DISPOSITIF COMPORTANT UN CIRCUIT DE RECIRCULATION DE GAZ D'ÉCHAPPEMENT

La présente invention concerne un dispositif comportant un circuit de recirculation de gaz d'échappement, pour un moteur thermique.

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 d'EGR.

Le fait de diluer l'air admis dans le moteur 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 essence 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.

L'ajout de cette vanne augmente le coût et l'encombrement du système de recirculation de manière significative.

La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un circuit de recirculation dépourvu de vanne EGR. A cet effet, l'invention propose un dispositif comportant un circuit de recirculation d'EGR, le circuit comportant un canal présentant une section de passage choisie pour imposer un débit minimum de gaz recirculés entre l'échappement et l'admission d'un moteur à combustion interne.

Grâce à l'invention, le débit minimum peut être imposé de manière simple, en sélectionnant une section de passage appropriée au moteur à équiper. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte en outre une vanne de dosage unique, agencée pour contrôler le débit traversant le circuit d'EGR.

Selon un mode de réalisation, la vanne de dosage est à l'extérieur du circuit de recirculation d'EGR.

Le circuit de recirculation ne comporte aucune vanne de dosage, son encombrement est donc réduit et sa construction simplifiée.

De préférence, la vanne de dosage est agencée pour modifier la section de passage de l'air entrant dans le moteur.

La vanne de dosage permet de régler le débit d'air frais entrant dans le moteur.

De préférence, les gaz d'échappement sortant du circuit EGR sont recirculés en aval de la vanne de dosage.

La vanne de dosage permet aussi de régler la différence de pression entre l'entrée et la sortie du circuit de recirculation des gaz d'échappement. Par conséquent, la vanne de dosage permet de régler le débit de gaz d'échappement recirculés, bien qu'elle ne soit pas traversée par les gaz d'échappement recirculés. Le circuit de recirculation ne comporte aucune vanne, ce qui rend sa construction particulièrement simple et son encombrement minimal.

Selon un mode de réalisation, la vanne de dosage est agencée pour pouvoir occuper seulement deux positions stables de fonctionnement, à savoir :

une position de pleine ouverture,

une position partiellement fermée dans laquelle la section de passage est plus petite que la section de passage dans la position de pleine ouverture.

En utilisant une vanne de dosage de construction simplifiée, avec seulement deux positions stables de fonctionnement, il est possible de réduire davantage le cout du système de recirculation de gaz d'échappement.

La section de passage de la vanne en position partiellement fermée représente 35% à 65% de la section de passage en position pleine ouverte. La position partiellement fermée permet de générer une dépression en amont du point de recirculation des gaz d'échappement afin d'augmenter le débit de gaz d'échappement recirculés. La vanne comporte un volet mobile en rotation entre la position pleinement ouverte et la position partiellement fermée.

De préférence, l'ouverture de la vanne est contrôlée par une unité de commande du moteur thermique. De préférence encore, les gaz d'échappement sont recirculés en amont d'un dispositif de suralimentation.

Le dispositif de suralimentation permet d'obtenir des performances élevées avec des moteurs de faible cylindrée. La réduction de cylindrée permet de réduire la consommation de carburant.

Selon un mode de réalisation, les gaz d'échappement recirculés sont prélevés en aval d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement.

Ainsi la teneur en polluants dans les gaz d'échappement recirculés est réduite.

Selon un mode de réalisation, les gaz d'échappement recirculés sont prélevés en amont d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement.

La pression des gaz d'échappement est ainsi plus élevée que si les gaz d'échappement sont prélevés en aval du dispositif de post-traitement, ce qui permet d'obtenir un débit élevé.

De préférence, le circuit de recirculation d'EGR comporte un échangeur de chaleur à travers lequel passent les gaz d'échappement circulant dans le canal.

L'échangeur de chaleur permet de refroidir les gaz d'échappement recirculés. L'efficacité de la recirculation de gaz d'échappement pour réduire la consommation de carburant est accrue lorsque les gaz recirculés sont à basse température.

Selon un mode de réalisation, l'échangeur de chaleur est agencé pour être refroidi par un liquide de refroidissement.

L'efficacité d'un échangeur refroidi par un liquide de refroidissement est accrue par rapport à un échangeur de type gaz/gaz. L'encombrement de l'échangeur peut donc être réduit.

Avantageusement, le dispositif comprend un capteur de température pour mesurer la température des gaz recirculés. La température des gaz traversant le circuit de recirculation est un des facteurs permettant de déterminer le débit dans le circuit.

Selon un mode de réalisation, le capteur de température est disposé en aval de l'échangeur de chaleur. Une mesure en aval de l'échangeur est plus représentative de la température à laquelle les gaz sortent du circuit de recirculation.

Alternativement, le capteur de température est disposé en amont de l'échangeur de chaleur.

Suivant la disposition des différents organes mécaniques, l'emplacement en amont de l'échangeur de chaleur peut être plus facilement accessible. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un capteur mesurant la différence de pression entre une d'entrée du circuit et une sortie du circuit.

La différence de pression entre le point où les gaz d'échappement sont prélevés de

l'échappement afin d'être recirculés et le point où les gaz d'échappement rejoignent l'admission du moteur est un autre facteur permettant de déterminer le débit dans le circuit. Selon un mode de réalisation, la vanne de dosage comporte un volet rotatif pour réguler le débit passant dans la vanne.

L'invention concerne aussi un ensemble comprenant un dispositif tel que décrit précédemment et une deuxième vanne de dosage, la deuxième vanne de dosage étant disposée en aval du dispositif de suralimentation et contrôlant le débit de gaz entrant dans le moteur. Cette deuxième vanne de dosage permet de régler le débit de mélange gazeux admis dans le moteur, ce mélange étant constitué notamment d'air frais et de gaz d'échappement recirculés entre l'échappement et l'admission.

Selon un mode de réalisation, la deuxième vanne de dosage comporte un volet rotatif pour réguler le débit passant dans la vanne. Ce type de vanne génère peu de pertes de charges et permet d'obtenir des débits élevés. L'invention concerne également un procédé de recirculation de gaz d'échappement, comportant l'étape de faire circuler les gaz EGR dans un canal d'un circuit de recirculation, avec un débit minimal imposé par une section de passage choisie du canal.

La section de passage du canal est déterminée à partir du point de fonctionnement moteur nécessitant le débit d'EGR maximal. La section de passage du canal sera ainsi déterminée à partir de ce débit maximal et des conditions de pression, température des gaz d'échappement correspondant à ce débit maximal. Sur chaque point de fonctionnement moteur, le débit d'EGR est choisi pour optimiser le fonctionnement du moteur, notamment pour réduire la

consommation de carburant.

De préférence, le procédé comporte les étapes de :

Estimer un débit d'EGR traversant le circuit

Comparer le débit estimé avec un débit de consigne déterminé par une unité de commande.

Un débit de consigne est déterminé par une unité de commande du moteur. Ce débit de consigne correspond au débit permettant d'optimiser le fonctionnement du moteur, notamment la consommation de carburant. Si le débit estimé est inférieur au débit de consigne déterminé, le procédé comporte l'étape d'augmenter le débit d'EGR dans le circuit de recirculation, par rapport au débit minimal imposé par la section de passage du canal.

De préférence, l'augmentation du débit d'EGR est réalisée en fermant partiellement la vanne de dosage du débit d'air entrant dans un moteur.

La vanne de dosage permet ainsi de contrôler le débit d'EGR circulant dans le circuit d'EGR, bien que celui-ci ne comporte aucune vanne.

L'invention se rapporte aussi à un ensemble comportant un moteur à combustion interne, un circuit d'EGR, une vanne de dosage, mettant en œuvre un procédé tel que décrit

précédemment.

De préférence, le moteur à combustion est de type à allumage commandé. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures. La figure 1 représente de manière schématique l'architecture du système de recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique.

La figure 2 représente un mode de réglage du débit d'EGR.

La figure 3 représente les différentes étapes de mise en œuvre du procédé de réglage du débit d'EGR.

On a représenté sur la figure 1 un dispositif 100 comportant : un moteur à combustion interne 1, de type à allumage commandé,

un circuit d'EGR 50,

une vanne de dosage 2. Le moteur 1 comporte plusieurs cylindres, tous formant une chambre de combustion.

L'air comburant alimentant le moteur traverse la vanne de dosage 2, puis est comprimé par un dispositif de suralimentation, comprenant un compresseur 3 entraîné par une turbine 8 solidaire du même axe que le compresseur 3. Le flux gazeux sortant du compresseur 3 est refroidi dans l'échangeur de chaleur 4. Le débit de ce flux est ensuite ajusté par une deuxième vanne de dosage, constituée par le boîtier papillon 5, et vient alimenter le moteur 1 en gaz comburant. Le répartiteur d'admission 6 permet de répartir le flux traversant le boîtier papillon 5 entre les différents cylindres du moteur 1.

Le carburant est brûlé dans les chambres de combustion, permettant ainsi au moteur de fournir de l'énergie mécanique. Une unité de contrôle 20 pilote les différents actionneurs équipant le moteur, à partir des informations reçues des différents capteurs placés sur le moteur et des lois de contrôle implémentées dans la mémoire de l'unité de contrôle 20.

Le mélange gazeux résultant du processus de combustion est évacué du moteur 1 par le collecteur d'échappement 7. Les gaz d'échappement traversent la turbine 8 et fournissent, en s'y détendant, l'énergie mécanique nécessaire à la compression du mélange traversant le compresseur 3.

Après détente dans la turbine 8, les gaz d'échappement traversent un dispositif de posttraitement 9, dit 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.

La majorité des gaz d'échappement est ensuite rejetée à l'atmosphère. Une partie des gaz d'échappement est recyclée vers l'admission du moteur 1, par le circuit de recirculation 50. Le dispositif 100 de la figure 1 comporte un circuit de recirculation d'EGR 50, le circuit 50 comportant un canal 11 présentant une section de passage choisie pour imposer un débit minimum de gaz recirculés entre l'échappement et l'admission du moteur à combustion interne 1.

Les gaz sont recyclés depuis le point de prélèvement 10 situé sur l'échappement, le point 10 schématisant l'entrée du circuit de recirculation 50. Le canal de recirculation 11 s'étend depuis le point 10.

Le dispositif 100 de la figure 1 comporte, en plus du circuit de recirculation d'EGR 50, une vanne de dosage 2 unique, agencée pour contrôler le débit traversant le circuit d'EGR 50.

Plus précisément, la vanne de dosage 2 est à l'extérieur du circuit de recirculation d'EGR 50, c'est-à-dire que les gaz d'échappement recirculés ne traversent pas la vanne 2.

La vanne de dosage 2 est agencée pour modifier le débit d'air entrant dans le moteur 1. En amont de la vanne 2, l'air est sensiblement à la pression atmosphérique. En position par défaut, la vanne de dosage 2 est grande ouverte. La pression en aval de la vanne de dosage 2 est alors également sensiblement égale à la pression atmosphérique. Lorsque la vanne de dosage 2 est partiellement fermée, celle-ci introduit une perte de charge et le débit d'air traversant la vanne de dosage 2 est réduit.

Le circuit 50 rejoint le circuit d'admission du moteur 1 au point 14, le canal de recirculation 11 y étant raccordé à la ligne d'admission. Le point de recirculation 14 est en aval de la vanne de dosage 2, les gaz d'échappement sont recirculés en aval de la vanne de dosage 2. Selon un mode de réalisation, la vanne de dosage 2 est agencée pour pouvoir occuper seulement deux positions stables de fonctionnement, à savoir :

une position de pleine ouverture,

une position partiellement fermée dans laquelle la section de passage est plus petite que la section de passage dans la position de pleine ouverture. Le système de recirculation des gaz d'échappement comporte alors deux simplifications par rapport à la configuration classique : aucune vanne de recirculation des gaz d'échappement n'est utilisée et la vanne de dosage de l'air admis est de construction simplifiée avec seulement deux positions de fonctionnement stables. La section de passage de la vanne en position partiellement fermée représente 35% à 65% de la section de passage en position pleine ouverte. La position partiellement fermée permet de générer une dépression en amont du point de recirculation des gaz d'échappement afin d'augmenter le débit de gaz d'échappement recirculés. La section de passage de la vanne en position partiellement fermée est fixée par construction, et peut être modifiée simplement pour créer différentes références de vannes destinées à différents types de moteurs.

La vanne 2 comporte un volet 60 mobile en rotation entre la position pleinement ouverte et la position partiellement fermée.

L'ouverture de la vanne 2 est contrôlée par l'unité de commande 20 du moteur thermique.

Le point de recirculation 14 est situé entre la vanne de dosage 2 et le compresseur 3, les gaz d'échappement sont recirculés en amont du dispositif de suralimentation 3. Les gaz

d'échappement recirculés traversent le compresseur 3, ce qui correspond à l'architecture « basse pression » pour le circuit de recirculation 50.

Le point d'entrée 10 du circuit de recirculation est en aval du catalyseur 9, les gaz

d'échappement recirculés sont prélevés en aval d'un dispositif de post-traitement 9 des gaz d'échappement.

Les gaz recirculés sont ainsi débarrassés de la plupart des polluants et particules.

Selon un mode de réalisation non représenté, les gaz d'échappement recirculés sont prélevés en amont du dispositif de post-traitement des gaz d'échappement. Dans ce cas, les gaz sont à une pression plus élevée que lorsque le prélèvement a lieu en aval du dispositif de post-traitement des gaz d'échappement. A section de passage égale, le débit obtenu est ainsi plus élevé.

Le circuit de recirculation d'EGR 50 comporte un échangeur de chaleur 12 à travers lequel passent les gaz d'échappement circulant dans le canal 11. Les gaz traversant le circuit 50 sont ainsi refroidis, ce qui augmente leur effet bénéfique sur les gains de consommation de carburant, notamment en diminuant la tendance au cliquetis du moteur 1. L'échangeur de chaleur 12 est agencé pour être refroidi par un liquide de refroidissement. La circulation de liquide de refroidissement ainsi que le raccordement à l'échangeur 12 n'ont pas été représentés. La circulation de liquide de refroidissement peut provenir d'une dérivation du circuit de refroidissement du moteur 1. Le dispositif comprend un capteur de température 13 pour mesurer la température des gaz recirculés.

Sur la figure 1, le capteur de température 13 est disposé en aval de l'échangeur de chaleur 12.

La mesure de température réalisée est représentative de la température des gaz lorsqu'ils quittent le circuit de recirculation 50 et rejoignent le circuit d'admission. La température des gaz est un des facteurs pris en compte pour la détermination du débit de gaz recirculés traversant le circuit 50.

Selon un mode de réalisation non représenté, le capteur de température 13 est disposé en amont de l'échangeur de chaleur 12.

Le dispositif 100 comprend un capteur 16 mesurant la différence de pression entre une d'entrée 10 du circuit 50 et une sortie 14 du circuit 50. Un piquage est réalisé à proximité de l'entrée 10 du circuit 50, ainsi qu'à proximité de la sortie 14 du circuit 50. Ces piquages permettent de raccorder des portions de durite 15 au capteur 16, qui est ainsi soumis aux deux pressions à mesurer et peut déterminer la différence entre ces 2 pressions.

La vanne de dosage 2 comporte un volet rotatif pour réguler le débit passant dans la vanne. Selon un mode de réalisation, l'ensemble 101 intègre le dispositif 100 et une vanne de dosage 5, la vanne de dosage 5 étant disposée en aval du dispositif de suralimentation 3 et contrôlant le débit de gaz entrant dans le moteur 1. Le débit de gaz entrant dans le moteur comprend le débit d'air frais traversant la vanne de dosage 2 ainsi que le débit de gaz d'EGR traversant le circuit 50.

La vanne de dosage 5 comporte un volet rotatif pour réguler le débit passant dans la vanne. La vanne de dosage 5 est encore appelée boîtier papillon.

La vanne de dosage 5 est traversée par un mélange d'air et d'EGR, la vanne de dosage 2 étant elle traversée par l'air mais pas par les gaz EGR. La figure 3 illustre de façon schématique les différentes étapes du procédé d'utilisation du dispositif décrit précédemment.

Le procédé de recirculation de gaz d'échappement comporte l'étape de :

Faire circuler les gaz EGR dans un canal 11 d'un circuit de recirculation 50, avec un débit minimal imposé par une section de passage choisie du canal 11. (étape 60)

La section de passage du canal 11 est déterminée à partir des données caractéristiques du fonctionnement moteur, notamment la pression et la température des gaz d'échappement, ainsi que l'évolution de la consommation de carburant en fonction du débit de gaz recirculés. Ces données sont déterminées pour plusieurs points de fonctionnement, englobant l'ensemble de la plage de couple et de régime moteur réalisable par le moteur 1. A partir de ces données, la section de passage du canal 11 est déterminée, en faisant en sorte que le débit d'EGR soit proche de sa valeur cible lorsque le moteur fonctionne dans des conditions proches de sa puissance maximale.

Selon un mode de réalisation, le procédé comporte les étapes de : - Estimer un débit d'EGR traversant le circuit 50,

Comparer le débit estimé avec un débit de consigne déterminé par une unité de commande 20. (étape 61)

Un débit de consigne est déterminé par l'unité de commande 20 du moteur 1. Ce débit de consigne, qui varie suivant le point de fonctionnement du moteur, correspond au débit permettant d'optimiser le fonctionnement du moteur 1. Le critère d'optimisation peut être notamment la minimisation de la consommation de carburant, ou encore des émissions de polluants. L'estimation du débit d'EGR par l'unité de commande 20 du moteur 1 est réalisée en utilisant les valeurs mesurées de la température des gaz recirculés et de la différence de pression entre l'amont et l'aval du circuit 50. Le débit d'EGR estimé est comparé à une consigne de débit mémorisée par l'unité de commande 20.

Si le débit estimé est inférieur au débit de consigne déterminé, le procédé comporte l'étape de : augmenter le débit d'EGR dans le circuit de recirculation 50, par rapport au débit minimal imposé par la section de passage du canal 11. Plus précisément, l'augmentation du débit d'EGR est réalisée en fermant partiellement la vanne de dosage 2 du débit d'air entrant dans le moteur 1.

La figure 2 illustre le mécanisme par lequel le débit d'EGR est augmenté.

La courbe Cl illustre l'évolution de la position angulaire de la vanne de dosage 2 en fonction du temps.

La courbe C2 illustre l'évolution de la pression des gaz d'échappement dans le circuit 50, à proximité du point 14 où le circuit 50 rejoint la ligne d'admission du moteur 1.

La courbe C3 illustre l'évolution de la pression en aval de la vanne 2, dans le tronçon 17 situé entre la vanne de dosage 2 et le point de recirculation 14. La courbe C4 illustre l'évolution du débit d'EGR en fonction du temps.

Sur les courbes Cl à C4, le régime moteur est supposé constant.

Jusqu'au temps tl, la vanne de dosage 2 est complètement ouverte. La valeur Cil correspond à l'ouverture maximale de la vanne 2. La pression est identique de part et d'autre de la vanne 2, c'est-à-dire que la pression au niveau du tronçon 17, en aval de la vanne 2, est égale à la pression atmosphérique, comme schématisé sur la courbe C3 par la valeur C31.

A partir de l'instant tl, l'angle d'ouverture de la vanne de dosage 2 est diminué jusqu'à la valeur C12 afin de fermer partiellement la vanne 2. La fermeture partielle de la vanne de dosage 2 introduit une perte de charge, ce qui fait que la pression au niveau du tronçon 17, en aval de la vanne de dosage 2, diminue jusqu'à la valeur C32 et devient plus faible qu'en amont. La pression dans l'échappement, courbe C2, reste elle constante, à la valeur C21. La pression dans l'échappement est supérieure à la pression atmosphérique. La différence de pression entre l'entrée 10 et la sortie 14 du circuit de recirculation est donc augmentée, comme indiqué par les flèches séparant les courbes C2 et C3 sur la figure 2. La géométrie du circuit de recirculation 50 étant inchangée, l'augmentation de pression entre l'amont et l'aval du circuit 50 engendre une augmentation du débit, c'est-à-dire que le débit de gaz recirculés augmente, passant de la valeur C41 à la valeur C42. Bien que le circuit 50 de recirculation d'EGR soit dépourvu de vanne de dosage, le débit d'EGR traversant le circuit 50 peut être contrôlé grâce à la vanne de dosage 2 située en amont du circuit 50. La section de passage du canal 11 est choisie pour qu'il ne soit pas nécessaire de fermer partiellement la vanne de dosage 2 pour atteindre le débit d'EGR recherché, lorsque le moteur 1 est utilisé à sa puissance maximale. En effet, la fermeture de la vanne de dosage 2 diminue la quantité d'air entrant dans le moteur 1 et limite donc la puissance maximale réalisable.