Brevet FR2730011A1 — publié le 19960802

" Moteur à combustion interne à plusieurs cylindres à tur- bocompresseur avec réinjection des gaz d'échappement et procédé pour la mise en oeuvre d'un tel moteur à combus- tion interne " La présente invention concerne un moteur à com- bustion interne à plusieurs cylindres à turbocompresseur avec réinjection des gaz d'échappement, comprenant des sys- tèmes d'alimentation en air et d'échappement, des soupapes d'admission et d'échappement à commande variable ainsi qu'un premier circuit d'huile de graissage et un cylindre de préparation des gaz d'échappement avec un piston entraî- né et une commande variable des soupapes d'admission d'air et d'échappement des gaz d'échappement dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement. La réinjection des gaz d'échappement est un moyen confirmé pour abaisser l'émission des oxydes d'azote par les moteurs Diesel. Selon la publication WO 93/24748, on connaît un procédé et un dispositif de réinjection des gaz d'échappement dans un moteur à combustion interne à plu- sieurs cylindres à turbocompresseur. Certains des cylindres du moteur à combustion interne selon cet état de la techni- que fonctionnent en mode inverse et les autres cylindres en mode normal. Le piston de l'un des cylindres fonctionnant en mode inverse effectue une course de descente lorsque la soupape d'échappement est ouverte et que la soupape d'admission est fermée de sorte que le cylindre en mode in- verse, aspire exclusivement des gaz d'échappement de la tu- bulure des gaz d'échappement du moteur. Les gaz d'échappement sont alors comprimés par le piston du cylin- dre travaillant en mode inverse, les soupapes d'échappement et d'admission étant fermées puis les gaz d'échappement sont détendus. Pendant la course d'expulsion du piston du cylindre travaillant en mode inverse, la soupape d'admission d'air est ouverte et la soupape d'échappement est fermée si bien que le gaz d'échappement du cylindre travaillant en mode inverse est transféré dans le système d'alimentation en air du moteur à combustion interne à plu- sieurs cylindres et à turbocompresseur. L'inconvénient de ce procédé et de ce disposi- tif selon l'état de la technique est le suivant: a) les particules contenues dans les gaz d'échappement réinjectés passent dans les cylindres et y provoquent une forte usure; b) la température du cylindre recevant les gaz d'échappement réinjectés augmente, c) le radiateur est directement soumis aux gaz d'échappement réinjectés dans l'alimentation en air et dans l'échappement des gaz s'encrasse, d) avec les gaz d'échappement réinjectés, lors- que l'eau se condense, de l'acide sulfurique ou de l'acide sulfureux arrive dans les cylindres. Un autre dispositif pour réduire au minimum l'émission par le fonctionnement de moteurs à combustion interne à plusieurs cylindres est connu selon le document DE 43 31 509 Cl. Ce document propose des premiers et des seconds cylindres séparés sur le plan de la combustion. Les premiers cylindres sont reliés à un premier collecteur d'admission et à un système de gaz d'échappement. Le col- lecteur d'aspiration reçoit des gaz d'échappement des se- conds cylindres par l'intermédiaire d'un dispositif de réinjection de gaz d'échappement. Les seconds cylindres sont alimentés pour réduire l'émission des particules au minimum, sans tenir compte de l'émission des oxydes d'azote NOX dans les gaz d'échappement par l'intermédiaire d'une seconde tubulure d'aspiration, avec seulement de l'air frais. Bien que ce dispositif maintient à un faible niveau, constant, la teneur en particules de suie contenue dans les gaz d'échappement réinjectés, cette solution présente néan- moins l'inconvénient d'être d'une construction coûteuse et que la simple réduction de la concentration des particules contenues dans les gaz d'échappement réinjectés ne permet pas d'éviter avec certitude l'usure du moteur Diesel. La présente invention a pour but de créer un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres à turbo- compresseur avec réinjection des gaz d'échappement, permet- tant avec des moyens constructifs réduits, de ne laisser parvenir pratiquement aucune particule ni composant d'acide avec les gaz d'échappement réinjectés dans les cylindres qui risqueraient d'y provoquer une forte usure. A cet effet, l'invention concerne un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres à turbocompresseur et réinjection des gaz d'échappement correspondant au type défini ci-dessus caractérisé en ce que les soupapes d'admission d'air et d'échappement des gaz d'échappement du cylindre de préparation des gaz d'échappement pendant une course de descente du piston entraîné du cylindre de prépa- ration sont chaque fois partiellement ouvertes par la com- mande et un second circuit d'huile de graissage est prévu pour le cylindre de préparation des gaz d'échappement. L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre d'un tel moteur à combustion interne, procédé caractérisé par une aspiration commandée, variable des gaz d'échappement dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement pendant une course descendante de son piston, par l'ouverture partielle des soupapes d'admission d'air et d'échappement des gaz d'échappement, fourniture et pulvérisation d'eau dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement au cours d'une course de compression et une course d'expansion par le piston du cylindre, expulsion des gaz du cylindre de préparation à travers la soupape d'admission d'air dans le système d'alimentation en air et fourniture d'eau du cylindre de préparation des gaz d'échappement vers le second circuit d'huile de graissage Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: le cylindre de préparation des gaz d'échappement est relié à une installation d'alimentation en eau; - le second circuit d'huile de graissage com- porte un séparateur pour nettoyer l'huile de graissage ou séparer l'eau et l'huile de graissage; - il est prévu une conduite qui fournit l'eau du séparateur à l'installation d'alimentation en eau; - un canal du système d'alimentation en air comporte un radiateur pour refroidir l'air d'alimentation et une conduite d'eau de condensation relie le radiateur à l'installation d'alimentation en eau; - un canal de gaz d'échappement relie le cylin- dre de préparation des gaz d'échappement directement à une sortie de gaz d'échappement d'un cylindre voisin et ce cy- lindre est disposé pour qu'il reçoive de l'air frais sans gaz d'échappement du système d'alimentation en air; - un canal de gaz d'échappement du cylindre de préparation des gaz d'échappement est relié à un canal du système des gaz d'échappement en aval d'une turbine Selon l'invention, un moteur à combustion in- terne à plusieurs cylindres à turbocompresseur et réinjec- tion des gaz d'échappement, alimentation en air et échappement des gaz, comporte des soupapes d'admission et d'échappement à commande variable, des pistons dans les cy- lindres et un premier circuit d'huile de graissage. En plus des cylindres, le moteur à combustion interne comporte un cylindre de préparation des gaz d'échappement; ce cylindre particulier est de réalisation spéciale; il comporte un piston entraîné et une commande variable des soupapes d'admission et d'échappement; selon l'invention, la com- mande pendant la course descendante du piston du cylindre de préparation des gaz d'échappement, entraîné par un vile- brequin ouvre chaque fois partiellement les soupapes d'admission et d'échappement de ce cylindre de préparation de sorte qu'en fonction de l'état de charge du moteur à combustion interne, on puisse doser l'addition d'air et des gaz d'échappement. La soupape d'admission du cylindre de préparation des gaz d'échappement peut par exemple être ou- verte brièvement pendant la course descendante du piston alors que la soupape des gaz d'échappement est ouverte longtemps ce qui donne un coefficient de retour de gaz d'échappement élevé; on peut également ouvrir longtemps la soupape d'admission du cylindre de préparation des gaz d'échappement pendant la course descendante du piston et n'ouvrir que brièvement la soupape des gaz d'échappement pour arriver à un faible coefficient de réinjection de gaz d'échappement tout en refroidissant les gaz d'échappement réinjectés avec l'air d'alimentation relativement froid. L'invention prévoit en outre un second circuit d'huile de graissage prévu exclusivement pour le cylindre de préparation des gaz d'échappement et qui retient les particules des gaz d'échappement en évitant que ces parti- cules n'arrivent dans les autres cylindres fonctionnant en mode normal, du moteur à combustion interne. Le second cir- cuit d'huile de graissage peut comporter des additifs pour neutraliser les composants d'acide arrivant dans l'huile de graissage. Le moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompression présente selon une réalisation préférentielle, pour refroidir les gaz d'échappement et pour les nettoyer, un cylindre de préparation des gaz d'échappement avec une alimentation d'eau. L'eau introduite dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement as- sure les liaisons des particules contenues dans les gaz d'échappement et dissout les oxydes de soufre. L'eau en- crassée arrive dans le circuit d'huile du cylindre de pré- paration des gaz d'échappement. Selon un développement de l'invention, il est prévu un séparateur pour nettoyer l'huile de graissage et séparer cette huile de l'eau contenue dans le second cir- cuit d'huile. L'eau séparée par le séparateur peut être four- nie selon un autre développement de l'invention à l'installation d'alimentation en eau. De préférence, le moteur à combustion interne à plusieurs cylindres à turbocompresseur, selon l'invention, équipé d'un radiateur de refroidissement d'alimentation dans le système d'alimentation en air et une conduite pour l'eau de condensation, est prévu entre le radiateur d'air d'alimentation et l'installation d'alimentation en eau de sorte que globalement les pertes en eau sont faibles et l'eau de condensation ainsi récupérée est fournie au cylin- dre de préparation des gaz d'échappement. Selon un développement de l'invention, un canal de gaz d'échappement du cylindre de préparation des gaz d'échappement débouche directement dans une sortie de gaz d'échappement d'un cylindre voisin ou cylindre de prépara- tion des gaz d'échappement, ce cylindre voisin étant dispo- sé pour recevoir du système d'alimentation en air, de l'air frais ne contenant pas de gaz d'échappement et pour brûler de manière optimale le carburant. Les gaz d'échappement chargés de peu de particules provenant du cylindre voisin sont fournis par le cylindre de préparation des gaz d'échappement aux installations d'alimentation en air des autres cylindres fonctionnant en mode normal à quatre temps. Selon un autre développement de l'invention, un canal de gaz d'échappement relie le cylindre de préparation des gaz d'échappement à des installations de sortie de gaz d'échappement et débouche en aval d'une turbine dans le système des gaz d'échappement. La pression et la tempéra- ture des gaz d'échappement sont réduites de manière signi- ficative après la traversée de la turbine ce qui réduit l'élévation de température provoquée dans les cylindres par les gaz d'échappement réinjectés. Le procédé selon l'invention pour la mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne à plusieurs cylin- dres à turbocompresseur se fait par aspiration commandée de manière variable des gaz d'échappement dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement au cours d'une course descendante du piston, par alimentation et pulvérisation d'eau dans le cylindre de préparation au cours d'une course de compression et d'expansion du piston, expulsion des gaz de ce cylindre de préparation par la soupape d'admission d'air dans le système d'alimentation en air et le passage de l'eau du cylindre de préparation des gaz d'échappement dans un second circuit d'huile de graissage. Selon se pro- cédé, les gaz d'échappement sont traités et refroidis avant d'être fournis comme air comburant aux cylindres du moteur travaillant en mode normal. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un moteur à combustion in- terne avec un cylindre de préparation des gaz d'échappement, - la figure 2 montre un moteur à combustion in- terne avec des cylindres de préparation des gaz d'échappement et un cylindre à combustion optimisée pour les particules, - la figure 3 montre un moteur à combustion in- terne avec un cylindre de préparation des gaz d'échappement et un canal de gaz d'échappement. Selon la figure 1, un moteur à combustion in- terne à plusieurs cylindres à turbocompresseur comporte des cylindres 1-7 en ligne. Egalement en ligne avec les cylin- dres 1-7, il y a un cylindre 8 de préparation des gaz d'échappement. Les cylindres 1-7 sont équipés d'un premier circuit d'huile de graissage 30. Ce premier circuit d'huile de graissage 30 comporte un radiateur 61 pour refroidir l'huile et une pompe à huile 62 faisant circuler l'huile de graissage dans le circuit 30. Les cylindres 1-7 et le cy- lindre de préparation des gaz d'échappement 8 sont reliés électriquement à une unité de commande de soupapes 51 et ils comportent des soupapes d'admission 31, 38 et des sou- papes d'échappement 39, 47 à commande variable. Le piston du cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 est en- traîné par le vilebrequin (non représenté) des cylindres 1- 7. Le cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 est équipé d'un second circuit d'huile de graissage 50 distinct du premier circuit d'huile de graissage 30; il comporte également une installation d'alimentation en eau 52. Le se- cond circuit d'huile de graissage 50 peut être équipé de sa propre bâche à huile (non représentée), d'un séparateur 54 et d'une pompe à huile 58, avec de l'huile de graissage particulière ou contenant des additifs spéciaux. L'huile de graissage du second circuit d'huile de graissage 50 du cy- lindre de préparation des gaz d'échappement 8 est nettoyée dans un séparateur 54. Le séparateur 54 sépare notamment l'huile de graissage et l'eau; celle-ci est reconduite dans l'installation d'alimentation en eau 52. En amont du sépa- rateur, il est prévu un radiateur de refroidissement d'huile 59 pour refroidir à un niveau de température sou- haitée, l'huile de graissage chargée d'impuretés et d'eau du second circuit d'huile de graissage 50. L'installation d'alimentation en eau 52 com- prend un circuit 65 dans lequel on aspire l'eau d'un réser- voir 53 à l'aide de la pompe 55 pour l'injecter par exemple par l'injecteur d'eau dans le cylindre de préparation 8. Un canal 9 relie un compresseur non représenté, par la tubulure d'aspiration 10-17 aux cylindres 1-7 et au cylindre de préparation des gaz d'échappement 8. Des tubu- lures d'échappement 18-25 partent des cylindres 1-7 et du cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 pour débou- cher dans un canal 26 relié à la turbine (non représentée). Les cylindres 1-7 fonctionnent en mode normal d'un cycle à quatre temps alors que les soupapes d'admission 31 et d'échappement 39 du cylindre de prépara- tion des gaz d'échappement 8 sont commandées pour que le gaz d'échappement arrive dans les cylindres 1-7 à partir du système des gaz d'échappement 18-26 en passant par le cy- lindre de préparation 8 et le système d'alimentation en air 9-17 des cylindres 1-7. Un radiateur 56 pour refroidir l'air du compresseur fait partie du système d'alimentation en air 9-17. La conduite 57 évacue l'eau de condensation du radiateur 56 dans l'installation d'alimentation en air 52. Selon la figure 2, on a utilisé les mêmes réfé- rences qu'à la figure 1 pour désigner les mêmes parties. Le cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 est alimen- té en air par le canal 9 après le cylindre 7. Le cylindre 7 qui reçoit tout d'abord l'air du canal 9 comporte une tubu- lure d'échappement 24 débouchant dans la tubulure d'échappement 25 du cylindre de préparation 8. Les cylindres 1-7 fonctionnent en mode normal d'un cycle à quatre temps alors que la soupape d'admission 31 et la soupape d'échappement 39 du cylindre de prépara- tion 8 sont commandées pour que les gaz d'échappement de la tubulure d'échappement 24 passent du cylindre de prépara- tion 8 dans les systèmes d'alimentation en air 9-16 des cy- lindres 1-6. Le cylindre 7 est alimenté exclusivement en air frais ne contenant pas de gaz d'échappement de sorte que les gaz d'échappement du cylindre 7 ne sont que très peu chargés de particules et ainsi les gaz d'échappement réinjectés dans le système d'alimentation en air 12-17 pour les cylindres 1-6 ne contiennent que peu de particules no- cives. Selon la figure 3 on a utilisé les mêmes réfé- rences qu'aux figures 1 et 2. Un canal 9 relie le compres- seur 27 par les tubulures d'admission 10-17 aux cylindres 1-7 et au cylindre de préparation des gaz d'échappement 8. Les tubulures d'échappement 18-24 partent des cylindres 1-7 et débouchent dans un canal 26 conduisant à une turbine 28. Un canal 29 relie le cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 à une tubulure en aval de la turbine 28 o les gaz d'échappement des cylindres 1-7 sont laminés et re- froidis. Les cylindres 1-7 fonctionnent selon un cycle normal à quatre temps alors que la soupape d'admission 31 et la soupape d'échappement 39 du cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 sont commandées pour que les gaz d'échappement de la tubulure 30 en aval de la turbine 28 passent dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement 8 et de là dans les systèmes d'alimentation en air 9-17 des cylindres 1-7. Procédé de mise en oeuvre du moteur à combus- tion interne à plusieurs cylindres à turbocompresseur avec réinjection des gaz d'échappement. En fonction de la charge appliquée au moteur à combustion interne à plusieurs cylindres à turbocompresseur avec réinjection des gaz d'échappement, pendant une course descendante du piston du cylindre de préparation des gaz d'échappement 8, par une aspiration commandée de manière 1! variable c'est-à-dire par l'ouverture partielle de la sou- pape d'échappement 39, des gaz d'échappement arrivent du système des gaz d'échappement 18-26 et par l'ouverture par- tielle de la soupape d'admission 31 de l'air du système d'alimentation en air 9-17 arrive dans le cylindre de pré- paration des gaz d'échappement 8. Pendant une course de compression et d'expansion, de l'eau est fournie au cylindre de prépara- tion des gaz d'échappement 8 et est pulvérisée par le pis- ton. L'eau sert à refroidir, à lier les particules et à dissoudre les oxydes de soufre pour nettoyer les gaz d'échappement. Pendant la course d'expulsion, les gaz d'échappement sortent du cylindre de préparation 8 par la soupape d'admission 31 pour arriver dans le système d'alimentation en air 9-17. Des moyens appropriés 60 pour séparer l'eau de la veine partielle de gaz d'échappement dans un canal 10 du côté de l'air d'alimentation du cylin- dre de préparation 8 évitent que pendant la course d'expulsion, lorsque le canal est ouvert du côté de l'alimentation, de l'eau arrive dans le système d'alimentation en air 9-17. L'eau du cylindre de prépara- tion 8 arrive par des moyens 60 dans le second circuit d'huile de graissage 50; des additifs appropriés permet- tent de neutraliser l'acidité de l'huile de graissage ou de l'eau chargée. Le séparateur 54 du second circuit d'huile de graissage 50 sépare l'eau de l'huile de graissage de fa- çon que seulement de l'eau traitée ne soit renvoyée par la conduite 64 dans le réservoir 53 et ne soit réutilisée pour le refroidissement et le nettoyage. L'eau peut être complé- tée par l'eau fournie par le radiateur de refroidissement de l'air d'alimentation 56. Les impuretés solides contenues dans l'huile de graissage sont retenues dans un filtre à huile 66 approprié et sont éliminées. NOMENCLATURE 1 Cylindre 2 " 3 "1 4 " " 6 " 7 " 8 Cylindre de préparation des gaz d'échappement 9 Canal Tubulure d'aspiration 14 " 16 " 17 " 18 Tubulure d'échappement 19 " 21 " 24 " 26 Canal 27 Compresseur 28 Turbine 29 Premier circuit d'huile de graissage 31 Soupape d'admission 33 " 34 Soupape d'admission 35 " 36 " 38 " 39 Soupapes d'échappement 40 43 "I 44 " 45 " 50 Second circuit d'huile de graissage 51 Unité de commande des soupapes 52 Installation d'alimentation en eau 53 Réservoir 54 Séparateur 55 Pompe 56 Radiateur pour l'air d'alimentation 57 Conduite 58 Pompe à huile 59 Radiateur pour le refroidissement de l'huile de graissage Moyen 61 Radiateur pour l'huile de graissage 62 Pompe à huile 63 Injecteur d'eau 64 Conduite Circuit 66 Filtre à huile. R E V E N D I C A T I ONS 1) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur avec réinjection des gaz d'échappement, comprenant des systèmes d'alimentation en air (9-17) et d'échappement (18-26), des soupapes d'admission et d'échappement à commande variable ainsi qu'un premier circuit d'huile de graissage (30) et un cy- lindre de préparation des gaz d'échappement (8) avec un piston entraîné et une commande variable des soupapes d'admission d'air et d'échappement des gaz d'échappement dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8), caractérisé en ce que, les soupapes d'admission d'air (31) et d'échappement des gaz d'échappement (39) du cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) pendant une course de descente du piston entraîné, du cylindre de préparation (8) sont chaque fois partiellement ouvertes par la commande (51) et un second circuit d'huile de graissage (50) est prévu pour le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8). 2) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) est relié à une installation d'alimentation en eau (52). 3) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le second circuit d'huile de graissage (50) comporte un séparateur (54) pour nettoyer l'huile de graissage ou séparer l'eau et l'huile de graissage. 4) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il est prévu une conduite (64) qui fournit l'eau du séparateur (54) à l'installation d'alimentation en eau (52). ) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'un canal (9) du système d'alimentation en air comporte un radiateur (56) pour refroidir l'air d'alimentation et une conduite d'eau de condensation relie le radiateur (58) à l'installation d'alimentation en eau (52). 6) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'un canal de gaz d'échappement (25) relie le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) directe- ment à une sortie de gaz d'échappement (24) d'un cylindre voisin (7) et ce cylindre (7) est disposé pour qu'il re- çoive de l'air frais sans gaz d'échappement du système d'alimentation en air (9, 11). 7) Moteur à combustion interne à plusieurs cy- lindres à turbocompresseur selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'un canal de gaz d'échappement (29) du cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) est relié à un canal (26) du système des gaz d'échappement en aval d'une turbine (29). 8) Procédé de mise en oeuvre d'un moteur à com- bustion interne à plusieurs cylindres à turbocompresseur comportant une réinjection des gaz d'échappement avec un système d'alimentation en air (9-17) et d'échappement de gaz d'échappement (18-26), des soupapes d'admission (31-38) et d'échappement (39-46) commandées de manière variable et au moins un circuit d'huile de graissage (30) ainsi qu'un cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) compre- nant un piston entraîné et une commande variable (51) des soupapes d'admission d'air (31) et de sortie des gaz d'échappement (39) dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8), caractérisé par une aspiration comman- dée, variable des gaz d'échappement dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) pendant une course descendante de son piston, par l'ouverture partielle des soupapes d'admission d'air (31) et d'échappement des gaz d'échappement (39), fourniture et pulvérisation d'eau dans le cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) au cours d'une course de compression et une course d'expansion par le piston du cylindre, expulsion des gaz du cylindre de préparation (8) à travers la soupape d'admission d'air (31) dans le système d'alimentation en air (9-17) et fourniture d'eau du cylindre de préparation des gaz d'échappement (8) vers le second circuit d'huile de graissage (50).