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WO2008009790A1 - Moteur thermique avec circuit de recirculation mixte - Google Patents

Moteur thermique avec circuit de recirculation mixte Download PDF

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WO2008009790A1
WO2008009790A1 PCT/FR2007/001120 FR2007001120W WO2008009790A1 WO 2008009790 A1 WO2008009790 A1 WO 2008009790A1 FR 2007001120 W FR2007001120 W FR 2007001120W WO 2008009790 A1 WO2008009790 A1 WO 2008009790A1
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compressor
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intake
turbine
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Inventor
Sébastien Potteau
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Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
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    • F02M26/07—Mixed pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is either taken out upstream of the turbine and reintroduced upstream of the compressor, or is taken out downstream of the turbine and reintroduced downstream of the compressor
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a corresponding heat engine that can be used in particular for moving a motor vehicle.
  • An internal combustion engine generally comprises an engine block delimiting combustion chambers or cylinders closed on one side by a cylinder head and on the other side by pistons slidably received in the cylinders and connected by connecting rods to a crankshaft. - even connected to the vehicle's gearbox.
  • the engine also comprises a supply circuit connected to the engine block so as to bring air into the cylinders and an exhaust circuit connected to the engine block to evacuate the burnt gases from the cylinders.
  • the supply circuit generally comprises a gas inlet duct opening into a centrifugal compressor coaxially with an axis of rotation of the compressor and the exhaust circuit comprises a compressor driving turbine rotated by the flue gases. .
  • An object of the invention is to provide a means for improving the performance of a heat engine incorporating an exhaust gas recirculation circuit.
  • a turbocharged heat engine comprising a motor unit connected to an intake circuit comprising a compressor and an exhaust circuit comprising a compressor drive turbine an exhaust gas recirculation circuit connecting the exhaust circuit to the intake circuit, the recirculation circuit being connected to the exhaust circuit upstream of the turbine and connected to the inlet circuit upstream of the compressor.
  • the exhaust gases taken upstream of the turbine have a relatively high pressure which makes it possible, once the exhaust gases collected reinjected into the intake pipe, to increase the pressure in the intake pipe so as to reduce the pressure differential at the inlet and at the outlet of the compressor. This significantly improves the efficiency of the compressor and eliminates the need for backpressure exhaust.
  • the compressor is centrifugal and the supply circuit comprises a gas inlet duct opening into the compressor coaxially with an axis of rotation of the compressor, the inlet duct being provided upstream of the centrifugal compressor with a means of rotating the gases around the axis of rotation of the compressor and in a direction of rotation of this one .
  • a centrifugal compressor comprises a finned rotary disc for feeding an injected airflow to the center of the disc towards the periphery thereof so as to use the centrifugal force to accelerate the flow and obtain a higher outlet pressure. at the inlet pressure.
  • the means for rotating the gases ensures, upstream of the compressor, a rotation of the gases around the axis of rotation of the compressor and in the direction of rotation thereof so as to limit the energy expenditure required at the level of the compressor. compressor to rotate the gases. This results in an increase in the efficiency of the compressor.
  • the exhaust gas recirculation circuit comprises a secondary duct that opens tangentially into the intake duct to form the rotating means.
  • This embodiment makes it possible to take advantage of the beneficial effects of gas recirculation from the point of view of the operation of the engine and the rotation of the gases upstream of the compressor.
  • FIG. 1 is a schematic view of a heat engine according to the invention
  • FIG. 2 is a partial diagrammatic view, in longitudinal section, of a supply circuit according to the invention.
  • FIG. 3 is a view of the feed circuit in section along the line III of FIG. 2.
  • the heat engine according to the invention generally designated 1
  • the engine block 2 is connected in a manner known per se to a supply circuit generally designated 3 and an exhaust circuit generally designated 4.
  • the supply circuit 3 comprises an intake pipe 5 opening into a compressor 6 connected by an intake manifold 7 to the combustion chambers of the engine block 2.
  • the compressor 6 is a centrifugal compressor known in itself comprising a finned disk 8 mounted for pivoting about an axis 9 in a housing 10.
  • the intake pipe 5 opens into the casing 10 coaxially with the axis of rotation 9.
  • the exhaust system 4 is known per se and comprises an exhaust pipe 12 connecting the combustion chambers of the engine block 2 to a turbine 13 for rotating the compressor 6.
  • the turbine 13 is connected to a pipe exhaust outlet 14 incorporating for example a catalyzed pot.
  • the heat engine further comprises a recirculation circuit 11 of the exhaust gas.
  • the recirculation circuit 11 of the exhaust gas has a duct 15 having an end 16 connected to the exhaust pipe 12 upstream of the turbine 13 and an end portion 17 connected to the intake pipe 5 upstream of the exhaust pipe 12. 6. Between these two ends, the duct 16 incorporates a heat exchanger 18.
  • the recirculation duct forms, at its end 17, a secondary duct which opens out tangentially to the intake duct 5 and which is slightly inclined relative to to the intake duct 5 to form with it a acute angle whose apex is directed towards the compressor 6.
  • the gas flow leaving the secondary conduit 17 thus enters the intake pipe 5 tangentially forming with the direction of the gas flow of the intake pipe 5 an acute angle to vertex turned towards the compressor 6 so as to communicate to the gas flow a helical path rotating in the direction of rotation 19 of the compressor 6.
  • the secondary duct by its tangential orientation, is a means for rotating the gases in the intake duct so as to limit the energy that the compressor must supply to the gas to rotate them.
  • the gases from the secondary duct 17 having been taken upstream of the turbine 13 are at a pressure greater than the atmospheric pressure so that they contribute to increasing the inlet pressure of the compressor 6.
  • the compressor used may have a lower compression ratio.
  • the means for rotating the gases may have a structure different from that described and may comprise, for example, fins extending projecting in the inlet duct helically overhead. turn of the axis of the intake pipe.
  • the pressurized gas injected by the tangential secondary duct may not come from an exhaust gas recirculation circuit.
  • the secondary circuit may be tangential and perpendicular to the axis of the intake duct.
  • the recirculation circuit may have a structure different from that described and, for example, incorporate a particulate filter.
  • the turbine and the compressor may have structures different from those described.
  • the feed circuit will advantageously comprise a charge air cooler.
  • the engine may also have a different structure and, for example, be rotary pistons.

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Abstract

Moteur thermique turbocompressé comprenant un bloc moteur (2) relié à un circuit d'admission (3) comportant un compresseur (6) et à un circuit d'échappement (4) comportant une turbine (13) d'entraînement du compresseur, un circuit de recirculation de gaz d'échappement (13) reliant le circuit d'échappement au circuit d'admission, le circuit de recirculation étant raccordé au circuit d'échappement en amont de la turbine et étant raccordé au circuit d'admission en amont du compresseur.

Description

Moteur thermique avec circuit de recirculation mixte
La présente invention concerne un moteur thermique correspondant utilisable notamment pour mouvoir un véhicule automobile.
ARRIERE PIiAN DE L'INVENTION
Un moteur thermique à combustion interne comprend généralement un bloc moteur délimitant des chambres de combustion ou cylindres fermés d'un côté par une culasse et de l'autre côté par des pistons reçus à coulissement dans les cylindres et reliés par des bielles à un vilebrequin lui-même relié à la boîte de vitesses du véhicule. Le moteur comprend également un circuit d'alimenta- tion relié au bloc moteur de manière 'à amener de l'air dans les cylindres et un circuit d'échappement relié au bloc moteur pour évacuer les gaz brûlés des cylindres. Le circuit d'alimentation comporte généralement une conduite d'admission de gaz débouchant dans un compresseur centri- fuge coaxialement à un axe de rotation du compresseur et le circuit d'échappement comprend une turbine d'entraînement du compresseur mise en rotation par les gaz brûlés.
Il est connu de relier le circuit d'échappement au circuit d'alimentation par un circuit de recirculation des gaz d'échappement afin de réinjecter une partie des gaz d'échappement dans le circuit d'admission. Le circuit de recirculation est relié au circuit d'échappement en aval de la turbine et au circuit d'admission en aval du compresseur. Les gaz d'échappement ont une pression rela- tivement basse, de sorte qu'il est alors nécessaire de prévoir une vanne commandée de contre pression dans le circuit d'échappement pour forcer une partie des gaz d'échappement à passer dans le circuit de recirculation puis dans le circuit d'admission. Ceci complique la conception du moteur tout en entraînant une augmentation de poids et d'encombrement de celui-ci.
OBJET DE L'INVENTION Un but de 1 ' invention est de proposer un moyen permettant d'améliorer les performances d'un moteur thermique incorporant un circuit de recirculation de gaz d ' échappement .
RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un moteur thermique turbocompressé comprenant un bloc moteur relié à un circuit d'admission comportant un compresseur et à un circuit d'échappement comportant une turbine d'entraînement du compresseur, un circuit de recircula- tion de gaz d'échappement reliant le circuit d'échappement au circuit d'admission, le circuit de recirculation étant raccordé au circuit d'échappement en amont de la turbine et étant raccordé au circuit d'admission en amont du compresseur. Les gaz d'échappement prélevés en amont de la turbine ont une pression relativement élevée qui permet, une fois les gaz d'échappement prélevés réinjectés dans la conduite d'admission, d'élever la pression dans la conduite d'admission de manière à réduire le différentiel de pression en entrée et en sortie du compresseur. On améliore ainsi de façon significative le rendement du compresseur et on élimine la nécessité d'une contre pression à l'échappement.
Avantageusement, le compresseur est centrifuge et le circuit d'alimentation comporte une conduite d'admission de gaz débouchant dans le compresseur coaxialement à un axe de rotation du compresseur, la conduite d'admission étant pourvue en amont du compresseur centrifuge d'un moyen de mise en rotation des gaz autour de l'axe de rotation du compresseur et dans un sens de rotation de celui-ci .
On rappelle qu'un compresseur centrifuge comprend un disque rotatif à ailettes pour amener un flux d'air injecté au centre du disque vers la périphérie de celui- ci de manière à utiliser la force centrifuge pour accélérer le flux et obtenir une pression de sortie supérieure à la pression d'entrée. Le moyen de mise en rotation des gaz assure, en amont du compresseur, une mise en rotation des gaz autour de l'axe de rotation du compresseur et dans le sens de rotation de celui-ci de manière à limiter la dépense énergétique nécessaire au niveau du compresseur pour mettre en rotation les gaz. Il en résulte une augmentation du rendement du compresseur.
De préférence, le circuit de recirculation des gaz d'échappement comprend un conduit secondaire qui débouche tangentiellement dans la conduite d'admission pour former le moyen de mise en rotation.
Ce mode de réalisation permet de profiter des effets bénéfiques de la recirculation des gaz d'un point de vue du fonctionnement du moteur et de la mise en rotation des gaz en amont du compresseur.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un moteur thermique conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique partielle, en coupe longitudinale, d'un circuit d'alimentation conforme à l'invention,
- la figure 3 est une vue du circuit d'alimenta- tion en coupe selon la ligne III de la figure 2. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures, le moteur thermique conforme à l'invention, généralement désigné en 1, comprend un bloc moteur 2 définissant de façon connue en soi des chambres de combustion pourvues de pistons entraînant en rotation un arbre de sortie du moteur. Le bloc moteur 2 est relié de façon connue en elle-même à un circuit d'alimentation généralement désigné en 3 et à un circuit d'échappement généralement désigné en 4. Le circuit d'alimentation 3 comprend une conduite d'admission 5 débouchant dans un compresseur 6 relié par une tubulure d'admission 7 aux chambres de combustion du bloc moteur 2. Le compresseur 6 est un compresseur centrifuge connu en lui-même comportant un disque à ailettes 8 monté pour pivoter autour d'un axe 9 dans un carter 10. La conduite d'admission 5 débouche dans le carter 10 coaxialement à l'axe de rotation 9.
Le circuit d'échappement 4 est connu en lui-même et comprend une tubulure d'échappement 12 reliant les chambres de combustion du bloc moteur 2 à une turbine 13 d'entraînement en rotation du compresseur 6. La turbine 13 est reliée à une conduite de sortie d'échappement 14 incorporant par exemple un pot catalysé .
Le moteur thermique comprend en outre un circuit de recirculation 11 des gaz d'échappement. Le circuit de recirculation 11 des gaz d'échappement possède un conduit 15 ayant une extrémité 16 reliée à la tubulure d'échappement 12 en amont de la turbine 13 et une portion d'extrémité 17 reliée à la conduite d'admission 5 en amont du compresseur 6. Entre ces deux extrémités, le conduit 16 incorpore un échangeur thermique 18. Le conduit de recirculation forme, au niveau de son extrémité 17, un conduit secondaire qui débouche tangentiellement à la conduite d'admission 5 et qui est légèrement incliné par rapport à la conduite d'admission 5 pour former avec celle-ci un angle aigu dont le sommet est dirigé vers le compresseur 6. Le flux gazeux sortant du conduit secondaire 17 rentre ainsi dans la conduite d'admission 5 tangentiellement en formant avec la direction du flux gazeux de la conduite d'admission 5 un angle aigu à sommet tourné vers le compresseur 6 de manière à communiquer au flux gazeux une trajectoire en hélice tournant dans le sens de rotation 19 du compresseur 6.
Le conduit secondaire, de par son orientation tangentielle, constitue un moyen de mise en rotation des gaz dans la conduite d'admission de manière à limiter l'énergie que le compresseur doit fournir au gaz pour les mettre en rotation.
En outre, les gaz issus du conduit secondaire 17 ayant été prélevés en amont de la turbine 13 sont à une pression supérieure à la pression atmosphérique de sorte qu'ils contribuent à augmenter la pression en entrée du compresseur 6. Par rapport à l'art antérieur connu, le compresseur utilisé peut avoir un taux de compression plus faible.
On notera en outre que comme la pression des gaz prélevés en amont de la turbine est supérieure à celle des gaz circulant dans la conduite d'admission 5, il n'est pas nécessaire de prévoir une vanne de contre pres- sion dans la conduite d'échappement comme c'est le cas dans les systèmes de recirculation prélevant les gaz d'échappement en aval de la turbine.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des va- riantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications .
En particulier, le moyen de mise en rotation des gaz peut avoir une structure différente de celle décrite et comprendre par exemple des ailettes s ' étendant en saillie dans la conduite d'admission hélicoïdalement au- tour de l'axe de la conduite d'admission. Le gaz sous pression injecté par le conduit secondaire tangentiel peut ne pas provenir d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement. Le circuit secondaire peut être tan- gentiel et perpendiculaire à l'axe de la conduite d'admission.
Le circuit de recirculation peut avoir une structure différente de celle décrite et, par exemple, incorporer un filtre à particules. La turbine et le compresseur peuvent avoir des structures différentes de celles décrites. Le circuit d'alimentation comprendra avantageusement un refroidis- seur d'air de suralimentation.
Le moteur peut également avoir une structure dif- férente et, par exemple, être à pistons rotatifs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur thermique turbocompressé comprenant un bloc moteur (2) relié à un circuit d'admission (3) comportant un compresseur (6) et à un circuit d'échappement (4) comportant une turbine (13) d'entraînement du compresseur, un circuit de recirculation de gaz d'échappement (13) reliant le circuit d'échappement au circuit d'admission, caractérisé en ce que le circuit de recirculation est raccordé au circuit d'échappement en amont de la turbine et est raccordé au circuit d'admission en amont du compresseur.
2. Moteur thermique selon la revendication 1, dans lequel le compresseur (6) est centrifuge et le circuit d'alimentation (3) comporte une conduite d'admission (5) de gaz débouchant dans le compresseur coaxialement à un axe de rotation (9) du compresseur, la conduite d'admission étant pourvue en amont du compresseur centrifuge d'un moyen (17) de mise en rotation des gaz autour de l'axe de rotation du compresseur et dans un sens de rota- tion (19) de celui-ci.
3. Moteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de recirculation des gaz d'échappement comprend un conduit secondaire (17) qui débouche tangentiel- lement dans la conduite d'admission (5) pour former le moyen de mise en rotation.
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