Brevet FR2835289A1 — publié le 20030801

SP 20067 AP DESCRIPTION La présente invention se rapporte d'une façon générale à des systèmes de moteurs à combustion à allumage par compression à charge homogène et, plus particulièrement, à un système de moteur à combustion à allumage par compression à charge homogène qui peut étre utilisé dans un véhicule de série. Des ingénieurs et des scientifiques dans le domaine de la technologie de la combustion effectuent des recherches sur des moteurs à allumage par compression à charge homogène (moteurs HCCI) du fait qu'ils présentent plusieurs avantages non disponibles actuellement avec d'autres technologies de moteur à combustion. Les moteurs HCCI sont considérés comme étant un hybride de moteurs alimentés à l'essence à allumage par étincelle classiques et de moteurs alimentés au gazole à allumage par compression. Il. s ont le potentiel de satisfaire de s normes élevoes de véhicules à très faible émission tout en procurant une génération de puissance à rendement élevé. Une combustion HCCI est obtenue lorsque de l'air, du carburant et du gaz d'échappement recyclé sont mélangés de manière homogène, comprimés et autoallumés. Plus particulièrement, une combustion a lieu spontanément et de façon homogène sans propagation de flamme. En d'autres termes, il n'y a aucun front de flamme discernable et aucune région de réaction à température élevée localisée. En outre, ceci est un procédé de combustion en mélange pauvre. Tous ces facteurs contribuent à une température de flamme locale inférieure et de ce fait, à des quantités inférieures d'oxydes d'azote (NOX) et de matière en particules dans les émissions. Dans le domaine automobile, il y a plusieurs obstacles qui doivent étre surmontés avant que des moteurs HCCI soient utilisés sur des véhicules de série. Les principaux obstacles comprennent une faible densité de puissance, une difficulté à commander le début de la combustion, des taux élevés de libération de chaleur, et des émissions élevées d'hydrocarbures (HC) et de monoxyde de carbone (CO). Parmi ceux-ci, le défi principal est la commande de la mise en phase de l'autoallumage et de la combustion. Le début de l'allumage est établi par la chimie d'autoallumage du mélange air carburant, qui est influencé significativement par l'historique tempstempérature auquel le mélange est exposé. I1 a été montré que le procédé le plus efficace pour la commande de la mise en phase de la combustion consiste à moduler la température de l'air d'admission. Actuellement, un dispositif de chauffage électrique est utilisé pour réguler la température de l 'air d'admi ssion. I1 n'est pas souhaitable d'util i ser un di spo sitif de chanffage électrique sur un véhicule de série du fait que la chaleur engendrée par le dispositif de chauffage électrique provient soit de la sortie du moteur, ce qui diminuera le rendement thermique global du moteur, soit d'une alimentation extérieure, qui ne peut étre utilisce qu'en laboratoire. La présente invention surmonte les inconvénients des systèmes antérieurs de moteurs à allumage par compression à charge homogène. Ce système peut être utilisé dans un véhicule de série du fait qu'il utilise la chaleur provenant de sources existantes pour chanffer l'air pénétrant dans le moteur. En particulier, la chaleur provenant du liquide de refroidissement du moteur, la chaleur dégagée par les réactions catalytiques et 1a chaleur du gaz d'échappement libéré depuis le moteur, sont utilisées. En fait, la chaleur générée à partir de ces composantes est habituellement gaspillée. Le système décrit ci dessus ne nécessite pas de dispositif de chauffage électrique externe pour commander la température de l'air pénétrant dans le moteur. A cet effet, I'invention a pour objet un système de moteur à allumage par compression à charge homogène destiné à commander la température de l'air pénétrant dans un moteur à allumage par compression à charge homogène, système caractérisé en ce qu'il comprend: un échangeur de chaleur hautement intégré positionné après le moteur et comprenant une chambre de réaction de catalyseur, un serpentin pour liquide de refroidissement contenant un liquide de refroidissement positionné de façon adjacente à la chambre de réaction de catalyseur, et une unité d'échange de chaleur en communication avec la chambre de réaction de catalyseur, dans lequel l'échangeur de chaleur hautement intégré comprend un premier passage et un second passage, une entrée pour le premier passage est positionnée en vue de recevoir le gaz d'échappement provenant du moteur, diriger le gaz d'échappement au travers de la chambre de réaction de catalyseur, au travers de l'unité d'échange de chaleur, et hors d'une sortie du premier trajet, une entrée pour le second trajet est positionnée en vue de recevoir de l'air frais, d'orienter l'air frais autour de la chambre de réaction de catalyseur et du serpentin pour liquide de refroidissement pour chanffer l 'air frai s à une température de préchauffage, diriger l' air préchauffé au travers de l'unité d'échange de chaleur pour chauffer l'air préchauffé à une température de chauffage finale, et diriger l'air chauffé à la température finale hors d'une sortie du second passage et dans une entrée dans le moteur. Selon une première caractéristique de l'invention, le système de moteur comprend un clapet de commande de température d' admission po sitionné avant le moteur, le cl apet de commande de température d'admission comprenant une première entrée pour de l'air frais, une seconde entrée pour de l'air chauffé, et une sortie destinée à diriger un mélange d'air frais et d'air chauffé dans le moteur. Avantageusement, la sortie du second passage de l'échangeur de chaleur hautement intégré est reliée à la seconde entrée du clapet de commande de température d'admission. Par ailleurs, ledit système de moteur peut comprendre en outre un détecteur de température positionné entre le clapet de commande de température d'admission et le moteur, destiné à détecter la température du mélange d'air frais et d'air chauffé pénétrant dans le moteur, un dispositif de commande qui est en communication avec le détecteur de température, destiné à détecter la température du mélange d'air frais et chanffé, et commande de façon précise et rapide le clapet de commande de température d'admission de sorte que la température du mélange d'air frais et chauffé reste à l'intérieur d'une plage prédétermince. Comme cela ressort de ce qui précède, l'invention concerne un système de moteur à allumage par compression à charge homogène est décrit, destiné à commander la température de l'air pénétrant dans le moteur. Le système comprend une jonction en Y. un clapet de commande de la température d'admission, un moteur à allumage par compression à charge homogène et un échangeur de chaleur hautement intégré. L'échangeur de chaleur hautement intégré comprend en outre une chambre de réaction de catalyseur, un serpentin pour liquide de refroidissement qui est positionné de façon adjacente à la chambre de réaction de catalyseur et une unité d'échange de chaleur. La jonction en Y et le clapet de commande de température d'admission sont positionnés avant le moteur. L'échangeur de chaleur hautement intégré est positionné après le moteur. De l 'air frais est aspiré dans le système par l' intermédiaire du papillon des gaz du moteur dans la jonction en Y. La jonction en Y dirige une partie de l'air frais dans le clapet de commande de température d'admission et le reste de l'air frais vers l'échangeur de chaleur hautement intégré. De ce fait, la jonction en Y comprend une première sortie et une seconde sortie. L'air qui s'écoule ensuite vers la soupape d'admission sort de la jonction en Y par la première sortie et l'air qui s'écoule ensuite vers l'échangeur de chaleur hautement intégré sort de la jonction en Y par la seconde sortie. L'échangeur de chaleur hautement intégré est positionné en aval du moteur à allumage par compression à charge homogène ou après celui-ci. L'échangeur de chaleur hautement intogré est constitué de deux passages. Le contenu des deux passages reste séparé dans tout le système. L'entrée pour le premier passage est positionnée en vue de recevoir le gaz d'échappement provenant du moteur. Tout d'abord, le gaz d'échappement est dirigé au travers de la chambre de réaction de catalyseur. Deuxièmement, le gaz d'échappement est dirigé au travers de l'unité d'échange de chaleur. L'unité d'échange de chaleur est S positionnée de façon adjacente à la chambre de réaction de catalyseur. Troisièmement, le gaz d'échappement est dirigé hors du premier passage par la sortie du premier passage. L'entrée pour le second passage reçoit l'air frais qui est passé par la seconde sortie de la jonction en Y. Tout d'abord, l'air frais est dirigé autour de la chambre de réaction de catalyseur et du serpentin pour liquide de refroidissement de sorte qu'il est chauffé à une température de préchauffage. Deuxièmement, l'air préchauffé est dirigé au travers de l'unité d'échange de chaleur pour chauffer davantage l'air préchauffé à une température de chanffage finale. Troisièmement, l'air chauffé à la température finale est dirigé hors d'une sortie du second passage. La sortie du second passage est reliée au clapet de commande de température d'admission. De ce fait, l'air chanffé est alors renvoyé dans le clapet de 1 S commande de température d'admission. Le clapet de commande de température d'admission comprend deux entrces. La première entrée reçoit de l'air frais. La seconde enkée reçoit l'air chauffé provenant de l'échangeur de chaleur hautement intégré. Le clapet de commande de température d'admission comprend une sortie à partir de laquelle le mélange d'air frais et chanffé est dirigé dans le moteur à allumage par compression à charge homogène. Dans un autre aspect de la présente invention, un procédé de commande de la température de l'air pénétrant dans un moteur à allumage par compression à charge homogène est décrit. Le procédé comprend les étapes consistant à: A) chauffer de l'air frais par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur hautement intégré qui extrait de la chaleur de l'échappement du moteur, l'échangeur de chaleur hautement intogré comprenant une chambre de réaction de catalyseur et une unité d'échangeur de chaleur, B) diriger l'air chauffé vers un clapet de commande de température d'admission qui est positionné en amont du moteur, C) mélanger l'air chauffé à de l'air frais non chauffé pour obtenir un mélange d'air frais chauffé et non chauffé qui se trouve à une température prédéterminée, D) diriger le mélange d'air chauffé et d'air frais non chauffé dans le moteur, et E) diriger l'échappement provenant du moteur au travers de l'échangeur de chaleur hautement intégré. L'invention sera maintenant décrite davantage, à titre d'exemple, sur la base des figures suivantes: La figure 1 est une vue simplifiée d'un mode de réalisation de la présente invention, La figure 2 est une vue simplifiée de l'échangeur de chaleur hautement intégré, La figure 3 est une vue simplifiée du clapet de commande de température d' admis sion avec un moteur pas-à-pas modulé par fréquence d' impulsions, et La figure 4 est une organigramme du procédé de la présente invention. La description suivante du mode de réalisation préLéré de l'invention n'est pas prévue limiter l'invention à ce mode de réalisation préféré, mais plutôt permettre à l'homme de l' art de systèmes de moteurs à allumage par compression à charge homogène de réaliser et d'utiliser cette invention. Comme représenté sur la figure 1, le système de moteur à allumage par compression à charge homogène, indiqué d'une façon générale en 20, comprend une jonction en Y 22, un clapet de commande de température d'admission 24, un moteur à allumage par compression à charge homogène 26 et un échangeur de chaleur hautement intégré, indiqué d'une façon générale en 28. Ce système entier 20 peut étre utilisé dans un véhicule de série. Dans un véhicule, il y a également un papillon des gaz 21 positionné avant la jonction en Y 22. La jonction en Y 22 et le clapet de commande de température d'admission 24 sont positionnés en amont du moteur 26 ou avant celui-ci, et 1'échangeur de chaleur hautement intégré 28 est positionné en aval du moteur 26 ou après celui-ci. Les traits pleins sur la figure 1 représentent le trajet de l'écoulement de gaz dans le système 20. Le trait en pointillé représente l'écoulement de liquide dans le système 20. Le trait interrompu représente le trajet des signaux électriques/électroniques à l'intérieur du système 20. La jonction en Y 22 comprend une entrée 32 destinée à recevoir de l'air et deux sorties 34, 36. La première sortie 34 dirige l'air frais vers le clapet de commande de température d'admission 24. La seconde sortie 36 dirige l'air frais vers l'échangeur de chaleur hautement intogré 28. Comme représenté sur la figure 2, l'échangeur de chaleur hautement intégré 28 comprend une chambre de réaction de catalyseur 38, un serpentin pour liquide de refroidissement 40 qui est positionné de façon adjacente à la chambre de réaction de catalyseur 38 et une unité d'échange de chaleur 42 en communication avec la chambre de réaction de catalyseur 38 et intégrée à celle-ci. De prétérence, le catalyseur dans la chambre de réaction de catalyseur 38 est un catalyseur trois voies. L'unité d'échange de chaleur 42 est une unité d'échange gaz-gaz du fait que la chaleur provenant du gaz d'échappement est utilisée pour chanffer l'air frais. Le serpentin pour liquide de refroidissement 40 encercle la chambre de réaction de catalyseur 38 au moins une fois. Dans un mode de réalisation préféré, le serpentin pour liquide de refroidissement 40 contient du liquide de retroidissement de moteur qui a été mis en circulation dans le moteur 26. De ce fait, le liquide de retroidissement est à une température élevée. Le liquide de refroidissement de moteur sort du moteur 26 au niveau d'une sortie de liquide de refroidissement de moteur 27 et pénètre dans l'échangeur de chaleur hautement intégré 28 par une entrée 29. Le liquide de retroidissement de moteur sort de l'échangeur de chaleur hautement intégré par une sortie 31. Le serpentin pour liquide de refroidissement remplit deux fonctions. La première fonction implique le chauffage de 1'air frais à une température de préchauffage. La seconde fonction implique la garantie que la chambre de réaction de catalyseur ne dépasse pas une certaine plage de températures. L'échangeur de chaleur hautement intégré 28 comprend deux passages 44, 46. Le premier passage 44 est destiné au gaz d'échappement sortant du moteur à allumage par compression à charge homogène 26. Le gaz d'échappement pénètre dans l'entrée du premier passage 48 et est dirigé au travers de la chambre de réaction de catalyseur 38. De la chaleur est générée lorsque le gaz d'échappement réagit avec le catalyseur. Ensuite, le gaz d'échappement est dirigé au travers de l'unité d'échange de chaleur 42. Enfin, le gaz d'échappement est dirigé hors de la sortie du premier passage 50. Le second passage 46 est destiné à l'air frais qui est dirigé hors de la seconde sortie de la jonction en Y 36. L'air frais pénètre dans le second passage 46 par l'intermédiaire de l'entrée du second passage 52. L'air frais est dirigé autour de la chambre de réaction de catalyseur 38 et du serpentin pour liquide de refroidissement 40. L'air frais est préchauffé lorsqu'il vient en contact avec l'extérieur de la chambre de réaction de catalyseur 38. Un échange de chaleur liquide-gaz se produit lorsque l'air frais vient en contact avec le serpentin pour liquide de refroidissement 40. Ceci amène l'air frais à être chanffé à une température de préchauffage. L'air préchauffé est ensuite dirigé au travers de l'unité d'échange de chaleur 42. Ceci amène l'air préchanffé à étre davantage chauffé à une température de chauffage finale. L'air chauffé à la température finale sort d'une sortie du second passage 54 et est renvoyé vers le clapet de commande de température d'admission 24. I1 est important de noter que le contenu du premier passage 44 est à tout moment séparé du contenu du second passage 46 dans l'échangeur de chaleur hautement intégré 28. Comme représenté sur la figure 3, le clapet de commande de température d'admission 24 comprend deux entrées 56, 58. Lapremière entrée 56 reçoit l'air frais provenant de la première sortie 34 de la jonction en Y. et la seconde entrée 58 reçoit l'air chauffé provenant de la sortie du second passage 54 de l'échangeur de chaleur hautement intégré. Le clapet de commande de température d'admission 24 comprend une sortie 60 qui dirige un mélange de l'air frais non chauffé et de l'air chanffé dans le moteur 26. Dans un mode de réalisation, le clapet de commande de température d'admission 24 est un clapet de positionnement entrané par un moteur pasà-pas modulé par fréquence d'impulsions 100. De préLérence, le temps de réponse du clapet de commande de température d' admi ssion est inférieur à cent milli secondes pour sai sir les conditions transitoires du moteur, et il devra présenter une relation linéaire entre la température requise et l'angle du clapet de commande en vue d'une commande de précision de la température. Le système 20 comprend également un détecteur de température 62 et un dispositif de commande 64. Le détecteur de température 62 est positionné entre le clapet de commande de température d'admission 24 et le moteur 26. Le détecteur 62 détecte la température du mélange d'air frais chanffé et non chauffé avant de pénéker dans le moteur 26. Le dispositif de commande 64 est en communication avec le détecteur de température 62 grâce à la détection de la température du mélange d'air frais chauffé et non chauffé. Le dispositif de commande 64 commande également la position angulaire du clapet de commande de température d'admission 24 de sorte que la température du mélange reste à l'intérieur d'une plage prédéterminée. Le dispositif de commande 64 a également la possibilité de comparer les mesures de température et la température prédéterminée obtenues par relevés sur le moteur, et émettre le signal de différence de température pour commander le clapet de commande de température d'admission 24. La figure 4 illustre un procédé de commande de la température de l'air pénétrant dans un moteur à allumage par compression à charge homogène, représenté d'une façon générale en 120. L'air frais est chauffé par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur hautement intégré qui extrait de la chaleur de l'échappement du moteur, représenté en 122. L'échangeur de chaleur hautement intogré comprend une chambre de réaction de catalyseur et une unité d'échange de chaleur. L'air chauffé est dirigé vers un clapet de commande de température d'admission qui est positionné en amont du moteur, représenté en 124. L'air chauffé est mélangé à de l'air frais pour obtenir un mélange d'air chanffé et d'air frais qui est à une température prédéterminée, représenté en 126. Le mélange d'air frais chanffé et non chauffé est dirigé dans le moteur, représenté en 128. L'échappement provenant du moteur est dirigé au travers de l'échangeur de chaleur intégré, représenté en 130. Co_e liLo_e de rag dcs sys16mes do motours allumage par compression cage bomog@nc {en Andre comae paw de 1a descp110n d6111de prcdee paw des ages, des modlEc10ns des cbgemes penes bodes mode do r6aIislon padre de l'inveion, sons s'6cer de 1a posse de l'ieion. REVENDICATIONS 1. Système de moteur à allumage par compression à charge homogène (20) destiné à commander la température de l'air pénétrant dans un moteur à allumage par compression à charge homogène (26), système caractérisé en ce qu'il comprend: un échangeur de chaleur hautement intégré (28) positionné après le moteur (26) et comprenant une chambre de réaction de catalyseur (38), un serpentin pour liquide de retroidissement (40) contenant un liquide de refroidissement positionné de façon adjacente à la chambre de réaction de catalyseur (38), et une unité d'échange de chaleur (42) en communication avec la chambre de réaction de catalyseur (38), dans lequel l'échangeur de chaleur hautement intogré (28) comprend un premier passage (44) et un second passage (46), une entrée (48) pour le premier passage est positionnée en vue de recevoir le gaz d'échappement provenant du moteur (26), diriger le gaz d'échappement au travers de la chambre de réaction de catalyseur (38), au travers de l'unité d'échange de chaleur (42), et hors d'une sortie du premier trajet (50), une entrée (52) pour le second trajet (46) est positionnée en vue de recevoir de l'air frais, d'orienter l'air frais autour de la chambre de réaction de catalyseur (38) et du serpentin pour liquide de refroidissement (40) pour chauffer 1'air frais à une température de préchauffage, diriger l'air préchauffé au travers de l'unité d'échange de chaleur (42) pour chauffer 1'air préchauffé à une température de chauffuge finale, et diriger l'air chauffé à la température finale hors d'une sortie (54) du second passage et dans une entrce dans le moteur (26). 2. Système de moteur à allumage par compression à charge homogène selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un clapet de commande de température d'admission (24) positionné avant le moteur (26), le clapet de commande de température d'admission (24) comprenant une première entrée (56) pour de l'air frais, une seconde entrée (58) pour de l'air chauffé, et une sortie (60) destinée à diriger un mélange d'air frais et d'air chauffé dans le moteur (26). 3. Système de moteur à allumage par compression à charge homogène selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du second passage (54) de l'échangeur de chaleur hautement intégré (28) est reliée à la seconde entrée (58) du clapet de commande de température d'admission (24). 4. Système de moteur à allumage par compression à charge homogène selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de température (62) positionné entre le clapet de commande de température d'admission (24) et le moteur (26), destiné à détecter la température du mélange d'air frais et d'air chauffé pénétrant S dans le moteur (26), un dispositif de commande (64) qui est en communication avec le détecteur de température (62), destiné à détecter la température du mélange d'air frais et chanffé, et commande de façon précise et rapide le clapet de commande de température d'admission (24) de sorte que la température du mélange d'air frais et chauffé reste à