POUR UN MOTEUR THERMIQUE A ALLUMAGE COMMANDE

La présente invention concerne un circuit de recirculation de gaz d'échappement pour un moteur thermique à allumage commandé.

On connaît le principe de recirculer à l'admission une partie des gaz d'échappement d'un moteur à allumage commandé. La recirculation de gaz d'échappement est généralement désignée par EGR, comme l'abréviation du terme Anglais « Exhaust Gas Recirculation ». Par la suite, on parlera de circuit EGR pour un circuit de recirculation de gaz d'échappement.

Le fait de diluer l'air admis dans le moteur thermique par des gaz d'échappement modifie le déroulement de la combustion du mélange carburé. Ainsi, la présence des gaz d'échappement, qui sont inertes chimiquement, et qui présentent une capacité calorifique élevée, permet de diminuer la température de combustion. De plus, la tendance à l'auto -inflammation du mélange est réduite, ce qui diminue la tendance au cliquetis. De manière générale, l'utilisation de recirculation de gaz d'échappement sur un moteur à allumage commandé permet de diminuer la consommation de carburant, ce qui en fait une technologie très intéressante, particulièrement lorsqu'elle est appliquée sur un moteur suralimenté. Par suralimenté, on entend que l'air d'admission du moteur est comprimé par un dispositif de suralimentation avant d'être admis dans le moteur. Il est ainsi bien connu de l'homme de métier d'effectuer une recirculation de gaz d'échappement de type « basse pression », dans laquelle une partie des gaz d'échappement est renvoyée vers le circuit d'admission, en amont du dispositif de suralimentation. Le débit de gaz recirculés est contrôlé par une vanne de dosage située sur le circuit de recirculation basse pression, dite vanne EGR.

Suivant son point de fonctionnement, le circuit EGR permet de réduire la consommation en essence et d'améliorer la résistance au cliquetis du moteur. Néanmoins, l'utilisation d'un tel circuit EGR dans les basses températures génère des condensais ainsi que des problèmes de stabilité de combustion.

L'invention propose d'améliorer le fonctionnement d'un tel circuit de recirculation des gaz d'échappement notamment lors des démarrages à froid du moteur. A cet effet, la présente invention a pour objet un circuit de recirculation de gaz d'échappement pour un moteur thermique à allumage commandé comportant :

- un échangeur thermique agencé pour refroidir les gaz d'échappement qui le traversent, et

- un conduit de dérivation dudit échangeur thermique pour sélectivement diriger les gaz d'échappement vers le moteur sans traverser l'échangeur thermique.

Avantageusement, lors des démarrages à froid, les gaz sont recirculés mais non refroidis permettant ainsi une montée en température du moteur plus rapide.

Le circuit de recirculation de gaz d'échappement selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

le circuit EGR comporte un moyen de sélection agencé pour envoyer les gaz d'échappement sélectivement vers l'échangeur thermique ou dans le circuit de recirculation en aval de l'échangeur ;

le moyen de sélection est une vanne de type trois voies configurée pour être actionnée par un moteur électrique et pour être pilotée par un circuit de commande en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur thermique à allumage commandé ;

- le moyen de sélection 62 est une vanne trois voies configurée pour être actionnée par un actionneur pneumatique ;

le circuit EGR comporte une vanne de réglage agencée pour réguler le débit de recirculation des gaz d'échappement du moteur thermique à allumage commandé ;

- la vanne de réglage est montée en aval de l'échangeur thermique ;

la vanne de réglage est montée en amont de l'échangeur thermique ;

la vanne est de type à volet rotatif ;

le circuit EGR comporte un conduit principal de recirculation sur lequel sont montés l'échangeur thermique et la vanne de réglage, et dans lequel le conduit de dérivation débouche dans le conduit principal de recirculation entre l'échangeur thermique et la vanne de réglage ; l'échangeur thermique est configuré pour permettre un échange de chaleur entre les gaz d'échappement le traversant et un fluide de refroidissement ; le circuit EGR comporte une vanne thermique agencée pour réguler le débit du fluide de refroidissement en fonction de la température du fluide de refroidissement par rapport à une température de consigne prédéfinie ;

la vanne thermique est configurée pour retenir une quantité majoritaire du fluide de refroidissement dans l'échangeur thermique tant que la température du fluide de refroidissement est inférieure à une température de consigne prédéfinie ;

- la vanne thermique est configurée pour garantir un débit de fuite minimal du fluide de refroidissement ;

la vanne thermique est configurée pour laisser passer, lorsque la température du fluide de refroidissement est supérieure à la température de consigne, du fluide de refroidissement avec un débit maximal qui est supérieur au débit maximal lorsque la température du fluide de refroidissement est inférieure à la température de consigne, le rapport entre ces deux débits maximaux étant supérieur à 20, notamment 50, avantageusement 100 ;

la vanne thermique est pilotée électriquement ;

la vanne thermique comporte une capsule à cire, l'ouverture de la vanne étant conditionnée par la température à laquelle la capsule à cire est soumise ; la température de consigne prédéfinie est sensiblement comprise entre 40°C et 80°C ;

la vanne thermique est montée sur un conduit de sortie du fluide de refroidissement de l'échangeur thermique ;

- le circuit de circulation de l'échangeur communique avec le circuit de refroidissement principal du moteur ;

le fluide de refroidissement est un liquide, notamment de l'eau additionnée de glycol ;

le circuit EGR est un circuit EGR basse pression.

L'invention se rapporte également à un système d'admission d'air pour un moteur thermique à allumage commandé comportant : un circuit EGR selon l'invention, et

une ligne d'admission connectée au circuit EGR comportant :

• un conduit d'admission dirigeant l'air vers le moteur,

• un refroidisseur monté sur le conduit d'admission et destiné à permettre un échange de chaleur entre l'air le traversant et un fluide caloporteur, et

• un conduit de dérivation dudit refroidisseur pour sélectivement diriger l'air dans le conduit d'admission en aval du refroidisseur.

Avantageusement, un tel agencement permet de ne pas refroidir les gaz se dirigeant vers le répartiteur d'admission du moteur permettant ainsi une montée en température plus rapide lors des démarrages à froid.

Le système d'admission d'air pour un moteur thermique à allumage commandé selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

le conduit de dérivation dudit refroidisseur relie directement le conduit d'admission en amont du refroidisseur ;

le système d'admission d'air comprend un moyen de sélection monté à l'intersection du conduit d'admission et du conduit de dérivation pour envoyer l'air soit vers le refroidisseur soit dans le conduit d'admission en aval du refroidisseur ;

le moyen de sélection est une vanne de type trois voies configurée pour être actionnée par un moteur électrique et pour être pilotée par un circuit de commande en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur thermique à allumage commandé ;

le moyen de sélection est une vanne trois voies configurée pour être actionnée par un actionneur pneumatique et pour être pilotée par un circuit de commande en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur ;

le refroidisseur est du type air/air ;

- le refroidisseur est du type air/eau ;

le circuit de circulation du refroidisseur communique avec le circuit de refroidissement principal du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et illustré, accompagnée de la figure 1 illustrant de manière schématique l'architecture d'un système de recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique selon l'invention.

Sur la figure, les éléments analogues sont désignés par des références identiques. En outre, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l'invention.

En référence à la figure 1, un moteur thermique à allumage commandé 10 comporte une chambre de combustion 12 comportant une pluralité de cylindres, en l'espèce au nombre de quatre, et destinée à recevoir un mélange de comburant et de carburant, ici de l'essence, dont la combustion dans les cylindres génère le travail du moteur 10.

Le fonctionnement du moteur 10 est classique : les gaz sont admis dans la chambre de combustion 12, y sont comprimés, brûlés puis expulsés sous forme de gaz d'échappement; il s'agit des quatre temps classiques d'un moteur thermique (admission, compression, combustion et échappement).

L'invention concerne un système d'admission d'air 20 pour un tel moteur thermique à allumage commandé, comprenant un circuit de recirculation des gaz d'échappement, dit circuit EGR 22, et une ligne d'admission 24 connectée au circuit EGR 22.

La ligne d'admission 24 de gaz dans le moteur 10 comporte une canalisation 30 d'admission d'air d'alimentation ou air frais (dont le flux est représenté par la flèche Fl), un compresseur 32 des gaz d'alimentation, qui est en l'espèce un turbocompresseur, et un échangeur de chaleur 34, de refroidissement des gaz issus du compresseur 32.

L'échangeur de chaleur 34 est monté sur le circuit d'admission 20 et destiné à permettre un échange de chaleur entre l'air le traversant et un fluide caloporteur. Cet échangeur de chaleur 34 est communément désigné par l'homme du métier par son acronyme "RAS", qui signifie "refroidisseur d'air de suralimentation"; sa fonction est en effet de refroidir les gaz d'admission et en particulier l'air, dont on dit qu'il est suralimenté puisqu'il est comprimé.

Le RAS, placé en sortie du turbocompresseur, permet d'abaisser la température des gaz qui le traversent avant de les envoyer vers l'admission du moteur, pour que ce dernier puisse fonctionner dans des conditions optimales.

En sortie du RAS 34, les gaz débouchent dans un répartiteur d'admission 36 des gaz dans la chambre de combustion 12 du moteur 10, le répartiteur 36 formant une boîte d'entrée des gaz dans la culasse du moteur 10.

Selon l'invention, le circuit d'admission 20 comporte en outre un conduit de dérivation 37 de la voie contenant le RAS 34 pour sélectivement diriger l'air dans le conduit d'admission en aval du refroidisseur.

De préférence, le conduit de dérivation 37 dudit RAS relie directement le conduit d'admission 30 en amont du refroidisseur 34.

Avantageusement, le système d'admission d'air 20 comprend un moyen de sélection 38 monté à l'intersection du conduit d'admission 30 et du conduit de dérivation 37 pour envoyer l'air soit vers le refroidisseur 34 soit dans le conduit d'admission 30 en aval du refroidisseur 34 pour les diriger vers le répartiteur d'admission 36 du moteur 10. Ce moyen de sélection 38 permet de réguler les gaz entre la voie refroidie et la voie non refroidie 37.

Par exemple, le moyen de sélection 38 est une vanne de type trois voies configurée pour être actionnée par un moteur électrique et pour être pilotée par un circuit de commande en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur thermique à allumage commandé.

Dans un autre mode de réalisation, non représenté, le moyen de sélection 38 est actionné par un actionneur pneumatique.

Avantageusement, le refroidisseur peut être du type air/eau, et notamment le circuit de circulation du refroidisseur peut communiquer avec le circuit de refroidissement principal du moteur.

Bien entendu, le refroidisseur peut être du type air/air selon une alternative. En amont du répartiteur 36 d'admission des gaz dans le moteur 10, le circuit d'admission peut également comporter une vanne (non illustrée) comportant un obturateur de type papillon dont la fonction est de régler le débit de gaz pour ajuster le niveau de couple fourni par le moteur. Cette vanne-papillon peut alors être commandée par une unité de contrôle du moteur (typiquement désignée par l'acronyme ECU qui signifie Engine Control Unit en anglais), et bien connue de l'homme du métier.

En sortie de la chambre de combustion 12 du moteur 10, un circuit d'échappement 40 de gaz comporte, un collecteur des gaz d'échappement 42 relié à une voie ou canalisation d'échappement 44 des gaz.

Le circuit d'échappement 40 comporte par ailleurs une turbine 46, solidaire en rotation du compresseur 32 des gaz d'admission et formant avec lui un turbocompresseur. La turbine 46 est entraînée par les gaz d'échappement de la voie d'échappement 44, dont le flux est schématisé par la flèche F2.

Après détente dans la turbine 46, les gaz d'échappement traversent au moins un dispositif de post-traitement 47, comprenant un catalyseur qui catalyse les réactions chimiques d'oxydation et de réduction des polluants se trouvant dans les gaz d'échappement, ces polluants provenant notamment d'une combustion incomplète.

Enfin, le circuit d'échappement 40 est connecté au circuit 22 de recirculation des gaz d'échappement comportant un conduit principal de recirculation 48 de gaz d'échappement, dits "gaz EGR", agencé pour prélever des gaz d'échappement dans le circuit d'échappement 40, et les réintroduire dans le circuit d'admission 20, en l'espèce en amont du compresseur 32. Une telle recirculation des gaz d'échappement est dite basse pression, puisqu'elle est faite sur des gaz d'échappement en sortie du circuit d'échappement 40, en aval de la turbine 46.

Les gaz qui ne sont pas recirculés forment les gaz d'échappement du véhicule, dont le flux est désigné par la flèche F3 et sont rejetés dans l'atmosphère. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, deux dispositifs de dépollution 47A, 47B sont montés dans le circuit d'échappement 40. Le circuit 22 de recirculation est connecté au circuit d'échappement entre les deux dispositifs de dépollution 47A, 47B. Les deux dispositifs de dépollution combinent le rôle de catalyseur et de filtre à particules. Le point d'entrée du circuit EGR étant situé en aval du dispositif de dépollution 47 A, les gaz recirculés sont ainsi débarrassés de la plupart des polluants et particules. Le second dispositif de dépollution 47B permet de réduire davantage les polluants se trouvant dans les gaz d'échappement et n'étant pas recirculés. En connectant le point d'entrée du circuit EGR entre les 2 dispositifs de dépollution, la pression des gaz est plus élevée qu'en aval du deuxième dispositif de dépollution, ce qui permet un débit plus élevée pour une section de passage donnée. Le circuit EGR 22 selon l'invention va maintenant être décrit plus en détails.

Le circuit EGR comporte un échangeur thermique 50 agencé pour refroidir les gaz d'échappement qui le traversent, augmentant ainsi leur effet bénéfique sur les gains de consommation de carburant, notamment en diminuant la tendance au cliquetis du moteur.

Grâce à Γ échangeur thermique qui permet ainsi de refroidir les gaz d'échappement recirculés, l'efficacité de la recirculation des gaz EGR pour réduire la consommation de carburant est accrue.

L' échangeur thermique 50 est monté sur le conduit principal de recirculation 48 des gaz EGR et est configuré pour permettre un échange de chaleur entre les gaz d'échappement le traversant et un fluide de refroidissement, tel qu'un liquide, notamment de l'eau additionnée de glycol. L'efficacité d'un échangeur refroidi par un liquide est meilleure par rapport à un échangeur de type gaz/gaz.

En outre et avantageusement, le circuit de circulation du fluide de refroidissement de l'échangeur communique avec le circuit de refroidissement principal du moteur, par exemple par une dérivation de celui-ci, permettant ainsi un encombrement plus réduit de l'échangeur thermique. Dans ce cas et tel que représenté en figure 1, le liquide de refroidissement qui n'est autre que le liquide de refroidissement du moteur utilisé par ailleurs dans un autre échangeur de chaleur eau/air en vue du chauffage de l'habitacle du véhicule, entre dans l'échangeur par un conduit d'entrée 52 et en ressort par un conduit de sortie 54. En outre, le circuit EGR comporte avantageusement une vanne thermique 56 agencée pour réguler le débit du fluide de refroidissement en fonction de la température du fluide de refroidissement par rapport à une température de consigne prédéfinie. Notamment, la vanne thermique 56 est configurée pour retenir une quantité majoritaire du fluide de refroidissement dans l'échangeur thermique tant que la température du fluide de refroidissement est inférieure à la température de consigne prédéfinie.

De préférence, la température de consigne prédéfinie est sensiblement comprise entre 20°C et 80°C.

En outre, la vanne thermique 56 peut être configurée pour garantir un débit de fuite minimal du fluide de refroidissement afin de laisser une circulation minimale du liquide de refroidissement et ainsi permettre à l'eau réchauffée de réchauffer elle- même la vanne thermique 56.

Selon un mode de réalisation préféré, la vanne thermique 56 est configurée pour laisser passer, lorsque la température du fluide de refroidissement est supérieure à la température de consigne, du fluide de refroidissement avec un débit maximal qui est supérieur au débit maximal lorsque la température du fluide de refroidissement est inférieure à la température de consigne, le rapport entre ces deux débits maximaux étant supérieur à 20, notamment 50, avantageusement 100.

Avantageusement, la vanne ou actionneur thermique 56 est montée sur le conduit de sortie 54 du fluide de refroidissement de l'échangeur thermique 50.

La vanne thermique peut être pilotée électriquement, notamment par l'unité de contrôle du moteur (ECU).

Selon un autre mode de réalisation, non représenté, la vanne thermique comporte une capsule à cire, l'ouverture de la vanne étant conditionnée par la température à laquelle la capsule à cire est soumise ;

Le circuit EGR 22 comprend en outre un conduit de dérivation 60 de l'échangeur thermique 50 pour sélectivement diriger les gaz EGR vers le moteur 10 sans traverser l'échangeur thermique.

A cet effet, le circuit EGR comporte avantageusement un moyen de sélection

62 agencé pour envoyer les gaz d'échappement sélectivement vers l'échangeur thermique 50 ou dans le circuit de recirculation en aval de l'échangeur. Par exemple, le moyen de sélection 62 est une vanne de type trois voies configurée pour être actionnée par un moteur électrique et pour être pilotée par un circuit de commande en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur thermique à allumage commandé.

Dans un autre mode de réalisation, non représenté, le moyen de sélection 62 est actionné par un actionneur pneumatique.

Avantageusement, le conduit de dérivation 60 débouche dans le conduit principal de recirculation 48 entre l'échangeur thermique 50 et une vanne 64 de réglage agencée pour réguler le débit de recirculation des gaz d'échappement du moteur thermique à allumage commandé, que l'on nommera par la suite vanne EGR. Cette vanne EGR permet de régler le débit d'air frais entrant dans le moteur.

En l'espèce, la vanne EGR 64 est montée en aval de l'échangeur thermique 50 au niveau où les gaz d'échappement prélevés dans le circuit d'échappement 40 sont réintroduits dans le circuit d'admission 20 ici en amont du compresseur 32.

Selon une variante, la vanne de régulation du débit de recirculation des gaz d'échappement du moteur thermique à allumage commandé peut être montée sur la canalisation 48 de guidage des gaz EGR en amont de l'échangeur thermique 50.

Par exemple, la vanne EGR est de type à volet rotatif. Ce type de vanne génère peu de pertes de charges et permet d'obtenir des débits élevés.

Dans le cas d'un démarrage à froid, un premier mode de fonctionnement consiste à laisser le moyen de sélection 62 fermé de sorte que les gaz recirculés empruntent la dérivation 60 permettant une montée en température des gaz plus rapide en vue de leur admission dans le moteur. De même, le moyen de sélection 38 est fermé de sorte que les gaz en vue de leur admission dans le moteur empruntent le conduit de dérivation 37 afin qu'ils ne soient pas refroidis par le RAS 34. Ce mode de fonctionnement permet d'obtenir des conditions de combustion plus favorables à basse température.

Un deuxième mode de fonctionnement consiste à laisser le moyen de sélection 62 partiellement ou totalement ouvert de sorte que les gaz recirculés traversent l'échangeur thermique 50 afin d'y être refroidis. La vanne thermique 56 est tout d'abord fermée de sorte que la circulation du liquide de refroidissement est limitée tant que la température de celui-ci est inférieure à une température de consigne prédéfinie puis la circulation est libre au dessus de cette température de consigne. Cette limitation de la circulation du liquide de refroidissement permet l'élévation rapide de la température de celui-ci dans l'échangeur thermique 50 et ainsi de disposer de gaz d'échappement plus chauds en vue de leur réintroduction dans le circuit d'admission du moteur.

La chaleur récupérée des gaz d'échappement dans l'échangeur thermique par l'intermédiaire du liquide de refroidissement permet ainsi dans un premier temps d'accélérer la mise en température du moteur, puis de chauffer l'habitacle.

Les 2 modes de fonctionnement peuvent être utilisés isolément, l'un après l'autre ou alternativement.

Le circuit EGR selon l'invention permet ainsi d'obtenir des gaz plus chauds durant la phase de chauffe du moteur et par températures froides.

Un avantage est de pouvoir réduire les conditions de givrage du circuit EGR basse pression et du compresseur lorsque les températures ambiantes sont négatives. Ainsi les risques d'utilisation du circuit EGR à basse température sont réduits.

Un autre avantage est la récupération de la chaleur des gaz d'échappement à froid, en la transférant dans le liquide de refroidissement, accélérant ainsi la montée en température du moteur puis de l'habitacle du véhicule. La consommation de carburant du véhicule est ainsi diminuée et le confort thermique amélioré.