EP2240679A1 - Boucle egr d'un moteur a combustion interne d'un vehicule automobile - Google Patents

Boucle egr d'un moteur a combustion interne d'un vehicule automobile

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EP2240679A1
EP2240679A1 EP08872752A EP08872752A EP2240679A1 EP 2240679 A1 EP2240679 A1 EP 2240679A1 EP 08872752 A EP08872752 A EP 08872752A EP 08872752 A EP08872752 A EP 08872752A EP 2240679 A1 EP2240679 A1 EP 2240679A1
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EP
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egr
flap
valve
air
fresh air
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Samuel Leroux
Laurent Albert
Sébastien Adenot
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Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
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    • Y10T74/19079—Parallel
    • Y10T74/19084—Spur

Definitions

  • the invention concerns, with reference to FIG. 7 in the appendix, the EGR loop of an internal combustion engine of a motor vehicle, comprising the engine 21, an exhaust manifold 22 for the combustion gases, a turbine 25 of turbo-compressor 24, the exhaust gas recirculation loop (EGR) 28, with a cooler 29 and the low-pressure three-way valve disposed upstream of the compressor 26 of the turbo-compressor 24 and connected to it by its output and having two inlets for receiving fresh air and the cooled exhaust gas, in a mixture whose pressure is increased in the compressor 26, and an intake manifold 23 of the engine for receiving the exhaust gas and the compressor air.
  • EGR exhaust gas recirculation loop
  • the EGR loop aims to reduce the emission of nitrogen dioxide, by reducing the combustion temperature, by slowing down the combustion of the combustion mixture and absorbing part of the calories.
  • the cooler of the EGR loop makes it possible to lower the combustion temperature at high speed (high load).
  • the engine may only receive fresh air with no recirculated exhaust.
  • the engine can receive fresh air mixed with a portion of the exhaust gas, the pressure difference between the exhaust and the inlet of the compressor of the turbo-compressor being sufficient to ensure the recirculation of the exhaust gas.
  • the pressure difference is not sufficient for the exhaust gas recirculation and to ensure the correct EGR rate, it is possible to create throttling back pressure downstream of the EGR loop, so that force a portion of the exhaust gas to the engine intake lane.
  • This solution by its complexity, is however not very satisfactory and the invention of the present application is another solution to the problem of creating a back pressure to ensure a correct flow EGR.
  • the invention relates to a particular mode of use of the EGR loop above, characterized by the fact that
  • the EGR gas channel is progressively opened in the valve and
  • the invention is implemented with a two-way three-way valve for the two fresh air and EGR gas channels, respectively.
  • phase shift of the closure of the fresh air intake channel can also be achieved with a three-way valve monovolt, involving angular areas much narrower.
  • the flow of EGR gas in the inlet channel EGR of the valve begins to decline after a rotation of the corresponding flap of about 55 ° It is in this angular position of the EGR gas shutter that the intake flap of the fresh air is started to close the fresh air inlet in the EGR valve.
  • the rotation of the intake flap (5) can be carried out until it is rotated 90 °. This rotation can lead to completely close the air inlet (2).
  • the pipe is closed only partially, for example by a flap whose diameter is smaller than the diameter of the pipe.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show the air flow curves (1a), the natural flow rate of exhaust gas EGR (dgn) and the flow rate, forced according to the invention, of exhaust gas EGR (dgf). ), as a function of the angular positions ( ⁇ ) of the corresponding flaps;
  • FIG. 3 is a perspective view of the kinematics of the three-way valve with two flaps, open air flap and shutter gas closed;
  • FIG. 4 is a view of the valve of FIG. 3, flap of gases in the partial open position;
  • FIG. 5 is a view of the valve of FIG. 3, open gas shutter and closed air shutter;
  • FIG. 6 is a partial perspective view of the kinematics of a three-way valve according to a variant of the temporal phase-shift mechanism of the closure of the air shutter with respect to the opening of the flap of gases and
  • FIG. 7 shows a simplified way, the EGR loop used according to the invention.
  • the EGR valve 1 of FIGS. 1a, 1b, 1c schematically, comprises an air inlet 2, a recirculated exhaust gas inlet 3 and an air and gas outlet 4.
  • the valve 1 is here a two-part valve, a flap 5 in the air inlet duct 2 and a flap 6 in the gas inlet duct 3.
  • the air flap 5 is in an angular position (0 °) allowing a maximum air flow in the track 2 and the arrival flap of the gases 6, in an angular position (90 °) shutting off way 3.
  • the gas inlet flap 6 begins to pivot to gradually open the track 3 EGR exhaust gas (Figure 1a). This is the zone I of the curves 2.
  • This zone III extends until the gas flap 6 reaches the maximum opening angular position O 0 of the gas inlet port 3 and the air flap is in the angular position (90). °) total or partial closure of the air inlet 2.
  • this three-way valve has the kinematics which will now be described with reference to Figures 3 to 5.
  • the kinematics of the three-way valve 1 comprises a gear extending, here, between a DC motor 7 and two shafts 51, 61 for rotating the air flap 5 and the flap of the gas 6, respectively.
  • the two shafts 51, 61 extend parallel to each other.
  • the shaft 14 of the motor 7 is secured to a pinion 8 driving an intermediate gear 9 having a peripheral toothing 10 and a central toothing 11.
  • the peripheral toothing 10 of the intermediate wheel meshes with a ring gear 12 for rotating the air flap 5.
  • the ring gear 12 is free to rotate relative to the axis 51 of the flap 5.
  • the rotational drive this flap 5 by the ring 12 is via a drive finger 15 which is itself integral in rotation with the axis 51 of the flap 5.
  • This finger 15 is disposed at rest against an adjustable stop 16 integral with the body of the valve (not shown).
  • the ring 12 has an angular notch 17 adapted to allow the free rotation of the ring 12 on a defined angular sector, without driving the finger 15, that is to say the flap 5. It is when the ring 12 is driven in rotation beyond this angular sector, in one direction or the other, that the edge of the notch 17 then drives the finger 15.
  • the central toothing 11 of the intermediate wheel 9 meshes with a ring gear 13 for rotating the flap of the gas 6.
  • the ring gear 13 is rotationally integral with the axis 61 of the flap 6.
  • the flap 6 is therefore rotated directly by the rotation of the ring 13, while the flap 5 is rotated only when the ring 12 rotates the finger 15.
  • the wheel 9, by its teeth 10, 11 drives, in the opposite direction of the needles, the two toothed rings 12, 13, which are thus rotated by the same intermediate wheel 9, but via two gear teeth 10, 11.
  • the gear ratio between the shaft 14 of the motor 7 and the flap of the gas 6 is here 15.67, the ratio between the shaft 14 and the air flap 5 when is driven being 6.67.
  • Figures 3, 4 and 5 show the crowns and toothed wheels at different stages of rotation of the pinion 8.
  • phase shift mechanism An alternative embodiment of the phase shift mechanism is shown in Figure 6.
  • a cross member 50 with two radial arms 52, 53 is mounted on the shaft 51 of the flap 5.
  • Each of the arms 52, 53 has at its end a drive finger 54, 55, extending substantially parallel to the shaft 51.
  • the fingers 54, 55 extend respectively in these two lights 56, 57.
  • the shaft 51 and the air shutter 5 can not be rotated.
  • the ring gear 12 drives them with it, causing the flap 5 to rotate.
  • the angular opening of the lights must be less than 180 °. If ⁇ g is the angle of rotation of the gas flap 6, ⁇ a , the angle of rotation of the air flap 5, the relation (1) must be satisfied.
  • the circular lights 56, 57 are formed in the ring 12 relative to the toothed sector of the ring 12 taking into account the amplitude of the angular rotation of the gas flap 6 before the air flap 5 begins to rotate.
  • valve that has just been described is remarkable for its uniqueness of control, at the single level of the DC motor 7, which makes it a better price and a smaller footprint.
  • This control can be achieved using an H bridge, well known to those skilled in the art, with two pairs of switches in series and the component to be controlled - here the motor - connected to the two middle points of two pairs of switches, the two pairs being connected between a battery voltage and ground.

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Abstract

Boucle EGR d'un moteur a combustion interne d'un vehicule automobile, dans laquelle : Ie debit de I'air frais dans Ia voie d'arrivee de I'air (2) de Ia vanne EGR (1) etant maximum, on ouvre progressivement Ia voie des gaz EGR (3) dans Ia vanne et, avant que Ie debit des gaz EGR dans Ia vanne n'augmente plus, on ferme progressivement Ia voie (2) d'arrivee de I'air frais pour continuer de faire croître Ie debit des gaz EGR, suivant une courbe monotone croissante.

Description

Boucle EGR d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile
L'invention concerne, en référence à la figure 7 en annexe, la boucle EGR d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant le moteur 21, un collecteur d'échappement 22 des gaz de combustion, une turbine 25 de turbo-compresseur 24, la boucle de recirculation des gaz d'échappement (EGR) 28, avec un refroidisseur 29 et la vanne trois voies 30 basse pression disposée en amont du compresseur 26 du turbo-compresseur 24 et reliée à lui par sa sortie et comportant deux entrées pour recevoir de l'air frais et les gaz d'échappement refroidis, en un mélange dont la pression est augmentée dans le compresseur 26, et un collecteur d'admission 23 du moteur pour recevoir les gaz d'échappement et l'air du compresseur.
La boucle EGR vise à réduire l'émission de dioxyde d'azote, par diminution de la température de combustion, par ralentissement de la combustion du mélange comburant et absorption d'une partie des calories. Le refroidisseur de la boucle EGR permet de faire chuter la température de combustion à fort régime (forte charge).
Plusieurs modes opératoires de la vanne trois voies et donc du moteur peuvent être envisagés. Le moteur peut ne recevoir que de l'air frais, sans gaz d'échappement recirculés. Le moteur peut recevoir de l'air frais mélangé à une partie des gaz d'échappement, la différence de pression entre l'échappement et l'entrée du compresseur du turbo-compresseur étant suffisante pour assurer la recirculation des gaz d'échappement. Quand la différence de pression n'est pas suffisante pour la recirculation des gaz d'échappement et pour assurer le bon taux EGR, on peut créer une contre- pression par étranglement de la voie d'échappement en aval de la boucle EGR, pour ainsi forcer une partie des gaz d'échappement vers la voie d'admission du moteur. Cette solution, par sa complexité, n'est toutefois pas très satisfaisante et l'invention de la présente demande est une autre solution au problème de la création d'une contre-pression pour assurer un débit EGR correct. - Ainsi, l'invention concerne un mode d'utilisation particulier de la boucle EGR ci-dessus, caractérisé par le fait que
- le débit de l'air frais dans la voie d'arrivée de l'air de la vanne EGR étant maximum,
- on ouvre progressivement la voie des gaz EGR dans la vanne et,
- avant que le débit des gaz EGR dans la vanne n'augmente plus,
- on ferme progressivement la voie d'arrivée de l'air frais pour continuer de faire croître le débit des gaz EGR, suivant une courbe monotone croissante.
De préférence, l'invention est mise en œuvre avec une vanne trois voies à deux volets pour les deux voies air frais et gaz EGR, respectivement.
Le déphasage de la fermeture de la voie d'arrivée d'air frais, peut également être réalisé avec une vanne trois voies monovolet, impliquant des zones angulaires beaucoup plus étroites.
Dans le mode de mise en œuvre préféré de l'invention, avec une vanne trois voies à deux volets, le débit de gaz EGR dans la voie d'entrée EGR de la vanne commençant à décliner après une rotation du volet correspondant d'environ 55°, c'est dans cette position angulaire du volet des gaz EGR qu'on commence à faire tourner le volet d'admission de l'air frais pour fermer la voie d'arrivée d'air frais dans la vanne EGR. La rotation du volet d'admission (5) peut être effectuée jusqu'à le faire tourner de 90°. Cette rotation peut conduire à obturer totalement Ia voie d'arrivée d'air (2). En variante, la conduite n'est obturée que partiellement, par exemple grâce à un volet dont le diamètre est inférieur au diamètre de la conduite.
On notera que dans le moteur du document US 2005/0193978, la surpression définie par une vanne déterminée est toujours au niveau correspondant au fonctionnement du moteur ; si la surpression varie par cette vanne, la quantité d'air admise varie aussi. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante du mode d'utilisation de la varine trois voies et donc de" la boucle EGR, ainsi que de la vanne trois voies elle-même, en référence au dessin en annexe, sur lequel - les figures 1a, 1b, 1c, 1d illustrent les quatre modes d'utilisation de la vanne trois voies de la boucle EGR dont l'utilisation particulière est revendiquée par la présente demande ;
- les figures 2a, 2b, 2c représentent les courbes de débit d'air (1a), de débit naturel de gaz d'échappement EGR (dgn) et de débit, forcé selon l'invention, de gaz d'échappement EGR (dgf), en fonction des positions angulaires (α) des volets correspondants ;
- la figure 3 est une vue en perspective de la cinématique de la vanne trois voies à deux volets, volet d'air ouvert et volet des gaz fermé ;
- la figure 4 est une vue de la vanne de la figure 3, volet des gaz en position d'ouverture partielle ;
- la figure 5 est une vue de la vanne de la figure 3, volet des gaz ouvert et volet d'air fermé ;
- la figure 6 est une vue partielle en perspective de la cinématique d'une vanne trois voies selon une variante du mécanisme de déphasage temporel de la fermeture du volet d'air par rapport à l'ouverture du volet des gaz et
- la figure 7 représente de façon simplifiée, la boucle EGR utilisée selon l'invention.
La vanne EGR 1 des figures 1a, 1b, 1c, schématiquement, comporte une entrée d'air 2, une entrée de gaz d'échappement recirculés 3 et une sortie d'air et de gaz 4.
La vanne 1 est ici une vanne à deux volets, un volet 5 dans la voie d'entrée d'air 2 et un volet 6 dans la voie d'entrée de gaz 3.
Tout d'abord, le volet d'air 5 est dans une position angulaire (0°) permettant un débit d'air maximal dans la voie 2 et le volet d'arrivée des gaz 6, dans une position angulaire (90°) obturant la voie 3. Puis, sans que le volet d'air 5 ne pivote, le volet d'arrivée des gaz 6 commence à pivoter pour ouvrir progressivement la voie 3 aux gaz d'échappement EGR (figure 1a). Il s'agit de la zone I des courbes 2. Puis, le volet d'air 5 restant dans la même position d'ouverture maximale de l'entrée d'air 3, le volet des gaz 6 pivote pour considérablement ouvrir la voie des gaz 6 (figure 1b). Il s'agit de la zone II des courbes 2. Dans une certaine position angulaire du volet des gaz 6, ici de 35°, c'est-à-dire après une rotation de 55°, le débit des gaz dans la voie 3 n'augmente pratiquement plus et, tout en continuant de faire pivoter le volet des gaz 6, on commence alors à faire pivoter le volet d'air 5 pour fermer la voie d'arrivée d'air 2, avec un déphasage temporel correspondant, et, ainsi, forcer le moteur à aspirer d'avantage de gaz EGR (figure 1c).
On entre dans la zone III des courbes 2, la courbe de débit des gaz d'échappement s'infléchissant pour continuer de monter.
Cette zone III s'étend jusqu'à ce que le volet des gaz 6 atteigne la position angulaire O0 d'ouverture maximale de la voie d'entrée de gaz 3 et que le volet d'air se trouve dans la position angulaire (90°) d'obturation totale ou partielle de la voie d'entrée d'air 2.
Pour la mise en œuvre de l'alimentation de la vanne EGR trois voies 1, telle que définie ci-dessus, cette vanne trois voies présente la cinématique qui va maintenant être décrite en référence aux figures 3 à 5.
La cinématique de la vanne trois voies 1 comporte un engrenage s'étendant, ici, entre un moteur à courant continu 7 et deux arbres 51 , 61 d'entraînement en rotation du volet d'air 5 et du volet des gaz 6, respectivement. Les deux arbres 51, 61 s'étendent parallèlement l'un à l'autre. De l'arbre 14 du moteur 7 est solidaire un pignon 8 d'entraînement d'une roue dentée Intermédiaire 9 portant une denture périphérique 10 et une denture centrale 11.
La denture périphérique 10 de la roue intermédiaire engrène avec une couronne dentée 12 d'entraînement en rotation du volet d'air 5. La couronne dentée 12 est libre en rotation par rapport à l'axe 51 du volet 5. L'entraînement en rotation de ce volet 5 par la couronne 12 se fait par l'intermédiaire d'un doigt d'entraînement 15 qui est, lui, solidaire en rotation de l'axe 51 du volet 5. Ce doigt 15 est disposé au repos contre une butée réglable 16 solidaire du corps de la vanne (non représenté). La couronne 12 comporte une échancrure angulaire 17 adaptée à permettre la rotation libre de la couronne 12 sur un secteur angulaire défini, sans entraîner le doigt 15, c'est-à-dire le volet 5. C'est lorsque la couronne 12 est entraînée en rotation au-delà de ce secteur angulaire, dans un sens ou dans l'autre, que Ie bord de l'échancrure 17 entraîne alors le doigt 15.
La denture centrale 11 de la roue intermédiaire 9 engrène quant à elle avec une couronne dentée 13 d'entraînement en rotation du volet des gaz 6. La couronne dentée 13 est solidaire en rotation de l'axe 61 du volet 6.
Le volet 6 est donc entraîné en rotation directement par la rotation de la couronne 13, tandis que le volet 5 est entraîné en rotation seulement lorsque la couronne 12 entraîne en rotation le doigt 15.
Dans l'exemple considéré, le moteur 7, par son pignon 8, entraîné en rotation dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, entraîne la roue intermédiaire 9 en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. A son tour, la roue 9, par ses dentures 10, 11 entraîne, dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, les deux couronnes dentées 12, 13, qui sont donc entraînées en rotation par la même roue intermédiaire 9, mais via deux dentures différentes 10, 11. Le rapport d'engrenage entre l'arbre 14 du moteur 7 et le volet des gaz 6 est ici de 15,67, le rapport entre l'arbre 14 et le volet d'air 5 lorsqu'il est entraîné étant de 6,67. Le mécanisme de déphasage de la fermeture du- volet d'air 5 va maintenant être décrit.
Les figures 3, 4, et 5 montrent les couronnes et roues dentées à différentes étapes de la rotation du pignon 8.
De la figure 3 à la figure 4, les couronnes 12 et 13 sont entraînées dans le sens contraire des aiguilles d'une montre de sorte provoquant l'ouverture du volet 6 tandis que le volet 5 reste immobile et ce grâce à l'échancrure angulaire 17. Sur la position de la figure 4, l'un des bords de cette échancrure 17 vient en contact avec le doigt 15.
La rotation de la couronne 12 se poursuit alors en direction de la position représentée figure 5, le doigt 15 (et par conséquent le volet 5) étant alors entraîné en rotation. Le volet 5 se ferme donc avec un déphasage temporel permis par l'échancrure 17.
Une variante de réalisation du mécanisme de déphasage est représentée à la figure 6. Selon cette variante, une traverse 50 à deux bras radiaux 52, 53 est montée sur l'arbre 51 du volet 5. Chacun des bras 52, 53 comporte à son extrémité un doigt d'entraînement 54, 55, s'étendant sensiblement parallèlement à l'arbre 51.
Dans la couronne dentée 12 sont ménagées deux lumières circulaires
56, 57 d'entraînement des doigts 54, 55 en translation circulaire. Les doigts 54, 55 s'étendent respectivement dans ces deux lumières 56, 57.
Tant que les doigts 54, 55 ne sont pas en appui contre l'un des fonds 58 des lumières 56, 57, l'arbre 51 et le volet d'air 5 ne peuvent pas être entraînés en rotation. Dès que les doigts 54, 55 viennent en butée contre les fonds respectifs des deux lumières 56, 57, la couronne dentée 12 les entraîne avec elle, ce qui provoque la mise en rotation du volet 5. Pour assurer le fonctionnement correct de la vanne trois voies, il faut que l'ouverture angulaire des lumières soit inférieure à 180°. Si αg est l'angle - de rotation du volet des gaz 6, αa, l'angle de rotation du volet d'air 5, la relation (1) doit être satisfaite
(Qg -Q3) X Qa< 180 (1) αa
Si on considère αg = 90° (figure 2b), alors l'angle de rotation αa du volet d'air 5 doit satisfaire la relation (2)
αa > 30° (2)
Le rapport d'engrenage R = - doit alors satisfaire la relation (3) αa
R < 3 (3) Dans l'exemple évoqué ci-dessus, on a considéré
Les lumières circulaires 56, 57 sont ménagées dans la couronne 12 par rapport au secteur denté de la couronne 12 en tenant compte de l'amplitude de la rotation angulaire du volet des gaz 6 avant que le volet d'air 5 ne commence sa rotation.
La vanne qui vient d'être décrite est remarquable par son unicité de commande, au seul niveau du moteur à courant continu 7, ce qui la rend d'un meilleur prix et d'un encombrement réduit.
Cette commande peut être réalisée à l'aide d'un pont en H, bien connu de l'homme du métier, avec deux paires d'interrupteurs en série et le composant à commander - ici le moteur - relié aux deux points milieux des deux paires d'interrupteurs, les deux paires étant branchées entre une tension batterie et la masse.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Mode d'utilisation d'une boucle EGR d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant le moteur (21), un collecteur
(22) d'échappement des gaz de combustion, une turbine (25) de turbocompresseur (24), la boucle (28) de recirculation des gaz d'échappement (EGR), avec un refroidisseur (29) et une vanne trois voies basse pression (30) disposée en amont du compresseur (26) du turbo-compresseur et reliée à lui par sa sortie et comportant deux entrées pour recevoir de l'air frais et les gaz d'échappement refroidis en un mélange dont la pression est augmentée dans le compresseur, et un collecteur d'admission (23) du moteur pour recevoir les gaz d'échappement et l'air du compresseur (26), caractérisé par le fait que - le débit de l'air frais dans la voie d'arrivée de l'air (2) de la vanne EGR (1) étant maximum,
- on ouvre progressivement la voie des gaz EGR (3) dans la vanne et,
- avant que le débit des gaz EGR dans la vanne n'augmente plus,
- on ferme progressivement la voie (2) d'arrivée de l'air frais pour continuer de faire croître le débit des gaz EGR, suivant une courbe monotone croissante.
2 - Mode d'utilisation selon la revendication 1, avec une vanne trois voies (1) à deux volets (5, 6) pour les deux voies air frais (2) et gaz EGR (3) respectivement.
3 - Mode d'utilisation selon la revendication 2, selon lequel le débit de gaz EGR dans la voie d'entrée EGR (3) de la vanne (1) commençant à décliner après une rotation du volet correspondant (6) d'environ 55e, c'est de cette position angulaire du volet des gaz EGR (6) qu'on commence à faire tourner le volet d'admission de l'air frais (5) pour fermer la voie d'arrivée d'air frais (2) dans la vanne EGR. 4 - Mode d'utilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la rotation du volet d'admission (5) est effectuée jusqu'à le faire tourner de 90°.
5 - Mode d'utilisation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la rotation du volet d'admission (5) est effectuée jusqu'à obturer totalement la voie d'arrivée d'air (2).
6 - Mode d'utilisation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la rotation du volet d'admission (5) est effectuée jusqu'à obturer partiellement la voie d'arrivée d'air (2).
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