WO2010012919A1 - Moteur a combustion interne suralimente equipe d'un circuit de recirculation de gazes d'echappement flexible et procede de mise en action du moteur - Google Patents

Moteur a combustion interne suralimente equipe d'un circuit de recirculation de gazes d'echappement flexible et procede de mise en action du moteur Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a supercharged internal combustion engine comprising at least one combustion chamber, an air intake circuit and / or gases audited combustion chambers, a fuel introduction circuit in said combustion chambers. , an exhaust gas system produced during the combustion of the mixture of fuel and air and / or gases in said chambers, a turbocharger with a turbine and a main compressor, said turbine being located along the circuit of exhaust and driving the compressor, the latter being located along the intake circuit and compressing the air before admission to the combustion chambers, and an exhaust gas recirculation circuit comprising a first conduit serving as input and being connected to the exhaust circuit so as to introduce gases from the exhaust system to the recirculation circuit and a second exhaust duct e and being connected at one end to the first conduit and at the other end, downstream of said compressor, to the intake circuit so as to reintroduce the gases from the exhaust system.
  • the invention also relates to a land vehicle equipped with such a motor and a method of actuating such a motor.
  • the object of the present invention relates to internal combustion engines and particularly to diesel engines which, on the one hand, are supercharged and, on the other hand, have a recirculation of exhaust gases.
  • the supercharging of an internal combustion engine serves to increase its efficiency and is normally provided by a turbocharger. It consists of a turbine and a compressor to increase the amount of air admitted into the combustion chambers formed by the engine cylinders.
  • the turbine is placed at the outlet of the exhaust manifold of the engine and is driven by exhaust gases.
  • the power provided by the exhaust gases to the turbine can either be modulated, for example by installing movable fins, this being known as variable geometry turbo, or be constant, for example by using a proportional bypass terminals of the turbine, which is known as turbo constant geometry.
  • the compressor is generally mounted on the same axis as the turbine and is placed at the inlet of the intake manifold, so as to compress the air supplied to the engine cylinders.
  • the boost pressure setpoint is normally calculated by a calculation unit and the effective pressure is measured via a pressure sensor placed on the intake manifold.
  • a charge air cooler can be placed between the compressor and the intake manifold to control the temperature of the air at the outlet of the compressor.
  • a supercharged diesel engine often has the disadvantage of a gap in terms of takeoff brio. This problem is called “turbo lag" and appears when the vehicle engages an acceleration phase.
  • the turbocharger indeed requires a time of the order of a few seconds to deliver a sufficient boost pressure during which the amount of fuel required for acceleration can not be burned due to the lack of a corresponding amount of air.
  • Such a supercharged engine may be equipped with exhaust gas recirculation in order to reduce the pollution generated by the engine, especially with regard to the nitrogen oxides.
  • the quantity of nitrogen oxides emitted for example in the case of a diesel engine, is strongly related to the composition of the reaction mixture in the engine cylinders in air, in fuel and the presence of inert gases. .
  • exhaust gas recirculation EGR / exhaust gas recirculation
  • diverting a portion of the exhaust gases to the engine intake circuit allows to reduce in in addition to these emissions of nitrogen oxides, but it may increase the smoke if the rate of EGR is too high.
  • the EGR can be realized by putting the exhaust circuit and the intake circuit in communication via a passage section whose dimension is adjustable by a valve corresponding in the recirculation circuit.
  • Exhaust gases are, in currently known architectures, often recycled downstream of said charge air cooler.
  • the dilution of fresh air with the exhaust gases thus produced effectively limits the maximum combustion temperatures and the production of nitrogen oxides, but the arrival of hot gases by the recirculation circuit also entails the disadvantage to increase the temperature in the intake manifold, which limits the efficiency of the reduction of nitrogen oxides.
  • WO 2006/136790 proposes to position, downstream of the EGR system, an electric compressor intended to supply energy to the gas mixture before it enters the intake manifold.
  • This has the advantage of making it possible to increase the speed of increase in pressure of the supercharging independently of the turbocharger and consequently to increase the flow rate of fresh air and exhaust gases, in particular for the purposes of depollution.
  • the electric compressor even deactivated, remains in the intake circuit and generates significant pressure losses, which can penalize the maximum performance of the engine.
  • the object of the present invention is to at least partially overcome these disadvantages and to propose a supercharged internal combustion engine equipped with exhaust gas recirculation which has a flexible architecture adapted to a large number of different phases. engine operation, this using simple and inexpensive technical means, also to counter the problems caused turbo lag and engine pollution.
  • the present invention proposes for this purpose a supercharged engine that is distinguished in particular by the fact that the exhaust gas recirculation circuit comprises a third conduit for bringing into the recirculation circuit fresh air from the circuit of intake and an auxiliary compressor compressing fresh air and / or exhaust gases before their introduction into the intake circuit, the first -, the second - and the third duct and the intake duct being equipped a first -, a second - and a third - respectively a fourth means for controlling the flow and / or switching of the flow so as to allow the fresh air quantities and / or gases circulating in the recirculation circuit respectively in the intake circuit and direct the flow in these circuits.
  • the intake and exhaust gas recirculation circuits can be used in a flexible manner to guide the flow of air and / or gases in one or the other of these circuits according to the needs according to the operating phase in which the engine is located.
  • the intake circuit comprises, between the connections to said third conduit and said second conduit, a first cooling means comprising at least two circulation branches.
  • said second conduit serving as an output of the recirculation circuit is connected to the output of said first cooling means via the second means for controlling the flow and / or switching of the flow so that, depending of the position of said flow control and / or flow switching means, gases from the exhaust circuit and / or fresh air are introduced to the intake circuit either by passing through the first cooling means or by shorting it.
  • This arrangement adds the additional possibility of being able to first cool the fresh air and / or the re-circulated exhaust gases or introduce them directly to the intake manifold.
  • the residence time can be extended thanks to the presence of two branches in the cooler, one of which is traversed by the flow in contradiction.
  • the first conduit of the recirculation circuit may comprise a second cooling means equipped with a bypass, thus also shorting this cooler.
  • the auxiliary compressor is controlled by an electric motor
  • the first - and the third flow control and / or flow-switching control means are made by a control valve or an intake valve respectively
  • the second - and the fourth means for controlling the flow and / or switching of the flow by an inlet valve or an input switching valve.
  • the engine may consist of a supercharged diesel engine and that the invention also relates to a land vehicle comprising an engine according to the present invention.
  • the subject of the invention is also a method of actuating such an engine which comprises, in order to obtain optimum engine performance, the steps of closing the first means of controlling the flow and / or switching of the engine. flow, to open the second flow control and / or flow switching control means, to close the third flow control and / or flow switching means, to open the fourth flow control means and / or switching the flow, and stop the auxiliary compressor.
  • the flow control and / or flow-switching control means and the auxiliary compressor are correspondingly managed, thus making it possible to guarantee a physical constellation of the intake circuit and of the recirculation circuit that is optimally adapted to each of these situations, thereby improving the overall operation of the supercharging and the result of the depollution.
  • FIG. 1a shows a schematic diagram of a supercharged internal combustion engine equipped with an exhaust gas recirculation according to the present invention, this figure presenting at the same time a constellation of means for controlling the flow and / or switching of the flow as well as the auxiliary compressor during an engine operating phase to obtain optimum performance of the engine;
  • Figure 1b shows in detail the cooling means installed on the recirculation circuit.
  • FIG. 2 shows a constellation of flow control and / or flow switching control means as well as the auxiliary compressor during an engine operating phase which makes it possible to obtain a rapid take-off of the engine.
  • FIG. 3 shows a constellation of flow control and / or flow switching control means as well as the auxiliary compressor during an engine operating phase enabling high temperature recirculation.
  • FIG. 4 shows a constellation of flow control and / or flow switching control means as well as the auxiliary compressor during an operating phase of the engine enabling recirculation at low temperature.
  • FIG. 5 shows a constellation of flow control and / or flow switching control means as well as the auxiliary compressor during an engine operation phase enabling optimal depollution to be obtained.
  • FIG. 6 shows a constellation of flow control and / or flow switching control means as well as auxiliary compressor during an engine operating phase which makes it possible to obtain a regeneration of a particle filter located in the circuit of FIG. 'exhaust.
  • FIG. 1a shows a block diagram of a supercharged internal combustion engine and equipped with recirculation of exhaust gases according to this invention.
  • Such an internal combustion engine comprises at least one combustion chamber which is indicated in FIG. 1 a symbolically by cylinders 1, the number of which is not important for the present invention.
  • it comprises an air intake circuit and / or gases 2 said combustion chambers 1, a fuel introduction circuit in said combustion chambers 1, this circuit not being shown in the figures, and a circuit exhaust gases 3 produced during the combustion of the mixture of fuel and air and / or gases in said chambers 1.
  • air intake circuit and / or gases 2 may, in addition, there are usual elements such as an air filter, a flow meter and a first cooling means 2.2, before the intake circuit ends with the intake manifold whose branches open into the cylinders 1 of the engine.
  • the exhaust gases After combustion, the exhaust gases first enter an exhaust manifold whose branches meet in a conduit that leads them, often after passing through a particulate filter, especially in the case of an engine diesel, to the outlet, these elements forming a gas exhaust circuit 3.
  • the engine according to the present invention further comprises a turbocharger 4 with a turbine 4.1 and a main compressor 4.2.
  • Said turbine 4.1 is located along the exhaust circuit 3, generally in the high pressure zone upstream of the particulate filter, in order to be driven by the exhaust gases so as to be able to supply energy to the compressor main 4.2.
  • This compressor 4.2 is located along the intake circuit 2 and is preferably mounted on the same axis as the turbine 4.1, so as to compress the air and / or the gases before their admission to the combustion chambers 1.
  • several types of turbochargers for example with variable or constant geometry, can be chosen indifferently with respect to the present invention.
  • the engine according to the present invention further comprises an exhaust gas recirculation circuit 5 which comprises a first duct 5.1 serving as a gas inlet and being connected at one of its ends, upstream of said turbine 4.1, to the exhaust circuit 3 so as to introduce to the recirculation circuit 5 gases from the exhaust circuit 3.
  • the other end of the first conduit 5.1 is connected to a second conduit 5.2 serving as a gas outlet, it is that is, the second conduit 5.2 is connected at one end to the first duct 5.1 and at the other end to the intake circuit 2, downstream of said compressor 4.2, so as to reintroduce to the intake circuit 2 gases from the exhaust circuit 3.
  • the exhaust gas recirculation circuit 5 of an engine according to the present invention also comprises a third duct 5.3 for supplying fresh air from the intake circuit 2 directly into the recirculation circuit 5. and an auxiliary compressor 5.4 compressing the fresh air and / or the exhaust gases before their introduction into the intake circuit 2.
  • said auxiliary compressor 5.4 is located between the first -
  • the auxiliary compressor 5.4 can compress the fresh air and / or exhaust gases circulating in the exhaust circuit 5 and provide a compressed flow to the intake circuit 2 independently of the turbocharger 4 respectively the engine speed.
  • said third duct 5.3 of the recirculation circuit 5 is preferably connected to an end serving as a fresh air inlet to the intake circuit 2, between said main compressor 4.2 and said second duct 5.2, and at the other end serving as a fresh air outlet to the recirculation circuit 5, upstream of said auxiliary compressor 5.4, that is to say with the first conduit 5.1 of the recirculation circuit 5.
  • the recirculation of gas from Exhaust as illustrated in Figure 1 thus performs a reintegration of exhaust gases from the upstream of the turbine 4.1 in the downstream of the compressor 4.2, with an introduction of fresh air also from the downstream of the compressor 4.2, but from the upstream of the connection of the second conduit 5.2 to the intake circuit 2, in the recirculation circuit 5.
  • Other connection variants according to the spirit of the present invention are also within the scope of the invention. skilled person. In general, it is a recirculation of exhaust gases with introduction of fresh air, this to high pressure, since the circuit 5 is entirely upstream of the turbine
  • the present invention proposes that the first - 5.1, the second - 5.2 and the third duct 5.3 of the exhaust gas recirculation circuit 5 as well as the intake duct 2 comprise a first - 5.1.1, a second - 5.2.1 and a third - 5.3.1 respectively a fourth flow control and / or flow switching control means 2.1 so as to allow to control the quantities of fresh air and / or gases circulating in the recirculation circuit 5 respectively in the intake circuit 2 and direct the flow in these circuits according to the state of these means.
  • control means or switching means will in the following be used indifferently to designate such a flow control control means and / or flow switching, unless another meaning is specified explicitly.
  • the intake circuit 2 comprises a first cooling means
  • This first cooling means 2.2 of an engine according to the present invention has the particularity of comprising at least two traffic branches 2.2.1, 2.2.2.
  • said second conduit 5.2 serving In this case, the output of the recirculation circuit 5 is connected to the output of this first cooling means 2.2 via the second switching means 5.2.1 so that, depending on the position of said switching means 5.2 .1, gases from the exhaust circuit 3 and / or fresh air are introduced to the intake circuit 2 either by passing through the first cooling means 2.2 or directly to the intake manifold by shorting the first cooling means 2.2.
  • This arrangement of the intake and recirculation circuits 2 adds the additional possibility of first being able to cool the fresh air and / or the recirculated exhaust gases which in this case traverse the second branch 2.2.2 in reverse and the first branch 2.2.1 in the normal direction of circulation or introduce them directly to the intake manifold.
  • the residence time can be extended thanks to the presence of two branches 2.2.1, 2.2.2 in the cooler, one of which is traversed in the opposite direction by the flow as mentioned above.
  • the first - and the third flow control and / or flow-switching control means are preferably carried out by a control valve 5.1.1 or an intake valve 5.3.1 respectively, these valves allowing at the same time time to control the flow through the respective ducts and, by closing or opening, to direct the flow in one or another conduit.
  • the second - and the fourth flow control and / or flow-switching control means are, for reasons of simplicity and costs, preferably provided by an inlet valve 5.2.1 or a switching valve respectively. input 2.1, thus allowing switching of the flow according to the position of the valve concerned, as will be described in more detail below.
  • the inlet valve 5.2.1 and the input switching valve 2.1 can also be positioned respectively at the outlet and at the inlet of said first cooling means 2.2, in particular the inlet valve 5.2. .1 so as to allow such cooperation with the second branch 2.2.2 of the cooler.
  • the means 5.1.1, 5.2.1, 5.3.1, 2.1 so that they all have the functionality to vary the flow and to be able to switch the flow.
  • the first conduit 5.1 of the recirculation circuit 5 normally comprises a second cooling means 5.1.2 which makes it possible to regulate the temperature of the gases circulating in this conduit and which is preferably equipped with a bypass, as shown schematically in FIG. 1b.
  • the bypass comprises a bypass valve, and the control valve 5.1.1 placed in the first conduit 5.1 may be located upstream or downstream of the cooler-by-pass system, as is also apparent from FIG. 1 b.
  • Other elements usually used in this kind of engine may also be present in the circuits 2, 3, 5 without having any importance in the context of the present invention.
  • the implementation of a slice of oxidation catalyst upstream of the EGR system could be useful to limit the recirculation of unburned hydrocarbons.
  • FIG. 1a shows, next to the general structure of such an engine, a constellation of flow control and / or flow switching control means as well as auxiliary compressor during an operating phase of the engine to achieve optimum engine performance.
  • the first flow control and / or flow switching control means in this mode of operation of the engine, the control valve 5.1.1 of the exhaust gas recirculation, is closed.
  • the EGR system is deactivated, such as the introduction of air into the recirculation circuit 5, so that neither exhaust gases burned nor fresh air can circulate in the EGR circuit 5.
  • the turbine 4.1 placed in the exhaust circuit 3 is therefore driven at full power by the exhaust gases that exit only through this circuit 3.
  • the main compressor 4.2 compresses the fresh air that passes only through the intake circuit 2 and the feeds directly back into the aftercooler 2.2 where the air temperature is lowered and the whole volume of which is used, that is to say the two branches 2.2.1, 2.2.2 in the same direction of circulation, this which reduces the pressure drops.
  • the directions of the flow of fresh air respectively of exhaust gases in the circuits 2, 3, 5 are indicated symbolically by arrows. Therefore, in this mode of operation, the density of air in the intake manifold is maximum, allowing the best use of engine performance.
  • the present invention makes it possible to activate the engine in another mode of operation so as to obtain a rapid take-off of the engine.
  • the corresponding method of actuating the engine comprises the steps of closing the control valve 5.1.1, closing the inlet valve 5.2.1 with fresh air and / or heating gases. exhaust, to fully open the air intake valve 5.3.1, and to close the switch flap 2.1 of the air intake, this by switching on the auxiliary compressor 5.4.
  • the electric compressor 5.4 can be stopped when the compressor main 4.2 is able to provide the boost pressure requested by the driver of the vehicle.
  • This operating mode shows in particular that the second means of controlling the flow preferably carried out by a fresh air introduction valve 5.2.1 and / or exhaust gases makes it possible in particular to manage the use of the second branch 2.2. .2 of the first cooling means 2.2 as well as short-circuiting the latter.
  • this mode of operation of the engine reduces the response time of the engine at takeoff.
  • the corresponding method of actuating the engine comprises, as shown schematically in FIG. 3, the steps of partially opening the control valve 5.1.1, opening the fresh air introduction valve 5.2.1 and / or exhaust gases, to completely open the intake valve 5.3.1 of air, and to close the switching valve 2.1 of the air intake, this by stopping the auxiliary compressor 5.4.
  • the control valve 5.1.1 and the intake valve 5.3.1 being respectively partially and fully open, a mixture of fresh air and recycled gases is in the recirculation circuit 5.
  • the mixture passes through the electric compressor off and does not circulate in the charge-air cooler 2.2, since the flap 5.2.1 is in its bypass position of the cooler.
  • the mixture of fresh air and recycled gauze thus arrives at high temperature in the intake manifold, a situation that is sought for an optimal depollution when the engine is still cold, that is to say when it is still at the temperature cooling water.
  • the activation method according to the present invention comprises the steps of partially opening the control valve 5.1.1, close the fresh air and / or exhaust gas inlet valve 5.2.1, fully open the air inlet valve 5.3.1, close the air inlet valve 2.1 air and stop the auxiliary compressor 5.4.
  • the mixture of fresh air and exhaust gases in this case traverses the two branches 2.2.1, 2.2.2 of the cooler 2.2. This extends the residence time inside, reducing the intake temperature and therefore combustion to further reduce emissions of nitrogen oxides when the engine is hot.
  • the corresponding method comprises the steps of fully opening the control valve 5.1.1, closing the inlet valve 5.2.1 fresh air and / or exhaust gases, to fully open the inlet valve 5.3.1 of the air, close the switching valve 2.1 of the air inlet and switch on the auxiliary compressor 5.4.
  • This mode of operation is intended to further increase the amount of recycled gas while preserving or even increasing the flow of fresh air.
  • the valve of control 5.1.1 and starts the auxiliary compressor 5.4.
  • the fresh air is pre-compressed by the main compressor 4.2 and mixed with the recycled gases downstream of the air intake valve 5.3.1.
  • the gaseous mixture is then sent to the activated electric compressor 5.4 which brings an additional amount of energy to the assembly and simultaneously increases the flow rates of air and exhaust gases.
  • the mixture travels through the two branches 2.2.1, 2.2.2 of the cooler 2.2, which lengthens the residence time and promotes the cooling of the mixture.
  • the mixture of air and exhaust gases thus arrives at the intake manifold under better conditions for the depollution. Indeed, because the combustion temperature is reduced and the flow rates of air and exhaust gases are high, emissions of nitrogen oxides are lower and the unburned particulate wealth remains limited.
  • an engine according to the present invention can be further actuated by a method which comprises the steps of closing the control valve 5.1.1. , to open the inlet valve 5.2.1 fresh air and / or exhaust gases, to partially open the air intake valve 5.3.1, to close the switch valve 2.1 of the air intake, and stop the auxiliary compressor 5.4.
  • This configuration shown in Figure 6 is the opposite of the operating mode of the engine with maximum performance.
  • the efficiency of post-treatment purges such as in particular the regeneration of a particle filter located along the exhaust circuit 3 or the sulfur purge, is obtained by means of an increase in the temperature and the particle richness of the exhaust gases.
  • a motor without an auxiliary compressor can be used in the same way as an engine equipped with such an auxiliary compressor and operating in one of the modes of operation described above with this compressor off .
  • the present invention proposes an architecture of a motor made with simple means and relatively inexpensive, but flexibly allowing different modes of operation of the engine adapted to particular situations during its operation, especially when the engine serves as a driving means in a land vehicle such as a car.
  • An engine according to the present invention has in particular the advantages associated with the many possible flow orientation constellations, furthermore that the intake valve 5.3.1 of air in cooperation with the switching valve 2.1 of the inlet of air allows either to force the air flow in the recirculation circuit 5 comprising the electric compressor 5.4 or by-pass thereof, thus avoiding the loss of pressure due to this compressor when it is not used, since the introduction valve 5.2.1 fresh air and / or exhaust gases allows to choose the path of the flow through the supercharger 2.2, adding the ability to influence the air temperature and gauze, and that the control valve 5.1.1 and the air intake valve 5.3.1 allow to control the composition of the mixture of fresh air and exhaust gases flowing through the recirculation circuit 5, influenced by thus an important parameter for engine depollution. Furthermore, the invention also provides at least a partial solution to the aforementioned problems of turbo lag and the depollution of an engine, in particular a diesel engine, as is apparent from the description above.
  • the invention proposes a solution that can be used to dispense with a particulate filter to treat the exhaust gases while limiting the fouling of the intake circuit, this by immediately diluting the gases passing through the EGR system. in the fresh air, which reduces the concentration of particles and therefore their tendency to agglomerate, and by using the electric compressor 5.4, whose blade material can be chosen to withstand the impact of particles having characteristics close to those conventionally used on a turbine wheel. Indeed, due to its regular activity, the electric compressor 5.4 is a dynamic component and, because of the elimination of deposits by centrifugation, favors less particle deposition than a valve which is a quasi-static element.
  • the fact of having in some modes of operation of the engine an alternate direction of circulation in the second branch 2.2.2 of the supercharger 2.2 which is its most exposed part at the arrival of the gases of Exhaust from the recirculation circuit, allows, in the mode of operation at maximum performance, that the fresh air scans the deposited particles and then burn them in the engine, this mode thus simultaneously performing a cleaning of the charge cooler.
  • the invention allows a better use of the charge cooler 2.2, in the sense that, for the same volume, the U-shaped circulation in the cooler provides the gas mixture longer residence time, which has the effect of reducing the temperature of the gases at the inlet and thus improve the efficiency as well as reduce emissions of nitrogen oxides.

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Abstract

La présente invention concerne un moteur à combustion interne suralimenté comprenant notamment un circuit de recirculation de gazes d'échappement (5) équipé d'un troisième conduit (5.3) permettant d'amener dans le circuit de recirculation (5) de l'air frais provenant du circuit d'admission (2) ainsi que d'un compresseur auxiliaire (5.4) comprimant l'air frais et/ou les gazes d'échappement avant leur introduction dans le circuit d'admission (2). Les conduits correspondants (5.1, 5.2, 5.3) ainsi que le conduit d'admission (2) sont équipés des moyens de contrôle du débit (2.1) de manière à permettre de contrôler les quantités d'air frais et/ou de gazes circulant dans le circuit de recirculation (5) respectivement dans le circuit d'admission (2).

Description

Moteur à combustion interne suralimenté équipé d'un circuit de recirculation de gazes d'échappement flexible et procédé de mise en action du moteur
La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne suralimenté comprenant au moins une chambre de combustion, un circuit d'admission d'air et/ou de gazes audites chambres de combustion, un circuit d'introduction de carburant dans lesdites chambres de combustion, un circuit d'échappement de gazes produits lors de la combustion du mélange de carburant et d'air et/ou de gazes dans lesdites chambres, un turbocompresseur avec une turbine et un compresseur principal, ladite turbine étant située le long du circuit d'échappement et entraînant le compresseur, celui-ci étant situé le long du circuit d'admission et comprimant l'air avant son admission aux chambres de combustion, ainsi qu'un circuit de recirculation de gazes d'échappement comportant un premier conduit servant d'entrée et étant connecté au circuit d'échappement de manière à introduire au circuit de recirculation des gazes issus du circuit d'échappement ainsi qu'un deuxième conduit servant de sortie et étant connecté à une extrémité au premier conduit et à l'autre extrémité, en aval dudit compresseur, au circuit d'admission de manière à y réintroduire les gazes issus du circuit d'échappement. L'invention a également pour objet un véhicule terrestre équipé d'un tel moteur ainsi qu'un procédé de mise en action d'un tel moteur. Généralement, l'objet de la présente invention se rapporte aux moteurs à combustion interne et tout particulièrement aux moteurs diesel qui, d'une part, sont suralimentés et, d'autre part, disposent d'une recirculation des gazes d'échappement.
La suralimentation d'un moteur à combustion interne sert à augmenter son rendement et est normalement assurée par un turbocompresseur. Celui-ci est composé d'une turbine ainsi que d'un compresseur destiné à augmenter la quantité d'air admise dans les chambres de combustion formées par les cylindres du moteur. Typiquement, la turbine est placée à la sortie du collecteur d'échappement du moteur et est entraînée par les gazes d'échappement. La puissance fournie par les gaz d'échappement à la turbine peut soit être modulée, par exemple en installant des ailettes mobiles, ceci étant connu sous le nom turbo à géométrie variable, soit être constante, par exemple en utilisant un by-pass proportionnel aux bornes de la turbine, ce qui est connu comme turbo à géométrie constante. Le compresseur est, en règle générale, monté sur le même axe que la turbine et est placé à l'entrée du collecteur d'admission, de manière à comprimer l'air fourni aux cylindres du moteur. La consigne de pression de suralimentation est normalement calculée par une unité de calcul et la pression effective est mesurée via un capteur de pression placé sur le collecteur d'admission. Par ailleurs, un refroidisseur d'air de suralimentation peut être placé entre le compresseur et le collecteur d'admission pour contrôler la température de l'air à la sortie du compresseur. Par contre, un moteur diesel suralimenté présente souvent l'inconvénient d'une lacune en termes de brio au décollage. Ce problème est appelé « turbo lag » et apparaît lorsque le véhicule engage une phase d'accélération. Le turbocompresseur nécessite en effet un temps de l'ordre de quelques secondes pour délivrer une pression de suralimentation suffisante durant lequel la quantité de carburant nécessaire à l'accélération ne peut être brûlée dû à l'absence d'une quantité d'air correspondante.
Un tel moteur suralimenté peut être équipé d'une recirculation des gazes d'échappement afin de réduire la pollution générée par le moteur, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote. En effet, la quantité d'oxydes d'azote émise, par exemple dans le cas d'un moteur diesel, est fortement liée à la composition du mélange réactif dans les cylindres du moteur en air, en carburant et à la présence de gazes inertes. Un principe connu à l'homme du métier sous le nom « exhaust gas recirculation » (EGR/recirculation des gazes d'échappement) et consistant à dériver une partie des gazes d'échappement vers le circuit d'admission du moteur permet à réduire en outre ces émissions d'oxydes d'azote, mais il risque d'augmenter les fumées si le taux d'EGR est trop élevé. L'EGR peut être réalisée en mettant en communication le circuit d'échappement et le circuit d'admission via une section de passage dont la dimension est réglable par une vanne correspondante placée dans le circuit de recirculation. Les gazes d'échappement sont, dans les architectures actuellement connues, souvent recyclés en aval dudit refroidisseur d'air de suralimentation. La dilution d'air frais avec les gazes d'échappement ainsi réalisée permet effectivement de limiter les températures maximales de combustion et la production d'oxydes d'azote, mais l'arrivée de gazes chauds par le circuit de recirculation implique aussi l'inconvénient d'augmenter la température dans le collecteur d'admission, ce qui limite l'efficacité de la réduction d'oxydes d'azote. D'autre part, lorsqu'une grande quantité de gazes d'échappement prélevés classiquement en amont de la turbine est recyclée, l'énergie disponible à la turbine est réduite, donc le débit d'air frais procuré par le compresseur. Par conséquent, les émissions de particules augmentent, ce qui limite le potentiel sur la réduction d'oxydes d'azote et n'est souvent pas acceptable en vue des normes légales en vigueur en matière de dépollution.
Afin de résoudre le problème susmentionné du turbo lag, le document WO 2006/136790 propose de positionner, en aval du système EGR, un compresseur électrique destiné à apporter de l'énergie au mélange gazeux avant son entrée au collecteur d'admission. Ceci a pour avantage de permettre à accroître la vitesse de montée en pression de la suralimentation indépendamment du turbocompresseur et par conséquent d'augmenter le débit d'air frais et de gazes d'échappement, notamment pour les besoins de la dépollution. Cependant, le compresseur électrique, même désactivé, reste présent dans le circuit d'admission et génère des pertes de charge importantes, susceptibles de pénaliser les performances maximales du moteur. Par ailleurs, il est évident d'une manière générale qu'il y a plusieurs types de phases différentes lors du fonctionnement d'un moteur, notamment si celui-ci est utilisé pour l'entraînement d'un véhicule, ces phases de fonctionnement pouvant nécessiter une alimentation différente en air frais, en gazes d'échappement et en carburant. Par conséquent, il serait souhaitable de disposer d'un moteur ayant une architecture suffisamment flexible pour répondre à ces besoins variables. Ainsi, malgré les avantages qu'apportent les principes de la suralimentation et de la recirculation des gazes d'échappement dans le contexte d'un moteur suralimenté, les architectures actuelles de tels moteurs présentent encore plusieurs inconvénients. Le but de la présente invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients et de proposer un moteur à combustion interne suralimenté et équipé d'une recirculation des gazes d'échappement qui dispose d'une architecture flexible adaptée à un grand nombre de phases différentes de fonctionnement du moteur, ceci en utilisant de moyens techniques simples et peu coûteux, permettant par ailleurs de contrer au problèmes suscités du turbo lag et de la dépollution du moteur.
La présente invention propose à cet effet un moteur suralimenté qui se distingue notamment par le fait que le circuit de recirculation de gazes d'échappement comporte un troisième conduit permettant d'amener dans le circuit de recirculation de l'air frais provenant du circuit d'admission ainsi qu'un compresseur auxiliaire comprimant l'air frais et/ou les gazes d'échappement avant leur introduction dans le circuit d'admission, le premier -, le deuxième - et le troisième conduit ainsi que le conduit d'admission étant équipés d'un premier -, d'un deuxième - et d'un troisième - respectivement d'un quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux de manière à permettre de contrôler les quantités d'air frais et/ou de gazes circulant dans le circuit de recirculation respectivement dans le circuit d'admission et de diriger le flux dans ces circuits. Ainsi, il devient possible d'améliorer un tel moteur suralimenté, notamment grâce au fait que les circuits d'admission et de recirculation de gazes d'échappement peuvent être utilisés de manière flexible pour orienter le débit d'air et/ou de gazes dans l'un ou dans l'autre de ces circuits selon les besoins en fonction de la phase de fonctionnement dans laquelle le moteur se trouve.
Selon une forme d'exécution préférée du moteur, le circuit d'admission comprend, entre les connexions audit troisième conduit et audit deuxième conduit, un premier moyen de refroidissement comportant au moins deux branches de circulation. Dans ce cas, ledit deuxième conduit servant de sortie du circuit de recirculation est connecté à la sortie dudit premier moyen de refroidissement par l'intermédiaire du deuxième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux de manière à ce que, en fonction de la position dudit moyen de contrôle de débit et/ou de commutation du flux, des gazes issus du circuit d'échappement et/ou de l'air frais sont introduits au circuit d'admission soit en passant dans le premier moyen de refroidissement soit en le court-circuitant. Cette disposition ajoute la possibilité supplémentaire de pouvoir soit d'abord refroidir l'air frais et/ou les gazes d'échappement ré-circulés soit les introduire directement au collecteur d'admission. De plus, au cas où le flux d'air et/ou de gazes est orienté dans le refroidisseur d'air de suralimentation, la durée de séjour peut être allongée grâce à la présence de deux branches dans le refroidisseur, dont une est parcourue par le flux en contresens. De plus, le premier conduit du circuit de recirculation peut comprendre un deuxième moyen de refroidissement équipé d'un by-pass, permettant ainsi de court-circuiter également ce refroidisseur.
De préférence, le compresseur auxiliaire est piloté par un moteur électrique, et le premier - et le troisième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux sont réalisés par une vanne de contrôle respectivement une vanne d'admission ainsi que le deuxième - et le quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux par un clapet d'introduction respectivement un clapet de commutation d'entrée.
Il est évident que le moteur peut consister en un moteur diesel suralimenté et que l'invention concerne également un véhicule terrestre comprenant un moteur selon la présente invention.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en action d'un tel moteur qui comprend, afin d'obtenir une performance optimale du moteur, les étapes de fermer le premier moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, d'ouvrir le deuxième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, de fermer le troisième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, d'ouvrir le quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, et d'arrêter le compresseur auxiliaire. Dans d'autres phase de fonctionnement du moteur, par exemple afin d'obtenir un décollage rapide du moteur, afin d'obtenir un fonctionnement de la recirculation à température élevée, afin d'obtenir un fonctionnement de la recirculation à basse température, afin d'obtenir une dépollution optimale, ou afin d'obtenir une régénération d'un filtre à particule situé dans le circuit d'échappement, les moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux et le compresseur auxiliaire sont gérés de manière correspondante, permettant ainsi à garantir une constellation physique du circuit d'admission et du circuit de recirculation adaptée de façon optimale à chacune de ces situations, améliorant par conséquent le fonctionnement global de la suralimentation et le résultat de la dépollution. D'autres avantages ressortent des caractéristiques exprimées dans les revendications dépendantes et de la description exposant ci-après l'invention plus en détail à l'aide de dessins.
Les dessins annexés illustrent, schématiquement et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'invention.
La figure 1a montre un schéma de principe d'un moteur à combustion interne suralimenté et équipé d'une recirculation de gazes d'échappement selon la présente invention, cette figure présentant en même temps une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant d'obtenir une performance optimale du moteur; la figure 1 b montre en détail le moyen de refroidissement installé sur le circuit de recirculation. La figure 2 montre une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant d'obtenir un décollage rapide du moteur.
La figure 3 montre une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant une recirculation à température élevée.
La figure 4 montre une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant une recirculation à basse température. La figure 5 montre une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant d'obtenir une dépollution optimale.
La figure 6 montre une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant d'obtenir une régénération d'un filtre à particule situé dans le circuit d'échappement.
L'invention va maintenant être décrite en détail en référence aux dessins annexés qui permettront d'illustrer, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution d'un moteur suralimenté selon la présente invention.
Afin de se tourner vers la structure d'un moteur selon la présente invention, la figure 1 a montre un schéma de principe d'un moteur à combustion interne suralimenté et équipé d'une recirculation de gazes d'échappement selon cette invention. Un tel moteur à combustion interne comprend au moins une chambre de combustion qui est indiquée à la figure 1 a symboliquement par les cylindres 1 , dont le nombre n'est pas important pour la présente invention. De plus, il comprend un circuit d'admission d'air et/ou de gazes 2 audites chambres de combustion 1 , un circuit d'introduction de carburant dans lesdites chambres de combustion 1 , ce circuit n'étant pas représenté aux figures, et un circuit d'échappement de gazes 3 produits lors de la combustion du mélange de carburant et d'air et/ou de gazes dans lesdites chambres 1. Le long du circuit d'admission d'air et/ou de gazes 2 peuvent, en outre, se trouver des éléments habituels tel qu'un filtre à air, un débitmètre et un premier moyen de refroidissement 2.2, avant que le circuit d'admission termine par le collecteur d'admission dont les branches débouchent dans les cylindres 1 du moteur. Après la combustion, les gazes d'échappement entrent d'abord dans un collecteur d'échappement dont les branches se réunissent en un conduit qui les mène, souvent après le passage à travers un filtre à particules, notamment dans le cas d'un moteur diesel, vers la sortie, ces éléments formant un circuit d'échappement de gazes 3.
Le moteur selon la présente invention comprend encore un turbocompresseur 4 avec une turbine 4.1 et un compresseur principal 4.2. Ladite turbine 4.1 est située le long du circuit d'échappement 3, généralement dans la zone de haute pression en amont du filtre à particules, afin d'être entrainée par les gazes d'échappement de manière à pouvoir fournir de l'énergie au compresseur principal 4.2. Ce compresseur 4.2 est situé le long du circuit d'admission 2 et est, de préférence, monté sur le même axe que la turbine 4.1 , de manière à comprimer l'air et/ou les gazes avant leur admission aux chambres de combustion 1. Comme déjà mentionné dans l'introduction, plusieurs types de turbocompresseurs, par exemple à géométrie variable ou constante peuvent être choisis de manière indifférente en ce qui concerne la présente invention.
Puis, le moteur selon la présente invention comprend encore un circuit de recirculation de gazes d'échappement 5 qui comporte un premier conduit 5.1 servant d'entrée de gazes et étant connecté à l'une de ses extrémités, en amont de ladite turbine 4.1 , au circuit d'échappement 3 de manière à introduire au circuit de recirculation 5 des gazes issus du circuit d'échappement 3. L'autre extrémité de ce premier conduit 5.1 est liée à un deuxième conduit 5.2 servant de sortie de gazes, c'est-à-dire que le deuxième conduit 5.2 est connecté à une extrémité au premier conduit 5.1 et à l'autre extrémité au circuit d'admission 2, en aval dudit compresseur 4.2, de manière à réintroduire au circuit d'admission 2 des gazes issus du circuit d'échappement 3.
En particulier, le circuit de recirculation de gazes d'échappement 5 d'un moteur selon la présente invention comprend aussi un troisième conduit 5.3 permettant d'amener de l'air frais provenant du circuit d'admission 2 directement dans le circuit de recirculation 5 ainsi qu'un compresseur auxiliaire 5.4 comprimant l'air frais et/ou les gazes d'échappement avant leur introduction dans le circuit d'admission 2. De préférence, ledit compresseur auxiliaire 5.4 est situé entre le premier -
5.1 et le deuxième conduit 5.2 du circuit de recirculation 5 et est piloté par un moteur électrique ou un autre moyen équivalent et indépendant du turbocompresseur 4. Ainsi, le compresseur auxiliaire 5.4 permet de comprimer l'air frais et/ou les gazes d'échappement circulant dans le circuit d'échappement 5 et de fournir un flux comprimé au circuit d'admission 2 indépendamment du turbocompresseur 4 respectivement du régime du moteur.
En ce qui concerne ledit troisième conduit 5.3 du circuit de recirculation 5, il est, dé préférence, connecté à une extrémité servant d'entrée d'air frais au circuit d'admission 2, entre ledit compresseur principal 4.2 et ledit deuxième conduit 5.2, et à l'autre extrémité servant de sortie d'air frais au circuit de recirculation 5, en amont dudit compresseur auxiliaire 5.4, c'est-à-dire avec le premier conduit 5.1 du circuit de recirculation 5. La recirculation de gazes d'échappement telle qu'illustrée à la figure 1 a réalise donc une réinsertion de gazes d'échappement provenant de l'amont de la turbine 4.1 dans l'aval du compresseur 4.2, avec une introduction d'air frais provenant également de l'aval du compresseur 4.2, mais de l'amont de la connexion du deuxième conduit 5.2 au circuit d'admission 2, dans le circuit de recirculation 5. D'autres variantes de connexions selon l'esprit de la présente invention sont également à la portée de l'homme du métier. En général, il s'agit d'une recirculation de gazes d'échappement avec introduction d'air frais, ceci à haute pression, puisque le circuit 5 se trouve entièrement en amont de la turbine
4.1 respectivement en aval du compresseur 4.2, c'est-à-dire du coté de la suralimentation du moteur à haute pression.
Par ailleurs, la présente invention propose que le premier - 5.1 , le deuxième - 5.2 et le troisième conduit 5.3 du circuit de recirculation de gazes d'échappement 5 ainsi que le conduit d'admission 2 comprend un premier - 5.1.1 , un deuxième - 5.2.1 et un troisième - 5.3.1 respectivement un quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux 2.1 de manière à permettre de contrôler les quantités d'air frais et/ou de gazes circulant dans le circuit de recirculation 5 respectivement dans le circuit d'admission 2 et de diriger le flux dans ces circuits en fonction de l'état de ces moyens. Les termes moyen de contrôle ou moyen de commutation seront dans la suite utilisés de manière indifférente pour désigner un tel moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, sauf si une autre signification est spécifiée explicitement. Une telle disposition permet que les circuits d'admission 2 et de recirculation de gazes d'échappement 5 peuvent être utilisés de manière simple et flexible pour orienter un débit d'air et/ou de gazes d'échappement variable et contrôlable dans l'un ou dans l'autre de ces circuits selon les besoins en fonction de la phase de fonctionnement dans laquelle le moteur se trouve à un moment donné, ce qui sera expliqué de manière détaillée dans la suite de la description.
Dans une forme d'exécution préférée d'un moteur selon la présente invention, le circuit d'admission 2 comprend un premier moyen de refroidissement
2.2 situé entre les connexions du circuit d'admission 2 audit troisième conduit 5.3 et audit deuxième conduit 5.2. Le rôle de ce moyen de refroidissement consistant à réduire la température des gazes d'admission et, par conséquent, la température de combustion, résultant en une réduction des émissions d'oxydes d'azote, est conventionnel. Ce premier moyen de refroidissement 2.2 d'un moteur selon la présente invention a pourtant la particularité de comprendre au moins deux branches de circulation 2.2.1 , 2.2.2. De plus, ledit deuxième conduit 5.2 servant de sortie du circuit de recirculation 5 est dans ce cas connecté à la sortie de ce premier moyen de refroidissement 2.2 par l'intermédiaire du deuxième moyen de commutation 5.2.1 de manière à ce que, en fonction de la position dudit moyen de commutation 5.2.1 , des gazes issus du circuit d'échappement 3 et/ou de l'air frais sont introduits au circuit d'admission 2 soit en passant dans le premier moyen de refroidissement 2.2 soit directement vers le collecteur d'admission en court- circuitant le premier moyen de refroidissement 2.2. Cet agencement des circuits d'admission 2 et de recirculation 5 ajoute la possibilité supplémentaire de pouvoir soit d'abord refroidir l'air frais et/ou les gazes d'échappement recirculés qui parcourent dans ce cas la deuxième branche 2.2.2 en contresens et la première branche 2.2.1 dans le sens normal de circulation soit les introduire directement au collecteur d'admission. De plus, au cas où le flux d'air et/ou de gazes est orienté dans le refroidisseur d'air de suralimentation 2.2, la durée de séjour peut être allongée grâce à la présence de deux branches 2.2.1 , 2.2.2 dans le refroidisseur, dont une est parcourue en contresens par le flux tel que mentionné ci-dessus.
En effet, le premier - et le troisième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux sont réalisés, de préférence, par une vanne de contrôle 5.1.1 respectivement une vanne d'admission 5.3.1 , ces vannes permettant en même temps de contrôler le débit à travers les conduits respectifs et, par leur fermeture ou leur ouverture, d'orienter le flux dans un ou dans un autre conduit. Le deuxième - et le quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux sont, pour des raisons de simplicité et de coûts, réalisés, de préférence, par un clapet d'introduction 5.2.1 respectivement un clapet de commutation d'entrée 2.1 , permettant ainsi une commutation du flux en fonction de la position du clapet concerné, tel que ceci sera également décrit plus en détail dans la suite. De manière avantageuse, le clapet d'introduction 5.2.1 et le clapet de commutation d'entrée 2.1 peuvent d'ailleurs être positionnés respectivement à la sortie et à l'entrée dudit premier moyen de refroidissement 2.2, notamment le clapet d'introduction 5.2.1 de manière à permettre ladite coopération avec la deuxième branche 2.2.2 du refroidisseur. Bien évidemment, il serait possible d'agencer les moyens 5.1.1 , 5.2.1 , 5.3.1 , 2.1 de manière à ce qu'ils disposent tous de la fonctionnalité de faire varier le débit ainsi que de pouvoir commuter le flux.
Il reste encore à noter que le premier conduit 5.1 du circuit de recirculation 5 comprend normalement un deuxième moyen de refroidissement 5.1.2 qui permet de régler la température des gazes circulant dans ce conduit et qui est de préférence équipé d'un by-pass, tel que ceci est représenté schématiquement à la figure 1 b. Le by-pass comprend une vanne de by-pass, et la vanne de contrôle 5.1.1 placée dans le premier conduit 5.1 peut être située en amont ou en aval du système refroidisseur-by-pass, tel que cela ressort également de la figure 1 b. D'autres éléments habituellement utilisés dans ce genre de moteur peuvent aussi être présents dans les circuits 2, 3, 5 sans pour autant avoir une importance dans le cadre de la présente invention. En outre, l'implantation d'une tranche de catalyseur d'oxydation en amont du système EGR pourrait s'avérer utile pour limiter la recirculation des hydrocarbures imbrûlés.
Par ailleurs, il est clair que le moteur selon la présente invention peut être un moteur diesel suralimenté ou tout autre type de moteur de ce genre, et que l'invention concerne également un véhicule terrestre comprenant un moteur tel que décrit ci-dessus. Le fonctionnement d'un tel moteur peut être compris au mieux en décrivant le procédé de mise en action d'un moteur selon la présente invention. A cet effet, la figure 1 a montre, à coté de la structure générale d'un tel moteur, une constellation des moyens de contrôle du débit et/ou de commutation du flux ainsi que du compresseur auxiliaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur permettant d'obtenir une performance optimale du moteur. Comme cela ressort de la figure 1 a, dans ce mode de fonctionnement du moteur, le premier moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, la vanne de contrôle 5.1.1 de la recirculation de gazes d'échappement, est fermée, tel que le troisième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, la vanne d'admission 5.3.1 d'air, tandis que le deuxième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement ainsi que le quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux, le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air sont ouvert. L'état complètement ouvert de ces moyens de contrôle est symbolisé dans les figures par le chiffre 1 entouré d'un cercle, l'état fermé par le chiffre 0 entouré d'un cercle, et l'état partiellement ouvert respectivement partiellement fermé par Vi entouré d'un cercle. Par ailleurs, le compresseur auxiliaire 5.4 est arrêté dans ce mode de fonctionnement du moteur, symbolisé à la figure 1 a par le mot off entouré d'un cercle. Ainsi, le système EGR est désactivé, comme l'introduction d'air dans le circuit de recirculation 5, de manière à ce que ni des gazes d'échappement brûlés ni d'air frais ne peuvent circuler dans le circuit EGR 5. La turbine 4.1 placée dans le circuit d'échappement 3 est donc entraînée en pleine puissance par les gaz d'échappement qui sortent uniquement par ce circuit 3. Le compresseur principal 4.2 comprime l'air frais qui passe uniquement par le circuit d'admission 2 et le réinjecte directement dans le refroidisseur de suralimentation 2.2 où la température de l'air est abaissée et dont tout le volume est utilisé, c'est-à-dire les deux branches 2.2.1 , 2.2.2 dans le même sens de circulation, ce qui réduit les pertes de charge. Aux figures, les directions du flux d'air frais respectivement de gazes d'échappement dans les circuits 2, 3, 5 sont indiqués symboliquement par des flèches. Par conséquent, dans ce mode de fonctionnement, la densité de l'air dans le collecteur d'admission est maximale, permettant d'exploiter au mieux les performances du moteur.
Afin de résoudre le problème du turbo lag mentionné dans l'introduction, la présente invention permet de mettre en action le moteur dans un autre mode de fonctionnement de manière à obtenir un décollage rapide du moteur. Comme illustré schématiquement à la figure 2, le procédé correspondant de mise en action du moteur comprend les étapes de fermer la vanne de contrôle 5.1.1 , de fermer le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement, d'ouvrir pleinement la vanne d'admission 5.3.1 d'air, et de fermer le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air, ceci en mettant en marche le compresseur auxiliaire 5.4. Par ces mesures, il est possible de fournir le plus rapidement possible un débit d'air frais important au moteur, du fait que le premier conduit 5.1 du circuit de recirculation 5 est fermé et le clapet d'admission est complètement ouvert, permettant ainsi que le compresseur électrique 5.4 transmet de l'énergie à l'air frais circulant dans le troisième - 5.3, puis le deuxième conduit 5.2 du circuit de recirculation 5 et initialement faiblement comprimé par le compresseur principal 4.2. L'air est ensuite envoyé au refroidisseur de suralimentation 2.2, parcourant ses deux branches 2.2.1 , 2.2.2 dans des sens de circulation opposés et ayant un temps de séjour allongé par rapport à un parcours normal, c'est-à-dire dans le même sens de circulation dans les deux branches. Par conséquent, le moteur profite de l'arrivée accélérée du débit d'air frais et libère alors plus d'énergie à l'échappement, ce qui favorise la mise en vitesse du turbocompresseur 4. Le compresseur électrique 5.4 peut être arrêté lorsque le compresseur principal 4.2 est capable de fournir la pression de suralimentation demandée par le conducteur du véhicule. Ce mode de fonctionnement montre en particulier que le deuxième moyen de contrôle du débit réalisé de préférence par un clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement permet de gérer notamment l'utilisation du deuxième branche 2.2.2 du premier moyen de refroidissement 2.2 ainsi que de court-circuiter ce dernier. Ainsi, ce mode d'opération du moteur permet de réduire le temps de réponse du moteur au décollage.
Dans encore un autre mode de fonctionnement du moteur, il est possible d'obtenir une recirculation de gazes d'échappement et de l'air frais à température élevée. Le procédé correspondant de mise en action du moteur comprend, tel que représenté schématiquement à la figure 3, les étapes de partiellement ouvrir la vanne de contrôle 5.1.1 , d'ouvrir le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement, d'ouvrir complètement la vanne d'admission 5.3.1 d'air, et de fermer le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air, ceci en arrêtant le compresseur auxiliaire 5.4. Dans cette constellation, la vanne de contrôle 5.1.1 et la vanne d'admission 5.3.1 étant respectivement partiellement et pleinement ouverte, un mélange d'air frais et de gazes recyclés se trouve dans le circuit de recirculation 5. Le mélange traverse le compresseur électrique éteint et ne circule pas dans le refroidisseur de suralimentation 2.2, du fait que le clapet 5.2.1 est dans sa position de by-pass du refroidisseur. Le mélange d'air frais et de gazes recyclés arrive ainsi à haute température dans le collecteur d'admission, situation recherchée pour une dépollution optimale lorsque le moteur est encore froid, c'est- à-dire quand il se trouve encore à la température de l'eau de refroidissement.
Dans une constellation similaire et représentée à la figure 4, mais destiné à obtenir un fonctionnement de la recirculation à basse température, le procédé de mise en action selon la présente invention comprend les étapes d'ouvrir partiellement la vanne de contrôle 5.1.1 , de fermer le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement, d'ouvrir pleinement la vanne d'admission 5.3.1 d'air, de fermer le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air et d'arrêter le compresseur auxiliaire 5.4. Par différence à la constellation précédente, le mélange d'air frais et de gazes d'échappement parcourt dans le cas présent les deux branches 2.2.1 , 2.2.2 du refroidisseur 2.2. Ceci allonge le temps de séjour à son intérieur, permettant de réduire la température d'admission et donc de combustion afin de limiter davantage les émissions d'oxydes d'azote lorsque le moteur est chaud.
Dans un autre mode de fonctionnement du moteur montré par un schéma de principe à la figure 5, il est possible d'obtenir une dépollution maximale. Le procédé correspondant comprend les étapes d'ouvrir pleinement la vanne de contrôle 5.1.1 , de fermer le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement, d'ouvrir pleinement la vanne d'admission 5.3.1 d'air, de fermer le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air et de mettre en marche le compresseur auxiliaire 5.4. Ce mode d'opération est destiné à augmenter davantage la quantité de gaz recyclés tout en préservant ou même augmentant le débit d'air frais. Par rapport à la constellation précédente, on ouvre donc au maximum la vanne de contrôle 5.1.1 et met en marche le compresseur auxiliaire 5.4. Ainsi, l'air frais est pré-comprimé par le compresseur principal 4.2, puis mélangé aux gazes recyclés en aval de la vanne d'admission 5.3.1 d'air. Le mélange gazeux est ensuite envoyé au compresseur électrique 5.4 activé qui apporte une quantité d'énergie supplémentaire à l'ensemble et augmente simultanément les débits d'air et de gazes d'échappement. Le mélange parcourt les deux branches 2.2.1 , 2.2.2 du refroidisseur 2.2, ce qui allonge le temps de séjour et favorise le refroidissement du mélange. Le mélange d'air et de gazes d'échappement arrive ainsi au collecteur d'admission dans de meilleures conditions pour la dépollution. En effet, du fait que la température de combustion est réduite et les débits d'air et de gazes d'échappement sont élevés, les émissions d'oxydes d'azote sont moindres et la richesse en particules non-brûlées reste limitée.
Afin d'obtenir par exemple une régénération d'un filtre à particule situé dans le circuit d'échappement, un moteur selon la présente invention peut encore être mis en action par un procédé qui comprend les étapes de fermer la vanne de contrôle 5.1.1 , d'ouvrir le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement, de partiellement ouvrir la vanne d'admission 5.3.1 d'air, de fermer le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air, et d'arrêter le compresseur auxiliaire 5.4. Cette configuration illustrée à la figure 6 constitue l'opposé du mode d'opération du moteur avec une performance maximale. Dans le cas présent, l'efficacité des purges du post-traitement, comme notamment de la régénération d'un filtre à particules situé le long du circuit d'échappement 3 ou de la purge de soufre, est obtenue par l'intermédiaire d'une augmentation de la température et de la richesse en particules des gazes d'échappement. En fermant le premier conduit 5.1 du circuit de recirculation 5 et en limitant le débit d'air en aval du turbocompresseur grâce à vanne d'admission 5.3.1 d'air, uniquement de l'air passe à travers le compresseur électrique 5.4 éteint et n'est pas refroidi, passant directement dans le collecteur d'admission du circuit d'admission 2. Il est ainsi possible de réduire la densité de l'air dans le collecteur d'admission et les gaz d'échappement en sortie du moteur sont plus chauds et plus riches en particules, ce qui peut, par exemple, favoriser à moindre coût la régénération d'un filtre à particules éventuellement situé sur la ligne d'échappement 3.
Il reste à noter qu'un moteur étant dépourvu d'un compresseur auxiliaire peut être utilisé de la même manière qu'un moteur équipé d'un tel compresseur auxiliaire et fonctionnant dans un des modes de fonctionnement décrits ci-dessus avec ce compresseur en arrêt.
En vue de la description ci-dessus d'un moteur selon la présente invention ainsi que des procédés de son mise en action, ses avantages sont clairs, en particulier que la présente invention propose une architecture d'un moteur réalisée avec des moyens simples et relativement peu coûteux, mais permettant de façon flexible différentes modes d'opération du moteur adaptés à des situations particulières lors de son fonctionnement, notamment lorsque le moteur sert en tant que moyen d'entraînement dans un véhicule terrestre comme un automobile. Un moteur selon la présente invention présente notamment les avantages liés aux nombreux constellations d'orientation du flux possibles, en outre du fait que la vanne d'admission 5.3.1 d'air en coopération avec le clapet de commutation 2.1 de l'entrée d'air permet soit de forcer le débit d'air dans le circuit de recirculation 5 comportant le compresseur électrique 5.4 soit de by-passer celui-ci, évitant ainsi de subir la perte de charge dû à ce compresseur lorsqu'il n'est pas utilisé, du fait que le clapet d'introduction 5.2.1 d'air frais et/ou de gazes d'échappement permet de choisir le chemin de parcours du flux à travers le refroidisseur de suralimentation 2.2, ajoutant ainsi la possibilité d'influencer la température de l'air et des gazes, et du fait que la vanne de contrôle 5.1.1 et la vanne d'admission 5.3.1 d'air permettent de contrôler la composition du mélange d'air frais et de gazes d'échappement circulant à travers le circuit de recirculation 5, influençant ainsi un paramètre important pour la dépollution du moteur. Par ailleurs, l'invention apporte aussi une solution au moins partielle aux problèmes susmentionnés du turbo lag et de la dépollution d'un moteur, en particulier d'un moteur diesel, tel que cela ressort de la description ci-dessus.
De plus, l'invention propose une solution permettant éventuellement de s'affranchir d'un filtre à particules pour traiter les gazes d'échappement tout en limitant l'encrassement du circuit d'admission, ceci en diluant immédiatement les gazes traversant le système EGR dans l'air frais, ce qui réduit la concentration de particules et donc leur tendance à s'agglomérer, et en utilisant le compresseur électrique 5.4, dont le matériau de ses aubes peut être choisi de manière à supporter l'impact des particules en ayant des caractéristiques proches de ceux utilisés classiquement sur une roue de turbine. En effet, du fait de son activité régulière, le compresseur électrique 5.4 est un composant dynamique et, à cause de l'élimination des dépôts par centrifugation, favorise moins les dépôts de particules qu'une vanne qui est un élément quasi-statique. Par ailleurs, le fait de disposer dans certains modes d'opération du moteur d'un sens de circulation alterné dans la deuxième branche 2.2.2 du refroidisseur de suralimentation 2.2, qui est sa partie la plus exposée à l'arrivée des gaz d'échappement en provenance du circuit de recirculation, permet, dans le mode de fonctionnement à performance maximale, que l'air frais balaie les particules déposées pour ensuite les brûler dans le moteur, ce mode réalisant donc simultanément un nettoyage du refroidisseur de suralimentation. Finalement, l'invention permet une meilleure utilisation du refroidisseur de suralimentation 2.2, dans le sens que, pour un même volume, la circulation en U dans le refroidisseur offre au mélange gazeux un temps de séjour plus long, ce qui a pour conséquence de diminuer la température des gazes à l'admission et donc d'améliorer le rendement ainsi que de réduire les émissions en oxydes d'azote.

Claims

Revendications
1. Moteur à combustion interne suralimenté comprenant au moins une chambre de combustion (1 ), un circuit d'admission d'air et/ou de gazes (2) audites chambres de combustion, un circuit d'introduction de carburant dans lesdites chambres de combustion, un circuit d'échappement de gazes (3) produits lors de la combustion du mélange de carburant et d'air et/ou de gazes dans lesdites chambres (1 ), un turbocompresseur (4) avec une turbine (4.1 ) et un compresseur principal (4.2), ladite turbine (4.1 ) étant située le long du circuit d'échappement (3) et entraînant le compresseur (4.2), celui-ci (4.2) étant situé le long du circuit d'admission (2) et comprimant l'air avant son admission aux chambres de combustion, ainsi qu'un circuit de recirculation de gazes d'échappement (5) comportant un premier conduit (5.1 ) servant d'entrée et étant connecté au circuit d'échappement (2) de manière à introduire au circuit de recirculation (5) des gazes issus du circuit d'échappement (3) ainsi qu'un deuxième conduit (5.2) servant de sortie et étant connecté à une extrémité au premier conduit (5.1 ) et à l'autre extrémité, en aval dudit compresseur (4.2), au circuit d'admission (2) de manière à y réintroduire les gazes issus du circuit d'échappement (3), caractérisé par le fait que le circuit de recirculation de gazes d'échappement (5) comporte un troisième conduit (5.3) permettant d'amener dans le circuit de recirculation (5) de l'air frais provenant du circuit d'admission (2) ainsi qu'un compresseur auxiliaire (5.4) comprimant l'air frais et/ou les gazes d'échappement avant leur introduction dans le circuit d'admission (2), le premier - (5.1 ), le deuxième - (5.2) et le troisième conduit
(5.3) ainsi que le conduit d'admission (2) étant équipés d'un premier - (5.1.1 ), d'un deuxième - (5.2.1 ) et d'un troisième - (5.3.1 ) respectivement d'un quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux (2.1 ) de manière à permettre de contrôler les quantités d'air frais et/ou de gazes circulant dans le circuit de recirculation (5) respectivement dans le circuit d'admission (2) et de diriger le flux dans ces circuits.
2. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que ledit compresseur auxiliaire (5.4) est situé entre le premier - (5.1 ) et le deuxième conduit (5.2) du circuit de recirculation (5) et que ledit troisième conduit (5.3) du circuit de recirculation (5) est connecté à une extrémité servant d'entrée d'air frais au circuit d'admission (2), entre ledit compresseur principal (4.2) et ledit deuxième conduit (5.2), et à l'autre extrémité servant de sortie au circuit de recirculation (5), en amont dudit compresseur auxiliaire (5.4).
3. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit d'admission (2) comprend, entre les connexions audit troisième conduit (5.3) et audit deuxième conduit (5.2), un premier moyen de refroidissement (2.2) comportant au moins deux branches de circulation (2.2.1 ,
2.2.2).
4. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que ledit deuxième conduit (5.2) servant de sortie du circuit de recirculation (5) est connecté à la sortie dudit premier moyen de refroidissement (2.2) par l'intermédiaire du deuxième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux (5.2.1 ) de manière à ce que, en fonction de la position dudit moyen de contrôle de débit et/ou de commutation du flux (5.2.1 ), des gazes issus du circuit d'échappement (3) et/ou de l'air frais sont introduits au circuit d'admission (2) soit en passant dans le premier moyen de refroidissement (2.2) soit en le court-circuitant.
5. Moteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le premier conduit
(5.1 ) du circuit de recirculation (5) comprend un deuxième moyen de refroidissement (5.1.2) équipé d'un by-pass.
6. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le compresseur auxiliaire (5.4) est piloté par un moteur électrique.
7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier - et le troisième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux sont réalisés par une vanne de contrôle (5.1.1 ) respectivement une vanne d'admission (5.3.1 ) et que le deuxième - et le quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux sont réalisés par un clapet d'introduction (5.2.1 ) respectivement un clapet de commutation d'entrée (2.1 ).
8. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moteur est un moteur diesel suralimenté.
9. Véhicule terrestre, caractérisé par le fait qu'il comprend un moteur selon l'une des revendications précédentes.
10. Procédé de mise en action d'un moteur selon l'une des revendications précédentes 1 à 7, caractérisé par le fait que, afin d'obtenir une performance optimale du moteur, il comprend les étapes de
- fermer le premier moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux (5.1 .1 ),
- ouvrir le deuxième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux (5.2.1 ),
- fermer le troisième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux (5.3.1 ), - ouvrir le quatrième moyen de contrôle du débit et/ou de commutation du flux (2.1 ), et
- arrêter le compresseur auxiliaire (5.4).
11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que, afin d'obtenir un décollage rapide du moteur, il comprend les étapes de
- fermer le premier moyen de contrôle du débit (5.1.1 ),
- fermer le deuxième moyen de contrôle du débit (5.2.1 ),
- ouvrir le troisième moyen de contrôle du débit (5.3.1 ), - fermer le quatrième moyen de contrôle du débit (2.1 ), et
- mettre en marche le compresseur auxiliaire (5.4).
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes 10 à 11 , caractérisé par le fait que, afin d'obtenir un fonctionnement de la recirculation à température élevée, il comprend les étapes de
- partiellement ouvrir le premier moyen de contrôle du débit (5.1.1 ),
- ouvrir le deuxième moyen de contrôle du débit (5.2.1 ),
- ouvrir le troisième moyen de contrôle du débit (5.3.1 ),
- fermer le quatrième moyen de contrôle du débit (2.1 ), et - arrêter le compresseur auxiliaire (5.4).
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes 10 à 12, caractérisé par le fait que, afin d'obtenir un fonctionnement de la recirculation à basse température, il comprend les étapes de - partiellement ouvrir le premier moyen de contrôle du débit (5.1.1 ),
- fermer le deuxième moyen de contrôle du débit (5.2.1 ),
- ouvrir le troisième moyen de contrôle du débit (5.3.1 ),
- fermer le quatrième moyen de contrôle du débit (2.1 ), et
- arrêter le compresseur auxiliaire (5.4).
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes 10 à 13, caractérisé par le fait que, afin d'obtenir une dépollution optimale, il comprend les étapes de
- ouvrir le premier moyen de contrôle du débit (5.1.1 ), - fermer le deuxième moyen de contrôle du débit (5.2.1 ),
- ouvrir le troisième moyen de contrôle du débit (5.3.1 ),
- fermer le quatrième moyen de contrôle du débit (2.1 ), et
- mettre en marche le compresseur auxiliaire (5.4).
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes 10 à 14, caractérisé par le fait que, afin d'obtenir une régénération d'un filtre à particule situé dans le circuit d'échappement, il comprend les étapes de
- fermer le premier moyen de contrôle du débit (5.1.1 ),
- ouvrir le deuxième moyen de contrôle du débit (5.2.1 ), - partiellement ouvrir le troisième moyen de contrôle du débit (5.3.1 ),
- fermer le quatrième moyen de contrôle du débit (2.1 ), et
- arrêter le compresseur auxiliaire (5.4).
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