FR3018889A1 - Clapet de wastegate optimise pour ameliorer l'arrosage d'un catalyseur - Google Patents

Abstract

Clapet (17) de conduit (18) de gaz d'échappement connecté à une section d'entrée (20) d'un monolithe de catalyseur (11), mobile en pivotement autour d'un axe de pivotement (25) orthogonal à l'axe (31) du conduit entre une position fermée et une position ouverte limitée afin de contrôler l'ouverture/fermeture d'une sortie (19) du conduit en regard du monolithe, ledit clapet comprenant une paroi intérieure (23) tournée vers le conduit, caractérisé en ce que la paroi intérieure (23) du clapet comporte un évidement (27) apte à diriger les gaz issus du conduit dans une direction opposée à la direction joignant la sortie (19) du conduit de décharge à la section d'entrée (20) du monolithe afin de constituer un flux diffus de gaz

Description

CLAPET DE WASTEGATE OPTIMISE POUR AMELIORER L'ARROSAGE D'UN CATALYSEUR Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un circuit d'air en aval d'un moteur à combustion interne selon le sens d'écoulement d'air. La présente invention concerne plus particulièrement un clapet d'un conduit de gaz installé dans le circuit des gaz d'échappement de moteur thermique suralimenté. La présente invention concerne également un procédé de contrôle du conduit de gaz. La présente invention concerne également un moteur thermique de véhicule automobile suralimenté comportant un turbocompresseur et équipé d'un clapet de décharge ou « wastegate » en anglais. Etat de la technique Les véhicules automobiles équipés de moteurs à combustion interne ou thermiques sont soumis à des contraintes de plus en plus fortes sur le plan des performances et de la fiabilité, du respect de l'environnement, et d'amélioration du confort des passagers. D'une part, pour améliorer les performances du moteur thermique, un turbocompresseur est associé audit moteur. Le turbocompresseur comprend une turbine connectée de manière connue avec une sortie d'un conduit du collecteur d'échappement destiné à reprendre lesdits gaz émis par la combustion de mélanges gazeux dans des chambres de combustion du moteur. La turbine comporte une roue de turbine entrainée en rotation par les gaz d'échappement et qui est solidaire en rotation avec une roue de compresseur disposée dans un conduit d'admission d'air en amont du moteur. Les gaz d'échappement entrainent ainsi en rotation la roue de turbine qui entraine à son tour en rotation la roue du compresseur d'air à l'admission.

D'une autre part, les moteurs thermiques doivent réduire fortement les rejets de polluants dans l'atmosphère et ils doivent donc être équipés de systèmes de dépollution tels qu'un catalyseur pour réduire la nocivité des gaz d'échappement ou un piège à NOx pour piéger des oxydes d'azote nocifs. Lesdits systèmes sont implantés avec le moteur dans un compartiment moteur en aval selon le sens d'écoulement des gaz, du collecteur de gaz d'échappement. Les gaz d'échappement repris dans le collecteur d'échappement sont dirigés dans un premier temps vers la roue de turbine du turbocompresseur puis vers les systèmes de dépollution.

Lesdits gaz passent ainsi par la roue de turbine du turbocompresseur et sont dirigés ensuite via un conduit de turbine vers un catalyseur. De manière connue, le catalyseur comporte un monolithe de catalyse comprenant des canaux longitudinaux par lesquels les gaz sont susceptibles de passer pour déposer des composants nocifs. Pour avoir une efficacité optimale du catalyseur, les gaz doivent traverser la majorité des canaux du monolithe et donc arroser de façon optimale une section transversale d'entrée du monolithe. Aussi pour assurer l'arrosage optimal de ladite section d'entrée, les flux de gaz d'échappement doivent être suffisamment homogènes en entrée du monolithe. D'une autre part, pour améliorer la fiabilité du turbocompresseur, il faut éviter des sur-vitesses de rotation de la roue de turbine pouvant entrainer un emballement du turbocompresseur. Un conduit de dérivation est donc disposé en amont selon le sens d'écoulement des gaz de la roue de turbine pour dévier une partie des gaz de façon temporaire de ladite roue de turbine. Le conduit de dérivation comporte ainsi une sortie à une extrémité en vis-à-vis de l'entrée du catalyseur contrôlée par un clapet de décharge ou « wastegate » en anglais qui est mobile en pivotement entre une position fermée où ledit clapet obture ladite sortie, les gaz d'échappement sont alors dirigés vers la roue de turbine, et une position ouverte où le clapet autorise le passage d'une partie des gaz d'échappement qui sont également dirigés vers la section d'entrée du catalyseur. Le clapet permet ainsi une gestion des flux de gaz passant par la roue de turbine en réduisant les flux de gaz passant par ladite roue de turbine afin de soulager le fonctionnement de la turbine et du turbocompresseur. D'une autre part, pour répondre à diverses contraintes d'amélioration du confort des passagers, le compartiment moteur est de dimensions de plus en plus réduites. Les systèmes nécessaires au fonctionnement du moteur sont alors disposés très proches l'un de l'autre. Ainsi le catalyseur peut être disposé à une distance insuffisante des sorties des conduits de dérivation et de turbine pour obtenir un flux de gaz homogène à l'entrée du catalyseur. Les vitesses des gaz et la faible distance séparant les sorties desdits conduits et la section d'entrée du monolithe entrainent le flux de gaz à frapper une zone réduite de la section d'entrée du catalyseur, réduisant donc l'efficacité du catalyseur. La publication US - Ai- 20130305711 montre un clapet de décharge comportant une plaque portée par un bras mobile en pivotement par rapport à un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe du conduit de gaz, ladite plaque est essentiellement plane et peut recevoir des éléments volumiques fixés contre ladite plaque pour modifier sensiblement la direction des gaz d'échappement. Un inconvénient est que les éléments volumiques génèrent une perte de charge importante gaz ce qui réduit l'efficacité des systèmes de dépollution 25 disposés en aval selon le sens d'écoulement des gaz. Un autre inconvénient est que les éléments volumiques forment une dissymétrie du clapet pouvant entrainer une diminution de la fiabilité de fonctionnement du clapet de décharge.

Un autre inconvénient est que les éléments volumiques diminuent la liberté de pivotement du clapet et peut entrainer une diminution de l'efficacité du clapet. Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients et la présente invention a pour objet un conduit de gaz comprenant un sous-conduit de décharge d'un turbocompresseur géré par un clapet de décharge et qui est connecté à une entrée d'un catalyseur, le clapet étant apte à former un flux diffus des gaz en sortie du sous-conduit vers la section d'entrée du catalyseur. Bref résumé de l'invention Dans toute la description, les termes amont et aval sont relatifs au sens d'écoulement des gaz d'échappement. L'objet de l'invention est caractérisé plus particulièrement par un clapet de décharge de conduit de gaz d'échappement connecté à une section d'entrée d'un monolithe de catalyseur, le clapet étant mobile en pivotement autour d'un axe de pivotement orthogonal à l'axe du conduit entre une position fermée et une position ouverte afin de contrôler l'ouverture/fermeture d'une sortie du conduit en regard du monolithe, et comprenant une paroi intérieure de waste tournée vers le conduit, caractérisé en ce que la paroi intérieure du clapet comporte un évidement destiné à diriger les gaz issus du conduit dans une direction opposée à la section d'entrée du monolithe. De façon avantageuse, le clapet est apte à rediriger les gaz issus du conduit de gaz dans une direction opposée à la section d'entrée du monolithe et lesdits gaz sont ensuite redirigés vers ladite section d'entrée ce qui permet une meilleure homogénéité desdits gaz à leur entrée dans le catalyseur. En effet, les changements de direction permettent d'améliorer la diffusion des gaz qui sont mieux brassés afin d'arroser une section plus importante du catalyseur et d'améliorer l'efficacité du système de dépollution.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention, - la paroi intérieure du clapet comporte une surface annulaire d'appui entourant une section de base de l'évidement et en ce que ladite section de base est inférieure à la section du conduit.

De façon avantageuse, le clapet est apte à obturer le conduit de gaz lorsque ledit clapet est en position de fermeture. La paroi intérieure dudit clapet comporte à cet effet une surface d'appui sensiblement annulaire et entourant une section de base de l'évidement creusé dans ladite paroi intérieure. La surface d'appui est adaptée à assurer l'étanchéité quand le clapet est en position de fermeture. - le clapet est en appui étanche par la surface annulaire contre une paroi transversale disposée à l'extrémité aval du conduit lorsque le clapet est en position de fermeture. Le clapet comporte une paroi transversale à son extrémité aval. De manière préférentielle, la surface d'appui peut déborder vers l'intérieur du conduit quand le clapet est en position de fermeture afin d'assurer un appui étanche du clapet contre une paroi transversale du conduit. - la profondeur de l'évidement est supérieure à lmm. De façon avantageuse, la profondeur de l'évidement est obtenue par calculs et par validation afin d'obtenir une efficacité de l'évidement dans la redirection du flux de gaz dans une direction opposée à la section du monolithe tout en minimisant la perte de charge. Une profondeur inférieure à 1 mm ne produit pas de redirection suffisante pour obtenir une diffusion optimale des gaz sur la section d'entrée du monolithe. - l'évidement comporte un lamage cylindrique coaxial avec le conduit. Avantageusement, l'évidement peut comporter un lamage creusé dans la paroi intérieure du clapet, ledit lamage est cylindrique comportant un diamètre inférieur au diamètre du conduit de gaz. - l'évidement comprend une paroi cylindrique raccordé à un fond de l'évidement par un congé. De manière avantageuse, l'évidement comprend une paroi cylindrique et un raccordement sous forme de congé entre ladite paroi cylindrique et le fond de l'évidement afin réduire les pertes de charge générées par le changement de direction du flux de gaz. Le congé est adapté à diminuer les conséquences de brusques changement de direction du flux de gaz. - le rayon du congé est supérieur à 0,5mm. Avantageusement le rayon du congé est suffisamment important afin d'obtenir une efficacité dudit congé sur le flux de gaz. - l'évidement comporte un fond parabolique. De manière avantageuse, un fond parabolique de l'évidement permet de réduire sensiblement les pertes de charges générées par le changement de direction. De plus, le creusement d'un évidement avec un fond parabolique est facile de réalisation. - la position d'ouverture limitée du clapet forme avec la position de fermeture un angle d'ouverture formé par la paroi intérieure du clapet compris entre 5 et 300 . De manière avantageuse, le clapet mobile en pivotement fonctionne de 20 façon optimale avec un angle d'ouverture faible, ce qui réduit les consommations d'énergie des systèmes de contrôle de la mobilité dudit clapet. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation donnés à titre 25 d'exemple, qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique de coupe d'un circuit de gaz. - la figure 2 représente une vue schématique panoramique d'un clapet. - la figure 3 représente une vue schématique de coupe transversale du clapet. - la figure 4 représente une vue de coupe transversale du clapet selon un deuxième mode de réalisation. Description détaillée des figures Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. Selon la figure 1, les gaz d'échappement sont amenés par un circuit de gaz 10 depuis le moteur vers des systèmes de dépollution dont un catalyseur 11 comprenant un monolithe 12 jusqu'à une sortie d'échappement (non représentée). Les gaz d'échappement issus de la combustion de mélanges gazeux d'air et de carburant dans des cylindres du moteur thermique (non représentés) sont repris dans un collecteur 14 comprenant des branches 13, chacune des branches étant connectée à la sortie d'un cylindre (non représentés). Dans ladite figure 1 sont représentées trois branches mais il va de soi que l'invention peut concerner plus de cylindres ou moins de cylindres. Afin d'améliorer les performances du moteur thermique, le collecteur 14 dirige les gaz vers une roue de turbine 15 solidaire d'une roue de compresseur disposée dans un canal d'admission d'air (non représentés). La roue de turbine 15 de compresseur est partie d'un turbocompresseur (non représenté). Lesdits gaz d'échappement sont alors aptes à faire tourner la roue de turbine pour faire tourner en conséquence la roue de compresseur afin d'obtenir un mélange gazeux adapté à la combustion dans les cylindres. Les gaz sont ensuite dirigés vers le catalyseur 11. Une partie des gaz d'échappement sont conduits directement vers le système de dépollution par une dérivation sans passer par la roue de turbine 15 du turbocompresseur.

Les gaz ayant passé par la roue de turbine puis et les gaz ayant passé par la dérivation sont collectés ensuite dans un carter de collecte 21. Dans des environnements contraints comme celui de notre invention, l'écoulement des gaz est fortement perturbé par les nombreux systèmes disposés de façon proche l'un de l'autre. Ainsi dans notre mode de réalisation, la section d'entrée 20 du monolithe 12 est distante du carter de collecte d'une distance L comprise entre 40 et 200 mm, de manière préférentielle 150 mm. La grande vitesse des gaz dirige les gaz dans des zones concentrées d'une section d'entrée du monolithe et n'autorise donc pas un arrosage optimal de ladite section d'entrée 20 du monolithe, ce qui entraine une moindre efficacité du catalyseur 11. Le collecteur 14 comporte un conduit de turbine 16 pour amener les gaz ayant passé par la roue de turbine 15 vers le catalyseur et un conduit de décharge 18 qui comporte une sortie 19 tournée vers le système de dépollution 11 et contrôlée par un clapet 17. Ledit clapet est mobile en pivotement entre une position fermée où ledit clapet 17 obture le conduit de décharge 18 et une position ouverte où le clapet autorise le passage d'une partie des gaz d'échappement vers le système de dépollution 11. Par exemple selon les modes de réalisation représentés en figures 1 ,3 et 4, le clapet 17 est lié par un moyen de fixation 26 à un bras mobile 24 en pivotement autour d'un axe 25 sensiblement orthogonal à l'axe 31 du conduit de décharge. Lorsque le clapet 17 est en position fermée, les gaz d'échappement sont dirigés vers la roue de turbine 15 et font tourner au maximum ladite roue de turbine 15 pour accroitre les performances du turbocompresseur, puis ils sont dirigés vers le catalyseur 11 via le conduit de turbine 16. Lorsque le clapet est en position ouverte, une partie des gaz peut passer par le conduit de décharge 18 pour être dirigés également vers le catalyseur 11, la roue de turbine 15 est alors moins sollicitée. La fermeture et l'ouverture du clapet 17 permettent donc respectivement d'améliorer les performances du moteur et de soulager le turbocompresseur.

Les conduits de turbine 16 et de décharge 18 sont entourés par un carter de collecte 21 qui peut être un carter du turbocompresseur. Le conduit de décharge 18 comporte une sortie 19 disposée vis-à-vis de la section d'entrée 20 du catalyseur 11.

Dans notre exemple, le carter de collecte 21 est sensiblement cylindrique pour faciliter la compréhension mais il peut présenter une autre forme sans nuire à l'invention. Selon la figure 2, le clapet 17 comprend une plaque cylindrique 22 comportant une paroi intérieure 23 tournée vers le conduit de décharge 18.

Ladite plaque est tenue par le bras 24 mobile en pivotement. La plaque 22 présente un diamètre extérieur supérieur au diamètre du conduit de décharge 18 de telle façon que ladite plaque comporte une surface d'appui 26 qui vient en appui étanche contre un bord de la sortie 19 du conduit de décharge quand le clapet 17 est en position de fermeture.

Selon un premier mode de réalisation représenté dans la figure 3, le clapet 17 comporte un évidement 27 creusé dans la paroi intérieure 23 tournée vers le conduit de décharge 16. La profondeur 28 de l'évidement 27 est comprise entre 1 et 3 mm. Une profondeur inférieure à 1 mm n'engendre pas de redirection suffisante des gaz d'échappement tandis qu'une profondeur supérieure à 3mm peut générer de forts mouvements tourbillonnaires des gaz ainsi que des pertes de charge importantes. Ledit évidement 27 comprend un fond 29 sensiblement circulaire qui est prolongé via un congé 30 par une paroi cylindrique 32 sensiblement coaxiale avec le conduit de décharge 18.

De manière préférentielle, le rayon du congé 30 est de l'ordre de 0,5 mm mais il dépend de la profondeur de l'évidement tout en restant compris entre 0,5 et 1,5mm. Le diamètre de la paroi cylindrique 32 est sensiblement égal au diamètre du conduit de décharge 18. En effet, ledit diamètre doit être le plus grand possible tout en assurant l'étanchéité du clapet en appui contre la bordure de la sortie du conduit. Le diamètre de la paroi cylindrique peut être égal au diamètre du conduit de décharge avec une tolérance de 6% par rapport au diamètre du conduit en plus ou en moins. Ledit évidement 27 peut être obtenu par lamage. Selon un deuxième mode de réalisation présenté dans la figure 4, le clapet 17 comprend un évidement 27 sensiblement parabolique creusé dans la paroi intérieure tournée vers le conduit de décharge. La profondeur 28 de l'évidement est comprise entre 1 et 3 mm comme selon le premier mode de réalisation. La paroi intérieure 23 du clapet 17 comporte une surface d'appui 26 sensiblement annulaire entourant l'évidement 27. Ladite surface d'appui 26 présente un diamètre intérieur sensiblement égal au diamètre du conduit de décharge 18, ledit diamètre intérieur doit être le plus grand possible tout en assurant l'étanchéité du clapet en appui contre le bord de la sortie 19 du conduit. Le diamètre intérieur de la surface d'appui peut être égal au diamètre du conduit de décharge avec une tolérance de 6% par rapport au diamètre du conduit en plus ou en moins. Lorsque le clapet 17 est en position de fermeture, le bras de maintien maintient en appui étanche la plaque cylindrique du clapet par la surface d'appui contre le bord de la sortie du conduit de décharge. Les gaz d'échappement sont alors dirigés vers la roue de turbine puis vers le catalyseur par le conduit de turbine. Lorsque le clapet 17 est en position ouverte limitée, l'angle d'ouverture 33 formé par la plaque cylindrique du clapet entre la position fermée et la position ouverte est compris entre 5° et 300 afin d'obtenir un fonctionnement optimal de l'effet de redirection des gaz. En effet, un angle inférieur à 5° peut générer des pertes de charge très importantes. Un angle d'ouverture supérieur à 30° diminue de façon sensible l'efficacité de diffusion du clapet, les gaz peuvent alors être dirigés directement selon une direction primaire portée le plan de la plaque cylindrique du clapet depuis la sortie du conduit de décharge 18 vers la section d'entrée 20 du catalyseur 11. L'ouverture limitée permet également d'améliorer le contrôle du conduit de décharge pour assurer la fiabilité du turbocompresseur tout en réduisant les consommations d'énergie des systèmes de contrôle. L'angle d'ouverture est aussi égal à l'angle formé par les deux positions d'un axe orthogonal à la paroi intérieure du clapet 17 lorsque le clapet est en position de fermeture et lorsque le clapet est en position d'ouverture tel que représenté dans les figures 3 et 4. Les gaz issus du conduit de décharge 18 viennent frapper la paroi intérieure 23 du clapet et viennent buter contre l'évidement 27 de la paroi intérieure. La forme de l'évidement les dirige alors sensiblement à l'opposé de la direction joignant la sortie 19 du conduit de décharge à la section d'entrée 20 du catalyseur 11. Les gaz sont ensuite ramenés naturellement vers la section d'entrée 20 du catalyseur. Le brusque changement de direction vers une direction opposée entraine un éclatement du flux de gaz pour produire un flux plus diffus à l'entrée du catalyseur. Lesdits gaz ne viennent donc pas buter contre une paroi du carter 21 ce qui diminue d'autant les pertes de charge dans l'écoulement des gaz. L'objet de l'invention est atteint : le flux de gaz issu du conduit de décharge 18 venant frapper la paroi intérieure 23 du clapet sont redirigés dans une direction opposée à la direction joignant la sortie 19 dudit conduit à la section d'entrée 20 du catalyseur pour former un flux de gaz diffus. Les gaz sont alors dirigés vers la section d'entrée du catalyseur selon un flux homogène et arroser la section d'entrée 20 de façon optimale. Ledit flux de gaz ne va donc pas buter contre la paroi du carter et les pertes de charge de l'écoulement des gaz sont également réduits par ledit changement de direction. La fabrication du déflecteur est simple et peu couteuse.

L'invention n'est pas réduite aux modes de réalisation présentés ci-avant et l'homme du métier saura apporter toute variante conforme à son esprit. L'évidement peut par exemple être obtenu par différents processus de fabrication, entrainant des formes d'évidement différentes et des écoulements des gaz sensiblement différents dans le carter vers la section d'entrée du catalyseur.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Clapet (17) de conduit (18) de gaz d'échappement connecté à une section d'entrée (20) d'un monolithe de catalyseur (11), mobile en pivotement autour d'un axe de pivotement (25) orthogonal à l'axe (31) du conduit entre une position fermée et une position ouverte limitée afin de contrôler l'ouverture/fermeture d'une sortie (19) du conduit en regard du monolithe, ledit clapet comprenant une paroi intérieure (23) tournée vers le conduit, caractérisé en ce que la paroi intérieure (23) du clapet comporte un 10 évidement (27) apte à diriger les gaz issus du conduit dans une direction opposée à la direction joignant la sortie (19) du conduit de décharge à la section d'entrée (20) du monolithe afin de constituer un flux diffus de gaz.
2. 2. Clapet (17) de conduit de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure (23) du clapet comporte une surface annulaire (26) 15 d'appui entourant l'évidement (27) et en ce que le diamètre intérieur de ladite surface annulaire est égal au diamètre du conduit de décharge (18).
3. 3. Clapet de conduit de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le clapet (17) est en appui étanche par la surface annulaire (26) contre un bord de la sortie (19) du conduit lorsque 20 le clapet est en position de fermeture.
4. 4. Clapet de conduit de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'évidement (27) comporte un lamage cylindrique coaxial avec le conduit de décharge (18).
5. 5. Clapet de conduit de gaz selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'évidement (27) comporte une profondeur (28) supérieure à lmm.
6. 6. Clapet de conduit de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'évidement (27) comprend une paroi cylindrique (31) raccordée à un fond (29) de l'évidement par un congé 30 (30).
7. 7. Clapet de conduit de gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rayon du congé (30) est supérieur à 0,5mm.
8. 8. Clapet de conduit de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'évidement (27) comporte un fond (29) parabolique.
9. 9. Procédé de contrôle d'un conduit de décharge (18) comprenant un clapet (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la position d'ouverture limitée du clapet forme avec la position de fermeture un angle d'ouverture (33) formé par la paroi intérieure (23) du clapet compris entre 5 et 30°.