FR2872550A1 - Water injecting device for e.g. spark ignition engine, has reservoir to collect water contained in exhaust gas for injection, and unique injecting device to inject mixture of water and fuel in combustion chamber of engine - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif d'injection d'eau dans un moteur à combustion interne etDevice for injecting water into an internal combustion engine and
procédé associéassociated process
L'invention concerne le domaine automobile et plus particulièrement le fonctionnement d'un moteur à combustion interne qu'il soit du type à allumage commandé ou du type Diesel. The invention relates to the automotive field and more particularly to the operation of an internal combustion engine whether of the spark ignition type or the diesel type.
Les restrictions d'émission de polluants à l'échappement des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles nécessitent le développement de stratégies de dépollution de plus en plus efficaces. Restrictions on the emission of exhaust pollutants from internal combustion engines of motor vehicles require the development of more and more effective abatement strategies.
L'une de ces stratégies consiste à faire recirculer une partie des gaz d'échappement issus de la combustion au moyen d'une conduite de recirculation partielle des gaz d'échappement (EOR). La réintroduction des gaz d'échappement à l'admission du moteur permet en effet de diminuer la température de combustion à l'intérieur des cylindres et donc de définir un compromis entre l'émission des particules et l'émission d'oxydes d'azote NOx. One of these strategies is to recirculate a portion of the exhaust gas from combustion using a partial exhaust gas recirculation (EOR) line. The reintroduction of the exhaust gases at the intake of the engine makes it possible to reduce the combustion temperature inside the cylinders and thus to define a compromise between the emission of the particles and the emission of nitrogen oxides. NOx.
Une autre stratégie permettant également la diminution de la température de la combustion dans les cylindres et une limitation de la production des oxydes d'azote NOx consiste à injecter directement de l'eau liquide dans les chambres de combustion. Another strategy that also makes it possible to reduce the temperature of the combustion in the cylinders and to limit the production of the NOx nitrogen oxides consists in injecting liquid water directly into the combustion chambers.
La demande de brevet européen EP-A-1 209 345 (FilterWerk Mann & Hummel) décrit un dispositif permettant de récupérer l'eau se trouvant dans le carburant qui alimente le moteur à combustion interne. Un filtre placé sur la conduite d'amenée du carburant permet la récupération d'une certaine quantité d'eau qui est ensuite injectée dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement ou, en variante, directement dans la chambre de combustion. European patent application EP-A-1 209 345 (FilterWerk Mann & Hummel) discloses a device for recovering the water in the fuel supplying the internal combustion engine. A filter placed on the fuel supply line allows the recovery of a certain amount of water which is then injected into the recirculation circuit of the exhaust gas or, alternatively, directly into the combustion chamber.
Dans la demande de brevet français FR-A-2 833 652 (Renault) l'eau éliminée du carburant dans les mêmes conditions que dans le document précédent, est réinjectée dans la conduite d'air à l'admission du moteur à combustion interne ou dans la conduite d'échappement en aval du moteur. Dans ce document, le but est essentiellement d'éliminer l'eau se trouvant dans le carburant injecté dans la chambre de combustion. In the French patent application FR-A-2,833,652 (Renault) the water removed from the fuel under the same conditions as in the previous document, is reinjected into the air duct at the intake of the internal combustion engine or in the exhaust pipe downstream of the engine. In this document, the purpose is essentially to remove the water in the fuel injected into the combustion chamber.
On sait également récupérer l'eau contenue dans les gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur par refroidissement des gaz d'échappement et condensation partielle. C'est ainsi que dans la demande de brevet WO-A-03/001046 (Alstom) l'eau récupérée par condensation à partir des gaz d'échappement et stockée dans un réservoir, est ensuite amenée jusqu'à un évaporateur qui la vaporise, la vapeur obtenue étant mélangée à l'air admis dans le moteur. It is also known to recover the water contained in the exhaust gases from combustion in the engine by cooling the exhaust gas and partial condensation. Thus, in the patent application WO-A-03/001046 (Alstom) the water recovered by condensation from the exhaust gas and stored in a tank, is then brought to an evaporator which vaporizes it. , the steam obtained being mixed with the air admitted into the engine.
La demande de brevet WO-A-01/92710 (Emitec) prévoit également de récupérer l'eau des gaz d'échappement issus du moteur par condensation. L'eau récupérée, stockée dans un réservoir, est utilisée en vue d'une injection directe dans le moteur thermique afin de réduire les émissions de CO2 et d'oxydes d'azote NOx. The patent application WO-A-01/92710 (Emitec) also provides for recovering water from the exhaust gases from the engine by condensation. The recovered water, stored in a tank, is used for direct injection into the engine to reduce emissions of CO2 and NOx nitrogen oxides.
Compte tenu de ces différents dispositifs connus, l'invention a pour objet d'améliorer l'effet de dépollution produit par l'injection d'eau dans la chambre de combustion d'un moteur thermique. Given these different known devices, the object of the invention is to improve the depollution effect produced by the injection of water into the combustion chamber of a heat engine.
L'invention a également pour objet de diminuer l'apparition des phénomènes de cliquetis qui résultent fréquemment de l'introduction d'eau dans la chambre de combustion à des instants non contrôlés du cycle de fonctionnement du moteur. The object of the invention is also to reduce the occurrence of rattling phenomena which frequently result from the introduction of water into the combustion chamber at uncontrolled times of the engine operating cycle.
L'invention a également pour objet une disposition qui permet une injection d'eau dans la chambre de combustion du moteur thermique sans augmentation des dimensions de la chambre de combustion ou de la culasse du moteur. The invention also relates to an arrangement that allows an injection of water into the combustion chamber of the engine without increasing the dimensions of the combustion chamber or the cylinder head of the engine.
Le dispositif, selon un aspect de l'invention, permettant l'injection d'eau dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprend un condenseur monté sur la conduite d'échappement du moteur et un réservoir pour récupérer l'eau contenue dans les gaz d'échappement en vue de l'injection. Le dispositif comprend en outre un dispositif émulseur recevant du carburant et de l'eau provenant du réservoir précité et capable de former un mélange d'eau et de carburant, et un dispositif d'injection dudit mélange dans la chambre de combustion du moteur. The device, according to one aspect of the invention, for injecting water into a combustion chamber of an internal combustion engine, particularly for a motor vehicle, comprises a condenser mounted on the engine exhaust pipe and a reservoir for recover the water contained in the exhaust gases for injection. The device further comprises an emulsifier device receiving fuel and water from the aforementioned tank and capable of forming a mixture of water and fuel, and a device for injecting said mixture into the combustion chamber of the engine.
De préférence, le dispositif d'injection comprend un injecteur unique pour chaque chambre de combustion. Ainsi, la structure de l'ensemble est simplifiée au même titre que la structure de la chambre de combustion et de la culasse du moteur puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir des injecteurs distincts pour le carburant et pour l'eau. Preferably, the injection device comprises a single injector for each combustion chamber. Thus, the structure of the assembly is simplified as well as the structure of the combustion chamber and the cylinder head of the engine since it is not necessary to provide separate injectors for fuel and water.
De plus, l'injection d'eau étant faite avec le carburant, l'injection intervient au dernier moment dans le cycle du moteur, améliorant ainsi l'efficacité de la dépollution des gaz d'échappement et réduisant les phénomènes de cliquetis. In addition, the injection of water being made with the fuel, the injection occurs at the last moment in the cycle of the engine, thus improving the efficiency of the depollution of the exhaust gases and reducing the rattling phenomena.
La récupération de l'eau contenue dans les gaz d'échappement par refroidissement et condensation évite la nécessité de prévoir une source d'eau extérieure spécifique pour l'injection. The recovery of the water contained in the exhaust gases by cooling and condensation avoids the need to provide a specific external water source for the injection.
De plus, le réservoir peut également être relié à un dispositif condenseur d'une installation de climatisation équipant le véhicule automobile, augmentant ainsi la quantité d'eau récupérée lors du fonctionnement du véhicule et utilisable pour l'injection dans la chambre de combustion du moteur. In addition, the tank can also be connected to a condenser device of an air-conditioning installation equipping the motor vehicle, thus increasing the quantity of water recovered during the operation of the vehicle and usable for injection into the combustion chamber of the engine. .
Dans un mode de réalisation avantageux, on peut prévoir également un moyen de régulation de la quantité d'eau amenée au dispositif émulseur. In an advantageous embodiment, it is also possible to provide a means of regulating the amount of water supplied to the emulsifier device.
L'invention s'applique à tout type de moteur à combustion, qu'il soit à allumage commandé ou du type Diesel. L'invention s'applique également au cas où le moteur est équipé d'un groupe turbocompresseur. Le condenseur et le réservoir sont alors montés en aval de la turbine. The invention applies to any type of combustion engine, whether it is spark ignition or diesel type. The invention also applies to the case where the engine is equipped with a turbocharger unit. The condenser and the tank are then mounted downstream of the turbine.
Dans ce cas également, un dispositif détendeur peut être monté an aval du réservoir pour réduire la contre-pression d'échappement. In this case also, a pressure reducer device can be mounted downstream of the tank to reduce the exhaust back pressure.
L'invention s'applique encore au cas où le moteur est équipé d'un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement (EGR) dans la chambre de combustion. The invention is still applicable in the case where the engine is equipped with a device for partial recirculation of the exhaust gas (EGR) in the combustion chamber.
Un autre aspect de l'invention consiste en un procédé d'injection d'eau dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, l'eau étant récupérée par condensation des gaz d'échappement, procédé dans lequel on réalise un mélange d'eau et de carburant qu'on injecte directement dans la chambre de combustion. Another aspect of the invention consists of a method for injecting water into a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, the water being recovered by condensation of the exhaust gases, a process in which one makes a mixture of water and fuel that is injected directly into the combustion chamber.
De préférence, on réalise le mélange sous la forme d'une émulsion d'eau dans le carburant. Preferably, the mixture is made in the form of a water emulsion in the fuel.
Le mélange est ensuite injecté dans la chambre de combustion au moyen d'un dispositif d'injection unique pour chaque chambre de combustion. The mixture is then injected into the combustion chamber by means of a single injection device for each combustion chamber.
L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure unique annexée qui montre schématiquement les principaux éléments d'un dispositif selon l'invention. The invention will be better understood from the study of a particular embodiment taken by way of non-limiting example and illustrated by the single appended figure which shows schematically the main elements of a device according to the invention.
Tel qu'il est illustré sur la figure, un moteur à combustion interne représenté schématiquement sous la référence 1 comprend une culasse 2 et quatre cylindres munis chacun d'une chambre de combustion 3. Dans l'exemple illustré, l'air frais admis par la conduite d'entrée d'air 4 est tout d'abord comprimé dans un compresseur 5 d'un groupe turbocompresseur 6 comportant le compresseur 5 et une turbine de détente 7 montée sur le même arbre d'entraînement mécanique 8 que le compresseur de sorte que la turbine 7 peut entraîner en rotation le compresseur 5. L'air comprimé réchauffé par la compression est amené par la conduite 9 dans la conduite d'admission 10 connectée aux différentes chambres de combustion 3. As illustrated in the figure, an internal combustion engine shown schematically under the reference 1 comprises a cylinder head 2 and four cylinders each provided with a combustion chamber 3. In the example shown, the fresh air admitted by the air intake pipe 4 is first compressed in a compressor 5 of a turbocharger 6 comprising the compressor 5 and an expansion turbine 7 mounted on the same mechanical drive shaft 8 as the compressor so that the turbine 7 can drive the compressor in rotation 5. The compressed air heated by the compression is fed through the pipe 9 into the intake pipe 10 connected to the various combustion chambers 3.
La conduite d'échappement 11 amène les gaz d'échappement à la turbine 7. The exhaust pipe 11 brings the exhaust gases to the turbine 7.
Conformément à l'invention, les gaz d'échappement issus de la turbine 7 et déjà partiellement détendus, sont amenés par la conduite 12 à l'entrée d'un condenseur 13, par exemple un échangeur de chaleur approprié. L'eau contenue dans les gaz d'échappement qui traversent le condenseur 13, se condense partiellement et est recueillie dans un réservoir de stockage 14 également traversé par les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement issus du réservoir 14 par la conduite 15 traversent encore, dans l'exemple illustré, un dispositif détendeur 16 qui peut être par exemple une pompe ou tout autre moyen, avant d'être amenés sur la conduite d'échappement 17 qui comprend encore des dispositifs complémentaires tels que pot d'échappement catalytique et/ou filtre à particules, non représentés sur la figure. Le dispositif détendeur 16 permet de diminuer la contrepression à l'échappement améliorant ainsi le rendement de la turbine 7. According to the invention, the exhaust gas from the turbine 7 and already partially expanded, are fed through line 12 to the inlet of a condenser 13, for example a suitable heat exchanger. The water contained in the exhaust gas passing through the condenser 13, partially condenses and is collected in a storage tank 14 also traversed by the exhaust gas. The exhaust gas issuing from the tank 14 via the pipe 15 still passes, in the example illustrated, a pressure reducing device 16 which may be for example a pump or any other means, before being fed to the exhaust pipe 17 which further comprises complementary devices such as catalytic exhaust and / or particulate filter, not shown in the figure. The expander device 16 makes it possible to reduce the counterpressure at the exhaust, thus improving the efficiency of the turbine 7.
Selon l'invention, l'eau sous forme liquide, stockée dans le réservoir 14 est véhiculée par la conduite 18 jusqu'à un dispositif émulseur 19 qui reçoit également par la conduite d'entrée 20 le carburant amené par la pompe 21. Un moyen de régulation de la quantité d'eau amenée au dispositif émulseur 19 est inséré dans la conduite 18 et est constitué dans l'exemple illustré par une pompe de circulation 22 à débit variable commandée par le bloc de commande 23. According to the invention, the water in liquid form, stored in the tank 14 is conveyed by the pipe 18 to an emulsifier device 19 which also receives through the inlet pipe 20 the fuel supplied by the pump 21. A means the amount of water supplied to the emulsifier device 19 is inserted into the pipe 18 and is constituted in the example illustrated by a variable flow circulation pump 22 controlled by the control block 23.
Le dispositif émulseur 19 est capable de mélanger le carburant provenant de la conduite 20 avec l'eau liquide provenant de la conduite 18 en quantité régulée de façon à former un mélange homogène. De préférence ce mélange se présente sous la forme d'une émulsion d'eau dans le carburant. Le dispositif émulseur peut comprendre par exemple des moyens d'agitation ou tout autre moyen approprié connu dans la technique pour la réalisation d'une telle émulsion. Le mélange issu de l'émulseur 19 est amené par la conduite 24 sur quatre injecteurs 25, chaque injecteur étant capable d'injecter le mélange de carburant et d'eau dans l'une des chambres de combustion 3. Chaque chambre de combustion 3 comporte donc un injecteur unique 25 pour l'injection simultanée du mélange d'eau et de carburant. L'utilisation d'un injecteur unique 25 par chambre de combustion 3 permet d'obtenir un gain de place notable et de simplifier l'architecture des chambres de combustion. De plus, le fait d'utiliser un injecteur unique pour l'injection simultanée du carburant et de l'eau permet d'être certain que l'injection d'eau se fait au dernier moment dans le cycle du moteur à combustion, assurant ainsi une meilleure efficacité de l'effet de dépollution dû à l'injection d'eau et diminuant le risque d'apparition de cliquetis. The emulsifier device 19 is capable of mixing the fuel from line 20 with the liquid water from line 18 in a controlled amount so as to form a homogeneous mixture. Preferably this mixture is in the form of a water emulsion in the fuel. The emulsifier device may comprise, for example, agitation means or any other suitable means known in the art for producing such an emulsion. The mixture from the emulsifier 19 is fed through line 24 onto four injectors 25, each injector being capable of injecting the mixture of fuel and water into one of the combustion chambers 3. Each combustion chamber 3 comprises therefore a single injector 25 for the simultaneous injection of the mixture of water and fuel. The use of a single injector 25 per combustion chamber 3 makes it possible to obtain a considerable space saving and to simplify the architecture of the combustion chambers. In addition, the fact of using a single injector for the simultaneous injection of fuel and water makes it possible to be certain that the injection of water is at the last moment in the cycle of the combustion engine, thus ensuring a better effectiveness of the depollution effect due to the injection of water and decreasing the risk of occurrence of knocking.
Comme illustré sur la figure, l'eau récupérée dans le réservoir de stockage 14 peut également provenir en partie d'un dispositif condenseur 26 faisant partie d'une installation de climatisation équipant le véhicule automobile. As illustrated in the figure, the water recovered in the storage tank 14 may also come in part from a condenser device 26 forming part of an air conditioning installation equipping the motor vehicle.
L'injection d'eau qui vient d'être décrite est compatible avec une stratégie de fonctionnement du moteur avec recirculation partielle des gaz d'échappement comme illustré sur la figure. A cet effet, un piquage 26 est prévu sur la conduite d'échappement 11 pour une conduite de dérivation 27 permettant la recirculation partielle des gaz d'échappement. La quantité des gaz d'échappement recyclés (EGR) est régulée par une vanne commandée 28 reliant la conduite de dérivation 27 à la conduite d'admission 10. Dans l'exemple illustré, les gaz d'échappement recyclés peuvent en outre être refroidis au moyen d'un échangeur de chaleur 29 monté dans la conduite de recirculation 27. The water injection which has just been described is compatible with a strategy of operation of the engine with partial recirculation of the exhaust gas as illustrated in the figure. For this purpose, a tapping 26 is provided on the exhaust pipe 11 for a bypass line 27 for partial recirculation of the exhaust gas. The amount of the recycled exhaust gas (EGR) is regulated by a controlled valve 28 connecting the bypass line 27 to the intake pipe 10. In the example illustrated, the recycled exhaust gas can be further cooled to means of a heat exchanger 29 mounted in the recirculation line 27.
L'invention peut être appliquée à tout type de moteur à combustion qu'il s'agisse d'un moteur à essence à allumage commandé ou d'un moteur de type Diesel. L'invention permet de limiter largement les émissions de polluants et d'améliorer le fonctionnement du moteur en diminuant les risques de cliquetis tout en maintenant une compacité acceptable pour le moteur. L'eau injectée en même temps que le carburant, sous forme d'un mélange, dans un dispositif d'injection unique, provient d'un réservoir de stockage alimenté en permanence par le fonctionnement même du moteur et accessoirement par l'installation de climatisation du véhicule automobile. The invention can be applied to any type of combustion engine whether it is a spark ignition engine or a diesel type engine. The invention makes it possible to greatly limit the emissions of pollutants and to improve the operation of the engine by reducing the risk of rattling while maintaining an acceptable compactness for the engine. The water injected at the same time as the fuel, in the form of a mixture, into a single injection device, comes from a storage tank fed continuously by the operation of the engine itself and, incidentally, by the air-conditioning system. of the motor vehicle.
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