression d'ouverture et une pression de fermeture définies par des caractéristiques d'élasticité de l'élément élastique, et - une troisième position dans laquelle le clapet est fermé par la bille plaquée sur le siège opposé à celui contre lequel est plaquée la bille dans la première position lorsque l'écart de pression devient supérieur à la pression de fermeture. [0022] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0023] La figure 1 présente schématiquement une portion d'un circuit de gaz de carter conforme à l'invention; [0024] La figure 2 présente une vue partielle d'un moteur thermique comportant un circuit de gaz de carter conforme à l'une des réalisations préférentielles de l'invention; [0025] Les figures 3a à 3c sont des représentations schématiques des différentes positions du clapet de régulation selon l'invention; [0026] La figure 4 est une représentation graphique de la courbe caractéristique du débit en fonction de la pression du clapet de régulation selon l'invention; [0027] La figure 5 présente graphiquement le résultat pouvant être obtenu grâce à la réalisation du circuit de gaz de carter de la figure 2. [0028] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0029] A la figure 1, on a représenté, selon une vue en coupe d'un schéma de principe, une portion d'un circuit de gaz de carter d'un moteur selon l'invention. Un conduit d'introduction de gaz de carter 1 est représenté en coupe longitudinale, et est relié par un piquage 3 à un conduit d'admission d'air 2 d'un moteur thermique. Les gaz de blow-by arrivent dans le conduit d'admission d'air 2 selon la flèche en trait plein, après avoir traversé un déshuileur (non représenté en figure 1, référencé 5 en figure 2). [0030] II est prévu un moyen d'insufflation de gaz dans le conduit d'introduction de gaz de carter 1 débouchant entre le déshuileur 5 et le piquage 3, et de préférence au niveau du piquage 3 tel qu'ici représenté, les gaz insufflés 5 étant à une température supérieure à 0°C. Les gaz insufflés sont représentés par une flèche en traits discontinus. [0031] Etant insufflés dans le conduit d'introduction de gaz de carter 1, les gaz insufflés sont a priori à une pression supérieure à la pression régnant dans le conduit d'introduction de gaz de carter 1 en leur point d'insufflation. La pression supplémentaire ainsi apportée va générer un débit supplémentaire dans le conduit d'introduction de gaz de carter 1, ce qui permet en outre une meilleure projection des gaz du conduit d'introduction des gaz de carter 1 vers le centre du conduit d'admission d'air 2. Cela réduit également le risque de formation d'une obstruction. [0032] Le moyen d'insufflation comporte un tuyau d'insufflation 4 permettant l'introduction de gaz chaud, c'est-à-dire à une température supérieure à 0°C. Le gaz dit «chaud» ainsi introduit est insufflé au niveau du piquage 3. En effet, le phénomène d'obstruction du circuit de blowby par accumulation d'un agglomérat et/ou par le gel est localisé au niveau du piquage 3, et tout particulièrement sur la bordure 31 du piquage 3. [0033] L'insufflation de gaz chaud, sec et sous pression, permet une élévation simultanée de la température et du débit au niveau du piquage 3, ce qui empêche l'obstruction du circuit de blow-by, et en particulier du conduit d'introduction de gaz de carter 1 à ce niveau. [0034] Le point d'insufflation est préférentiellement au plus proche du piquage 3, qui constitue la zone à réchauffer, mais l'angle d'insufflation, c'est-à-dire typiquement l'angle entre le tuyau d'insufflation 4 et le conduit d'introduction de gaz de carter 1 est de préférence inférieur à 90° afin d'éviter la généraion de turbulence entre les gaz insufflés et les gaz de carter. En effet, le but ici n'est pas d'obtenir un mélange homogène entre ces gaz, mais de souffler des gaz chaud de manière localisée afin d'éviter la formation de gel à l'endroit soufflé, par augmentation de la température et du débit de gaz à cet endroit. [0035] Le gaz insufflé pourra être par exemple et de manière préférentielle de l'air prélevé à l'admission du moteur en aval d'un compresseur, typiquement le compresseur d'un turbocompresseur. [0036] Ainsi, sur la vue présentée en figure 2, on retrouve le conduit d'introduction de gaz de carter 1 piqué sur le conduit d'admission 2. Le conduit d'introduction de gaz de carter 1 s'étend ainsi entre un déshuileur 5 et le conduit d'admission 2, s'achevant par un piquage 3 sur ce dernier. Un tuyau d'insufflation 4 s'étend entre l'aval d'un compresseur 6 d'un turbocompresseur et le conduit d'introduction de gaz de carter 1 à proximité immédiate du piquage 3. Typiquement, le prélèvement des gaz insufflés peut être réalisé au niveau d'un résonateur 7 positionné directement en aval du compresseur 6. Les gaz insufflés étant prélevés directement en aval d'un compresseur 6, ils présentent une pression et une température augmentée au cours d'une accélération. [0037] Le tuyau d'insufflation 4 est doté d'un clapet 9 de régulation tri-positions. L'ensemble ainsi formé constitue un moyen d'insufflation de gaz dans le conduit d'introduction de gaz de carter 1. Le clapet 9 est de préférence intégré dans un connecteur 10 encliquetable par exemple de la marque "Hutchinson". [0038] En l'occurrence, le clapet 9 bien visible sur les figures 3a à 3c comporte une bille 11 située entre deux sièges 12, 13 du clapet, ladite bille 11 étant sollicitée par un moyen élastique tel qu'un ressort 14. Le clapet 9 est apte à prendre trois positions différentes suivant les phases de fonctionnement du moteur. [0039] Ainsi, dans une première position montrée sur la figure 3a, le clapet 9 est fermé par l'effet du ressort 14 sur la bille 11 plaquée contre le siège 12 lorsque l'écart de pression 3,P est négatif ou inférieur à la pression d'ouverture P1 (cf. figure 4). On évite ainsi, en cas de relâchement de la pédale d'accélération engendrant une chute de pression en sortie du turbocompresseur, qu'une partie des gaz de carter ne s'échappe via le tuyau d'insufflation 4. [0040] Dans une deuxième position montrée sur la figure 3b autorisant un passage des gaz chaud à travers le clapet 9, la bille 11 n'est plus plaquée contre un des deux sièges 12, 13 du clapet 9 lorsque l'écart de pression 3,P est compris entre la pression d'ouverture P1 et la pression de fermeture P2 (cf. figure 4). Dans ce cas, le moteur thermique n'étant pas encore complètement chaud, on autorise le soufflage d'air chaud dans le conduit d'introduction des gaz de carter 1 pour éviter toute présence de gel éventuelle. [0041] Dans une troisième position montrée sur la figure 3c, le clapet 9 est fermé par la bille 11 plaquée contre le siège 13 opposé au siège 12 lorsque l'écart de pression 3,P devient supérieur à la pression de fermeture P2 (cf. figure 4). Dans ce cas, le moteur étant complètement chaud, les risques de gel sont réduits en sorte qu'il n'est plus nécessaire de prélever une partie de l'air en aval du compresseur qui pourra alors être complètement utilisé pour maximiser les performances à l'accélération du véhicule. [0042] Avantageusement, le clapet 9 comporte un ajutage de manière à limiter le débit des gaz insufflés. L'ajutage présente de préférence un diamètre de l'ordre de 2mm, ce qui correspond à une perte de capacité de remplissage en air des cylindres par le turbocompresseur de l'ordre de 2%. En conséquence, la chute de performance à l'accélération du véhicule liée à l'ajout du tuyau d'insufflation 4 ne sera pas perceptible par le conducteur. En revanche, des ajutages ayant un diamètre supérieur à 4 mm ne sont pas envisageables dans la mesure où ils engendrent des pertes de capacité de remplissage des cylindres supérieures à 10% et 25% pour un diamètre de 6 mm. [0043] Les caractéristiques d'élasticité du ressort 14 sont choisies de préférence de telle manière que la pression d'ouverture P1 correspond à un écart de pression 3,P compris entre 30000 Pa (300 mbars) et 50000 Pa (500 mbars) Pascals tandis que la pression de fermeture P2 correspond à un écart de pression 3,P supérieur à 100000 Pa (1 bar). [0044] La figure 5 présente graphiquement le résultat pouvant être obtenu grâce la variante préférentielle de l'invention présentée en figure 2. En ordonnée est représentée la température en degrés Celsius, en abscisse le temps (échelle figurative représentative du temps de chauffe d'un moteur suite à un démarrage à froid). [0045] Les mesures sont faites suite au démarrage à froid d'un moteur équipant un véhicule automobile classique, à une température ambiante de -18°C. [0046] La courbe A présente l'évolution de la température à l'entrée du circuit des gaz de carter, en l'absence d'un dispositif selon l'invention. [0047] La courbe B présente l'évolution de la température à la sortie du circuit des gaz de carter, dans le conduit d'introduction des gaz de carter 1 au niveau du piquage 3 avec le conduit d'admission 2, en l'absence d'un dispositif selon l'invention. [0048] La courbe C présente l'évolution de la température à l'entrée du circuit des gaz de carter, en présence d'un dispositif selon la réalisation présentée en figure 2. [0049] La courbe D présente l'évolution de la température à la sortie du circuit des gaz de carter, dans le conduit d'introduction des gaz de carter 1 au niveau du piquage avec le conduit d'admission 2, en présence d'un dispositif selon la réalisation présentée en figure 2. [0050] Ce graphique permet de constater que, pour l'application considérée ici, une différence de 12°C s'établit rapidement au niveau di piquage 3 entre le conduit d'introduction des gaz de carter 1 et le conduit d'admission 2, dans la zone la plus sensible au phénomène d'obstruction par le gel. En plus du gain en température observé, la formation d'amalgame ou de gel est également limitée par l'augmentation locale de débit créé par l'insufflation de gaz dans les gaz de carter. [0051] Le circuit offre ainsi une solution efficace au problème de l'obstruction du circuit d'introduction à l'admission des gaz de carter, sans utiliser un système de chauffage coûteux et qui consomme beaucoup d'énergie. En effet, l'invention nécessite uniquement l'ajout d'un clapet 9 qui est un organe simple, peu coûteux, et entièrement mécanique qui n'engendre pas de consommation électrique. [0052] Le système et le procédé précédemment décrits peuvent être employés de manière préventive, pour éviter l'obstruction, mais également de manière curative lorsqu'une obstruction incomplète du circuit de blow-by est détectée. [0053] Bien entendu, l'homme du métier pourra apporter des modifications au circuit de gaz de carter précédemment décrit sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le clapet 9 pourra alternativement être situé au niveau du raccord de sortie du turbocompresseur. En variante, on utilise une pluralité de moyens d'insufflation. Alternativement, le tuyau d'insufflation 4 relie un collecteur d'échappement ou un conduit d'échappement du moteur au conduit d'introduction de gaz de carter 1. En variante également, le moyen d'insufflation comporte un dispositif de prélèvement d'air réchauffé par un circuit de liquide de refroidissement du moteur, et de soufflage de cet air réchauffé dans le conduit d'introduction de gaz de carter 1. REVENDICATIONS1. Circuit de gaz de carter d'un moteur thermique, comportant un déshuileur (5) suivi d'un conduit d'introduction de gaz de carter (1) à l'admission du moteur piqué sur un conduit d'admission d'air du moteur (2), caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'insufflation de gaz débouchant dans le conduit d'introduction de gaz de carter (1), le gaz insufflé étant à une température supérieure à 0°C, et en ce qu'il comporte en outre un clapet (9) de régulation apte à autoriser un passage du gaz insufflé uniquement lorsqu'un écart de pression (3,P) de part et d'autre dudit clapet (9) entre une pression des gaz insufflés et une pression dans le conduit d'introduction des gaz de carter (1) est compris entre une pression d'ouverture (P1) et une pression de fermeture (P2) du clapet (9). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet de régulation (9) comporte une bille (11) située entre deux sièges (12, 13) et sollicitée par un élément élastique (14), ledit clapet (9) étant apte à prendre: - une première position dans laquelle le clapet (9) est fermé par l'effet de l'élément élastique (14) sur la bille plaquée contre un des sièges (12, 13) lorsque l'écart de pression (3,P) est négatif ou inférieur à la pression d'ouverture (P1), - une deuxième position autorisant un passage des gaz à travers le clapet (9) dans laquelle la bille (11) n'est pas plaquée contre un deux sièges (12, 13) lorsque l'écart de pression (3,P) est compris entre la pression d'ouverture (P1) et la pression de fermeture (P2) définies par des caractéristiques d'élasticité de l'élément élastique, et - une troisième position dans laquelle le clapet (9) est fermé par la bille (11) plaquée sur le siège (12, 13) opposé à celui contre lequel est plaquée la bille (11) dans la première position lorsque l'écart de pression (3,P) devient supérieur à la pression de fermeture (P2). 3. Circuit selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le clapet de régulation (9) comporte un ajutage limitant une section de passage du gaz insufflé. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ajutage présente un diamètre de l'ordre de deux millimètres. 5. Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le clapet de régulation (9) est intégré à un connecteur encliquetable. 6. Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen d'insufflation est arrangé pour insuffler du gaz supérieur à 0°C au niveau du piquage (3) du conduit d'introduction de gaz de carter (1) sur le conduit d'admission d'air du moteur (2). 7. Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen d'insufflation comporte un tuyau d'insufflation (4) reliant le conduit d'admission d'air (2), en aval d'un compresseur (6) de suralimentation, au conduit d'introduction de gaz de carter (1). 8. Moteur thermique comportant un circuit de gaz de carter conforme à l'une des revendications précédentes. 9. Clapet (9) de régulation caractérisé en ce qu'il comporte une bille (11) située entre deux sièges (12, 13) et sollicitée par un élément élastique (14), ledit clapet (9) étant apte à prendre: - une première position dans laquelle le clapet (9) est fermé par l'effet de l'élément élastique (14) sur la bille plaquée contre un des sièges (12, 13) lorsque l'écart de pression (3,P) est négatif ou inférieur à une pression d'ouverture (P1), - une deuxième position autorisant un passage des gaz à travers le clapet (9) dans laquelle la bille (11) n'est pas plaquée contre un des sièges (12, 13) lorsque l'écart de pression (3,P) est compris entre la pression d'ouverture (P1) et une pression de fermeture (P2) définies par des caractéristiques d'élasticité de l'élément élastique, et - une troisième position dans laquelle le clapet (9) est fermé par la bille (11) plaquée sur le siège (12, 13) opposé à celui contre lequel est plaquée la bille (11) dans la première position lorsque l'écart de pression (3,P) devient supérieur à la pression de fermeture (P2).25