EP0775822B1 - Procédé et dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles - Google Patents

Procédé et dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles Download PDF

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EP0775822B1
EP0775822B1 EP96402432A EP96402432A EP0775822B1 EP 0775822 B1 EP0775822 B1 EP 0775822B1 EP 96402432 A EP96402432 A EP 96402432A EP 96402432 A EP96402432 A EP 96402432A EP 0775822 B1 EP0775822 B1 EP 0775822B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/02—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks
    • F02N19/04—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines
    • F02N19/10—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines by heating of engine coolants

Definitions

  • the present invention relates to the field of cold starting of vehicles automobiles having an internal combustion engine.
  • patent FR 2 706 184 describes a such a fuel vaporization device.
  • One known way is to cover the catalyst with a layer intended to lower the temperature at which the catalyst begins to be active.
  • Another solution may consist in injecting additional air, by upstream of the catalyst which thus receives additional energy and heats up more quickly.
  • the heating of the intake air is carried out by another circuit separate from the main engine circuit which results in a complication of the device.
  • the present invention overcomes in particular the problems of the art previous stated above.
  • the present invention provides a method for improving both the consumption and anti-pollution of cold engines.
  • One of the advantages of the present invention is to provide a means of heating whose consumption can be compensated in order not to degrade the thermal and economic balance.
  • the subject of the present invention is a method of starting assistance with cold for motor vehicles with internal combustion engine comprising a catalyst placed in the engine exhaust line consisting of using a burner and a gas-liquid exchanger integrated into the coolant circuit, said burner being used to directly heat the exhaust gases, the catalyst and exchanger integrated in the cooling circuit, characterized in that we use the calories from said burner and conveyed by the liquid cooling to heat the air admitted to the engine and then to heat the oil of the engine, the metallic mass of the engine and the air for heating the passenger compartment.
  • the method is used for a determined period, basically when the engine is cold.
  • the method according to the invention can be used for a period determined based on engine speed and load.
  • the burner is supplied with the same fuel as the engine.
  • the catalyst can be placed between the burner and the heat exchanger.
  • the heat exchanger can be arranged between the burner and the catalyst.
  • the present invention further relates to a starting aid device for cold of motor vehicles with internal combustion engine comprising a catalyst placed in the engine exhaust line and a fluid circuit cooling, said device comprising a burner and a gas-liquid exchanger integrated in the coolant circuit, said burner being placed in such a way that it directly heats the exhaust gases, the catalyst and the gas-liquid exchanger integrated in the cooling circuit, characterized by which it also includes means for transferring calories conveyed by the coolant to the engine intake air and then to the engine oil, the metallic earth of the engine and the air for heating the passenger compartment of the vehicle.
  • the burner is supplied with the same fuel as the engine.
  • the burner is put into operation for a fixed period, mainly when the engine is cold.
  • the burner is put into operation for a fixed duration, depending on the engine speed and load.
  • This figure shows schematically an internal combustion engine 1 and the associated cooling circuit 7.
  • the coolant circulates thanks to a pump 2 through several elements for heat exchange: in addition to the metallic mass of the engine 1 itself, the water exchanges calories with the oil via an oil-water exchanger 3, with the intake air via an air-water exchanger 11, and with the passenger compartment via a air heater 4.
  • a thermostat 9 also makes it possible to regulate the flow of circulating water in a radiator 10 and the oil-water exchanger 3.
  • At least one burner 5 is placed on the circuit cooling so that it can heat a gas-liquid exchanger 6 integrated in the cooling circuit 7 of the engine 1.
  • the exchanger 6 is arranged on the exhaust 8, so that the combustion gases from the burner 5 pass through the exchanger 6 then are evacuated with the exhaust gases which they heat. So the combustion gases from the burner 5 can be used to heat a catalyst (not referenced) placed in the exhaust 8. Once the catalyst is primed, the gases are converted by it.
  • part of the heat from the combustion gases of the burner 5 is thus captured by the coolant which, via the usual organs of the cooling circuit 7, will transfer this heat to the oil (via the exchanger 3), to the intake air, to the passenger compartment (via the air heater 4) and to earth metallic motor 1.
  • the catalyst (not referenced) can be placed in front of the exchanger 6 integrated in the cooling circuit 7.
  • the operating time of the burner 5 will naturally depend on the outside temperature, but also of the speed and the load imposed on the engine 1. In all cases, only the first minutes of starting must be assisted in this way, a compromise must be sought in order not to increase the overconsumption.
  • the engine is considered to be cold when the cooling system temperature is less than about 50 ° C.
  • One or more temperature sensors will be provided on the engine, associated with a burner control element in order to activate it beyond a certain temperature.
  • the essential advantage of the device lies in the improvement of the depollution, carried out globally by accelerated heating of all parts of the engine, in particular that of the air admitted for better carburetion, and exhaust catalyst for faster priming.
  • the heating of the passenger compartment can be secured at a level sufficient to not require any other additional means of heating.

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Description

La présente invention concerne le domaine du démarrage à froid de véhicules automobiles ayant un moteur à combustion interne.
Vues les normes de plus en plus sévères en vigueur ou à venir, les émissions de polluants doivent être réduites, notamment à froid, pendant les premières minutes de fonctionnement du moteur. On sait en effet que la plupart des polluants (80 %) sont émis dans ce délai, quand le catalyseur de conversion placé dans la ligne d'échappement n'est pas encore suffisamment chauffé par les gaz d'échappement pour être efficace.
Il est actuellement de notoriété qu'un des obstacles majeurs pour la dépollution des véhicules automobiles se situe dans la phase de mise en température qui suit un démarrage à froid.
Il y a plusieurs raisons pour cela, la première dans l'ordre d'importance étant l'énorme accroissement de la viscosité des lubrifiants à froid, pouvant dépasser 1000 cSt au-dessous de 0°C, avec pour conséquence des niveaux de frottement très élevés dans le moteur, entraínant des surconsommations non moins élevées. Ce fait est aggravé par les difficultés d'alimentation à basse température, la mauvaise qualité des mélanges carburés provenant de la pulvérisation et de l'évaporation insuffisantes du carburant dans l'air admis, que l'on compense tant bien que mal par un enrichissement de la charge en carburant. Les surconsommations sont naturellement accompagnées d'émissions élevées des polluants de base, monoxyde de carbone et imbrûlés, conséquences de mélanges trop riches et de combustions incomplètes, et que n'arrive pas à éliminer le catalyseur d'échappement tant que sa température d'amorçage n'est pas atteinte, ce qui peut nécessiter plusieurs minutes.
Par ailleurs les améliorations dans la conception des chambres de combustion ont entraíné un réel accroissement du rendement thermodynamique pour les moteurs récents, avec pour corollaire une diminution de la chaleur transférée à travers les parois des cylindres, donc une difficulté supplémentaire pour échauffer le moteur, et par là même l'habitacle du véhicule, en exploitant d'une manière naturelle la chaleur contenue dans l'eau de refroidissement.
De nombreuses études ont donc déjà porté sur le problème du démarrage à froid des véhicules automobiles. Les solutions sont essentiellement de deux types : celles extérieures au moteur et celles visant directement le moteur.
Les solutions touchant le moteur concernent par exemple la pré-évaporation du carburant, l'amélioration de l'atomisation du carburant ou encore l'homogénéisation de la charge. A titre d'exemple, le brevet FR 2 706 184 décrit un tel dispositif de vaporisation de carburant.
Les solutions "extérieures" au moteur concernent notamment la ligne d'échappement et plus précisément la réduction du temps nécessaire pour amorcer le (ou les) catalyseur(s) placé à l'échappement.
Une voie connue consiste à recouvrir le catalyseur d'une couche destinée à abaisser la température à laquelle le catalyseur commence à être actif.
Une autre solution peut consister à réaliser une injection d'air additionnel, en amont du catalyseur qui reçoit ainsi une énergie supplémentaire et s'échauffe plus rapidement.
Le chauffage électrique du catalyseur peut aussi être envisagé comme par exemple dans le brevet EP-B1-605479. Cette solution est certes efficace puisque totalement dédiée au chauffage du pot catalytique. Cependant ce système est consommateur d'énergie puisqu'il consomme au minimum trois ou quatre kilowatts sur la batterie. Une batterie additionnelle doit être envisagée. Le bilan énergétique n'est donc pas complètement satisfaisant et le rendement global est très faible.
Ainsi de récents développements ont cherché à réduire la capacité électrique nécessaire au chauffage du catalyseur.
Les solutions qui vont dans ce sens consistent à choisir un élément catalytique approprié et à le placer au bon endroit.
D'autres solutions technologiques ont été envisagées comme par exemple le préchauffage du pot catalytique par des gaz chauds générés par un brûleur placé en amont dudit pot comme cela est décrit dans le document DE 4208621, ce brûleur permettant également de chauffer l'habitacle du véhicule grâce à un échangeur. Le document WO 95/14852 décrit un autre agencement permettant de préchauffer le pot catalytique. La puissance thermique d'une telle unité est forte, de l'ordre de 15 kW de sorte que le catalyseur peut être activé en 20 secondes environ. L'avantage est le bon rendement de ce système, proche de 100 %.
Néanmoins, un des problèmes de ce type de solution est de nécessiter un élément ici le brûleur dont l'unique fonction est de chauffer le (ou les) catalyseur(s).
En outre, aussi bien pour le chauffage électrique que pour le chauffage par brûleur, un problème de vieillissement prématuré et/ou imprévisible du catalyseur peut se poser, ce problème étant dû aux fortes et brèves sollitations thermiques du catalyseur.
De plus il est également connu par le document DE-A-3 341 097 de relier le circuit de refroidissement du moteur à une source de calories, telle qu'un réservoir de stockage d'un fluide chaud, de façon à introduire, au démarrage, ce fluide chaud dans le circuit du moteur.
Comme montré par ce document, le chauffage de l'air d'admission est réalisé par un autre circuit distinct du circuit principal du moteur ce qui entraíne une complication du dispositif.
La présente invention permet de pallier notamment les problèmes de l'art antérieur énoncés ci-dessus.
Ainsi la présente invention propose une méthode pour améliorer à la fois la consommation et l'anti-pollution des moteurs à froid.
L'un des intérêts de la présente invention est de prévoir un moyen de chauffage dont la consommation peut être compensée afin de ne pas dégrader le bilan thermique et économique.
Ainsi la présente invention a pour objet un procédé d'aide au démarrage à froid pour des véhicules automobiles à moteur à combustion interne comprenant un catalyseur placé dans la ligne d'échappement du moteur consistant à utiliser un brûleur et un échangeur gaz-liquide intégré au circuit de liquide de refroidissement, ledit brûleur étant utilisé pour chauffer directement les gaz d'échappement, le catalyseur et l'échangeur intégré au circuit de refroidissement, caractérisé en ce qu'on utilise les calories issues dudit brûleur et véhiculées par le liquide de refroidissement pour chauffer l'air admis dans le moteur puis pour chauffer l'huile du moteur, la masse métallique du moteur et l'air pour le chauffage de l'habitacle.
Selon l'invention le procédé est utilisé pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid.
En outre, le procédé selon l'invention peut être utilisé pendant une durée déterminée en fonction du régime et de la charge du moteur.
De façon particulière, le brûleur est alimenté par le même carburant que le moteur.
Le catalyseur peut être disposé entre le brûleur et l'échangeur de chaleur.
Sans sortir du cadre de l'invention, l'échangeur de chaleur peut être disposé entre le brûleur et le catalyseur.
La présente invention concerne en outre un dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles à moteur à combustion interne comprenant un catalyseur placé dans la ligne d'échappement du moteur et un circuit de liquide de refroidissement, ledit dispositif comportant un brûleur et un échangeur gaz-liquide intégré au circuit de liquide de refroidissement, ledit brûleur étant placé de tel façon qu'il chauffe directement les gaz d'échappement, le catalyseur et l'échangeur gaz-liquide intégré dans le circuit de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens permettant de transférer les calories véhiculées par le liquide de refroidissement à l'air d'admission du moteur puis à l'huile du moteur, à la masse métallique du moteur et à l'air pour le chauffage de l'habitacle du véhicule.
Avantageusement, le brûleur est alimenté par le même carburant que le moteur.
Selon l'une de ses caractéristiques, le brûleur est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid.
Selon une autre caractéristique, le brûleur est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, en fonction du régime et de la charge du moteur.
D'autres caractéristiques, avantages et particularités de la présente invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence à l'unique figure annexée.
Sur cette figure sont schématisés un moteur 1 à combustion interne et le circuit de refroidissement associé 7.
De façon habituelle, le liquide de refroidissement circule grâce à une pompe 2 à travers plusieurs éléments pour échange de chaleur : outre la masse métallique du moteur 1 lui-même, l'eau échange des calories avec l'huile via un échangeur huile-eau 3, avec l'air d'admission via un échangeur air-eau 11, et avec l'habitacle via un aérotherme 4. Un thermostat 9 permet en outre de réguler le débit d'eau circulant dans un radiateur 10 et l'échangeur huile-eau 3.
Selon l'invention, au moins un brûleur 5 est placé sur le circuit de refroidissement de telle façon qu'il puisse chauffer un échangeur gaz-liquide 6 intégré dans le circuit de refroidissement 7 du moteur 1. L'échangeur 6 est disposé sur l'échappement 8, de telle sorte que les gaz de combustion du brûleur 5 traversent l'échangeur 6 puis sont évacués avec les gaz d'échappement qu'ils échauffent. Ainsi les gaz de combustion du brûleur 5 peuvent être utilisés pour échauffer un catalyseur (non référencé) placé à l'échappement 8. Une fois le catalyseur amorcé, les gaz chauds sont convertis par celui-ci.
Autrement dit, une partie de la chaleur provenant des gaz de combustion du brûleur 5 est ainsi captée par le liquide de refroidissement qui, par l'intermédiaire des organes habituels du circuit de refroidissement 7, va transférer cette chaleur à l'huile (via l'échangeur 3), à l'air d'admission, à l'habitacle (via l'aérotherme 4) et à la masse métallique du moteur 1.
L'autre partie de la chaleur issue du brûleur 5, ayant traversé l'échangeur 6, va donc se mélanger aux gaz d'échappement du moteur 1 comme indiqué ci-avant.
Sans sortir du cadre de la présente invention, le catalyseur (non référencé) peut être placé devant l'échangeur 6 intégré dans le circuit de refroissement 7.
Les calculs montrent que l'on peut de cette manière espérer une récupération de chaleur de l'ordre de 10 kW dans le circuit de refroidissement 7 d'un moteur d'automobile de classe moyenne, ce qui a pour conséquence une diminution d'un facteur 2 du temps de montée en températures des fluides, tout en garantissant un chauffage convenable de l'habitacle avec 5 kW disponibles en moyenne à l'aérotherme. Ceci est valable pour des conditions de mise en action à faible régime et faible charge, qui sont les plus concernées par les problèmes déjà évoqués.
La durée de fonctionnement du brûleur 5 dépendra naturellement de la température extérieure, mais aussi du régime et de la charge imposés au moteur 1. Dans tous les cas seules les premières minutes du démarrage devront être assistées de cette manière, un compromis devant être recherché afin de ne pas accroítre la surconsommation.
De façon courante, on considère que le moteur est froid lorsque la température du circuit de refroidissement est inférieure à environ 50°C.
Un ou plusieurs capteurs de température seront prévus au niveau du moteur, associés à un élément de commande du brûleur afin d'activer celui-ci au-delà d'une certaine température.
Dans ces conditions, on peut au moins espérer un bilan inchangé en ce qui concerne la consommation, c'est-à-dire que le carburant utilisé dans le brûleur pourra être compensé par les gains de rendement du moteur réalisés grâce à une diminution rapide des frottements, conséquence d'une montée en température plus rapide du lubrifiant, et grâce à l'amélioration de la carburation.
Le bilan économique du système sera d'autant plus favorable que la température au moment du démarrage sera plus faible, l'accroissement des frottements étant quasi exponentiel avec la diminution de la température.
Ainsi, l'avantage essentiel du dispositif réside dans l'amélioration de la dépollution, réalisée globalement par un chauffage accéléré de toutes les parties du moteur, en particulier celui de l'air admis pour une meilleure carburation, et du catalyseur d'échappement pour un amorçage plus rapide. Enfin, le chauffage de l'habitacle pourra être assuré à un niveau suffisant pour ne pas nécessiter d'autre moyen additionnel de chauffage.

Claims (10)

  1. Procédé d'aide au démarrage à froid pour des véhicules automobiles à moteur à combustion interne comprenant un catalyseur placé dans la ligne d'échappement du moteur consistant à utiliser un brûleur et un échangeur gaz-liquide intégré au circuit de liquide de refroidissement, ledit brûleur étant utilisé pour chauffer directement les gaz d'échappement, le catalyseur et l'échangeur intégré au circuit de refroidissement, caractérisé en ce qu'on utilise les calories issues dudit brûleur et véhiculées par le liquide de refroidissement pour chauffer l'air admis dans le moteur puis pour chauffer l'huile du moteur, la masse métallique du moteur et l'air pour le chauffage de l'habitacle.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pendant une durée déterminée en fonction du régime et de la charge du moteur (1).
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur (5) est alimenté par le même carburant que le moteur (1).
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit catalyseur est disposé entre le brûleur (5) et l'échangeur (6).
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur (6) est disposé entre ledit brûleur (5) et ledit catalyseur.
  7. Dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles à moteur (1) à combustion interne comprenant un catalyseur placé dans la ligne d'échappement du moteur et un circuit de liquide de refroidissement, ledit dispositif comportant un brûleur (5) et un échangeur gaz-liquide (6) intégré au circuit de liquide de refroidissement, ledit brûleur étant placé de tel façon qu'il chauffe directement les gaz d'échappement, le catalyseur et l'échangeur gaz-liquide (6) intégré dans le circuit de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens permettant de transférer les calories véhiculées par le liquide de refroidissement à l'air d'admission du moteur puis à l'huile du moteur, à la masse métallique du moteur et à l'air pour le chauffage de l'habitacle du véhicule.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le brûleur (5) est alimenté par le même carburant que le moteur (1).
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le brûleur (5) est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le brûleur (5) est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, en fonction du régime et de la charge du moteur.
EP96402432A 1995-11-23 1996-11-14 Procédé et dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles Expired - Lifetime EP0775822B1 (fr)

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