Brevet FR2708039A1 — publié le 19950127

" Dispositif pour réduire l'émission de substances nocives lors du fonctionnement de moteurs à combustion interne polycylindres " L'invention concerne un dispositif pour réduire l'émission de substances nocives lors du fonctionnement de moteurs à combustion interne polycylindres munis d'une tu- bulure collectrice d'aspiration, avec un système de gaz d'échappement relié à de premiers ecylindres et avec un dispositif de recyclage des gaz d'échappement relié à de seconds cylindres. Les émissions de substances nocives en provenance de moteurs Diesel sont concernées en premier lieu par la teneur en NOx. Pour diminuer cette teneur en NOx, des gaz d'échappement refroidis sont recyclés dans l'alimentation d'air du moteur Diesel - Approximativement, on peut consta- ter que 20 % de recyclage des gaz d'échappement réduit la valeur NOx de moitié. La réduction du NOx peut être consi- dérée comme une conséquence de l'augmentation des teneurs en CO2 dans l'air de combustion avec le recyclage des gaz d'échappement. L'inconvénient est toutefois que, lorsque le taux de recyclage des gaz d'échappement croît, la teneur en suie augmente également dans les gaz d'échappement, auquel cas les gaz d'échappement recyclés et chargés de suie con- duisent à une plus forte usure dans le moteur Diesel et en- crassent, après peu de temps de fonctionnement, le refroidisseur des gaz d'échappement. Par le document DE-AS 24 54 829, on connaît un moteur à combustion interne polycylindre dans lequel un cy- lindre prévu pour recevoir des gaz d'échappement et présen- tant un rapport de compression supérieur à celui des autres cylindres du moteur à combustion interne, est raccordé par sa canalisation d'échappement à la canalisation d'admission des autres cylindres et n'a un effet d'entraînement qu'au démarrage du moteur à combustion interne. Lors du démar- rage, une soupape d'arrêt est fermée dans une canalisation d'échappement, de sorte que le cylindre à rapport de com- pression élevé reçoit les gaz s'échappant des autres cylin- dres et les allume. Dans le cas d'un fonctionnement normal du moteur à combustion interne, le cylindre à compression plus élevée reçoit une partie des gaz d'échappement des au- tres cylindres, les dose et les refroidit. Ce dispositif pour le recyclage des gaz d'échappement est d'une construc- tion complexe et en conséquence d'une réalisation coûteuse. Par le document DE-OS 39 30 243, on connaît un moteur à combustion interne polycylindre avec un système d'aspiration d'air et de collecte des gaz d'échappement, qui comporte également un dispositif de recyclage des gaz d'échappement pour la réduction de l'émission de substances nocives. Pour l'exploitation de moteurs à combustion in- terne avec un turbocompresseur sur les gaz d'échappement et un refroidisseur d'air d'alimentation, le dispositif de re- cyclage des gaz d'échappement comporte un répartiteur de gaz d'échappement duquel partent des tubulures terminales en nombre correspondant au nombre des cylindres du moteur à combustion interne. Le répartiteur des gaz d'échappement est raccordé à la tubulure d'échappement d'un cylindre, tandis que les tubulures de gaz d'échappement des autres cylindres sont reliées à une tubulure collectrice de gaz d'échappement. Les tubulures terminales du répartiteur de gaz d'échappement débouchent respectivement dans les tubu- lures d'aspiration des cylindres immédiatement en amont de la soupape d'admission. Le problème d'une concentration de suie croissante dans les gaz d'échappement recyclés, et les inconvénients qui en résultent pour le moteur à combustion interne et ses émissions, subsistent dans ce recyclage con- nu des gaz d'échappement. Le but de l'invention est en conséquence de créer un dispositif pour réduire l'émission de substances nocives lors du fonctionnement de moteurs à combustion interne po- lycylindres, avec une dépense de construction réduite et une teneur réduite en NO et en suie dans les gaz d'échappe- ment. Ce but est atteint, selon l'invention, par un dispositif caractérisé en ce qu'une seconde tubulure col- lectrice d'aspiration est reliée aux seconds cylindres, en ce que la tubulure collectrice d'aspiration est reliée aux premiers cylindres, et en ce que le dispositif de recyclage des gaz d'échappement est relié à la tubulure collectrice d'aspiration. Dans le dispositif selon l'invention pour la ré- duction de l'émission des substances nocives, les moteurs à combustion interne polycylindres sont scindés, en ce qui concerne la technique de combustion, en un certain nombre de premiers cylindres et de seconds cylindres. Les seconds cylindres sont, pour obtenir une émission minimale de par- ticules souvent en considérant l'émission de NO dans les gaz d'échappement, alimentés seulement par de l'air frais. Les gaz d'échappement en provenance de ces seconds cylin- dres sont amenés, par l'intermédiaire d'un dispositif de recyclage de gaz d'échappement, à une tubulure collectrice d'aspiration pour les premiers cylindres, et sont prévus pour une émission réduite de NO. Avec le dispositif selon l'invention, un moteur Diesel polycylindre n'émet au total que peu de NO, et les teneurs en suie des gaz d'échappement recyclés sont mainte- nues constamment à une valeur si réduite que l'usure du mo- teur Diesel et l'encrassement des refroidisseurs par les gaz d'échappement recyclés, sont réduits. De préférence, un filtre à suie est compris dans le dispositif de recyclage des gaz d'échappement, pour ré- duire encore les contraintes du dispositif selon l'inven- tion en ce qui concerne l'usure et l'encrassement. Selon une autre forme de réalisation avantageuse du dispositif selon l'invention, un refroidisseur d'air d'alimentation monté derrière un compresseur sur la tubu- lure collectrice d'aspiration pour les premiers cylindres, sert également au refroidissement des gaz d'échappement re- cyclés à partir des seconds cylindres. Selon une réalisation préférée du dispositif con- forme à l'invention, les gaz d'échappement recyclés sont refroidis par un refroidisseur dans le dispositif de recy- clage des gaz d'échappement et amenés en aval du refroidis- seur d'air d'alimentation dans la tubulure collectrice d'aspiration pour les premiers cylindres. Le refroidisseur d'air d'alimentation reste ainsi libre des particules de suie contenues dans les gaz d'échappement et la sollicita- tion thermique à partir de l'air comprimé et des gaz d'échappement chauds, est répartie sur deux refroidisseurs séparés spatialement. Un refroidisseur avantageux d'air d'alimentation est, selon l'invention, un refroidisseur combiné qui com- porte un refroidisseur en acier inoxydable branché en amont et un refroidisseur en aluminium branché à la suite. Le re- froidisseur en acier inoxydable branché en amont est parti- culièrement résistant vis-à-vis d'une température élevée, et le refroidisseur en aluminium comporte des conditions particulièrement favorables pour la transmission de la cha- leur. Des rapports particulièrement favorables entre les teneurs réduites en suie et les teneurs réduites en NO dans les gaz d'échappement du dispositif selon l'invention peuvent être obtenus avec une canalisation de liaison, ré- glable en section transversale, entre le système de gaz d'échappement des premiers cylindres et le dispositif de recyclage de gaz d'échappement des seconds cylindres. Pour obtenir des teneurs en suie aussi réduites que possible dans les gaz d'échappement, cette canalisation de liaison peut être largement ouverte et, pour obtenir des teneurs en NOx aussi réduites que possible, la section transversale de la canalisation de liaison peut être réduite ou fermée. Une réduction particulièrement avantageuse de la teneur en suie des gaz d'échappement peut être obtenue en augmentant la différence entre la pression de compression la plus élevée et la contre-pression la plus basse des gaz d'échappement dans le dispositif de recyclage des gaz d'échappement des seconds cylindres. Pour augmenter la pression de compression en amont des seconds cylindres et donc pour augmenter la différence avec la contre-pression constante des gaz d'échappement dans le dispositif de recy- clage des gaz d'échappement, il est proposé de disposer un étranglement dans la tubulure collectrice d'aspiration vers les premiers cylindres optimisés en ce qui concerne NOx. Selon une variante, la réduction de la teneur en suie des gaz d'échappement en augmentant la différence de pression, peut également être obtenue en ce que le débouché du dispositif de recyclage des gaz d'échappement dans la tubulure collectrice d'aspiration vers les premiers cylin- dres, est réalisé sous la forme d'un injecteur. Selon une autre forme de réalisation de l'inven- tion, le dispositif de recyclage des gaz d'échappement se- lon l'invention débouche dans le système d'aspiration d'air pour tous les cylindres des moteurs à combustion interne, et à la tubulure collectrice d'aspiration pour les seconds cylindres, prévue pour une émission minimale de particules, est amené un mélange de gaz ou d'essence. Selon une autre caractéristique de l'invention, un refroidisseur d'air d'alimentation est compris dans la tubulure collectrice d'aspiration et ce refroidisseur d'air d'alimentation est susceptible d'être contourné grâce à une soupape de dérivation commutable agencée dans le dispositif de recyclage des gaz d'échappement L'invention va être exposée plus en détail ci- après à l'aide d'exemples de réalisation représentés sur les dessins cijoints dans lesquels: - la figure 1 représente un moteur Diesel avec un recyclage des gaz d'échappement et un refroidisseur d'air d'alimentation.; - la figure 2 représente un moteur Diesel avec un recyclage des gaz d'échappement, un refroidisseur d'air d'alimentation et un refroidisseur des gaz d'échappement; - la figure 3 représente un moteur à combustion interne avec un recyclage des gaz d'échappement, un refroi- disseur d'air d'alimentation et un fonctionnement mixte Diesel et gaz ou essence; et - la figure 4 représente un moteur Diesel avec un recyclage des gaz d'échappement et un refroidisseur d'air d'alimentation selon la figure 1, et avec une soupape de dérivation pour éviter le refroidisseur d'air d'alimenta- tion. A la figure 1, un moteur Diesel 1 comporte des cylindres 2 à 7. Par l'intermédiaire d'un compresseur 8, de 1 T air est aspiré et envoyé dans deux tubulures collectrice distinctes d'aspiration 9, 10. La tubulure collectrice d'aspiration 9 est reliée par des tubulures d'aspiration aux premiers cylindres 2 à 6, et la tubulure collectrice d'aspiration 10 est reliée à un ou plusieurs seconds cylin- dres 7. Un système de gaz d'échappement 16 est relié, par l'intermédiaire de tubulures de gaz d'échappement, avec le côté échappement des premiers cylindres 2 à 6 et comprend un filtre à suie 22 et une turbine à gaz d'réchappement 23. Le côté échappement du second cylindre 7 est en communication avec un dispositif de recyclage des gaz d'échappement 24. Ce dispositif de recyclage des gaz d'échappement 24 comprend un filtre à suie 25 et débouche, en amont d'un refroidisseur d'air d'alimentation 26, sur la tubulure collectrice d'aspiration 9. A la figure 2, les composants identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références. Un refroidisseur supplémentaire 27 pour les gaz d'échappement en provenance du deuxième cylindre 7, est compris dans le dispositif 24 de recyclage des gaz d'échappement. Ce dispo- sitif 24 de recyclage des gaz d'échappement débouche en amont du refroidisseur d'air d'alimentation 26 dans la tu- bulure collectrice d'aspiration 9 pour les premiers cylin- dres 2 à 6. Du compresseur 8, une canalisation 27 va au refroidisseur d'air d'alimentation 26 duquel partent les tubulures collectrices d'aspiration 9, 10. A la figure 3, les composants identiques à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes références. Le dispositif de recyclage des gaz d'échappement 24 débou- che en amont du refroidisseur d'air d'alimentation 26 sur la canalisation 27. Dans la deuxième tubulure collectrice d'aspiration 10 vers le second cylindre 7, on refoule, sous la pression d'une pompe 29 et par l'intermédiaire d'un car- burateur ou d'un dispositif d'injection 28 à partir d'un réservoir 30, du gaz ou de l'essence. Un filtre à suie du dispositif de recyclage des gaz d'échappement 24,-peut être supprimé dans cette forme de réalisation selon l'invention. Dans les dispositifs selon l'invention des figu- res 1, 2 et 3, une canalisation de liaison (non représen- tée) peut aller du dispositif de recyclage des gaz d'échappement 24 au système de gaz d'échappement 16, cette canalisation étant de préférence équipée d'une section transversale réglable avec laquelle le taux de recyclage dans le dispositif de recyclage des gaz d'échappement 24, peut être commandé. Pour maintenir la teneur en suie réduite déjà lors de la combustion dans le second cylindre 7, la diffé- rence entre la pression en amont du cylindre 7 et la con- tre-pression des gaz d'échappement, doit être maintenue aussi grande que possible. Pour obtenir cette grande diffé- rence de pression, il est proposé, conformément à l'inven- tion, de disposer un étranglement (non représenté) sur la tubulure collectrice d'aspiration 9 allant aux premiers cy- lindres 2 à 6. En variante, cette différence de pression élevée peut également être obtenue avec un injecteur (non représenté) qui est disposé au débouché du dispositif 24 de recyclage des gaz d'échappement dans la tubulure collec- trice d'aspiration 9. En fonctionnement, de l'air à une pression aug- mentée est amené au moteur à combustion interne à partir du compresseur 8. Le compresseur 8 est entraîné, par l'inter- médiaire de la turbine à gaz d'échappement 23, par les gaz d'échappement en provenance des premiers cylindres 2 à 6. Des gaz d'échappement en provenance du second cylindre 7 alimentés exclusivement par de l'air frais par l'intermé- diaire de la tubulure collectrice d'aspiration 10, sont amenés à la tubulure collectrice d'aspiration 9 pour les premiers cylindres 2 à 6 par l'intermédiaire d'un disposi- tif de recyclage de gaz d'échappement 24 muni d'un filtre à suie 25. La teneur en suie des gaz d'échappement du second cylindre 7 n'augmente pas au-delà d'une valeur réduite du fait de l'alimentation exclusivement en air frais vers le cylindre 7, tandis que les teneurs en NO dans les gaz d'échappement des premier cylindres 2 à 6 sont maintenues à un niveau réduit par les gaz d'échappement recyclés. Il existe en outre la possibilité d'optimiser encore la teneur en NOx et la teneur en suie par l'intermédiaire d'un ré- glage différent de la combustion (tête de piston, compres- sion, injection, etc..différentes). Selon une variante de la forme de réalisation de l'invention, le second cylindre 7 est exploité avec du gaz ou de l'essence et les gaz d'échappement exempts de suie du cylindre 7, résultant de cette combustion, sont amenés aus- si bien aux premiers cylindres 2 à 6 exploités en Diesel, qu'également au second cylindre 7. L'émission de NO de tous les cylindres 2 à 7 est uniformément réduite. La forme de réalisation représentée sur la figure 4 dans laquelle une soupape de dérivation 34 est placée se- lon le dispositif de recyclage des gaz d'échappement pour pouvoir éviter le refroidisseur d'air d'alimentation 26, apporte, particulièrement dans le cas du fonctionnement en charge partielle, des avantages correspondant au but de l'invention. R E V E N D I C A T IONS 1) Dispositif pour réduire l'émission de substan- ces nocives lors du fonctionnement de moteurs à combustion interne polycylindres, munis d'une tubulure collectrice d'aspiration (9), avec un système de gaz d'échappement (16) relié à de premiers cylindres (2 à 6), et avec un disposi- tif de recyclage des gaz d'échappement (24) relié à de se- conds cylindres (7), dispositif caractérisé en ce qu'une seconde tubulure collectrice d'aspiration (10) est reliée aux seconds cylindres (7), en ce que la tubulure collec- trice d'aspiration (9) est reliée aux premiers cylindres (2 à 6), et en ce que le dispositif de recyclage des gaz d'échappement (24) est relié à la tubulure collectrice d'aspiration (9). 2) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif de recyclage des gaz d'échap- pement (24) comporte un filtre à suie (25). 3) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'un refroidisseur d'air d'alimentation (26) est compris dans la tubulure collectrice d'aspiration (9) et le dispositif de recyclage des gaz d'échappement (24) débouche en amont de ce refroidisseur d'air d'alimentation (26) dans la tubulure collectrice d'aspiration (9). 4) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif de recyclage des gaz d'échap- pement (24) comporte un refroidisseur de gaz d'échappement et débouche dans la tubulure collectrice d'aspiration (9) en aval du refroidisseur d'air d'alimentation (26). ) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le refroidisseur d'air d'alimentation (26) est un refroidisseur combiné et comprend un refroidisseur en acier inoxydable branché en amont et un refroidisseur en aluminium branché à la suite. 6) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il est prévu une canalisation de liaison qui relie le système de gaz d'échappement (16) au dispositif de recyclage des gaz d'échappement (24) et qui comporte une section transversale réglable. 7) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que dans la tubulure collectrice d'aspiration (9) est contenu un étranglement. 8) Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif de recyclage des gaz d'échap- pement (24) comporte un injecteur au débouché dans la tubulure collectrice d'aspiration (9). 9) Dispositif pour réduire l'émission de substan- ces nocives lors du fonctionnement de moteurs à combustion interne polycylindres selon le préambule de la revendica- tion 1, dispositif caractérisé en ce que la deuxième tubu- lure collectrice d'aspiration (10) est reliée aux seconds cylindres (7) et la tubulure collectrice d'aspiration (9) est reliée aux premiers cylindres (2 à 6), le dispositif de recyclage des gaz d'échappement (24) étant relié par une canalisation (27) aux tubulures collectrices d'aspiration (9, 10) tandis que, dans la deuxième tubulure collectrice d'aspiration (10), on amène du gaz ou de l'essence par l'intermédiaire d'un carburateur ou d'un dispositif d'in- jection (28). ) Dispositif pour réduire l'émission de subs- tances nocives lors du fonctionnement de moteurs à combus- tion interne polycylindres selon le préambule de la revendication 1, dispositif caractérisé en ce qu'un refroi- disseur d'air d'alimentation (26) est compris dans la tubu- lure collectrice d'aspiration (9) et ce refroidisseur d'air d'alimentation (26) est susceptible d'être contourné grâce à une soupape de dérivation commutable (34) agencée dans le dispositif de recyclage des gaz d'échappement (24).