FR2892155A1

FR2892155A1 - Circuit d'alimentation en au moins un fluide d'un moteur suralimente et procede pour alimenter en au moins un fluide un tel moteur

Info

Publication number: FR2892155A1
Application number: FR0510728A
Authority: FR
Inventors: Alain Ranini; Bruno Walter
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-04-20
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2009512808A; WO2007045768A1; JP5270354B2; FR2892155B1; US8316641B2; EP1941149A1; US20090217660A1

Abstract

La présente invention concerne un circuit d'alimentation en au moins un fluide d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation d'air (20) à l'admission du moteur comprenant une conduite de suralimentation (36), un dispositif de suralimentation (28) avec un étage de compression (26) ainsi qu'un radiateur de refroidissement (38) de l'air comprimé, et un circuit de recirculation des gaz d'échappement (22) à ladite admission du moteur comprenant un conduit de recirculation de gaz d'échappement (40) et un refroidisseur de gaz d'échappement (46).Selon l'invention, le circuit d'alimentation comprend une conduite de liaison (50) permettant de relier, en amont du refroidisseur (46), le circuit de suralimentation d'air (20) et le circuit de recirculation des gaz d'échappement (22).

Description

La présente invention se rapporte à un circuit d'alimentation en au moins

un fluide gazeux d'un moteur à combustion interne suralimenté, notamment de type Diesel, et à un procédé pour alimenter en au moins un fluide gazeux un tel moteur.

Dans ce type de moteur, le circuit d'alimentation permet d'introduire dans les cylindres de ce moteur, soit un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés, soit uniquement de l'air par l'intermédiaire d'un circuit de suralimentation de l'air et d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement à l'admission du moteur.

Le circuit de suralimentation comprend habituellement une conduite reliant un dispositif de compression de l'air extérieur à l'admission du moteur et un radiateur de refroidissement de l'air comprimé, ou radiateur d'air de suralimentation (RAS), placé sur la conduite entre l'admission du moteur et le dispositif de compression. Généralement, le dispositif de compression est un étage de compression d'un turbocompresseur qui est lié à rotation à un étage d'entraînement, tel qu'une turbine placée dans le flux des gaz d'échappement et entraînée en rotation sous l'effet des gaz d'échappement qui la balaye.

Dans un circuit traditionnel de recirculation des gaz d'échappement, les gaz d'échappement issus de la combustion du mélange carburé sont réinjectés partiellement dans les cylindres du moteur. Cette réinjection permet, après la combustion du mélange carburé additionné de ces gaz d'échappement, d'obtenir des gaz brûlés sortant du moteur avec une quantité réduite de polluants, tels que les oxydes d'azotes. Cette recirculation de gaz d'échappement se réalise en reliant l'échappement du moteur à son admission par un conduit, dénommé conduit d'EGR (en anglais Exhaust Gas Recirculation ). Ce conduit porte un refroidisseur de gaz d'échappement recirculés qui permet d'abaisser la température de ces gaz d'échappement avant leur introduction dans les cylindres du moteur. Ce conduit porte également une vanne, dite vanne EGR, qui permet de contrôler la quantité de gaz d'échappement introduite dans les cylindres de ce moteur.

Dans le développement des nouveaux véhicules, une attention toute particulière est apportée à la définition de la face avant du véhicule pour réduire les risques de blessure que pourrait occasionner un choc frontal de ce véhicule avec un piéton. L'une des solutions consiste à limiter la hauteur de cette face avant mais le problème rencontré réside alors dans le dimensionnement des appareils disposés dans ou à proximité de cette face avant. Il en est ainsi du radiateur d'air de suralimention qui est constitué d'une importante surface d'échange placée dans cette face avant pour être balayée par l'air extérieur et qui est nécessaire pour refroidir la grande quantité d'air comprimé provenant de l'étage de compression.

Compte tenu de cet impératif lié à cet échange thermique, les solutions actuelles consistent à obtenir un compromis entre la définition de la face avant du véhicule et le dimensionnement frontal du radiateur d'air de suralimentation. Ceci entraîne donc une augmentation des risques de blessures lors de choc du véhicule avec un piéton et une perte de performance du radiateur d'air de suralimentation.

Un autre problème lié à un moteur suralimenté avec recirculation des gaz d'échappement provient de l'encrassement du refroidisseur. En effet, les gaz d'échappement qui parcourent ce refroidisseur contiennent des particules et des hydrocarbures imbrûlés (HC) qui se déposent sur les parois d'échange de ce refroidisseur. Ces dépôts pénalisent l'échange thermique des gaz avec le fluide de refroidissement et peuvent, notamment dans des cas extrêmes d'utilisation avec un fort taux de recirculation (de l'ordre de 40 à 50%), colmater les voies de circulation des gaz d'échappement. Dans ce cas, il est nécessaire de démonter le refroidisseur et de le nettoyer manuellement. Cette opération de nettoyage entraîne une immobilisation du véhicule et un coût lié à ce nettoyage qui n'est pas négligeable.

La présente invention se propose de pallier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un circuit d'alimentation qui va permettre de réduire la taille du radiateur d'air de suralimentation et cela sans diminuer les échanges thermiques nécessaires au refroidissement de l'air de suralimentation tout en permettant le nettoyage du refroidisseur sans démontage et sans perturber gravement le fonctionnement de ce moteur.

A cet effet, la présente invention concerne un circuit d'alimentation en au moins un fluide d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation d'air à l'admission du moteur comprenant une conduite de suralimentation, un dispositif de suralimentation avec un étage de compression ainsi qu'un radiateur de refroidissement de l'air comprimé, et un circuit de recirculation des gaz d'échappement à ladite admission du moteur comprenant un conduit de recirculation de gaz d'échappement et un refroidisseur de gaz d'échappement, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend une conduite de liaison permettant de relier, en amont du refroidisseur, le circuit de suralimentation d'air et le circuit de recirculation des gaz d'échappement.

Avantageusement, la conduite peut relier l'amont du radiateur à l'amont du refroidisseur.

La conduite peut également relier l'aval du radiateur à l'amont du 25 refroidisseur.

De manière préférentielle, la conduite peut porter une vanne de régulation de débit.

30 Le circuit de suralimentation d'air peut comprendre une vanne de régulation de débit.

L'invention concerne également un procédé pour alimenter en au moins un fluide un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation d'air avec un dispositif de compression de l'air extérieur ainsi qu'un radiateur de refroidissement de l'air comprimé et un circuit de recirculation des gaz d'échappement avec un refroidisseur de gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste, pour le fonctionnement à mi-charges et à fortes charges du moteur, à faire passer une partie de l'air comprimé à travers le radiateur et à faire passer simultanément l'autre partie de cet air comprimé à travers le refroidisseur.

Cette invention porte aussi sur un procédé pour alimenter en au moins un fluide un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation d'air avec un dispositif de compression de l'air extérieur ainsi qu'un radiateur de refroidissement de l'air comprimé et un circuit de recirculation des gaz d'échappement avec un refroidisseur de gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste, pour le fonctionnement à mi-charges et à fortes charges du moteur, à faire passer l'air comprimé à travers le radiateur puis à le faire passer à travers le refroidisseur.

Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre illustratif et nullement lirnitatif, en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion avec le circuit d'alimentation selon l'invention et - la figure 2 illustre un moteur à combustion avec une variante du circuit d'alimentation de la figure 1.

Sur la figure 1, le moteur à combustion interne 10, notamment de type Diesel, comprend au moins un cylindre 12 à l'intérieur duquel se produit la combustion d'un mélange carburé, un collecteur d'admission 14 et un collecteur d'échappement 16.

Le collecteur d'admission 14 est alimenté en au moins un fluide gazeux (air suralimenté ou non suralimenté avec ou sans gaz d'échappement recirculés) par un circuit d'alimentation 18 qui comprend un circuit de suralimentation d'air 20 et un circuit de recirculation de gaz d'échappement 22.

Le circuit de suralimentation d'air part d'une entrée d'air extérieur 24 et se termine au collecteur d'admission 14. L'entrée d'air extérieur 24 aboutit à un étage de compression 26 permettant de comprimer cet air extérieur. Dans l'exemple montré sur les figures, cet étage de compression est le compresseur d'un turbocompresseur 28 avec une turbine 30 liée par un arbre de transmission (non représenté) au compresseur. La turbine est entraînée en rotation par les gaz d'échappement issus de la combustion du mélange carburé dans les cylindres et sortant du collecteur d'échappement 16. Ces gaz circulent ensuite dans une conduite 32 qui prend naissance à ce collecteur et aboutit à la turbine. Après avoir traversé cette turbine, ces gaz d'échappement sont évacués dans la ligne d'échappement par une sortie 34. L'air comprimé sortant du compresseur 26 est dirigé par une conduite de suralimentation d'air 36 dans le collecteur d'admission 14. De manière conventionnelle, un radiateur de refroidissement 38 de l'air comprimé, dénommé plus communément radiateur d'air de suralimentation (RAS), est placé sur la conduite 36 entre le collecteur d'admission 14 et le compresseur 26. Le positionnement de ce radiateur partage ainsi la conduite d'air de suralimentation 36 en une conduite amont 36a de suralimentation d'air, entre le compresseur et le radiateur, et une conduite aval 36b, entre ce radiateur et le collecteur d'admission.

Par les termes amont et aval, il est entendu les parties constitutives du circuit considéré qui sont situées avant ou après l'élément concerné et en considérant le sens d'écoulement du ou des fluides comme représenté sur les figures. Le circuit de recirculation de gaz d'échappement 22 comprend un conduit de recirculation des gaz d'échappement 40 (plus communément appelé conduit30 EGR) qui prend naissance à une dérivation 42 de la conduite de gaz d'échappement 32 et qui se termine, soit dans le collecteur d'admission, soit en un point 44 de la conduite aval 36b de suralimentation d'air, comme illustré sur la figure 1. Ce conduit EGR porte un refroidisseur de gaz d'échappement recirculés 46 et une vanne 48, dite vanne EGR, permettant de commander la quantité de gaz d'échappement circulant dans le conduit EGR. Cette vanne est placée sur la portion du conduit EGR située entre le collecteur d'échappement 16 et le refroidisseur 46.

Comme mieux visible sur la figure 1, le circuit d'alimentation comprend également une conduite de liaison 50 entre le circuit de suralimentation d'air et le circuit de recirculation de gaz d'échappement. Plus précisément, cette conduite de liaison permet de raccorder un point 52 de la conduite amont 36a de suralimentation d'air avec un point de jonction 54 de la partie du conduit 40 situé en amont du refroidisseur 46 et en aval de la vanne EGR 48. Cette localisation de la conduite de liaison permet ainsi de faire fonctionner le radiateur d'air de suralimentation en parallèle avec le refroidisseur de gaz d'échappement recirculés pour réaliser le refroidissement de l'air comprimé sortant du compresseur 26.

Préférentiellement, la conduite de liaison porte une vanne de régulation de débit 56 permettant de réguler le débit de l'air comprimé traversant le refroidisseur 46. Egalement, la partie de la conduite amont 36a située entre le point de jonction 52 et le radiateur d'air de suralimentation porte une vanne de régulation de débit 58 permettant de contrôler le passage de l'air comprimé dans le radiateur 38.

En fonctionnement du moteur à mi-charge ou à pleine charge, il n'est pas nécessaire de réaliser une recirculation de gaz d'échappement à l'admission du moteur, car la combustion du mélange carburé dans les cylindres 12 est telle que les polluants émis à l'échappement répondent aux normes anti-pollutions. Dans ce cas, la vanne EGR 48 est en position de fermeture du passage des gaz vers le refroidisseur et les vannes de régulation de débit 56 et 58 sont en position ouverte. Dans cette configuration, les gaz d'échappement issus du collecteur d'échappement 16 et circulant dans la conduite 32 entraînent en rotation la turbine 30 pour être évacués ensuite par la sortie 34. Cette turbine entraîne en rotation le compresseur 26 de manière à comprimer l'air extérieur arrivant par l'entrée 24. L'air comprimé sortant du compresseur, et qui est à une température élevée du fait de la compression, circule, pour une partie, dans la conduite amont 36a et, pour l'autre partie, dans la conduite de liaison 50 ainsi que dans la portion du conduit 40 comprise entre le point 54 et l'entrée du refroidisseur. Grâce à cela, une partie de l'air comprimé est refroidie par le radiateur 38 et l'autre partie est refroidie par le refroidisseur de gaz d'échappement 46. Ensuite, l'air comprimé refroidi sortant du radiateur et celui sortant du refroidisseur se rejoignent au point de jonction 44 pour être dirigés dans le collecteur d'admission 14. A partir de ce collecteur, l'air comprimé refroidi est introduit dans les cylindres 12 pour y être mélangé avec un carburant et réaliser une combustion du mélange carburé.

De par la puissance supplémentaire de refroidissement (de l'ordre de 5 à 10 KW) apportée par le refroidisseur 46 pour abaisser la température de l'air comprimé, la possibilité est offerte de réduire le dimensionnement du radiateur 38 tout en conservant les performances d'échange final et la température de l'air comprimé dans le collecteur qui étaient obtenues antérieurement par des circuits d'alimentation classiques. De ce fait, l'envergure de la face avant du véhicule pourra être réduite sans pénaliser le refroidissement de l'air de suralimentation.

Avantageusement, il est tiré profit de cette configuration, pour réaliser systématiquement un nettoyage du refroidisseur de gaz d'échappement. Comme précédemment mentionné, l'air comprimé qui traverse ce refroidisseur est à haute température, de l'ordre de 150 à 180 C. Cette température est suffisamment élevée pour évaporer les fractions solubles des particules déposées sur les parois d'échange du refroidisseur de façon à ce qu'elles se désagrègent. Fuis, sous l'effet de la forte vitesse de l'air comprimé circulant dans le refroidisseur, ces particules désagrégées sont décollées des parois d'échange et sont entraînées par l'air comprimé refroidi vers l'admission du moteur d'où elles sont introduites dans le cylindre pour y être brûlées lors de la combustion du mélange carburé.

De manière encore plus avantageuse, il peut être envisagé de réaliser ce nettoyage de façon encore plus rapide et cela par action sur les vannes de régulation de débit 56 et 58. Ainsi, ces vannes peuvent être commandées d'une façon telle que la vanne 58 soit temporairement en position intermédiaire de fermeture, voire en position de fermeture totale, et que la vanne 56 soit en position de pleine ouverture. De ce fait, la quantité d'air traversant le refroidisseur sera plus élevée ce qui ne peut qu'accélérer le nettoyage de ce refroidisseur.

Dans le cas de fonctionnement à faible charge du moteur où une admission de gaz d'échappement recirculés est nécessaire, la vanne 56 est en position de fermeture de la conduite de liaison 50, la vanne 58 est en position d'ouverture de la conduite 36a et la vanne EGR 48 est actionnée en ouverture en fonction des conditions de combustion du mélange carburé souhaitées dans les cylindres 12.

Durant ce fonctionnement, une partie des gaz d'échappement sortant du collecteur 16 est véhiculée par le conduit 40 jusqu'au point 44 en ayant été refroidie par le refroidisseur 46. L'air arrivant à ce point et ayant traversé le radiateur 38 peut être, soit de l'air à la pression ambiante (en cas d'inaction du compresseur, notamment dans les phases de ralenti du moteur), soit de l'air légèrement comprimé par le compresseur. Il en résulte que, à partir de ce point, un mélange d'air et de gaz d'échappement est envoyé au collecteur d'admission.

On se reporte maintenant à la figure 2 qui montre une variante de la 30 figure 1 et qui pour cela comporte les mêmes références pour les éléments communs aux deux figures.

Cette variante se distingue de la figure 1 par le fait que la conduite de liaison 50 permet de faire fonctionner le refroidisseur 46 en série avec le radiateur 38 pour assurer le refroidissement de l'air comprimé lors du fonctionnement à moyennes et fortes charges du moteur.

Le circuit de suralimentation d'air 20 du circuit d'alimentation 18 de cette variante comprend donc une entrée d'air extérieur 24, un compresseur d'air 26 faisant partie d'un turbocompresseur 28, une conduite de suralimentation d'air 36 et un radiateur d'air de suralimentation 38 partageant la conduite 36 en une conduite amont 36a et une conduite aval 36b.

Le circuit de recirculation de gaz d'échappement 22 comprend un conduit de recirculation des gaz d'échappement 40, qui part de la dérivation 42 de la conduite de gaz d'échappement 32 et qui aboutit dans le collecteur d'admission 14, un refroidisseur de gaz d'échappement recirculés 46 et une vanne EGR 48.

Comme précédemment mentionné en relation avec la figure 1, le circuit d'alimentation de cette variante comprend également une conduite de liaison 50 entre le circuit de suralimentation d'air et le circuit de recirculation de gaz d'échappement. Comme rnieux visible sur la figure 2, cette conduite de liaison permet de raccorder la conduite aval 36b de suralimentation d'air avec le point de jonction 54 de la partie du conduit 40 situé en amont du refroidisseur 46 et en aval de la vanne EGR 48. Comme déjà explicité en relation avec la figure 1, lors du fonctionnement du moteur à mi-charge ou à pleine charge, la vanne EGR 48 est en position de fermeture du passage des gaz vers le refroidisseur 46. L'air comprimé par le compresseur 26 circule dans la conduite amont 36a et le radiateur 38 pour ressortir dans la conduite aval 36b avec une température inférieure à celle de la sortie du compresseur. L'air comprimé ainsi refroidi est ensuite dirigé par la conduite de liaison 50 vers le point de jonction 54 pour traverser le refroidisseur 46 et subir un autre abaissement de température. A la sortie du refroidisseur, l'air comprimé, qui a subi une sorte de "surrefroidissement" par passage à travers du refroidisseur 46, est dirigé vers le collecteur d'admission 14 à partir duquel cet air comprimé est introduit dans les cylindres 12 pour y être mélangé avec un carburant et réaliser une combustion du mélange carburé. Ainsi, grâce à ce "surrefroidissement", il est possible de réduire le dimensionnement du radiateur 38 tout en conservant les performances thermiques nécessaires pour abaisser la température de l'air comprimé à un niveau requis pour son admission dans les cylindres 12.

De même, il sera possible de réaliser un nettoyage du refroidisseur 46 sans avoir à le démonter et cela par l'action conjuguée de la température de l'air comprimé et sa vitesse qui seront suffisantes en sortie de radiateur pour évaporer les fractions solubles des particules et les décoller des parois d'échange.

En fonctionnement à faible charge du moteur, la vanne EGR 48 est actionnée en ouverture pour laisser circuler une partie des gaz d'échappement vers le collecteur d'admission 14 après avoir traversé le refroidisseur 46. Simultanément, l'air refroidi par passage au travers du radiateur 38 est mélangé au point 54 avec les gaz d'échappement chauds. Le mélange air/gaz est ensuite refroidi par le refroidisseur 46 pour parvenir à la température souhaitée dans le collecteur d'admission 14.

Bien entendu et comme cela est connu de l'homme du métier, tant le radiateur 38 que le refroidisseur 46 sont munis d'un court-circuit respectivement 60 et 62 comprenant un moyen de vannage 64 et 66 et une conduite de contournement 68 et 70 de l'échangeur 38, 46 auquel elle est appliquée. Ces courts-circuits sont généralement utilisés lors du démarrage à froid du moteur et de ce fait n'ont aucune interdépendance avec le fonctionnement à mi-charges ou à fortes charges du moteur.

La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais englobe tout équivalent et variante. Notamment, il peut être envisagé que le circuit d'alimentation décrit ci-dessus soit appliqué à un moteur à combustion interne de type essence.5

Claims

REVENDICATIONS

1) Circuit d'alimentation en au moins un fluide d'un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation d'air (20) à l'admission du moteur comprenant une conduite de suralimentation (36), un dispositif de suralimentation (28) avec un étage de compression (26) ainsi qu'un radiateur de refroidissement (38) de l'air comprimé, et un circuit de recirculation des gaz d'échappement (22) à ladite admission du moteur comprenant un conduit de recirculation de gaz d'échappement (40) et un refroidisseur de gaz d'échappement (46), caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend une conduite de liaison (50) permettant de relier, en amont du refroidisseur (46), le circuit de suralimentation d'air (20) et le circuit de recirculation des gaz d'échappement (22).

2) Circuit d'alimentation en au moins un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de liaison (50) relie l'amont du radiateur (38) à l'amont du refroidisseur (46).

3) Circuit d'alimentation en au moins un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de liaison (50) relie l'aval du radiateur (38) à l'amont du refroidisseur (46).

4) Circuit d'alimentation en au moins un fluide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite de liaison (50) porte une vanne de régulation de débit (56).

5) Circuit d'alimentation en au moins un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de suralimentation d'air (20) comprend une vanne de régulation de débit (58).

6) Procédé pour alimenter en au moins un fluide un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation30d'air (20) avec un dispositif de compression (26) de l'air extérieur ainsi qu'un radiateur de refroidissement (38) de l'air comprimé et un circuit de recirculation des gaz d'échappement (22) avec un refroidisseur de gaz d'échappement (46), caractérisé en ce qu'il consiste, pour le fonctionnement à mi-charges et à fortes charges du moteur, à faire passer une partie de l'air comprimé à travers le radiateur (38) et à faire passer simultanément l'autre partie de cet air comprimé à travers le refroidisseur (46).

7) Procédé pour alimenter en au moins un fluide un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant un circuit de suralimentation d'air (20) avec un dispositif de compression (26) de l'air extérieur ainsi qu'un radiateur de refroidissement (38) de l'air comprimé et un circuit de recirculation des gaz d'échappement (22) avec un refroidisseur de gaz d'échappement (46), caractérisé en ce qu'il consiste, pour le fonctionnement à mi-charges et à fortes charges du moteur, à faire passer l'air comprimé à travers le radiateur (38) puis à le faire passer à travers le refroidisseur (46).