FR3053397A1 - Dispositif et methode de controle de l'introduction d'air et de gaz d'echappement a l'admission d'un moteur a combustion interne suralimente - Google Patents

Dispositif et methode de controle de l'introduction d'air et de gaz d'echappement a l'admission d'un moteur a combustion interne suralimente Download PDF

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Abstract

Dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers l'entrée de la turbine, et un conduit EGR (18, 21) entre une sortie de gaz d'échappement et une conduite d'admission d'air comprimé (4). Le dispositif se caractérise en ce que le conduit de transfert partiel et le conduit EGR comportent au moins une portion commune (18).

Description

© N° de publication : 3 053 397 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 56168 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © IntCI8 : F 02 D 23/00 (2017.01), F 02 D 21/08, 43/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 30.06.16. © Demandeur(s) : IFP ENERGIES NOUVELLES Etablis-
(© Priorité : sement public — FR.
@ Inventeur(s) : COLLIOU THIERRY, WALTER
BRUNO et VENTURI STEPHANE.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 05.01.18 Bulletin 18/01.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ® Titulaire(s) : IFP ENERGIES NOUVELLES Etablisse-
apparentés : ment public.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : IFP ENERGIES NOUVELLES.
P4/ DISPOSITIF ET METHODE DE CONTROLE DE L'INTRODUCTION D'AIR ET DE GAZ D'ECHAPPEMENT A L'ADMISSION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE SURALIMENTE.
© Dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à
FR 3 053 397 - A1 l'admission d'un moteur a combustion interne suralimente comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers l'entrée de la turbine, et un conduit EGR (18, 21) entre une sortie de gaz d'échappement et une conduite d'admission d'air comprimé (4). Le dispositif se caractérise en ce que le conduit de transfert partiel et le conduit EGR comportent au moins une portion commune (18).
Figure FR3053397A1_D0001
Figure FR3053397A1_D0002
La présente invention se rapporte à des architectures et à un dispositif de contrôle d’un dispositif d’introduction de la quantité d'air à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, notamment d'un moteur stationnaire ou pour un véhicule automobile ou industriel.
En particulier, la présente invention est adaptée à des moteurs, notamment des moteurs Diesel, équipés d’un circuit de recirculation de gaz d’échappement.
Comme cela est largement connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est dépendante de la quantité d’air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d’air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air.
Ainsi, il est habituel d'augmenter cette quantité d'air au moyen d’une compression de l’air extérieur avant qu'il ne soit admis dans cette chambre de combustion. Cette opération, appelée suralimentation, peut être réalisée par tous moyens, tel qu'un turbocompresseur ou un compresseur entraîné, qui peut être centrifuge ou volumétrique.
Dans le cas d'une suralimentation par un turbocompresseur, ce dernier comprend une turbine rotative, à simple flux ou à double flux, reliée par un axe à un compresseur rotatif. Les gaz d'échappement issus du moteur traversent la turbine qui est alors entraînée en rotation. Cette rotation est ensuite transmise au compresseur qui, de par sa rotation, comprime l'air extérieur avant qu'il ne soit introduit dans la chambre de combustion.
Comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet français N° 2 478 736, il est prévu, pour pouvoir amplifier de manière significative cette quantité d'air comprimé dans la chambre de combustion du moteur, d'augmenter encore plus la compression de l'air extérieur par le compresseur.
Cela se réalise plus particulièrement en augmentant la vitesse de rotation de la turbine et donc du compresseur.
Pour cela, il est utilisé un circuit amplificateur de fluide, dit circuit Boost, grâce auquel une partie de l'air comprimé sortant du compresseur est déviée pour être admis directement à l'entrée de la turbine en se mélangeant avec les gaz d'échappement. Cette turbine est alors traversée par une plus grande quantité de fluide (mélange d'air comprimé et de gaz d'échappement), ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation de la turbine et par conséquence du compresseur. Cette augmentation de vitesse du compresseur permet ainsi d'augmenter la pression de l'air extérieur qui sera comprimé dans ce compresseur puis introduit dans la chambre de combustion du moteur.
Par cela, l'air comprimé a une densité plus élevée ce qui permet d'accroitre la quantité d'air contenue dans la chambre de combustion.
Ce type de moteur suralimenté, bien que donnant satisfaction, présente néanmoins des inconvénients non négligeables.
En effet, le débit de l'air comprimé qui est admis à l'entrée de la turbine n’est pas correctement contrôlé, ce qui peut entraîner un dysfonctionnent du moteur.
Ainsi, à titre d'exemple, en cas de trop grande quantité d'air comprimé déviée à l'entrée de la turbine, les gaz d'échappement entrant dans la turbine sont refroidis de manière trop importante par cet air et amène une diminution du rendement global de la suralimentation.
De plus, une des principales difficultés avec le présent concept de suralimentation avec un circuit Boost réside dans sa compatibilité avec la recirculation des gaz d’échappement. En effet, la plupart des moteurs Diesel sont équipés d’un circuit de recirculation de gaz d’échappement, dit circuit EGR pour Exhaust Gas Recirculation, pour limiter à la source les émissions de NOx.
La recirculation de gaz d’échappement se fait généralement au moyen d’un circuit EGR HP (Exhaust Gas Recirculation Haute Pression) prélevant le gaz d'échappement en amont de la turbine pour le renvoyer en aval du compresseur de l’air d’admission. La circulation des gaz brûlés recirculés étant exactement l’inverse de celle de l’air dérivé du circuit Boost, on risque un conflit entre les deux circuits avec une annulation des effets. II est donc nécessaire de définir une architecture de boucle d’air spécifique permettant de rendre le circuit Boost et le circuit EGR HP compatibles.
On connaît le document EP 1 138 928 qui décrit un circuit EGR et un circuit Boost distincts en tous points, ce qui impose une construction et des commandes complexes.
Au contraire, la présente invention concerne une architecture optimisée de la boucle d’air et de recirculation de gaz d’échappement du moteur permettant d’utiliser sur un même moteur de « l’EGR HP» ou « Boost », tout en évitant une complexité trop élevée pour les conduits et les commandes respectifs.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur avec une turbine connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur d'air extérieur, un conduit de transfert partiel de l'air comprimé du compresseur vers l’entrée de la turbine, et un conduit de recirculation de gaz brûlés entre une sortie de gaz d’échappement et une conduite d’admission d’air comprimé, caractérisé en ce que ledit conduit de transfert partiel et ledit conduit de recirculation de gaz brûlés comportent au moins une portion commune.
Le dispositif peut comporter un système de vannage commandé sur le circuit de transfert partiel d’air comprimé et sur le circuit EGR pour contrôler la recirculation des gaz d'échappement EGR, ou pour contrôler le transfert partiel d’air comprimé vers la turbine (8).
Le système de vannage peut comprendre au moins une vanne sur le circuit pour la recirculation des gaz d'échappement EGR et une vanne sur le conduit de transfert partiel.
Le conduit de transfert partiel peut être relié soit en amont, soit en aval d’un échangeur thermique sur le conduit d’air comprimé.
Le système de vannage peut comporter au moins une vanne trois voies.
Le conduit de transfert partiel peut comprendre un échangeur pour la recirculation des gaz d'échappement.
La présente invention concerne également une méthode de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur avec une turbine connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur d'air extérieur, un conduit de transfert partiel de l'air comprimé du compresseur vers l’entrée de la turbine, et un conduit pour la recirculation des gaz d'échappement entre une sortie de gaz d’échappement et une conduite d’admission d’air comprimé, caractérisée en ce que l’on utilise une portion commune de conduit pour ledit conduit de transfert partiel et ledit conduit pour la recirculation des gaz d'échappement.
On peut commander un système de vannage pour réaliser soit la recirculation des gaz d'échappement, soit le transfert partiel d’air comprimé.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées :
- la figure 1 qui illustre un moteur à combustion interne avec son dispositif de suralimentation et son circuit EGR HP utilisés selon l'invention ;
- la figure 2 qui montre une variante du moteur à combustion interne selon l'invention ;
- les figures 3 et 4 qui illustrent d’autres variantes du moteur à combustion interne selon l’invention.
Sur la figure 1, le moteur à combustion interne 1 comprend au moins deux cylindres, ici quatre cylindres référencés 121 à 124 à partir de la gauche de la figure.
De manière préférentielle, ce moteur est un moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, mais cela n'écarte en aucune manière tout autre type de moteur à combustion interne.
Chaque cylindre comprend des moyens d'admission avec au moins une soupape d'admission contrôlant une tubulure d'admission 2. Les tubulures d'admission aboutissent à un collecteur d'admission 3 alimenté par un conduit d'alimentation 4 en air d'admission, tel que de l'air comprimé.
Chaque cylindre comprend aussi des moyens d'échappement des gaz brûlés avec au moins une soupape d'échappement contrôlant une tubulure d'échappement 5 aboutissant à un collecteur d'échappement 6.
Le collecteur d'échappement 6 aboutit à un turbocompresseur 7 utilisé pour la compression de l'air et plus particulièrement à la turbine de détente 8 de ce turbocompresseur.
Comme illustré sur la figure 1, le turbocompresseur est un turbocompresseur à simple entrée.
L’invention ne se limite pas à un turbocompresseur simple entrée, elle est aussi applicable aux turbocompresseurs double entrées dit « Twin scroll >>, voire même à des turbocompresseurs à n entrée avec n supérieur ou égal à 2.
L'évacuation de gaz 9 de la turbine 8 est raccordée conventionnellement à la ligne d'échappement du moteur.
Le compresseur 10 du turbocompresseur 7 comporte une admission d'air extérieur 11 alimentée par une conduite d'alimentation. La sortie d'air comprimé de ce compresseur est reliée au conduit d'alimentation 4 du collecteur d'admission 3 par une conduite 12. On note 13 le point de jonction entre les conduits 4 et 12.
Avantageusement, il peut être prévu de placer un échangeur de refroidissement de l'air comprimé 14 sur la conduite 12, entre le compresseur 10 et la conduite 4.
Comme mieux visible sur la figure 1, un conduit de transfert 15 permet de faire circuler une partie de l'air comprimé sortant du compresseur 10 vers l’entrée de la turbine 8.
Plus précisément, ce conduit de transfert partiel prend naissance sur la conduite 12, à un point de d'intersection 16 entre le compresseur et l'échangeur de refroidissement 14, et se raccorde ensuite, à partir d'un point de bifurcation 17, sur une branche 18. La branche 18 aboutit à l'entrée de la turbine par sa jonction au point 19 avec la sortie de gaz d'échappement 6.
Un conduit 21 relie la branche 18 au conduit d’admission 4. Il passe préférentiellement par un échangeur 22 adapté au refroidissement des gaz d’échappement.
Des vannes 23 et 24, de préférence proportionnelles, équipent respectivement les conduits 15 et 21.
La branche référencée 15 comporte également un clapet anti-retour 20 qui interdit la circulation des fluides des branches 18 et/ou 21 vers le compresseur 10.
Cette configuration permet ainsi, pendant le fonctionnement du moteur, de profiter des zones de basse pression échappement régnant ponctuellement dans le collecteur d'échappement pour introduire de l'air comprimé dans la turbine et augmenter ainsi le débit de cette turbine et par conséquent du compresseur. Cela permet également d'avoir une suralimentation plus efficace pour les bas régimes et notamment de gérer les phases transitoires avec des stratégies de contrôle des vannes proportionnelles adaptées.
Durant le fonctionnement, en cas de besoin d'air en grande quantité dans les cylindres, la vanne 23 est commandée en ouverture pour introduire de l'air comprimé provenant du compresseur 10 dans la turbine 8, conjointement la vanne 24 est commandée en fermeture.
L'air comprimé sortant du compresseur 10 circule dans le conduit 15 puis dans la branche 18 pour aboutir à l’entrée de gaz d'échappement de la turbine 8 en y apportant un surplus de fluide à cette turbine.
Ainsi, la turbine est parcourue non seulement par les gaz d'échappement venant du collecteur 5, mais également par de l'air comprimé qui vient s'ajouter à ces gaz. De ce fait, la rotation de la turbine est augmentée, ce qui entraîne une augmentation de rotation du compresseur et, en conséquence, une augmentation de la pression de l'air comprimée qui sort de ce compresseur.
Dans cette configuration, l’air comprimé de la conduite 15 ne passe pas par l’échangeur 14, et le moteur fonctionne sans (EGR) puisque la vanne 24 est fermée.
Pour fonctionner avec recirculation des gaz d’échappement (EGR) dans le but de limiter les températures de combustion et donc les émissions de NOx, la vanne est fermée et la vanne 24 est ouverte. Une portion des gaz d’échappement est introduite dans le conduit d’admission 4 par les branches 18 et 21 après son passage dans l’échangeur 22. Cela fonctionne quand la pression moyenne de l’échappement est supérieure à la pression moyenne de l’admission.
Il faut noter que les vannes 23 et 24 peuvent être remplacées par une vanne 3 voies dont la fonction sera équivalente pour contrôler les différents flux.
De plus, il est clair que la vanne 24 (dite vanne EGR) peut être placée en amont (figure 1) ou en aval (non représenté) de l’échangeur thermique 22.
Ainsi, dans la présente invention, on utilise au moins une portion d’un conduit communiquant d’un côté avec l’entrée de la turbine 8 et de l’autre avec l’admission d’air comprimé. Cette portion de conduit permet le passage de gaz d’échappement lorsque la vanne EGR 24 est ouverte et la vanne 23 est fermée. Egalement, elle permet le passage d’air comprimé lorsque la vanne 23 est ouverte et la vanne EGR est fermée.
Ainsi, on obtient une architecture optimisée en termes de conduits.
La variante de la figure 2 se distingue de la figure 1 par la mise en place d'une conduite de liaison 15a entre deux points de jonction 17 et 25 avec le conduit 21. Cette conduite de liaison est munie de moyens de vannage 23, comme une vanne proportionnelle, et d’un clapet anti-retour 20.
Selon cette variante, l’air comprimé du circuit Boost passe par l’échangeur 14 puis par l’échangeur 22 de l’EGR, la conduite de liaison 15a et la branche 18. Un des avantages réside dans le fait que la circulation de l’air du circuit Boost à contrecourant dans l’échangeur 22 de l’EGR permet un décrassage ou/et un décolmatage de celui-ci.
Les figures 3 et 4, qui comportent pour l'essentiel les mêmes éléments que ceux de la figure 1, décrivent des variantes d’arrangement selon l’invention, qui utilisent un élément de vannage 30 de type à boisseau incluant une boite à clapet, pour réaliser les diverses fonctions de circulation, selon que l’on soit en EGR ou en Boost. L’homme du métier sera apte à choisir les composants adaptés.
Plus précisément, sur la figure 3, une vanne 30, par exemple de type 3 voies à boisseau, est intercalée en aval de l’échangeur EGR 22 sur le conduit EGR 21. La commande de cette vanne 30 permet le passage de gaz d’échappement vers le conduit d’admission d’air comprimé 4 par le point de jonction 13. Un conduit 15b, qui relie la vanne 30 à la branche 18, est alors fermé.
L’autre position de la vanne 30 autorise le passage d’une portion d’air comprimé par le conduit 15b vers la branche 18 pour « Booster >> la turbine 8. Ainsi, l’air de « Boost >> a traversé l’échangeur 14, sans passer par l’échangeur EGR 22.
Une variante, représentée par le conduit 15c en pointillés sur la figure 3, montre la vanne 30 reliée au point de jonction 16 en amont de l’échangeur 14 de l’air comprimé. La vanne 30 n’est ici pas reliée au point de jonction 13. L’air du circuit Boost est ici conduit en direct vers la turbine 8. Par contre le gaz d’échappement du circuit EGR passe par les échangeurs 22 et 14 en rejoignant le point de jonction 16 de la conduite d’air comprimé.
La figure 4 décrit une autre variante où la vanne 30 est reliée au point de jonction 13 pour conduire les fluides la traversant vers le conduit d’admission d’air comprimé 4. Cette vanne trois voies est alimentée en air du circuit Boost par un conduit relié au point de jonction 16 en amont de l’échangeur 14, et en gaz d’échappement EGR par la branche 18. Ainsi, le conduit commun EGR et « Boost >> comprend la branche 18 et l’échangeur EGR. On note, comme représenté par la référence 22a, que l’échangeur EGR peut être placé en aval de la vanne 30 avant le point de jonction 13. Un clapet anti retour 32 peut être placé en aval de l’échangeur 14 pour bloquer le gaz d’échappement dans le cas du fonctionnement EGR.
Selon l’invention décrite en exemple par les figures 1 à 4, au moins une portion 5 du conduit EGR, généralement intégré dans le collecteur d'échappement mais pouvant l’être également dans la culasse, est utilisée pour amener une portion d’air comprimé à l’entrée de la turbine afin d’obtenir un circuit « Boost ».

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers l’entrée de la turbine, et un conduit de recirculation de gaz brûlés (18, 21) entre une sortie de gaz d’échappement et une conduite d’admission d’air comprimé (4), caractérisé en ce que ledit conduit de transfert partiel et ledit conduit de recirculation de gaz brûlés comportent au moins une portion commune (18).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, qui comporte un système de vannage commandé sur le circuit de transfert partiel d’air comprimé et sur le circuit EGR pour contrôler la recirculation des gaz d'échappement ou pour contrôler le transfert partiel d’air comprimé vers la turbine (8).
  3. 3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de vannage comprend au moins une vanne sur le circuit pour la recirculation des gaz d'échappement EGR (24) et une vanne (23) sur le conduit de transfert partiel.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le conduit de transfert partiel est relié soit en amont, soit en aval d’un échangeur thermique (14) sur le conduit d’air comprimé.
  5. 5. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel le système de vannage comporte au moins une vanne trois voies (30).
  6. 6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le conduit de transfert partiel comprend un échangeur pour la recirculation des gaz d'échappement (22).
  7. 7. Méthode de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d’un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au
    5 moins une sortie de gaz d'échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers l’entrée de la turbine, et un conduit pour la recirculation des gaz d'échappement (18, 21) entre une sortie de gaz d’échappement et une conduite d’admission d’air comprimé (4), caractérisée
    10 en ce que l’on utilise une portion commune de conduit pour ledit conduit de transfert partiel et ledit conduit pour la recirculation des gaz d'échappement.
  8. 8. Méthode selon la revendication 7, dans laquelle on commande un système de vannage pour réaliser soit la recirculation des gaz d'échappement, soit le
    15 transfert partiel d’air comprimé.
  9. 9. Application du dispositif selon l’une des revendications 1 à 6 et de la méthode selon l’une des revendications 7 ou 8 à un moteur Diesel.
    1/2
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