FR3007079A1

FR3007079A1 - Moteur a combustion de vehicule automobile a rechauffeur d'admission

Info

Publication number: FR3007079A1
Application number: FR1355697A
Authority: FR
Inventors: Romain Tarallo
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-19

Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant un échangeur thermique (50) avec les gaz d'échappement et un échangeur thermique avec les gaz d'admission (65) de manière à prélever de la chaleur des gaz d'échappement et à délivrer cette chaleur aux gaz d'admission.

Description

MOTEUR A COMBUSTION DE VEHICULE AUTOMOBILE A RECHAUFFEUR D'ADMISSION [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion de véhicules automobiles dotés d'un système de recirculation des gaz d'échappement issus d'au moins un cylindre vers l'admission d'air des cylindres. [0002] De tels systèmes sont bien connus sous le sigle EGR correspondant à la locution anglo-américaine Exhaust Gas Recirculation. On a notamment proposé, dans les moteurs à plusieurs cylindres, de dédier un cylindre à la recirculation des gaz d'échappement, les gaz d'échappement de ce cylindre étant totalement réintroduits dans le collecteur d'admission du moteur. Ce ou ces cylindres ont un fonctionnement spécifique différent des autres cylindres non dédiés. Dans de tels moteurs, les gaz d'échappement réintroduits à l'admission sont typiquement chargés en gaz dihydrogène du fait d'un fonctionnement dans lequel le ou les cylindres dont on réintroduit les gaz d'échappement fonctionnent avec un mélange air-carburant de type riche. Ainsi, dans le cas du D-EGR, un ou plusieurs cylindres n'échappent pas dans le collecteur d'échappement mais directement à l'admission. De tels moteurs sont connus sous l'appellation D-EGR pour Dedicated Exhaust Gas Recirculation en anglais ou à système dédié de réintroduction ou recirculation de gaz d'échappement. Le gaz dihydrogène combiné à l'EGR permet au moteur de supporter des forts taux d'EGR ainsi qu'un taux de compression potentiellement élevé. [0003] La recirculation des gaz d'échappement permet d'améliorer le rendement thermodynamique via la réduction des transferts thermiques grâce à la réintroduction de gaz qui sont froids, via le retardement de l'apparition du cliquetis grâce à la réintroduction d'EGR combiné à l'hydrogène, via la diminution de l'enrichissement lié à la température d'échappement grâce à la réintroduction de gaz EGR, via la diminution des pertes par pompage grâce à la réintroduction de gaz EGR, et via l'augmentation du taux de compression grâce à la réintroduction des gaz EGR combinés à du gaz dihydrogène. [0004] Cependant, de par leur architecture, les moteurs D-EGR ne permettent pas de doser le taux d'EGR. Ce fort taux d'EGR permanent entraîne donc des contraintes. Le respect du critère de stabilité du moteur est l'une de ces contraintes et constitue l'un des facteurs limitant le potentiel en termes d'émission de CO2 des moteurs D-EGR. En outre, dans le cas de moteurs équipés d'un ou plusieurs déphaseurs d'admission et/ou d'échappement, les taux de gaz brulés résiduels potentiellement atteignables sont très importants. Ces forts taux de gaz brulés résiduels entraînent également des problèmes d'instabilité du moteur. [0005] Ainsi, en cas de moteurs EGR à fort taux de réintroduction de gaz d'échappement, ce qui est notamment le cas des moteurs D-EGR, on rencontre de fortes instabilités du moteur en certains points de fonctionnement. Le but de l'invention est de réduire de telles instabilités. [0006] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant plusieurs cylindres de combustion, un organe d'admission d'air frais en direction d'un ou plusieurs cylindres et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement depuis au moins un cylindre de combustion dans l'organe d'admission, le moteur comportant un circuit de fluide caloporteur lequel circuit comprend un échangeur thermique avec des gaz d'admission de sorte que le circuit produit un réchauffement des gaz d'admission, le circuit de fluide caloporteur présentant un échangeur thermique avec les gaz d'échappement disposé sur la ligne de réintroduction de gaz d'échappement, caractérisé en ce que le circuit comporte une boucle passant par l'échangeur thermique avec les gaz d'admission et par l'échangeur thermique avec les gaz d'échappement laquelle boucle est configurée de manière à prélever de la chaleur des gaz d'échappement et à délivrer cette chaleur aux gaz d'admission. [0007] Avantageusement, le moteur comporte un module de pilotage dudit au moins un cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission selon un mode de fonctionnement à richesse supérieure à 1 de sorte que le cylindre produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène. [0008] Avantageusement, les gaz d'admission réchauffés par la boucle comprennent de l'air ambiant et des gaz d'échappement réintroduits. [0009] Avantageusement, le circuit de fluide caloporteur comporte un échangeur thermique avec l'air ambiant et un dérivateur configuré pour diriger le fluide réchauffé par les gaz d'échappement sélectivement vers l'échangeur thermique avec les gaz d'admission ou vers l'échangeur thermique avec l'air ambiant. [0010] Avantageusement, le dérivateur est configuré pour séparer un flux de fluide caloporteur provenant de l'échangeur avec les gaz d'échappement en une partie de flux circulant dans l'échangeur avec les gaz d'admission et une partie de flux circulant dans l'échangeur avec l'air ambiant. [0011] Avantageusement, le moteur comporte un répartiteur d'admission et l'échangeur avec les gaz d'admission est disposé dans le répartiteur d'admission. [0012] Avantageusement, le moteur est un moteur à allumage commandé. [0013] Avantageusement, ledit cylindre dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission est un cylindre dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission. [0014] Avantageusement, le moteur comporte un seul cylindre dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission. [0015] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel moteur. [0016] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure unique annexée qui représente un moteur à combustion selon un mode de réalisation de l'invention. [0017] Le moteur représenté sur la figure annexée comporte un bloc-moteur muni de quatre cylindres 11, 12, 13, 14. Le moteur comporte en outre un répartiteur d'admission 20 débouchant dans chacun des cylindres 11, 12, 13 14. Un collecteur d'échappement 30 collecte en outre les gaz d'échappement émanant de chacun des cylindres 11, 12, 13, et 14. [0018] Le collecteur d'échappement 30 est associé à un circuit non représenté de réintroduction des gaz d'échappement à l'admission. Ce circuit prélève une partie des gaz d'échappement et les dirige vers l'admission du moteur. Plus spécifiquement, cette partie des gaz d'échappement est véhiculée par le circuit de réintroduction 40 vers le répartiteur d'admission 20 en passant à travers un catalyseur D-EGR et à travers un échangeur D- EGR ici représenté sous la référence 50. [0019] Le présent moteur comporte en outre un turbocompresseur entrainé par les gaz d'échappement et mettant en pression un flux d'air frais lequel arrive à l'admission du moteur une fois compressé. [0020] En variante le cylindre 14 peut être un cylindre de type D-EGR. Un module de contrôle du moteur pilote alors une alimentation en air et en carburant du cylindre 14 de telle sorte que le cylindre 14 est le siège d'une combustion à mélange riche, c'est-à-dire en excès de carburant par rapport à l'air, ici selon une richesse d'environ 1,5. De par la richesse du mélange air-carburant, le cylindre 14 produit du gaz dihydrogène H2. Le gaz H2 ainsi produit se retrouve dans les gaz d'échappement émis par le cylindre 14 lesquels sont ensuite, selon le principe du moteur D-EGR, réintroduits à l'admission d'au moins un cylindre du moteur, préférentiellement à l'admission de l'ensemble des cylindres 11 à 14. Le moteur comporte avantageusement un seul cylindre produisant de l'hydrogène selon le principe D-EGR, mais en variante le moteur peut en comporter plusieurs. [0021] Tel que représenté sur la figure annexée, l'échangeur EGR 50 est le siège d'une circulation d'un fluide caloporteur lequel fluide caloporteur est ici indépendant du circuit d'eau du moteur. Le moteur comporte une pompe 61 assurant la circulation du fluide caloporteur, et un ou plusieurs dérivateurs, ici au nombre de deux et référencés 62 et 63, lesquels permettent de choisir d'envoyer la chaleur prélevée sur l'échangeur 50 au répartiteur d'admission 20 ou à un échangeur 64 avec l'air ambiant lequel est disposé en façade du véhicule. Afin de permettre aux gaz d'admission d'absorber les calories acheminées par le liquide caloporteur, le répartiteur 20 est équipé d'un échangeur 65 lequel est disposé sur ou au sein même du répartiteur. [0022] Le dérivateur 62 est disposé entre l'échangeur EGR 50, l'échangeur 65 disposé dans le répartiteur 20, et l'échangeur de façade 64. Selon l'état du dérivateur 62, le fluide caloporteur réchauffé par les gaz d'échappement est dirigé vers l'échangeur 65 du répartiteur d'admission ou vers l'échangeur de façade 64. [0023] Le dérivateur 63 répartit quant à lui le fluide provenant de l'échangeur des gaz d'échappement 50 ou provenant de l'échangeur des gaz d'admission 65 entre un flux atteignant l'échangeur de façade 64 et un flux renvoyé à l'échangeur 50 sans passer par l'échangeur de façade. La répartition entre ces deux flux est pilotée en fonction de la température des gaz d'échappement et leur besoin d'être refroidis, Le moteur comporte en outre ici un module de pilotage du réchauffement lequel pilote notamment les dérivateurs 62 et 63. Ce module de pilotage est ici intégré au contrôle moteur, non représenté. Néanmoins en variante un tel moteur n'a pas besoin de contrôle dédié. [0024] Avec un moteur D-EGR, il apparait que des instabilités apparaissent pour les forts taux de gaz réintroduits. Or il s'avère que l'augmentation de la température des gaz à l'admission, notamment au niveau du répartiteur d'admission 20 est bénéfique sur la stabilité moteur. L'augmentation de la température du répartiteur d'admission 20 permet d'améliorer la stabilité du moteur et permet alors d'augmenter l'avance à l'ouverture de la soupape d'admission ou AOA. Cette augmentation de l'avance à l'ouverture des soupapes d'admission permet une augmentation de la valeur maximale atteignable de la pression moyenne effective ou PME. L'augmentation de l'avance à l'ouverture des soupapes d'admission permet également une diminution de la consommation malgré l'augmentation de la PME maximale atteignable. [0025] En situation de vie où l'amélioration de la stabilité du moteur est activée, les gaz EGR traversent l'échangeur EGR 50. Ils échangent avec le fluide caloporteur. La température du fluide caloporteur augmente. Le dérivateur 62 dirige l'intégralité du fluide caloporteur chaud vers l'échangeur 65 du répartiteur d'admission 20. La température des gaz d'admission augmente au contact de l'échangeur 65 du répartiteur d'admission. Le fluide caloporteur passe ensuite à travers la pompe 61 de fluide caloporteur et le dérivateur 63 redirige le fluide caloporteur dans l'échangeur EGR 50 afin qu'il s'échauffe à nouveau grâce au passage des gaz EGR. [0026] En situation de vie où l'amélioration de la stabilité du moteur est désactivée, les gaz EGR traversent l'échangeur EGR 50, où ils échangent avec le fluide caloporteur. La température du fluide caloporteur augmente. Le fluide caloporteur chaud est dirigé intégralement vers la pompe à fluide caloporteur 61 et le dérivateur 63 redirige le fluide caloporteur dans l'échangeur 64 en façade du véhicule afin qu'il refroidisse le fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur est ensuite réintroduit dans l'échangeur EGR 50 afin de refroidir les gaz EGR. [0027] En situation de vie où l'amélioration de la stabilité du moteur est en mode piloté, les gaz EGR traversent l'échangeur EGR 50, où ils échangent avec le fluide caloporteur. La température du fluide caloporteur augmente. La direction du fluide caloporteur chaud est pilotée par le dérivateur 62. Une partie du fluide transite vers l'échangeur 65 du répartiteur d'admission 20 pour augmenter la température des gaz d'admission et une autre partie transite directement vers la pompe à fluide caloporteur 61 pour ensuite être introduite dans l'échangeur de façade du véhicule 64. La pompe à fluide caloporteur 61 et le dérivateur 63 redirigent le fluide caloporteur dans l'échangeur 64 de façade du véhicule afin qu'il refroidisse le fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur est ensuite réintroduit dans l'échangeur EGR 50. [0028] Le mode de réalisation décrit ici permet d'améliorer la stabilité moteur d'un moteur essence fonctionnant avec de forts taux d'EGR comme par exemple un moteur DEGR. L'augmentation de la stabilité moteur permet d'adopter des réglages de déphaseurs d'arbre à cames beaucoup plus croisés et donc d'augmenter le taux de gaz brulés résiduels, notamment d'augmenter la somme des gaz d'échappement réintroduits et des gaz recirculés en interne par IGR pour Internai Gaz Recirculation selon la terminologie anglo-saxonne, c'est-à-dire par recirculation interne des gaz. Il en résulte des gains en termes d'émissions de 002, et une pression moyenne effective maximale atteignable qui est augmentée. [0029] Ainsi, dans le présent mode de réalisation, on utilise, dans le cas d'un moteur essence à fort taux d'EGR, l'énergie thermique des gaz EGR pour augmenter la température des gaz d'admission dans le répartiteur d'admission de manière à gagner en stabilité du moteur suivant les zones du champ moteur. Les zones du champ moteur où l'on met en oeuvre un tel transfert de chaleur sont ici la charge partielle ainsi que la forte charge jusqu'à ce que l'augmentation de la température d'admission limite le rendement volumétrique du moteur et surcharge la machine de suralimentation. En pleine charge, le système est préférentiellement désactivé pour dé-contraindre le turbocompresseur et plus généralement la machine de suralimentation.5

Claims

REVENDICATIONS1. Moteur à combustion de véhicule automobile à réintroduction de gaz d'échappement comprenant plusieurs cylindres de combustion (11,12,13,14), un organe d'admission d'air frais (20) en direction d'un ou plusieurs cylindres (11,12,13,14) et une ligne de réintroduction de gaz d'échappement depuis au moins un cylindre de combustion dans l'organe d'admission (20), le moteur comportant un circuit de fluide caloporteur lequel circuit comprend un échangeur thermique (65) avec des gaz d'admission de sorte que le circuit produit un réchauffement des gaz d'admission, le circuit de fluide caloporteur présentant un échangeur thermique (50) avec les gaz d'échappement disposé sur la ligne de réintroduction de gaz d'échappement, caractérisé en ce que le circuit comporte une boucle passant par l'échangeur thermique avec les gaz d'admission (65) et par l'échangeur thermique avec les gaz d'échappement (50) laquelle boucle est configurée de manière à prélever de la chaleur des gaz d'échappement et à délivrer cette chaleur aux gaz d'admission.
2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comporte un module de pilotage dudit au moins un cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) selon un mode de fonctionnement à richesse supérieure à 1 de sorte que le cylindre produit des gaz d'échappement chargés en hydrogène.
3. Moteur à combustion selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les gaz d'admission réchauffés par la boucle (50, 65) comprennent de l'air ambiant et des gaz d'échappement réintroduits.
4. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur comporte un échangeur thermique avec l'air ambiant (64) et un dérivateur (62) configuré pour diriger le fluide réchauffé par les gaz d'échappement (50) sélectivement vers l'échangeur thermique avec les gaz d'admission (65) ou vers l'échangeur thermique avec l'air ambiant (64).
5. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dérivateur (62) est configuré pour séparer un flux de fluide caloporteur provenant de l'échangeur avec les gaz d'échappement (50) en une partie de flux circulant dans l'échangeur avec les gaz d'admission (65) et une partie de flux circulant dans l'échangeur avec l'air ambiant (64).
6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un répartiteur d'admission (20) et l'échangeur avec les gaz d'admission (65) est disposé dans le répartiteur d'admission (20).
7. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à allumage commandé.
8. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit cylindre (14) dont au moins une partie des gaz d'échappement sont réintroduits dans l'organe d'admission (20) est un cylindre (14) dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission (20).
9. Moteur à combustion selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur comporte un seul cylindre (14) dont les gaz d'échappement sont entièrement réintroduits dans l'organe d'admission (20).
10. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes.15