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FR3054602A1 - Dispositif et methode de controle de l'introduction conjointe d'air et de gaz d'echappement a l'admission d'un moteur a combustion interne suralimente. - Google Patents

Dispositif et methode de controle de l'introduction conjointe d'air et de gaz d'echappement a l'admission d'un moteur a combustion interne suralimente. Download PDF

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FR3054602A1
FR3054602A1 FR1657402A FR1657402A FR3054602A1 FR 3054602 A1 FR3054602 A1 FR 3054602A1 FR 1657402 A FR1657402 A FR 1657402A FR 1657402 A FR1657402 A FR 1657402A FR 3054602 A1 FR3054602 A1 FR 3054602A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
exhaust gas
compressed air
gas outlet
turbine
exhaust
Prior art date
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Withdrawn
Application number
FR1657402A
Other languages
English (en)
Inventor
Thierry Colliou
Bruno Walter
Stephane Venturi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority to FR1657402A priority Critical patent/FR3054602A1/fr
Priority to PCT/EP2017/067302 priority patent/WO2018019558A1/fr
Priority to US16/321,175 priority patent/US20190178173A1/en
Priority to EP17742206.0A priority patent/EP3491225A1/fr
Priority to CN201780046377.2A priority patent/CN109563766A/zh
Publication of FR3054602A1 publication Critical patent/FR3054602A1/fr
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Abstract

Dispositif et méthode de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement du collecteur d'échappement (5) dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers une entrée sur le collecteur en communication avec la turbine, et un conduit EGR (21) reliant une sortie de gaz d'échappement à une conduite d'admission d'air comprimé (4). Selon l'invention, l'entrée d'air comprimé et la sortie de gaz d'échappement sont disposées éloignées l'une de l'autre sur le collecteur de gaz d'échappement.

Description

(57) Dispositif et méthode de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement du collecteur d'échappement (5) dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers une entrée sur le collecteur en communication avec la turbine, et un conduit EGR (21 ) reliant une sortie de gaz d'échappement à une conduite d'admission d'air comprimé (4).
Selon l'invention, l'entrée d'air comprimé et la sortie de gaz d'échappement sont disposées éloignées l'une de l'autre sur le collecteur de gaz d'échappement.
Figure FR3054602A1_D0001
Figure FR3054602A1_D0002
La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle d’un dispositif d’introduction de la quantité d'air à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, notamment d'un moteur stationnaire ou pour un véhicule automobile ou industriel.
En particulier, la présente invention est adaptée à des moteurs Diesel équipés d’un système de recirculation de gaz d’échappement.
Comme cela est largement connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est dépendante de la quantité d’air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d’air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air.
Ainsi, il est habituel d'augmenter cette quantité d'air au moyen d’une compression de l’air extérieur avant qu'il ne soit admis dans cette chambre de combustion. Cette opération, appelée suralimentation, peut être réalisée par tous moyens, tel qu'un turbocompresseur ou un compresseur entraîné, qui peut être centrifuge ou volumétrique.
Dans le cas d'une suralimentation par un turbocompresseur, ce dernier comprend une turbine rotative, à simple flux ou à double flux, reliée par un axe à un compresseur rotatif. Les gaz d'échappement issus du moteur traversent la turbine qui est alors entraînée en rotation. Cette rotation est ensuite transmise au compresseur qui, de par sa rotation, comprime l'air extérieur avant qu'il ne soit introduit dans la chambre de combustion.
Comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet français N° 2 478 736, il est prévu, pour pouvoir amplifier de manière significative cette quantité d'air comprimé dans la chambre de combustion du moteur, d'augmenter encore plus la compression de l'air extérieur par le compresseur.
Cela se réalise plus particulièrement en augmentant la vitesse de rotation de la turbine et donc du compresseur.
Pour cela, il est utilisé un circuit amplificateur de fluide, dit circuit Boost, grâce auquel une partie de l'air comprimé sortant du compresseur est déviée pour être admis directement à l'entrée de la turbine en se mélangeant avec les gaz d'échappement. Cette turbine est alors traversée par une plus grande quantité de fluide (mélange d'air comprimé et de gaz d'échappement), ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation de la turbine et par conséquence du compresseur. Cette augmentation de vitesse du compresseur permet ainsi d'augmenter la pression de l'air extérieur qui sera comprimé dans ce compresseur puis introduit dans la chambre de combustion du moteur.
Par cela, l'air comprimé a une densité plus élevée ce qui permet d'accroître la quantité d'air contenue dans la chambre de combustion.
Ce type de moteur suralimenté, bien que donnant satisfaction, présente néanmoins des inconvénients non négligeables.
En effet, le débit de l'air comprimé qui est admis à l'entrée de la turbine n’est pas correctement contrôlé, ce qui peut entraîner un dysfonctionnent du moteur.
Ainsi, à titre d'exemple, en cas de trop grande quantité d'air comprimé déviée à l'entrée de la turbine, les gaz d'échappement entrant dans la turbine sont refroidis de manière trop importante par cet air et amène une diminution du rendement global de la suralimentation.
De plus, une des principales difficultés avec le présent concept de suralimentation réside dans sa compatibilité avec la recirculation des gaz d’échappement. En effet, la plupart des moteurs Diesel sont équipés d’un circuit de recirculation de gaz d’échappement, dit EGR, pour limiter à la source les émissions de NOx.
La recirculation de gaz d’échappement se fait généralement au moyen d’un circuit haute pression (HP) prélevant le gaz en amont de la turbine pour le renvoyer en aval du compresseur de l’air d’admission. La circulation des gaz brûlés recirculés étant exactement l’inverse de celle de l’air dérivé du circuit Boost, on risque un conflit entre les deux systèmes avec une annulation des effets. Il est donc nécessaire de définir une architecture de boucle d’air spécifique permettant de rendre le circuit Boost et le circuit EGR compatibles, et en particulier en fonctionnement simultané.
On connaît le document EP1138928 qui décrit un circuit EGR et un circuit Boost distincts en tous points, mais pas optimisés pour un fonctionnement simultané.
Au contraire, la présente invention concerne une architecture optimisée de la boucle d’air et de recirculation de gaz d’échappement du moteur permettant d’utiliser sur un même moteur un circuit EGR et un circuit Boost, et un fonctionnement sensiblement simultané.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur avec une turbine connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement du collecteur d’échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur d'air extérieur, un conduit de transfert partiel de l'air comprimé du compresseur vers une entrée sur le collecteur en communication avec la turbine, et un conduit de recirculation de gaz brûlés reliant une sortie de gaz d’échappement à une conduite d’admission d’air comprimé, caractérisé en ce que ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement sont disposées éloignées l’une de l’autre sur le collecteur de gaz d’échappement.
La sortie de gaz d’échappement du collecteur vers ladite turbine peut être disposée entre l’entrée de ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
L'entrée d’air comprimé et la sortie de gaz d’échappement peuvent être disposées à l’opposé l’une de l’autre sur le collecteur d’échappement.
Le dispositif peut comporter un système de vannage commandé sur le circuit de transfert d’air comprimé et sur le circuit de recirculation de gaz brûlés pour contrôler la circulation de gaz d’échappement et pour contrôler le transfert d’air comprimé.
Le système de vannage peut comprendre au moins une vanne sur le circuit de gaz d'échappement recirculés et une vanne sur le circuit de transfert partiel.
Le système de vannage peut comporter au moins une vanne quatre voies.
L'invention concerne également une méthode de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur avec une turbine connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement du collecteur d’échappement dudit moteur ainsi qu'un compresseur d'air extérieur, un conduit de transfert partiel de l'air comprimé du compresseur vers une entrée sur le collecteur en communication avec la turbine, et un conduit de gaz d'échappement recirculés reliant une sortie de gaz d’échappement à une conduite d’admission d’air comprimé, caractérisée en ce que l’on dispose éloignées l’une de l’autre sur le collecteur de gaz d’échappement ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
On peut disposer la sortie de gaz d’échappement du collecteur vers ladite turbine entre l’entrée de ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
On peut disposer à l’opposé l’une de l’autre sur le collecteur d’échappement : ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont est annexées :
- la figure 1 qui illustre un moteur à combustion interne avec son dispositif de suralimentation et d’EGR selon l'invention ;
- la figure 2 qui montre une variante du moteur à combustion interne selon l'invention.
Dans le cas d’un fonctionnement du circuit EGR et du circuit Boost, il faut prendre en considération le fait que la pression moyenne à l’admission est généralement supérieure à la pression moyenne à l’échappement. Cependant, on sait que la pression instantanée à l’échappement a des phases où elle est supérieure à la pression instantanée d’admission. Ainsi, il est possible de réaliser une recirculation des gaz d’échappement mais il est nécessaire de disposer de clapets anti-retours dans le circuit EGR.
Pour faire fonctionner le circuit Boost dans ces conditions et simultanément avec le circuit EGR, selon l’invention, les deux circuits sont connectés sur le collecteur d’échappement en deux points suffisamment éloignés l’un de l’autre et la sortie des gaz d’échappement vers l’entrée de la turbine est positionnée entre lesdits deux points.
Ainsi, l’air du circuit Boost se dirigera préférentiellement vers l’entrée de la turbine au lieu de se mélanger sensiblement au gaz d’échappement EGR, et de ne pas perturber la circulation EGR.
Sur la figure 1, le moteur à combustion interne 1 comprend au moins deux cylindres, ici quatre cylindres référencés 12-i à 124 à partir de la gauche de la figure.
De manière préférentielle, ce moteur est un moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, mais cela n'écarte en aucune manière tout autre type de moteur à combustion interne.
Chaque cylindre comprend des moyens d'admission avec au moins une soupape d'admission contrôlant une tubulure d'admission 2. Les tubulures d'admission aboutissent à un collecteur d'admission 3 alimenté par un conduit d'alimentation 4 en air d'admission, tel que de l'air comprimé.
Chaque cylindre comprend aussi des moyens d'échappement des gaz brûlés avec au moins une soupape d'échappement contrôlant une tubulure d'échappement aboutissant à un collecteur d'échappement 5.
La sortie de gaz d'échappement 6 du collecteur d'échappement aboutit à un turbocompresseur 7 pour la compression de l'air et plus particulièrement à la turbine de détente 8 de ce turbocompresseur.
Comme illustré sur la figure 1, le turbocompresseur est un turbocompresseur à simple entrée.
L’invention ne se limite pas à un turbocompresseur simple entrée, elle est aussi applicable aux turbocompresseurs double entrées dit « Twin scroll >>.
L'évacuation de gaz 9 de la turbine 8 est raccordée conventionnellement à la ligne d'échappement du moteur.
Le compresseur 10 du turbocompresseur 7 comporte une admission d'air extérieur 11 alimentée par une conduite d'alimentation. La sortie d'air comprimé de ce compresseur est reliée au conduit d'alimentation 4 du collecteur d'admission 3 par une conduite 12. On note 13 le point de jonction entre les conduits 4 et 12.
Avantageusement, il peut être prévu de placer un radiateur de refroidissement de l'air comprimé 14 sur la conduite 12, entre le compresseur 10 et la conduite 4.
Comme mieux visible sur la figure 1, un conduit de transfert 18 permet de faire circuler une partie de l'air comprimé sortant du compresseur 10 jusqu’à l’entrée de la turbine 8.
Plus précisément, ce conduit de transfert partiel 18 prend naissance sur la conduite 12, à un point de d'intersection 16 entre le compresseur et le radiateur de refroidissement 14. La branche 18 aboutit au collecteur d’échappement 5 et à la sortie de gaz d'échappement 6 vers la turbine 8.
Un conduit 21 relie le collecteur d’échappement 5 au conduit d’admission 4. Il passe préférentiellement par un échangeur 22 adapté au refroidissement des gaz d’échappement.
De préférence, ce conduit 21, dit conduit EGR, est relié à un orifice du collecteur d’échappement situé de façon éloignée de l’entrée de l’air du circuit Boost amené par la conduite de transfert 18. De plus, la conduite de sortie des gaz 6 est située entre les orifices de sortie du circuit EGR et d’entrée du circuit Boost de façon à être compatible avec les circulations de fluides induits par les circuits EGR et Boost.
Des vannes 23 et 24, de préférence proportionnelles, équipent respectivement les conduits 18 et 21.
La branche référencée 18 comporte également un clapet anti-retour 20 qui interdit la circulation des fluides du collecteur d’échappement vers le compresseur 10 et le conduit EGR 21 comporte également un clapet anti-retour 25.
Cette configuration permet ainsi, pendant le fonctionnement du moteur, de profiter des zones de basse pression échappement régnant ponctuellement dans le collecteur d'échappement pour introduire de l'air comprimé dans la turbine et augmenter ainsi le débit de cette turbine et par conséquent du compresseur. Cela permet également d'avoir une suralimentation plus efficace pour les bas régimes et notamment de gérer les phases transitoires avec des stratégies de contrôle des vannes proportionnelles adaptées.
Durant le fonctionnement, en cas de besoin d'air en grande quantité dans les cylindres, la vanne 23 est commandée en ouverture pour introduire de l'air comprimé provenant du compresseur 10 dans la turbine 8. Conjointement la vanne 24 est commandée pour obtenir des gaz d'échappement recirculés, si cela est nécessaire à ce point de fonctionnement.
L'air comprimé sortant du compresseur 10 circule dans le conduit 18 pour aboutir à l’entrée de gaz d'échappement de la turbine 8 en y apportant un surplus de fluide à cette turbine.
Ainsi, la turbine est parcourue non seulement par les gaz d'échappement venant du collecteur 5, mais également par de l'air comprimé qui vient s'ajouter à ces gaz. De ce fait, la rotation de la turbine est augmentée, ce qui entraîne une augmentation de rotation du compresseur et, en conséquence, une augmentation de la pression de l'air comprimée qui sort de ce compresseur.
Dans cette configuration, l’air du circuit Boost ne passe pas par l’échangeur 14.
Pour fonctionner avec des gaz brûlés recirculés, la vanne 24 est ouverte. Une portion des gaz d’échappement est introduite dans le conduit d’admission 4 après son passage dans l’échangeur 22. Cela fonctionne quand la pression moyenne de l’échappement est supérieure à la pression moyenne de l’admission.
Il faut noter que les vannes 23 et 24 peuvent être remplacées par une vanne multi voies dont la fonction sera équivalente pour contrôler les différents cas de passages de flux.
De plus, il est clair que la vanne 24 (vanne EGR) peut être placée en amont (figure 1) ou en aval (non représenté) de l’échangeur thermique 22, également la position du clapet anti-retour 25 n’est pas imposée sur le conduit 21.
Ainsi, dans la présente invention, les positions respectives : -du piquage de la conduite EGR, -du conduit 6 communiquant avec l’entrée de la turbine 8 et -de l’entrée de la conduite de transfert d’air du circuit Boost 18, permettent le fonctionnement simultané optimisé du circuit EGR et du circuit Boost.
La variante de la figure 2 se distingue de la figure 1 par la mise en place d’un système de distribution quatre voies 26, par exemple à boisseau rotatif, qui effectue les fonctions des vannes 23 et 24 selon la configuration de la figure 1.
Pour cela, les quatre voies sont :
- (a) entrée du conduit EGR ;
- (b) sortie du conduit EGR vers l’admission 3 ;
- (c) entrée de la portion d’air du circuit Boost ;
- (d) sortie de l’air du circuit Boost » vers la turbine 8.
Selon la position du boisseau, on peut réaliser les configurations suivantes :
- EGR et Boost en mettant en communication (a) et (b), et (c) avec (d) ;
- EGR seul en mettant en communication (a) et (b), et (c) fermé ;
- Boost seul en mettant en communication (c) et (d), et (b) fermé ;
- Pas d'EGR ni de Boost en obturant toutes les voies.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement du collecteur d’échappement (5) dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers une entrée sur le collecteur en communication avec la turbine, et un conduit de recîrculation de gaz brûlés (21) reliant une sortie de gaz d’échappement à une conduite d’admission d’air comprimé (4), caractérisé en ce que ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement sont disposées éloignées l’une de l’autre sur le collecteur de gaz d’échappement.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la sortie de gaz d’échappement du collecteur vers ladite turbine est disposée entre l’entrée de ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d'échappement.
  3. 3. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement sont disposées à l’opposé l’une de l’autre sur le collecteur d’échappement.
  4. 4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, qui comporte un système de vannage (23, 24, 26) commandé sur le circuit de transfert d’air comprimé et sur le circuit de recirculation de gaz brûlés EGR pour contrôler la circulation de gaz d’échappement et pour contrôler le transfert d’air comprimé.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le système de vannage comprend au moins une vanne sur le circuit de gaz d'échappement recirculés (24) et une vanne sur le circuit de transfert partiel (23).
  6. 6. Dispositif selon l’une des revendications 4 à 5, dans lequel le système de vannage comporte au moins une vanne quatre voies (26).
  7. 7. Méthode de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un système de suralimentation comportant un turbocompresseur (7) avec une turbine (8) connectée à au moins une sortie de gaz d'échappement du collecteur d’échappement (5) dudit moteur ainsi qu'un compresseur (10) d'air extérieur, un conduit de transfert partiel (15, 18) de l'air comprimé du compresseur vers une entrée sur le collecteur en communication avec la turbine, et un conduit de gaz d'échappement recirculés (21) reliant une sortie de gaz d’échappement à une conduite d’admission d’air comprimé (4), caractérisée en ce que l’on dispose éloignées l’une de l’autre sur le collecteur de gaz d’échappement : ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
  8. 8. Méthode selon la revendication 7, dans lequel on dispose la sortie de gaz d’échappement du collecteur vers ladite turbine entre l’entrée de ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
  9. 9. Méthode selon l’une des revendications 7 ou 8, dans lequel on dispose à l’opposé l’une de l’autre sur le collecteur d’échappement : ladite entrée d’air comprimé et ladite sortie de gaz d’échappement.
  10. 10. Application du dispositif selon l’une des revendications 1 à 6 et de la méthode selon l’une des revendications 7 à 9 à un moteur Diesel.
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