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WO2008148976A2 - Systeme d'admission pour vehicule automobile equipe d'un systeme egr - Google Patents

Systeme d'admission pour vehicule automobile equipe d'un systeme egr Download PDF

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Publication number
WO2008148976A2
WO2008148976A2 PCT/FR2008/050766 FR2008050766W WO2008148976A2 WO 2008148976 A2 WO2008148976 A2 WO 2008148976A2 FR 2008050766 W FR2008050766 W FR 2008050766W WO 2008148976 A2 WO2008148976 A2 WO 2008148976A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
engine
intake
recirculation
intake system
Prior art date
Application number
PCT/FR2008/050766
Other languages
English (en)
Other versions
WO2008148976A3 (fr
Inventor
Bernard Rollet
Cedric Rouaud
Philippe Arribard
Original Assignee
Renault S.A.S
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault S.A.S filed Critical Renault S.A.S
Publication of WO2008148976A2 publication Critical patent/WO2008148976A2/fr
Publication of WO2008148976A3 publication Critical patent/WO2008148976A3/fr

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0412—Multiple heat exchangers arranged in parallel or in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0418—Layout of the intake air cooling or coolant circuit the intake air cooler having a bypass or multiple flow paths within the heat exchanger to vary the effective heat transfer surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/06—Low pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust downstream of the turbocharger turbine and reintroduced into the intake system upstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/07—Mixed pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is either taken out upstream of the turbine and reintroduced upstream of the compressor, or is taken out downstream of the turbine and reintroduced downstream of the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an intake system for an engine of a motor vehicle equipped with solutions for reducing emissions of nitrogen oxides (NOx) exhaust, known under the name Anglo-Saxon EGR (Exhaust Recirculation gas), which can be low pressure and possibly high pressure. It also relates to a heating system of the passenger compartment of such a motor vehicle.
  • NOx nitrogen oxides
  • the invention also relates to a motor vehicle as such equipped with such systems. Finally, it relates to a method of regulating the admission of gases from a motor vehicle engine.
  • FIG. 1 illustrates such a solution, which comprises a motor 1 supplied with air by an inlet 2, a compressor 3, an exchanger 4 on the feed path 9 downstream of the compressor 3, then a motor inlet 5.
  • a first solution known under the name Anglo-Saxon EGR (Exhaust Gas Recirculation) high pressure, consists of a recirculation 12 to the 5 engine exhaust engine admission from the exhaust manifold to the engine outlet.
  • a second solution known by its name of low pressure EGR, consists of a recirculation 11 of a portion of the exhaust gas recovered to the vehicle exit, after passing through different treatment devices such as a catalyst 21, which can be an oxidation catalyst or a four-way catalyst or a Nox trap catalyst, a particulate filter 22, for their readmission to the compressor inlet 3.
  • a catalyst 21 which can be an oxidation catalyst or a four-way catalyst or a Nox trap catalyst, a particulate filter 22, for their readmission to the compressor inlet 3.
  • An exhaust valve 7 and a valve 18 on the recirculation channel allow to adjust the amount of low gas pressure to recirculate.
  • High and low pressure EGR solutions are generally combined and optimized according to the operating conditions of the engine, in order to achieve a favorable intake gas temperature.
  • the recirculation of high pressure gases, cooled or uncooled, with that of low pressure gases avoids the increase of HC and CO emissions during a temperature rise phase.
  • low pressure EGR sometimes leads to overproduction of hydrocarbon, which can be compensated by high pressure EGR, cooled or not.
  • the low pressure EGR gas, cooled by the charge air cooler 4 allow the introduction of a cold mixture, for example 40 to 70 degrees Celsius, favorable to the reduction of emissions nitrogen oxide or particles.
  • This EGR solution makes it possible to reduce the polluting emissions of a vehicle.
  • its operation lacks flexibility and is not optimal. Indeed, it operates according to two important parameters; the rate of EGR, ie the rate of recirculated exhaust gas, and the temperature of these gases.
  • the system of the prior art described above does not allow decoupling the management of these two parameters correctly, the temperature resulting directly from the selected EGR rate, and does not achieve an optimization of the system.
  • the new engines have reached a level of efficiency such that the transfer of heat from the combustion chambers and from the friction zones of the mechanical elements to each other towards the coolant has become very low.
  • This loss of heat dissipation and therefore thermal power prevents thermal comfort in the passenger compartment within a reasonable time, especially in the low outdoor temperature conditions. (about 30 minutes after starting the engine in a very cold environment, for example -18 ° C). It also leads to over-consumption of the vehicle in the start-up and engine warm-up phase.
  • Patent Application FR 2 854 103 discloses an automotive cabin heating system solution comprising a motor coolant circuit, having a heater and an exhaust-coolant exchanger, positioned at the outlet of the exhaust line.
  • a valve makes it possible to define, as required, the quantity of useful exhaust gas at the level of the exhaust gas-liquid exchanger, the remainder of the gases being directed towards a bypass. With such a system, a portion of the heat of the exhaust gas is used to heat the coolant whose heat is then used for heating the cabin via the heater. This solution improves the temperature rise of the cabin during the start-up phase.
  • the object of the invention is to propose a solution for the motorization of a motor vehicle at least partially meeting the aforementioned drawbacks.
  • the object of the invention is to provide an improved EGR anti-pollution system and / or an improved heating system of the passenger compartment of a vehicle and possibly components of the engine.
  • a first object of the invention is to provide an improved pollution control system for motorization of a motor vehicle based on better management of the admission of gases into the engine.
  • a second object of the invention is to provide an improved heating system of a motor vehicle whose engine is equipped with an anti-pollution system.
  • the invention provides an intake system for a motor vehicle engine comprising a motor, an exhaust line for the exhaust gas, a low pressure exhaust gas recirculation channel, this recirculation being controlled by a recirculation valve, and a first high temperature heat exchanger on the intake path upstream of the engine inlet operating at a first temperature level, characterized in that the system comprises a second low temperature heat exchanger on the intake path operating at a substantially lower second level of temperature.
  • the intake system further comprises a bypass path allowing the intake gas on the intake path to bypass the second heat exchanger. It can in this case include at least one valve on the intake path upstream or downstream of the second heat exchanger to guide the gases intake either in the second heat exchanger or in the bypass lane.
  • the first heat exchanger can be a gas / water heat exchanger, fed by the so-called high temperature engine cooling circuit
  • the second heat exchanger can be a gas / water heat exchanger, fed by the low-level coolant circuit. engine temperature.
  • the second heat exchanger may be a gas / air exchanger, powered by the outside air.
  • the system may include at least one other valve on the intake path upstream or downstream of the first heat exchanger to direct the inlet gases to either the first heat exchanger or a bypass lane.
  • the intake system may include a first two-way valve to the exit of the exhaust line to control the recirculation rate of the low pressure exhaust gas to the recirculation channel, a second two-way valve to the exhaust line. recirculation to the compressor inlet to refine the exhaust gas recirculation rate.
  • the intake system may include a three-way valve to the exit of the exhaust line to control the recirculation rate of the low pressure exhaust gas to the recirculation path.
  • the intake system may further comprise a third heat exchanger mounted on the low pressure exhaust gas recirculation path.
  • the intake system may also include high pressure exhaust gas recirculation.
  • the invention also relates to a heating system for a motor vehicle comprising an intake system for an engine as described above, characterized in that the third heat exchanger is an exhaust gas exchanger - liquid which allows heating the coolant and in that it comprises a heater adapted to heat the air entering the cabin of the motor vehicle and / or a liquid-oil exchanger for heating the engine oil and / or the box of speed.
  • the third heat exchanger is an exhaust gas exchanger - liquid which allows heating the coolant and in that it comprises a heater adapted to heat the air entering the cabin of the motor vehicle and / or a liquid-oil exchanger for heating the engine oil and / or the box of speed.
  • the heating system may comprise a pipe in parallel with the heat exchanger, making it possible to orient all or part of the exhaust gases downstream of the heat exchanger towards the outlet of the exhaust line downstream of the heat exchanger. recirculation valve.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising an engine intake system as described above.
  • the invention relates to a method for regulating the temperature of an air-exhaust gas mixture at the intake of the engine of a motor vehicle, comprising a first step of cooling the mixture in a first high-temperature cooler and a second cooling step of the mixture in a second cooler low temperature, before their direct admission into the engine.
  • FIG. 1 represents a motorization solution of the prior art
  • Figure 2 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a variant of the first embodiment of the invention
  • Figure 4 shows a second embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates an implementation of the invention in which the same elements as in FIG. 1 of the prior art bear the same references.
  • the solution provides on the intake path 9 a first high temperature air exchanger 4 and a second low temperature charge air exchanger 14, connected in series and downstream of the first air cooler.
  • a bypass lane 15 optionally allows at least a portion of the intake gases to bypass the second air cooler 14 and directly reach the inlet 5 of the engine without being cooled.
  • the orientation of these gases is managed by a valve 13 positioned between the two air coolers 4, 14.
  • one or more valves upstream or downstream of the second air cooler 14 may (en) t fill this function.
  • the first air cooler 4 is a gas / water heat exchanger, powered by the so-called high temperature engine cooling circuit.
  • the second cooler 14 may be a gas / water or gas / air heat exchanger, using respectively the low temperature coolant circuit or the outside air to cool the inlet gases.
  • This solution further provides the use of a heat exchanger 19 positioned on the recirculation path 11 of the exhaust gas of the low pressure EGR system, downstream of the particulate filter 22.
  • This heat exchanger 19 is therefore positioned in parallel with the various after-treatment devices such as the catalyst 21 and the particulate filter 22 of the exhaust line 6.
  • the two-way valve 7 serves to control the exhaust gas recirculation rate of the low-pressure EGR system. .
  • a second two-way valve 18 downstream of the heat exchanger 19 makes it possible to refine the recirculation rate.
  • the first function of the heat exchanger 19 is to cool the recirculation gases and for the second function to heat the vehicle coolant.
  • This system is used in particular during the temperature rise of the engine when the vehicle is started to accelerate the rise in temperature of the coolant, the heat of which can be transmitted to the passenger compartment of the vehicle via a heater not shown and / or transmitted to the engine and gearbox oil via the coolant (ie with a "short loop") to reduce the engine consumption during this cold start phase.
  • FIG. 3 illustrates a variant of the previous embodiment in which a single three-way valve 7 'can be used instead of the two two-way valves 7, 18, to fulfill the same function.
  • This variant has the advantage of reduced size, simplicity of the exhaust gas circuits, reduced cost and greater ease to control the assembly.
  • a pipe is further mounted downstream of the heat exchanger 19 to be able to return recirculation gas 11 to the outlet of the exhaust line downstream of the valve 7.7 'at the silencer not shown, if necessary.
  • a two-way valve called "return" is further positioned downstream of the heat exchanger 19 on the pipe, the function of which is to orient or not a certain amount of gas output of the exchanger directly towards the exit of the exhaust.
  • the temperature of the intake gas mixture will be regulated based on the exhaust gas temperature and the recirculated gas rate.
  • the EGR system can promote high-pressure recirculation exclusively. .
  • only fresh air passes through the compressor, where it undergoes only a very small rise in temperature.
  • this intake gas is then at a temperature lower than that of the engine cooling circuit liquid and the first exchanger 4 induces its heating.
  • the heated air is then directed directly to the engine intake, by way of bypass 15, where it is mixed with gas from the high pressure EGR 12 to achieve a high temperature admixture.
  • the first heat exchanger 4 of the intake channel sometimes abusively called cooler, performs a heating function in the circumstances described above.
  • the system will favor the use of gases from the low-pressure EGR.
  • gases are cooled a first time by the recirculation exchanger 19, then mixed with fresh air entering the compressor 3, which will induce a warming of this mixture, to a temperature generally higher than that of the coolant high temperature engine.
  • the first cooler 4 of the intake path 9 will thus cause a first cooling of this mixture, which will then be directed through the second cooler 14, to obtain a new drop in their temperature, before their direct admission into the engine.
  • high-pressure EGR is preferred because it limits hydrocarbon production.
  • the high-pressure cooler 4 is under these conditions at a temperature close to the compressed fresh air and will cause a slight warming of the mixture, which will pass through the bypass path 15 to prevent cooling by the second cooler 14.
  • FIG. 4 illustrates a second embodiment in which another bypass channel 17, associated with at least one other valve 16 upstream of the first cooler 4, makes it possible to orient all or part of the inlet gases in parallel. of the first cooler 4 by the bypass path 17, then directly to the engine intake by the second bypass path 15. This solution allows to bypass the first cooler 4 in the circumstances where the engine water temperature used in this exchanger is too low to heat the intake gases.
  • the previous solutions are adapted to the installation of an improved cabin heating system.
  • the heating of the cabin air can be done in known manner by an additional exchanger called heater between the coolant and the air entering the passenger compartment.
  • the heat of the exhaust gas recovered for example at the level of at least one of the exchangers 4, 14, 19 of the low pressure recirculation channel 11, is transmitted to the passenger compartment.
  • this device comprises a coolant temperature sensor at the output of the engine and an air temperature sensor of the passenger compartment, to allow automation of the regulation of the temperature of the passenger compartment.
  • the heat recovered by the coolant can also be exploited in a water-oil exchanger to increase the temperature rise of the oil of the gearbox, mechanical or otherwise, and / or oil of the engine, via a circuit short-loop cooling system comprising an electric pump.
  • This solution can thus have the advantage of reducing friction by improving the temperature rise of the oil, and consequently reducing the consumption during the temperature rise phase.
  • the solution described above is suitable for a direct injection diesel engine or a compression ignition engine or a gasoline engine with spark ignition or indirect or direct injection compression ignition, for circulating exhaust gases from the engine. downstream of the particulate filter or a three-way catalyst or oxidation to the inlet of a turbocharger for supercharged engines, or to the intake of the engine for atmospheric engines. It is suitable for engines with exhaust on the front or rear, or arranged in longitudinal.

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Abstract

Système d'admission pour un moteur de véhicule automobile comprenant un moteur (1 ), une ligne d'échappement (6) pour les gaz d'échappement, une voie de recirculation (11 ) des gaz d'échappement basse pression, cette recirculation étant commandée par une vanne de recirculation (7; 7'), et un premier échangeur de chaleur haute température (4) sur la voie d'admission (9) en amont de l'admission moteur (5) fonctionnant à un premier niveau de température, caractérisé en ce que le système comprend un second échangeur de chaleur basse température (14) sur la voie d'admission (9) fonctionnant à un second niveau inférieur de température.

Description

Système d'admission pour véhicule automobile équipé d'un système EGR
L'invention concerne un système d'admission pour une motorisation d'un véhicule automobile équipée de solutions de diminution des émissions d'oxydes d'azote (Nox) à l'échappement, connues sous la dénomination anglo-saxonne d'EGR (Exhaust Gaz Recirculation), qui peuvent être à basse pression et éventuellement haute pression. Elle concerne aussi un système de chauffage de l'habitacle d'un tel véhicule automobile.
L'invention concerne aussi un véhicule automobile en tant que tel équipé de tels systèmes. Enfin, elle concerne un procédé de régulation de l'admission des gaz d'une motorisation d'un véhicule automobile.
Il existe dans l'art antérieur des solutions pour lutter contre la pollution provoquée par les gaz d'échappement des véhicules automobiles. La figure 1 illustre une telle solution, qui comprend un moteur 1 alimenté en air par une entrée 2, un compresseur 3, un échangeur 4 sur la voie d'alimentation 9 en aval du compresseur 3, puis une admission moteur 5. Pour diminuer l'émission en oxydes d'azote des gaz d'échappement sortant sur l'échappement 6 du véhicule, une première solution, connue sous la dénomination anglo-saxonne d'EGR (Exhaust Gaz Recirculation) haute pression, consiste en une recirculation 12 vers l'admission moteur 5 des gaz d'échappement depuis le collecteur d'échappement à la sortie du moteur. Une seconde solution, connue sous sa dénomination d'EGR basse pression, consiste en une recirculation 11 d'une partie des gaz d'échappement récupérés vers la sortie du véhicule, après leur passage par différents dispositifs de traitements comme un catalyseur 21 , qui peut être un catalyseur d'oxydation ou un catalyseur quatre voies ou un catalyseur Nox trap, un filtre à particules 22, pour leur réadmission à l'entrée du compresseur 3. Une vanne d'échappement 7 et une vanne 18 sur la voie de recirculation permettent de régler la quantité de gaz basse pression à recirculer. Les solutions EGR haute et basse pressions sont en général combinées et optimisées en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, afin d'atteindre une température favorable des gaz d'admission. Par exemple, la recirculation des gaz haute pression, refroidis ou non refroidis, avec celle des gaz basse pression évite l'augmentation des émissions de HC et de CO lors d'une phase de montée en température. A froid, l'EGR basse pression entraîne parfois une surproduction d'hydrocarbure, qui peut être compensée par l'EGR haute pression, refroidi ou non. En fonctionnement chaud du moteur, les gaz d'EGR basse pression, refroidis par le refroidisseur d'air de suralimentation 4, permettent l'introduction d'un mélange froid, de par exemple 40 à 70 degrés celsius, favorable à la réduction des émissions d'oxyde d'azote ou de particules.
Cette solution d'EGR permet bien de réduire les émissions polluantes d'un véhicule. Toutefois, son fonctionnement manque de souplesse et n'est pas optimal. En effet, elle fonctionne selon deux paramètres importants ; le taux d'EGR, c'est à dire le taux de gaz d'échappement recirculé, et la température de ces gaz. Or, le système de l'art antérieur décrit ci-dessus ne permet pas de découpler correctement la gestion de ces deux paramètres, la température résultant directement du taux d'EGR choisi, et ne permet pas d'atteindre une optimisation du système.
D'autre part, les nouvelles motorisations ont atteint un niveau de rendement tel que le transfert de chaleur depuis les chambres de combustion et depuis les zones de frottement des éléments mécaniques entre eux vers le liquide de refroidissement est devenu très faible. Cette perte de dissipation de chaleur et donc de puissance thermique empêche d'obtenir un confort thermique dans l'habitacle dans un délai raisonnable, particulièrement dans les conditions de température extérieure basse (environ 30 minutes après le démarrage du moteur en ambiance très froide par exemple -18°C). Elle entraîne de plus une surconsommation du véhicule dans la phase de démarrage et de montée en température du moteur.
La demande de brevet FR 2 854 103 présente une solution de système de chauffage d'habitacle d'automobile comprenant un circuit de liquide de refroidissement moteur, présentant un aérotherme et un échangeur gaz d'échappement-liquide de refroidissement, positionné en sortie de la ligne d'échappement. Une vanne permet de définir selon les besoins la quantité de gaz d'échappement utile au niveau de l'échangeur gaz d'échappement- liquide, le reste des gaz étant orienté vers un by-pass. Grâce à un tel système, une partie de la chaleur des gaz d'échappement sert à réchauffer le liquide de refroidissement dont la chaleur est ensuite exploitée pour le chauffage de l'habitacle via l'aérotherme. Cette solution améliore la montée en température de l'habitacle lors de la phase de démarrage. Toutefois, elle présente l'inconvénient que lorsque le véhicule est équipé d'un dispositif anti-pollution tel que décrit précédemment et situé en amont de l'échangeur gaz d'échappement - liquide de refroidissement, les gaz ne passent plus ou en petite quantité seulement dans la partie finale d'échappement et la solution décrite dans ce document n'est plus efficace. Il y a donc ici une connexité entre les problèmes de lutte anti-pollution et le chauffage de l'habitacle.
Le but de l'invention est de proposer une solution pour la motorisation d'un véhicule automobile répondant au moins partiellement aux inconvénients cités précédemment. Pour cela, le but de l'invention est de fournir un système anti-pollution EGR amélioré et/ou un système de chauffage amélioré de l'habitacle d'un véhicule et éventuellement de composantes de la motorisation.
Plus précisément, un premier but de l'invention consiste à proposer un système anti-pollution amélioré pour motorisation d'un véhicule automobile basé sur une meilleure gestion de l'admission des gaz dans le moteur.
Un second objet de l'invention consiste à proposer un système de chauffage amélioré d'un véhicule automobile dont la motorisation est équipée d'un système anti-pollution.
Pour cela, l'invention propose un système d'admission pour un moteur de véhicule automobile comprenant un moteur, une ligne d'échappement pour les gaz d'échappement, une voie de recirculation des gaz d'échappement basse pression, cette recirculation étant commandée par une vanne de recirculation, et un premier échangeur de chaleur haute température sur la voie d'admission en amont de l'admission moteur fonctionnant à un premier niveau de température, caractérisé en ce que le système comprend un second échangeur de chaleur basse température sur la voie d'admission fonctionnant à un second niveau sensiblement inférieur de température.
Selon une variante d'exécution, le système d'admission comprend en outre une voie de by-pass permettant aux gaz d'admission sur la voie d'admission de contourner le second échangeur de chaleur. Il peut dans ce cas comprendre au moins une vanne sur la voie d'admission en amont ou en aval du second échangeur de chaleur pour orienter les gaz d'admission soit dans le second échangeur de chaleur soit dans la voie de by-pass.
Le premier échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz/eau, alimenté par le circuit de refroidissement du moteur dit à haute température, et le second échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz/eau, alimenté par le circuit de liquide de refroidissement à basse température du moteur. En variante, le second échangeur de chaleur peut être un échangeur gaz/air, alimenté par l'air extérieur.
Le système peut comprendre au moins une autre vanne sur la voie d'admission en amont ou en aval du premier échangeur de chaleur pour orienter les gaz d'admission soit dans le premier échangeur de chaleur soit dans une voie de by-pass.
Le système d'admission peut comprendre une première vanne deux voies vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation, une seconde vanne deux voies sur la voie de recirculation vers l'entrée du compresseur afin d'affiner le taux de recirculation de gaz d'échappement.
En variante, le système d'admission peut comprendre une vanne trois voies vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation.
Selon un mode d'exécution, le système d'admission peut en outre comprendre un troisième échangeur de chaleur monté sur la voie de recirculation des gaz d'échappement basse pression. Le système d'admission peut aussi comprendre une recirculation haute pression des gaz d'échappement.
L'invention porte aussi sur un système de chauffage pour véhicule automobile comprenant un système d'admission pour un moteur tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur est un échangeur gaz d'échappement - liquide qui permet de chauffer le liquide de refroidissement et en ce qu'il comprend un aérotherme apte à chauffer l'air entrant dans l'habitacle du véhicule automobile et / ou un échangeur liquide - huile pour chauffer l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse.
Le système de chauffage peut comprendre un tuyau en parallèle de l'échangeur de chaleur, permettant d'orienter tout ou partie des gaz d'échappement en aval de l'échangeur de chaleur vers la sortie de la ligne d'échappement en aval de la vanne de recirculation.
L'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un système d'admission pour moteur tel que décrit précédemment.
Enfin, l'invention porte sur un procédé de régulation de la température d'un mélange air - gaz d'échappement en admission du moteur d'un véhicule automobile, comprenant une première étape de refroidissement du mélange dans un premier refroidisseur haute température et une seconde étape de refroidissement du mélange dans un second refroidisseur basse température, avant leur admission directe dans le moteur. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes d'exécution particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 représente une solution de motorisation de l'art antérieur ; la figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 représente une variante du premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 représente un second mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 illustre une mise en œuvre de l'invention dans laquelle les mêmes éléments que dans la figure 1 de l'art antérieur portent les mêmes références. Selon un aspect essentiel de l'invention, la solution prévoit sur la voie d'admission 9 un premier échangeur d'air 4 de suralimentation haute température et un second échangeur d'air de suralimentation basse température 14, monté en série et en aval du premier refroidisseur d'air. Une voie de by-pass 15 permet éventuellement à au moins une partie des gaz d'admission de contourner le second refroidisseur d'air 14 et d'atteindre directement l'admission 5 du moteur sans être refroidis. L'orientation de ces gaz est gérée par une vanne 13 positionnée entre les deux refroid isseurs d'air 4, 14. En variante, une ou plusieurs vannes en amont ou aval du second refroidisseur d'air 14 pourrai(en)t remplir cette fonction. Le premier refroidisseur d'air 4 est un échangeur gaz/eau, alimenté par le circuit de refroidissement du moteur dit à haute température. Le second refroidisseur 14 peut être un échangeur gaz/eau ou gaz/air, utilisant respectivement le circuit de liquide de refroidissement à basse température ou l'air extérieur pour refroidir les gaz d'admission. Cette solution prévoit de plus l'utilisation d'un échangeur de chaleur 19 positionné sur la voie de recirculation 11 des gaz d'échappement du système EGR basse pression, en aval du filtre à particules 22. Cet échangeur de chaleur 19 se trouve donc positionné en parallèle avec les différents dispositifs de post-traitements comme le catalyseur 21 et le filtre à particules 22 de la ligne d'échappement 6. La vanne deux voies 7 sert à piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement du système EGR basse pression. Une seconde vanne deux voies 18 en aval de l'échangeur de chaleur 19 permet d'affiner le taux de recirculation. L'échangeur de chaleur 19 a pour première fonction de refroidir les gaz de recirculation et pour seconde fonction de réchauffer le liquide de refroidissement du véhicule. Ce système est notamment exploité lors de la montée en température du moteur au démarrage du véhicule pour accélérer la montée en température du liquide de refroidissement, dont la chaleur peut être transmise à l'habitacle du véhicule par l'intermédiaire d'un aérotherme non représenté et/ou transmise à l'huile du moteur et de la boîte de vitesse via le liquide de refroidissement (i.e. avec une « boucle courte ») pour diminuer la consommation du moteur lors de cette phase de démarrage à froid.
La figure 3 illustre une variante du mode d'exécution précédent dans laquelle une seule vanne trois voies 7' peut être utilisée en remplacement des deux vannes deux voies 7, 18, pour remplir la même fonction. Cette variante présente l'avantage d'un encombrement réduit, de grande simplicité des circuits de gaz d'échappement, de coût réduit et de plus grande facilité pour piloter l'ensemble.
Selon une variante d'exécution non représentée, un tuyau est de plus monté en aval de l'échangeur de chaleur 19 pour pouvoir renvoyer des gaz de recirculation 11 vers la sortie de la ligne d'échappement en aval de la vanne 7,7' au niveau du silencieux non représenté, si nécessaire. Pour cela, une vanne deux voies dite « de retour » est de plus positionnée en aval de l'échangeur de chaleur 19 sur le tuyau, dont la fonction est d'orienter ou non une certaine quantité de gaz en sortie de l'échangeur directement vers la sortie de l'échappement. Une telle solution permet de bénéficier de la chaleur des gaz d'échappement au sein de l'échangeur de chaleur 19 que ces gaz soient recirculés vers l'admission du moteur ou pas.
Le fonctionnement de la solution de l'invention va maintenant être décrit. Grâce à l'utilisation de deux échangeurs de chaleur haute et basse température, 4, 14, la gestion de la température des gaz d'admission devient plus flexible car dotée de nouvelles possibilités. Ainsi, une utilisation intéressante de la solution pourra consister à mettre en œuvre le procédé d'admission suivant.
En mode chaud, la température du mélange de gaz d'admission va être régulée sur la base de la température des gaz d'échappement et du taux de gaz recirculés.
Pour obtenir une température d'admission élevée du mélange de gaz d'échappement - air à l'entrée du moteur, par exemple pour réduire les émissions polluantes à un moment de faible charge du moteur, le système EGR peut favoriser une recirculation haute pression exclusivement. Dans un tel cas, seul l'air frais traverse le compresseur, où il ne subit qu'une très faible élévation de température. En sortie du compresseur, ce gaz d'admission est alors à une température inférieure à celle du liquide du circuit de refroidissement du moteur et le premier échangeur 4 induit son réchauffement. L'air réchauffé est ensuite dirigé directement vers l'admission moteur, par la voie de by-pass 15, où il est mélangé au gaz provenant de l'EGR haute pression 12 pour atteindre un mélange d'admission à haute température. Le premier échangeur de chaleur 4 de la voie d'admission, parfois abusivement appelé refroid isseur, remplit une fonction de chauffage dans les circonstances décrites ci-dessus.
Pour obtenir au contraire une température des gaz d'admission relativement faible, utile par exemple dans un cas où la charge du moteur est élevée, le système va privilégier le recours aux gaz de l'EGR basse pression. Ces gaz sont refroidis une première fois par l'échangeur de recirculation 19, puis mélangés avec de l'air frais en entrée du compresseur 3, qui va induire un réchauffement de ce mélange, jusqu'à une température en général plus élevée que celle du liquide de refroidissement haute température du moteur. Le premier refroidisseur 4 de la voie d'admission 9 va ainsi entraîner un premier refroidissement de ce mélange, qui va ensuite être dirigé au travers du second refroidisseur 14, pour obtenir une nouvelle baisse de leur température, avant leur admission directe dans le moteur. Ces refroidissements successifs permettent au mélange de gaz d'admission d'atteindre une température relativement basse.
Enfin, pour obtenir une température intermédiaire des gaz d'admission, il existe plusieurs combinaisons entre les différents débits de gaz EGR haute et basse pression et de gaz d'admission traversant un ou deux refroid isseurs 4, 14, ce qui permet d'obtenir la température optimale calculée tout en ayant un taux de recirculation EGR optimisé pour le rendement du moteur et la réduction des émissions polluantes.
En mode de montée en température du moteur, l'EGR haute pression est privilégié car il permet de limiter la production d'hydrocarbure. Le refroidisseur haute pression 4 est dans ces conditions à une température proche de l'air frais comprimé et n'entraînera qu'un faible réchauffement du mélange, qui passera par la voie de by-pass 15 pour éviter son refroidissement par le second refroidisseur 14.
La figure 4 illustre un second mode d'exécution dans lequel une autre voie de by-pass 17, associée à au moins une autre vanne 16 en amont du premier refroidisseur 4, permet d'orienter tout ou partie des gaz d'admission en parallèle du premier refroidisseur 4 par la voie de by-pass 17, puis directement à l'admission moteur par la seconde voie de by-pass 15. Cette solution permet de bypasser le premier refroidisseur 4 dans les circonstances où la température d'eau du moteur utilisée dans cet échangeur est trop basse pour pouvoir réchauffer les gaz d'admission.
En parallèle de l'optimisation du fonctionnement du moteur avec EGR, les solutions précédentes sont adaptées à la mise en place d'un système de chauffage de l'habitacle amélioré. Pour cela, le chauffage de l'air de l'habitacle peut se faire de manière connue par un échangeur supplémentaire appelé aérotherme entre le liquide de refroidissement et l'air entrant dans l'habitacle. Par ce biais, la chaleur des gaz d'échappement, récupérée par exemple au niveau d'au moins un des échangeurs 4, 14, 19 de la voie de recirculation 11 basse pression, est transmise à l'habitacle. Avantageusement, ce dispositif comprend un capteur de température du liquide de refroidissement en sortie du moteur et un capteur de température d'air de l'habitacle, pour permettre une automatisation de la régulation de la température de l'habitacle.
D'autre part, la chaleur récupérée par le liquide de refroidissement peut aussi être exploitée dans un échangeur eau - huile pour augmenter la montée en température de l'huile de la boîte de vitesse, mécanique ou non, et / ou de l'huile du moteur thermique, par l'intermédiaire d'un circuit de refroidissement dit « boucle courte » comportant une pompe électrique. Cette solution peut ainsi présenter l'avantage de diminuer les frottements grâce à une amélioration de la montée en température de l'huile, et par conséquent de diminuer la consommation en phase de montée en température.
La solution décrite précédemment est adaptée à un moteur diesel à injection directe ou un moteur à allumage par compression ou un moteur thermique essence à allumage commandé ou allumage par compression à injection indirecte ou directe, permettant de faire circuler des gaz d'échappement depuis l'aval du filtre à particules ou d'un catalyseur trois voies ou d'oxydation vers l'entrée d'un turbocompresseur pour les moteurs suralimentés, ou à l'admission du moteur pour les moteurs atmosphériques. Elle est adaptée aux moteurs comportant l'échappement en face avant ou arrière, ou disposé en longitudinal.
Afin d'améliorer la performance du système, il peut être envisager d'adapter le procédé d'injection en décalant une partie du carburant injecté dans la détente qui brûlera dans la chambre de combustion pour créer une exothermicité complémentaire dans les gaz d'échappement, de sorte d'augmenter leur enthalpie et d'apporter un plus grand apport de chaleur au liquide de refroidissement. De même, il est possible de mettre en œuvre un procédé d'injection consistant à décaler l'injection d'une partie du carburant dans la détente ou lors d'une phase de vidange d'échappement du cylindre. De manière similaire, des composants spécifiques peuvent permettre l'injection et/ou la vaporisation de carburant dans les gaz d'échappement, disposés le long de la ligne d'échappement en aval de la chambre de combustion et en amont du module de traitement et épuration des gaz d'échappement. Ainsi, ces variantes peuvent permettre d'apporter une quantité de carburant supplémentaire non brûlé dans la chambre de combustion, qui sera oxydé sur la fonction catalytique du module de post-traitement, permettant le dégagement d'une chaleur supplémentaire par le gaz d'échappement.
Cette solution a été implémentée avec un EGR haute pression 12 basé sur une recirculation des gaz d'échappement entre le collecteur d'échappement et le répartiteur d'admission, ce qui permet un fonctionnement avantageux de l'EGR, expliqué auparavant. Elle reste toutefois compatible avec un simple EGR basse pression, l'EGR haute pression restant optionnel. Les deux échangeurs de chaleur 4, 14 disposés sur la ligne d'admission 9, utilisant deux fluides de température d'échange différente, offrent une amélioration avantageuse de la gestion de la température des gaz d'admission, même en présence d'un seul EGR basse pression. De même, l'échangeur de chaleur 19 du circuit EGR basse pression reste optionnel. Un avantage significatif du système est déjà obtenu par la combinaison de deux niveaux de température d'échange susceptibles de s'appliquer aux gaz en sortie du compresseur.
Plusieurs étages de suralimentation sont envisageables, reprenant en aval du ou des compresseurs ou entre ces derniers le principe du double échangeur de chaleur à deux niveaux de température.
Finalement, la solution atteint bien les objets recherchés et présente, outre les avantages déjà mentionnés, les avantages supplémentaires suivants : -elle fonctionne en exploitant des composants existants d'un système EGR, sans nécessiter de profonde modification de ce dernier, ni dans sa structure ni dans son fonctionnement, grâce au simple ajout d'un refroid isseur ;
-elle permet l'obtention des conditions idéales de fonctionnement du moteur à pollution réduite ; -elle permet une gestion avantageuse des échanges thermiques au sein de l'habitacle, de manière compatible et parallèle avec un fonctionnement optimal d'un système anti-pollution.

Claims

Revendications
1. Système d'admission pour un moteur de véhicule automobile comprenant un moteur (1 ), une ligne d'échappement (6) pour les gaz d'échappement, une voie de recirculation (11 ) des gaz d'échappement basse pression, cette recirculation étant commandée par une vanne de recirculation (7 ; T), et un premier échangeur de chaleur haute température (4) sur la voie d'admission (9) en amont de l'admission moteur (5) fonctionnant à un premier niveau de température, caractérisé en ce que le système comprend un second échangeur de chaleur basse température (14) sur la voie d'admission (9) fonctionnant à un second niveau sensiblement inférieur de température.
2. Système d'admission pour un moteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre une voie de by-pass (15) permettant aux gaz d'admission sur la voie d'admission (9) de contourner le second échangeur de chaleur (14).
3. Système d'admission pour un moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une vanne (13) sur la voie d'admission (9) en amont ou en aval du second échangeur de chaleur (14) pour orienter les gaz d'admission soit dans le second échangeur de chaleur (14) soit dans la voie de by-pass (15).
4. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur (4) est un échangeur gaz/eau, alimenté par le circuit de refroidissement du moteur dit à haute température, et en ce que le second échangeur de chaleur (14) est un échangeur gaz/eau, alimenté par le circuit de liquide de refroidissement à basse température du moteur.
5. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier échangeur de chaleur (4) est un échangeur gaz/eau, alimenté par le circuit de refroidissement du moteur dit à haute température, et en ce que le second échangeur de chaleur (14) est un échangeur gaz/air, alimenté par l'air extérieur.
6. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une autre vanne (16) sur la voie d'admission (9) en amont ou en aval du premier échangeur de chaleur (4) pour orienter les gaz d'admission soit dans le premier échangeur de chaleur (4) soit dans une voie de by-pass (17).
7. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne deux voies (7) vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation (11 ), une seconde vanne deux voies (18) sur la voie de recirculation (11 ) vers l'entrée du compresseur (3) afin d'affiner le taux de recirculation de gaz d'échappement.
8. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne trois voies (7') vers la sortie de la ligne d'échappement afin de piloter le taux de recirculation des gaz d'échappement basse pression vers la voie de recirculation (11 ).
9. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième échangeur de chaleur (19) monté sur la voie de recirculation (11 ) des gaz d'échappement basse pression.
10. Système d'admission pour un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une recirculation haute pression (12) des gaz d'échappement.
11. Système de chauffage pour véhicule automobile comprenant un système d'admission pour un moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (19) est un échangeur gaz d'échappement - liquide qui permet de chauffer le liquide de refroidissement et en ce qu'il comprend un aérotherme apte à chauffer l'air entrant dans l'habitacle du véhicule automobile et / ou un échangeur liquide - huile pour chauffer l'huile du moteur et/ou de la boîte de vitesse.
12. Système de chauffage pour véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un tuyau en parallèle de l'échangeur de chaleur (19), permettant d'orienter tout ou partie des gaz d'échappement en aval de l'échangeur de chaleur (19) vers la sortie de la ligne d'échappement (6) en aval de la vanne de recirculation (7 ; T).
13. Véhicule automobile comprenant un système d'admission pour moteur selon l'une des revendications 1 à 10.
14. Procédé de régulation de la température d'un mélange air - gaz d'échappement en admission du moteur (1 ) d'un véhicule automobile, comprenant une première étape de refroidissement du mélange dans un premier refroid isseur haute température (4) et une seconde étape de refroidissement du mélange dans un second refroidisseur basse température (14), avant leur admission directe dans le moteur (1 ).
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