Brevet FR3053737A1 — publié le 20180112

MOTEUR AVEC RECIRCULATION OPTIONNELLE DE GAZ D'ÉCHAPPEMENT [0001] L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne avec une recirculation optionnelle de gaz d'échappement, c'est-à-dire permettant une adaptation à une telle recirculation de moteur destiné à équiper un véhicule automobile. Un tel moteur met en oeuvre des moyens optionnels de recirculation de gaz d'échappement permettant de passer d'un état dit « fermé » au recyclage à un état dit « ouvert» au recyclage, en fonction de la destination prévue pour ce moteur. [0002] Les normes antipollution induisent un besoin accru en systèmes de recirculation des gaz d'échappement dits EGR (acronyme de « Exhausted Gaz Recirculation » en terminologie anglaise) et/ou en systèmes catalyseurs permettant de limiter les oxydes d'azotes et les suies (incluant par exemple des filtres à particules). L'invention concerne l'utilisation des systèmes de recirculation EGR. [0003] La recirculation des gaz d'échappement est une technique connue de dépollution des moteurs à combustion interne par remise en circulation des gaz d'échappement à l'admission afin de diminuer les oxydes d'azote. Plus précisément, cette technique consiste à réinjecter une partie des gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote NOx (NO2, NO3, N20) dans les chambres de combustion du moteur. Le taux d'oxygène nécessaire à la combustion est alors diminué et la température de combustion réduite car les oxydes d'azote ont une capacité calorifique plus élevée que l'oxygène, ce qui réduit globalement la quantité de Nox produits ainsi que leur émission. La proportion des gaz d'échappement remis en circulation est adaptée à chaque moteur et à chaque régime de fonctionnement afin de respecter l'équilibre entre les émissions d'oxydes d'azotes et de particules. [0004] Afin d'injecter à l'admission une quantité déterminée de gaz prélevée à l'échappement selon les conditions de fonctionnement du moteur à chaque instant, une soupape appelée vanne EGR est pilotée par le calculateur du moteur. La vanne EGR ferme ou ouvre en conséquence la canalisation reliant le collecteur d'échappement des gaz au collecteur d'admission des gaz dans le moteur. 3053737 2 [0005] Différents modes de réalisation de cette technique de recirculation EGR ont été développés, par exemple en choisissant une recirculation des gaz d'échappement de manière externe à la culasse ou de manière interne à cette culasse. 5 [0006] Une autre option concerne la pression haute ou basse des gaz en recirculation en liaison avec une turbine de turbocompresseur agencée en sortie du collecteur d'échappement de la culasse. A haute pression, la recirculation s'effectue en prélevant le gaz en amont de la turbine, et en le réinjectant dans l'air comprimé par le compresseur en aval de ce compresseur. 10 [0007] A basse pression, la recirculation s'effectue en prélevant des gaz en aval de la turbine pour les réinjecter dans l'air en amont du compresseur d'air de suralimentation. La recirculation à basse pression requiert un circuit plus long que la recirculation à haute pression et nécessite la mise en place d'un filtre à particules en amont du prélèvement. Ce filtre permet d'éviter une usure 15 prématurée du compresseur et assure un recyclage de gaz exempts de particules. [0008] La recirculation EGR permet de limiter l'émission de gaz polluants et le respect des normes antipollution de certains pays, mais le circuit de recirculation a tendance à s'encrasser par excès de gaz réinjecté, ce qui provoque le dégagement de fumées noires et un encrassement du moteur. En conséquence, 20 la recirculation EGR n'est pas installée sur tous les véhicules automobiles et le caractère obligatoire de cette installation dépend des règlementations nationales sur les normes antipollution. [0009] Un exemple de recirculation externe à la culasse et à haute pression améliorée est décrit dans le document de brevet FR 2 892 770. Dans ce 25 document, le système de recirculation EGR d'un moteur est agencé avec plusieurs vannes permettant un nettoyage de circuit de recirculation EGR pour éviter son encrassement, par action mécanique et/ou thermique, mais sans consommation d'électricité. Lesdites vannes, par leurs ouvertures et/ou fermetures, permettent d'organiser plusieurs modes de fonctionnement de 30 recirculation EGR dans ce moteur: la recirculation EGR peut être désactivée, ou activé en phase de dépollution, ou encore activé en phase de décrassage. 3053737 3 [0010] Un autre exemple de recirculation EGR est présenté dans le document de brevet FR 2 997 953. Selon ce document, la recirculation est interne à la culasse, ce qui apporte une économie de place et une simplification de la fabrication du moteur. 5 [0011] Cependant, le principe d'une recirculation EGR n'est pas toujours préconisé, ni obligatoire, voire interdit, et son installation sur un véhicule automobile est dès lors aléatoire en fonction des pays de marché, alors que le même véhicule automobile est vendu. [0012] Or aucun des documents cités ne répond à ce problème d'adaptation 10 de la fabrication des moteurs à recirculation EGR selon les besoins du marché. L'invention a donc pour objectif principal de proposer, dans un moteur donné, une culasse de base pouvant être aisément adaptée en fonction de la demande en moteur avec ou sans recirculation EGR. Pour ce faire, l'invention prévoit une culasse à conduit interne de recirculation EGR obturé ou non au moment de la 15 fabrication de cette culasse. [0013] A cet effet, la présente invention a pour objet un moteur à combustion interne muni d'une culasse comportant des têtes de cylindres, chaque tête de cylindre étant reliée d'une part à un conduit d'admission d'air et, d'autre part, à un conduit de sortie appartenant à une partie d'échappement des gaz dans laquelle 20 les conduits de sortie sont réunis pour former un collecteur d'échappement. De plus, la culasse est traversée par un conduit de recirculation des gaz d'échappement s'étendant entre une extrémité interne formée dans une paroi de la partie échappement, et une extrémité externe débouchant hors de la culasse apte à être reliée à un circuit de recirculation en liaison avec les conduits 25 d'admission d'air. Dans cette culasse, le conduit de recirculation des gaz d'échappement est obstrué par au moins un bouchon agencé solidairement au conduit. [0014] Un avantage d'une obstruction par bouchon est de pouvoir être retiré aisément et ainsi de convertir la culasse en une culasse adaptée à un moteur 30 équipé d'un circuit de recirculation EGR. [0015] Selon des formes de mise en oeuvre avantageuses : 3053737 4 - un bouchon est agencé dans au moins une zone d'extrémité interne et externe du conduit de recirculation ; - le bouchon est constitué d'un matériau choisi entre fonte, acier et aluminium; - le bouchon est solidarisé au conduit par une technologie choisie entre soudage, 5 frittage et collage; - la culasse est formée de deux blocs jointifs assemblés mécaniquement, un bloc culasse intégrant les cylindres et les conduits d'entrée / sortie et un bloc collecteur intégrant le collecteur des gaz d'échappement, le conduit de recirculation traversant ces deux blocs. 10 [0016] L'invention se rapporte également à un véhicule automobile équipé d'un moteur tel que défini ci-dessus, ainsi qu'à un procédé mettant en oeuvre d'un tel moteur. Ce procédé comporte les étapes suivantes : - moulage en fonderie d'un corps de culasse de moteur à partir d'un moule comportant des noyaux fusibles disposés aux emplacements de cylindres et de 15 conduits pour former des conduits d'admission d'air et de sortie reliés aux têtes de cylindres, les conduits de sortie étant réunis par un collecteur d'échappement pour constituer une partie d'échappement des gaz, et d'un conduit de recirculation des gaz d'échappement s'étendant dans la culasse avec une extrémité interne formée dans la paroi de la partie d'échappement et une extrémité externe débouchant 20 hors de la culasse ; - fusion des noyaux, démoulage du corps de culasse et retrait des noyaux; - selon la commande de fabrication, le corps de culasse est dirigé soit vers une ligne d'obstruction du conduit de recirculation des gaz d'échappement par au moins un bouchon et d'usinage de ce au moins un bouchon, soit vers une ligne de 25 sortie de culasse pour être montée sur un moteur à recirculation de gaz de type EGR. [0017] Le procédé selon l'invention peut également être mis en oeuvre avec un bouchage initial de conduit EGR puis, selon la commande, le corps de culasse est dirigé soit vers une ligne d'usinage du au moins un bouchon pour le retirer du 30 conduit EGR, afin de monter la culasse sur un moteur à recirculation de gaz de type EGR, soit vers la ligne de sortie pour être montée sur un moteur sans recirculation EGR. 305 3 7 3 7 5 [0018] Selon des modes de mise en oeuvre avantageux: - le bouchage du conduit est réalisé par usinage de matière issue de fonderie aux extrémités interne et externe du conduit de recirculation; - le moulage en fonderie de la culasse est réalisé soit en un corps 5 d'une seule pièce soit par l'assemblage de deux blocs moulés séparément, un bloc culasse intégrant les têtes de cylindre et les conduits d'entrée / sortie et un bloc collecteur intégrant le collecteur des gaz d'échappement; - les blocs culasse et collecteur sont assemblés par une technique choisie entre vissage, rivetage et soudage. 10 [0019] Dans le présent texte, les qualificatifs « interne » et « externe » se réfèrent à la position d'éléments par rapport à la culasse. Sur les figures, des éléments identiques ou analogues sont repérés par un même signe de référence qui renvoie au(x) passage(s) de la description qui le cite(nt). [0020] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente 15 invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue schématique d'une partie de moteur sans recirculation EGR et comportant une culasse vue en coupe ayant un conduit de recirculation obturé selon l'invention; 20 - la figure 2, la vue schématique en coupe de la figure 1 sans bouchon, la culasse étant alors adaptée à la recirculation des gaz d'un moteur possédant une recirculation EGR, - la figure 3, un logigramme de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, et - la figure 4, un logigramme d'une mise en oeuvre alternative du procédé selon 25 l'invention. [0021] En référence à la vue schématique de partie de moteur de la figure 1, un corps 1 de culasse de moteur 10 est traversé par trois têtes de cylindre 4 alignées dans le plan « P » dans lequel la culasse 10 est vue de coupe. Les têtes de cylindre 4 sont reliées à des conduits d'admission d'air 2 et, de manière 30 opposée, à des conduits de sortie d'échappement 3. Chaque conduit d'admission 2 est agencé entre une tête de cylindre 4 et un répartiteur d'admission 20 commun aux trois conduits d'admission 2 et agencé hors de la culasse 10. Les conduits 3053737 6 d'admission 2 pénètrent dans le corps 1 par une paroi d'admission 2A. De plus, les conduits de sortie d'échappement 3 sont agencés entre les têtes de cylindre 4 et un collecteur d'échappement 30 disposé sensiblement dans le corps de culasse 1. Le collecteur d'échappement 30 et ses conduits d'échappement 3 forment une 5 partie d'échappement 31. [0022] Le corps de culasse 1 est également traversé par un conduit de recirculation des gaz d'échappement 50, dit conduit EGR, comportant une extrémité interne 51, formée dans la paroi de la partie d'échappement 31 - la paroi d'un conduit d'échappement 3 dans l'exemple illustré - et une extrémité 10 externe 52 débouchant hors du corps de culasse 1 par la paroi d'admission 2A. Conformément à l'invention, le conduit EGR 50 est obstrué par un bouchon 61 agencé dans une zone d'extrémité Z1 adjacente à l'extrémité interne 51 du conduit EGR 50, et par un bouchon 62 agencé dans une zone d'extrémité Z2 adjacente à l'extrémité externe 52 du conduit EGR 50. 15 [0023] Les bouchons 61 et 62 sont disposés en fonderie dans les deux zones d'extrémité Z1 et Z2 du conduit EGR. Ils sont donc avantageusement constitués du même métal que la culasse 10 et sont alors soudés par fusion au corps de culasse 10. Alternativement, ces bouchons 61 et 62 peuvent être constitués par un métal ou un alliage différent de celui de la culasse 10, par exemple en fonte ou 20 en acier si la culasse 10 est en aluminium. Les bouchons peuvent alors être solidarisés à la culasse 10 par frittage, soudage ou collage en utilisant une colle résistante aux hautes températures. [0024] Le fonctionnement moteur est prévu ici sans recirculation EGR. La culasse 10 est reliée à un circuit d'admission CA et à un circuit d'échappement CE 25 de la manière décrite ci-après. Dans le circuit d'admission CA, l'air (flèche F1) passe d'abord dans un filtre 11 puis successivement (flèche F2), via un conduit 13, dans un compresseur 14a d'un turbocompresseur 14, un échangeur de refroidissement 12 et dans le répartiteur d'admission 20 (flèche F3), avant d'entrer dans les conduits d'admission d'air 2. Une vanne de réglage 17 est insérée dans 30 le conduit 13 pour réguler le débit d'admission d'air. [0025] Dans le circuit d'échappement CE, les gaz d'échappement sortent du collecteur d'échappement 30 pour être détendus par la turbine 14b du 3053737 7 turbocompresseur 14 puis, via un conduit 15, pour être traités par un équipement de dépollution 16 intégrant un catalyseur et un filtre à particules, avant d'être conduits à la ligne d'échappement LE. [0026] La culasse 10' de la vue schématique de la figure 2 reprend la culasse 5 10 de la figure 1, cette fois formée de deux blocs jointifs assemblés - un bloc culasse 1A et un bloc collecteur 1B - afin de faciliter les opérations de démoulage, ainsi que les circuits d'admission CA et d'échappement CE de la figure 1. Dans cet exemple illustré, la culasse fonctionne en mode de recirculation EGR. Pour ce faire, le conduit EGR 50 n'est obturé par aucun bouchon et est issu de fonderie de 10 chacun des blocs 1A et 1 B. De plus, un circuit de recirculation, dit circuit EGR, 55 vient compléter l'équipement de traitement des gaz d'échappement par recirculation vers le répartiteur d'admission 20. [0027] Dans l'exemple illustré, le circuit EGR 55 comporte, outre le conduit EGR 50, une vanne EGR 56 montée à l'extrémité externe 52 du conduit 50 et 15 destinée à réguler le débit du gaz de recirculation venant du conduit EGR 50 (flèche F4) en liaison avec un calculateur gérant le moteur. Le circuit EGR 55 comporte également un conduit de recirculation 57 qui relie l'extrémité externe 52 du conduit EGR 50 au répartiteur d'admission 20 via un échangeur de chaleur 58 destiné à abaisser la température du gaz recyclé. 20 [0028] Ainsi le retrait des deux bouchons 61 et 62 permet de transformer une culasse destinée à un moteur sans recirculation EGR en une culasse destinée à un moteur avec recirculation EGR. [0029] Un exemple de procédé mettant en oeuvre une culasse telle que définie ci-dessus comporte les étapes suivantes, telles qu'illustrées par le logigramme de 25 la figure 3. Le moulage d'un corps de culasse 10 est d'abord réalisé en fonderie à partir d'un moule dans lequel des noyaux fusibles sont agencés à des emplacements dédiés pour former des volumes sans matière dédiés aux équipements (étape 100). [0030] Ces équipements sont constitués par les cylindres 4, les conduits 30 d'admission 2 et de sortie d'échappement 3, le collecteur d'échappement 30 et le conduit de recirculation des gaz d'échappement 50. Ce conduit de recirculation EGR 50 s'étend dans la culasse 10 entre son extrémité interne 51, formée dans 3053737 8 une paroi de conduit de sortie 3 (ou du collecteur d'échappement 30) et son extrémité externe 52 débouchant dans la paroi d'admission 2A (cf. figure 1). [0031] Puis l'opération de fusion du corps de culasse 1 en aluminium dans l'exemple est implémentée en fonderie, les noyaux étant ensuite démoulés afin de 5 définir les équipements ci-dessus (étape 110). Selon le pavé de commande 120, le corps de culasse est dirigé : - soit vers une ligne d'obstruction du conduit de recirculation des gaz d'échappement (ligne 130) par l'intégration de deux bouchons d'aluminium aux extrémités 51 et 52 du conduit EGR 50 et l'usinage de ces bouchons; 10 - dans ce cas, la culasse est destinée à être montée sur un moteur sans équipement de recirculation EGR (ligne 140) ; - soit vers une ligne de sortie de la culasse 10 pour être montée sur un moteur à recirculation de gaz EGR (ligne 150). [0032] Un autre exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention 15 comporte les étapes suivantes, telles qu'illustrées par le logigramme de la figure 4. Les étapes de moulage 100' et de démoulage 110' avec fusion puis retrait des noyaux sont conduites de manière identique à celles due la mise en oeuvre précédente, à l'exception de la formation de bouchons aux extrémités du conduit EGR 50 (cf. figure 1) dès l'étape de moulage. 20 [0033] Selon le pavé de commande de fabrication 120', similaire au pavé 120, le corps de culasse est dirigé : - soit vers une ligne d'usinage pour supprimer les bouchons du conduit de recirculation des gaz d'échappement (étape 130'), la culasse étant destinée à être montée sur un moteur à recirculation de gaz EGR (étape 140') ; 25 - soit vers une ligne de sortie de culasse pour être montée sur un moteur sans recirculation de gaz (étape 150'). [0034] Ainsi, ce mode de mise en oeuvre utilise une étape finale d'usinage 130' alors que le mode de mise en oeuvre précédent utilise une étape finale de bouchage 130 pour permettre, dans les deux cas, de choisir entre un montage de 30 culasse en recirculation EGR ou un montage de culasse sans recirculation EGR. [0035] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, dans le cas où le corps de culasse est formé de deux blocs, un 3053737 9 bloc culasse et un bloc collecteur, cette culasse est utilisable également avec un conduit EGR bouché ou non bouché. La culasse peut être équipée du nombre de têtes de cylindre adapté au moteur, par exemple entre 2 et 8 voire plus. [0036] Par ailleurs, on peut également fixer les bouchons par frittage ou par 5 collage. De plus, le matériau constituant du bouchon peut être de toute matière fixable sur la culasse et capable de résister aux conditions de chaleur et de pression du milieu où ils sont agencés, en particulier en fonte, acier, aluminium ou équivalent. De même, le collecteur peut être d'un matériau différent de celui de la culasse, ces matériaux étant compatibles pour une fixation du collecteur résistant 10 aux conditions de fonctionnement de la culasse. [0037] En outre, l'invention s'applique à tout type de moteur, fonctionnant au diesel ou à l'essence, installé dans un véhicule automobile, mais aussi dans un moyen de transport ferré, maritime, dans une machine industrielle ou dans un groupe électrogène fixe. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne muni d'une culasse (10, 10') comportant des têtes de cylindres (4), chaque tête de cylindre (4) étant reliée d'une part à un conduit d'admission d'air (2) et, d'autre part, à un conduit de sortie (3) appartenant à une partie d'échappement des gaz (31) dans laquelle les conduits de sortie (3) sont réunis pour former un collecteur d'échappement (30), la culasse (10, 10') étant traversée par un conduit (50) de recirculation des gaz d'échappement s'étendant entre une extrémité interne (51) formée dans une paroi de la partie échappement (31), et une extrémité externe (52) débouchant hors de la culasse apte à être reliée à un circuit de recirculation (55) en liaison avec les conduits d'admission d'air (2), caractérisé en ce que, dans cette culasse (10, 10'), le conduit de recirculation (50) des gaz d'échappement est obstrué par au moins un bouchon (61, 62) agencé solidairement au conduit (50). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, dans lequel le bouchon (61, 62) est agencé dans au moins une zone d'extrémité interne (Z2) et externe (Z1) du conduit de recirculation (50). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le bouchon (61, 62) est constitué d'un matériau choisi entre fonte, acier et aluminium. 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la culasse (10') est formée de deux blocs jointifs assemblés mécaniquement, un bloc culasse (1A) intégrant les cylindres (4) et les conduits d'entrée / sortie (2, 3) et un bloc collecteur (1 B) intégrant le collecteur des gaz d'échappement (30), et le conduit de recirculation (50) traversant ces deux blocs (1A, 1B). 5. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Procédé de réalisation de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - moulage en fonderie (100) d'un corps (1; 1A, 1B) de culasse (10, 10') de moteur à partir d'un moule comportant des noyaux fusibles disposés aux 3053737 11 emplacements de cylindres et de conduits pour former des conduits d'admission d'air (2) et dé sortie (3) reliés aux têtes de cylindres (4), les conduits de sortie (3) étant réunis par un collecteur d'échappement (30) pour constituer une partie d'échappement des gaz (31), et d'un conduit de recirculation des gaz 5 d'échappement (50) s'étendant dans la culasse (10, 10') avec une extrémité interne (51) formée dans la paroi de la partie d'échappement (31) et une extrémité externe (52) débouchant hors de la culasse (10, 10'); - fusion des noyaux, démoulage du corps de culasse (1; 1A, 1B) et retrait des noyaux (110) ; 10 - selon la commande de fabrication (120), le corps de culasse (1) est dirigé soit vers une ligne d'obstruction (130) du conduit de recirculation (50) des gaz d'échappement par au moins un bouchon (61, 62) et d'usinage du au moins un bouchon (140), soit vers une ligne de sortie de culasse pour être montée sur un moteur à recirculation de gaz de type EGR (150). 15 7. Procédé de réalisation de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel des étapes de moulage (100') et de démoulage (110') sont conduites selon la revendication précédente avec un bouchage initial de conduit EGR (50) puis, selon une étape de commande de fabrication (120'), le corps de culasse est dirigé soit vers une ligne d'usinage du au moins un bouchon 20 pour le retirer du conduit EGR (130'), afin de monter la culasse sur un moteur à recirculation de gaz de type EGR (140'), soit vers une ligne de sortie pour être montée sur un moteur saris recirculation EGR (150'). 8. Procédé de réalisation de moteur selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel le bouchage du conduit (50) est réalisé par 25 usinage de matière issue de fonderie aux extrémités interne (Z2) et externe (Z1) du conduit de recirculation (50). 9. Procédé de réalisation de moteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le moulage en fonderie de la culasse (10, 10') est réalisé soit en un corps d'une seule pièce (1) soit par l'assemblage de deux 30 blocs moulés séparément, un bloc culasse (1A) intégrant les têtes de cylindre (4) et les conduits d'entrée / sortie (2, 3) et un bloc collecteur (1B) intégrant le collecteur (30) des gaz d'échappement. 3053737 12 10. Procédé de réalisation de moteur selon la revendication précédente, dans lequel les blocs culasse (1A) et collecteur (1 B) sont assemblés par une technique choisie entre vissage, rivetage et soudage.