Brevet FR2867517A1 — publié le 20050916

Procédé optimisé de recirculation de gaz d'échappement pour moteur thermique, et moteur mettant en oeuvre ledit procédé La présente invention concerne les moteurs à combustion interne à allumage commandé ou à allumage par compression, à aspiration naturelle ou suralimenté. La recirculation des gaz d'échappement, couramment appelée EGR ( exhaust gas recirculation ), sur les moteurs à combustion interne est une io technique utilisée pour réduire la consommation, réduire les émissions d'oxydes d'azote ou encore améliorer les performances pour les moteurs suralimentés à allumage commandé. Sa faisabilité est néanmoins subordonnée à la différence de pression entre les gaz d'échappement et l'air d'admission. Pour certains moteurs, notamment les moteurs suralimentés, il existe des points de fonctionnement pour lesquels la recirculation des gaz d'échappement est impossible, en raison du gradient de pression défavorable qui existe entre l'échappement et l'admission. Typiquement, un circuit EGR prélève une partie du débit d'échappement du moteur pour le réintroduire à l'admission, et le débit maximum de gaz recirculé dépend de la surpression relative des gaz d'échappement par rapport à l'air d'admission. Ce débit maximum est nul (et donc la réintroduction est impossible) lorsque la pression d'échappement est inférieures à la pression d'admission. On réduit au maximum la zone de régime et de PME ( pression moyenne effective) défavorables à la recirculation, en optimisant la perméabilité du circuit EGR, mais ceci ne suffit pas à atteindre les objectifs de taux d'EGR optimum pour tous les points de fonctionnement moteur: on a besoin d'EGR pour des points où la pression d'échappement est naturellement plus faible que la pression d'admission, par exemple des moteurs suralimentés à bas régime, ou encore on a besoin de très forts taux d'EGR pour des points de fonctionnement où l'écart de pression entre admission et échappement est faible. Dans les circuits EGR existants, le point de prélèvement est unique, situé sur le collecteur d'échappement, ce qui implique que la pression d'échappement vue par le circuit EGR est la moyenne des oscillations de pression dues aux bouffées des différents cylindres. De même, le point 2 2867517 d'introduction est fréquemment unique, et la pression d'admission intègre donc elle aussi toutes les oscillations. Des solutions existent avec un point d'introduction par cylindre, mais dans ce cas, les oscillations de la pression instantanée à l'admission ne sont pas exploitées dans la conception du circuit EGR. Une autre solution consiste, dans les moteurs suralimentés, à déplacer le point d'introduction en amont du compresseur. Outre l'encrassement du compresseur, cette solution présente l'inconvénient d'augmenter significativement le volume du circuit, ce qui est problématique pour la mise au point des transitoires. D'autres documents, tels que US 6102014, US 6263672 ou US 20020073978 ont abordé la question des gradients de pression dans le circuit de pression et ont proposé diverses mesures qui, une fois de plus, n'exploitent pas les oscillations de la pression instantanée. La présente invention vise à maximiser la zone de fonctionnement du circuit EGR, en conservant une architecture compacte. L'invention atteint son but grâce à un procédé de recirculation des gaz d'échappement pour un moteur thermique à plusieurs cylindres à cycle décalé, la phase d'échappement d'au moins un premier cylindre au moins étant concomitante à la phase d'admission d'au moins un second cylindre, un système de recirculation de gaz d'échappement étant prévu entre les échappements d'au moins certains cylindres et les admissions d'au moins certains cylindres, au moins une vanne de commande étant interposée sur le système de recirculation, caractérisé en ce qu'on fait recirculer pendant un temps déterminé le gaz d'échappement du premier cylindre quand il est sensiblement à un maximum de pression à l'échappement vers l'admission du second cylindre lorsqu'il est sensiblement à un minimum de pression à l'admission. Autrement dit, on synchronise la recirculation des gaz et on l'agence entre les cylindres de manière qu'elle se fasse toujours, de préférence directement, depuis un maximum de pression à l'échappement d'un cylindre vers un minimum de pression à l'admission d'un autre cylindre, ce qui en pratique est possible grâce au décalage de phase des cylindres entre eux. L'invention concerne aussi un moteur thermique à plusieurs cylindres à cycle décalé, la phase d'échappement d'au moins un premier cylindre au moins étant concomitante à la phase d'admission au moins un second 3 2867517 cylindre, un système de recirculation de gaz d'échappement étant prévu entre les échappements d'au moins certains cylindres et les admissions d'au moins certains cylindres, au moins une vanne de commande étant interposée sur le système de recirculation, caractérisé en ce que le système de recirculation comporte une branche reliant l'échappement du premier cylindre à l'échappement du premier cylindre, une vanne étant interposée dans ladite branche pour ouvrir le débit pendant un temps déterminé. Autrement dit, selon l'invention, on fait coïncider les maxima de pression à l'échappement avec les minima de pression à l'admission. Ceci io peut être obtenu dans le cas d'un moteur à quatre cylindres, en associant le conduit d'échappement de chaque poste au conduit d'admission du poste qui est en avance d'un quart de période (un demi-tour moteur) : de cette façon, lorsqu'un cylindre est en phase d'échappement (pression maximale), il est susceptible d'alimenter celui de ses voisins qui est en phase d'admission (pression minimale), ce qui maximise l'écart de pression entre admission et échappement et donc le débit potentiel d'EGR. Le pilotage de chaque vanne interposée dans le branches de recirculation du système EGR par un actuateur rapide (c'est-à-dire capable de s'ouvrir ou de se fermer en un temps inférieur à un quart ou de préférence un huitième de tour moteur) permet de synchroniser l'ouverture du circuit EGR avec les bouffées de pression d'échappement. Selon l'invention, il peut être avantageux, ponctuellement, d'inverser le sens de circulation pour réaliser une injection d'air à l'échappement. Pour cela, on restreint un temps donné l'ouverture de la vanne au creux de la pression d'échappement, ce qui autorise un écoulement en sens inverse de l'écoulement EGR et donc alimente en air frais les conduits d'échappement: ceci revient à utiliser le circuit EGR comme circuit d'IAE (injection d'air à l'échappement). Avantageusement, le circuit de recirculation comporte plusieurs 30 branches de recirculation entre l'échappement d'un cylindre et l'admission d'un autre cylindre décalé d'un demi-tour moteur. Avantageusement, la longueur des branches de recirculation est sensiblement égale et les branches peuvent être intégrées à la culasse. L'invention s'applique avantageusement à un moteur à quatre cylindres à quatre branches de recirculation. Bien qu'elle puisse être mise en 4 2867517 oeuvre sur tout autre moteur multicylindre, c'est dans le cas où le nombre de cylindres est un multiple de quatre que l'invention a le plus d'intérêt, pour pouvoir rediriger la bouffée d'échappement d'un poste donné vers un autre poste qui soit en phase d'admission.. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un exemple de réalisation. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: Les figures 1 à 4 représentent schématiquement un moteur à quatre cylindres équipé d'un dispositif de recirculation conforme à l'invention, respectivement à chacune des quatre étapes de son cycle d'allumage décalé. Le moteur représenté est représenté schématiquement par ses quatre cylindres 1, 2, 3, et 4 dont l'ordre d'allumage est 1-3- 4-2. Chaque cylindre, représenté en bout, comporte une tubulure d'admission Al à A4, aboutissant aux deux soupapes d'admissions 5, et une tubulure d'échappement El à E4, partant des deux soupapes d'échappement 6. La recirculation des gaz d'échappement est effectuée au moyen de quatre branches 12, 24, 31, 43 reliant par prélèvement les tubulures d'échappement El, E2, E3, E4 de chaque cylindre 1, 2, 3, 4 à l'admission A2,A4, Al, A3 d'un autre cylindre 2, 4, 1, 3, choisi de façon à mettre en communication les cylindres déphasés d'un quart de période, c'est-à-dire d'un demi tour moteur. La longueur des branches sur le dessin est représentée schématiquement. En réalité, dans l'espace, la longueur des quatre branches est choisie sensiblement égale, afin que le temps de transit des bouffées de gaz qui les traversent soit le même pour tous les postes, ce qui garantit une bonne répartition du taux d'EGR cylindre à cylindre. Dans chaque branche 12, 24, 31, 43 de recirculation est interposée une vanne à actuateur rapide 7, capable d'ouvrir et fermer le circuit EGR en un temps très court devant le cycle moteur (moins d'un quart de tour moteur, et de préférence moins d'un huitième) et capable de moduler la perte de charge de ce circuit. Les quatre actuateurs de vannes 7 sont reliés par des liaisons non représenté à un module de commande, également non représenté. Les actuateurs peuvent fonctionner en tout ou rien, le débit de gaz étant alors commandé par le temps d'ouverture de la vanne, ce qui est d'autant plus facile à réaliser que les temps d'ouverture et de fermeture sont courts par rapport à la durée des bouffées. 2867517 Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant: En figure 1, le cylindre 1 est en phase d'échappement et le cylindre 2 en phase d'admission. La vanne 7 placée sur la liaison 12 de recirculation s'ouvre pendant une durée adaptée au taux d'EGR visé (les vannes 7 des autres liaisons sont fermées). On sait que le temps d'échappement se décompose en deux phases: la bouffée d'échappement, qui dure environ un quart de tour, pendant laquelle la pression dans le cylindre s'équilibre avec la pression à l'échappement, puis le refoulement qui dure également un quart de tour. La pression des gaz est maximale pendant la bouffée d'échappement qui représente environ 50% du débit de gaz d'échappement. C'est cette phase que l'on exploite pour maximiser le taux d'EGR: l'ouverture de la vanne 7 considérée est limitée à la bouffée d'échappement si on vise un taux d'EGR maximum, et pendant un temps différent si on vise un débit d'EGR intermédiaire. Ensuite la vanne 7 de la branche 12 est fermée. En figure 2, un quart de tour plus tard, c'est le cylindre 3 qui est en phase d'échappement alors que le cylindre 1 est passé en phase d'admission. C'est alors la vanne 7 de la branche 31 qui s'ouvre un instant déterminé pour laisser passer une bouffée de gaz d'échappement vers l'admission du cylindre 1. En figure 3, un quart de tour plus tard, c'est-à-dire un demi-tour après le début d'échappement du cylindre 1, c'est le cylindre 4 qui est en phase d'échappement alors que le cylindre 3 est en phase d'admission. C'est alors la vanne 7 de la branche 43 qui s'ouvre un temps déterminé pour laisser passer une bouffée de gaz d'échappement vers l'admission du cylindre 3. Enfin, en figure 4, au dernier temps, c'est le cylindre 2 qui est en phase d'échappement alors que le cylindre 4 est en phase d'admission. C'est alors la vanne 7 de la branche 24 qui s'ouvre un temps déterminé pour laisser passer une bouffée de gaz d'échappement vers l'admission du cylindre 4. Puis le cycle recommence. Il est possible de disposer dans chaque branche un échangeur de chaleur dimensionné pour refroidir les gaz d'échappement si nécessaire. La fonction d'échange de chaleur peut éventuellement être intégrée à la 6 2867517 conception de la culasse, en prévoyant des noyaux spécifiques pour la circulation de l'EGR. 7 2867517 REVENDICATIONS 1) Procédé de recirculation des gaz d'échappement pour un moteur thermique à plusieurs cylindres (1, 2, 3, 4) à cycle d'allumage décalé (1- 3- 4-2), la phase d'échappement d'au moins un premier cylindre (1) étant concomitante à la phase d'admission d'au moins un second io cylindre (2), un système de recirculation de gaz d'échappement étant prévu entre les échappements d'au moins certains cylindres et les admissions d'au moins certains cylindres, au moins une vanne de commande étant interposée sur le système de recirculation, caractérisé en ce qu'on fait recirculer pendant un temps déterminé le gaz d'échappement du premier cylindre (1) quand il est sensiblement à un maximum de pression à l'échappement vers l'admission du second cylindre (2) lorsqu'il est sensiblement à un minimum de pression à l'admission. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ponctuellement on inverse le sens de circulation pour réaliser une injection d'air à l'échappement. 3) Moteur thermique à plusieurs cylindres (1, 2, 3, 4) à cycle d'allumage décalé (1-3- 4-2), la phase d'échappement d'au moins un premier cylindre (1) au moins étant concomitante à la phase d'admission d'au moins un second cylindre (2), un système de recirculation de gaz d'échappement étant prévu entre les échappements d'au moins certains cylindres et les admissions d'au moins certains cylindres, au moins une vanne de commande étant interposée sur le système de recirculation, caractérisé en ce que le système de recirculation comporte une branche (12) reliant l'échappement du premier cylindre (1) à l'admission du second cylindre (2) , une vanne (7) étant interposée dans ladite branche (12) pour ouvrir le débit pendant un temps déterminé. i0 2867517 8 4) Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs branches (12, 24, 31, 43) de recirculation entre l'échappement d'un cylindre et l'admission d'un autre cylindre décalé d'un demi-tour moteur. 5) Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur des branches de recirculation (12, 24, 31, 43) est sensiblement égale. 6) Moteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un moteur à quatre cylindres (1, 2, 3, 4) à quatre branches de recirculation (12, 24, 31, 43). 7) Moteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le temps d'actionnement de chaque vanne (7) est inférieur à un demi-tour moteur, et de préférence à un quart de tour moteur.