FR2918709A1 - Moteur a combustion interne comportant des moyens pour favoriser la recirculation des gaz d'echappement. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un moteur (10) à combustion interne comportant un circuit d'admission (16) qui alimente le moteur (10) à combustion en gaz frais, un circuit d'échappement (18) des gaz brûlés du moteur (10) à combustion, et un circuit (44) de recirculation des gaz d'échappement dont un conduit amont d'entrée (46) est raccordé au circuit d'échappement (18) des gaz du moteur (10) et dont un conduit aval de sortie (54) est raccordé au circuit d'admission (16) des gaz frais du moteur (10), caractérisé en ce que le circuit de recirculation (44) comporte une pompe volumétrique (52) pour favoriser la recirculation des gaz d'aval en amont dans le circuit de recirculation (44) des gaz.
Description
Moteur à combustion interne comportant des moyens pour favoriser la
recirculation des gaz d'échappement L'invention concerne un moteur à combustion interne comportant des moyens pour favoriser la recirculation des gaz 5 d'échappement. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comportant : - un circuit d'admission qui alimente le moteur à combustion en gaz frais, io - un circuit d'échappement des gaz brûlés du moteur à combustion, et - un circuit de recirculation des gaz d'échappement dont un conduit amont d'entrée est raccordé au circuit d'échappement des gaz du moteur et dont un conduit aval de sortie est raccordé au 15 circuit d'admission des gaz frais du moteur. Les moteurs à combustion interne produisent et émettent dans les gaz d'échappement des substances polluantes toxiques, en particulier des oxydes d'azote ou NOx et des particules de suies. 20 Or, les normes antipollution applicables aux véhicules automobiles imposent aux constructeurs des quantités maximales de substances polluantes rejetées dans l'atmosphère qui doivent être de plus en plus faibles. C'est la raison pour laquelle l'utilisation d'un dispositif de 25 dépollution des gaz d'échappement, tel qu'un filtre à particules, en aval du moteur pour éliminer des gaz d'échappement les particules de suies produites lors de la combustion, est devenue presque incontournable. Un tel dispositif de dépollution des gaz d'échappement est 30 donc agencé dans la partie du circuit d'échappement qui est située en aval de la turbine lorsque le moteur est équipé d'un turbocompresseur. 2 Pour la même raison, la recirculation des gaz d'échappement, encore appelée EGR pour "Exhaust Gas Recirculation" en terminologie anglaise, constitue une autre des solutions connues qui est généralisée et qui est mise en oeuvre seule ou en combinaison avec un dispositif de dépollution des gaz d'échappement pour réduire les rejets polluants et satisfaire aux normes antipollution. De manière connue, la recirculation des gaz d'échappement consiste à injecter une partie des gaz brûlés dans la io chambre de combustion de cylindre par l'intermédiaire d'un circuit, dit de recirculation. Un tel circuit de recirculation des gaz d'échappement comporte généralement au moins un moyen de régulation commandé, tel qu'une vanne de régulation, qui est apte à 15 contrôler la recirculation d'au moins une partie des gaz d'échappement vers l'admission du moteur, par l'intermédiaire d'au moins un conduit de recirculation qui est raccordé en dérivation entre le conduit d'échappement et le conduit d'admission des gaz du moteur. 20 On distingue principalement dans l'état de la technique deux conceptions d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement, notamment en fonction de l'agencement du circuit de recirculation dans un moteur à combustion interne suralimenté. Selon une première conception connue, le circuit de 25 recirculation est du type dit "haute pression" lorsque le raccordement de l'entrée du circuit de recirculation sur le conduit d'échappement est réalisé en amont de la turbine et lorsque le raccordement de la sortie du circuit de recirculation sur le conduit d'admission est réalisé en aval du compresseur. 30 Un tel circuit de recirculation haute pression présente cependant des inconvénients. En effet, le taux de recirculation des gaz d'échappement ou taux d'EGR est insuffisant à bas régimes (ou faibles charges) du 3 moteur du fait notamment du débit d'air relativement faible à l'admission et de la capacité du compresseur qui est limitée par le phénomène dit de pompage. Au contraire, à hauts régimes (ou fortes charges), le taux d'EGR est important mais il est préjudiciable car, en diminuant le débit des gaz d'échappement traversant la turbine, ce taux limite corrélativement la charge maximale pouvant être fournie à l'admission par le compresseur puisque le compresseur est directement entraîné par la turbine. io Selon une deuxième conception connue, le circuit de recirculation est du type dit "basse pression" lorsque le raccordement de l'entrée du circuit de recirculation sur le conduit d'échappement est réalisé en aval de la turbine et lorsque le raccordement de la sortie du circuit de recirculation sur le conduit 15 d'admission est réalisé en amont du compresseur. Un tel circuit de recirculation basse pression permet de remédier aux inconvénients précités d'un circuit de recirculation haute pression tels que le phénomène de pompage ou la limitation de charge maximale à l'admission. 20 En effet, le raccordement du circuit de recirculation étant réalisé en aval de la turbine, le débit des gaz d'échappement traversant la turbine est toujours maximal, quel que soit le régime, et le débit des gaz est sensiblement constant lorsque le taux d'EGR augmente de sorte que le point de fonctionnement 25 obtenu s'éloigne des valeurs limites de pompage. Toutefois, les gaz d'échappement comportent des particules de suies qui sont susceptibles de provoquer des problèmes d'encrassement et de corrosion, en particulier de la vanne EGR, du compresseur et du refroidisseur de l'air de 30 suralimentation. Le raccordement du circuit de recirculation sur le circuit d'échappement est donc généralement réalisé en aval d'un 4 dispositif de dépollution, tel qu'un filtre à particules, qui est agencé dans le conduit d'échappement en aval de la turbine. Cependant, un circuit de recirculation basse pression présente d'autres inconvénients, à savoir principalement le fait que le taux d'EGR obtenu est inférieur à celui d'un circuit haute pression. En effet, dans un circuit basse pression, la différence entre la pression à la sortie du dispositif de dépollution et la pression à l'entrée du compresseur est plus faible que la io différence entre la pression en amont de la turbine et la pression à l'admission d'un conduit haute pression. Les solutions connues de l'état de la technique pour résoudre ce problème ne donnent pas satisfaction. On a par exemple proposé d'augmenter la perméabilité du 15 circuit de recirculation en augmentant la section du conduit de recirculation, mais la mise en oeuvre d'une telle solution est rendue particulièrement difficile du fait de la compacité toujours plus grande nécessaire à l'implantation du moteur dans le véhicule. 20 On a aussi proposé de réaliser un "vannage" à l'échappement. Le vannage à l'échappement consiste à agencer une vanne de régulation en aval du point de raccordement du conduit de recirculation sur le conduit d'échappement. 25 Ainsi, en jouant sur l'ouverture et la fermeture de la vanne, il est possible d'optimiser la différence de pressions entre le circuit d'échappement des gaz et le circuit de recirculation, pour favoriser la circulation des gaz d'échappement en recirculation dans le circuit de recirculation. 30 Une telle solution présente toutefois des inconvénients parmi lesquels figure notamment l'augmentation des différences de pressions dans le moteur et de la consommation de carburant.
Le document EP-A2-1.186.767 décrit et représente un dispositif de recirculation des gaz dont un circuit de recirculation comporte, d'amont en aval, une vanne de régulation, un compresseur, des moyens de refroidissement et une turbine.
5 Le compresseur et la turbine sont entraînés par un actionneur. Selon ce dispositif, les gaz recirculés sont comprimés par le compresseur afin de faire monter la température des gaz pour limiter le nombre de particules et l'encrassement des moyens de io refroidissement. Ensuite, les gaz recirculés sont refroidis par les moyens de refroidissement puis les gaz sont détendus dans la turbine, de façon à abaisser la température des gaz avant qu'ils ne soient injectés dans le conduit d'admission du moteur.
15 Ainsi, le compresseur permet de favoriser l'écoulement des gaz dans le circuit de recirculation. Toutefois, l'ensemble compresseur et turbine ne permet pas de réguler le débit de gaz recirculés, de sorte que le circuit de recirculation du dispositif comporte une vanne de régulation.
20 Or, la vanne de régulation est élément qui s'encrasse et qui se colmate, ce qui est à l'origine de pannes fréquentes du moteur. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et particulièrement de favoriser la recirculation des gaz dans le 25 circuit de recirculation. Dans ce but, l'invention propose un moteur à combustion interne du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le circuit de recirculation comporte une pompe volumétrique pour favoriser la recirculation des gaz d'aval en amont dans le circuit 30 de recirculation des gaz. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : -la pompe volumétrique est interposée dans le circuit de recirculation et est apte à occuper un état obturé dans lequel la 6 pompe est étanche aux gaz, de sorte que la pompe est apte à obturer le circuit de recirculation à la manière d'une vanne de régulation ; - la pompe volumétrique est entraînée au moyen d'un 5 moteur électrique commandé ; - le moteur électrique d'entraînement de la pompe volumétrique est commandé par des moyens de commande en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur à combustion interne, de façon à réguler le débit des gaz recirculés io dans le circuit de recirculation ; - le circuit de recirculation comporte un échangeur thermique qui est agencé en série avec la pompe volumétrique et en amont de la pompe volumétrique ; - le moteur à combustion interne est équipé d'un 15 turbocompresseur dont le compresseur est raccordé au circuit d'admission des gaz frais du moteur à combustion, en aval du conduit amont de sortie du circuit de recirculation, et dont la turbine est raccordée au circuit d'échappement des gaz du moteur à combustion, en amont du conduit aval d'entrée du circuit de 20 recirculation ; - le circuit d'échappement des gaz du moteur à combustion est raccordé à un dispositif de dépollution qui est interposé entre la turbine du turbocompresseur et le conduit amont d'entrée du circuit de recirculation.
25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure unique est un schéma qui illustre un moteur à 30 combustion interne comportant un dispositif pour la recirculation des gaz d'échappement qui est équipé d'une pompe volumétrique.
7 De plus, les éléments identiques, similaires ou analogues de l'invention seront désignés par les mêmes chiffres de référence. Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions "amont" et "aval" qui sont déterminées par le sens d'écoulement de l'air frais et/ou des gaz d'échappement de l'admission vers l'échappement du moteur à combustion interne, en référence aux flèches sur la figure unique. La figure unique représente schématiquement un moteur io 10 à combustion interne d'un véhicule automobile, comportant un bloc moteur 12 qui est suralimenté en air par un turbo-compresseur 14. Le bloc moteur 12 comporte ici quatre cylindres (non représentés) dont chacun délimite une chambre de combustion 15 (non représentée). Le moteur 10 à combustion interne comporte, d'aval en amont, un circuit d'admission d'air 16 qui alimente les chambres de combustion du bloc moteur 12 en air frais et un circuit d'échappement 18 par lequel les gaz qui sont brûlés dans les 20 chambres de combustion sont évacués. Le circuit d'admission d'air 16 comporte un conduit amont d'admission 20 des gaz frais qui s'étend d'amont en aval depuis un filtre à air 22, de manière à alimenter le circuit d'admission 16 en air frais, jusqu'à un compresseur 24 du turbocompresseur 14.
25 De plus, le circuit d'admission d'air 16 comporte un conduit aval d'admission 26 qui s'étend d'amont en aval depuis le compresseur 24 du turbocompresseur 14 jusqu'à un collecteur d'admission 28. Le collecteur d'admission 28 comporte ici quatre conduits 30 de sortie 29 dont chacun est raccordé à une chambre de combustion du bloc moteur 12 à combustion.
8 Enfin, le conduit aval d'admission 26 est équipé d'un dispositif de refroidissement 30 de l'air, qui est ici un échangeur du type air/air . Le circuit d'échappement 18 des gaz comporte un collecteur d'échappement 34 qui comporte quatre conduits d'entrée 35 dont chacun est raccordé à une chambre de combustion du bloc moteur 12 à combustion, de façon à collecter les gaz brûlés du bloc moteur 12. Le circuit d'échappement 18 comporte un conduit amont io d'échappement 32 qui s'étend d'amont en aval depuis le collecteur d'échappement 34 jusqu'à une turbine 36 du turbocompresseur 14. De plus, le circuit d'échappement 18 comporte un conduit intermédiaire d'échappement 38 qui s'étend depuis la turbine 36 15 du turbocompresseur 14 jusqu'à un dispositif de dépollution 40. Le dispositif de dépollution 40 est ici équipé d'un filtre à particule (non représenté) et d'un catalyseur (non représenté). Enfin, le circuit d'échappement 18 comporte un conduit aval d'échappement 42 qui s'étend d'amont en aval depuis le 20 dispositif de dépollution 40 jusqu'à l'extérieur du véhicule, afin d'évacuer les gaz d'échappement. Le moteur 10 à combustion interne comporte un circuit de recirculation 44 des gaz du type dit "basse pression", qui est apte à faire recirculer des gaz d'échappement depuis le circuit 25 d'échappement 18, en aval de la turbine 36, vers le circuit d'admission d'air 16, en amont du compresseur 24. A cet effet, le circuit de recirculation 44 comporte, d'amont en aval, un conduit amont d'entrée 46 qui raccorde le conduit aval d'échappement 42 à un échangeur thermique 48, un conduit 30 intermédiaire 50 qui raccorde l'échangeur thermique 48 à un orifice d'entrée 52a d'une pompe volumétrique 52, et un conduit aval de sortie 54 qui raccorde un orifice de sortie 52b de la 9 pompe volumétrique 52 au conduit amont d'admission 20 des gaz frais. Avantageusement, l'échangeur thermique 48 est ici agencé en amont de la pompe volumétrique 52, de sorte que les gaz aspirés par la pompe préalablement refroidis sont plus denses. Le terme pompe désigne ici une machine destinée à accroître l'énergie d'un fluide, ici les gaz recirculés, afin de provoquer son déplacement dans un circuit. Plus précisément, une pompe volumétrique, aussi appelée io compresseur volumétrique, désigne une pompe dans laquelle l'accroissement d'énergie des gaz est réalisé dans au moins une chambre dont le volume augmente, lors d'une phase d'aspiration et diminue lors d'une phase de refoulement, de telle sorte que l'écoulement des gaz est réalisé par des volumes de gaz qui sont 15 engendrés successivement. D'un point de vue technologique, on distingue d'une part les pompes volumétriques qui permettent un dosage volumétrique des gaz refoulés par la pompe et, d'autre part, les pompes centrifuges, ou compresseurs centrifuges.
20 La pompe volumétrique 52 fonctionne avec ou sans compression interne, la pompe volumétrique 52 est par exemple une pompe à piston, une pompe à engrenage, une pompe à vis ou une pompe à palettes. Les types de pompes volumétrique cités ci-dessus ont des 25 propriétés caractéristiques communes, notamment un débit volumétrique qui est indépendant du rapport de compression et quasi directement proportionnel à la vitesse d'entraînement de la pompe, grâce à quoi la pompe volumétrique 52 est apte à refouler les gaz de façon dosée et précise.
30 A cet effet, la pompe volumétrique 52 est entraînée par un moteur électrique 56 à vitesse variable qui est commandé par des moyens de commande électronique (non représenté), de façon à io réguler le débit des gaz recirculés par la pompe 52 dans le circuit de recirculation 44. Les moyens de commande comportent un calculateur, ou module de gestion électronique, qui reçoit des informations en provenance d'une pluralité de capteurs, comme un débitmètre 58 qui est agencé dans le conduit amont d'admission 20 des gaz frais en sortie du filtre à air 22, et qui délivre le débit d'air entrant dans le conduit amont d'admission 20 des gaz frais. Toutefois, le débitmètre 58 est ici facultatif, dès lors que le io calculateur reçoit des informations sur la charge du moteur à combustion interne, des informations sur le régime du moteur et des informations sur le rapport de la boîte de vitesse, ces informations étant suffisantes pour commander la pompe volumétrique 52.
15 Enfin, la pompe volumétrique 52 est apte à occuper un état obturé dans lequel la pompe 52 est étanche au gaz, de sorte que la pompe 52 est apte à obturer le circuit de recirculation 44, grâce à quoi la pompe volumétrique 52 remplit la fonction d'une vanne de régulation.
Claims (7)
1. Moteur (10) à combustion interne comportant : - un circuit d'admission (16) qui alimente le moteur (10) à combustion en gaz frais, - un circuit d'échappement (18) des gaz brûlés du moteur (10) à combustion, et - un circuit (44) de recirculation des gaz d'échappement dont un conduit amont d'entrée (46) est raccordé au circuit d'échappement (18) des gaz du moteur (10) et dont un conduit io aval de sortie (54) est raccordé au circuit d'admission (16) des gaz frais du moteur (10), caractérisé en ce que le circuit de recirculation (44) comporte une pompe volumétrique (52) pour favoriser la recirculation des gaz d'aval en amont dans le circuit de recirculation (44) des gaz. 15
2. Moteur (10) à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe volumétrique (52) est interposée dans le circuit de recirculation (44) et est apte à occuper un état obturé dans lequel la pompe (52) est étanche aux gaz, de sorte que la pompe (52) est apte à obturer le circuit de 20 recirculation (44) à la manière d'une vanne de régulation.
3. Moteur (10) à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe volumétrique (52) est entraînée au moyen d'un moteur électrique (56) commandé. 25
4. Moteur (10) à combustion interne selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur électrique (56) d'entraînement de la pompe volumétrique (52) est commandé par des moyens de commande en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur (10) à combustion interne, de façon 30 à réguler le débit des gaz recirculés dans le circuit de recirculation (44).
5. Moteur (10) à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit 12 de recirculation (44) comporte un échangeur thermique (48) qui est agencé en série avec la pompe volumétrique (52) et en amont de la pompe volumétrique (52).
6. Moteur (10) à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un turbocompresseur (14) dont le compresseur (24) est raccordé au circuit d'admission (16) des gaz frais du moteur (10) à combustion, en aval du conduit amont de sortie (54) du circuit de recirculation (44), et dont la turbine (36) est raccordée au circuit lo d'échappement (18) des gaz du moteur (10) à combustion, en amont du conduit aval d'entrée (46) du circuit de recirculation (44).
7. Moteur (10) à combustion interne selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit d'échappement (18) 15 des gaz du moteur (10) à combustion est raccordé à un dispositif de dépollution (40) qui est interposé entre la turbine (36) du turbocompresseur (14) et le conduit amont d'entrée (46) du circuit de recirculation (44).
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