FR3036743A1 - Dispositif d'alimentation d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

La présente invention propose un dispositif d'alimentation (50) d'un moteur (1) à combustion interne, comportant : - Un circuit d'admission (2) agencé pour alimenter en gaz comburant le moteur (1), - Un circuit de recirculation (3) de gaz d'échappement, permettant de faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission (2) du moteur (1), - Au moins deux compresseurs de suralimentation (5a, 5b), permettant d'accroitre la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission (2), le circuit de recirculation (3) étant agencé de telle sorte que les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation traversent un seul des compresseurs de suralimentation (5a, 5b).

Description

1 Dispositif d'alimentation d'un moteur à combustion interne La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un moteur à combustion interne. On connait, par exemple par le brevet US 8 862 369, le principe de recirculer à l'admission une partie des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'automobile. Le fait de diluer l'air admis dans le moteur par des gaz d'échappement modifie le déroulement de la combustion du mélange carburé. Ainsi, la présence des gaz d'échappement, qui sont inertes chimiquement, et qui présentent une capacité calorifique élevée, permet de diminuer la température de combustion. Appliquée à un moteur à allumage par compression, encore appelé moteur diesel, la recirculation de gaz d'échappement permet de réduire les émissions d'oxydes d'azote. Appliquée à un moteur à allumage commandé, qu'il soit alimenté par de l'essence ou par du gaz, la recirculation de gaz d'échappement permet de réduire la consommation de carburant. La sévérisation des normes d'émissions de polluants, ainsi que la tendance à diminuer la cylindrée des moteurs afin de réduire leur consommation de carburant, ont eu tendance à augmenter les débits de gaz d'échappement recirculés nécessaires. La recirculation de gaz d'échappement est ainsi largement employée sur les moteurs suralimentés. Afin d'obtenir des débits importants de gaz recirculés, il est d'usage de réintroduire au moins une partie des gaz recirculés en amont du compresseur de suralimentation. La différence de pression existant entre l'échappement et l'admission est en effet favorable à l'obtention d'un débit important. En parallèle de ses avantages, la recirculation de gaz d'échappement entraine également des difficultés. Les gaz d'échappement peuvent contenir des résidus de combustion, ainsi que des gouttelettes d'eau. Une partie des résidus de combustion se présente sous la forme de particules solides.
Lorsque les gaz d'échappement recirculés sont amenés à traverser le compresseur de suralimentation, la roue du compresseur doit être renforcée pour augmenter sa résistance mécanique à l'abrasion ainsi que sa résistance à la corrosion. En effet, l'impact des particules solides ou liquides peut endommager les ailettes de la roue de compresseur, en raison de la vitesse en périphérie des ailettes. Un acier plus résistant que celui employé habituellement doit alors être utilisé. Un traitement de surface spécifique peut également être appliqué à la roue de compresseur. Le prix de revient du compresseur est ainsi augmenté.
3036743 2 Le but de l'invention est de limiter le surcout du compresseur, tout en permettant d'améliorer la gestion des phases transitoires. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'alimentation d'un moteur à combustion interne, comportant : 5 Un circuit d'admission agencé pour alimenter en gaz comburant le moteur, Un circuit de recirculation de gaz d'échappement, permettant de faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission du moteur, Au moins deux compresseurs de suralimentation, permettant d'accroitre 10 la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission, le circuit de recirculation étant agencé de telle sorte que les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation traversent un seul des compresseurs de suralimentation. Seul le compresseur traversé par les gaz d'échappement recirculés nécessite d'être renforcé. Le ou les autres compresseurs peuvent se conformer à la spécification standard. Le surcout 15 est donc minimisé. Selon un mode de réalisation, les compresseurs comportent un arbre de rotation commun. Deux roues de compresseur sont ainsi accolées et forment un ensemble compact. Dans ce cas, les compresseurs sont solidaires en rotation d'une unique turbine agencée pour récupérer l'énergie des gaz d'échappement. On parle alors de turbocompresseur.
20 Selon un autre mode de réalisation, les compresseurs sont chacun solidaire en rotation d'une turbine agencée pour récupérer l'énergie des gaz d'échappements, chacune des turbines étant dédiée à un compresseur. Le compresseur traversé seulement par les gaz d'échappement recirculés peut être choisi de plus petite taille que l'autre compresseur, puisqu'il est traversé par un débit plus faible. Son moment d'inertie est ainsi plus faible et 25 son temps de réponse plus rapide. La gestion des phases transitoires est améliorée. Selon un mode de réalisation, le compresseur traversé par les gaz d'échappement est un compresseur électrique. Un compresseur entrainé par un moteur électrique permet de diminuer encore le temps de réponse par rapport à un compresseur solidaire d'une turbine mue par les gaz d'échappement.
30 Selon un autre mode de réalisation, le compresseur traversé par les gaz d'échappement est assisté par un moteur électrique. L'assistance électrique procurée au turbocompresseur permet de diminuer le temps de réponse par rapport à un turbocompresseur entrainé par 3036743 3 les seuls gaz d'échappement, et permet également de récupérer de l'énergie électrique dans les phases où le travail mécanique récupéré par la turbine est supérieur au travail nécessaire pour comprimer les gaz d'admission. Avantageusement, le dispositif comporte un circuit d'échappement sur lequel se raccorde le 5 circuit de recirculation des gaz d'échappement, ce raccord étant en aval de l'ensemble des turbines. Les turbines sont ainsi traversées par l'intégralité des gaz d'échappement, et peuvent récupérer le maximum d'énergie. De préférence, le circuit de recirculation des gaz d'échappement est raccordé au circuit d'échappement en aval d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement. Le 10 dispositif de post-traitement peut être un filtre à particules. Les gaz d'échappement contiennent ainsi moins de particules abrasives et sont moins agressifs pour les aubes de la roue de compresseur. Avantageusement, le dispositif comporte un circuit d'échappement sur lequel se raccorde le circuit de recirculation des gaz d'échappement, le raccordement étant en amont de 15 l'ensemble des turbines. La pression des gaz à l'entrée du circuit de recirculation est alors supérieure à la pression obtenue avec un piquage en aval des turbines, ce qui est favorable à l'obtention d'un débit élevé de gaz recirculés. En variante, le dispositif comporte un circuit d'échappement sur lequel se raccorde le circuit de recirculation des gaz d'échappement, le raccordement étant sur une portion de circuit 20 située simultanément en aval d'une turbine et en amont d'une autre. Selon un mode de réalisation, le circuit de recirculation comporte un échangeur de chaleur traversé par les gaz recirculés. Les effets positifs des gaz recirculés sur la combustion sont améliorés lorsque ceux ci sont en plus refroidis avant d'être réintroduits dans le moteur, que le moteur soit un moteur à allumage commandé ou un moteur à allumage par compression.
25 De préférence, le dispositif comporte une vanne de dosage agencée pour contrôler le débit de gaz traversant le circuit de recirculation. La vanne comporte un élément mobile capable de modifier la section de passage du circuit de recirculation des gaz d'échappement. Cet élément mobile peut être une soupape, la section de passage dépendant de la levée de la soupape. L'élément mobile peut aussi être un volet rotatif, la section de passage variant en 30 fonction de la position en rotation du volet. L'élément mobile peut également être un boisseau rotatif.
3036743 4 Selon un mode de réalisation, la vanne de dosage est agencée pour être traversée uniquement par les gaz d'échappement recirculés. En variante, la vanne de dosage est agencée pour assurer le mélange des gaz recirculés et d'une partie des gaz frais admis dans le moteur à combustion. Le mélange des gaz 5 d'échappement recirculés et de l'air frais est réalisé en amont du dispositif de suralimentation. Ce dispositif de suralimentation possédant une inertie réduite par rapport à l'autre dispositif de suralimentation, son temps de réaction est plus rapide, et l'air frais comprimé génère du couple moteur plus rapidement. Avantageusement, la vanne de dosage est agencée pour contrôler le débit d'air frais 10 mélangé aux gaz recirculés. La vanne de dosage comporte plusieurs organes de dosage dans un même corps de vanne, permettant de faire varier indépendamment la section de passage du circuit de recirculation et la section de passage du conduit de la vanne traversé par les gaz frais. Une fermeture partielle du conduit traversé par les gaz frais permet de créer une dépression en aval de l'organe de réglage du débit. La différence de pression entre l'entrée 15 et la sortie du circuit de recirculation des gaz d'échappement peut ainsi être augmentée afin d'obtenir un débit plus élevé de gaz recirculés. Selon un mode de réalisation, la turbine comporte un dispositif permettant de faire varier la section de passage des gaz à l'entrée de la turbine. Le rendement thermodynamique de la turbine peut ainsi être amélioré. L'efficacité du turbocompresseur est améliorée, 20 particulièrement pour les faibles régimes de rotation du moteur. Avantageusement, le nombre de compresseurs de suralimentation est égal à deux. Deux compresseurs de suralimentation permettent d'obtenir les avantages de l'invention tout en limitant la complexité de l'implantation des différents organes mécaniques. L'invention se rapporte également à un ensemble comportant : 25 - Un moteur à combustion - Un dispositif d'alimentation tel que décrit précédemment, pour alimenter le moteur à combustion. Selon un mode de réalisation, le moteur est de type à allumage commandé. La recirculation de gaz d'échappement permet d'éliminer ou de réduire les difficultés présentes sur les 30 moteurs fortement suralimentés : tendance au cliquetis, températures d'échappement élevées nécessitant un enrichissement du mélange carburé.
3036743 5 En variante, le moteur est de type à allumage par compression. La recirculation de gaz d'échappement permet notamment de réduire les émissions d'oxyde d'azote. L'invention concerne également un procédé d'alimentation d'un moteur à combustion interne, comportant les étapes suivantes : 5 alimenter en gaz comburant un moteur à l'aide d'un circuit d'admission, faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission du moteur à l'aide d'un circuit de recirculation de gaz d'échappement, accroitre la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission à l'aide d'au moins deux compresseurs de suralimentation, 10 les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation traversant un seul des compresseurs de suralimentation. L'utilisation du procédé permet ainsi de n'appliquer le traitement de renforcement au seul compresseur traversé par les gaz d'échappement recirculés. Le surcout lié au traitement est ainsi minimisé. De plus, ce compresseur étant traversé par une fraction du débit total, il peut être plus petit et posséder un meilleur temps 15 de réponse. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures. La figure 1 représente, de manière schématique, un moteur à combustion équipé d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention comportant une turbine unique, 20 La figure 2 représente, de manière schématique, un moteur à combustion équipé d'un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention, comportant deux turbines, La figure 3 représente, de manière schématique, une variante du mode de réalisation de la figure 2 comportant une vanne de recirculation de type deux 25 voies. On a représenté sur la figure 1 un ensemble 100 comportant : Un moteur à combustion 1, Un dispositif d'alimentation 50, pour alimenter le moteur à combustion. Le moteur 1 est de type à allumage commandé. Des bobines d'allumage assurent la création 30 de l'étincelle déclenchant la combustion du mélange air / carburant. Le carburant est procuré au moteur 1 par les injecteurs 29. Le dispositif d'alimentation 50 du moteur 1 comporte : 3036743 6 Un circuit d'admission 2 agencé pour alimenter en gaz comburant le moteur 1, Un circuit de recirculation 3 de gaz d'échappement, permettant de faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission 2 du moteur 1, 5 Deux compresseurs de suralimentation 5a, 5b, permettant d'accroitre la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission 2, le circuit de recirculation 3 étant agencé de telle sorte que les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation 3 traversent un seul des compresseurs de suralimentation 5a, 5b.
10 Seul le compresseur 5b traversé par les gaz d'échappement recirculés nécessite d'être renforcé. Le ou les autres compresseurs peuvent rester standard, car ils n'ont pas à résister à l'impact des particules solides et liquides pouvant êtres présentes dans les gaz d'échappement. Le surcout induit par le traitement visant à renforcer la roue de compresseur est donc minimisé.
15 L'air frais est admis dans le circuit d'admission 2 par l'entrée d'air 12. Une partie de l'air frais traverse la portion de circuit 14 pour rejoindre l'entrée d'aspiration du compresseur de suralimentation 5a, ressort de la volute du compresseur 5a avec une pression accrue, et emprunte la portion de circuit 15. Selon le mode de réalisation de la figure 1, les compresseurs 5a, 5b comportent un arbre de 20 rotation 6 commun. Les roues de compresseur sont ainsi accolées, et sont solidaires en rotation d'une unique turbine 7 agencée pour récupérer l'énergie des gaz d'échappement. La turbine 7 assure ainsi l'entrainement des compresseurs 5a, 5b. Les gaz d'échappement, résultant de la combustion se produisant dans chacun des cylindres du moteur 1 sont rassemblés par le collecteur d'échappement 24, puis rejoignent la turbine 7.
25 Après détente dans la turbine 7, les gaz d'échappement parcourent la portion de circuit 25 jusqu'à leur entrée dans un dispositif de post-traitement 9 des gaz d'échappement. Selon le mode de réalisation de la figure 2, les compresseurs 5a, 5b sont chacun solidaire en rotation d'une turbine 7,8 agencée pour récupérer l'énergie des gaz d'échappements, chacune des turbines 7,8 étant dédiée à un compresseur 5a, 5b. Le compresseur 5b, qui est 30 traversé par un débit de gaz plus faible que le compresseur 5a, peut être choisi de plus petite taille que le compresseur 5a. Son moment d'inertie est ainsi plus faible et son temps de réponse plus rapide. La gestion des phases transitoires de fonctionnement moteur est 3036743 7 améliorée. Les gaz d'échappement, après détente dans la première turbine 7, parcourent la portion de circuit 25a jusqu'à la deuxième turbine 8. Après détente dans la turbine 8, les gaz parcourent la portion de circuit 25b jusqu'à leur entrée dans un dispositif de post-traitement 9 des gaz d'échappement.
5 Le dispositif de post-traitement 9 comporte un catalyseur assurant l'oxydation et la réduction des polluants présents dans les gaz d'échappement. Le dispositif de post-traitement 9 peut aussi comporter un filtre à particules. Selon un autre mode de réalisation, non représenté, le compresseur traversé par les gaz d'échappement est un compresseur électrique. Un compresseur entrainé par un moteur 10 électrique permet de diminuer le temps de réponse par rapport à un compresseur solidaire d'une turbine mue par les gaz d'échappement. Selon un autre mode de réalisation, également non représenté, le compresseur traversé par les gaz d'échappement est assisté par un moteur électrique. L'assistance électrique permet de diminuer le temps de réponse par rapport à un turbocompresseur, et permet également 15 de récupérer de l'énergie électrique dans les phases où le travail mécanique récupéré par la turbine est supérieur au travail nécessaire pour comprimer les gaz d'admission. Le dispositif d'alimentation 50 comporte un circuit d'échappement 4 sur lequel se raccorde le circuit de recirculation 3 des gaz d'échappement. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le raccord 26, marquant l'entrée du circuit de recirculation 3, est disposé en 20 aval de l'ensemble des turbines 7,8. La ou les turbines 7,8 sont ainsi traversées par l'intégralité des gaz d'échappement, et peuvent ainsi récupérer le maximum d'énergie. Le circuit de recirculation 3 des gaz d'échappement est raccordé au circuit d'échappement 4 en aval d'un dispositif de post-traitement 9 des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement contiennent ainsi moins de particules abrasives et sont moins agressifs pour les aubes de la 25 roue du compresseur 5b. Selon un mode de réalisation non représenté, le dispositif d'alimentation comporte un circuit d'échappement sur lequel se raccorde le circuit de recirculation des gaz d'échappement, le raccordement étant en amont de l'ensemble des turbines. La pression des gaz à l'entrée du circuit de recirculation est alors supérieure à la pression obtenue avec 30 un piquage en aval des turbines, ce qui est favorable à l'obtention d'un débit élevé de gaz recirculés.
3036743 8 Selon un autre mode de réalisation non représenté, le dispositif comporte un circuit d'échappement sur lequel se raccorde le circuit de recirculation des gaz d'échappement, le raccordement étant sur une portion de circuit située simultanément en aval d'une turbine et en amont d'une autre.
5 Le circuit de recirculation 3 comporte un échangeur de chaleur 10 traversé par les gaz recirculés. La portion de circuit 27 achemine les gaz d'échappement recirculés vers l'échangeur de chaleur 10, qui refroidit les gaz d'échappement recirculés avant leur réintroduction dans le moteur 1. Les gaz sortant de l'échangeur parcourent la portion de circuit 28.
10 Le dispositif comporte une vanne de dosage 11 agencée pour contrôler le débit de gaz traversant le circuit de recirculation 3. La vanne 11 comporte un élément mobile capable de modifier la section de passage des gaz la traversant. Sur les modes de réalisation des figures 1 à 3, L'élément mobile permettant de faire varier la section efficace du circuit de recirculation 3 est un volet rotatif. Ce type de vanne possède une bonne perméabilité, c'est- 15 à-dire qu'elle engendre peu de perte de charge dans le circuit de recirculation 3. Selon le mode de réalisation de la figure 3, la vanne de dosage 11 est agencée pour être traversée uniquement par les gaz d'échappement recirculés. Les gaz d'échappement pénètrent dans la vanne 11 par la portion de circuit 28 et en ressortent par la portion de circuit 17, qui rejoint l'entrée du compresseur de suralimentation 5b.
20 Selon le mode de réalisation de la figure 2, la vanne de dosage 11 est agencée pour assurer le mélange des gaz recirculés et d'une partie des gaz frais admis dans le moteur à combustion. La vanne 11 est de type « 3 voies », avec deux entrées et une sortie. L'un des flux entrant dans la vanne 11 comporte les gaz d'échappement recirculés dans la portion de circuit 28. L'autre flux entrant dans la vanne 11 comporte l'air frais circulant dans la portion 25 de circuit 16. Ces deux flux se mélangent dans la vanne 11 et ressortent en empruntant la portion de circuit 17 menant au compresseur 5b. Toujours selon le mode de réalisation de la figure 2, La vanne de dosage est agencée pour contrôler le débit d'air frais mélangé aux gaz recirculés. La vanne de dosage 11 comporte plusieurs organes de dosage dans un même corps de vanne, permettant de faire varier 30 indépendamment la section de passage du conduit de la vanne traversé par les gaz d'échappement recirculés et la section de passage du conduit de la vanne traversé par les gaz frais. Une fermeture partielle du conduit traversé par les gaz frais permet de créer une 3036743 9 dépression en aval de l'organe de réglage du débit. La différence de pression entre l'entrée et la sortie du circuit de recirculation 3 des gaz d'échappement peut ainsi être augmentée afin d'obtenir un débit plus élevé de gaz recirculés. Selon un mode de réalisation, la turbine 7,8 comporte un dispositif permettant de faire 5 varier la section de passage des gaz à l'entrée de la turbine 7,8. L'énergie procurée à la turbine par les gaz d'échappement peut ainsi être mieux contrôlée. Le mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés est comprimé dans le compresseur 5b, puis emprunte la portion de circuit 18. Ce flux rejoint, au point 19, le flux de gaz sortant du compresseur 5a. Ces deux flux se 10 mélangent et parcourent la portion de circuit 20. Le débit de gaz admis dans le moteur 1 est contrôlé par le boitier papillon 21. Après refroidissement dans l'échangeur 22, le mélange contenant l'air comburant est admis dans le répartiteur d'admission 23, puis dans le moteur 1 où la combustion a lieu et génère le travail mécanique. Selon un mode de réalisation non représenté, le moteur est de type à allumage par 15 compression. La recirculation de gaz d'échappement a alors notamment pour but de diminuer les émissions d'oxyde d'azote. L'invention concerne également un procédé d'alimentation d'un moteur 1 à combustion interne, comportant les étapes suivantes : alimenter en gaz comburant le moteur 1 à l'aide d'un circuit d'admission 20 2, faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission 2 du moteur 1 à l'aide d'un circuit de recirculation 3 de gaz d'échappement, accroitre la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission 2 à l'aide d'au moins deux compresseurs de suralimentation 5a, 5b, 25 les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation 3 traversant un seul des compresseurs de suralimentation. L'utilisation du procédé permet ainsi de n'appliquer le traitement de renforcement de la roue de compresseur au seul compresseur traversé par les gaz d'échappement recirculés. Le surcout lié au traitement est ainsi minimisé. De plus, ce compresseur étant traversé par une fraction du débit total, il peut être plus petit et posséder 30 un meilleur temps de réponse.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'alimentation (50) d'un moteur (1) à combustion interne, comportant : Un circuit d'admission (2) agencé pour alimenter en gaz comburant le moteur (1), Un circuit de recirculation (3) de gaz d'échappement, permettant de faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission (2) du moteur (1), Au moins deux compresseurs de suralimentation (5a, 5b), permettant d'accroitre la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission (2), caractérisé en ce que le circuit de recirculation (3) est agencé de telle sorte que les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation (3) traversent un seul des compresseurs de suralimentation (5a, 5b).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, les compresseurs (5a, 5b) comportant un arbre de rotation (6) commun.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, les compresseurs (5a, 5b) étant chacun solidaire en rotation d'une turbine (7, 8) agencée pour récupérer l'énergie des gaz d'échappements, chacune des turbines (7, 8) étant dédiée à un compresseur.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 1, le compresseur traversé par les gaz d'échappement étant un compresseur électrique.
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, le circuit de recirculation des gaz d'échappement étant raccordé à un circuit d'échappement (4) en aval d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement.
  6. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant une vanne de dosage (11) agencée pour contrôler le débit de gaz traversant le circuit de recirculation (3).
  7. 7. Dispositif selon la revendication précédente, la vanne de dosage (11) étant agencée pour être traversée uniquement par les gaz d'échappement recirculés.
  8. 8. Dispositif selon la revendication 6, la vanne de dosage (11) étant agencée pour assurer le mélange des gaz recirculés et d'une partie des gaz frais admis dans le moteur à combustion (1). 3036743 11
  9. 9. Dispositif selon la revendication précédente, la vanne de dosage (11) étant agencée pour contrôler le débit d'air frais mélangé aux gaz recirculés.
  10. 10. Ensemble (100) comportant : - Un moteur à combustion (1), 5 - Un dispositif d'alimentation (50) selon l'une des revendications précédentes, pour alimenter le moteur à combustion (1).
  11. 11. Procédé d'alimentation d'un moteur à combustion interne, comportant les étapes suivantes : alimenter en gaz comburant un moteur (1) à l'aide d'un circuit 10 d'admission (2), faire circuler des gaz d'échappement vers le circuit d'admission (2) du moteur (1) à l'aide d'un circuit de recirculation (3) de gaz d'échappement, accroitre la pression des gaz circulant dans le circuit d'admission (2) à l'aide d'au moins deux compresseurs de suralimentation (5a, 5b), 15 caractérisé en ce que les gaz d'échappement recirculés dans ce circuit de recirculation (3) traversent un seul des compresseurs de suralimentation (5a, 5b).
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