Brevet FR3095478A1 — publié le 20201030

Description Titre de l'invention : Dispositif de mélange d'air frais et de gaz d'échappement recyclés pour un moteur à combustion interne Domaine technique [0001] L'invention a pour domaine technique le contrôle du mélange de gaz admis dans un moteur à combustion interne, et plus particulièrement, un tel contrôle pour les moteurs à combustion interne munis de moyens de recirculation partielle des gaz d'échappement. Problème technique [0002] Dans le but de dépolluer les moteurs à combustion interne, la perspective technique par l'ensemble des constructeurs automobile est le recours, pour les moteurs suralimentés par turbocompresseur, à la recirculation partielle à l'admission des gaz de combustion dans un circuit basse pression, appelée par la suite « EGR BP », (avec EGR l'acronyme anglophone pour « Exhaust Gas Recycling » et l'acronyme BP pour basse pression). Il est rappelé que l'EGR BP consiste à prélever des gaz d'échappement en un point du circuit d'échappement situé en aval de la turbine du turbocompresseur de suralimentation du moteur, généralement encore derrière un dispositif de dépollution lui-même monté en aval de la turbine, et à les réinjecter à l'admission du moteur en un point du circuit d'admission situé en amont du compresseur du turbocompresseur de suralimentation du moteur, c'est-à-dire avant l'étage de compression de l'air. [0003] L'EGR Basse Pression a pour intérêt de diminuer la température de combustion. Cette diminution de température a pour but : [0004] de diminuer les émissions d'oxydes d'azote NQ tant sur des applications de moteurs à carburant diesel qu'essence ; 100051 de permettre l'utilisation de turbocompresseurs à géométrie variable sur des moteurs à essence, technologie jusqu'alors quasiment réservée aux moteurs diesel en raison de températures à l'échappement moins élevées que celles qui sont relevées pour des moteurs à essence, températures compatibles avec la résistance des ailettes sur une turbine à géométrie variable. On rappelle qu'une turbine à géométrie variable comprend des ailettes dont l'anele ou l'espacement peuvent être modifiés de sorte à modifier l'arrosage de la roue de la turbine par les eaz d'échappement du moteur, modulant ainsi le travail récupéré sur l'étage turbine qui est ensuite transmis au compresseur. 100061 Un des inconvénients de l'usage de l'EGR BP est l'augmentation de la température en amont de l'étage compresseur. En effet, même si on refroidit généralement les gaz 2 d'échappement recyclés à l'admission en utilisant un échangeur, la température des gaz recyclés reste généralement plus élevée que celle de l'air frais capté par le circuit d'admission d'air du moteur. Cette augmentation de température a pour effet de diminuer la densité de l'air en amont de l'étage compresseur. Or, à iso-débit d'air (dicté par le régime moteur) conserver le même niveau de suralimentation impose de chercher des points de plus fort taux de compression. Cela a pour effet : [0007] de dégrader le rendement de compression, par migration vers des zones d'iso-rendements moins favorables ; [0008] de rechercher des vitesses de turbocompresseur plus élevées, ce qui peut pénaliser la tenue en fatigue à faible nombre de cycles de la roue compresseur ; [0009] de se rapprocher de la zone de pompage, voire même d'entrer dans des zones de pompage. [0010] Un premier but de la présente invention est de diminuer cette susceptibilité au pompage. [0011] Par ailleurs, le recours à l'EGR BP a pour inconvénient de voir l'apparition de condensation de tout ou partie de l'eau contenue dans les gaz recirculés, produite par la combustion. Ces condensats peuvent ruisseler sur les parois, atteindre la roue compresseur et être ingérés, ce qui peut éroder la roue compresseur. [0012] Par observations expérimentales, cc ruissellement doit être évité et il faut favoriser au maximum la concentration des condensats vers le milieu de la roue. On a constaté que, à iso-débit d'eau condensée, l'érosion de la roue compresseur est plus faible si les condensats atteignent la roue en son centre plutôt qu'à sa périphérie. On peut expliquer ce phénomène par le fait que la vitesse linéaire d'une partie mobile en rotation de la roue augmente avec sa distance à l'axe de la roue, et que l'énergie dégagée par l'impact du liquide augmente avec le carré de la vitesse. Il en résulte que les dommages à la périphérie sont nettement plus marqués qu'au centre. [0013] Un deuxième but de l'invention est de résoudre le problème de l'érosion de la roue. Etat de la technique antérieure [0014] De l'état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants. [0015] Lc document W02010083151 décrit un mélangeur d'air et de gaz d'échappement re- circulés pour un moteur à combustion interne. [0016] Ce mélangeur vise à bien mélanger l'air et les gaz d'échappement recyclés, avant leur introduction dans les chambres de combustion du moteur, de manière à réduire les émissions polluantes. [0017] Selon ce document, le mélangeur est disposé en aval du compresseur. Il comprend deux canaux concentriques, un premier canal central d'introduction des gaz d'échappement recyclés et un second canal périphérique d'introduction de l'air ; ces 3 deux canaux débouchent dans un mélangeur à hélice, puis le mélange traverse un conduit divergent. [0018] Le document CN106884746 décrit un mélangeur d'air et de gaz d'échappement recyclés provenant d'un circuit EGR à basse pression monté en amont du compresseur. Il vise à résoudre trois problèmes particuliers, les risques de détérioration de la roue de compresseur, dus à la basse température des gaz EGR et à la condensation d'eau, les risques d'instabilité du moteur, dus à des écarts de richesse entre cylindres, provenant d'un mélange d'air et de gaz d'échappement recyclés insuffisamment homogène, et l'incapacité de répondre au besoin de performance moteur, du fait de la pression de décharge des gaz d'échappement recyclés dans certains cas de fonctionnement. [0019] Aucun de ces documents ne résout les problèmes techniques identifiés ci-dessus. Exposé de l'invention [0020] L'invention a pour objet un dispositif de mélange pour un moteur à combustion interne, le moteur à combustion interne étant muni d'un turbocompresseur et d'un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression, le dispositif de mélange comprenant une paroi extérieure présentant une extrémité libre connectée à une admission d'air frais, la paroi extérieure se prolongeant par une convergence en contact avec l'étage compresseur du turbocompresseur, le dispositif de mélange comprenant par ailleurs un mélangeur disposé sur l'axe de rotation de l'étage compresseur et compris entre la paroi extérieure, l'extrémité libre et l'étage compresseur, le mélangeur étant configure pour former un mélange d'air frais et de gaz d'échappement partiellement recyclés à l'admission tout en évacuant des condensats par une conduite de sortie, l'air frais admis par l'extrémité libre du dispositif de mélange étant ensuite mélangé avec le mélange issu du mélangeur. [0021] Lc mélangeur peut comprendre une conduite d'admission de liquide caloporteur et une conduite de sortie de liquide caloporteur reliées chacune à une extrémité distincte d'un noyau d'eau, le mélangeur étant également pourvu d'au moins un conduit hélicoïdal disposé autour du noyau d'eau de sorte que l'air frais admis par une admission d'air frais et les gaz d'échappement admis par une admission de gaz d'échappement partiellement recyclés en entrée du mélangeur s'écoulent vers une sortie communiquant avec l'espace intérieur du dispositif de mélange par l'intermédiaire dudit au moins un conduit hélicoïdal tout en étant refroidis par le noyau d'eau, au moins une partie du mélangeur étant par ailleurs munie d'une cavité de recueil des condensats disposée de sorte que les condensats se formant dans le au moins un conduit hélicoïdal ruissellent par gravité dans la cavité de recueil à travers au moins un perçage ménagé dans chaque conduit hélicoïdal, la cavité de recueil étant connectée à la conduite de sortie des condensats pour évacuer les condensats. 100221 Le fluide caloporteur peut être de l'eau ou du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne. [0023] Le noyau d'eau peut être disposé de façon centrale dans le mélangeur. [0024] Un conduit hélicoïdal peut être formé entre la paroi du mélangeur, le noyau d'eau et des pales reliant le noyau d'eau à la paroi. [0025] Les pales peuvent présenter un angle par rapport à l'axe du noyau d'eau tel que le sens de rotation du conduit hélicoïdal est le même que le sens de rotation de la roue de l'étage compresseur. [0026] Les conduits hélicoïdaux peuvent être munis de moyens casse-gouttes sur leurs parois. [0027] La paroi extérieure peut présenter un profil circulaire de sorte que de l'air frais est admis de façon symétrique autour du mélangeur. [0028] Le dispositif de mélange présente l'avantage de permettre la combinaison de dif- férentes fonctions d'ordinaire séparées sur un moteur à combustion interne afin de diminuer le nombre de pièces mis en jeu. [0029] Par ailleurs, la diminution du nombre de pièces s'accompagne d'un gain en compacité, et en masse (étant donné qu'on diminue également le nombre de conduites et d'interfaces). [0030] De plus, le dispositif de mélange permet de protéger la roue compresseur des condensats sans le recours à de coûteux et encombrants dispositifs pour assécher les gaz EGR. [0031] Enfin, le dispositif de mélange permet de repousser la limite au pompage, ce qui est un élément recherché sur les turbocompresseurs devant équiper des moteurs essence fonctionnant selon un cycle de Miller. Brève description des dessins [0032] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0033[ [fig.1] illustre un dispositif de mélange selon l'invention, et [0034] [fig.2] illustre un conduit hélicoïdal d'un dispositif de mélange selon l'invention. Description détaillée 100351 Le dispositif de mélange est destiné à être disposé en amont du compresseur d'un tur- bocompresseur d'un moteur à combustion interne muni d'un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression. Le moteur à combustion interne peut être indistinctement de type à essence (plus généralement : du type à allumage commandé) ou diesel. 100361 Le dispositif permet de mélanger l'air frais admis et les gaz partiellement recyclés à l'admission, provenant du circuit EGR à basse pression, en évitant les problèmes techniques identifiés plus haut, notamment la diminution de la susceptibilité au pompage et l'érosion de la roue du compresseur par la condensation de l'eau comprise dans les gaz partiellement recyclés. [0037] La figure illustre un dispositif de mélange selon l'invention. On peut voir un dispositif de mélange 1 disposé en amont du carter 2 de l'étage compresseur d'un turbocompresseur. Le dispositif de mélange 1 comprend une paroi extérieure 3 se prolongeant par une convergence 3a du côté du carter 2 de compresseur et un mélangeur 4 disposé sur l'axe de rotation de la roue 2a de l'étage compresseur. Le dispositif de mélange est connecté par la convergence 3a au compresseur et par l'extrémité libre de la paroi extérieure 3 à une admission d'air frais. [0038] Dans un mode de réalisation préféré, la paroi extérieure 3 présente un profil circulaire de sorte que de l'air frais est admis de façon symétrique autour du mélangeur 4. [0039] Le mélangeur 4 comprend une admission d'air frais 4a et une admission de gaz d'échappement partiellement recyclés 4h provenant du circuit EGR BP ainsi qu'une sortie communiquant avec l'espace intérieur du dispositif de mélange 1. Par espace intérieur, on entend le volume délimité par la paroi extérieure et compris entre l'extrémité libre de la paroi extérieure 3 et le carter 2 de compresseur. Le mélangeur 4 comprend également une conduite d'admission 5 de liquide caloporteur, une conduite de sortie 6 de liquide caloporteur et une conduite de sortie 7 des condensats. L'admission d'air frais 4a peut provenir d'une dérivation du circuit d'entrée d'air du moteur, par exemple en aval d'un filtre à air. L'admission de gaz d'échappement partiellement recyclés 4b peut provenir d'un circuit EGR à basse pression qui prélève des gaz d'échappement en aval de la turbine. [0040] Selon un mode de réalisation, le fluide caloporteur peut être de l'eau, ou du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne. Dans tous les cas, le fluide caloporteur issu de la conduite de sortie 6 voit ensuite sa température abaissée par une méthode classique de l'état de la technique, tel que, notamment, une détente ou un échange thermique. [0041] Dans le mélangeur 4, la conduite d'admission 5 et la conduite de sortie 6 sont reliées chacune à une extrémité distincte d'un noyau d'eau 8. [0042] Le mélangeur 4 est muni d'au moins un conduit hélicoïdal 9 disposés autour du noyau d'eau 8 et dans lesquels s'écoulent les gaz admis en entrée du mélangeur 4 par les admissions 4a,4b vers une sortie communiquant avec l'espace intérieur du dispositif de mélange 1 [0043] Dans un mode de réalisation, le noyau d'eau 8 est pourvu d'une pluralité de pales le reliant à une paroi 10 du mélangeur 4. Le noyau d'eau 8, les pales et la paroi 10 du 6 mélangeur sont disposés de sorte à former au moins un conduit hélicoïdal 9. [0044] Dans un mode de réalisation, les pales présentent un angle par rapport à l'axe du noyau d'eau tel que le sens de rotation du conduit hélicoïdal 9 soit le même que le sens de rotation de la roue 2a de l'étage compresseur. Cette caractéristique permet de repousser encore plus la limite au pompage. [0045] Dans un autre mode de réalisation, les conduits hélicoïdaux 9 et le noyau d'eau 8 sont formés par usinage dans la masse du mélangeur 4. [0046] Dans un autre mode de réalisation, les conduits hélicoïdaux 9 et le noyau d'eau 8 sont formés simultanément par fabrication additive. [0047] Dans un mode de réalisation, le noyau d'eau 8 est disposé de façon centrale dans le mélangeur 4. [0048] L'air frais admis par l'extrémité libre du dispositif de mélange 1, circule autour du mélangeur 4 et est ensuite mélangé à son tour avec le mélange d'air frais et de gaz d'échappement recyclés issu du mélangeur 4 au niveau de la convergence 3a en amont de l'étage compresseur. [0049] Pour caractériser un conduit hélicoïdal, on définit la longueur de l'enroulement, également appelée longueur de fibre neutre, dépendant des valeurs suivantes : [0050] Le temps de résidence des gaz dans le mélangeur ; [0051] La cible de perméabilité visée (i.c. la perte de charge que l'on s'autorise pour le composant) ; [0052] La proportion air frais / gaz recirculés de l'EGR BP ; [0053] Le débit de mélange ah- frais / gaz recirculés de EGR BP ; [0054] L'efficacité de refroidissement du mélangeur. [0055] Le temps de résidence est défini comme le temps mis pour parcourir le mélangeur. Il est à comparer au temps mis pour parcourir la même distance en dehors du mélangeur (typiquement la veine d'air frais qui ne passe pas par le mélangeur). Le temps de résidence optimal est à caractériser avec différentes longueurs d'enroulement. [0056] La perméabilité est définie par l'équation suivante : [0057] S - ,i2 (1 A PI [0058] Avec : [0059] Fil : le débit de mélange air / gaz recirculés de EGR BP, [0060] p : la densité du mélange, et [0061] AP : la différence de pression entre l'entrée et la sortie du mélangeur. [0062] La perméabilité permet de déterminer la perte de charge en amont de la roue 2a de l'étage compresseur. On cherche à obtenir une perméabilité la plus forte possible, afin de se rapprocher le moins possible de la zone de pompage du compresseur. En d'autres termes, l'obstacle présenté par le mélangeur doit avoir le moins d'impact possible sur 7 la veine de gaz en amont du compresseur. [0063] Le diamètre des conduits hélicoïdaux est également pris en compte dans le calcul de la perméabilité par l'intermédiaire d'un calcul tridimensionnel aérodynamique, ou encore par essai physique. [0064] La proportion d'air / gaz EGR BP est définie par la quantité de gaz d'EGR que l'on veut recycler dans le moteur afin de diminuer les émissions. Cette quantité doit être caractérisée sur un banc moteur. [0065] Le débit de mélange air frais / gaz EGR BP (et plus largement le débit de l'étage amont compresseur pris dans son ensemble) est fonction des besoins en air du moteur sur le point de fonctionnement considéré. [0066] L'efficacité du mélangeur est déterminée par l'équation suivante : [0067] m a [0068] Avec : [0069] (L.) : le flux d'énergie effectivement réalisé au sein du mélangeur [0070] (L.)',', : le flux théorique qui serait transféré dans les mêmes conditions (de tem- pérature, de débit de gaz EGR et de débit d'air frais), pour un mélangeur tubulaire de longueur réputée infinie [0071] Ces coefficients (L.) et (L.)','x sont bien fonction des températures, et des débits d'eau de refroidissement, de gaz EGR BP et d'air frais. 100721 De manière préférentielle, l'architecture de refroidissement à favoriser est celle dite « à contre-courant ». En effet, cet arrangement prévoit, une efficacité plus importante qu'un mélangeur dit à « co-courant ». Cependant, le choix final peut également être porté par des besoins en architectures moteur, qui peuvent aller à l'encontre des meilleures solutions d'un point de vue physique. 100731 Afin de résoudre le problème (l'érosion de la roue du compresseur, il est nécessaire d'évacuer les condensats obtenus par refroidissement du mélange d'air frais et de gaz d'échappement partiellement recyclés par le circuit, EGR BP. En effet, le refroidissement de ce mélange génère une condensation de l'eau en suspension dans le mélange, qui peut ensuite être entraînée par le flux de mélange et impacter malgré tout la roue 2a de l'étage compresseur. 100741 Pour réaliser cela, au moins une partie du mélangeur 4 est, munie d'une cavité de recueil 4c des condensats disposée de sorte que les condensats y ruissellent par gravité. La cavité de recueil 4c est munie à son tour d'un drain permettant d'évacuer les condensais sous la forme de la conduite de sortie 7 des condensats. 100751 La cavité de recueil 4c est mise en communication avec les conduits hélicoïdaux par l'intermédiaire de perçages dans les conduits hélicoïdaux 9. 100761 Dans un mode de réalisation particulier, les conduits hélicoïdaux 9 sont munis de 8 moyens casses-gouttes sur leurs parois. [0077] La figure illustre un conduit hélicoïdal 9 muni de tels moyens casse-gouttes 9a sous la forme d'une multitude d'ailettes disposées sur les parois du conduit et d'un percement 9h vers la cavité de recueil. Chaque ailette permet d'augmenter la surface de contact entre le mélange de gaz et les conduits hélicoïdaux de sorte à maximiser l'échange thermique et la condensation qui en découle. [0078] Le mélangeur avec les conduits hélicoïdaux peut être réalisé par coulée gravité ou par coulée sous pression, notamment dans le cas d'un mélangeur constitué par un matériau métallique. Cependant, compte tenu de la complexité de la forme finale, un procédé de coulée sous pression peut être délicat à mettre au point. Dans les deux cas, coulée par gravité ou coulé sous pression, un noyautage est ensuite réalisé. Le noyautage peut être réalisé : [0079] en sable, ce qui imposera une opération de dessablage ; [0080] en procédé à la cire perdue, ce qui élimine la problématique de dessablage. [0081] Cependant, ces deux procédés présentent le risque d'obstruer les cavités d'évacuation des condensats. Afin d'éviter ces problèmes, l'utilisation d'une fabrication additive, dite «procédé d'impression 3D» est préférée. Ce type de fabrication donne intrinsèquement plus de liberté dans la conception du mélangeur. 9 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] REVENDICATIONSDispositif de mélange pour un moteur à combustion interne, le moteur à combustion interne étant muni d'un turbocompresseur et d'un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement à basse pression, le dispositif de mélange (1) comprenant une paroi extérieure (3) présentant une extrémité libre connectée à une admission d'air frais, la paroi extérieure (3) se prolongeant par une convergence (3a) en contact avec l'étage compresseur du turbocompresseur, le dispositif de mélange (1) comprenant par ailleurs un mélangeur (4) disposé sur l'axe de rotation de l'étage compresseur et compris entre la paroi extérieure (3), l'extrémité libre et l'étage compresseur, le mélangeur (4) étant configuré pour former un mélange d'air frais et de gaz d'échappement partiellement recyclés à l'admission tout en évacuant des condensats par une conduite de sortie (7), l'air frais admis par l'extrémité libre du dispositif de mélange (1), étant ensuite mélangé avec le mélange issu du mélangeur (4). Dispositif de mélange selon la revendication 1, dans lequel le mélangeur (4) comprend une conduite d'admission (5) de liquide caloporteur et une conduite de sortie (6) de liquide caloporteur reliées chacune à une extrémité distincte d'un noyau d'eau (8), le mélangeur (4) étant également pourvu d'au moins un conduit hélicoïdal (9) disposé autour du noyau d'eau (8) de sorte que l'air frais admis par une admission d'air frais (4a) et les gaz d'échappement admis par une admission de gaz d'échappement partiellement recyclés (4b) en entrée du mélangeur (4) s'écoulent vers une sortie communiquant avec l'air frais admis dans le dispositif de mélange (1) par l'intermédiaire dudit au moins un conduit hélicoïdal (9) tout en étant refroidis par le noyau d'eau (8), au moins une partie du mélangeur (4) étant par ailleurs munie d'une cavité de recueil (4c) des condensats disposée de sorte que les condensats se formant dans le au moins un conduit. hélicoïdal (9) ruissellent par gravité dans la cavité de recueil (4c) à travers au moins un perçage ménagé dans chaque conduit hélicoïdal, la cavité de recueil (4c) étant connectée à la conduite de sortie (7) des condensats pour évacuer les condensats. Dispositif de mélange selon la revendication 2, dans lequel le fluide caloporteur est de l'eau ou du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, 10 dans lequel le noyau d'eau (8) est disposé de façon centrale dans le mélangeur (4). [Revendication 5] Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel un conduit hélicoïdal (9) est formé entre la paroi (10) du mélangeur, le noyau d'eau (8) et des pales reliant le noyau d'eau (8) à la paroi (10). [Revendication 6] Dispositif de mélange selon la revendication 5, dans lequel les pales présentent un angle par rapport à l'axe du noyau d'eau (8) tel que le sens de rotation du conduit hélicoïdal (9) est le même que le sens de rotation de la roue (2a) de l'étage compresseur. [Revendication 7] Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel les conduits hélicoïdaux (9) sont munis de moyens casse-gouttes sur leurs parois. [Revendication 8] Dispositif de mélange selon la revendication 1, dans lequel la paroi ex- térieure (3) présente un profil circulaire de sorte que de l'air frais est admis de façon symétrique autour du mélangeur (4).