FR3010149A1 - Moteur a combustion a refroidisseur d'air de suralimentation - Google Patents

Moteur a combustion a refroidisseur d'air de suralimentation Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement ayant un mode de fonctionnement nominal et un mode de fonctionnement modifié d'un cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement est réintroduite lequel mode de fonctionnement modifié comprend un décalage par rapport au mode nominal d'un instant de combustion lequel décalage produit un échauffement des gaz d'échappement suffisant pour provoquer une évaporation de condensats présents dans un refroidisseur d'air de suralimentation (90).

Description

MOTEUR A COMBUSTION A REFROIDISSEUR D'AIR DE SURALIMENTATION [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion de véhicules automobiles dotés d'un système de recirculation des gaz d'échappement issus d'au moins un cylindre vers l'admission d'air des cylindres. [0002] De tels systèmes sont bien connus sous le sigle EGR correspondant à la locution anglo-américaine Exhaust Gas Recirculation. On a notamment proposé, dans les moteurs à plusieurs cylindres, de dédier un cylindre à la recirculation des gaz d'échappement, les gaz d'échappement de ce cylindre étant totalement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur. Dans de tels moteurs, les gaz d'échappement réintroduits à l'admission sont typiquement chargés en gaz dihydrogène du fait d'un fonctionnement dans lequel le ou les cylindres dont on réintroduit les gaz d'échappement fonctionnent avec un mélange air-carburant de type riche. De tels moteurs sont connus sous l'appellation D-EGR pour Dedicated Exhaust Gas Recirculation en anglais ou à système dédié de réintroduction ou recirculation de gaz d'échappement en français. [0003] Le concept D-EGR permet de générer des gaz EGR dopés en hydrogène en faisant fonctionner un cylindre en mode riche, avantageusement une richesse de l'ordre de 1,5. Cet hydrogène permet d'améliorer la stabilité de la combustion et donc la tolérance à l'EGR. Le moteur D-EGR permet de réduire les pertes par pompage à l'admission du moteur pour les points de charge partielle, et de repousser la limite à partir de laquelle apparait un cliquetis pour les points de pleine charge. Il est avantageux d'avoir une machine de suralimentation suffisamment performante pour rétablir le débit d'air nécessaire et ainsi conserver voire augmenter les performances du moteur. [0004] La recirculation de gaz d'échappements EGR chauds à travers la ligne d'air d'admission refroidie entraîne des problèmes de formation d'eau de condensation en général localisé dans le refroidisseur d'air de suralimentation. En effet l'association de la température des gaz d'échappement chauds provenant du cylindre dédié via le circuit EGR et des parois froides du refroidisseur d'air de suralimentation entraîne une condensation des gaz d'admission, constitués en l'occurrence d'un mélange d'air frais et de gaz d'échappement. Ce phénomène est encore amplifié en cas de présence d'un point bas dans le refroidisseur d'air de suralimentation notamment dans le cas d'un refroidisseur en forme de U. Cette eau de condensation entraîne une corrosion du refroidisseur d'air de suralimentation due au pH lié au soufre, aux oxydes d'azotes contenus dans l'eau de condensation, et entraine une diminution de la perméabilité du refroidisseur d'air de suralimentation, ainsi qu'une diminution associée de l'efficacité du refroidisseur d'air de suralimentation. Les essais au banc moteur montrent que la formation d'eau de condensation est très rapide et très importante. [0005] Le but de l'invention est de proposer une stratégie d'élimination d'une telle eau de condensation apparaissant dans le refroidisseur de suralimentation. [0006] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant plusieurs cylindres de combustion, un organe d'admission d'air frais en direction d'un ou plusieurs cylindres et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement depuis au moins un cylindre de combustion dans l'organe d'admission, la ligne de réintroduction de gaz d'échappement étant en outre configurée pour recevoir un air de suralimentation et la ligne de réintroduction de gaz d'échappement comportant un refroidisseur d'air de suralimentation, le moteur, tel qu'il comporte un module de pilotage configuré pour commander sélectivement un mode de fonctionnement nominal et un mode de fonctionnement modifié dudit au moins un cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement est réintroduite dans l'organe d'admission lequel mode de fonctionnement modifié comprend un décalage par rapport au mode nominal d'un instant de combustion dudit au moins un cylindre de combustion, le décalage d'instant de combustion étant tel qu'il produit un échauffement des gaz d'échappement dudit au moins un cylindre de combustion lequel échauffement est suffisant pour provoquer une évaporation de condensats présents dans le refroidisseur d'air de suralimentation. [0007] Avantageusement, le moteur comporte un catalyseur de production d'hydrogène et la ligne de réintroduction de gaz d'échappement comporte deux branches parallèles dont l'une traverse le catalyseur de production d'hydrogène et dont l'autre forme une dérivation du catalyseur de production d'hydrogène, la ligne de réintroduction de gaz d'échappement étant équipée d'un organe commandé de routage de gaz d'échappement lequel est configuré pour diriger de manière commandée les gaz d'échappement dans la branche traversant le catalyseur de production d'hydrogène ou dans la branche formant dérivation du catalyseur de production d'hydrogène. [0008] Avantageusement, le moteur comporte un refroidisseur de gaz d'échappement et la ligne de réintroduction de gaz d'échappement comporte deux branches parallèles dont l'une traverse le refroidisseur de gaz d'échappement et l'autre forme une dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement, la ligne de réintroduction de gaz d'échappement étant équipée d'une organe commandé de routage des gaz d'échappement lequel est configuré pour diriger de manière commandée les gaz d'échappement dans la branche traversant le refroidisseur de gaz d'échappement ou dans la branche formant dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement. [0009] Avantageusement, le moteur comporte un module de commande de l'organe de routage des gaz d'échappement dans la branche traversant le refroidisseur de gaz d'échappement ou dans la branche formant dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement lequel module de commande est configuré pour commander l'organe de routage de telle sorte que les gaz d'échappement circulent dans le refroidisseur de gaz d'échappement dans le mode de fonctionnement nominal et que les gaz d'échappement circulent dans la branche de dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement dans le mode de fonctionnement modifié. [0010] Avantageusement, la branche formant dérivation du catalyseur de production d'hydrogène et la branche formant dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement sont une même branche. [0011] Avantageusement, le moteur comporte un module d'identification d'un état de présence de condensats dans le refroidisseur d'air de suralimentation et le module de pilotage est configuré pour commander le mode de fonctionnement modifié en réponse à une identification par le module d'identification d'un état de présence de condensats dans le refroidisseur d'air de suralimentation. [0012] Avantageusement, le module d'identification d'un état de présence de condensats dans le refroidisseur d'air de suralimentation comprend un capteur de présence de 25 condensats. [0013] Avantageusement, le moteur est configuré de telle sorte que l'ensemble des gaz d'échappement dudit au moins un cylindre de combustion est réintroduit dans l'organe d'admission. [0014] Avantageusement, le moteur comporte un seul cylindre de combustion dont 30 l'ensemble des gaz d'échappement est réintroduit dans l'organe d'admission. [0015] Avantageusement, ledit au moins un cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement est réintroduite dans l'organe d'admission est un cylindre à fonctionnement à richesse supérieure à 1 de sorte qu'il produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène. [0016] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence à la figure unique annexée qui représente un moteur D-EGR selon un mode de réalisation de l'invention. [0017] Le moteur représenté sur la figure annexée comporte un bloc-moteur muni de quatre cylindres 11, 12, 13, 14. Le moteur comporte en outre un répartiteur d'admission 20 débouchant dans chacun des cylindres 11, 12, 13 14 par une conduite d'admission respective 21, 22, 23, 24. Un collecteur d'échappement collecte les gaz d'échappement émanant de chacun des cylindres 11, 12 et 13. [0018] Le cylindre 14 est associé à un circuit 40 de réintroduction de gaz d'échappement à l'admission. Ainsi le circuit 40 prélève les gaz d'échappement du cylindre 14 et les dirige vers l'admission du moteur. Plus spécifiquement, les gaz d'échappement du cylindre 14 sont ici véhiculés par le circuit 40 vers le collecteur d'admission 20. [0019] Le cylindre 14 est ici un cylindre de type D-EGR. Un module de contrôle du moteur pilote une alimentation en air et en carburant du cylindre 14 de telle sorte que le cylindre 14 est le siège d'une combustion à mélange riche, c'est-à-dire en excès de carburant par rapport à l'air, ici selon une richesse d'environ 1,5. De par la richesse du mélange air-carburant, le cylindre 14 produit du gaz dihydrogène H2. Le gaz H2 ainsi produit se retrouve dans les gaz d'échappement émis par le cylindre 14 lesquels sont ensuite, selon le principe du moteur D-EGR, réintroduits à l'admission d'au moins un cylindre du moteur, ici à l'admission de l'ensemble des cylindres 11 à 14. Le moteur selon le présent exemple de réalisation ne comporte qu'un seul cylindre produisant de l'hydrogène selon le principe D-EGR. En variante le moteur peut en comporter plusieurs. [0020] Dans l'architecture du système D-EGR proposée ici, le circuit de réintroduction de gaz d'échappement comporte en outre un catalyseur de production d'hydrogène 50 et un refroidisseur de gaz d'échappement 60. Le catalyseur de production d'hydrogène 50 est ici un catalyseur de type WGS pour Water Gas Shift en anglais également appelé par réaction de gaz à l'eau. [0021] Le présent moteur comporte en outre un turbocompresseur 70 lequel est entrainé par les gaz d'échappement émanant des cylindres 11, 12 et 13 et mettant en pression un flux d'air frais lequel arrive à l'admission du moteur une fois comprimé. [0022] Le turbocompresseur 70 fournit l'air frais sous pression à un mélangeur 80 disposé sur le circuit de réintroduction de gaz d'échappement. Le rôle du mélangeur 80 est de mélanger l'air comprimé et les gaz d'échappement émis par le cylindre dédié 14. Le circuit de réintroduction de gaz d'échappement 40 comporte en outre un refroidisseur d'air de suralimentation 90 disposé en aval du mélangeur 80 de sorte que le mélange circule dans le refroidisseur d'air de suralimentation 90 et débouche une fois refroidi dans le collecteur d'admission 20. [0023] Une telle configuration où les gaz d'échappement émis par le cylindre dédié 14 sont mélangés à l'air frais en amont du refroidisseur de suralimentation 90 permet de sous-dimensionner ce dernier car les gaz admis, consistant en un mélange d'air comprimé par le turbocompresseur 70 et de gaz d'échappement réintroduits sont alors moins chauds que dans le cas d'un circuit D-EGR classique. [0024] Le circuit de réintroduction de gaz d'échappement 40 comporte également une branche de dérivation 45, laquelle s'étend en parallèle du catalyseur de production d'hydrogène 50 et du refroidisseur de gaz d'échappement 60. En entrée de cette branche de dérivation 45 est disposée une vanne, non représentée, qui permet de diriger les gaz d'échappement sélectivement vers le catalyseur 50 et le refroidisseur 60 ou dans la branche de dérivation 45. Cette vanne est commandée par un module de pilotage qui sera plus amplement décrit ci-dessous. [0025] En cas de détection d'eau de condensation dans le refroidisseur d'air de suralimentation 90, une alerte est émise en direction du calculateur moteur par un capteur ou par un processeur mettant en oeuvre un modèle de prédiction basé sur un historique de fonctionnement du moteur. Le calculateur moteur adopte alors une stratégie modification de l'instant de combustion dans le cylindre dédié 14, consistant ici en un sous-calage de l'avance à l'allumage dans le cylindre dédié 14. [0026] Cette modification de l'instant de combustion est choisie pour entraîner une augmentation de la température des gaz d'échappement du cylindre dédié 14, ce qui en soi est aisément mis en oeuvre avec les moyens existants. L'augmentation de la température des gaz d'échappement du cylindre dédié 14 entraine une augmentation de la température des gaz réintroduits par la ligne 40 et notamment une augmentation de la température des gaz dans le refroidisseur d'air de suralimentation 90. La modification de l'instant de combustion est choisie suffisamment prononcée pour que la température des gaz dans le refroidisseur d'air de suralimentation 90 augmente jusqu'à être supérieure à la température de vaporisation de l'eau de condensation. La température de vaporisation de l'eau de condensation dans le refroidisseur de suralimentation est typiquement la température ordinaire de 100 degrés Celsius. L'eau de condensation présente dans le refroidisseur d'air de suralimentation 90 est alors vaporisée puis évacuée d'abord dans le répartiteur d'admission 20 puis dans les cylindres de combustion 11, 12, 13, 14. [0027] Dans le cas d'un tel mode de fonctionnement modifié du cylindre dédié 14 visant une telle augmentation de température dans le refroidisseur 90, la vanne d'entrée de la branche de dérivation 45 est avantageusement commandée, ici par le calculateur moteur, de telle sorte que le catalyseur 50 ainsi que le refroidisseur de gaz d'échappement 60 ne soient pas traversés par les gaz d'échappement. L'augmentation de température des gaz d'échappement est ainsi préservée atteindre la température de vaporisation des condensats dans le refroidisseur de suralimentation 90 et ainsi optimiser l'augmentation de la température des gaz réintroduits. Néanmoins le seul décalage temporel de la combustion permet d'augmenter la température des gaz d'échappement de manière suffisante à une telle vaporisation. La stratégie décrite ici permet donc en variante de s'affranchir d'une éventuelle dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement. Elle permet en outre de s'affranchir ici d'une éventuelle dérivation du refroidisseur d'air de suralimentation 90 dans une situation de vie où une importante quantité de condensats apparait dans celui-ci. [0028] De même la température des parois du refroidisseur d'air de suralimentation 90 est avantageusement pilotée afin d'éviter la présence de parois froides dans ce fonctionnement modifié, par exemple par arrêt ou par diminution de la puissance de refroidissement fournie par le refroidisseur 90. [0029] Les gaz réintroduits d'un moteur de type D-EGR s'avèrent beaucoup plus froids que ceux d'un moteur EGR classique, la présente stratégie de calage de la combustion présente donc un intérêt encore plus grand dans le cas d'un moteur D-EGR tel que celui décrit ici. [0030] Une fois les condensats entièrement vaporisés, le capteur de condensation détecte la disparition des condensats et émet un signal indicateur cette arrivée en fin de processus de vaporisation. Le calculateur moteur, à la réception de ce signal, rétablit les réglages moteurs conventionnels correspondant au mode de fonctionnement nominal du cylindre 14. [0031] On utilise donc la thermique du cylindre dédié 14 pour vaporiser l'eau de condensation présente dans le refroidisseur d'air de suralimentation 90 et la réinjecter à l'admission. On réalise pour cela ici un calage de la combustion permettant de provoquer l'augmentation de température des gaz d'échappement du cylindre dédié et une évaporation de l'eau de condensation accumulée dans le refroidisseur d'air de suralimentation. La stratégie décrite n'entraîne pas de surconsommation importante de carburant. En outre une telle stratégie n'entraîne pas de modifications importantes de l'architecture moteur et n'entraîne donc pas de surcoût important pour sa mise en oeuvre.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant plusieurs cylindres de combustion (11,12,13,14), un organe d'admission d'air frais (20) en direction d'un ou plusieurs cylindres (11,12,13,14) et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) depuis au moins un cylindre de combustion (14) dans l'organe d'admission (20), la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) étant en outre configurée pour recevoir un air de suralimentation et la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) comportant un refroidisseur d'air de suralimentation (90), le moteur étant caractérisé en ce qu'il comporte un module de pilotage configuré pour commander sélectivement un mode de fonctionnement nominal et un mode de fonctionnement modifié dudit au moins un cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement est réintroduite dans l'organe d'admission (20) lequel mode de fonctionnement modifié comprend un décalage par rapport au mode nominal d'un instant de combustion dudit au moins un cylindre de combustion (14), le décalage d'instant de combustion étant tel qu'il produit un échauffement des gaz d'échappement dudit au moins un cylindre de combustion (14) lequel échauffement est suffisant pour provoquer une évaporation de condensats présents dans le refroidisseur d'air de suralimentation (90).
  2. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un catalyseur de production d'hydrogène (50) et la ligne (40) de réintroduction de gaz d'échappement comporte deux branches parallèles (45,50,60) dont l'une traverse le catalyseur de production d'hydrogène (50) et dont l'autre forme une dérivation (45) du catalyseur de production d'hydrogène (50), la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) étant équipée d'un organe commandé de routage de gaz d'échappement lequel est configuré pour diriger de manière commandée les gaz d'échappement dans la branche (50,60) traversant le catalyseur de production d'hydrogène (50) ou dans la branche (45) formant dérivation du catalyseur de production d'hydrogène (50).
  3. 3. Moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un refroidisseur de gaz d'échappement (60) et la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) comporte deux branches parallèles (45,50,60) dont l'une traverse le refroidisseur de gaz d'échappement (60) et l'autre (45) forme une dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement (60), la ligne de réintroduction de gaz d'échappement (40) étant équipée d'une organe commandé de routage des gaz d'échappement lequel est configuré pour diriger de manière commandée les gaz d'échappement dans la branche(50,60) traversant le refroidisseur de gaz d'échappement (60) ou dans la branche (45) formant dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement (60).
  4. 4. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un module de commande de l'organe de routage des gaz d'échappement dans la branche (50,60) traversant le refroidisseur de gaz d'échappement (60) ou dans la branche (45) formant dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement (60) lequel module de commande est configuré pour commander l'organe de routage de telle sorte que les gaz d'échappement circulent dans le refroidisseur de gaz d'échappement (60) dans le mode de fonctionnement nominal et que les gaz d'échappement circulent dans la branche de dérivation (45) du refroidisseur de gaz d'échappement (60) dans le mode de fonctionnement modifié.
  5. 5. Moteur à combustion selon la revendication 2 et la revendication 3 en combinaison, caractérisé en ce que la branche (45) formant dérivation du catalyseur de production d'hydrogène (50) et la branche (45) formant dérivation du refroidisseur de gaz d'échappement (60) sont une même branche (45).
  6. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un module d'identification d'un état de présence de condensats dans le refroidisseur d'air de suralimentation (90) et le module de pilotage est configuré pour commander le mode de fonctionnement modifié en réponse à une identification par le module d'identification d'un état de présence de condensats dans le refroidisseur d'air de suralimentation (90).
  7. 7. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module d'identification d'un état de présence de condensats dans le refroidisseur d'air de suralimentation (90) comprend un capteur de présence de condensats.
  8. 8. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur est configuré de telle sorte que l'ensemble des gaz d'échappement dudit au moins un cylindre de combustion (14) est réintroduit dans l'organe d'admission (20).
  9. 9. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur comporte un seul cylindre (14) de combustion dont l'ensemble des gaz d'échappement est réintroduit dans l'organe d'admission (20).
  10. 10. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement est réintroduite dans l'organe d'admission (20) est un cylindre àfonctionnement à richesse supérieure à 1 de sorte qu'il produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène.
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