Brevet FR2876418A1 — publié le 20060414

Procédé et dispositif d'admission d'un mélange comburant dans un moteur L'invention a pour objet un procédé et un dispositif d'admission d'un mélange comburant dans une chambre de combustion d'un moteur, en particulier du type diesel. On sait que la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule, en particulier d'automobile, doit être alimenté en combustible et en comburant, et qu'il est intéressant, en particulier dans le cas d'un moteur diesel, d'utiliser comme comburant un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recyclés, notamment pour réduire les risques de pollution. Le circuit d'admission dans la chambre de combustion comprend donc, normalement, un circuit d'air frais qui peut avantageusement comporter un compresseur de suralimentation et un circuit de gaz d'échappement recyclés, appelés souvent EGR. Ces deux circuits se rejoignent dans un collecteur d'admission qui réalise le mélange air/EGR et débouche dans la chambre de combustion. Ce collecteur de mélange est associé à un moyen de réglage des débits relatifs afin de régler le taux en EGR du mélange. En effet, sur l'ensemble du cycle de fonctionnement du moteur, il est intéressant de maîtriser, autant que possible, les quantités relatives d'EGR et d'air frais admis dans le moteur. A cet effet, pour augmenter la quantité de gaz EGR sans réduire le volume d'air frais admis, il est connu d'installer, sur le circuit des gaz recyclés, un refroidisseur qui réduit la température des gaz d'échappement et, par condensation, augmente donc la densité massique du gaz recyclé dans le mélange. Compte tenu de la température élevée des gaz d'échappement, le fluide caloporteur est, généralement, l'eau de refroidissement du moteur. Dans ce cas, le refroidisseur est, donc, un échangeur gaz/eau. Toutefois, le mélange air frais/EGR est souvent trop froid, ce qui dégrade la combustion et risque d'influer de façon défavorable sur la quantité de polluant rejeté par le moteur ainsi que le bruit généré par la combustion. Pour éviter cet inconvénient il est possible de faire passer les gaz recyclés dans un circuit dérivé court-circuitant le refroidisseur ce qui permet de remonter la température du mélange à l'entrée du moteur. Cependant, il n'est, alors, plus possible d'augmenter la densité massique du gaz recyclé et le taux d'EGR dans le mélange est donc réduit. Par ailleurs, pour réaliser une suralimentation, l'air frais est habituellement comprimé et il est résulte une élévation de température. De ce fait, le circuit d'air de suralimentation comporte, généralement, un refroidisseur. A froid, ce refroidisseur peut être court-circuité de façon à conserver l'élévation de température réalisée par la compression mais, compte tenu du refroidissement nécessaire des gaz EGR pour augmenter leur densité, la température du mélange en entrée du moteur reste insuffisante. L'invention à pour objet de résoudre de tels problèmes grâce à un nouveau procédé et un dispositif particulièrement simple permettant de maîtriser simultanément la température et le taux en EGR du mélange comburant et présentant, en outre, l'avantage de ne pas augmenter le coût énergétique de l'installation. L'invention concerne donc, d'une façon générale, un procédé d'admission d'un mélange comburant dans une chambre de combustion d'un moteur, par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission dans lequel débouchent deux circuits d'alimentation séparés, respectivement un circuit de recyclage des gaz d'échappement et un circuit d'alimentation en air. Conformément à l'invention, on fait passer au moins une partie du gaz d'échappement et au moins une partie de l'air dans un échangeur gaz-gaz ayant deux circuits, respectivement un circuit de gaz relié au circuit de recyclage et un circuit d'air relié au circuit d'alimentation en air, de façon à réaliser avant le mélange du gaz recyclé et de l'air, par simple échange de chaleur et sans apport d'énergie, d'une part une augmentation du taux de gaz d'échappement dans le mélange comburant, par abaissement de la température dudit gaz et, d'autre part le maintien de la température du mélange à un niveau souhaité, par un échauffement de l'air susceptible de compenser, au moins en partie, le refroidissement du gaz d'échappement recyclé. Le gaz d'échappement recyclé étant soumis, de façon connue, à un premier refroidissement, de préférence par échange de chaleur avec l'eau du moteur, on réalise, selon l'invention, un refroidissement supplémentaire de gaz par échange de chaleur avec l'air d'admission. Dans le cas où l'air admis dans la chambre de combustion est comprimé pour réaliser une suralimentation du moteur puis soumis à un refroidissement dans un dispositif placé sur le circuit d'alimentation d'air, selon une autre caractéristique de l'invention, au moins dans une phase de fonctionnement à froid du moteur, la température du mélange est augmentée en court-circuitant le dispositif de refroidissement de l'air, de façon à faire passer au moins une partie de celui-ci dans un échangeur gaz-gaz parcouru par au moins une partie du gaz d'échappement recyclé. L'invention couvre également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur de chaleur du type gaz-gaz avec deux circuits d'échange reliés respectivement, l'un au circuit d'alimentation en air et l'autre au circuit d'alimentation en gaz d'échappement, de façon à réaliser simultanément, dans ledit échangeur, un refroidissement du gaz d'échappement susceptible d'augmenter la densité massique de celui-ci et un échauffement de l'air susceptible d'augmenter la température du mélange. Dans le cas où le circuit d'alimentation en gaz recyclé comporte un échangeur gaz-eau pour le refroidissement du gaz d'échappement, l'échangeur gaz-gaz selon l'invention est placé en aval de l'échangeur gaz-eau de façon à réaliser un refroidissement supplémentaire du gaz d'échappement par échange de chaleur avec l'air d'admission. Dans le cas où la chambre de combustion est suralimentée par de l'air mis à une pression supérieure à la pression atmosphérique par un compresseur, le circuit d'alimentation en air est muni habituellement d'un dispositif de refroidissement destiné à compenser l'élévation de température due à la compression. Conformément à l'invention, l'échangeur gaz-gaz comporte alors un circuit d'air branché en dérivation sur le circuit d'alimentation en air, respectivement en amont et en aval du dispositif de refroidissement d'air et comportant une vanne de réglage du débit d'air dérivé afin de court-circuiter, au moins partiellement, le dispositif de refroidissement pour maintenir la température du mélange à un niveau souhaité. L'invention couvre également d'autres caractéristiques avantageuses qui apparaîtront dans la description suivante de certains modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemple non limitatif et illustrés par les dessins annexés. La figure 1 est un schéma d'un dispositif d'admission, selon l'invention, d'un mélange comburant dans un moteur. La figure 2 est un exemple de réalisation des circuits d'admission d'un moteur. La figure 1 est donc un schéma du dispositif d'alimentation en comburant d'un moteur, en particulier un moteur diesel, comportant un premier circuit 1 d'air de suralimentation, branché sur la sortie C d'un compresseur non représenté et un second circuit 2 de recyclage, branché sur le circuit d'échappement du moteur. Les deux circuits 1 et 2 se rejoignent, par l'intermédiaire d'une vanne 3, dans un collecteur d'admission 3 dans lequel se réalise le mélange air/EGR et qui débouche dans la chambre de combustion, non représentée, du moteur. Comme indiqué plus haut, pour augmenter la densité massique du volume de gaz recyclé, le circuit de recyclage 2 est équipé d'un moyen de refroidissement 20 qui est, généralement, un échangeur gaz-eau, le fluide caloporteur étant l'eau de refroidissement du moteur alimentée par un circuit dérivé 21. De même, dans la mesure où la température de l'air de suralimentation est augmentée par sa compression, le circuit d'air 1 comporte, habituellement, un refroidisseur d'air de suralimentation 10 appelé, parfois RAS , par exemple un échangeur air-air, le fluide caloporteur étant de l'air frais alimenté par un circuit 12. Selon l'invention, le dispositif comporte un second refroidisseur d'EGR qui est un échangeur gaz-gaz 5 comportant un circuit de gaz 52 branché directement sur le circuit 2 de recyclage du gaz d'échappement EGR et un circuit d'air 51 branché en dérivation sur le circuit 1 d'air de suralimentation, avec une entrée 53 disposée en amont du refroidisseur 10, par l'intermédiaire d'une vanne 11, et une sortie 54 branchée sur le circuit 1, entre le refroidisseur 10 et la vanne 3 d'admission dans le collecteur de mélange 4. La vanne 11 placée sur le circuit d'air 1 permet ainsi de dévier tout ou partie de l'air suralimenté vers l'échangeur 5 en court-circuitant le refroidisseur RAS 10. Grâce à l'échangeur gaz-gaz 5, on réalise ainsi, par simple échange de chaleur et sans aucun apport d'énergie, un refroidissement supplémentaire du gaz recyclé EGR qui permet d'augmenter encore sa densité massique et, en même temps, un échauffement de l'air de suralimentation ou, au moins, d'une partie de celui-ci. II est ainsi possible au moins pour certaines phases de fonctionnement du moteur, en particulier un démarrage à froid, d'augmenter la température du mélange admis dans la chambre de combustion ou, du moins, de la maintenir à un niveau correct, tout en effectuant un refroidissement intense des gaz d'échappement recyclés en augmentant ainsi le taux de gaz EGR dans le mélange. Lors de la mise en action du moteur à froid, notamment sur la partie urbaine du cycle de fonctionnement NMVEG , le refroidisseur 10 est court-circuité, l'air de suralimentation étant dirigé par la vanne 11 vers l'échangeur 5 qui réalise donc un refroidissement du gaz EGR et un réchauffement de l'air. On peut ainsi augmenter le taux de gaz EGR et en même temps, maintenir la température du mélange à un niveau suffisamment élevé pour conserver une combustion correcte, en particulier en limitant la production de HC/CO et la dégradation de la consommation. Lorsque le moteur est chaud, le circuit dérivé 50 est fermé, la totalité de l'air de suralimentation étant refroidie dans le refroidisseur 10. Les gaz d'EGR sont alors refroidis uniquement par le refroidisseur 20. Le taux d'EGR est moins important mais plus facilement réalisable sur la partie extra-urbaine du cycle MNVEG car les points sont plus chargés, générant ainsi une différence de pression suffisante sur le circuit d'EGR pour réaliser les taux souhaités. L'invention permet ainsi de maximiser le taux d'EGR par le refroidissement du gaz recyclé tout en maintenant la température du mélange air-EGR au niveau voulu pour la combustion. L'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre de simple exemple et pourrait faire l'objet de variantes sans s'écarter du cadre de protection de l'invention. Par exemple, l'ordre des refroidisseurs pourrait être modifié, le refroidisseur gaz-eau 20 étant placé en aval de l'échangeur 5. D'autre part, l'invention peut aussi s'appliquer aux moteurs qui ne sont pas équipés d'un refroidisseur d'air de suralimentation. On conservera, cependant, le circuit dérivé 50, afin de diriger l'air de suralimentation, au moyen de la vanne 11, soit directement vers le collecteur de mélange 4 afin de limiter l'échauffement de l'air, le gaz d'échappement étant refroidi par le refroidisseur 20, soit de dériver au moins en partie l'air vers l'échangeur 5, afin de réaliser un refroidissement supplémentaire du gaz EGR pour augmenter sa densité massique, tout en maintenant la température du mélange au niveau souhaité. Sur la figure 2, on a représenté, à titre d'exemple, l'ensemble du circuit d'admission d'un moteur M comportant un circuit d'alimentation en air 1 avec, à partir d'une entrée d'air, un filtre 14 et un compresseur 13 et un circuit 2 d'alimentation en gaz d'échappement recyclé avec un refroidisseur 20 branché sur un circuit 21 d'eau de refroidissement du moteur. Une vanne 11 permet d'orienter l'air de suralimentation soit, comme habituellement, vers un refroidisseur RAS 10, soit vers un échangeur gaz-gaz 5, les deux circuits se rejoignant en 54, en amont d'une vanne 3 dans laquelle débouche également le circuit 2 des gaz recyclés, après passage dans l'échangeur 5. Le mélange ainsi réalisé air/EGR est admis et réparti dans le moteur par un répartiteur 31. On voit qu'un tel dispositif ne demande que l'adjonction de l'échangeur 5 et peut s'adapter facilement aux différents types de véhicules. 7 REVENDICATIONS 1. Procédé d'admission d'un mélange comburant dans une chambre de combustion d'un moteur M par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission (4) dans lequel débouchent deux circuits d'alimentation séparés, respectivement un circuit (2) de recyclage de gaz d'échappement et un circuit (1) d'alimentation en air, caractérisé par le fait que l'on fait passer au moins une partie du gaz d'échappement et au moins une partie de l'air dans un échangeur gaz-gaz (5) ayant deux circuits (52, 51) reliés respectivement au circuit de recyclage (2) et au circuit d'alimentation en air (1), de façon à réaliser, avant le mélange du gaz recyclé et de l'air, par simple échange de chaleur et sans apport d'énergie, d'une part une augmentation du taux de gaz d'échappement dans le mélange comburant, par abaissement de la température dudit gaz et, d'autre part, le maintien de la température du mélange à un niveau souhaité, par un échauffement de l'air susceptible de compenser, au moins en partie, le refroidissement du gaz d'échappement recyclé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise deux refroidissements successifs sur le circuit de recyclage du gaz d'échappement, l'un (20) par échange de chaleur avec l'eau du moteur et l'autre (5) par échange de chaleur avec l'air d'admission. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'air admis dans la chambre de combustion est comprimé pour réaliser une suralimentation du moteur, puis soumis à un refroidissement dans un dispositif (10) placé sur le circuit (1) d'alimentation d'air, en amont du collecteur de mélange (4), caractérisé par le fait que, au moins dans une phase de fonctionnement à froid du moteur, la température du mélange est augmentée en court-circuitant le dispositif de refroidissement d'air (10) de façon à faire passer au moins une partie de l'air d'admission dans un échangeur gaz-gaz (5) parcouru par au moins une partie du gaz recyclé, afin de maintenir la température du mélange à un niveau souhaité, au moins lors d'une phase de fonctionnement à froid du moteur. 4. Dispositif d'admission d'un mélange comburant dans une chambre de combustion d'un moteur, comportant un collecteur d'admission (4) dans lequel débouchent deux circuits séparés d'alimentation en gaz comburant, respectivement un premier circuit (1) d'alimentation en air et un second circuit (2) d'alimentation en gaz d'échappement recyclé, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur de chaleur (5) du type gaz-gaz, avec deux circuits d'échange reliés respectivement, l'un (51) au circuit (1) d'alimentation en air et l'autre (52) au circuit (2) d'alimentation en gaz d'échappement, de façon à réaliser simultanément un refroidissement du gaz d'échappement susceptible d'augmenter la densité massique de celui-ci et un échauffement de l'air susceptible d'augmenter la température du mélange dans le collecteur d'admission (4). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le second circuit (2) d'alimentation en gaz recyclé comporte un échangeur gaz-eau (20) pour le refroidissement du gaz d'échappement par échange de chaleur avec l'eau de refroidissement du moteur, caractérisé par le fait que le circuit de gaz (52) de l'échangeur gaz-gaz (5) est relié au circuit (2) de recyclage des gaz d'échappement en aval de l'échangeur gaz-eau (20) de façon à réaliser un refroidissement supplémentaire du gaz d'échappement par échange de chaleur avec l'air d'admission. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel la chambre de combustion est suralimentée en air mis à une pression supérieure à la pression atmosphérique par un compresseur disposé dans une partie amont du premier circuit (1) d'alimentation en air, ce dernier comportant un dispositif de refroidissement d'air (10) pour la compensation de l'élévation de température due à la compression, caractérisé par le fait que le circuit d'air (51) de l'échangeur gaz-gaz (5) constitue une partie d'un circuit dérivé (50) branché en parallèle sur le premier circuit (1) d'alimentation en air, respectivement en amont et en aval du dispositif de refroidissement d'air (10), et comportant une vanne (53) de réglage du débit d'air dérivé afin de court-circuiter, au moins en partie, le dispositif de refroidissement d'air (10) pour maintenir la température du mélange à un niveau souhaité, au moins lors d'une phase de fonctionnement à froid du moteur.