FR2940365A3

FR2940365A3 - Dispositif de regulation de la temperature des gaz introduits dans une chambre de combustion d'un moteur a combustion interne

Info

Publication number: FR2940365A3
Application number: FR0807247A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Laurent
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-06-25

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de régulation (100) de la température des gaz introduits dans une chambre de combustion (23) d'un moteur à combustion interne alimenté en gaz par une ligne d'admission (200) et débouchant dans une ligne d'échappement (300), ledit dispositif de régulation comportant un conduit de recirculation (140) des gaz d'échappement dont l'entrée est piquée sur ladite ligne d'échappement et dont la sortie débouche sur ladite ligne d'admission. Selon l'invention, ledit dispositif comprend un réchauffeur de gaz (210) placé sur ladite ligne d'admission, entre un compresseur (2) d'un turbocompresseur (14) et un répartiteur d'admission (260).

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de régulation de la température des gaz introduits dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne alimenté en gaz par une ligne d'admission et débouchant dans une ligne d'échappement, ledit dispositif de régulation comportant un conduit de recirculation des gaz d'échappement dont l'entrée est piquée sur ladite ligne d'échappement et dont la sortie débouche sur ladite ligne d'admission. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Dans un moteur à combustion interne suralimenté, l'air frais introduit dans un conduit d'admission d'une ligne d'admission est comprimé par un compresseur d'un turbocompresseur, avant d'arriver dans un répartiteur d'admission relié à une chambre de combustion d'un cylindre moteur par l'intermédiaire d'une vanne d'admission munie d'une soupape d'admission. Après la combustion, les gaz résiduels d'échappement sont expulsés hors de la chambre de combustion à travers une valve d'échappement munie d'une soupape d'échappement vers un conduit d'échappement d'une ligne d'échappement et entraînent une turbine entraînante dudit turbocompresseur placée dans ce conduit d'échappement. Les moteurs à combustion interne produisent des gaz d'échappement polluants, comprenant notamment du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, des particules et des molécules d'oxydes d'azote. Afin de limiter ces émissions polluantes, les moteurs à combustion interne actuels comprennent des dispositifs de traitement des gaz d'échappement, notamment un catalyseur d'oxydation permettant de traiter le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés, un filtre à particules, un dispositif de recirculation des gaz d'échappement ainsi que, dans certains cas un piège à oxydes d'azote ou un système de traitement des oxydes d'azote par injection d'un réducteur. Le dispositif de recirculation des gaz d'échappement autorise le prélèvement d'une partie des gaz d'échappement dans le conduit d'échappement et leur acheminement vers le conduit d'admission où ils se mélangent à l'air frais. La composition des gaz d'échappement permet de réduire la cinématique de combustion, ce qui a pour effet d'abaisser la température de combustion et, de ce fait, la quantité d'oxydes d'azote formée lors de la combustion. Les dispositifs de recirculation des gaz d'échappement connus comprennent par exemple un conduit de recirculation des gaz d'échappement à haute pression dont l'entrée est piquée sur ledit conduit d'échappement, en amont de la turbine dudit turbocompresseur et dont la sortie débouche dans ledit conduit d'admission en aval d'un compresseur d'un turbocompresseur. Les dispositifs de recirculation des gaz d'échappement connus comprennent par exemple un conduit de recirculation des gaz d'échappement à basse pression dont l'entrée est piquée sur ledit conduit d'échappement, en aval de dispositifs de traitement des gaz d'échappement et dont la sortie débouche dans ledit conduit d'admission en amont dudit compresseur. Lorsqu'un refroidisseur de gaz est prévu sur le conduit d'admission en aval du compresseur, le conduit de recirculation à haute pression débouche en aval dudit refroidisseur de gaz. Au démarrage du moteur à combustion interne ou dans certaines conditions de faible charge, la température des dispositifs de traitement des gaz d'échappement placés sur la ligne d'échappement est trop faible pour que ceux-ci jouent leur rôle dépolluant. De plus, lors de ces phases de fonctionnement, la faible température des gaz et du combustible introduits dans ladite chambre de combustion provoque l'émission dans le conduit d'échappement d'hydrocarbures imbrûlés. Des dispositifs sont alors utilisés pour augmenter la température des gaz et du combustible dans ou en amont de ladite chambre de combustion, ce qui a pour effet principal la réduction des émissions d'hydrocarbures imbrûlés ainsi qu'une légère augmentation de la température des gaz d'échappement émis par cette combustion, ce qui permet d'améliorer l'efficacité ou le temps de mise en action des dispositifs de traitement des gaz d'échappement.

Les dispositifs connus permettant d'augmenter la température des gaz et du combustible dans ladite chambre de combustion comportent par exemple un élément chauffant introduit dans la chambre de combustion. Les dispositifs connus permettant d'augmenter la température des gaz pénétrant dans ladite chambre de combustion comportent par exemple, lorsqu'un refroidisseur de gaz est prévu sur le conduit d'admission, un conduit de dérivation dudit refroidisseur piqué de part et d'autre dudit refroidisseur de gaz et permettant son évitement. Les dispositifs de recirculation évoqués ci-dessus sont aussi des dispositifs connus permettant d'augmenter la température des gaz pénétrant dans ladite chambre de combustion. Lorsqu'un refroidisseur de gaz est prévu sur le conduit de recirculation, afin de permettre l'introduction d'une masse de gaz d'échappement plus importante à volume équivalent et donc de réduire les émissions d'oxydes d'azote tout en maintenant les émissions de particule, les dispositifs connus peuvent comporter également un conduit de dérivation piqué de part et d'autre dudit refroidisseur de gaz et permettant son évitement et donc permettant d'augmenter la température des gaz d'échappement introduits dans le conduit d'admission et par voie de conséquence la température des gaz introduits dans la chambre de combustion. Cependant, ces dispositifs comportent de nombreuses pièces, sont encombrants, sont coûteux et leur mise en oeuvre est complexe.

De plus, la température maximale atteinte par le gaz introduit dans la chambre de combustion est limitée par la température des gaz d'échappement émis par la combustion, et donc limitée par le fonctionnement du moteur, et par la quantité maximale de gaz d'échappement recirculés admissible pour la réalisation d'une combustion correcte.

OBJET DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de fournir un dispositif permettant une régulation précise, rapide et efficace de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. A cet effet, on propose selon l'invention un dispositif de régulation de la température des gaz tel que défini en introduction, comprenant un réchauffeur de gaz placé sur ladite ligne d'admission, entre un compresseur d'un turbocompresseur et un répartiteur d'admission. L'activation du réchauffeur de gaz placé sur la ligne d'admission, en aval du compresseur, autorise le réchauffement des gaz introduits dans la chambre de combustion dans les plages de fonctionnement du moteur où cela est favorable. Ce réchauffeur de gaz est peu encombrant et efficace. II permet une montée en température rapide jusqu'à une température maximale élevée indépendante du fonctionnement du moteur. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du 30 dispositif de régulation de la température selon l'invention, - ledit réchauffeur de gaz est placé sur un conduit d'admission ; - ledit réchauffeur de gaz est placé sur un conduit de dérivation piqué sur un conduit d'admission de part et d'autre d'un refroidisseur de gaz ; - ledit réchauffeur de gaz est placé en aval d'un refroidisseur de gaz ; 35 - ledit réchauffeur de gaz est placé en aval du débouché d'un conduit de dérivation piqué sur le conduit d'admission de part et d'autre du refroidisseur de gaz ; - ledit conduit de recirculation des gaz d'échappement est un conduit de recirculation à basse pression dont l'entrée est piquée en aval de dispositifs de traitement des gaz d'échappement et dont la sortie débouche en amont du compresseur du turbocompresseur ; - il est prévu un refroidisseur de gaz sur le trajet dudit conduit de recirculation à basse pression et un conduit de dérivation piqué de part et d'autre de ce refroidisseur de gaz d'échappement recirculés dans le conduit de recirculation à basse pression ; - ledit conduit de recirculation des gaz d'échappement est un conduit de recirculation à haute pression dont l'entrée est piquée en amont d'une turbine d'un turbocompresseur et dont la sortie débouche en aval dudit réchauffeur de gaz ; - il est prévu un refroidisseur de gaz sur le trajet dudit conduit de recirculation à haute pression et un conduit de dérivation piqué de part et d'autre de ce refroidisseur de gaz d'échappement recirculés dans le conduit de recirculation à haute pression. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif de régulation de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion conforme à l'invention selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif de régulation de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion conforme à l'invention selon un deuxième mode de réalisation. Les éléments similaires ou identiques de chaque figure seront dans la mesure du possible repérés par les mêmes signes de référence. Dans la suite de la description, les termes amont et aval sont définis par rapport au sens d'écoulement des gaz dans les lignes d'admission 200;500 et d'échappement 300;600. La ligne d'admission 200;500 comporte un conduit d'admission 240;540 dans lequel circule de l'air frais. Le débit d'air frais est mesuré en entrée du conduit d'admission 240;540 par un débitmètre d'air 1 (figures 1 et 2). Le moteur à combustion interne comprend un turbocompresseur 14 comportant un compresseur 2 et une turbine 9 entraînante. La turbine 9 entraînante est placée dans un conduit d'échappement 310;610 de la ligne d'échappement 300;600 et entraîne le compresseur 2 placée dans le conduit d'admission 240;540 afin de comprimer le gaz y circulant.

Le conduit d'admission 240;540 débouche dans un répartiteur 260;560 d'admission. II comporte un volet d'admission 250;550 situé en amont de ce répartiteur 260;560 dont l'orientation par rapport à l'axe du conduit d'admission 240;540 contrôle le débit de gaz circulant dans le conduit d'admission 240;540 entrant dans le répartiteur 260;560.

Un capteur de température 261;561 mesure la température des gaz dans le répartiteur d'admission 260;560. Le répartiteur 260;560 est relié à une valve d'admission 21 d'un cylindre 20 du moteur. Le gaz circulant dans le conduit d'admission 240;540 entre via cette valve d'admission 21 dans une chambre de combustion 23 du cylindre 20 et il est prévu un injecteur 8 qui injecte le carburant dans cette chambre de combustion 23. Après la combustion, les gaz résiduels d'échappement sont expulsés vers le conduit d'échappement 310;610 à travers une valve d'échappement 22 munie d'une soupape d'échappement.

Les gaz d'échappement circulent dans le conduit d'échappement 310;610 pour arriver à la turbine 9 entraînante du turbocompresseur 14. Ils traversent ensuite un système de traitement 320;620 des gaz d'échappement comportant par exemple un catalyseur d'oxydation placé en amont d'un filtre à particules de la ligne d'échappement 300;600.

De manière remarquable, le moteur comporte également un dispositif de régulation 100, 400 de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion 23 comportant un conduit de recirculation 150;450 et un réchauffeur de gaz 210, 510 placé sur la ligne d'admission 200;500. Selon les deux modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2, le conduit de recirculation 150;450 est appelé conduit de recirculation à basse pression 150;450 et présente une entrée piquée sur le conduit d'échappement 310;610, en aval du système de traitement 320;620 des gaz d'échappement et qui débouche dans le conduit d'admission 240;540, en amont du compresseur 2 du turbocompresseur 14.

Un dispositif de refroidissement 140;440 des gaz d'échappement est de préférence placé dans ledit conduit de recirculation à basse pression 150;450 afin de refroidir les gaz d'échappement avant leur injection dans le conduit d'admission 0;540. Une partie des gaz d'échappement traités par le système de traitement 320;620 peut donc être prélevée par ce conduit de recirculation à basse pression 150;450 pour être acheminée, après refroidissement, dans le conduit d'admission 240;540 en amont du compresseur 2, où elle se mélange à l'air frais. La fraction de gaz d'échappement circulant dans le conduit de recirculation à basse pression 150;450 qui est injectée dans le conduit d'admission 240;540 est contrôlée par une vanne 143;443 appelée vanne 143;443 EGR BP (Exhaust Gaz Recirculation Basse Pression) dont l'orientation détermine la section de passage des gaz d'échappement dans le conduit de recirculation à basse pression 150;450. Un volet d'échappement 144;444 est placé dans le conduit d'échappement 310;610 en aval de l'entrée du conduit de recirculation à basse pression 150;450 et son orientation fait varier la section de passage des gaz d'échappement dudit conduit d'échappement 310;610. En particulier, la fermeture de ce volet d'échappement 144;444 pour bloquer la circulation des gaz d'échappement dans le conduit d'échappement 310;610 permet de créer une contre-pression favorisant le prélèvement et l'acheminement des gaz d'échappement dans ledit conduit de recirculation à basse pression 150;450. La position de ce volet d'échappement 144;444 contribue à déterminer la fraction de gaz d'échappement circulant dans le conduit d'échappement 310;610 qui est prélevée par le conduit de recirculation à basse pression 150;450. Le moteur comporte avantageusement une unité de commande électronique 30 qui commande l'orientation du volet d'échappement 144;444 et du volet 143;443 EGR BP pour réguler le débit de gaz dans le conduit de recirculation à basse pression 150;450. L'unité de commande électronique 30 commande également ici l'actionnement du volet d'admission 250;550 et la quantité de carburant injectée par l'injecteur 8 dans la chambre de combustion 23 ainsi que le moment où est réalisée cette injection. L'unité de commande électronique 30 reçoit également ici d'autres informations transmises par différents capteurs du moteur, dont par exemple le débitmètre d'air 1 qui mesure le débit d'air frais à l'entrée du conduit d'admission 240;540 et le capteur de température 261;561. L'unité de commande électronique 30 commande l'activation du réchauffeur de gaz 210;510 en fonction par exemple de la température des gaz 6 dans le répartiteur d'admission 260;560 mesurée par le capteur 261;561. Selon le premier mode de réalisation du dispositif de régulation 100 de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion selon l'invention, représenté sur la figure 1, le réchauffeur de gaz 210 est placé sur le trajet du 5 conduit d'admission 240 de la ligne d'admission 200, entre le compresseur 2 du turbocompresseur 14 et le répartiteur d'admission 260. Les gaz d'échappement acheminés par le conduit de recirculation à basse pression 150 se mélangent à l'air frais circulant dans le conduit d'admission 240. 10 Le mélange de gaz d'échappement et d'air frais est réchauffé par la compression dans le compresseur 2. L'activation du réchauffeur de gaz 210 par l'unité de commande électronique 30 autorise un réchauffement additionnel de ce mélange de gaz avant son introduction dans la chambre de combustion 23. 15 Ce réchauffement peut être contrôlé précisément et est réalisé très rapidement. L'utilisation du réchauffeur de gaz 210 permet en effet une montée en température rapide du mélange de gaz. En variante, un refroidisseur de gaz peut être prévu sur le trajet du conduit d'admission, en amont du réchauffeur de gaz. Lorsque le réchauffeur de 20 gaz n'est pas activé, le mélange de gaz circulant dans le conduit d'admission est alors introduit refroidi dans la chambre de combustion. La plage de température accessible pour ledit mélange de gaz est augmentée. En variante encore, un conduit de dérivation peut être prévu piqué de part et d'autre de ce refroidisseur de gaz sur le conduit d'admission. Le conduit de 25 dérivation débouche alors en amont du réchauffeur de gaz. Lorsque le réchauffeur de gaz est activé, le mélange de gaz circulant dans le conduit d'admission 240 peut donc alternativement être refroidi puis réchauffé ou être seulement réchauffé. La plage de température alors accessible est également très étendue et la température des gaz introduits dans la chambre de combustion peut être régulée 30 finement. Selon le deuxième mode de réalisation du dispositif de régulation 400 de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion selon l'invention, représenté sur la figure 2, un refroidisseur de gaz 530 est placé sur le trajet du conduit d'admission 540, entre le compresseur 2 du turbocompresseur 14 35 et le répartiteur d'admission 560. La ligne d'admission 500 comporte alors un conduit de dérivation 520 piqué sur le conduit d'admission 540 de part et d'autre dudit refroidisseur 530 et le réchauffeur de gaz 510 est placé sur le trajet de ce conduit de dérivation 520. Un volet 531 appelé volet RAS 531 est placé dans le conduit d'admission 540 à l'entrée du conduit de dérivation 520. L'actionnement de ce volet RAS 530 par l'unité de commande électronique 30 permet d'orienter le mélange de gaz vers le refroidisseur de gaz 530 ou de le faire passer à travers le réchauffeur de gaz 510. Ce volet RAS 531 est actionné par l'unité de commande électronique 30 en fonction par exemple de la température des gaz mesurée dans le répartiteur d'admission 560, ou en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, par exemple le régime, la charge ou la température de l'eau du moteur. Comme précédemment, les gaz d'échappement acheminés par le conduit de recirculation à basse pression 450 se mélangent à l'air frais circulant dans le conduit d'admission 540. Ces gaz d'échappement sont de préférence refroidis par le dispositif de refroidissement 440 avant leur mélange à l'air frais.

Le mélange de gaz d'échappement et d'air frais est réchauffé par la compression dans le compresseur 2. II peut ensuite être refroidi par passage dans le refroidisseur de gaz 530, ou réchauffé par passage dans le réchauffeur de gaz 510. De même que précédemment, la plage de température accessible pour les gaz introduits dans la chambre de combustion 23 est augmentée par l'utilisation du dispositif de régulation 400 selon l'invention et la température peut être régulée précisément et rapidement. Le dispositif 100;400 de régulation de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion selon l'invention permet de réguler simplement et rapidement la température du mélange de gaz introduit dans la chambre de combustion. Le réchauffeur de gaz 210;510 est activé par l'unité de commande électronique 30, par exemple en fonction de la température des gaz dans le répartiteur d'admission 260;560. II peut aussi être activé en fonction des paramètres du moteur : régime, charge, température de l'eau. Le réchauffeur de gaz 210;510 peut par exemple être activé lorsque la température des gaz dans le répartiteur d'admission 260;560 est inférieure à une valeur de consigne prédéterminée en fonction des paramètres du moteur. Son activation peut être continue ou transitoire. Le réchauffeur de gaz 210;510 peut par exemple être activé lors du démarrage à froid du moteur ou des phases de régénération du filtre à particules. Il autorise une montée en température rapide : une consigne de température du gaz dans le répartiteur peut par exemple être ainsi atteinte plus rapidement. Cette réactivité favorise la stabilité de la combustion des gaz dans la chambre de combustion. De plus, la température maximale atteinte par le mélange de gaz introduit dans la chambre de combustion 23 est indépendante des paramètres de fonctionnement du moteur. Elle ne dépend que des performances du réchauffeur de gaz 210;510 utilisé et elle est avantageusement plus élevée que la température maximale atteinte par les dispositifs connus. Enfin le réchauffeur de gaz 210;510 est peu encombrant et facile à 10 mettre en oeuvre. La régulation fine et rapide de la température des gaz introduits dans la chambre de combustion permet l'introduction de gaz réchauffés au démarrage du moteur à combustion interne ou dans certaines conditions de ralenti, par exemple pour que les dispositifs de traitement des gaz d'échappement présentent une 15 efficacité optimale. Elle permet également l'introduction d'un mélange de gaz refroidis dans la chambre de combustion pour améliorer les performances de dépollution du moteur en diminuant la température de combustion des gaz. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation 20 décrits et représentés mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. Quel que soit le mode de réalisation du dispositif selon l'invention, on peut envisager qu'alternativement, un conduit de dérivation soit piqué de part et d'autre du dispositif de refroidissement du conduit de recirculation à basse 25 pression. Les gaz d'échappement peuvent alors être introduits non refroidis dans le conduit d'admission. En variante, on peut envisager d'ajouter au dispositif décrit dans chaque mode de réalisation un conduit de recirculation à haute pression dont l'entrée est piquée en amont d'une turbine d'un turbocompresseur et dont la sortie débouche 30 en aval dudit réchauffeur de gaz. On peut également envisager qu'un tel conduit de recirculation à haute pression remplace le conduit de recirculation à basse pression prévu dans les modes de réalisation décrits précédemment. On peut prévoir qu'un dispositif de refroidissement des gaz soit placé sur 35 le trajet dudit conduit de recirculation à haute pression et qu'un conduit de dérivation soit piqué de part et d'autre de ce dispositif de refroidissement des gaz d'échappement traversant le conduit de recirculation à haute pression.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif (100;400) de régulation de la température des gaz introduits dans une chambre de combustion (23) d'un moteur à combustion interne alimenté en gaz par une ligne d'admission (200;500) et débouchant dans une ligne d'échappement (300;600), ledit dispositif de régulation (100;400) comportant un conduit de recirculation (150;450) des gaz d'échappement dont l'entrée est piquée sur ladite ligne d'échappement (300;600) et dont la sortie débouche sur ladite ligne d'admission (200;500), caractérisé en ce qu'il comprend un réchauffeur de gaz (210;510) placé sur ladite ligne d'admission (200;500), entre un compresseur (2) d'un turbocompresseur (14) et un répartiteur d'admission (260;560).
2. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel ledit réchauffeur de gaz (210) est placé sur un conduit d'admission (240).
3. Dispositif (400) selon la revendication 1, dans lequel ledit réchauffeur de gaz (510) est placé sur un conduit de dérivation (520) piqué sur un conduit d'admission (540) de part et d'autre d'un refroidisseur de gaz (530).
4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit réchauffeur de gaz est placé en aval d'un refroidisseur de gaz.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit réchauffeur de gaz est placé en aval du débouché d'un conduit de dérivation piqué sur le conduit d'admission de part et d'autre du refroidisseur de gaz.
6. Dispositif (100;400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit conduit de recirculation (150;450) des gaz d'échappement est un conduit de recirculation des gaz d'échappement à basse pression dont l'entrée est piquée en aval de dispositifs de traitement (320; 620) des gaz d'échappement et dont la sortie débouche en amont du compresseur (2) du turbocompresseur (14).
7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel il est prévu un dispositif de refroidissement des gaz sur le trajet dudit conduit de recirculation des gaz d'échappement à basse pression et un conduit de dérivation piqué de part et d'autre de ce dispositif de refroidissement des gaz d'échappement traversant le conduit de recirculation à basse pression.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit conduit de recirculation des gaz d'échappement est un conduit de recirculation des gaz d'échappement à haute pression dont l'entrée est piquée en amont d'une turbine d'un turbocompresseur et dont la sortie débouche en aval dudit réchauffeur de gaz.
9. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel il est prévuun dispositif de refroidissement des gaz sur le trajet dudit conduit de recirculation des gaz d'échappement à haute pression et un conduit de dérivation piqué de part et d'autre de ce dispositif de refroidissement des gaz d'échappement traversant le conduit de recirculation à haute pression.