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FR3058464A1 - Systeme d'injection d'air dans un circuit d'echappement de gaz d'un moteur thermique suralimente. - Google Patents

Systeme d'injection d'air dans un circuit d'echappement de gaz d'un moteur thermique suralimente. Download PDF

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FR3058464A1
FR3058464A1 FR1660709A FR1660709A FR3058464A1 FR 3058464 A1 FR3058464 A1 FR 3058464A1 FR 1660709 A FR1660709 A FR 1660709A FR 1660709 A FR1660709 A FR 1660709A FR 3058464 A1 FR3058464 A1 FR 3058464A1
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Nissan Motor Co Ltd
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Renault SAS
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

L'invention concerne un moteur thermique suralimenté (1) comprenant un circuit d'admission de gaz d'admission (2) relié à une entrée d'admission des cylindres (10, 12, 14, 16) du moteur et un circuit d'échappement (3) relié à une sortie d'échappement des cylindres, le circuit d'admission comprenant un compresseur (21) de turbocompresseur et le circuit d'échappement comprenant d'une part, une turbine (31) de turbocompresseur couplée en rotation au compresseur (21) et, d'autre part, un système de post-traitement (32) des gaz d'échappement à la sortie de la turbine (31), ledit circuit d'admission (2) comprenant un compresseur additionnel (25) présentant une sortie (27) connectée à un conduit d'injection de gaz d'admission (40) reliant le circuit d'admission (2) en aval du compresseur additionnel (25) au circuit d'échappement (3) en amont du système de post-traitement (32) des gaz d'échappement, et le compresseur additionnel (25) est disposé dans le circuit d'admission (2) en aval du compresseur (21).

Description

Titulaire(s) : RENAULT S.A.S Société par actions simplifiée, NISSAN MOTOR CO., LIMITED.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : RENAULT SAS.
SYSTEME D'INJECTION D'AIR DANS UN CIRCUIT D'ECHAPPEMENT DE GAZ D'UN MOTEUR THERMIQUE SURALIMENTE.
FR 3 058 464 - A1 (ü/) L'invention concerne un moteur thermique suralimente(1 ) comprenant un circuit d'admission de gaz d'admission (2) relié à une entrée d'admission des cylindres (10, 12, 14, 16) du moteur et un circuit d'échappement (3) relié à une sortie d'échappement des cylindres, le circuit d'admission comprenant un compresseur (21) de turbocompresseur et le circuit d'échappement comprenant d'une part, une turbine (31) de turbocompresseur couplée en rotation au compresseur (21 ) et, d'autre part, un système de post-traitement (32) des gaz d'échappement à la sortie de la turbine (31), ledit circuit d'admission (2) comprenant un compresseur additionnel (25) présentant une sortie (27) connectée à un conduit d'injection de gaz d'admission (40) reliant le circuit d'admission (2) en aval du compresseur additionnel (25) au circuit d'échappement (3) en amont du système de post-traitement (32) des gaz d'échappement, et le compresseur additionnel (25) est disposé dans le circuit d'admission (2) en aval du compresseur (21).
Système d’injection d’air dans un circuit d’échappement de gaz d’un moteur thermique suralimenté
La présente invention concerne un moteur thermique suralimenté 5 comprenant des cylindres de combustion, un circuit d’admission de gaz d’admission relié à une entrée d’admission des cylindres et un circuit d’échappement relié à une sortie d’échappement des cylindres, le circuit d’admission comprenant un compresseur de turbocompresseur et le circuit d’échappement comprenant d’une part, une turbine de turbocompresseur îo couplée en rotation au compresseur de turbocompresseur et reliée à la sortie d’échappement des cylindres pour être entraînée en rotation par les gaz d’échappement et, d’autre part, un système de post-traitement des gaz d’échappement à la sortie de la turbine de turbocompresseur, ledit circuit d’admission comprenant en outre un compresseur additionnel présentant une sortie connectée à un conduit d’injection de gaz d’admission reliant le circuit d’admission en aval du compresseur additionnel au circuit d’échappement en amont du système de post-traitement des gaz d’échappement.
Un tel moteur est bien connu notamment par l’exemple qu’en donne la publication FR-A1-2990467, qui décrit un moteur du type précité dans lequel le système de post-traitement des gaz comporte un catalyseur et qui vise à pallier les difficultés liées au fonctionnement du catalyseur lors de certaines phases de fonctionnement du véhicule, comme par exemple lors d’un démarrage à froid. Selon ce document, le compresseur additionnel, en l’occurrence un compresseur électrique, qui est initialement prévu pour accroître la quantité d’air sous pression admise à l’admission, en particulier à bas régime, peut être utilisé, au moins périodiquement, pour envoyer de l’air sous pression directement dans le circuit d’échappement en amont du catalyseur via le conduit d’injection. L’air sous pression ainsi fourni par le compresseur électrique peut participer au chauffage du catalyseur et permet d’accélérer le chauffage du catalyseur.
Cependant, ce système ne permet pas d’obtenir une montée en température satisfaisante en amont du système de post-traitement. En particulier, lors des phases de fonctionnement du moteur à faible charge et bas régime, le moteur doit avoir une quantité d’air suffisante pour pouvoir fonctionner à une richesse proche de 1 ou légèrement supérieure à cette valeur, de manière que l’excédent de carburant à l’échappement puisse brûler et fournir un niveau de température suffisamment élevé à l’entrée du système de post-traitement pour pouvoir assurer la dépollution.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un moteur thermique suralimenté permettant d’optimiser la montée en température dans le circuit d’échappement en amont du système de post-traitement pour améliorer l’efficacité de la dépollution en particulier à faible charge et bas îo régime.
A cette fin, le moteur de l’invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le compresseur additionnel est disposé dans le circuit d’admission en aval du compresseur de turbocompresseur.
Cet agencement permet avantageusement de bénéficier d’une première compression des gaz d’admission dans le compresseur de turbocompresseur, de sorte que la température est augmentée une première fois, puis d’une deuxième compression dans le compresseur additionnel disposé en aval dans le circuit d’admission, de sorte que la température peut être augmentée une seconde fois, avant de dévier ces gaz dans le conduit d’injection pour être injecté dans le circuit d’échappement en amont du système de post-traitement, ce qui améliore la montée en température et l’efficacité des phases de fonctionnement à richesse proche de 1.
Avantageusement, une vanne est disposée dans le conduit d’injection de façon à permettre de contrôler le flux de gaz d’admission dans le conduit d’injection.
De préférence, la sortie du compresseur additionnel est reliée au circuit d’admission en amont d’un refroidisseur à air disposé dans le circuit d’admission.
Selon un mode de réalisation, le conduit d’injection est relié au circuit d’échappement en aval de la turbine de turbocompresseur.
Selon un autre mode de réalisation, le conduit d’injection est relié au circuit d’échappement en amont de la turbinede turbocompresseur.
Avantageusement, le circuit d’admission comporte un conduit de dérivation agencé entre l’entrée et la sortie du compresseur additionnel, dans lequel est disposée une vanne de dérivation.
Avantageusement, le conduit d’injection comporte un réservoir de gaz 5 d’admission apte à procurer une réserve de gaz d’admission susceptible d’être utilisée en cas de non disponibilité du compresseur additionnel.
De préférence, le réservoir comporte une entrée munie d’un clapet antiretour, de façon à permettre d’éviter des fuites de gaz d’admission vers le circuit d’admission lorsque la pression dans le réservoir est supérieure à la îo pression dans le circuit d’admission à la sortie du compresseur additionnel.
L’invention concerne également un véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un moteur tel que décrit ci-dessus.
L’invention concerne encore un procédé de contrôle d’un moteur thermique suralimenté tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes dans lesquelles :
- on détecte une condition de richesse du mélange air/carburant admis dans les cylindres du moteur proche de 1 ;
- on autorise l’activation du compresseur additionnel lorsque la condition est détectée ;
- on commande l’ouverture du conduit d’injection et on régule la température en amont du système de post-traitement par rapport à une valeur cible de température en contrôlant le flux de gaz d’admission dans le conduit d’injection,
- on désactive le compresseur additionnel lorsque la valeur cible de température est atteinte en amont du système de traitement.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, donnée à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre de façon schématique une architecture de moteur à 30 combustion interne suralimenté par un turbocompresseur et comportant un compresseur additionnel, suivant un premier mode de réalisation conforme à l’invention :
- la figure 2 illustre une variante de réalisation du moteur illustré à la figure 1 ;
- la figure 3 illustre encore une variante de réalisation du moteur illustré à la figure 1 ;
- la figure 4 est un organigramme décrivant le procédé de contrôle du moteur selon l’invention.
La figure 1 illustre un moteur thermique 1 suralimenté conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, de type à quatre cylindres de combustion 10, 12, 14, 16 en ligne dans l’exemple illustré. Le moteur comporte îo un circuit d’admission de gaz d’admission 2 comprenant d’amont en aval (par rapport au sens d’écoulement des gaz) : un filtre à air 20, un compresseur 21 de turbocompresseur, dit compresseur principal, qui aspire l’air ambiant à la pression atmosphérique et l’envoie sous pression à l'admission du moteur, un refroidisseur d’air suralimenté 22 (ou R.A.S.), un volet d’admission 23, tel que par exemple un boîtier papillon dans le cas d’un moteur à essence, et un répartiteur d’admission ou collecteur d’admission 24 relié à une entrée d’admission des cylindres.
Par ailleurs, le moteur 1 dispose également d’un circuit d’échappement 3 reliée à une sortie d’échappement des cylindres du moteur, comportant d’amont en aval (par rapport au sens d’écoulement des gaz) : un collecteur d’échappement 30, une turbine 31 de turbocompresseur, un ou plusieurs systèmes de post-traitement des gaz d’échappement 32, et une sortie d’échappement 37 munie d’un volet d’échappement 38. Par exemple, le système de post-traitement des gaz d’échappement 32 comprend un catalyseur
3 20 et un filtre à particules 321 situé juste après le catalyseur. Il peut également comprendre un piège à oxydes d’azote (NOx).
La turbine 31 de turbocompresseur est couplée en rotation au compresseur principal 21 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission, et permet d’entraîner le compresseur principal 21 en rotation lorsque la turbine 31 de turbocompresseur est entraînée en rotation par les gaz d’échappement sortant du collecteur d’échappement 30.
Ici, le moteur 1 comporte également un circuit 33 de recirculation des gaz d’échappement à haute pression, depuis le circuit d’échappement 3 vers le circuit d’admission 2. Ce circuit de recirculation est communément appelée circuit EGR-HP, conformément à l’acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation - High Pressure ». Il prend naissance dans le circuit d’échappement 3, entre le collecteur d’échappement 30 et la turbine 31, et il débouche dans le circuit d’admission 2, entre le volet d’admission 23 et le répartiteur d’admission 24.
Ce circuit EGR-HP 33 permet de prélever une partie des gaz circulant dans le circuit d’échappement 3 et de les réinjecter dans les cylindres du moteur afin de réduire les émissions polluantes du moteur, plus îo particulièrement les émissions d’oxydes d’azote. Ce circuit EGR-HP 33 comporte une vanne EGR-HP 34 pour régler le débit de gaz EGR débouchant dans le répartiteur d’admission 24.
En complément, ce circuit EGR-HP 33 est ici complété par un circuit 35 de recirculation des gaz d’échappement à basse pression, communément appelée circuit EGR-LP conformément à l’acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation - Low Pressure ». Ce circuit EGR-LP prend naissance dans le circuit d’échappement 3, à la sortie du système de post-traitement 32, et débouche dans le circuit d’admission 2, entre le filtre à air 20 et le compresseur principal 21. Ce circuit EGR-LP 35 comporte une vanne EGR-LP 36 pour régler le débit de gaz EGR débouchant dans le circuit d’admission 2.
Selon une caractéristique essentielle de l’invention, le moteur thermique comprend un compresseur additionnel 25, disposé dans le circuit d’admission d’air 2 en aval du compresseur principal 21.
Le compresseur additionnel 25 placé en aval du compresseur principal
21, est ici un compresseur électrique entraîné en rotation au moyen d’un moteur électrique (non représenté). Il peut également s’agir d’un compresseur mécanique, par exemple couplé au vilebrequin du moteur. Contrairement au turbocompresseur, le fonctionnement du compresseur additionnel est indépendant des gaz d’échappement et permet de fournir de l’air en grande quantité à l’admission quel que soit le niveau de charge du moteur et notamment à faible charge et à bas régime.
Ce compresseur additionnel présente une entrée 26 et une sortie 27, ladite entrée 26 étant reliée dans le circuit d’admission 2 en aval du compresseur principal 21, soit à la sortie de ce dernier, et ladite sortie 27 étant reliée d’une part, au circuit d’admission 2 en amont du refroidisseur 22 et, d’autre part, au circuit d’échappement 3 en amont du système de posttraitement 32, par l’intermédiaire d’un conduit d’injection de gaz d’admission
40. Ce conduit d’injection 40 permet donc de relier la sortie 27 du compresseur additionnel 25 disposé en aval du compresseur principal 21, directement au circuit d’échappement 3 en amont du système de post-traitement 32 et partant, d’injecter de l’air sous pression directement dans le circuit d’échappement 3 en amont du système de post-traitement 32 pour favoriser la dépollution des gaz îo d’échappement. Une vanne pilotée 41 est disposée dans le conduit d’injection de façon à permettre de contrôler le flux d’air dans le conduit d’injection 40. Selon le mode de réalisation de la figure 1, le compresseur additionnel 25 peut être associé à un conduit de dérivation 28 du circuit d’admission s’étendant entre l’entrée 26 et la sortie 27 du compresseur additionnel 25 et dans lequel est disposée une vanne de dérivation 29. Ainsi, lorsque le compresseur additionnel 25 est désactivé, en commandant l’ouverture de la vanne de dérivation 29, on court-circuite le compresseur additionnel 25. Par contre, lorsque le compresseur additionnel 25 est activé, la vanne de dérivation est fermée et l’air ayant fait l’objet d’une première compression dans le compresseur principal 21, subit une seconde compression dans le compresseur additionnel 25.
Conformément au mode de réalisation de la figure 1, le conduit d’injection 40 est relié au circuit d’échappement 3 en aval de la turbine 31 de turbocompresseur. Autrement dit, le conduit d’injection 40, connecté à la sortie
27 du compresseur additionnel 25, est relié au circuit d’échappement 3 entre la sortie de la turbine 31 de turbocompresseur et l’entrée du système de posttraitement 32.
Ce conduit d’injection 40 pourra également être relié à un autre endroit du circuit d’échappement. Selon une variante de réalisation illustrée à la figure 2, le conduit d’injection 40 est relié au circuit d’échappement 3 en amont de la turbine 31 de turbocompresseur. Autrement dit, l’air sous pression issu de la sortie 27 du compresseur additionnel 25 est injecté dans le circuit d’échappement 3 entre les cylindres de combustion du moteur et l’entrée de la turbine 31 de turbocompresseur. On cherchera en particulier à relier le conduit d’injection 40 au plus près des cylindres de combustion du moteur au niveau du circuit d’échappement, de manière à pouvoir profiter d’une température la plus élevée possible et de manière à pouvoir bénéficier d’une longueur de mélange entre l’air et l’excédent de carburant à l’échappement la plus importante possible avant l’arrivée dans le système de post-traitement 32.
Suivant la variante de réalisation de la figure 3, le conduit d’injection d’air 40 comporte un réservoir 42, agencée entre la sortie du compresseur additionnel 25 et la vanne pilotée 41. Ce réservoir présente par exemple un îo volume égal à environ 5 litres. Le réservoir 42 permet de constituer une réserve d’air issu de la compression à l’intérieur du compresseur additionnel 25, qui est susceptible d’être utilisée pour être injectée dans le circuit d’échappement en amont du système de post-traitement, lors de périodes de non disponibilité du compresseur additionnel 25, par exemple parce que la charge de la batterie nécessaire pour alimenter le moteur électrique du compresseur additionnel n’est pas suffisante. Dans ce cas, la réserve d’air procurée par le réservoir 42 pourra être utilisée pour pallier la non disponibilité du compresseur additionnel 25. L’entrée du réservoir 42 est avantageusement munie d’un clapet anti-retour 43, de façon à permettre d’éviter des fuites d’air vers le circuit d’admission lorsque la pression dans le réservoir 42 est supérieure à la pression dans le circuit d’admission à la sortie du compresseur additionnel 25.
La figure 4 illustre le procédé de contrôle du moteur selon l’invention lors de phases de fonctionnement à faibles charge et bas régimes, dans lesquelles le moteur doit avoir une quantité d’air suffisante pour pouvoir fonctionner à une richesse proche de 1. Autrement dit, le carburant est injecté dans des proportions telles que la richesse du mélange air/carburant soit égale à une valeur proche de 1, en général dans les proportions stoechiométriques. Dans ce cas, il est opportun d’injecter de l’air dans le circuit d’échappement pour favoriser la dépollution des gaz d’échappement.
Dans le cas d’un moteur diesel, il pourra s’agir d’injecter de l’air sous pression au niveau du circuit d’échappement en amont du système de posttraitement pendant les phases à richesse proches de 1, pour augmenter la montée en température à l’échappement en entrée du système de posttraitement et favoriser ces phases à richesse proche de 1 (permettant par exemple la régénération du filtre particules, la régénération du piège à oxydes d’azote (élimination des oxydes d’azote dite deNOx) ou sa désulfatation (élimination des oxydes de soufres dite deSOx)).
Dans le cas d’un moteur à essence muni d’un filtre à particules, on cherche à injecter de l’air sous pression à l’échappement pour favoriser le fonctionnement à richesse supérieure ou égale à 1 pendant la phase de régénération du filtre à particules.
îo Dans une étape E0, on détecte une condition de richesse du mélange pour laquelle il est opportun d’injecter de l’air dans le circuit d’échappement afin de fournir un niveau de température suffisamment élevée à l’entrée du système de post-traitement pour pouvoir assurer la dépollution des gaz d’échappement. On autorise dans une étape E1 l’activation du compresseur additionnel 25 lorsque la richesse du mélange Ri est déterminée supérieure ou égale à 0,9 par exemple dans l’étape E0.
Dans une étape E2, on commande alors à l’ouverture la vanne 41 du conduit d’injection 40 permettant de gérer le flux d’air dans le conduit d’injection 40 et par conséquent le flux d’air injecté au niveau de l’échappement. Puis, on mesure la température T3 des gaz d’échappement dans le circuit d’échappement en entrée du système de post-traitement 32, soit dans la portion du circuit d’échappement comprise entre la sortie de la turbine 31 de turbocompresseur et l’entrée du système de post-traitement 32, et on régule cette température de façon à atteindre une valeur cible de température
T3_cible, fourni en tant que paramètre de la stratégie, pour laquelle on a l’efficacité souhaitée pour la dépollution des gaz d’échappement. On régule la température en entrée du système de post-traitement 32 par rapport à la valeur cible de température T3_cible par un pilotage de la vanne 41 du conduit d’injection 40.
On met également en oeuvre dans une étape E4, une régulation de la pression de suralimentation obtenue avec le compresseur 21 de turbocompresseur et le compresseur additionnel 25, de façon à atteindre une valeur cible de pression de suralimentation Psural_cible. Cette régulation est effectuée sur la base de l’écart entre la pression mesurée dans le collecteur d’admission Pcoll et la valeur cible de pression de suralimentation Psural_cible. Parallèlement, On met en œuvre une régulation de la quantité de carburant injecté de façon que la richesse du mélange Ri atteigne une valeur cible de richesse Ri_cible. Les valeurs cibles de pression de suralimentation et de richesse du mélange sont fournies en tant que paramètres du procédé de contrôle.
Lorsque la condition sur la valeur cible de température T3_cible en amont du système de post-traitement 32 est atteinte, on commande l’arrêt du procédé îo dans une étape E4 et on désactive le compresseur additionnel 25.

Claims (2)

  1. REVENDICATIONS
    1. Moteur thermique suralimenté (1) comprenant des cylindres de combustion (10, 12, 14, 16), un circuit d’admission de gaz d’admission (2) relié
    5 à une entrée d’admission des cylindres et un circuit d’échappement (3) relié à une sortie d’échappement des cylindres, le circuit d’admission comprenant un compresseur (21) de turbocompresseur et le circuit d’échappement comprenant d’une part, une turbine (31) de turbocompresseur couplée en rotation au compresseur (21) de turbocompresseur et reliée à la sortie îo d’échappement des cylindres pour être entraînée en rotation par les gaz d’échappement et, d’autre part, un système de post-traitement (32) des gaz d’échappement à la sortie de la turbine (31) de turbocompresseur, ledit circuit d’admission (2) comprenant en outre un compresseur additionnel (25) présentant une sortie (27) connectée à un conduit d’injection de gaz
    15 d’admission (40) reliant le circuit d’admission (2) en aval du compresseur additionnel (25) au circuit d’échappement (3) en amont du système de posttraitement (32) des gaz d’échappement, ledit moteur étant caractérisé en ce que le compresseur additionnel (25) est disposé dans le circuit d’admission (2) en aval du compresseur (21) de turbocompresseur.
    20 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une vanne (41 ) est disposée dans le conduit d’injection (40) de façon à permettre de contrôler le flux de gaz d’admission dans le conduit d’injection (40).
    3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie (27) du compresseur additionnel est reliée au circuit d’admission (2) en amont
    25 d’un refroidisseur à air (22) disposé dans le circuit d’admission.
    4. Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d’injection (40) est relié au circuit d’échappement (3) en aval de la turbine (31) de turbocompresseur.
    5. Moteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,
    30 caractérisé en ce que le conduit d’injection (40) est relié au circuit d’échappement (3) en amont de la turbine (31) de turbocompresseur.
    6. Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d’admission (2) comporte un conduit de dérivation (28) agencé entre l’entrée (26) et la sortie (27) du compresseur additionnel (25), dans lequel est disposée une vanne de dérivation (29).
    7. Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d’injection (40) comporte un réservoir de gaz
    5 d’admission (42) apte à procurer une réserve de gaz d’admission susceptible d’être utilisée en cas de non disponibilité du compresseur additionnel (25).
    8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réservoir comporte une entrée munie d’un clapet anti-retour (43), de façon à permettre d’éviter des fuites de gaz d’admission vers le circuit d’admission lorsque la îo pression dans le réservoir (42) est supérieure à la pression dans le circuit d’admission à la sortie du compresseur additionnel (25).
    9. Véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes.
    10. Procédé de contrôle d’un moteur thermique suralimenté (1) selon 15 l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes dans lesquelles :
    - on détecte (E0) une condition de richesse du mélange air/carburant admis dans les cylindres du moteur proche de 1 ;
    - on autorise (E1) l’activation du compresseur additionnel (25) lorsque la 20 condition est détectée ;
    - on commande (E2) l’ouverture du conduit d’injection (40) et on régule la température (T3) en amont du système de post-traitement (32) par rapport à une valeur cible de température (T3_cible) en contrôlant le flux de gaz d’admission dans le conduit d’injection (40),
    25 - on désactive (E4) le compresseur additionnel (25) lorsque la valeur cible de température est atteinte en amont du système de traitement (32).
    1/2 22 23 24
    U ( 40 33 (10 12 14 16
  2. 2/2
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