Brevet FR2909726A1 — publié le 20080613

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, comprenant un canal de dérivation de gaz d'échappement reliant une conduite de gaz d'échappement à une con-duite d'admission du moteur, un radiateur de gaz d'échappement installé dans le canal de prélèvement des gaz d'échappement est traversé par un agent de refroidissement ainsi que des moyens de commande pour commander la quantité de gaz d'échappement dérivée par le canal de dérivation de gaz d'échappement. Etat de la technique Les dispositifs de recyclage des gaz d'échappement per-mettent d'abaisser les émissions d'oxydes d'azote contenues dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne. On connaît un dispositif de recyclage des gaz d'échappement pour des moteurs Diesel décrits dans le document Dieselmotormanagement Robert Bosch GmbH 4ème édition, Octobre 2004, pages 330-332 Friedr. Vieweg 8v Sohn Verlag, Wiesbaden. Selon ce dispositif de recyclage des gaz d'échappement, les gaz d'échappement sont dérivés en amont de la tur- bine d'un turbocompresseur de gaz d'échappement pour arriver dans l'air aspiré du moteur par l'intermédiaire d'une installation de mélange. La quantité de gaz d'échappement recyclée dépend de la différence de pression entre la contrepression des gaz d'échappement en amont de la turbine et la pression dans la conduite d'admission ainsi que la position d'une vanne de recyclage des gaz d'échappement à commande pneumatique ou électrique. La régulation de la vanne de recyclage des gaz d'échappement est faite par un appareil de commande de moteur en fonction des masses d'air mesurées dans la conduite d'admission du moteur. Pour améliorer le rendement du recyclage des gaz d'échappement, on refroidit la quantité des gaz d'échappement recyclés dans un échangeur de chaleur traversé par l'agent de refroidissement du moteur ; cet échangeur de chaleur encore appelé radiateur de gaz d'échappement permet d'augmenter de manière significative le taux de recyclage des gaz d'échappement et de diminuer d'autant les émissions d'oxydes d'azote. 2909726 2 Il est connu d'utiliser des débitmètres à ultrasons pour mesurer l'air aspiré par les moteurs à combustion interne. (voie le document DE 42 37 907 Al). Ces débitmètres exploitent la différence de temps de parcours d'ultrasons dans la direction de l'écoulement et dans 5 la direction opposée. A partir de la différence du temps de parcours mesurée on obtient la vitesse de l'écoulement. Pour déterminer le débit massique d'air, on effectue une mesure supplémentaire à partir de laquelle on détermine la densité de l'air arrivant, de sorte qu'à partir de cette densité de l'air et de la vitesse d'écoulement on peut calculer la 10 masse d'air. Cette mesure supplémentaire est une mesure de température faite à l'aide d'un capteur de température installé dans le canal d'air, par exemple un fil chauffé, un film chaud, une résistance PCT, une résistance NTC. A partir de la température de l'air débité, on dé-termine sa densité ; le calcul de la densité repose par exemple sur un 15 modèle fondé de manière empirique ou physique décrivant la relation entre les paramètres d'écoulement, la température et la densité. En va-riante, on a recours à une base de données dans l'unité d'exploitation. Cette base de données se complète chaque fois avec les valeurs mesurées actuellement. 20 Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un dispositif de recyclage des gaz d'échappement du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent une installation de mesure par ultra-sons pour mesurer le débit massique dans le canal de prélèvement des 25 gaz d'échappement. Le dispositif de recyclage des gaz d'échappement a l'avantage que le taux de recyclage n'est pas défini indirectement par la mesure de l'air frais alimentant le moteur à combustion interne mais par la mesure directe du taux de recyclage lui-même. Cela permet un 30 contrôle très précis du taux de recyclage des gaz d'échappement qui est indispensable pour arriver à une combustion dite homogène des hydrocarbures et des oxydes d'azote dans un procédé de combustion HCCI. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'installation de mesure par ultrasons comporte au moins deux conver- 35 tisseurs d'ultrasons installés sur la paroi du canal de dérivation de gaz 2909726 3 d'échappement, au moins un capteur de température exposé aux gaz d'échappement et une électronique d'exploitation. L'installation de me-sure par ultrasons est disposée pour qu'au moins l'électronique d'exploitation soit balayée par l'agent de refroidissement traversant le 5 radiateur de gaz d'échappement. L'installation de mesure par ultrasons est prévue dans le circuit d'agent de refroidissement du radiateur de gaz d'échappement et elle se situe ainsi en amont du radiateur de gaz d'échappement dans le sens de passage de l'agent réfrigérant ce qui permet un refroidissement efficace au moins de l'électronique 10 d'exploitation. Cela permet sans difficultés d'avoir des installations de mesure par ultrasons situées directement dans les gaz d'échappement chauds et de mesurer ainsi directement les taux. Avec les signaux de mesure du convertisseur à ultrasons et du capteur de température on détermine la masse des gaz d'échappement et ainsi la masse des gaz 15 d'échappement recyclés. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, un canal de dérivation est associé au radiateur de gaz d'échappement, ce canal ayant d'une part une entrée et d'autre part une sortie pour le radiateur de gaz d'échappement. L'embouchure du canal de dérivation 20 côté entrée correspondant à l'entrée des gaz d'échappement il y a un volet basculant, commandé, qui dans l'une de ses deux position de basculement de fin de course permet de fermer l'entrée des gaz d'échappement du radiateur de gaz d'échappement et dans l'autre position, de fermer l'embouchure du canal de dérivation. 25 Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on commande le volet basculant à l'aide de signaux de commande dé-duits du signal de mesure du capteur de température de l'installation de mesure par ultrasons. Comme la position du volet basculant définit le rapport entre les gaz d'échappement refroidis et les gaz 30 d'échappement non refroidis dans le taux de recyclage des gaz d'échappement, le volet basculant permet une régulation précise de la température des gaz d'échappement. Cela permet par exemple de régénérer un filtre à particules installé dans le flux des gaz d'échappement en faisant augmenter lentement la température des gaz d'échappement 35 recyclés et d'augmenter ainsi lentement la température des gaz 2909726 4 d'échappement en direction du filtre à particules et du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote, ce qui favorise une régulation contrôlée de la température pour la régénération des filtres à particules et des catalyseurs accumulateurs d'oxydes d'azote. 5 Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, à partir des signaux de mesure de l'installation de mesures par ultrasons, on déduit un signal de détection de fuite significatif d'une fuite dans le radiateur de gaz d'échappement. L'installation de mesure par ultrasons peut, grâce à son principe de mesure, déterminer la densité des gaz 10 d'échappement qui sortent et l'humidité de ces gaz d'échappement car ces deux grandeurs de mesure se déduisent de la vitesse d'écoulement mesurée et de la température mesurée des gaz d'échappement dans le canal de prélèvement de gaz d'échappement. S'il y a une fuite dans le radiateur de gaz d'échappement, l'humidité augmente dans les gaz 15 d'échappement et il en est de même de la densité à l'entrée des gaz d'échappement dans le radiateur de gaz d'échappement ce qui est enregistré par l'installation de mesure par ultrasons, par exemple par une augmentation significative de la vitesse du son. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on 20 convertit le signal de détection de fuite en un signal d'actionnement du volet basculant du canal de dérivation de façon que le volet basculant passe dans sa position de fin de course barrant l'entrée de gaz d'échappement du radiateur de gaz d'échappement. En même temps, le signal de détection de fuite est transformé en un signal d'affichage qui 25 actionne un afficheur d'avertissement indiquant que le radiateur de gaz d'échappement est défectueux. Une telle installation de détection de fuite et d'avertissement pour le radiateur de gaz d'échappement a une valeur économique considérable car de l'eau qui pénètre dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne peut provoquer des 30 dommages considérables jusqu'à l'arrêt du moteur. En détectant suffisamment à temps une fuite et en coupant le radiateur défectueux de gaz d'échappement, par la commutation du volet d'étranglement on évitera des dommages très graves pour le moteur. 2909726 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : 5 - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion in-terne équipé d'un dispositif de recyclage des gaz d'échappement, - la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'une installation de mesure par ultrasons placée dans un canal de prélèvement du dis-positif de recyclage des gaz d'échappement, 10 - la figure 3 montre le canal de prélèvement de gaz d'échappement et le dispositif de recyclage des gaz d'échappement vus dans la direction de la flèche III de la figure 2 en combinaison avec un appareil de commande de moteur relié à l'installation de mesure par ultrasons et des actionneurs commandés par l'appareil de commande du moteur. 15 Description de modes de réalisation de l'invention Le moteur à combustion interne 10 représenté schématiquement à la figure 1 est un moteur à quatre cylindres, par exemple un moteur Diesel pour un véhicule utilitaire ; le collecteur d'admission 11 alimente les quatre cylindres du moteur 10 avec un mélange carburant- 20 air. Chaque cylindre est équipé d'une conduite d'échappement 12 dé-bouchant dans une conduite d'échappement 13. La conduite d'échappement 13 est équipée de la turbine 141 d'un turbocompresseur 14 dont le compresseur 142 est installé dans la conduite d'admission. La turbine 141 utilise l'énergie des gaz d'échappement pour entraîner le 25 compresseur 142 ; ce dernier aspire de l'air frais et le refoule par la conduite d'aspiration 15 de la conduite d'admission 11 dans les cylindres. La turbine 141 du turbocompresseur de gaz d'échappement 14 est suivie dans la veine de gaz d'échappement 13 par un catalyseur d'oxydation 39. Un canal de prélèvement de gaz d'échappement 16 est 30 issu de la conduite de gaz d'échappement 13 en amont de la turbine 141 du turbocompresseur de gaz d'échappement 14 ; ce canal de prélèvement débouche dans la tubulure d'admission 11 en étant raccordé par son embouchure à la conduite d'admission 15. Un radiateur de gaz d'échappement 17 fonctionnant selon le principe de l'échange à contrecourant est installé dans le canal de prélèvement de gaz d'échappement 5 2909726 6 16. Ce radiateur de gaz d'échappement est traversé à contre-courant d'une part par les gaz d'échappement chauds du canal de prélèvement de gaz d'échappement 16 et d'autre part par un liquide de refroidisse-ment. Le liquide de refroidissement est de préférence l'eau de refroidis- 5 sement du moteur à combustion interne 10. Pour le liquide de refroidissement, le radiateur de gaz d'échappement 17 comporte une entrée de liquide de refroidissement 18 et une sortie de liquide de refroidissement 19 ; pour les gaz d'échappement il comporte une entrée de gaz d'échappement 20 et une sortie de gaz d'échappement 21. 10 Un canal de contournement 22 est associé au radiateur de gaz d'échappement 17 ; ce canal débouche dans le canal de prélève-ment de gaz d'échappement 16 ; son embouchure 221 est au niveau de l'entrée de gaz d'échappement 20 ou proche de l'entrée de gaz d'échappement 20 du radiateur de gaz d'échappement 17 et son autre 15 embouchure 222 est sur ou proche de la sortie de gaz d'échappement 21 du radiateur 17. En amont de l'embouchure 221 côté entrée du canal de contournement 22, le canal de prélèvement de gaz d'échappement 16 est équipé d'une vanne de recyclage de gaz d'échappement 23 pour commander la quantité de gaz d'échappement 20 prélevée de la conduite de gaz d'échappement 13 dans le canal de prélèvement 16. L'embouchure 221 côté entrée du canal de dérivation 22 comporte un volet basculant 24 qui, dans une position de fin de course, ferme l'embouchure 221 du canal de dérivation 22 et qui dans on autre position de fin de course ferme l'entrée de gaz d'échappement 20 du ra- 25 diateur de gaz d'échappement 17. La position du volet basculant 24 est commandée et permet de régler le rapport de mélange entre la quantité de gaz d'échappement refroidie par le passage dans le radiateur 17 et la quantité de gaz d'échappement non refroidie passant par le canal de contournement, ce qui permet de régler la température des gaz 30 d'échappement en aval du radiateur de gaz d'échappement 17. En aval de l'embouchure 222 côté sortie du canal de dérivation 22, le canal de prélèvement de gaz d'échappement 16 est équipé d'une installation de mesure par ultrasons 25 pour mesurer directe-ment la masse des gaz d'échappement traversant le canal de prélève- 35 ment de gaz d'échappement 16. L'installation de mesure par ultrasons 2909726 7 25 est avantageusement regroupée en un ensemble 40 avec le radiateur de gaz d'échappement 17 et son canal de dérivation 22 équipé du volet basculant 24 comme cela est indiqué par un trait interrompu à la figure 1. Cet ensemble est complété pour le canal de prélèvement de gaz 5 d'échappement 16 par deux ajutages de branchement prévus d'une part dans la tubulure de gaz d'échappement 13 et d'autre part dans la tubulure d'admission 15. La vanne de recyclage des gaz d'échappement 23 est de préférence intégrée également à l'ensemble 40. La figure 2 montre l'installation de mesure par ultrasons 10 25 placée dans un orifice 26 du canal de prélèvement de gaz d'échappement 16 comme cela est représenté schématiquement. L'installation de mesure par ultrasons 25 comprend un premier convertisseur d'ultrasons 27 et un second convertisseur d'ultrasons 28 ainsi qu'une électronique d'exploitation 29 entre les convertisseurs 15 d'ultrasons 27, 28 à laquelle sont reliés ces deux convertisseurs d'ultrasons. A proximité de la paroi, en regard des convertisseurs d'ultrasons 27, 28 dans le canal de prélèvement de gaz d'échappement 16 on a une surface réfléchissante 20 parallèle à l'axe du canal ; cette surface est fixée à un support 31 glissé à travers l'orifice de réception 20 26. Les deux convertisseurs d'ultrasons 27, 28 sont installés sur le support 31 en étant inclinés d'un certain angle par rapport à la normale à la surface de réflexion 30. La face supérieure de la surface de réflexion 30 est munie de façon avantageuse d'un revêtement favorisant la ré-flexion des impulsions d'ultrasons. Le support 31 comporte en outre un 25 capteur de température 32 installé avec le support 31 sensiblement au milieu du canal de prélèvement de gaz d'échappement 16. Le capteur de température 32 est également relié à l'électronique d'exploitation 29. Le capteur de température 32 est par exemple un élément NTC. Le support 31 est tel qu'il ne gêne pas ou pratiquement pas le passage des gaz 30 d'échappement dans le canal 16. Comme le montre la vue de côté de l'installation de mesure par ultrasons 25 représentée à la figure 3, le support 31 a pratiquement une forme de U ; le capteur de température 32 est installé sur l'un des deux branches 311, 312 et la surface réfléchissante 30 se trouve sur la partie 313 reliant les deux branches 311, 2909726 8 312. Chacune des deux branches 311, 312 est munie en son milieu d'une cavité centrale arrivant jusqu'à l'entretoise 313. L'installation de mesure par ultrasons 25 est couverte par un couvercle 33 dans lequel est réalisé au moins un canal de cir- 5 culation 34 pour un liquide de refroidissement. Le canal de circulation 34 comporte deux ajutages de branchement 341, 342 ; l'ajutage 341 constitue l'entrée de liquide de refroidissement 18 du radiateur de gaz d'échappement 17 et l'autre ajutage 342 est relié par un serpentin de refroidissement 171 au retour d'agent de refroidissement 19 à travers le 10 radiateur de gaz d'échappement 17 et se situe ainsi en avant de l'arrivée d'agent de refroidissement 18 du radiateur de gaz d'échappement 17. Le côté du volet 34 comporte un connecteur 35 pour alimenter en tension de fonction l'installation de mesure par ultrasons 25 et transmettre les signaux de mesure. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, le con- 15 necteur 35 est relié à un câble 36 relié à l'appareil de commande 37 du moteur. L'appareil de commande 37 du moteur commande comme l'indique schématiquement la figure 13, d'une part, la vanne de recyclage des gaz d'échappement 23, et, d'autre part, le volet basculant 24 ; cet appareil peut en outre commander un témoin de fuite 38 qui sera 20 actionné en cas de fuite du radiateur de gaz d'échappement 17 indiquant que cette fuite mélange une forte quantité d'eau au gaz d'échappement alimentant les cylindres du moteur à combustion in-terne 10. En liaison avec les signaux de mesure fournis par 25 l'électronique d'exploitation 29 de l'installation de mesure par ultrasons 25 par l'appareil de commande moteur 37, en commandant la vanne de recyclage des gaz d'échappement 23 on commande la quantité des gaz d'échappement prélevée dans la tubulure de gaz d'échappement 13 et par la commande du volet basculant 24 on règle la température des gaz 30 d'échappement réintroduits dans le moteur à combustion interne 10. Pour cela, l'appareil de commande central 37 du moteur calcule la quantité de gaz d'échappement à recycler pour une combustion optimale ainsi que la température de ces gaz d'échappement et génère des signaux de réglage correspondants destinés à la vanne de recyclage des 35 gaz d'échappement 23 et au volet basculant 24. 2909726 9 A l'aide des deux convertisseurs d'ultrasons 27, 28 fonctionnant alternativement comme émetteurs et comme récepteurs d'impulsions de son on mesure les temps de parcours dans le sens de passage des gaz d'échappement et dans le sens opposé, c'est-à-dire en 5 amont et en aval et avec le capteur de température 32 on mesure la température des gaz d'échappement qui circulent. Les temps de par-cours permettent de déterminer la vitesse d'écoulement des gaz d'échappement et le débit volumique (débit volumique par unité de temps). Comme cela est connu, à partir du débit volumique, connaissant la température et la pression on peut calculer la masse des gaz d'échappement. La pression des gaz d'échappement est soit connue soit obtenue à l'aide d'un capteur de pression supplémentaire combiné à l'installation de mesure par ultrasons 25. Si à cause d'une fuite dans le radiateur de gaz 15 d'échappement 17, du liquide de refroidissement passe dans les gaz d'échappement, l'humidité des gaz d'échappement augmente alors de manière significative. Par conséquent, la vitesse du son dans les gaz d'échappement augmente de façon extrême. Cette vitesse des sons se calcule à partir de la vitesse d'écoulement mesurée des gaz 20 d'échappement. Si l'on surveille en permanence la vitesse d'écoulement, une augmentation extrême de cette vitesse est une indication d'une fuite dans le radiateur de gaz d'échappement 17. Cette augmentation extrême de la vitesse d'écoulement est détectée dans l'appareil de commande de moteur 37 comme un signal de fuite et un signal 25 d'actionnement correspondant sera appliqué au volet basculant 24 pour couper le radiateur de gaz d'échappement 17 par le volet basculant 24. En même temps, le signal de détection de fuite appliqué à l'appareil de commande de moteur 37 provoque l'émission d'un signal d'affichage actionnant l'indicateur de fuite 38. 30 35 REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, comprenant un canal de dérivation de gaz d'échappement (16) reliant une conduite de gaz d'échappement (13) à une conduite d'admission (11) du moteur (10), un radiateur de gaz d'échappement (17) installé dans le canal de prélèvement des gaz d'échappement (16) est traversé par un agent de refroidissement ainsi que des moyens de commande pour commander la quantité de gaz d'échappement dérivée par le canal de dérivation de gaz d'échappement (16), caractérisé en ce que les moyens de commande comportent une installation de mesure par ultrasons (25) pour mesurer le débit massique dans le canal de prélèvement des gaz d'échappement (16). 2 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de mesure par ultrasons (25) comporte au moins deux convertisseurs d'ultrasons (27, 28) installés sur la paroi du canal de dérivation de gaz d'échappement (16), au moins un capteur de température (32) exposé à la température d'un gaz d'échappement et une électronique d'exploitation (29) et au moins l'électronique d'exploitation (29) est balayée par le moyen de refroidissement. 3 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'installation de mesure par ultrasons (25) est prévue sur l'arrivée d'agent de refroidissement (18) du radiateur à gaz d'échappement (17). 4 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que 2909726 11 le radiateur de gaz d'échappement (17) comporte un canal de contournement (22) dont l'entrée de gaz d'échappement (20) et la sortie des gaz d'échappement (22) se trouvent dans le canal de dérivation de gaz d'échappement (16) et 5 l'installation de mesure par ultrasons (25) est prévue dans le canal de dérivation de gaz d'échappement (16) en aval de l'embouchure côté sortie (222) du canal de contournement (22). 5 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendica-10 tion 4, caractérisé en ce que l'embouchure côté entrée (221) du canal de contournement (22) comporte un volet pivotant commandé (24) permettant dans l'une des deux positions de fin de course de pivotement de fermer l'entrée des gaz 15 d'échappement (20) du radiateur de gaz d'échappement (17) et dans l'autre, l'embouchure (221) côté entrée du canal de contournement (22). 6 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que du signal de mesure de l'installation de mesure par ultrasons (25) on déduit un signal de détection de fuite, significatif d'une fuite dans le radiateur de gaz d'échappement (17). 25 7 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le signal de détection de fuite est converti en un signal d'actionneur pour le volet pivotant (24) et ce volet (24) est mis dans sa position de fin 30 de course de basculement fermant l'entrée des gaz d'échappement (20) du radiateur de gaz d'échappement (17). 8 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que 2909726 12 le signal de détection de fuite est converti en un signal d'affichage pour un voyant avertisseur de fuite (38). 9 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon les revendica- 5 tions 5 et 6, caractérisé en ce que le volet pivotant (24) reçoit un signal d'actionnement déduit du signal de mesure du capteur de température (32), ce signal d'actionnement dé-terminant la position de basculement du volet basculant (22) entre ses 10 deux positions de fin de course. 10 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 les moyens de commande de la quantité de gaz d'échappement prélevée par le canal de prélèvement de gaz d'échappement (16) comportent une vanne de recyclage des gaz d'échappement (23) installée en amont du radiateur de gaz d'échappement (17), cette vanne étant commandée par un appareil de commande de moteur (37) recevant lui-même les signaux 20 de mesure de l'installation de mesure par ultrasons (25). 11 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon la revendication 10, caractérisé en ce que 25 le signal indicateur du voyant de signalisation de fuite (38) et les signaux d'actionnement du volant basculant (24) sont générés à l'embouchure (221) du canal de dérivation (22) par l'appareil de commande de moteur (37). 30 12 ) Dispositif de recyclage des gaz d'échappement selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le radiateur de gaz d'échappement (17) et le canal de dérivation (22) ainsi que le volet pivotant (24) et l'installation de mesure par ultrasons 2909726 13 (25) sont regroupés en un ensemble constructif (40) qui s'introduit dans le canal de prélèvement de gaz d'échappement (16). 5