FR2985546A3 - Systeme de recirculation partielle de gaz d'echappement a refroidisseur resistant a l'encrassement - Google Patents

Abstract

Système de recirculation partielle de gaz d'échappement, comprenant au moins un refroidisseur (3c) des gaz d'échappement recirculés. Les parois du refroidisseur (3c) en contact avec les gaz d'échappement sont munies d'un revêtement limitant la formation de dépôts d'hydrocarbures imbrulés issus des gaz d'échappement.

Description

B11-4049FR 1 Système de recirculation partielle de gaz d'échappement à refroidisseur résistant à l'encrassement.

L'invention a pour domaine technique les moteurs combustion interne, en particulier le domaine des moteurs combustion interne munis de systèmes de recirculation partielle des gaz d'échappement. Les systèmes de recirculation partielle des gaz d'échappement (acronyme EGR, issu de l'anglais « Exhaust Gaz Recirculation ») comprennent généralement des refroidisseurs ou des échangeurs de chaleur permettant le refroidissement des gaz d'échappement recirculés de sorte que la masse volumique des gaz admis soit augmentée. On obtient ainsi un taux d'introduction des gaz d' échappement recirculés plus important tout en favorisant un remplissage en air frais acceptable du point de vue des émissions polluantes. Le refroidissement des gaz d'échappement recirculés est assuré par le liquide de refroidissement du moteur qui est acheminé par un circuit spécifique dans le refroidisseur et mis en contact avec les gaz d'échappement par l'intermédiaire de la structure interne du refroidisseur. Afin de répondre aux futures normes antipollution (Euro6 et Euro7) les moteurs à combustion interne doivent être mis au point de façon à émettre le moins possible d'émissions toxiques au niveau du collecteur d'échappement, le reste devant être converti par des systèmes de post-traitements des gaz d'échappement (catalyseur, filtre à particules, pièges à oxydes d'azote) qui sont des solutions coûteuses. Les seuils d'émissions d'oxydes d'azote fixés par les normes sont toujours plus sévères et imposent donc l'utilisation plus systématique et plus importante de systèmes de recirculation partielle des gaz d'échappement refroidis. L'introduction d'un taux de recirculation partielle des gaz d'échappement supérieur favorise des conditions d'utilisation du moteur génératrices d'encrassement important. En effet, les gaz d'échappement recirculés transportent des particules de suies et des molécules d'hydrocarbures imbrulés qui, sous l'action des gradients thermiques, se déposent sur les parois du refroidisseur. De tels dépôts génèrent un encrassement du refroidisseur. L'encrassement génère, dans le meilleur des cas, une baisse stabilisée de l'efficacité thermique du refroidisseur et génère, dans les pires cas, une dérive continue vers un colmatage du refroidisseur. Par ailleurs, ces dépôts sont de bons isolants thermiques. Ils réduisent progressivement la capacité d' échange thermique du refroidisseur. Il s'en suit une réduction du taux de recirculation des gaz d'échappement due à une augmentation de leur température et une augmentation des émissions polluantes. Ces dépôts sont régis par le principe physique de la thermophorèse et présentent une tendance naturelle à se stabiliser dans le temps grâce à la pression dynamique des gaz d'échappement qui s'apparente à un effet d'érosion. Un autre type de dépôt encrassant présente une nature amalgamante humide et collante. Cet autre dépôt contient plus d'hydrocarbures imbrulés et son épaisseur augmente de façon continue sans stabilisation sous l'effet de l'érosion, ce qui peut mener à un colmatage Aujourd'hui, les refroidisseurs EGR sont conçus pour obtenir une efficacité thermique très importante en favorisant les turbulences et les échanges thermiques au sein des refroidisseurs. Pour cela, on utilise par exemple des refroidisseurs à tubes refroidisseurs très turbulents (nombre de Reynolds élevé) pour favoriser des vitesses élevés au niveau de la couche limite de dépôt favorisant ainsi leur décollement par érosion. Cependant, comme vu précédemment, cette action se limite à une partie des dépôts encrassant. Il existe ainsi un problème pour éviter l'encrassement des refroidisseurs par le deuxième type de dépôts encrassant pour lesquels les refroidisseurs n'ont pas de capacité intrinsèque de limitation des dépôts. Les refroidisseurs sont alors soumis à un encrassement inexorable pouvant mener à un colmatage.

Ce problème est en partie résolu dans le document FR2910546 par l'adoption d'une méthode de correction d'un réglage du moteur permettant de limiter les causes de l'encrassement. Cette solution préventive d'adaptation du réglage était avantageusement réalisée grâce à une méthode de détection d'un niveau d'encrassement divulguée dans le document FR2907506. Il est également possible d'utiliser des solutions curatives comme une architecture de circuit EGR dédiée au décrassage du refroidisseur tel qu'il est divulgué dans le document FR2885178. Une autre solution curative divulguée dans le document FR2833653 est la régénération permettant de décrasser le refroidisseur en favorisant l'admission de gaz d'échappement recirculés présentant des températures supérieures à une utilisation normale. De telles solutions permettent d'assécher le deuxième type de dépôt en vue de le rendre friable et décollable par la pression dynamique des gaz. Toutefois, ces solutions sont imparfaites dans la mesure où elles limitent les performances du moteur ou génèrent ponctuellement une pollution supplémentaire due aux paramètres de fonctionnement nécessaires pour atteindre une température élevée des gaz d'échappement. Une autre solution est ainsi nécessaire. Le document GB0516142 divulgue un système de recirculation partielle des gaz d'échappement dont la paroi interne est munie d'un revêtement spécifique visant à limiter l'encrassement. Le système de recirculation partielle des gaz d'échappement étant en aluminium, il a été nécessaire de développer un revêtement spécifique pour améliorer les propriétés intrinsèques de l'aluminium sur le plan de la résistance mécanique tel que l'abrasion et l'érosion par les gaz d'échappement. Il existe un besoin pour un refroidisseur qui soit apte à résister à l'encrassement par les gaz d'échappement.

On propose un système de recirculation partielle de gaz d'échappement, comprenant au moins un refroidisseur des gaz d'échappement recirculés. Les parois du refroidisseur en contact avec les gaz d'échappement sont munies d'un revêtement limitant la formation de dépôts d'hydrocarbures imbrulés issus des gaz d' échappement. Un tel système de recirculation partielle des gaz d'échappement présente l'avantage d'empêcher la formation de dépôts encrassant.

L'efficacité du refroidisseur est ainsi maintenue. Le revêtement peut être disposé dans les zones froides du refroidisseur. Il présente alors l'avantage d'empêcher la condensation des dépôts encrassant dans les zones qui y sont le plus propices. Le refroidisseur peut comprendre au moins un canal dans lequel circulent les gaz d'échappement, le revêtement pouvant être disposé sur les parois internes des canaux du refroidisseur. Le revêtement peut être apte à résister à des températures supérieures à 500°C. Le revêtement n'est ainsi pas endommagé lorsque le moteur à combustion interne est utilisé pour régénérer un filtre à particules ou un piège à oxydes d'azotes. Le revêtement peut être apte à limiter l'adhérence des précurseurs carbonés. Le revêtement peut être du PTFE. Le revêtement peut être de la famille des résines fluorées.

Le refroidisseur peut comprendre au moins un canal dans lequel circulent les gaz d'échappement, le canal du refroidisseur pouvant être en acier inoxydable. Le refroidisseur peut ainsi combiner une plus grande résistance mécanique, un coût réduit tout en bénéficiant de la protection du revêtement.

D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre les principaux éléments moteur équipé d'un circuit de recirculation partielle des gaz d' échappement à refroidisseur ; -la figure 2 illustre une vue schématique d'un refroidisseur de recirculation partielle des gaz d'échappement soumis à encrassement, et -la figure 3 illustre le mécanisme du dépôt encrassant. Sur la figure 1, on peut voir un moteur à combustion interne 1 muni d'un collecteur d'amission la et d'un collecteur d'échappement lb relié au compresseur 2a d'un turbocompresseur 2 par une conduite d'admission munie d'un échangeur d'admission 3a, l'air frais étant admis de l'extérieur par l'intermédiaire d'un filtre à air 4. Le collecteur d'admission la est en outre relié au circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement comprenant une vanne de dérivation 3d reliée à une dérivation 3b contournant un refroidisseur 3c, la sortie de la dérivation 3b et du refroidisseur 3c étant reliées à une vanne de contrôle 3e du taux de recirculation des gaz d'échappement. Une vanne de contrôle du taux d'air frais 3f est disposée entre la vanne de contrôle 3e du taux de recirculation des gaz d'échappement et le compresseur 2a.

L'entrée de la vanne de dérivation 3d est piquée au niveau de la connexion entre le collecteur d'échappement lb et la turbine 2b du turbocompresseur 2. La sortie de la turbine 2b est reliée à un piège à oxydes d'azote 5 et à un filtre à particules 6.

En fonctionnement, la vanne de dérivation 3d permet de commander la température des gaz recirculés en fixant la quantité de gaz recirculés traversant le refroidisseur 3c, le reste passant à travers la dérivation 3b. Les vannes de contrôle 3e,3f permettent de commander le rapport entre la quantité d'air frais et la quantité de gaz d'échappement recirculés admis dans le moteur. La figure 2 illustre la structure d'un refroidisseur comprenant un ensemble de canaux 7 permettant la circulation des gaz d'échappement recirculés entre l'entrée et la sortie du refroidisseur, les canaux étant séparés les uns des autres de sorte qu'un espace, au sein duquel liquide de refroidissement puisse circuler soit ménagé. Le liquide de refroidissement peut être le liquide de refroidissement du moteur.

La figure 2 illustre par ailleurs l'encrassement desdits canaux 7 par le dépôt de couches d'encrassement 8, 9 par les gaz d'échappement recirculés. En effet, les gaz d'échappements recirculés dans le refroidisseur contiennent un certain nombre de composés résiduels issus de la combustion du carburant. On distingue principalement les suies (particules carbonées) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) qui sont présents à des concentrations variables selon les conditions de fonctionnement du moteur. Le dépôt des ces composés résiduels sur la surface d'échange du refroidisseur encrassent le refroidisseur et en limite l'efficacité de fonctionnement. Les dépôts encrassant ont deux effets majeurs sur le fonctionnement du refroidisseur : une perte d'efficacité thermique et une perte de section de passage. L'encrassement est un dépôt qui possède une épaisseur et une résistance thermique qui va réduire les capacités d'échange thermique entre les gaz et l'eau à travers la paroi. Avec l'encrassement qui augmente, la section débitante du refroidisseur diminue en même temps que sa section équivalente. La figure 3 illustre les mécanismes de formation du dépôt encrassant. Dans une première étape, les hydrocarbures imbrulés et les huiles se condensent sur les parties les parois des canaux 7 du refroidisseur. Les hydrocarbures imbrûlés 8 sont assimilés à une « colle » qui adhère facilement à la paroi en mettant en jeu les forces de cohésion électrostatique et les forces de Van de Waals. Les hydrocarbures imbrûlés sont les précurseurs de l'encrassement. Dans une deuxième étape, des particules charbonneuses 9 se déposent sur les zones recouvertes d'huile et d'hydrocarbures imbrulés 8. Le gradient de température entre les gaz d'échappement (Tg) et le liquide de refroidissement (To) génère une force d'attraction des particules de suies carbonées (fumées) contenues dans les gaz vers la paroi froide. Les particules s'agglomèrent sur les molécules d'hydrocarbures imbrûlés sous l'action de la thermophorèse.

Les dépôts encrassant sont régis par deux mécanismes différents. Le premier encrassement 8, dit de type collant (HC), n'est a priori pas réversible par la dynamique des fluides. Ce phénomène étant lié à la température absolue (condensation des gaz) et non au gradient de température, son évolution peut être ou non asymptotique en fonction de la température des gaz entrant dans le système. Seule une élévation de température des gaz en entrée supérieure à 400° permet « d'assécher » le dépôt.

Le deuxième encrassement 9, dit particulaire (suies sèches), a naturellement tendance à se stabiliser, notamment grâce à la pression dynamique des gaz qui provoque une érosion comparable à l'érosion éolienne des sols. De plus, la couche de dépôts en s'épaississant devient plus en plus isolante thermiquement et implique une réduction du gradient thermique responsable du phénomène de thermophorèse, en définissant une nouvelle température (To') du liquide de refroidissement perçue par les gaz d'échappement 10. L'épaississement de cette couche réduit ainsi spontanément les causes à l'origine de son apparition. Ce dépôt est un très bon isolant thermique. L'application d'un revêtement anti-adhérent sur les parois internes du refroidisseur permet de prévenir le dépôt d'hydrocarbures imbrulés, et d'empêcher le dépôt de suies par défaut d'hydrocarbures imbrulés. Un tel revêtement présente l'avantage d' empêcher l'adhérence des dépôts encrassant, notamment lorsque la concentration en hydrocarbures imbrulés est important. Il limite aussi par la suite le principe de la thermophorèse. Un tel revêtement est d'autant plus intéressant que son épaisseur en regard de la taille des canaux du refroidisseur, et que son effet sur la conductivité thermique du refroidisseur sont inférieurs à ceux du dépôt encrassant, voire négligeables par rapport aux dimensions et à la conductivité thermique d'un refroidisseur neuf. Pour minimiser l'impact du revêtement sur le transfert thermique, il faut minimiser l'épaisseur et maximiser son coefficient de conductivité thermique. Le revêtement peut avoir une épaisseur comprise entre 3 et 500 iam (10-6m).

L'application du revêtement anti-adhérant peut se faire de plusieurs manières différentes et notamment en fonction de la capacité intrinsèque du revêtement à résister aux températures des gaz : - sur toutes les parois internes du refroidisseur, - sur seulement une partie du refroidisseur en privilégiant la zone « froide » en aval du refroidisseur où les phénomènes de condensation sont les plus importants, ou - uniquement sur les tubes internes, avec une limitation éventuelle à une zone privilégiée. L'application du revêtement anti-adhérent peut également être réalisée sur les volets et les soupapes des vannes EGR, de sorte à éviter le collage ou le laquage de celles-ci lorsqu'elles sont soumises à l'encrassement. Le revêtement anti-adhérent est un revêtement à base de résines fluorées du type polytétrafluoroéthylène (acronyme, PTFE). La formulation chimique du revêtement anti-adhérent pourra être complétée avantageusement par des additifs minéraux pour lui donner des propriétés de résistance thermique supérieures. Les additifs minéraux pourront être à base de silicium. Ces revêtements sont compatibles chimiquement avec les composés des gaz d'échappement et résistent à la corrosion induite par ces gaz. Ces revêtements présentent également une conductivité thermique maximale ainsi qu'une bonne durabilité en état de surface. Le système de recirculation partielle des gaz d'échappement munie d'un refroidisseur dont les surfaces en contact avec les gaz d'échappement sont recouvertes d'une couche limitant l'adhésion des hydrocarbures imbrulés et par conséquent des suies permet de réduire ou de supprimer les causes de l'encrassement. La longévité du refroidisseur et du système sont accrus sans avoir besoin de recourir à des régénérations ou à une maintenance.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Système de recirculation partielle de gaz d'échappement, comprenant au moins un refroidisseur (3c) des gaz d'échappement recirculés caractérisé par le fait que les parois du refroidisseur (3c) en contact avec les gaz d'échappement sont munies d'un revêtement limitant la formation de dépôts d'hydrocarbures imbrulés (8) issus des gaz d'échappement.
2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le revêtement est disposé dans les zones froides du refroidisseur (3c).
3. 3. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidisseur (3c) comprend au moins un canal (7) dans lequel circulent les gaz d'échappement, le revêtement étant disposé sur les parois internes des canaux (7) du refroidisseur.
4. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement est apte à résister à des températures supérieures à 500°C.
5. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement est apte à limiter l'adhérence des précurseurs carbonés (9).
6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement est du PTFE.
7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le revêtement est de la famille des résines fluorées.
8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidisseur comprend au moins un canal (7) dans lequel circulent les gaz d'échappement, le canal (7) du refroidisseur étant en acier inoxydable.