Brevet FR2736393A1 — publié le 19970110

L'invention concerne un moteur à combustion interne, notamment pour un véhicule automobile, comportant un système de renvoi du gaz d'échappement par l'intermé- diaire d'une canalisation de recirculation des gaz d'échappement qui revient à une canalisation d'amenée d'air de suralimentation, et dans lequel un échangeur de chaleur est disposé dans la canalisation de recirculation des gaz d'échappement et cette canalisation est raccordée en déri- vation à partir d'une canalisation de sortie des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, à une soupape de recirculation des gaz d'échappement. Des moteurs à combustion interne à recirculation des gaz d'échappement, dans lesquels un échangeur de cha- leur ou un refroidisseur de recirculation des gaz d'échap- pement est disposé dans la canalisation de recirculation des gaz d'échappement, sont connus par exemple d'après les demandes de brevets allemands DE 40 07 516 Ai et DE 06 217 A1. Le montage d'un échangeur de chaleur en cet emplacement améliore le rendement du moteur à combustion interne. Ainsi on obtient par exemple des avantages concer- nant la quantité d'émissions d'oxydes d'azote et de parti- cules et la consommation de carburant. Cependant, les particules résiduelles, par exemple des substances corrosives, présentes dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne et qui condui- sent à un salissement et à une altération du rendement de l'échangeur de chaleur, posent un problème. Dans des moteurs à combustion interne connus, ce problème n'est pas encore résolu. D'après la demande de brevet allemand DE 94 21 145.0 Ul, on connait un moteur à combustion interne diesel comportant une installation des gaz d'échappement, qui contient un catalyseur pour catalyser l'oxydation d'hydrocarbures, ainsi qu'une canalisation de recirculation des gaz d'échappement, qui débouche dans le système d'aspiration de ce moteur à combustion interne diesel et dans laquelle est disposé un échangeur de chaleur pour refroidir les gaz d'échappement, le catalyseur étant dis- posé dans la canalisation de recirculation des gaz d'échap- pement en amont de l'échangeur de chaleur dans le sens de l'écoulement. Sinon, pour la catalyse des hydrocarbures, on peut prévoir un revêtement disposé sur les éléments de paroi, qui guident les gaz d'échappement, d'un échangeur de chaleur. La présente invention a pour but de créer un moteur à combustion interne à recirculation des gaz d'échappement du type mentionné plus haut, dans lequel des particules résiduelles, notamment des substances corrosives n'entrainent aucune perturbation pour l'échangeur de cha- leur disposé dans la canalisation de recirculation des gaz d'échappement. Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un moteur à combustion interne du type indiqué plus haut, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur peut être nettoyé par un dispositif d'envoi d'air comprimé, qui introduit de l'air comprimé dans la canalisation de recirculation des gaz d'échappement. Des essais ont révélé dans la pratique qu'avec le nettoyage selon l'invention de l'échangeur de chaleur, grâce à un guidage de l'air comprimé dans le sens opposé ou dans le même sens que le courant des gaz d'échappement, on peut éviter de forts salissements et par conséquent une altération du rendement de l'échangeur de chaleur. En fonc- tion du degré de salissement, il suffit alors, conformément à l'invention, de régler, grâce à une commande correspon- dante, le guidage des gaz d'échappement et l'introduction d'air comprimé de manière que l'échangeur de chaleur soit nettoyé périodiquement ou même, d'une manière ciblée, lorsqu'un degré déterminé de salissement est atteint. Pour l'introduction d'air comprimé dans la cana- lisation de recirculation des gaz d'échappement, on peut imaginer plusieurs possibilités. De façon simple, on peut utiliser à cet effet l'air de suralimentation. De même, également dans le cas d'un véhicule automobile, on peut utiliser l'air comprimé provenant du réseau de bord pour le nettoyage de l'échangeur de chaleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'air comprimé du dispositif d'envoi d'air comprimé peut être introduit en sens opposé de la direction d'écoulement des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, de l'air frais placé à une pression d'alimentation peut être introduit depuis la canalisation d'alimentation en air de suralimentation dans la canalisation de recirculation des gaz d'échappement, par l'intermédiaire d'une soupape de recirculation des gaz d'échappement, qui est disposée entre la canalisation de recirculation des gaz d'échappement et la canalisation de sortie des gaz d'échappement, lorsque cette soupape est placée dans une position inversant la commande de la canalisation de recirculation des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour le nettoyage de l'échangeur de chaleur, de l'air com- primé est introduit dans la canalisation de recirculation des gaz d'échappement, à partir d'une source d'air comprimé à partir du réseau de bord du véhicule automobile. Selon une autre caractéristique de l'invention, la soupape de recirculation des gaz d'échappement peut être actionnée avec une surpression, un dispositif de commuta- tion étant prévu pour la liaison avec la source d'air com- primé. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'air comprimé de la source d'air comprimé peut être intro- duit entre l'échangeur de chaleur et la soupape de recircu- lation des gaz d'échappement. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 montre une illustration de principe de la recirculation des gaz d'échappement, selon l'inven- tion, pour un moteur à combustion interne, avec nettoyage de l'échangeur de chaleur par l'air de suralimentation; - la figure 2 représente un exemple de réalisa- tion pour un actionnement d'une soupape de recirculation des gaz d'échappement avec de l'air comprimé; - la figure 3 représente un autre exemple de réa- lisation pour un actionnement d'une soupape de recircula- tion des gaz d'échappement avec de l'air comprimé; - la figure 4 montre un exemple de réalisation de principe d'une canalisation d'air comprimé pour le net- toyage de l'échangeur de chaleur par de l'air comprimé pro- venant du réseau de bord; - la figure 5 représente une autre variante d'un guidage d'air comprimé provenant du réseau de bord pour le nettoyage de l'échangeur de chaleur; et - la figure 6 représente une troisième possibi- lité pour le guidage d'air comprimé provenant du réseau de bord pour le nettoyage de l'échangeur de chaleur. L'air de combustion pour un moteur à combustion interne, qui est représenté dans son principe sur la figure 1 avec six cylindres 1, est aspiré à partir d'une canalisa- tion d'aspiration 2, est comprimé dans un compresseur 3 et, après avoir traversé un refroidisseur 4, est envoyé aux cylindres 1 par l'intermédiaire d'une canalisation 5 d'amenée d'air de suralimentation. Une soupape 7 de recir- culation des gaz d'échappement est montée dans une canali- sation 6 de sortie des gaz d'échappement, qui reçoit les gaz d'échappement provenant des cylindres 1. A partir de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement, la cana- lisation 6 de sortie des gaz d'échappement aboutit en outre à une turbine à gaz 24. Une canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement, qui aboutit à un échangeur de cha- leur 9, s'étend en dérivation à partir de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement. La canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement revient en outre, depuis l'échangeur de chaleur 9, à la canalisation 5 d'air de suralimentation. Pendant le fonctionnement normal avec recircula- tion des gaz d'échappement par l'intermédiaire de la cana- lisation 8 de recirculation des gaz d'échappement, lorsqu'une puissance déterminée du moteur est dépassée, la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement se ferme étant donné qu'alors en effet la pression de suralimenta- tion dans la canalisation 5 d'amenée de l'air de suralimen- tation dépasse la pression des gaz d'échappement dans la canalisation 6 de sortie des gaz d'échappement et que, par conséquent, aucun gaz d'échappement ne circule plus dans la canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement. Au contraire, dans ce cas, de l'air frais comprimé contourne- rait les cylindres 1, d'une manière indésirable. Ce cas est alors utilisé volontairement et d'une manière limitée dans le temps pour un nettoyage de l'échangeur de chaleur 9. A cet effet, le système de recirculation des gaz d'échappe- ment est modifié de façon correspondante par l'intermédiaire d'un appareil de commande électronique non représenté de telle sorte que, dans des gammes appropriées du champ de courbes caractéristiques du moteur, de l'air de suralimentation provenant de la canalisation 5 d'amenée de l'air de suralimentation est envoyé par l'intermédiaire de la canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement, à l'échangeur de chaleur 9 en circulant en sens opposé au sens de circulation dans le fonctionnement normal de recir- culation des gaz d'échappement. Cet écoulement en sens opposé permet de refouler des saletés, des substances cor- rosives et un éventuel condensat, par l'intermédiaire de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement, branchée de façon correspondante, dans la canalisation 6 de sortie des gaz d'échappement et, à partir de là, en direction du pot d'échappement. Une solution très simple et bon marché pour iden- tifier l'instant d'un nettoyage nécessaire de l'échangeur de chaleur 9 est une pure commande temporelle, auquel cas un nettoyage est exécuté périodiquement en fonction du nombre d'heures de fonctionnement du moteur. Mais il est plus efficace et également plus com- pliqué de réaliser un contrôle permanent du débit de l'échangeur de chaleur 9 au moyen d'un débitmère, à l'aide duquel on pourrait également régler simultanément la quan- tité des gaz d'échappement remis en circulation. Une autre solution peut consister à installer un capteur de température sur l'échangeur de chaleur 9. Des points de mesure pour ce faire sont prévus dans ce cas au point d'entrée des gaz d'échappement dans l'échangeur de chaleur 9 et au point de sortie de l'échangeur de chaleur et en outre sur le côté entrée du fluide de refroidissement pour l'échangeur de chaleur 9. A partir des trois tempéra- tures déterminées de cette manière, on peut alors calculer le rendement d'échange de l'échangeur de chaleur 9. Des valeurs de consigne du degré d'échange peuvent être intro- duites dans des champs de caractéristiques, dans un appa- reil de commande électronique et être contrôlées en perma- nence. Si le degré d'échange varie, le nettoyage de l'échangeur de chaleur est déclenché. Une autre forme de réalisation imaginable est également un contrôle de la perte de pression dans l'échan- geur de chaleur, et dans ce cas, la pression est mesurée également en amont de l'entrée dans l'échangeur de chaleur et en aval de la sortie hors de l'échangeur de chaleur. La durée du nettoyage de l'échangeur de chaleur peut s'effectuer d'une manière commandée dans le temps. Après l'écoulement de la durée de nettoyage, la soupape 7 de remise en circulation des gaz d'échappement est à nou- veau fermée. Si pendant la phase de nettoyage un besoin accru en air du moteur se présente, par exemple dans le cas d'une accélération intense, la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement peut être à nouveau immédiatement fermée et le nettoyage de l'échangeur de chaleur peut être interrompu, auquel cas la mesure du temps est alors égale- ment arrêtée. Cet état peut être identifié par un appareil de commande. Ensuite, on pourrait retrouver sans problème l'instant d'interruption du nettoyage. Les intervalles de nettoyage pourraient être mémorisés par exemple à des fins de diagnostic dans un appareil de commande. Si les intervalles de nettoyage tom- bent au-dessous de valeurs minimales déterminées, le sys- tème de recirculation des gaz d'échappement est mis hors service au moyen d'une soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement, qui reste fermée de façon permanente. Cet état peut être alors signalé au conducteur au moyen d'un signal d'avertissement. Cela signifie que les caractéris- tiques de déplacement restent alors entièrement conservées et que le moteur émet seulement des émissions élevées inad- missibles d'oxydes d'azote. Pour cette raison, on peut prévoir que, lorsque le système de recirculation des gaz d'échappement tombe en panne, la puissance du moteur soit limitée par une limita- tion de la quantité d'injection de telle sorte que l'émission maximale possible d'oxydes d'azote soit alors identique à l'émission d'oxyde d'azote dans le cas du fonc- tionnement non perturbé avec recirculation des gaz d'échap- pement. Dans la moitié inférieure de la figure 1 et sur les figures 2 à 6, on a représenté des variantes concernant la production d'un air comprimé et de son introduction dans la canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement, ainsi que l'actionnement de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement, avec de l'air comprimé. Dans ce cas, à la place de l'air de suralimentation provenant de la canalisation 5 d'amenée de l'air de suralimentation, on utilise notamment de l'air comprimé provenant du réseau de bord. L'identification et le déclenchement du nettoyage de l'échangeur de chaleur 9 ainsi que les fonctions de com- mande et de contrôle utilisables à cet effet peuvent être exécutées de la même manière que cela a été indiqué précé- demment. Ainsi par exemple dans le cas d'un véhicule uti- litaire, qui est équipé d'un réseau d'air comprimé, il est également possible d'actionner la soupape 7 de recircula- tion des gaz d'échappement avec une surpression, au lieu que ce soit avec une dépression comme cela a été réalisé jusqu'alors habituellement. Mais dans ce cas, pour une pression amont constante délivrée par un réservoir 10 du réseau de bord, utilisé en tant que source d'air comprimé, cette pression doit être modulée au moyen d'une soupape 11 à action proportionnelle, de manière à amener la soupape pneumatique 7 de recirculation des gaz d'échappement dans différentes positions. Ce processus implique une perte d'air comprimé, qui se dégage dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'une sortie 12 du convertisseur de pres- sion électropneumatique ou de la soupape 11 à action pro- portionnelle. Pour réduire ces pertes, on peut prévoir d'installer un dispositif supplémentaire de commutation 13 dans la canalisation d'amenée aboutissant à la soupape 11, ce dispositif facilitant la commande de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement dans les deux états de fonctionnement qui apparaissent le plus fréquemment, à savoir le cas o la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement est totalement ouverte et le cas o elle est totalement fermée, de telle sorte que, au choix: 1. la pression maximale dans le réservoir 10 est envoyée par l'intermédiaire d'une canalisation 14, la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement étant totalement ouverte et aucune fuite n'étant présente, etc., 2. le trajet passant par la canalisation 15 depuis le dis- positif de commutation 3 jusqu'à la soupape 11 à action proportionnelle est libéré, la soupape 7 de recircula- tion ddes gaz d'échappement étant située dans des posi- tions intermédiaires et une fuite étant présente, ou 3. enfin les deux canalisations 14 et 15 restent fermées, la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement étant entièrement fermée et aucune fuite n'étant pré- sente. Dans le cas 2, il est en outre prévu d'envoyer l'air, qui s'évacue sans avoir été utilisé, soit à une canalisation d'aspiration 16 d'un compresseur d'air 17 pour le réservoir 10, soit à la canalisation d'aspiration 2 du compresseur 4. Dans le cas d'utilisations dans des véhi- cules utilitaires, il est en outre important que les pres- sions élevées des gaz d'échappement, qui apparaissent dans le cas du fonctionnement en frein moteur, dans la canalisa- tion 6 de sortie des gaz d'échappement repoussent de façon indésirable la soupape 16 de recirculation des gaz d'échap- pement, qui est fermée, ce qui réduit la pression de frei- nage. Cet état pourrait être éliminé grâce à un positionne- ment approprié des sièges de soupapes ou bien au moyen d'un accroissement de la force de fermeture propre de la soupape 7. Mais si des questions de construction, des rapports déterminés de montage ou une altération de la dynamique de la soupape ou de la capacité de régulation vont à l'encontre de telles solutions, pour éviter cet état qui affecte la sécurité de conduite, il est proposé que lors du freinage, la pression du système présente dans le réservoir 10 est utilisée par l'intermédiaire d'une canalisation 18 comportant une soupape d'arrêt 19, ou bien la pression régnant dans la canalisation 6 de sortie des gaz d'échappe- ment est utilisée par l'intermédiaire d'une canalisation 20 équipée d'une soupape d'arrêt 21 pour accroître la force de fermeture propre de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement. A cet effet, on se reportera à la représen- tation de la figure 2. Une contre-pression est appliquée à la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement à l'encontre de la pression qui règne dans la canalisation 6 de sortie des gaz d'échappement, par les canalisations 20 ou 18 agencées sous la forme de canalisations de commande. Contrairement au fonctionnement de freinage, également pen- dant le fonctionnement lancé, des ondes de pression circu- lant dans la canalisation 6 de sortie des gaz d'échappement peuvent ouvrir de façon indésirable la soupape 7 de recir- culation des gaz d'échappement. En dehors des possibilités décrites précédemment, il est possible en outre dans ce cas d'utiliser la pression de charge au moyen d'une canalisation 22 comportant une soupape d'arrêt 23 pour accroître la force de fermeture propre. Si le siège de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement est agencé conformément à la figure 3, dans des gammes de fonctionnement dans lesquelles aucune recirculation des gaz d'échappement n'est souhaitée, la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement peut être maintenant ouverte non pas par la pression des gaz d'échap- pement, mais par la pression régnant dans la canalisation 5 d'amenée de l'air de suralimentation. C'est pour cette rai- son qu'il est prévu de procéder dans ce cas conformément au paragraphe indiqué précédemment et d'utiliser à nouveau soit la pression de suralimentation pour les cylindres 1 eux-mêmes par l'intermédiaire de la canalisation 22 équipée de la soupape d'arrêt 23, soit la pression du système du réseau de bord par l'intermédiaire de la canalisation 18 équipée de la soupape d'arrêt 19, soit la pression des gaz d'échappement par l'intermédiaire de la canalisation 20 équipée de la soupape d'arrêt 21, pour accroître la force de fermeture propre de la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement. Dans le cas de l'utilisation d'air comprimé pro- venant du réseau de bord et non pas d'air de suralimenta- tion pour nettoyer l'échangeur de chaleur 9, différentes circulations d'air comprimé d'une canalisation d'air com- primé 25 sont possibles, ces circulations d'air comprimé étant illustrées de façon simplifiée sur les figures 4 à 6. Dans une variante correspondant à la figure 4, un organe de fermeture 26, qui est disposé dans la canalisa- tion 8 de recirculation des gaz d'échappement entre l'échangeur de chaleur 9 et la canalisation 5 d'air de sur- alimentation, ferme la canalisation aboutissant à la cana- lisation 5 d'air de suralimentation dès qu'un nettoyage de l'échangeur de chaleur 9 est nécessaire, et ouvre simulta- nément la canalisation d'air comprimé 25. L'air comprimé sortant du réservoir 10 du réseau de bord traverse alors l'échangeur de chaleur 9 et, en passant dans la canalisa- tion 8 de recirculation des gaz d'échappement et en traver- sant la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement, branchée de façon correspondante, pénètre dans la canalisa- tion 6 de sortie des gaz d'échappement et ensuite atteint la turbine à gaz d'échappement 24. Si après avoir traversé l'échangeur de chaleur, l'air comprimé n'est pas introduit dans la canalisation 6 de sortie des gaz d'échappement et dans la turbine à gaz d'échappement, le moteur, notamment son alimentation en air et le changement de charge restent dans une large mesure non influencés pendant le nettoyage. En référence à la figure 5, la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement peut à cet effet, contrairement à la circulation et la pression de l'air com- primé représenté sur la figure 4, rester fermée et l'air comprimé est dérivé de la canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement par l'intermédiaire d'un organe de réglage 27, qui est disposé dans la canalisation 8 de recirculation des gaz d'échappement sur l'échangeur de cha- leur 9 et la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappe- ment, et contourne la turbine à gaz d'échappement 24, au moyen d'une canalisation de dérivation. La figure 6 représente une troisième possibilité de circulation de l'air comprimé pour laquelle on peut pré- voir que l'organe de réglage 27 est ouvert et la soupape 7 de recirculation des gaz d'échappement est fermée, pour le déclenchement du nettoyage de l'échangeur de chaleur 9. L'air comprimé sortant du réservoir 10 du réseau de bord traverse l'échangeur de chaleur 9 et, après avoir quitté la canalisation 7 de recirculation des gaz d'échappement, se mélange à l'air frais présent dans la canalisation 5 d'amenée d'air de suralimentation. Assurément, l'air com- primé circule dans le même sens que dans le cas du fonc- tionnement avec circulation normale des gaz d'échappement, mais le nettoyage est obtenu sur la base de la pression nettement supérieure. Cette variante de la circulation de l'air com- primé fournit l'avantage consistant en ce qu'une post-com- bustion des dépôts dans le refroidisseur, notamment de par- ticules, se produit dans le moteur et que par conséquent une contrainte brusque du système d'échappement est évitée. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne, notamment pour un véhicule automobile, comportant un système de renvoi des gaz d'échappement par l'intermédiaire d'une canalisation de recirculation des gaz d'échappement qui revient à une cana- lisation d'amenée d'air de suralimentation, et dans lequel un échangeur de chaleur (9) est disposé dans la canalisa- tion (8) de recirculation des gaz d'échappement et cette canalisation est raccordée, en dérivation à partir d'une canalisation (6) de sortie des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, à une soupape (7) de recirculation des gaz d'échappement, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (9) peut être nettoyé par un dispositif d'envoi d'air comprimé, qui introduit de l'air comprimé dans la canalisation (8) de recirculation des gaz d'échappement. 2. Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'air comprimé du disposi- tif d'envoi d'air comprimé peut être introduit en sens opposé de la direction d'écoulement des gaz d'échappement. 3. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que de l'air frais placé à une pression d'alimentation peut être introduit depuis la canalisation (5) d'alimentation en air de surali- mentation dans la canalisation (8) de recirculation des gaz d'échappement, par l'intermédiaire d'une soupape (7) de recirculation des gaz d'échappement, qui est disposée entre la canalisation (8) de recirculation des gaz d'échappement et la canalisation (6) de sortie des gaz d'échappement, lorsque cette soupape est placée dans une position inver- sant la commande de la canalisation (8) de recirculation des gaz d'échappement. 4. Moteur à combustion interne selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour le nettoyage de l'échangeur de chaleur (9), de l'air com- primé est introduit dans la canalisation (8) de recircula- tion des gaz d'échappement, à partir d'une source d'air comprimé (10) à partir du réseau de bord du véhicule auto- mobile. 5. Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que la soupape (7) de recircu- lation des gaz d'échappement peut être actionnée avec une surpression, un dispositif de commutation (13) étant prévu pour la liaison avec la source d'air comprimé (10). 6. Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que l'air comprimé de la source d'air comprimé (10) peut être introduit entre l'échangeur de chaleur (9) et la soupape (7) de recirculation des gaz d'échappement.