FR3146952A1 - Internal combustion engine installation using hydrogen as fuel with crankcase scavenging line - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une installation de moteur à combustion interne utilisant partiellement ou totalement de l’hydrogène en tant que carburant. L’installation comprend une ligne d’admission d’air (6), une ligne de captage d’hydrogène (29) présent dans le carter (29) reliée à la ligne d’admission (6), et une conduite de balayage (29) du carter (20) par de l’air à la pression atmosphérique. Pour cette invention, la ligne de captage (29) comprend un capteur de concentration en hydrogène (9) en sortie d’un système de déshuilage (8). Figure 1 à publierThe present invention relates to an internal combustion engine installation using hydrogen partially or totally as fuel. The installation comprises an air intake line (6), a hydrogen capture line (29) present in the crankcase (29) connected to the intake line (6), and a scavenging line (29) of the crankcase (20) by air at atmospheric pressure. For this invention, the capture line (29) comprises a hydrogen concentration sensor (9) at the outlet of a de-oiling system (8). Figure 1 to be published
Description
La présente invention concerne le domaine de la dépollution et de la sécurité des moteurs à combustion interne à hydrogène.The present invention relates to the field of pollution control and safety of hydrogen internal combustion engines.
Le secteur des transports, et en particulier le transport terrestre, est contraint comme les autres secteurs à réduire ses émissions de CO2afin de limiter le réchauffement climatique à 2 °C d’ici la fin du siècle. Afin de répondre à cet enjeu sociétal, les technologies de la mobilité doivent évoluer pour viser des émissions de CO2proches de zéro. Ainsi, trois grandes familles de technologies sont envisagées pour atteindre cet objectif, chacune d’entre-elles pouvant être plus ou moins adaptée à une application spécifique.
- La solution tout électrique : qui associe batterie de traction et chaine cinématique électrique. Cette dernière peut faire appel à une ou plusieurs machines électriques suivant les puissances demandées par l’application concernée. Cette solution présente deux inconvénients majeurs : le volume et la masse des batteries sont conséquents, limitant leur utilisation aux véhicules ne nécessitant pas de fortes exigences énergétiques, de plus, leur temps de recharge est important, pénalisant ainsi la continuité de service.
- Le système de pile à combustible, qui est un convertisseur chimique créant de l’électricité à partir d’une réaction entre l’hydrogène et l’air. L’électricité ainsi produite est utilisée par une chaine cinématique électrique similaire à celle du véhicule tout électrique. Les avantages de la pile à combustible par rapport à la batterie se situent au niveau de la densité énergétique de stockage, plus élevée avec l’hydrogène, et de la rapidité de remplissage du réservoir de stockage d’hydrogène. En revanche, la pile à combustible est une solution coûteuse du fait de l’utilisation de métaux précieux. Cette dernière présente également une complexité accrue dans la gestion des transitoires. En outre, cette technologie est moins avantageuse en termes de durabilité et en termes de disponibilité à grande échelle.
- Pour pallier les différents inconvénients listés ci-dessus, une troisième solution consiste à utiliser l’hydrogène en tant que carburant dans un moteur à combustion interne. Cette approche apporte plusieurs avantages :
- D’un point de vue de l’utilisateur, cette approche permet pour certaines applications spécifiques comme les poids lourds, les engins de chantier, les bateaux maritimes ou fluviaux d’offrir des caractéristiques intéressantes en termes d’autonomie, et surtout de temps de recharge, que les systèmes à batterie ne peuvent pas proposer. Seule, la pile à combustible serait à même d’assurer un niveau de prestation identique, mais avec un coût bien plus élevé.
- Le moteur à combustion interne d’hydrogène repose sur une technologie mature, fiable et optimisée en termes de coûts, permettant d’utiliser l’outil industriel existant sans grosse modification contrairement aux solutions électriques alternatives qui requirent des moyens de production en rupture. En effet, cette technologie permet de bénéficier d’infrastructures de production déjà existantes, sans dépendre de matériaux rares.
- Le moteur à combustion interne d’hydrogène est quasiment insensible aux conditions extérieures, comme les températures extrêmes, froides et chaudes, l’altitude, et la présence de poussières dans l’air. Il est également insensible aux vibrations. Ces avantages le rendent particulièrement pertinent sur des applications de type engins de chantier ou engins miniers.
- Le moteur à combustion interne d’hydrogène est beaucoup moins sensible que la pile à combustible à la qualité de l’hydrogène utilisée. Par qualité, on entend ici le degré de pureté de l’hydrogène, ainsi que la faible présence de contaminants dans celui-ci, les contaminants possibles étant listés dans la norme ISO 14687-2. On peut citer par exemple l’argon, le CO2et les composés soufrés. Il est donc possible d’utiliser un hydrogène de moindre qualité dans le moteur à combustion interne d’hydrogène, avec un avantage sur le coût de celui-ci.
- The all-electric solution: which combines a traction battery and an electric drivetrain. The latter can use one or more electric machines depending on the power required by the application concerned. This solution has two major drawbacks: the volume and mass of the batteries are significant, limiting their use to vehicles that do not require high energy requirements; in addition, their recharge time is significant, thus penalizing continuity of service.
- The fuel cell system, which is a chemical converter that creates electricity from a reaction between hydrogen and air. The electricity thus produced is used by an electric drive train similar to that of the all-electric vehicle. The advantages of the fuel cell compared to the battery are in the energy density of storage, higher with hydrogen, and the speed of filling the hydrogen storage tank. On the other hand, the fuel cell is an expensive solution due to the use of precious metals. The latter also presents increased complexity in the management of transients. In addition, this technology is less advantageous in terms of sustainability and in terms of large-scale availability.
- To overcome the various drawbacks listed above, a third solution is to use hydrogen as fuel in an internal combustion engine. This approach brings several advantages:
- From a user point of view, this approach allows for certain specific applications such as heavy goods vehicles, construction machinery, maritime or river boats to offer interesting characteristics in terms of autonomy, and especially recharge time, which battery systems cannot offer. Only the fuel cell would be able to ensure an identical level of performance, but at a much higher cost.
- The hydrogen internal combustion engine is based on a mature, reliable and cost-optimized technology, allowing the use of existing industrial tools without major modifications, unlike alternative electrical solutions that require disruptive production methods. Indeed, this technology allows the use of already existing production infrastructures, without depending on rare materials.
- The hydrogen internal combustion engine is virtually insensitive to external conditions, such as extreme cold and hot temperatures, altitude, and the presence of dust in the air. It is also insensitive to vibrations. These advantages make it particularly relevant for applications such as construction or mining machinery.
- The hydrogen internal combustion engine is much less sensitive than the fuel cell to the quality of the hydrogen used. By quality, we mean the degree of purity of the hydrogen, as well as the low presence of contaminants in it, the possible contaminants being listed in the ISO 14687-2 standard. Examples include argon, CO2 and sulfur compounds. It is therefore possible to use lower quality hydrogen in the hydrogen internal combustion engine, with an advantage in terms of its cost.
Ainsi, le moteur à combustion interne à hydrogène permet de répondre à court terme au besoin de réduction des émissions de CO2pour différentes applications. Ce moteur à hydrogène peut être soit conçu et fabriqué directement à partir d’une feuille blanche, soit en convertissant les motorisations essence, Diesel ou gaz actuellement utilisées dans le but d’accélérer la transition écologique avec une solution prête immédiatement.Thus, the hydrogen internal combustion engine makes it possible to respond in the short term to the need to reduce CO2 emissions for different applications. This hydrogen engine can either be designed and manufactured directly from a blank sheet of paper or by converting the petrol, diesel or gas engines currently used in order to accelerate the ecological transition with an immediately ready solution.
Si le moteur thermique alimenté à l’hydrogène présente un certain nombre d’avantages, une problématique spécifique a toutefois été identifiée : la présence d’hydrogène résiduel dans les gaz de carter. Les gaz de carter sont des gaz issus de la chambre de combustion qui s’échappent en petites quantités à travers les interstices existants entre les pistons et les cylindres (jeux à la coupe des segments notamment), jusqu’à arriver dans le carter moteur. Dans les moteurs Essence, Diesel, GPL ou GNV, ces gaz de carter sont constitués de gaz de combustion, d’hydrocarbures imbrûlés et de vapeurs d’huile. Ceux-ci sont usuellement réinjectés à l’admission afin d’une part éviter une montée en pression dans le carter du moteur, qui pourrait endommager les joints participant à l'étanchéité du circuit de lubrification et d’autre part être en accord avec les normes pollution, pour lequel il n’est pas possible de rejeter ces effluents directement dans l’atmosphère. Dans les moteurs à combustion interne d’hydrogène, l’hydrogène imbrûlé remplace les hydrocarbures imbrûlés dans la composition des gaz de carter. La molécule d’hydrogène étant bien plus petite que les molécules constituant les hydrocarbures imbrûlés conventionnels, un niveau de fuite plus important a été observé expérimentalement entre les pistons et les cylindres, conduisant à des concentrations en hydrogène bien supérieures. Ainsi, il est possible d’atteindre des niveaux de concentration en hydrogène dans les gaz de carter supérieurs à la limite inférieure d’explosivité (LIE) qui se situe à environ 4 % en volume. Des mesures expérimentales ont montré des teneurs pouvant atteindre 7 à 8 % en volume. En présence d’oxygène, l’hydrogène peut donc s’enflammer voire même entraîner une explosion du carter, créant un risque pour les personnes et les biens se trouvant à proximité. Ce phénomène est d’autant plus marqué lorsque le moteur est en dessous de sa température de fonctionnement optimale, les jeux entre les pistons, les segments et les cylindres étant plus importants et créent ainsi des niveaux de fuite de gaz plus importants.Although the hydrogen-powered thermal engine has a number of advantages, a specific problem has nevertheless been identified: the presence of residual hydrogen in the crankcase gases. Crankcase gases are gases from the combustion chamber that escape in small quantities through the gaps between the pistons and cylinders (particularly the clearances at the ring cut), until they reach the engine crankcase. In gasoline, diesel, LPG or CNG engines, these crankcase gases consist of combustion gases, unburned hydrocarbons and oil vapors. These are usually reinjected into the intake in order to avoid a pressure build-up in the engine crankcase, which could damage the seals involved in sealing the lubrication circuit and to comply with pollution standards, for which it is not possible to discharge these effluents directly into the atmosphere. In hydrogen internal combustion engines, unburned hydrogen replaces unburned hydrocarbons in the composition of the crankcase gases. Since the hydrogen molecule is much smaller than the molecules constituting conventional unburned hydrocarbons, a higher level of leakage has been experimentally observed between the pistons and the cylinders, leading to much higher hydrogen concentrations. Thus, it is possible to reach hydrogen concentration levels in the crankcase gases higher than the lower explosive limit (LEL) which is approximately 4% by volume. Experimental measurements have shown contents of up to 7 to 8% by volume. In the presence of oxygen, hydrogen can therefore ignite or even cause a crankcase explosion, creating a risk for people and property in the vicinity. This phenomenon is all the more marked when the engine is below its optimum operating temperature, as the clearances between the pistons, rings and cylinders are greater and thus create higher levels of gas leakage.
Dans un moteur Essence, Diesel, GPL (gaz de pétrole liquéfié) ou GNV (gaz naturel pour véhicules) standard, après être passé dans un déshuileur (appelé également système de déshuilage), les gaz de carter sont réinjectés à l’admission, soit après la vanne papillon pour un moteur atmosphérique, soit à l’entrée du compresseur ou à la fois à l’entrée du compresseur et après le papillon pour un moteur suralimenté. Dans ce système standard, les gaz de carter (appelé gaz de « blow-by ») circulent naturellement du carter moteur vers l’admission, la pression au niveau du carter étant supérieure à celle à l’admission. Certes, il peut ne pas y avoir pas de surpression excessive au niveau du carter, mais si la concentration des gaz de blow-by n’est pas diluée, elle peut dépasser la limite d’inflammabilité dans le cas d’un moteur fonctionnant à l’hydrogène.In a standard Petrol, Diesel, LPG (liquefied petroleum gas) or CNG (natural gas for vehicles) engine, after passing through an oil separator (also called a de-oiling system), the crankcase gases are reinjected into the intake, either after the butterfly valve for a naturally aspirated engine, or at the compressor inlet or both at the compressor inlet and after the butterfly valve for a supercharged engine. In this standard system, the crankcase gases (called "blow-by" gases) naturally flow from the crankcase to the intake, the pressure at the crankcase being higher than that at the intake. Of course, there may not be excessive overpressure at the crankcase, but if the concentration of blow-by gases is not diluted, it can exceed the flammability limit in the case of an engine running on hydrogen.
La demande de brevet portant le numéro de dépôt FR22/09249 concerne le captage de l’hydrogène dans le carter et sa réinjection dans la ligne d’échappement, de manière à permettre une catalyse à réduction sélective de Nox. Ainsi, cette méthode permet de réduire les émissions de polluants d’un tel moteur à combustion interne tout en limitant la quantité d’hydrogène présent dans le carter. Toutefois, cette méthode ne permet pas d’améliorer les performances du moteur à combustion interne, et nécessite une ligne d’échappement spécifique.The patent application bearing the filing number FR22/09249 concerns the capture of hydrogen in the crankcase and its reinjection into the exhaust line, so as to enable selective Nox reduction catalysis. Thus, this method makes it possible to reduce the pollutant emissions of such an internal combustion engine while limiting the quantity of hydrogen present in the crankcase. However, this method does not improve the performance of the internal combustion engine, and requires a specific exhaust line.
L'objectif du système décrit dans la demande de brevet JP2021-127704 est de réduire la teneur d'hydrogène dans le carter bas moteur pour éviter l'inflammation de l'hydrogène contenu dans les gaz de carter pour un moteur fonctionnant à l'hydrogène. Pour ce système, le carter est balayé soit avec des gaz brulés issus de l’échappement soit avec de l'air filtré provenant de l'extérieur au moyen d'une pompe ou un ventilateur. L’utilisation d’une telle pompe ou d’un ventilateur augmente les coûts du système, ainsi que la complexité d’installation. De plus, les gaz sont rejetés à l'extérieur et non réadmis à l'admission, or de récentes études ont montré que l’hydrogène libéré dans l’atmosphère a un impact indirect non négligeable sur l’effet de serre. De plus, il est prévu un capteur d’hydrogène dans le carter bas moteur. Or, dans cette partie du carter, l’huile présente est porté à des températures élevées de l’ordre de 90 voire 110°C avec des gaz de blow-by issus de la combustion assez chauds, ce qui impose des conditions très sévères au capteur d’hydrogène (présence d’huile et température élevée).The objective of the system described in patent application JP2021-127704 is to reduce the hydrogen content in the crankcase to prevent the ignition of hydrogen contained in the crankcase gases for a hydrogen-powered engine. For this system, the crankcase is swept either with burnt gases from the exhaust or with filtered air from outside by means of a pump or fan. The use of such a pump or fan increases the costs of the system, as well as the complexity of installation. In addition, the gases are discharged to the outside and not readmitted to the intake, but recent studies have shown that hydrogen released into the atmosphere has a significant indirect impact on the greenhouse effect. In addition, a hydrogen sensor is provided in the crankcase. However, in this part of the crankcase, the oil present is brought to high temperatures of around 90 or even 110°C with blow-by gases from the combustion which are quite hot, which imposes very severe conditions on the hydrogen sensor (presence of oil and high temperature).
Le système décrit dans la demande de brevet US6606982 permet le balayage d’un carter d’un moteur à hydrogène. Ce système utilise deux clapets anti-retours : un en entrée et un en sortie du carter d'huile. Ce système ne met pas en œuvre de contrôle de la concentration d’hydrogène dans les gaz blow-by, et ne met pas en œuvre de contrôle du débit d'air qui passe dans le carter bas moteur. Ce brevet propose certes un balayage d'air du carter d'huile pour un moteur fonctionnant à l’hydrogène mais avec un système spécifique. En particulier, s'il y a un balayage d'air dans le carter qui s'opère, il sera faible en pleine charge car le papillon sera ouvert à son maximum, et dans ce cas la différence de pression sera très faible entre l'entrée et la sortie du carter d'huile, ce qui aura pour conséquence d'abaisser le balayage d'air, alors que ce sont sur ces points qu'il y a le plus besoin de balayer le carter d'huile pour rester en dessous de la limite d'inflammabilité. De plus, la configuration illustrée par la
Le système de la demande de brevet US5603290 décrit un balayage du carter d’huile par de l’air via une pompe mais avec un faible taux de balayage. Le but de ce système n’est pas de rester en dessous de la limite LIE dans le carter bas moteur, mais d’éviter la remontée de vapeur d’huile dans la chambre de combustion. Pour cela, il est proposé de mettre le carter bas moteur à un certain niveau de dépression (5 inch de Hg = 170 mbar de pression = 17000 Pa) de manière à réduire les remontées d’huile par la segmentation vers la chambre de combustion d’un moteur fonctionnant à l’hydrogène. Les remontées d’huile par la segmentation étant à priori à la source de phénomène de pré-allumage du mélange air-hydrogène dans la chambre de combustion. Dans ce brevet, il n’est pas prévu de mesure concentration d’hydrogène, dans le but de réaliser un contrôle adéquat.The system of patent application US5603290 describes a sweep of the oil sump by air via a pump but with a low sweep rate. The purpose of this system is not to remain below the LEL limit in the lower engine crankcase, but to prevent the rise of oil vapor in the combustion chamber. To do this, it is proposed to put the lower engine crankcase at a certain level of depression (5 inches of Hg = 170 mbar of pressure = 17000 Pa) so as to reduce the rise of oil through the segmentation towards the combustion chamber of an engine running on hydrogen. The rise of oil through the segmentation being a priori the source of the pre-ignition phenomenon of the air-hydrogen mixture in the combustion chamber. In this patent, there is no provision for measuring the hydrogen concentration, in order to carry out adequate control.
Le système décrit dans la demande de brevet CN114320529 concerne également le balayage du carter. Pour cela, le système fait appel à un capteur d’hydrogène. Dans ce système, c’est l’air comprimé par la suralimentation qui vient balayer le carter (en ouvrant l’électrovanne qui relie le collecteur d’admission au carter). L’hydrogène du carter va ensuite passer par le séparateur, et être réadmis à l’admission donc les gaz dans le plenum d’admission servant à balayer le carter vont toujours contenir de l’hydrogène. Dans ce système, il est possible d’abaisser la teneur d’hydrogène du carter mais pas la réduire à zéro. Dans un tel système, le carter est en surpression par rapport à la pression atmosphérique en mode suralimenté. Il y a donc un risque de fuite d’hydrogène et autres composés de dégradation de l’huile par les joints du carter vers l’atmosphère avec leur usure dans le temps. Un tel système n’est pas adapté à un moteur à injection indirecte d’hydrogène, car en injectant de l’hydrogène dans le plenum d’admission ou même après dans les conduits d’amission avant les soupapes étant donné qu’en mode suralimenté, le plénum est en surpression par rapport au carter, de l’air très chargé en hydrogène rentrer dans le carter. Dans un tel système, le capteur d’hydrogène est logé dans le carter, ce qui implique l’utilisation d’un capteur onéreux apte à résister notamment à la température de l’huile, et ce qui nécessite une installation complexe d’un tel capteur. La concentration d’hydrogène dans le carter n’est pas forcément homogène (point d’entrée de l’hydrogène par les segments et point d’entrée de l’air par leur tubulure), d’autant plus qu’ils ferment et ouvrent l’électrovanne par intermittence. Cette disposition ne permet pas de prendre en compte, par le contrôle moteur, la quantité précise d’hydrogène réadmis à l’admission, ni de réajuster la quantité d’hydrogène à injecter dans le moteur pour le suivi de la richesse cible (amélioration du contrôle richesse).The system described in patent application CN114320529 also concerns crankcase scavenging. To do this, the system uses a hydrogen sensor. In this system, it is the air compressed by the supercharging that sweeps the crankcase (by opening the solenoid valve that connects the intake manifold to the crankcase). The hydrogen in the crankcase will then pass through the separator and be readmitted to the intake, so the gases in the intake plenum used to sweep the crankcase will always contain hydrogen. In this system, it is possible to lower the hydrogen content of the crankcase but not reduce it to zero. In such a system, the crankcase is overpressurized compared to atmospheric pressure in supercharged mode. There is therefore a risk of hydrogen and other oil degradation compounds leaking through the crankcase seals into the atmosphere with their wear over time. Such a system is not suitable for an engine with indirect hydrogen injection, because by injecting hydrogen into the intake plenum or even afterwards into the intake ducts before the valves, given that in supercharged mode, the plenum is under overpressure compared to the crankcase, air highly charged with hydrogen enters the crankcase. In such a system, the hydrogen sensor is housed in the crankcase, which implies the use of an expensive sensor capable of withstanding the oil temperature in particular, and which requires a complex installation of such a sensor. The hydrogen concentration in the crankcase is not necessarily homogeneous (hydrogen entry point through the segments and air entry point through their tubing), especially since they close and open the solenoid valve intermittently. This arrangement does not allow the engine control to take into account the precise quantity of hydrogen readmitted to the intake, nor to readjust the quantity of hydrogen to be injected into the engine to monitor the target richness (improvement of richness control).
L’invention a pour but d’assurer la sécurité d’un moteur à combustion interne à hydrogène, tout en augmentant les performances du moteur, de manière simple et peu onéreuse. Pour cela, la présente invention concerne une installation de moteur à combustion interne utilisant partiellement ou totalement de l’hydrogène en tant que carburant. L’installation comprend une ligne d’admission d’air, une ligne de captage d’hydrogène présent dans le carter reliée à la ligne d’admission, et une conduite de balayage du carter par de l’air à la pression atmosphérique. Pour cette invention, la ligne de captage comprend un capteur de concentration en hydrogène en sortie d’un système de déshuilage. Ainsi, l’hydrogène capté dans le carter est réintroduit à l’admission, ce qui permet d’augmenter les performances du moteur à combustion interne. Un tel système ne nécessite pas de pompe ou de ventilateur pour le balayage du carter, ainsi cette installation est simple et peu onéreuse. En outre, l’installation d’un capteur de concentration en hydrogène en sortie d’un système de déshuilage, permet l’utilisation d’un capteur de concentration en hydrogène peu onéreux et simple à implémenter sur une conduite.The invention aims to ensure the safety of a hydrogen internal combustion engine, while increasing the engine's performance, in a simple and inexpensive manner. To this end, the present invention relates to an internal combustion engine installation partially or completely using hydrogen as fuel. The installation comprises an air intake line, a line for capturing hydrogen present in the crankcase connected to the intake line, and a line for scavenging the crankcase with air at atmospheric pressure. For this invention, the capture line comprises a hydrogen concentration sensor at the outlet of a de-oiling system. Thus, the hydrogen captured in the crankcase is reintroduced to the intake, which makes it possible to increase the performance of the internal combustion engine. Such a system does not require a pump or fan for scavenging the crankcase, so this installation is simple and inexpensive. In addition, the installation of a hydrogen concentration sensor at the outlet of a de-oiling system allows the use of an inexpensive hydrogen concentration sensor that is easy to implement on a pipeline.
De plus, l’invention concerne un procédé de commande d’une telle installation.Furthermore, the invention relates to a method for controlling such an installation.
L’invention concerne une installation de moteur à combustion interne utilisant partiellement ou totalement de l’hydrogène en tant que carburant, ladite installation comprenant une ligne d’admission d’air, une ligne de captage d’hydrogène présent au sein d’un carter dudit moteur à combustion interne, ladite ligne de captage comprenant un système de déshuilage et étant reliée à ladite ligne d’admission en amont du moteur à combustion interne. La ligne d’admission d’air comprend une conduite de balayage dudit carter avec de l’air à la pression atmosphérique issue de ladite ligne d’admission, et en ce que ladite ligne de captage comprend un capteur de concentration en hydrogène en sortie dudit système de déshuilage.The invention relates to an internal combustion engine installation partially or totally using hydrogen as fuel, said installation comprising an air intake line, a line for capturing hydrogen present within a casing of said internal combustion engine, said capture line comprising a de-oiling system and being connected to said intake line upstream of the internal combustion engine. The air intake line comprises a duct for scavenging said casing with air at atmospheric pressure from said intake line, and in that said capture line comprises a hydrogen concentration sensor at the outlet of said de-oiling system.
Selon un mode de réalisation, ladite ligne d’admission comprend une vanne, notamment une vanne papillon, pilotée en fonction de ladite concentration en hydrogène mesurée.According to one embodiment, said intake line comprises a valve, in particular a butterfly valve, controlled as a function of said measured hydrogen concentration.
Conformément à une mise en œuvre, ladite conduite de balayage et/ou ladite ligne d’admission comprend une vanne pilotée pour contrôler un débit d’air à la pression atmosphérique dans ladite conduite de balayage.According to one implementation, said sweep line and/or said intake line comprises a pilot-operated valve for controlling an air flow at atmospheric pressure in said sweep line.
Selon un aspect, ladite ligne d’admission comprend un compresseur, notamment un compresseur d’un turbocompresseur, et ladite ligne de captage est reliée à ladite ligne d’admission en amont et/ou en aval dudit compresseur.According to one aspect, said intake line comprises a compressor, in particular a compressor of a turbocharger, and said capture line is connected to said intake line upstream and/or downstream of said compressor.
Avantageusement, ladite ligne d’admission comprend un injecteur d’hydrogène.Advantageously, said intake line comprises a hydrogen injector.
Selon une configuration, ladite conduite de balayage comprend un clapet anti-retour.According to one configuration, said sweep line comprises a non-return valve.
Conformément à un mode de réalisation, ladite conduite de balayage comprend un débitmètre.According to one embodiment, said sweep line comprises a flow meter.
De manière avantageuse, ladite ligne d’admission comprend des moyens de mesure du débit d’air.Advantageously, said intake line comprises means for measuring the air flow.
Selon une mise en œuvre, ladite ligne de captage comprend un clapet anti-retour.According to one implementation, said collection line comprises a non-return valve.
En outre, l’invention concerne un procédé de commande d’une installation de moteur à combustion interne selon l’une des caractéristiques précédentes, dans lequel on met en œuvre au moins les étapes suivantes :
- On mesure la concentration en hydrogène dans ladite ligne de captage au moyen dudit capteur de concentration en hydrogène ; et
- On injecte de l’air à la pression atmosphérique dans ledit carter du moteur à combustion interne pour balayer ledit carter, en fonction de la mesure en concentration d’hydrogène dans ladite ligne de captage.
- The hydrogen concentration in said collection line is measured by means of said hydrogen concentration sensor; and
- Air at atmospheric pressure is injected into said crankcase of the internal combustion engine to sweep said crankcase, depending on the measurement of hydrogen concentration in said capture line.
Selon un mode de réalisation, on diagnostique en outre l’usure d’au moins un segment d’un piston dudit moteur à combustion interne en fonction de ladite concentration d’hydrogène mesurée par ledit capteur de concentration en hydrogène.According to one embodiment, the wear of at least one segment of a piston of said internal combustion engine is further diagnosed as a function of said hydrogen concentration measured by said hydrogen concentration sensor.
D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.Other characteristics and advantages of the system according to the invention will appear on reading the following description of non-limiting examples of embodiments, with reference to the figures appended and described below.
La
La
La
La
Dans la présente demande, les termes « amont », « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz, par exemple l’hydrogène, les gaz d’admission, ou les gaz d’échappement. De la même manière, les termes « en entrée » et « en sortie » sont définis par rapport au sens de la circulation des gaz, et signifient que les deux composants sont successifs par rapport au sens de la circulation des gaz (il n’y a pas de dispositifs entre les composants). Par exemple, si le composant A est en entrée du composant B, cela signifie que le gaz circule successivement dans le composant A puis dans le composant B, sans composant intermédiaire.In the present application, the terms “upstream” and “downstream” are defined in relation to the direction of flow of the gases, for example hydrogen, intake gases, or exhaust gases. Similarly, the terms “inlet” and “outlet” are defined in relation to the direction of flow of the gases, and mean that the two components are successive in relation to the direction of flow of the gases (there are no devices between the components). For example, if component A is at the inlet of component B, this means that the gas flows successively in component A and then in component B, without an intermediate component.
La présente invention concerne une installation de moteur à combustion interne à hydrogène (pour désigner du dihydrogène). Il peut s’agir d’un moteur à combustion interne directement conçu pour fonctionner avec du dihydrogène comme carburant, ou, en variante, il peut s’agir d’un moteur à combustion interne essence, Diesel ou à gaz utilisé avec du dihydrogène comme carburant, cette approche étant connue sous le nom de rétrofit (réaménagement).The present invention relates to a hydrogen (to denote dihydrogen) internal combustion engine installation. It may be an internal combustion engine directly designed to operate with dihydrogen as fuel, or, alternatively, it may be a gasoline, diesel or gas internal combustion engine operated with dihydrogen as fuel, this approach being known as retrofitting.
Par moteur à combustion interne à hydrogène, il est entendu un moteur à combustion interne pouvant fonctionner partiellement ou totalement avec de l’hydrogène en tant que carburant. La quantité d’hydrogène utilisé en tant que carburant dans ce cadre de l’invention peut être comprise entre 10% et 100% volume. De préférence, le moteur à combustion interne peut fonctionner avec majoritairement de l’hydrogène en tant que carburant. De manière préférée, le moteur à combustion interne peut fonctionner uniquement avec de l’hydrogène comme carburant (à l’exception d’impuretés).By hydrogen internal combustion engine is meant an internal combustion engine that can operate partially or completely with hydrogen as fuel. The amount of hydrogen used as fuel in this context of the invention can be between 10% and 100% by volume. Preferably, the internal combustion engine can operate mainly with hydrogen as fuel. Preferably, the internal combustion engine can operate solely with hydrogen as fuel (with the exception of impurities).
Classiquement, une installation d’un moteur à combustion interne d’hydrogène comprend :
- Au moins un cylindre au sein d’un carter, dans lequel se déplace un piston, le piston et le cylindre délimitant avec une culasse une chambre de combustion, le carter étant fermé dans sa partie inférieure (dans la position d’utilisation du moteur à combustion interne) d’une partie de carter appelée « carter bas moteur», servant notamment à la récupération de l’huile de lubrification,
- Une ligne d’admission d’air, avec un ensemble de conduites, pour alimenter la chambre de combustion en air,
- Une injection de carburant, directe ou indirecte, pour alimenter la chambre de combustion en carburant, et
- Une ligne d’échappement, avec un ensemble de conduites, pour l’évacuation des gaz brulés depuis la chambre de combustion vers l’atmosphère.
- At least one cylinder within a crankcase, in which a piston moves, the piston and the cylinder delimiting with a cylinder head a combustion chamber, the crankcase being closed in its lower part (in the position of use of the internal combustion engine) by a crankcase part called "lower engine crankcase", used in particular for the recovery of lubricating oil,
- An air intake line, with a set of pipes, to supply air to the combustion chamber,
- A fuel injection, direct or indirect, to supply the combustion chamber with fuel, and
- An exhaust line, with a set of pipes, for the evacuation of burnt gases from the combustion chamber to the atmosphere.
De plus, l’installation comprend une ligne de captage de l’hydrogène résiduel présent au sein du carter du moteur à combustion interne. En d’autres termes, la ligne de captage est prévue pour évacuer l’hydrogène résiduel au sein du carter, en particulier au sein du carter bas moteur. La ligne captage comprend un ensemble de conduites et un système de déshuilage pour séparer l’hydrogène de l’huile issue du carter. Un tel système de déshuilage peut notamment être réalisé par des systèmes mécaniques passifs de type chicanes, ou bien par des systèmes actifs, plus efficaces, basés par exemple sur la centrifugation de l’huile (par exemple des déshuileurs à cyclone ou des séparateurs centrifuges), ou une combinaison de systèmes passifs et actifs. L’huile séparée de l’hydrogène peut être réinjectée, par exemple par gravité, au moyen d’une conduite dans le carter bas moteur. Ainsi, la sécurité de l’installation est améliorée grâce à la diminution du taux d’hydrogène dans le carter, en particulier dans le carter bas moteur.In addition, the installation includes a line for capturing residual hydrogen present in the crankcase of the internal combustion engine. In other words, the capture line is designed to evacuate the residual hydrogen in the crankcase, in particular in the lower engine crankcase. The capture line includes a set of pipes and a de-oiling system for separating the hydrogen from the oil from the crankcase. Such a de-oiling system can in particular be carried out by passive mechanical systems such as baffles, or by more efficient active systems, based for example on oil centrifugation (for example cyclone de-oilers or centrifugal separators), or a combination of passive and active systems. The oil separated from the hydrogen can be reinjected, for example by gravity, by means of a pipe into the lower engine crankcase. Thus, the safety of the installation is improved by reducing the hydrogen level in the crankcase, in particular in the lower engine crankcase.
Selon l’invention, la ligne de captage est reliée à la ligne d’admission en amont du moteur à combustion interne. Ainsi, l’hydrogène capté dans le carter est réinjecté dans le cylindre du moteur à combustion interne, ce qui permet de réduire la quantité de carburant à injecter dans le cylindre. De cette manière, les performances énergétiques du moteur à combustion interne sont améliorées, et les émissions de polluants sont réduits.According to the invention, the capture line is connected to the intake line upstream of the internal combustion engine. Thus, the hydrogen captured in the crankcase is reinjected into the cylinder of the internal combustion engine, which makes it possible to reduce the quantity of fuel to be injected into the cylinder. In this way, the energy performance of the internal combustion engine is improved, and the pollutant emissions are reduced.
En outre, la ligne d’admission comprend une conduite de balayage du carter avec de l’air à pression atmosphérique ou légèrement inférieure. En d’autres termes, la ligne d’admission comprend une dérivation de l’air à pression atmosphérique ou légèrement inférieure (donc non comprimé) au travers du carter. Cette dérivation assure un balayage du carter, et permet à la ligne de captage de l’hydrogène de capter de l’hydrogène résiduel au sein du carter et diluer le gaz résiduel du carter avec de l’air à pression atmosphérique. Cette pression de l’air permet d’éviter un risque de fuite d’hydrogène, par rapport à une pression de l’air qui serait comprimé. De préférence, la dérivation de la ligne d’admission peut être prévue en aval d’un filtre à air agencé sur la ligne d’admission, et de manière préférée la dérivation peut être agencée en sortie d’un filtre à air agencé sur la ligne d’admission. Avantageusement, la liaison entre la ligne de captage et la ligne d’admission peut être agencée en aval de la dérivation formant la conduite de balayage. Ainsi, l’hydrogène capté est injecté dans la ligne d’admission après le prélèvement de l’air pour le balayage. Il en résulte que le gaz pour le balayage ne comprend que de l’air. Dans la suite de la description, la conduite de la ligne d’admission qui n’appartient pas à la conduite de balayage est appelée conduite principale de la ligne d’admission.In addition, the intake line comprises a line for sweeping the crankcase with air at atmospheric pressure or slightly lower. In other words, the intake line comprises a bypass of air at atmospheric pressure or slightly lower (therefore uncompressed) through the crankcase. This bypass ensures sweeping of the crankcase, and allows the hydrogen capture line to capture residual hydrogen within the crankcase and dilute the residual gas from the crankcase with air at atmospheric pressure. This air pressure makes it possible to avoid a risk of hydrogen leakage, compared to an air pressure that would be compressed. Preferably, the bypass of the intake line can be provided downstream of an air filter arranged on the intake line, and preferably the bypass can be arranged at the outlet of an air filter arranged on the intake line. Advantageously, the connection between the capture line and the intake line can be arranged downstream of the bypass forming the scavenging line. Thus, the captured hydrogen is injected into the intake line after the air has been sampled for scavenging. As a result, the gas for scavenging comprises only air. In the remainder of the description, the intake line pipe that does not belong to the scavenging line is called the main intake line pipe.
Conformément à l’invention, la ligne de captage comprend un capteur de concentration en hydrogène en sortie d’un système de déshuilage. Ainsi, on peut mesurer le gaz résiduel dans la ligne de captage. Cette réalisation permet d’utiliser un capteur simple et peu onéreux : en effet, il n’a pas besoin de résister à la température présente dans le carter (en raison de sa position et en raison de la dilution par de l’air à la pression atmosphérique), il n’est pas soumis à l’huile qui pourrait être capté, et il peut s’agir d’un capteur de conception simple à installer sur une conduite. Cette mesure de la quantité de gaz résiduel permet notamment de contrôler l’installation de moteur à combustion interne, en particulier les différents débits, par exemple le débit d’air pour le balayage du carter. De plus, cette configuration couplée à une estimation du débit sortant du carter bas moteur permet de remonter au débit massique d’hydrogène recirculée à l’admission. En outre, cette configuration permet une mesure précise et fiable de la concentration d’hydrogène. En effet, dans l’art antérieur, le capteur réalise la mesure directement dans le carter bas moteur. Or, la concentration en hydrogène peut être fortement hétérogène dans le carter bas moteur, en raison notamment de l’air frais qui entre, et des bouffés de gaz provenant de la segmentation des différents cylindres, ce qui rend l’estimation de la quantité d’hydrogène recirculée peu précise et peu fiable.According to the invention, the capture line comprises a hydrogen concentration sensor at the outlet of a de-oiling system. Thus, the residual gas in the capture line can be measured. This embodiment makes it possible to use a simple and inexpensive sensor: in fact, it does not need to withstand the temperature present in the crankcase (due to its position and due to the dilution by air at atmospheric pressure), it is not subjected to the oil that could be captured, and it can be a sensor of simple design to install on a pipe. This measurement of the quantity of residual gas makes it possible in particular to control the internal combustion engine installation, in particular the different flow rates, for example the air flow rate for sweeping the crankcase. In addition, this configuration coupled with an estimation of the flow rate leaving the lower engine crankcase makes it possible to go back to the mass flow rate of hydrogen recirculated to the intake. Furthermore, this configuration allows for precise and reliable measurement of the hydrogen concentration. Indeed, in the prior art, the sensor performs the measurement directly in the lower engine crankcase. However, the hydrogen concentration can be highly heterogeneous in the lower engine crankcase, in particular due to the fresh air entering, and the gas puffs coming from the segmentation of the different cylinders, which makes the estimation of the quantity of recirculated hydrogen imprecise and unreliable.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la ligne d’admission peut comprendre au moins une vanne pilotée, notamment une vanne papillon. Ainsi, il est possible de commander le débit d’air dans la ligne d’admission. De manière avantageuse, la vanne peut être pilotée en fonction de mesures provenant de différents capteurs sur la ligne d’admission (y compris la conduite de balayage), la ligne d’échappement, et la ligne de captage. En particulier, la vanne peut être pilotée en fonction de la mesure de la concentration d’hydrogène dans la ligne de captage. Par exemple, une vanne pilotée peut être agencée en amont de la connexion entre la ligne de captage et la ligne d’admission, notamment pour piloter le débit d’air dans le collecteur d’admission du moteur à combustion interne.According to one embodiment of the invention, the intake line may comprise at least one piloted valve, in particular a butterfly valve. Thus, it is possible to control the air flow in the intake line. Advantageously, the valve may be piloted according to measurements from different sensors on the intake line (including the scavenging line), the exhaust line, and the capture line. In particular, the valve may be piloted according to the measurement of the hydrogen concentration in the capture line. For example, a piloted valve may be arranged upstream of the connection between the capture line and the intake line, in particular to control the air flow in the intake manifold of the internal combustion engine.
Conformément une mise en œuvre de l’invention, la conduite principale et/ou la conduite de balayage de la ligne d’admission peut comprendre une vanne pilotée, notamment une vanne papillon, pour contrôler un débit d’air dans la conduite de balayage. Ainsi, il est possible de prévoir une quantité d’air suffisante pour le balayage du carter, en particulier du carter bas moteur, ce qui permet un captage performant de l’hydrogène présent dans cette portion du carter. En particulier, la vanne peut être pilotée en fonction de la mesure de la concentration d’hydrogène dans la ligne de captage. De cette manière, on peut réaliser le balayage du carter uniquement dans le cas d’une concentration élevée d’hydrogène dans la ligne de captage. Selon un exemple de réalisation, la ligne d’admission peut comprendre une vanne trois voies (notamment une électrovanne trois voies) au niveau de la connexion entre la ligne d’admission et la conduite de balayage pour contrôler ce débit d’air. Cette configuration permet un pilotage simplifié avec une seule vanne. En variante, la conduite de balayage peut comprendre une vanne pilotée, et la conduite principale de ligne d’admission peut comprendre une vanne pilotée en aval de la connexion entre la ligne d’admission et la conduite de balayage. Cette configuration permet d’utiliser des vannes plus simples.According to one implementation of the invention, the main line and/or the scavenging line of the intake line may comprise a controlled valve, in particular a butterfly valve, for controlling an air flow rate in the scavenging line. Thus, it is possible to provide a sufficient quantity of air for scavenging the crankcase, in particular the lower engine crankcase, which allows efficient capture of the hydrogen present in this portion of the crankcase. In particular, the valve may be controlled based on the measurement of the hydrogen concentration in the capture line. In this way, the crankcase can be scavenged only in the case of a high hydrogen concentration in the capture line. According to one exemplary embodiment, the intake line may comprise a three-way valve (in particular a three-way solenoid valve) at the connection between the intake line and the scavenging line for controlling this air flow rate. This configuration allows simplified control with a single valve. Alternatively, the flush line may include a pilot-operated valve, and the main intake line may include a pilot-operated valve downstream of the connection between the intake line and the flush line. This configuration allows for simpler valves to be used.
Selon un aspect de l’invention, le moteur à combustion interne peut être non suralimenté, on peut alors parler de moteur atmosphérique. Dans ce cas, la ligne d’admission ne comprend pas de compresseur.According to one aspect of the invention, the internal combustion engine may be non-supercharged, in which case it may be referred to as a naturally aspirated engine. In this case, the intake line does not include a compressor.
En variante, le moteur à combustion interne peut être suralimenté. Dans ce cas, la ligne d’admission comprend un compresseur, par exemple un compresseur d’un turbocompresseur. Pour cette configuration, la ligne de captage peut être reliée à la ligne d’admission en amont du compresseur et/ou en aval du compresseur. Ces modes de réalisation permettent une conception adaptée en fonction des pressions d’air mises en œuvre au sein de l’installation. De préférence, dans le cas d’un moteur suralimenté, la ligne de captage peut comprendre deux branches, une permettant une connexion en amont du compresseur, et une permettant une connexion en aval du compresseur.Alternatively, the internal combustion engine may be supercharged. In this case, the intake line comprises a compressor, for example a compressor of a turbocharger. For this configuration, the capture line may be connected to the intake line upstream of the compressor and/or downstream of the compressor. These embodiments allow a design adapted according to the air pressures implemented within the installation. Preferably, in the case of a supercharged engine, the capture line may comprise two branches, one allowing a connection upstream of the compressor, and one allowing a connection downstream of the compressor.
Selon une configuration de l’invention, l’injection de carburant peut être directe. Dans ce cas, un injecteur d’hydrogène peut être prévu directement dans le cylindre du moteur à combustion interne. Alternativement, l’injection de carburant peut être indirecte. Dans ce cas, un injecteur d’hydrogène peut être prévu dans la ligne d’admission. Par exemple, l’injecteur d’hydrogène peut être prévu entre la connexion de la ligne de captage et de la ligne d’admission et le collecteur d’admission du moteur à combustion interne.According to one configuration of the invention, the fuel injection may be direct. In this case, a hydrogen injector may be provided directly in the cylinder of the internal combustion engine. Alternatively, the fuel injection may be indirect. In this case, a hydrogen injector may be provided in the intake line. For example, the hydrogen injector may be provided between the connection of the capture line and the intake line and the intake manifold of the internal combustion engine.
Conformément à un mode de réalisation de l’invention, la conduite de balayage peut comprendre un débitmètre, pour mesurer le débit d’air pour le balayage. Cette mesure peut servir pour la commande du moteur à combustion interne, en particulier, le cas échéant, pour la commande de l’au moins une vanne permettant le réglage du débit d’air dans la conduite de balayage. Alternativement, la conduite de balayage peut comprendre un capteur de différence de pression mesurant la perte de charge aux bornes de l’éventuelle vanne pilotée.According to one embodiment of the invention, the scavenging line may comprise a flow meter, for measuring the air flow rate for scavenging. This measurement may be used for controlling the internal combustion engine, in particular, where appropriate, for controlling the at least one valve for adjusting the air flow rate in the scavenging line. Alternatively, the scavenging line may comprise a pressure difference sensor measuring the pressure drop across the terminals of the optionally controlled valve.
Selon une option de réalisation, la conduite de balayage peut comprendre un clapet anti-retour, pour empêcher que les gaz résiduels et l’huile présents dans le carter n’entrent dans la conduite de balayage puis dans la ligne d’admission. De préférence, le clapet anti-retour peut être agencé sur la conduite de balayage en entrée du carter. Ainsi, les éventuels composants (vanne, débitmètre, etc.) de la conduite de balayage ne sont pas traversés par les gaz résiduels et l’huile présents dans le carter.According to one embodiment, the scavenging line may comprise a non-return valve, to prevent the residual gases and the oil present in the crankcase from entering the scavenging line and then into the intake line. Preferably, the non-return valve may be arranged on the scavenging line at the inlet of the crankcase. Thus, any components (valve, flow meter, etc.) of the scavenging line are not crossed by the residual gases and the oil present in the crankcase.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la ligne d’admission, en particulier la conduite principale de la ligne d’admission, peut comprendre un débitmètre, pour mesurer le débit d’air dans la ligne d’admission. Cette mesure peut servir pour la commande du moteur à combustion interne, en particulier pour piloter la richesse du mélange au sein du cylindre du moteur à combustion interne. Alternativement, la conduite principale de la ligne d’admission peut comprendre un capteur de différence de pression mesurant la perte de charge aux bornes de l’éventuelle vanne pilotée. Une calibration réalisée au préalable peut permettre de déterminer une fonction de transfert entre le débit et la perte de charge mesurée, notamment avec l’information pression et température des gaz frais. Le débit total aspiré par le moteur à combustion interne peut être estimé à partir de la cylindrée du moteur, du régime, de la pression et de la température dans le plenum d’admission, de la richesse du mélange air/carburant et du phasage injection, l’impact du phasage injection sur le remplissage se faisant par calibration.According to one implementation of the invention, the intake line, in particular the main pipe of the intake line, may comprise a flow meter, for measuring the air flow in the intake line. This measurement may be used for controlling the internal combustion engine, in particular for controlling the richness of the mixture within the cylinder of the internal combustion engine. Alternatively, the main pipe of the intake line may comprise a pressure difference sensor measuring the pressure drop across the terminals of the possible controlled valve. A calibration carried out beforehand may make it possible to determine a transfer function between the flow rate and the measured pressure drop, in particular with the pressure and temperature information of the fresh gases. The total flow rate drawn in by the internal combustion engine may be estimated from the engine displacement, the speed, the pressure and the temperature in the intake plenum, the richness of the air/fuel mixture and the injection phasing, the impact of the injection phasing on the filling being done by calibration.
Avantageusement, l’installation peut comporter un débitmètre (ou capteur de différence de pression) dans la conduite de balayage, et un débitmètre (ou un capteur de différence de pression) dans la conduite principale de la ligne d’admission. Ces deux mesures permettent de déterminer le débit de gaz résiduels traversant la segmentation. En effet, on peut écrire la formule suivante :Advantageously, the installation can include a flow meter (or pressure difference sensor) in the sweep line, and a flow meter (or pressure difference sensor) in the main line of the intake line. These two measurements make it possible to determine the flow rate of residual gases passing through the segmentation. Indeed, the following formula can be written:
Cette information permet de suivre dans le temps le taux d’usure de la segmentation et d’avertir le conducteur en cas d’une usure prononcée ou une défaillance de la segmentation pouvant être liée notamment à un auto-allumage spontané du mélange air hydrogène avant l’allumage par la bougie (phénomène de préallumage) ou un autoallumage partiel de la charge après l’allumage de la charge par la bougie (cliquetis).This information makes it possible to monitor the wear rate of the segmentation over time and to warn the driver in the event of pronounced wear or a failure of the segmentation which may be linked in particular to spontaneous self-ignition of the air-hydrogen mixture before ignition by the spark plug (pre-ignition phenomenon) or partial self-ignition of the charge after ignition of the charge by the spark plug (knocking).
Selon un aspect de l’invention, la ligne de captage peut comprendre un clapet anti-retour, pour empêcher que l’air d’admission n’entre dans la ligne de captage, en particulier lorsque la ligne d’admission comprend un compresseur.According to one aspect of the invention, the capture line may include a non-return valve, to prevent intake air from entering the capture line, particularly when the intake line includes a compressor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’installation peut comprendre différents capteurs pour réaliser des mesures en différents points, de manière à réaliser une commande adaptée de l’installation. En particulier, l’installation peut comprendre des capteurs de pression et/ou de température des gaz mis en œuvre. Selon un exemple non limitatif, un capteur de pression et/ou de température peut être agencé en entrée du collecteur d’admission et en aval de la connexion de la ligne de captage, pour mesurer la pression et/ou la température du mélange carburé entrant dans le collecteur d’admission.According to one embodiment of the invention, the installation may comprise different sensors for carrying out measurements at different points, so as to carry out suitable control of the installation. In particular, the installation may comprise pressure and/or temperature sensors for the gases used. According to a non-limiting example, a pressure and/or temperature sensor may be arranged at the inlet of the intake manifold and downstream of the connection of the capture line, for measuring the pressure and/or the temperature of the fuel mixture entering the intake manifold.
Avantageusement, ni la conduite de balayage ni la ligne de captage peuvent ne comprendre une pompe ou un ventilateur. En effet, les pressions et les débits mis en œuvre assurent la circulation des gaz au sein de l’installation. Cette configuration permet de simplifier la conception de l’installation de moteur à combustion interne, et évite une consommation d’énergie pour le balayage et le recyclage des gaz résiduels.Advantageously, neither the sweep line nor the collection line may include a pump or fan. Indeed, the pressures and flow rates implemented ensure the circulation of gases within the installation. This configuration simplifies the design of the internal combustion engine installation, and avoids energy consumption for sweeping and recycling of residual gases.
Selon un exemple non limitatif, l’installation peut être mise en œuvre au moyen d’au moins une des phases suivantes :
- Lorsque le moteur à combustion interne fonctionne à des niveaux de charges faibles à moyennes, avec l’éventuelle vanne de la ligne d’admission (vanne papillon) partiellement fermée, c’est-à-dire avec une pression plénum inférieure à la pression atmosphérique, les gaz résiduels du carter sont aspirés dans la ligne de captage, qui relie la sortie du système de déshuilage au plénum d’admission (le plénum d’admission étant le volume compris entre le papillon des gaz et les soupapes d’admission),
- De plus, pour un moteur suralimenté, lorsque le moteur à combustion interne fonctionne sur des niveaux de charge élevés avec activation du compresseur d’air, la pression du plénum d’admission devient supérieure à la pression atmosphérique. Dans ce mode de fonctionnement, l’éventuel clapet anti-retour de la ligne de captage se ferme, et les gaz résiduels du carter dilués sont aspirés dans la branche de la ligne de captage, qui relie le système de déshuilage à l’entrée du compresseur d’air.
- When the internal combustion engine is operating at low to medium load levels, with the possible intake line valve (butterfly valve) partially closed, i.e. with a plenum pressure lower than atmospheric pressure, the residual crankcase gases are sucked into the collection line, which connects the outlet of the de-oiling system to the intake plenum (the intake plenum being the volume between the throttle valve and the intake valves),
- In addition, for a supercharged engine, when the internal combustion engine is operating at high load levels with the air compressor activated, the intake plenum pressure becomes higher than atmospheric pressure. In this operating mode, the possible check valve of the capture line closes, and the diluted residual crankcase gases are sucked into the branch of the capture line, which connects the de-oiling system to the air compressor inlet.
L’installation de moteur à combustion interne à hydrogène selon l’invention est particulièrement adaptée à une application embarquée, par exemple au sein d’un véhicule : poids lourd, navire, engin de chantier, aéroglisseur, etc. Toutefois, l’invention est également adaptée à une application stationnaire.The hydrogen internal combustion engine installation according to the invention is particularly suitable for an on-board application, for example within a vehicle: heavy goods vehicle, ship, construction equipment, hovercraft, etc. However, the invention is also suitable for a stationary application.
En outre, l’invention concerne un procédé de commande d’une installation de moteur à combustion interne à hydrogène. Le procédé de commande est adapté à une installation de moteur à combustion interne à hydrogène selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites précédemment. Pour ce procédé, on met en œuvre les étapes suivantes :
- On mesure la concentration en hydrogène dans la ligne de captage au moyen du capteur de concentration en hydrogène ; et
- On injecte de l’air à la pression atmosphérique dans le carter du moteur à combustion interne pour balayer le carter, en fonction de la mesure en concentration d’hydrogène dans ladite ligne de captage.
- The hydrogen concentration in the collection line is measured using the hydrogen concentration sensor; and
- Air at atmospheric pressure is injected into the crankcase of the internal combustion engine to flush the crankcase, depending on the hydrogen concentration measurement in said capture line.
Le procédé selon l’invention permet de diluer l’hydrogène présent dans le carter du moteur à combustion interne, et permet le balayage de l’hydrogène. Ainsi, l’hydrogène peut être capté dans la ligne de captage, puis peut être réintroduit (recyclé) en tant que carburant dans la ligne d’admission. De préférence, on peut injecter de l’air pour le balayage lorsque la concentration dans la ligne de captage est supérieure à un seuil prédéfini. De plus, le cas échéant, on peut commander le débit d’air dans la conduite de balayage en fonction de la concentration mesurée. Par exemple, si la valeur mesurée par le capteur de concentration d’hydrogène s’approche de la limite qui a été prédéfinie à savoir LIE – X, (donc environ 4% - X pour l’hydrogène) le procédé modifie l’ouverture les éventuelles vannes pilotées de manière à augmenter le débit d’air balayant le carter bas moteur. On rappelle que X en % est la marge de sécurité fixée par rapport à la LIE de l’hydrogène. X peut varier de 0 à environ 4%. En plus d’un besoin d’une marge de sécurité, la calibration de la valeur X en % peut être liée à la volonté d’ajuster le débit d’air pour rester dans la zone de débit optimale de fonctionnement du système de déshuilage, tout en restant en dessous de la LIE dans le carter bas moteur.The method according to the invention makes it possible to dilute the hydrogen present in the crankcase of the internal combustion engine, and allows the hydrogen to be scavenged. Thus, the hydrogen can be captured in the capture line, then can be reintroduced (recycled) as fuel in the intake line. Preferably, air can be injected for scavenging when the concentration in the capture line is higher than a predefined threshold. In addition, if necessary, the air flow rate in the scavenging line can be controlled according to the measured concentration. For example, if the value measured by the hydrogen concentration sensor approaches the limit that has been predefined, namely LEL – X, (therefore approximately 4% - X for hydrogen), the method modifies the opening of any controlled valves so as to increase the air flow rate scavenging the lower engine crankcase. It should be remembered that X in % is the safety margin set in relation to the LEL of hydrogen. X can vary from 0 to about 4%. In addition to a need for a safety margin, the calibration of the X value in % can be linked to the desire to adjust the air flow to remain in the optimum operating flow zone of the deoiling system, while remaining below the LEL in the engine crankcase.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé peut comprendre en outre une étape de diagnostic de l’usure d’au moins un segment d’un piston du moteur à combustion interne en fonction notamment de la mesure de concentration d’hydrogène par le capteur de concentration d’hydrogène. Par exemple, si la valeur d’hydrogène mesurée par le capteur dépasse la valeur de LIE pendant plus de Y secondes, Y pouvant étant un paramètre calibrable prédéfini, le contrôle moteur peut informer d’un défaut du système, notamment via un message sur l’ordinateur de bord, et peut également déclencher l’arrêt du moteur.According to one embodiment of the invention, the method may further comprise a step of diagnosing the wear of at least one segment of a piston of the internal combustion engine based in particular on the measurement of hydrogen concentration by the hydrogen concentration sensor. For example, if the hydrogen value measured by the sensor exceeds the LEL value for more than Y seconds, Y possibly being a predefined calibratable parameter, the engine control may provide information about a system fault, in particular via a message on the on-board computer, and may also trigger the engine to stop.
Selon un aspect de l’invention, à une fréquence (prédéfinie) qui est paramétrable, le procédé de commande peut faire un test de fermer l’éventuelle vanne pilotée de la conduite de balayage. Si la valeur d’hydrogène reste faible alors que l’éventuelle vanne pilotée de la conduite de balayage est fermée, cela signifie qu’il y a un défaut de mesure de la concentration en hydrogène ou un défaut sur l’éventuelle vanne ou l’éventuel clapet antiretour. Un tel défaut peut être remonté via l’ordinateur de bord.According to one aspect of the invention, at a (predefined) frequency that is configurable, the control method can perform a test to close the possible controlled valve of the scavenging line. If the hydrogen value remains low while the possible controlled valve of the scavenging line is closed, this means that there is a fault in measuring the hydrogen concentration or a fault on the possible valve or the possible non-return valve. Such a fault can be reported via the on-board computer.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, des stratégies de contrôle peuvent être également lancées lors de la demande d’arrêt moteur. Le but de ces stratégies est d’aider à respecter les normes sur les émanations d’hydrogène ou autres polluants du véhicule à l’arrêt en stationnement issus du carter bas moteur (vapeur d’huile, sous-produit issu de dégradations de l’huile par la combustion). A la demande d’arrêt du moteur, l’éventuelle vanne de la conduite de balayage peut s’ouvrir complètement de manière à maximiser le débit d’air de balayage et diminuer au maximum la présence d’hydrogène et autres composants polluants dans le carter bas moteur. Dans un second temps, les éventuelles vannes pilotées de la conduite principale et de la conduite de balayage se ferment complètement de manière à empêcher la sortie d’hydrogène et autres polluants résiduels même encore présentes en trace infime dans le carter bas moteur vers l’atmosphère via le conduit d’entrée d’air du moteur.According to an implementation of the invention, control strategies can also be launched when the engine is stopped. The purpose of these strategies is to help comply with the standards on hydrogen emissions or other pollutants from the vehicle when parked and coming from the engine crankcase (oil vapor, by-product resulting from oil degradation by combustion). When the engine is stopped, the possible valve of the scavenging pipe can open completely so as to maximize the scavenging air flow and minimize the presence of hydrogen and other polluting components in the engine crankcase. In a second step, the possible controlled valves of the main pipe and the scavenging pipe close completely so as to prevent the escape of hydrogen and other residual pollutants, even still present in minute traces in the engine crankcase, to the atmosphere via the engine air inlet duct.
Selon un aspect, le procédé de commande peut comporter en outre une étape de détermination du débit massique d’hydrogène à injecter, puis une étape d’injection de ce débit déterminé d’hydrogène directement ou indirectement dans le cylindre du moteur à combustion interne. Pour cette réalisation, on peut déterminer le débit massique d’hydrogène recirculé à l’admission à partir de la mesure de concentration d’hydrogène dans la conduite de captage, et à partir des éventuelles mesures de débit ou de différence de pression. Puis, on peut déterminer un débit d’hydrogène à injecter au moyen de la formule suivante :According to one aspect, the control method may further comprise a step of determining the mass flow rate of hydrogen to be injected, then a step of injecting this determined flow rate of hydrogen directly or indirectly into the cylinder of the internal combustion engine. For this embodiment, the mass flow rate of hydrogen recirculated to the intake may be determined from the measurement of the hydrogen concentration in the capture line, and from any flow rate or pressure difference measurements. Then, a flow rate of hydrogen to be injected may be determined using the following formula:
Cette commande va dans le sens de réduire les quantités à injecter et évite donc des sur-richesses conduisant à la production d’oxyde d’azote. En effet, bien que la combustion d’hydrogène ne produise pas de CO2, sa combustion à haute température génère la formation d’oxyde d’azote, un polluant réglementé à l’échappement des véhicules à propulsions thermiques. Plus la richesse du mélange air et hydrogène est élevée, plus la formation d’oxyde d’azote augmente. La richesse cible type pour rester à des niveaux d’émissions d’oxyde d’azote acceptable pour passer les normes sans dispositif de post-traitement échappement excessif est de l’ordre de 0.4. Le dispositif permet également d’améliorer le rendement du moteur en limitant la quantité d’hydrogène injectée au juste nécessaire.This control aims to reduce the quantities to be injected and therefore avoids excess richness leading to the production of nitrogen oxide. Indeed, although the combustion of hydrogen does not produce CO2 , its combustion at high temperature generates the formation of nitrogen oxide, a pollutant regulated in the exhaust of thermal propulsion vehicles. The higher the richness of the air and hydrogen mixture, the more the formation of nitrogen oxide increases. The typical target richness to remain at acceptable nitrogen oxide emission levels to pass the standards without excessive exhaust post-treatment device is of the order of 0.4. The device also improves engine efficiency by limiting the quantity of hydrogen injected to just what is necessary.
Le procédé de commande peut comprendre en outre, au moins une des étapes suivantes (notamment en fonction de la variante de réalisation de l’installation de moteur à combustion interne) :
- On peut séparer l’huile et l’hydrogène du fluide capté dans la ligne de captage, de manière à injecter seulement du gaz dans la ligne d’admission.
- On peut mesurer ou on estimer la température des gaz d’admission, pour adapter la commande du moteur à combustion interne, et
- On peut comprimer l’air dans la ligne d’admission pour réaliser une suralimentation du moteur à combustion interne.
- The oil and hydrogen can be separated from the fluid captured in the capture line, so that only gas is injected into the intake line.
- The temperature of the intake gases can be measured or estimated, to adapt the control of the internal combustion engine, and
- Air can be compressed in the intake line to achieve supercharging of the internal combustion engine.
La
La soupape d’admission 15 est reliée à une ligne d’admission 6. La ligne d’admission 6 comprend successivement de l’entrée d’air 19 à la soupape d’admission 15 les composants suivants : un filtre d’air 1, une vanne pilotée 2, un débitmètre 16, un compresseur 13, une vanne pilotée 14, un capteur de pression et/ou de température 18.The intake valve 15 is connected to an intake line 6. The intake line 6 comprises successively from the air inlet 19 to the intake valve 15 the following components: an air filter 1, a pilot valve 2, a flow meter 16, a compressor 13, a pilot valve 14, a pressure and/or temperature sensor 18.
La soupape d’échappement 27 est reliée à une ligne d’échappement 26. Cette ligne d’échappement peut comporter une turbine (non représentée), notamment d’un turbocompresseur, et un système de post-traitement des gaz d’échappement (non représenté) par exemple un moyen de catalyse à réduction sélective des NOx.The exhaust valve 27 is connected to an exhaust line 26. This exhaust line may comprise a turbine (not shown), in particular a turbocharger, and an exhaust gas post-treatment system (not shown), for example a means of selective NOx reduction catalysis.
La ligne d’admission 6 comprend une conduite de balayage 4, qui est une dérivation de la ligne d’admission à la sortie du filtre à air 1, et qui conduit l’air à la pression atmosphérique au sein du carter bas moteur 20. La conduite de balayage 4 comprend une vanne pilotée 3, un débitmètre 17 et un clapet anti-retour 5 en entrée du carter 20.The intake line 6 comprises a scavenging line 4, which is a branch of the intake line at the outlet of the air filter 1, and which conducts air at atmospheric pressure into the lower engine crankcase 20. The scavenging line 4 comprises a pilot valve 3, a flow meter 17 and a non-return valve 5 at the inlet of the crankcase 20.
L’installation comprend en outre une ligne de captage 29, pour capter les gaz résiduels dans le carter 20 et pour recycler les gaz résiduels dans la ligne d’admission 6. En sortie du carter, la ligne de captage 29 comprend un système de déshuilage 8 pour séparer l’huile des gaz résiduels. L’huile étant réintroduite dans le carter 20 au moyen de la conduite 7 et les gaz étant introduits dans les conduites de la ligne de captage 29. La ligne de captage 29 est équipée, en sortie du système de déshuilage 8 d’un capteur de concentration en hydrogène 9. Pour le mode de réalisation illustré, la ligne de captage 29 se sépare en deux branches 11 et 12. La branche 11 est reliée à la ligne d’admission en aval du compresseur 13 et de la vanne pilotée 14. La branche 11 comprend un clapet anti-retour 10. La branche 12 est reliée à la ligne d’admission en amont du compresseur 13.The installation further comprises a capture line 29, for capturing the residual gases in the crankcase 20 and for recycling the residual gases in the intake line 6. At the outlet of the crankcase, the capture line 29 comprises a de-oiling system 8 for separating the oil from the residual gases. The oil being reintroduced into the crankcase 20 by means of the pipe 7 and the gases being introduced into the pipes of the collection line 29. The collection line 29 is equipped, at the outlet of the de-oiling system 8, with a hydrogen concentration sensor 9. For the illustrated embodiment, the collection line 29 separates into two branches 11 and 12. The branch 11 is connected to the intake line downstream of the compressor 13 and the piloted valve 14. The branch 11 comprises a non-return valve 10. The branch 12 is connected to the intake line upstream of the compressor 13.
La
La
La
Claims (11)
- On mesure la concentration en hydrogène dans ladite ligne de captage (29) au moyen dudit capteur de concentration en hydrogène (9) ; et
- On injecte de l’air à la pression atmosphérique dans ledit carter (20) du moteur à combustion interne pour balayer ledit carter (20), en fonction de la mesure en concentration d’hydrogène dans ladite ligne de captage (29).
- The hydrogen concentration in said collection line (29) is measured by means of said hydrogen concentration sensor (9); and
- Air at atmospheric pressure is injected into said crankcase (20) of the internal combustion engine to sweep said crankcase (20), depending on the measurement of hydrogen concentration in said capture line (29).
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