Brevet FR2814198A1 — publié le 20020322

"Procédé et dispositif de recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion" La présente invention concerne un procédé de gestion de la recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion. L'invention concerne aussi un dispositif de recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion. Les moteurs à combustion interne, et notamment les moteurs diesels ainsi que certains moteurs à essence à allumage commandé, produisent des gaz d'échappement. Les gaz io d'échappement contiennent des substances polluantes toxiques telles que des oxydes d'azote ou NOx. Les oxydes d'azote se forment principalement dans les zones de la chambre de combustion dans lesquelles la richesse du mélange air-carburant est proche du rapport stoechiométrique. La réaction de formation des oxydes d'azote est favorisée par une température élevée. Les normes antipollution applicables aux véhicules automobiles imposent des quantités maximales de substances polluantes rejetées dans l'atmosphère. Pour limiter les rejets et satisfaire aux normes, plusieurs solutions sont proposées. L'une d'entre elles consiste à injecter des gaz brûlés dans la chambre de combustion de cylindres. Ce procédé est appelé recirculation des gaz d'échappement. Ce procédé repose sur les propriétés thermodynamiques des gaz d'échappement qui contiennent une fraction importante de dioxyde de carbone dont la capacité calorifique est supérieure à celle des autres espèces majoritairement présentes dans l'air frais telles que l'azote et l'oxygène. Ainsi, lors du dégagement d'énergie provoqué par combustion du carburant, le dioxyde de carbone absorbe une quantité d'énergie plus importante que celle qui serait absorbée par les autres espèces majoritairement présentes dans l'air frais. Par conséquent la température des gaz dans la chambre de combustion est réduite ce qui diminue fortement la quantité d'oxydes d'azote produite. Pour ce faire, il est connu d'agencer un conduit de recirculation entre le collecteur d'échappement des gaz brûlés et le collecteur d'admission de l'air frais dans les chambres de combustion des cylindres, dans lequel est interposée une vanne de dosage. Cependant, pour certains points de fonctionnement du moteur, la circulation des gaz du collecteur d'échappement vers le collecteur d'admission n'est pas satisfaisante. En effet il est nécessaire, notamment aux faibles régimes, de mettre en oeuvre, en plus de la vanne de dosage, des dispositifs tels que des venturis, des clapets anti-retour, ou des pompes à gaz d'échappement de façon à forcer l'écoulement des gaz du i collecteur d'échappement vers le collecteur d'admission. De tels dispositifs ne permettent pas toujours d'obtenir un résultat satisfaisant, de plus ils sont coûteux et leur fonction- nement nécessite parfois des apports d'énergie qui augmentent sensiblement la consommation de carburant du véhicule. Dans le but de remédier à ces inconvénients, l'invention propose un procédé de gestion de la recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion qui comporte un collecteur d'admission d'air frais dans au moins un cylindre et un collecteur d'échappe- ment des gaz brûlés qui est relié au collecteur d'admission par un conduit de recirculation dans lequel est interposée une vanne mobile commandée, entre une position ouverte et une position fermée de façon à permettre, ou non respectivement, la circulation de gaz entre le collecteur d'échappement et le collecteur d'admission, caractérisé en ce que la vanne est en position fermée lorsque la pression des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement est inférieure à la pression dans le collecteur d'admission et qu'on commande l'ouverture puis la fermeture de la vanne lorsque la pression des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement est supérieure ou égale à la pression dans le collecteur d'admission de façon à ne permettre circulation des gaz brûlés que du collecteur d'échappement vers la chambre de combustion du cylindre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - on commande l'ouverture de la vanne lorsque la pression dans le collecteur d'échappement augmente et devient égale à la pression dans le collecteur d'admission; - on commande la fermeture de la vanne lorsque la pression dans le collecteur d'échappement diminue et devient io égale à la pression dans le collecteur d'admission; - la pression des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement et/ou la pression de l'air frais dans le collecteur d'admission sont déterminées à partir d'une information représentative d'un paramètre du moteur; - ledit paramètre du moteur est le régime du moteur - ledit paramètre du moteur est la position angulaire du vilebrequin. L'invention propose aussi un dispositif de recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion du type qui comporte un conduit de recirculation qui relie un collecteur d'échappement des gaz brûlés et la chambre d'au moins un cylindre du moteur et, dans lequel est interposée une vanne mobile qui est commandée selon le procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne mobile est actionnée par un dispositif électromagnétique permettant l'ouverture et la fermeture de la vanne mobile plusieurs fois par tour du moteur. Selon d'autres caractéristiques du dispositif selon l'invention: - le conduit de recirculation relie le collecteur d'échappement des gaz brûlés au collecteur d'admission de la chambre du cylindre; - un dispositif mélangeur de l'air frais et des gaz brûlés est interposé dans le conduit de recirculation, entre le collecteur d'échappement et la chambre de combustion du cylindre; - un dispositif de refroidissement des gaz d'échappement brûlés est interposé dans le conduit de recirculation entre le collecteur d'échappement et la chambre du cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente de façon schématique un moteur à combustion équipé d'un circuit de recirculation des gaz brûlés; - la figure 2 représente l'évolution de la pression dans le collecteur d'échappement, ainsi que l'évolution de la pression dans le collecteur d'admission; - la figure 3 est une vue en coupe d'une vanne commandée permettant la circulation des gaz brûlés du collecteur d'échappement vers le collecteur d'admission du moteur à combustion; - la figure 4 est une vue similaire à celle représentée à la figure 1, le moteur étant équipé, notamment d'un turbo- compresseur, d'un dispositif mélangeur des gaz recirculés avec lI'air frais, ainsi que de dispositifs refroidisseurs de gaz. La figure 1 représente schématiquement un dispositif 10 de recirculation des gaz brûlés qui comporte principalement un moteur à combustion 12 qui comporte ici six cylindres comportant chacun une chambre de combustion 14. Un collecteur d'admission 16 permet d'introduire dans chaque chambre de combustion 14 de l'air frais provenant de l'atmosphère. Le dispositif 10 comporte ici, en vis-à-vis du collecteur d'admission 16, un collecteur d'échappement 18 qui permet d'évacuer, vers une tubulure d'échappement 20, les gaz brûlés qui sont expulsés des chambres de combustion par les pistons du moteur 12. Un dispositif de traitement, non représenté, tel qu'un filtre à particules ou un piège à oxydes d'azote, peut être interposé dans la tubulure d'échappement 20, de façon à diminuer la quantité de substances polluantes rejetée dans l'atmosphère. De façon connue, le dispositif de recirculation 10 comporte aussi un conduit 22 de recirculation qui relie le collecteur d'échappement 18 des gaz brûlés au collecteur 16 d'admission d'air frais. Ici, le conduit 22 de recirculation relie une première branche aval 24 du collecteur d'échappement 18, qui permet la recirculation des gaz brûlés de trois chambres de combustion 14, io vers l'extrémité libre amont du collecteur d'admission 16. De façon à permettre la recirculation des gaz brûlés de toutes les chambres de combustion 14, le dispositif peut comporter un second conduit de recirculation, non représenté, qui relie une seconde branche aval 26 du collecteur d'échappement 18, et qui permet la recirculation des gaz brûlés des trois autres chambres de combustion 14, vers l'extrémité amont libre du collecteur d'admission 16. Selon des variantes, non représentées, le collecteur d'admission 16 et/ou le collecteur d'échappement 18 comportent un point de raccordement ou une bifurcation sur l'une de leurs ramifications 28 ou 30 respectivement. Dans ce cas, le dispositif de traitement 10 peut comporter autant de conduits 22 de recirculation qu'il est nécessaire pour que des gaz brûlés puissent être introduits dans chacune des chambres de combustion 14. Le conduit 22 peut aussi déboucher directement dans une chambre 14 du moteur 12. Une vanne 40 est interposée dans le conduit 22. La vanne est commandée, entre une position ouverte et une position fermée de façon à permettre, ou non respectivement, la 3o circulation des gaz brûlés entre le collecteur d'échappement 18 et le collecteur 16 d'admission d'air frais. De façon à remédier aux inconvénients mentionnés précédemment, l'invention propose que la vanne 40 commandée soit en position fermée lorsque la pression dans le collecteur d'échappement 18 est inférieure à la pression dans le collecteur d'admission 16 et qu'elle soit en position ouverte lorsque la pression dans le collecteur d'échappement 18 est supérieure ou égale à la pression dans le collecteur d'admission 16, de façon que les gaz brûlés ne circulent que du collecteur d'échappement 18 vers le collecteur d'admission 16. La figure 2 représente l'évolution de la pression P1 dans le collecteur d'admission 16, ainsi que la pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 en fonction de l'angle de rotation ce du vilebrequin du moteur 12. L'évolution de la pression P1 dans le collecteur d'admission 16 et la pression P2 dans le collecteur d'échappe- ment 18 est ici représentée sur deux tours du vilebrequin pour le circuit 22 qui relie la première branche aval 24 du collecteur d'échappement 18 et le collecteur d'admission 16, conformément à la figure 1. Pour déterminer la pression des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement 18 et/ou la pression de l'air frais dans le collecteur d'admission 16, il est possible d'utiliser des capteurs de pression situés dans la première branche aval 24 du collecteur d'échappement 18 et dans le collecteur d'admission 16 respectivement. Selon l'invention, il est aussi possible de déterminer les pressions P1, P2 à partir d'une information représentative d'un paramètre de fonctionnement du moteur, tel que le régime du moteur ou la position angulaire du vilebrequin. En effet, de tels paramètres peuvent être utilisés pour la gestion ou la commande d'autres dispositifs du moteur 10 ou du véhicule. Un système de calcul permet, à partir de ces paramètres, de déterminer les pressions P1, P2 régnant dans le collecteur d'admission 16 et le collecteur d'échappement 18 respectivement. La pression P1 dans le collecteur d'admission 16 est sensiblement constante alors que la pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 présente de fortes variations. On distingue alors deux phases. Au cours d'une première phase désignée par la référence PH1, la pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 est supérieure à la pression P1 dans le collecteur d'admission 16. Elle est représentée sur la figure 2 par trois pics de pression qui correspondent chacun à l'ouverture de la ou des soupapes d'échappement de chacune des chambres 14 reliées à la première branche aval 24. Lorsque la vanne 40 est en position ouverte, les gaz brûlés 1o circulent alors du collecteur d'échappement 18 vers le collecteur d'admission 16. Au cours d'une seconde phase désignée par la référence PH2, la pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 est inférieure à la pression P1 dans le collecteur d'admission 16. Dans ce cas, si la vanne commandée 40 est en position ouverte, le flux des gaz situés à l'intérieur du conduit 22 de recirculation a tendance à se déplacer du collecteur d'admission 16 vers le collecteur d'échappement 18. Une telle circulation ne permet pas d'assurer un contrôle optimal de la quantité des gaz brûlés qui doit être réintroduite dans les chambres de combustion 14 de façon à réduire au maximum la production d'oxydes d'azote tout en assurant la stabilité de la combustion. De plus, la circulation de gaz du collecteur d'admission 16 vers le collecteur d'échappe- ment 18 ne permet pas, dans certains cas, la réintroduction du débit maximal de gaz brûlés dans les chambres de combustion 14. La vanne 40 est alors commandée tel que décrit précé- demment de façon à supprimer tout risque de circulation des gaz dans le conduit 22, dirigée du collecteur d'admission 16 vers le collecteur d'échappement 18. La vanne commandée 40 doit présenter un temps de réponse très faible de façon à s'ouvrir et se fermer sur quelques degrés d'angle du vilebrequin. En effet, la précision de la quantité des gaz brûlés recirculés dépend de la rapidité de l'ouverture et de la fermeture de la vanne commandée 40. De plus, plus le temps de réponse de la vanne 40 est faible, plus la quantité des gaz brûlés recirculés peut être importante. En effet, plus l'ouverture et la fermeture sont rapides, plus la durée pendant laquelle la vanne est en positon ouverte d'ouverture peut être longue. Le dispositif de recirculation 10 selon l'invention est particulièrement avantageux lors d'un fonctionnement du moteur à faible régime et à forte charge. En effet, c'est dans ce cas que les io surfaces S1, hachurées sur la figure 2, sont représentatives de la quantité maximale des gaz brûlés qui sont soumis à une pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 supérieure à la pression P1 qui règne dans le collecteur d'admission 16, sont les plus petites. La quantité des gaz brûlés recirculée pour diminuer de façon optimale la production d'oxydes d'azote peut être sensiblement égale à ladite quantité maximale. De façon à permettre la recirculation de la quantité maximale des gaz brûlés, I'invention propose qu'on commande lI'ouverture de la vanne 40 à l'instant 10, c'est à dire lorsque la pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 augmente et devient égale à la pression P1 dans le collecteur d'admission 16, de façon que la vanne 40 soit ouverte dés que la différence de pression entre le collecteur d'échappement 18 et le collecteur d'admission 16 permet la circulation des gaz brûlés du collecteur d'échappement 18 vers le collecteur d'admission 16. De façon à anticiper l'évolution de la pression dans le collecteur d'échappement 18, I'instant d'ouverture de la vanne 40 peut être légèrement anticipé par rapport à l'instant d'ouverture 10 indiqué à la figure 2. De plus, on commande la fermeture de la vanne 40 à l'instant de fermeture IF, c'est-à-dire lorsque la pression P2 dans le collecteur d'échappement 18 diminue et devient égale à la pression P1 dans le collecteur d'admission 16 de façon que la vanne 40 soit fermée dés que la différence de pression entre le collecteur d'échappement 18 et le collecteur d'admission 16 permet plus la circulation des gaz brûlés du collecteur d'échappement 18 vers le collecteur d'admission 16. La fermeture de la vanne 40 peut être légèrement retardée par rapport à l'instant de fermeture IF, représenté à la figure 2, de façon à prendre en compte l'inertie des gaz brûlés se déplaçant dans le conduit 22 et à arrêter l'écoulement des gaz dans le conduit 22, lorsque le sens de déplacement des gaz brûlés io s'inverse. Lorsque la quantité optimale des gaz brûlés à recircuter est inférieure à la quantité maximale des gaz brûlés qu'il est possible de réintroduire dans les chambres de combustion 14, lorsque la vanne commandée 40 est ouverte à l'instant 10 et est fermée à i l'instant IF, I'ouverture et la fermeture de la vanne 40 sont pilotées par un dispositif de commande 41, de façon à être progressive pour que la quantité des gaz brûlés recirculée corresponde à la quantité optimale des gaz brûlés à recirculer. Pour obtenir le même résultat, les instants d'ouverture 10 et de fermeture IF peuvent aussi être décalés à l'intérieur de la première phase PH1, c'est-à-dire qu'ils peuvent être retardés ou anticipés par rapport à l'instant d'ouverture 10 ou à l'instant de fermeture IF respectivement. Les instants d'ouverture 10 et de fermeture IF peuvent aussi être décalés à l'extérieur de la première phase PH1 permettant ainsi la circulation de gaz du collecteur d'admission 16 vers le collecteur d'échappement 18 réduisant ainsi la quantité de gaz brûlés recirculés. Les instants d'ouverture 10 et de fermeture IF de la vanne 40 peuvent varier de la situation vanne maintenue fermée jusqu'à la position vanne maintenue ouverte. Selon l'invention, la vanne mobile 40 est actionnée par un dispositif électromagnétique 42. La vanne mobile 40 peut aussi être actionnée par un dispositif électrique ou électrohydraulique, non représenté. De tels types de commande permettent un actionnement très rapide de la vanne 40. La figure 3 représente un exemple de dispositif électro- magnétique 42 qui est similaire à ceux utilisés dans les moteurs sans arbre à cames dit de type camless. L'utilisation d'un tel dispositif électromagnétique 42 d'actionnement présente un temps de réponse très faible. Le dispositif électromagnétique 42 se compose principa- lement d'un corps 44 de forme générale cylindrique qui est io coaxial à l'axe X-X d'un organe mobile 46 de la vanne 40 qui obture, ou non, le conduit 22 de recirculation de façon à permettre, ou non respectivement, la circulation des gaz brûlés entre le collecteur d'échappement 18 et le collecteur d'admission 16. Le corps 44 peut être fixé sur la culasse du moteur 10 par des i5 vis non représentées. Le corps 44 renferme deux électro-aimants supérieur 48 et inférieur 50 qui sont susceptibles d'agir sur un plateau d'actionnement en forme de disque 52 qui est monté serti à l'extrémité supérieure 54 d'une tige 56 d'actionnement de l'organe mobile 46. Le dispositif électromagnétique 42 comporte aussi deux ressorts d'actionneur. Le premier 58 supérieur est interposé axialement entre la face supérieure 60 du disque 52 et une paroi supérieure 62 du dispositif 42. Le second ressort 64 inférieur est interposé axialement entre la face inférieure 66 du disque 52 et une paroi inférieure 68 du dispositif 42. Lors du fonctionnement de la vanne commandée 40, un champ magnétique contrôlé par le dispositif de commande 41 est produit entre les deux électro-aimants supérieur 48 et inférieur 50 de façon à entraîner le disque 52 ainsi que l'organe mobile 46 dans une position haute ou une position basse permettant, ou non respectivement, l'obturation du conduit de recirculation 22. Il La valeur du champ magnétique, ainsi que son orientation, permet de piloter l'ouverture et la fermeture de la vanne 40, c'est à dire la vitesse de déplacement de la vanne 40, ainsi que sa position. Dans certains cas, la vanne 40 n'est pas ouverte complètement de façon à obturer partiellement le conduit de recirculation 22 et à limiter la quantité des gaz brûlés recirculés. Selon une variante représentée à la figure 4, le conduit 22 de recirculation relie l'extrémité aval libre d'une première branche du collecteur d'échappement 18 à l'extrémité amont libre du 0o collecteur d'admission 16. De façon symétrique et non représenté sur le schéma un second circuit peut relier la seconde branche du collecteur d'échappement 18 à l'extrémité amont libre du collecteur d'admission 16. Dans ce cas, au cours de deux tours de vilebrequin, il se produit six premières phases PH1, chacune s5 suivie d'une seconde phase PH2, c'est-à-dire une séquence de première phase PH1 - seconde phase PH2 pour l'ouverture des soupapes d'échappement de chaque chambre de combustion 14. De façon à favoriser le mélange des gaz brûlés circulant dans le conduit 22 et de l'air frais, un dispositif 70 mélangeur de gaz est agencé au point de raccordement entre le collecteur d'admission 16 et le conduit 22. Ainsi, le mélange constitué des gaz d'échappement et de l'air frais est plus homogène en composition et en température lors de son entrée dans les chambres de combustion 14. De façon à diminuer la température des gaz brûlés qui sont mélangés avec l'air frais, pour diminuer la température dans les chambres de combustion 14 et, par conséquent, la formation d'oxydes d'azote, un dispositif 72 refroidisseur de gaz est disposé dans le conduit 22 de recirculation. Ici, le refroidisseur 72 est disposé en aval de la vanne 40 commandée, elle est alors appelée vanne chaude. Cependant le refroidisseur 72 peut être disposé en amont de la vanne 40 commandée qui est alors appelée vanne froide. Conformément à la figure 4, le moteur 10 comporte un turbocompresseur 74 qui se compose d'un compresseur 76 qui met sous pression l'air frais atmosphérique et une turbine 78 qui est agencée dans la tubulure d'échappement 20 et qui fournit5 I'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur 76. La compression de l'air atmosphérique dans le compresseur 76 provoque une augmentation de sa température. De façon à limiter la température des gaz injectés dans lesio chambres de combustion 14 ainsi que la formation d'oxydes lors de la combustion, le conduit d'admission 80 qui relie le compresseur 76 au collecteur d'admission 16 comporte un dispositif 82 refroidisseur d'air. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion de la recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion (12) qui comporte un collecteur d'admission (16) d'air frais dans au moins un cylindre et un collecteur d'échappement (18) des gaz brûlés qui est relié au collecteur d'admission (16) par un conduit de recirculation (22) dans lequel est interposée une vanne (40) mobile commandée, entre une position ouverte et une position fermée de façon à permettre, ou non respectivement, la circulation de gaz entre le io collecteur d'échappement (18) et le collecteur d'admission (16), caractérisé en ce que la vanne (40) est en position fermée lorsque la pression des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement (18) est inférieure à la pression dans le collecteur d'admission (16) et qu'on commande l'ouverture puis la fermeture de la vanne (40) lorsque la pression des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement (18) est supérieure ou égale à la pression dans le collecteur d'admission (16) de façon à ne permettre circulation des gaz brûlés que du collecteur d'échap- pement (18) vers la chambre de combustion (14) du cylindre. 2. Procédé de gestion de la recirculation des gaz brûlés selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on commande l'ouverture de la vanne (40) lorsque la pression (P2) dans le collecteur d'échappement (18) augmente et devient égale à la pression (P1) dans le collecteur d'admission (16). 3. Procédé de gestion de la recirculation des gaz brûlés selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on commande la fermeture de la vanne (40) lorsque la pression (P2) dans le collecteur d'échappement (18) diminue et devient égale à la pression (P1) dans le collecteur d'admission (16). 4. Procédé de gestion de la circulation des gaz brûlés selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression (P2) des gaz brûlés dans le collecteur d'échappement (18) et/ou la pression (P1) de l'air frais dans le collecteur d'admission (16) sont déterminées à partir d'une information représentative d'un paramètre du moteur (12). 5. Procédé de gestion de la circulation des gaz brûlés selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit paramètre du moteur (12) est le régime du moteur. 6. Procédé de gestion de la circulation des gaz brûlés selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit paramètre du moteur (12) est la position angulaire (cc) du vilebrequin. 7. Dispositif de recirculation (10) des gaz brûlés d'un moteur à combustion du type qui comporte un conduit de recirculation (22) qui relie un collecteur d'échappement (18) des gaz brûlés et la chambre de combustion (14) d'au moins un cylindre du moteur (12) et, dans lequel est interposée une vanne i5 (40) mobile qui est commandée selon le procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne (40) mobile est actionnée par un dispositif (42) électromagnétique permettant l'ouverture et la fermeture de la vanne (40) mobile plusieurs fois par tour du moteur. 8. Dispositif de recirculation (10) des gaz brûlés d'un moteur (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le conduit de recirculation (22) relie le collecteur d'échappement (18) des gaz brûlés au collecteur d'admission (16) de la chambre de combustion (14) du cylindre. 9. Dispositif de recirculation (10) des gaz brûlés d'un moteur (12) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'un dispositif (70) mélangeur de l'air frais et des gaz brûlés est interposé dans le conduit de recirculation (22), entre le collecteur d'échappement (18) et la chambre de combustion (14) 3o du cylindre. 10. Dispositif de recirculation (10) des gaz brûlés d'un moteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'un dispositif (72) de refroidissement des gaz d'échappement brûlés est interposé dans le conduit de recirculation (22) entre le collecteur d'échappement (18) et la chambre de combustion (14) du cylindre.