FR3027954A1

FR3027954A1 - Groupe motopropulseur de vehicule a emissions polluantes reduites

Info

Publication number: FR3027954A1
Application number: FR1460573A
Authority: FR
Inventors: Mohamed Mokaddem
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2016-05-06
Anticipated expiration: 2034-11-03
Also published as: FR3027954B1

Abstract

L'invention se rapporte à un groupe motopropulseur (100) d'un véhicule comprenant un moteur (3), une ligne d'admission (2) d'air frais apte à alimenter ledit moteur (3), une ligne d'échappement (4) apte à évacuer les gaz d'échappement issus dudit moteur (3) et une boucle (20) de recyclage reliant ladite ligne d'échappement (4) à ladite ligne d'admission (2) et permettant d'acheminer des gaz d'échappement vers la ligne d'admission (2). La principale caractéristique d'un groupe motopropulseur (1) selon l'invention, est qu'il comporte un compresseur autonome (30) relié à la ligne d'admission (2) et permettant d'aspirer les gaz d'échappement en provenance de ladite boucle (20) et de les réinjecter avec une pression accrue dans ladite ligne d'admission (2).

Description

GROUPE MOTOPROPULSEUR DE VEHI CULE A EMI SSI ONS POLLUANTES REDUI TES L'invention se rapporte à un groupe motopropulseur de véhicule à émissions polluantes réduites. Pour respecter les normes de dépollution, les moteurs diesel ou à essence suralimentés, qui comprennent un compresseur et une turbine, font appel à une boucle de recyclage des gaz d'échappement à l'admission de type « basse pression ». Une telle boucle est plus connue sous l'appellation boucle EGR (de l'anglais Exhaust Gas Recirculation). Autrement dit, des gaz d'échappement sont prélevés à la sortie d'un système de post-traitement en aval de la turbine du turbocompresseur, pour être réinjectés dans la ligne d'admission d'air du moteur, en amont du compresseur du turbocompresseur.

Les gaz d'échappement ainsi prélevés sont déjà détendus, donc à basse pression, et le mélange d'air frais et de gaz d'échappement circulant à l'admission n'est pas encore comprimé et est donc également à basse pression. Un tel système de recyclage des gaz d'échappement, favorise notamment la diminution des particules d'oxyde d'azote (N0x).

Afin d'atteindre un débit suffisant de gaz dans la boucle de recyclage, il faut assurer une différence de pression positive entre le point de prélèvement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, et le point de réinjection de ces gaz dans la ligne d'admission. Un moyen de parvenir à cette différence de pression, consiste à augmenter la pression du côté de la ligne d'échappement, qui constitue la pression amont dans la boucle de recyclage, par l'intermédiaire d'un système de vannage à l'échappement. Un inconvénient lié à ce moyen est la création d'une contrepression trop élevée, qui diminue excessivement les performances du moteur.

Un autre moyen d'obtenir un débit de gaz satisfaisant dans la boucle de recyclage, se fonde sur un vannage à l'admission, destiné à provoquer une diminution de la pression aval au sein de ladite boucle et donc une aspiration des gaz dans celle-ci. Un inconvénient lié à ce moyen, est une diminution du débit volumique d'air injecté dans le moteur, mettant en contrainte le système de suralimentation. En effet, pour conserver un même débit massique d'air dans le moteur, il faut compenser ce manque d'air en augmentant la pression de suralimentation. Or, une telle augmentation est défavorable au bon fonctionnement du turbocompresseur, et a tendance à accroitre, d'une part, la consommation en carburant du moteur, et d'autre part, la réactivité du moteur en mode transitoire. Il est à noter que pour les deux moyens qui viennent d'être mentionnés, les notions d' « amont » et d' « aval » sont à considérer par rapport au sens de propagation des gaz dans la boucle de recyclage, qui progressent de la ligne d'échappement vers la ligne d'admission. A titre d'exemple, la demande de brevet FR2923544 divulgue un groupe motopropulseur, dont la régulation des gaz d'échappement dans une boucle de recyclage des gaz s'effectue avec une vanne à l'échappement, une vanne à l'admission et une vanne de régulation dans ladite boucle. Les groupes motopropulseurs selon l'invention, possèdent une boucle de recyclage dont les gaz ont un débit maximal suffisant pour pouvoir notamment assurer une bonne dépollution, sans affecter les caractéristiques fonctionnelles du moteur. L'invention a pour objet un groupe motopropulseur d'un véhicule comprenant un moteur, une ligne d'admission d'air frais apte à alimenter ledit moteur, une ligne d'échappement apte à évacuer les gaz d'échappement issus dudit moteur et une boucle de recyclage reliant ladite ligne d'échappement à ladite ligne d'admission et permettant d'acheminer des gaz d'échappement vers la ligne d'admission. La principale caractéristique d'un groupe motopropulseur selon l'invention, est qu'il comporte un compresseur autonome, relié à la ligne d'admission et permettant d'aspirer les gaz d'échappement en provenance de ladite boucle et de les réinjecter avec une pression accrue dans ladite ligne d'admission. Le terme « autonome » signifie que le compresseur fonctionne avec sa propre source énergétique, indépendamment des différents flux d'air et/ou de gaz circulant dans le groupe motopropulseur. De cette manière, en activant de manière indépendante le compresseur autonome, le débit des gaz d'échappement dans la boucle de recyclage peut atteindre la valeur souhaitée pour assurer une dépollution efficace, sans affecter les caractéristiques fonctionnelles du groupe motopropulseur et en particulier, sans créer des pertes de charge dans la ligne d'admission. Grâce à la présence de ce compresseur autonome, les particules d'oxyde d'azote sont efficacement et significativement diminuées, et les performances du moteur sont nettement améliorées. La source énergétique du compresseur autonome peut être de toute nature, comme par exemple, électrique, mécanique ou pneumatique. Le moteur peut indifféremment être diesel ou à essence. La boucle de recyclage peut être matérialisée par un conduit reliant la ligne d'échappement et la ligne d'admission, et peut également être équipée d'une vanne de régulation du débit de gaz circulant à l'intérieur de ladite boucle. Cette boucle de recyclage est plus communément appelée boucle EGR. Avantageusement, le compresseur autonome est un compresseur électrique. Un véhicule automobile comportant généralement plusieurs équipements électriques alimentés par un circuit électrique, il est aisé de pouvoir brancher le compresseur autonome sur ledit circuit déjà existant, sans avoir à créer sa propre source énergétique. De façon préférentielle, un groupe motopropulseur selon l'invention, comprend au moins un turbocompresseur constitué d'un compresseur placé sur la ligne d'admission d'air et une turbine placée sur la ligne d'échappement, la boucle de recyclage se raccordant à la ligne d'admission en amont du compresseur du turbocompresseur, le compresseur autonome permettant de réinjecter les gaz d'échappement issus de la boucle dans une zone de ladite ligne d'admission située en amont du compresseur du turbocompresseur. De cette manière, le mélange d'air et de gaz d'échappement arrivent au niveau du compresseur du turbocompresseur avec une pression et un débit accrus, pour d'une part, diminuer les particules d'oxyde d'azote, et d'autre part, augmenter les performances du moteur. Préférentiellement, le compresseur autonome est monté en parallèle sur la ligne d'admission. De cette manière, sa présence ne modifie ni ne ralentit les écoulements d'air et/ou de gaz dans la ligne d'admission. De façon avantageuse, le compresseur autonome est relié à la ligne d'admission au moyen d'un canal amont et d'un canal aval, de sorte que les gaz de la boucle transitent d'abord par le canal amont avant d'être mis sous pression par le compresseur autonome puis d'être ensuite réacheminés sous pression dans la ligne d'admission, en amont du compresseur. Avantageusement, le canal amont prend naissance sur la ligne d'admission en un point situé en aval du point de raccordement de la boucle à ladite ligne d'admission. De façon préférentielle, le canal aval débouche dans la ligne d'admission en un point situé entre le point de raccordement du canal amont à ladite ligne et le compresseur du turbocompresseur. Ainsi, le compresseur autonome est monté en dérivation dans une zone de la ligne d'admission, comprise entre le point de raccordement de la boucle de recyclage et le compresseur du turbocompresseur.

Avantageusement, la ligne d'admission comprend un volet entre le point où naît le canal amont et le point où débouche le canal aval, le degré d'ouverture dudit volet permettant d'orienter une proportion plus ou moins grande du flux gazeux vers le compresseur autonome. De cette manière, la présence de ce volet accroît la souplesse d'utilisation d'un groupe motopropulseur selon l'invention, en permettant de faire varier le flux gazeux incident parvenant au compresseur autonome. Préférentiellement, la ligne d'échappement comprend un dispositif de dépollution des gaz d'échappement situé en aval de la turbine, la boucle de recyclage prenant naissance sur ladite ligne d'échappement en aval dudit dispositif de dépollution. Ce dispositif de dépollution peut par exemple comprendre un pot catalytique et/ou un filtre à particules. Autrement dit, le point de raccordement de la boucle de recyclage à la ligne d'échappement s'effectue dans une zone comprise entre le dispositif de dépollution et la sortie de ladite ligne d'échappement. L'invention a pour deuxième objet un premier mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un groupe motopropulseur de véhicule selon l'invention, ledit véhicule étant à bas ou à moyen régime. La principale caractéristique d'un tel procédé est qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape d'ouverture de la boucle afin d'acheminer des gaz d'échappement vers la ligne d'admission, - une étape d'activation du compresseur autonome afin d'augmenter le débit des gaz d'échappement dans la ligne d'admission, et - une étape de fermeture au moins partielle du volet. A bas ou à moyen régime, le compresseur autonome est activé dans le seul but de réaliser une dépollution efficace, les performances du moteur à de tels régimes n'étant pas recherchées. L'invention a pour troisième objet un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un groupe motopropulseur de véhicule selon l'invention, ledit véhicule étant à fort régime. La principale caractéristique d'un tel procédé est qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de fermeture de la boucle, - une étape de désactivation du compresseur autonome, et - une étape d'ouverture au moins partielle du volet.

A fort régime, seul le turbocompresseur est pleinement sollicité pour assurer les performances du moteur et une dépollution efficace, la boucle de recyclage pour ce type de régime apportant une perméabilité supplémentaire à l'admission d'air.

Un groupe motopropulseur selon l'invention présente l'avantage d'être peu polluant et de posséder des performances améliorées, grâce à l'adjonction d'un compresseur autonome, qui est peu encombrant et dont le fonctionnement est aisé et bien maitrisé. On donne, ci-après, une description détaillée de deux modes de réalisation selon l'état de la technique et d'un mode de réalisation préféré d'un groupe motopropulseur selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 3. La figure 1 est une vue schématique et simplifiée d'un premier mode de réalisation d'un groupe motopropulseur selon l'état de la technique, La figure 2 est une vue schématique et simplifiée d'un deuxième mode de réalisation d'un groupe motopropulseur selon l'état de la technique, - La figure 3 est une vue schématique et simplifiée d'un mode de réalisation préféré d'un groupe motopropulseur selon l'invention.

En se référant à la figure 1, un premier mode de réalisation d'un groupe motopropulseur 1 selon l'état de la technique comprend une ligne d'admission 2 d'air, un moteur 3 thermique et une ligne d'échappement 4 de gaz issus dudit moteur 3. Le moteur 3, qui est préférentiellement de type Diesel à quatre temps ou à deux temps, comprend quatre chambres de combustion comportant chacune un injecteur 5 et un piston 23. La ligne d'admission 2 d'air comprend, de sa partie amont vers sa partie aval, une entrée d'arrivée d'air 6, un filtre à air 7, un compresseur 8 destiné à être couplé à une turbine 9 pour former un turbocompresseur, un refroidisseur 10 d'air de suralimentation ou RAS, un volet d'admission 11 et un répartiteur 12 d'admission, apte à distribuer l'air dans chacune des chambres de combustion du moteur 3. Tous ces éléments sont reliés les uns aux autres au moyen d'un canal de circulation d'air. Ainsi, l'air issu de l'entrée 6 passe à travers le filtre à air 7 avant d'être comprimé par le compresseur 8 du turbocompresseur. L'air comprimé en provenance de ce compresseur 8 est refroidi par le RAS 10, avant d'être acheminé, via le répartiteur 12 d'admission, vers les chambres du moteur 3. Le volet d'admission 11 placé en aval du compresseur 8, permet de réguler le débit de l'air dans la ligne d'admission 2 en amont du moteur 3, en fonction de la phase d'utilisation du véhicule. La ligne d'échappement 4 comporte, de sa partie amont vers sa partie aval, un collecteur d'échappement 15, un dispositif de dépollution constitué par un catalyseur 16 et/ou un filtre à particules 17, la turbine 9 du turbocompresseur et une sortie 18 des gaz d'échappement vers l'extérieur du véhicule. Les gaz d'échappement sortent des chambres de combustion par le collecteur d'échappement 15, puis passent à travers la turbine 9 avant de traverser le catalyseur 16 et/ou le filtre à particules 17. Ces gaz sont ensuite évacués vers l'extérieur du véhicule par la sortie 18 de ladite ligne d'échappement 4. Une première boucle 19 de recyclage des gaz d'échappement à l'admission, dite boucle EGR (de l'anglais Exhaust Gas Recirculation) haute pression, relie la sortie du collecteur d'échappement 15 à l'entrée du répartiteur d'admission 12 pour pouvoir mélanger des gaz d'échappement sortant du moteur 3, à l'air incident, circulant en amont dudit moteur 3. Une telle boucle 19 est généralement équipée d'une vanne EGR 14 de régulation du débit des gaz d'échappement et d'un échangeur thermique apte à refroidir lesdits gaz. Une deuxième boucle 20 EGR dite basse pression, relie une zone de la ligne d'échappement 4 située entre le dispositif de dépollution constitué par le catalyseur 16 et/ou le filtre à particules 17, et la sortie 18, à une zone de la ligne d'admission 2 située entre le filtre à air 7 et le compresseur 8. Cette boucle 20 est également équipée d'un refroidisseur 21 et d'une vanne EGR 22 de régulation du débit des gaz d'échappement, ledit refroidisseur 21 étant placé en amont de ladite vanne 22 au sein de ladite boucle 20.

Par exemple, la deuxième boucle EGR 20 est ouverte durant des phases de roulage particulières du véhicule, en fonction notamment des besoins en dépollution et en performance du moteur 3. En effet, une telle boucle 20 est apte à faire baisser le taux de particules d'oxyde d'azote émises par le moteur 3, et à renforcer les performances dudit moteur 3 lors d'une utilisation de celui-ci à certains régimes. Or, il peut arriver que le débit maximal des gaz d'échappement circulant dans la deuxième boucle EGR 20 dite boucle basse pression, soit insuffisant pour assurer avec efficacité ces deux fonctions de dépollution et de performance du moteur 3. Selon ce premier mode de réalisation d'un groupe motopropulseur 1 de l'état de la technique, un premier moyen mis en oeuvre pour résoudre ce problème d'insuffisance de débit dans cette deuxième boucle EGR 20, consiste à implanter un premier volet 24 dans la ligne d'admission 2 entre le filtre à air 7 et le compresseur 8, en amont du point de raccordement 25 de ladite deuxième boucle 20 EGR sur ladite ligne d'admission 2. Un tel volet 24 est destiné à créer une dépression dans la ligne d'admission 2 de façon à aspirer plus efficacement les gaz d'échappement circulant dans la deuxième boucle 20 EGR vers ladite ligne d'admission 2. Cette solution présente l'inconvénient de provoquer un étouffement du moteur 3, et n'est donc pas satisfaisante. En se référant à la figure 2, selon un deuxième mode de réalisation d'un groupe motopropulseur 50 selon l'état de la technique, un deuxième moyen mis en oeuvre pour résoudre ce problème d'insuffisance de débit dans cette deuxième boucle EGR 20, consiste à implanter un deuxième volet 26 dans la ligne d'échappement 4, entre le point de raccordement 27 de la deuxième boucle 20 EGR sur ladite ligne 4, et la sortie 18 de cette ligne d'échappement 4. De cette manière, en fermant ce deuxième volet 26, tous les gaz d'échappement issus du dispositif de dépollution 16, 17 de la ligne d'échappement 4, vont transiter par la deuxième boucle 20 EGR, créant une surpression dans celle-ci. Le passage des gaz d'échappement dans cette deuxième boucle 20 est ainsi renforcé pour faciliter la dépollution et accroitre les performances du moteur 3. Cette solution présente l'inconvénient d'engendrer une contrepression trop élevée, qui va diminuer excessivement les performances du moteur 3, et n'est donc pas non plus satisfaisante. En se référant à la figure 3, selon un mode de réalisation préféré d'un groupe motopropulseur 100 selon l'invention, un moyen mis en oeuvre pour résoudre ce problème d'insuffisance de débit dans cette deuxième boucle EGR 20, consiste à monter un compresseur électrique 30 en parallèle sur la ligne d'admission 2. Ce compresseur électrique 30 est relié à la ligne d'admission 2 au moyen d'un canal amont 31 et d'un canal aval 32. Le canal amont 31 prend naissance sur la ligne d'admission 2, en un point situé en aval du point de raccordement 25 de ladite deuxième boucle 20 EGR sur ladite ligne d'admission 2. Le canal aval 32 débouche dans la ligne d'admission 2, en un point situé entre le point de raccordement 33 du canal amont 31 sur ladite ligne 2, et le compresseur 8. La ligne d'admission 2 comprend un volet 24 entre le point où naît le canal amont 31 et le point où débouche le canal aval 32. Le compresseur électrique 30 est activé au moyen d'une source électrique pilotée par une unité de calcul. Il est donc autonome et peut être activé indépendamment de l'état des autres éléments constitutifs du groupe motopropulseur 100, et des conduits reliant lesdits éléments. Par conséquent, lorsqu'il est réclamé un débit important de gaz d'échappement dans la deuxième boucle 20 EGR, la vanne EGR 22 est ouverte et le compresseur électrique 30 est activé pour aspirer lesdits gaz d'échappement dans ladite boucle 20. Selon le degré d'ouverture du volet 24, une proportion plus ou moins grande des gaz est orientée vers le compresseur électrique 30. Ces gaz sont d'abord aspirés dans le canal amont 31 avant d'être comprimés par le compresseur électrique 30, puis d'être envoyés, via le canal aval 32, vers le compresseur 8 du turbocompresseur. De cette manière, les gaz d'échappement en provenance de la deuxième boucle EGR 20 arrivent au niveau dudit compresseur 8 en étant déjà comprimés.

A titre d'exemple, selon un premier de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un groupe motopropulseur 100 selon l'invention, lorsque le véhicule est utilisé à bas ou à moyen régime, la deuxième boucle 20 EGR est ouverte via la vanne EGR 22, pour permettre le passage des gaz d'échappement dans la ligne d'admission 2. Simultanément, le compresseur électrique 30 est activé pour mettre en pression lesdits gaz d'échappement avant qu'ils ne parviennent au compresseur 8 du turbocompresseur. Le volet 24 est fermé au moins partiellement pour forcer le passage d'au moins une partie des gaz dans le canal amont 31, vers le compresseur 30. Pour de tels régimes, pour lesquels les performances du moteur 3 ne sont pas recherchées, la deuxième boucle 20 EGR et le compresseur électrique 30 vont assurés une unique fonction de dépollution. A titre d'exemple, selon un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un groupe motopropulseur 100 selon l'invention, lorsque le véhicule est à fort régime, seul le turbocompresseur 8, 9 est sollicité pour assurer les performances du véhicule ainsi que la dépollution. Dans ces conditions, la deuxième boucle 20 EGR reste fermée, et le compresseur électrique 30 n'est alors pas activé. Le volet 24 est au moins partiellement ouvert.20

Claims

REVENDICATIONS1. Groupe motopropulseur (100) d'un véhicule comprenant un moteur (3), une ligne d'admission (2) d'air frais apte à alimenter ledit moteur (3), une ligne d'échappement (4) apte à évacuer les gaz d'échappement issus dudit moteur (3) et une boucle (20) de recyclage reliant ladite ligne d'échappement (4) à ladite ligne d'admission (2) et permettant d'acheminer des gaz d'échappement vers la ligne d'admission (2), caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur autonome (30) relié à la ligne d'admission (2) et permettant d'aspirer les gaz d'échappement en provenance de ladite boucle (20) et de les réinjecter avec une pression accrue dans ladite ligne d'admission (2).
2. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur autonome est un compresseur électrique (30).
3. Groupe motopropulseur d'un véhicule selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un turbocompresseur constitué d'un compresseur (8) placé sur la ligne d'admission (2) d'air et une turbine (9) placée sur la ligne d'échappement (4), et en ce que la boucle (20) de recyclage se raccorde à la ligne d'admission (2) en amont du compresseur (8) du turbocompresseur, le compresseur autonome (30) permettant de réinjecter les gaz d'échappement issus de la boucle (20) dans une zone de ladite ligne d'admission (2) située en amont du compresseur (8) du turbocompresseur.
4. Groupe motopropulseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compresseur autonome (30) est monté en parallèle sur la ligne d'admission (2).
5. Groupe motopropulseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le compresseur autonome (30) est relié à la ligne d'admission (2) au moyen d'un canal amont (31) et d'un canal aval (32), de sorte que les gaz de la boucle (20) transitent d'abord par le canal amont (31) avantd'être mis sous pression par le compresseur autonome (30) puis d'être ensuite réacheminés sous pression dans la ligne d'admission (2), en amont du compresseur (8).
6. Groupe motopropulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le canal amont (31) prend naissance sur la ligne d'admission (2) en un point (33) situé en aval du point de raccordement (25) de la boucle (20) à ladite ligne d'admission (2).
7. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le canal aval (32) débouche dans la ligne d'admission (2) en un point situé entre le point (33) de raccordement du canal amont (31) à ladite ligne (2) et le compresseur (8) du turbocompresseur.
8. Groupe motopropulseur selon la revendication 7, caractérisé en ce la ligne d'admission (2) comprend un volet (24) entre le point où naît le canal amont (31) et le point où débouche le canal aval (32), et en ce que le degré d'ouverture dudit volet (24) permet d'orienter une proportion plus ou moins grande du flux gazeux vers le compresseur autonome (30).
9. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (4) comprend un dispositif de dépollution (16, 17) des gaz d'échappement situé en aval de la turbine (9), et en ce que la boucle (20) de recyclage prend naissance sur ladite ligne d'échappement (4) en un point (27) situé en aval dudit dispositif de dépollution (16, 17).
10.Procédé d'utilisation d'un groupe motopropulseur (100) de véhicule selon la revendication8, ledit véhicule étant à bas ou à moyen régime, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape d'ouverture de la boucle (20) afin d'acheminer des gaz d'échappement vers la ligne d'admission (2),une étape d'activation du compresseur autonome (30) afin d'augmenter le débit des gaz d'échappement dans la ligne d'admission (2), - une étape de fermeture au moins partielle du volet (24).
11.Procédé d'utilisation d'un groupe motopropulseur (100) de véhicule selon la revendication8, ledit véhicule étant fort régime, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de fermeture de la boucle (20), - une étape de désactivation du compresseur autonome (30), - une étape d'ouverture au moins partielle du volet (24).