Brevet FR2921122A3 — publié le 20090320

FR 2921122 A3 20090320 FR 0757665 A 20070919 B07-2884FR - JT/PG PJ 7416/IA Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de régulation de température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne, et procédé associé. Invention de : Philippe ARRIBARD 2 Système de régulation de température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne, et procédé associé. La présente invention concerne le domaine automobile et plus particulièrement le fonctionnement d'un moteur à combustion interne qu'il soit du type à allumage commandé ou du type Diesel. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de régulation de la température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile apte à limiter l'émission de particules polluantes. Les restrictions d'émission de polluants d'échappement des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles nécessitent le développement de stratégies de dépollution de plus en plus efficaces. L'une de ces stratégies consiste à faire recirculer une partie des gaz d'échappement issus de la combustion au moyen d'une conduite de recirculation partielle des gaz d'échappement (EGR) qui est piquée sur la ligne d'échappement du moteur. On parle alors de recirculation basse pression. La réintroduction des gaz d'échappement à l'admission du moteur permet en effet de diminuer la température de combustion à l'intérieur des cylindres et donc de réduire l'émission de particules d'oxyde d'azote NOX particulièrement nocives. Toutefois, une telle recirculation partielle des gaz d'échappement engendre en contrepartie des émissions d'hydrocarbures HC et de monoxyde de carbone CO lors d'un démarrage à froid et aux faibles charges du moteur, étant donné que le mélange d'air frais et de gaz d'échappement recyclés admis présente une température relativement faible. 3 Dans ces conditions, de manière à augmenter la température des gaz entrants à l'admission du moteur, on peut par exemple by-passer le refroidisseur d'air de suralimentation du moteur. Dans l'état de la technique actuelle, on commande ce contournement du refroidisseur d'air de suralimentation en fonction de la température du liquide de refroidissement du moteur et de sa charge. Cette solution présente l'inconvénient majeur de ne pas permettre l'obtention d'un compromis satisfaisant entre d'une part l'émission d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone, et d'autre part d'oxyde d'azote aux faibles charges du moteur ou lors d'un démarrage à froid. La présente invention vise donc à remédier à cet inconvénient. L'invention vise plus particulièrement à prévoir un système apte à assurer une régulation particulièrement précise de la température des gaz destinés à être admis à l'intérieur du moteur. A cet effet, l'invention a pour objet un système de régulation de température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement équipée d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement du moteur et d'un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur du type comprenant une conduite de recirculation piquée sur la ligne d'échappement et débouchant en amont d'un turbocompresseur. Le système comprend des moyens pour augmenter la température des gaz d'admission du moteur, des moyens de détection de paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du dispositif de traitement, et une unité de contrôle apte à commander les moyens pour augmenter la température des gaz d'admission en fonction des paramètres détectés au niveau du dispositif de traitement. 4 Dans un mode de réalisation, les moyens pour augmenter la température des gaz d'admission comportent une conduite de recirculation s'étendant entre une zone de sortie d'un collecteur d'échappement du moteur et une zone d'entrée d'un collecteur d'admission, et une vanne de recirculation. De préférence, le système comprend un échangeur de chaleur monté sur la conduite de recirculation et traversé par un fluide caloporteur. Dans un mode de réalisation, les moyens pour augmenter la température des gaz d'admission comportent une conduite de dérivation pour by-passer un échangeur de chaleur traversé par un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recyclés et par un fluide caloporteur, et une vanne de réglage montée sur ladite conduite. L'échangeur de chaleur peut être le refroidisseur d'air de suralimentation du moteur. Dans un mode de réalisation, les moyens de détection comprennent un capteur de mesure de la teneur en hydrocarbure disposé en aval du dispositif de traitement. En variante, les moyens de détection peuvent comprendre un capteur de mesure de la teneur en monoxyde de carbone disposé en aval du dispositif de traitement, ou des capteurs de température disposés en amont et en aval du dispositif de traitement. Avantageusement, le dispositif de traitement est un catalyseur d'oxydation. Le système de l'invention peut être avantageusement utilisé dans un moteur diesel. L'invention a également pour objet un procédé de régulation de température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement équipée d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement du moteur et d'un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur du type comprenant une conduite de recirculation piquée sur la ligne d'échappement et débouchant en 5 amont d'un compresseur, dans lequel on régule la température des gaz d'admission en fonction de paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du dispositif de traitement détectés dans la ligne d'échappement. Avantageusement, on augmente la température des gaz d'admission par une recirculation partielle de gaz d'échappement réinjectés directement en amont du collecteur d'admission du moteur. On peut également augmenter la température des gaz d'admission en by-passant le refroidisseur d'air de suralimentation du moteur. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de modes de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 4 représentent schématiquement un moteur à combustion interne équipé d'un système de régulation selon un premier, second, troisième et quatrième modes de réalisation de l'invention, respectivement. Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique la structure générale d'un moteur 10 à combustion interne pour véhicule automobile qui comporte ici quatre cylindres 12 en ligne. Chaque cylindre 12 comprend deux orifices d'admission et d'échappement (non référencés) pouvant être obturés respectivement par des soupapes d'admission et d'échappement. Le moteur 10 comprend également un collecteur d'admission 14 pour alimenter en gaz les orifices d'admission des cylindres 12 et un collecteur d'échappement 16 en communication avec les orifices 6 d'échappement, qui est lui-même relié à une ligne d'échappement 18. La ligne d'échappement 18 comporte une turbine 20 montée sur un arbre 22 commun à un compresseur 24 disposé dans une conduite d'alimentation 26 reliée au collecteur d'admission 14. Les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne 18 traversent la turbine 20 qui entraîne le compresseur 24 de façon à augmenter la pression de l'air admis dans les cylindres 12. Le moteur 10 comprend également un dispositif de réinjection ou recirculation partielle des gaz d'échappement à l'admission (EGR). A cet effet, une conduite de recirculation 28 est piquée sur la ligne d'échappement 18 en aval de la turbine 20. Une vanne de recirculation 30, dite vanne EGR , commande la quantité de gaz d'échappement qui sont réinjectés ensuite par la conduite d'alimentation 26 dans le collecteur d'admission 14. La conduite de recirculation 28 comporte un échangeur de chaleur 32 traversé par les gaz d'échappement et par un fluide caloporteur de manière à obtenir un léger refroidissement des gaz d'échappement recyclés avant leur introduction à l'intérieur de la conduite 26. Avantageusement, le fluide caloporteur traversant l'échangeur de chaleur 32 est celui utilisé pour le refroidissement du moteur 10. Dans la ligne d'échappement 18, se trouve monté un catalyseur 34 d'oxydation directement en aval de la turbine 20 et en amont de la conduite de recirculation 28. Le catalyseur 34 d'oxydation forme un dispositif de traitement des gaz d'échappement. Bien entendu, on pourrait également prévoir en outre un filtre à particules en aval du catalyseur. Le moteur 10 comprend encore un échangeur de chaleur 36 monté sur la conduite d'admission 26 entre le collecteur d'admission 14 et le compresseur 24. L'échangeur de chaleur 36 est traversé par le 7 fluide caloporteur traversant l'échangeur de chaleur 32 et par le mélange de gaz constitué de gaz d'échappement recirculés et d'air frais véhiculé par la conduite 26. L'échangeur de chaleur 36 permet de refroidir les gaz d'admission avant leur entrée au niveau du collecteur d'admission 14. L'échangeur de chaleur 36 est le refroidisseur d'air de suralimentation du moteur. Une unité de contrôle 38 électronique assure le fonctionnement du moteur 10 et reçoit à cet effet un certain nombre d'informations. Différents capteurs (non représentés) sont placés à cet égard dans les conduites et leurs signaux sont amenés sur l'unité de contrôle 38. Des capteurs de pression et de température sont par exemple montés sur les conduites 26 et 28, dans le collecteur d'échappement 16, et sur la ligne d'échappement 18. L'unité de contrôle 38 peut notamment commander la position de la vanne EGR 30 par l'intermédiaire d'une connexion électrique 40. L'unité de contrôle 38 pilote également les injecteurs de carburant (non représentés) du moteur 10. En fonctionnement, le catalyseur d'oxydation 34 est destiné à réduire les hydrocarbures HC contenus dans les gaz d'échappement véhiculés dans la ligne 18. Le catalyseur d'oxydation 34 a une température dite d'amorçage thermique en-dessous de laquelle l'oxydation des hydrocarbures HC imbrûlés et du monoxyde de carbone CO ne peut être effectué de façon autonome. Cette température est de l'ordre de 150°C. Ainsi, le catalyseur d'oxydation 34 ne peut fonctionner convenablement à des faibles températures, notamment pendant le démarrage du véhicule et la durée nécessaire à l'activation thermique du catalyseur. Cette durée est généralement de l'ordre de quelques centaines de secondes lors d'un démarrage à froid. A l'issue de cette 8 durée, le catalyseur d'oxydation 34 voit sa température franchir le seuil de 150°C. Toutefois, il est également possible que le catalyseur d'oxydation 34 se désamorce, c'est-à-dire que la température devienne inférieure au seuil de 150°C au cours du fonctionnement du véhicule, par exemple lors d'un embouteillage. De manière à permettre au catalyseur d'oxydation 34 de fonctionner convenablement aux faibles températures, il est prévu une conduite de recirculation 42 piquée sur le collecteur d'échappement 16 et débouchant au niveau de la conduite 26 d'admission immédiatement en amont du collecteur d'admission 14, i.e. en aval de l'échangeur de chaleur 36. La conduite de recirculation 42 comporte une vanne de recirculation 44 de manière à commander la quantité de gaz d'échappement réinjectés à l'intérieur de la conduite d'admission 26. Sur la conduite 42 de recirculation, il est également prévu un échangeur de chaleur 46 traversé par le fluide caloporteur traversant les échangeurs de chaleur 32 et 36, et par les gaz d'échappement recirculés. De manière à procéder au contrôle de fonctionnement de l'efficacité du catalyseur d'oxydation 34, un capteur 48 de la teneur en hydrocarbures HC est disposé directement en aval du catalyseur d'oxydation 34. Le signal de teneur mesurée par le capteur 48 est amené par une connexion électrique 50 sur l'une des entrées de l'unité de contrôle 38 électronique. En fonction de la teneur détectée par le capteur 48, l'unité de contrôle 38 détermine s'il est nécessaire d'augmenter la température des gaz à l'admission. En effet, lorsque le taux d'hydrocarbures HC est élevé, l'efficacité du catalyseur d'oxydation 34 est relativement faible. 9 Dès lors, l'unité de contrôle 38 commande l'ouverture de la vanne 44 de recirculation, par l'intermédiaire d'une connexion électrique 52, de manière à permettre une injection de gaz d'échappement recirculés chaud directement en amont du collecteur d'admission 14. Simultanément, l'unité de contrôle 38 commande la fermeture de la vanne de recirculation 30 pour obtenir une recirculation de gaz d'échappement uniquement en amont du collecteur d'admission 14. Ainsi, à partir de la teneur en hydrocarbures HC détectée, l'unité de contrôle 38 commande cette recirculation de gaz d'échappement de manière à augmenter la température des gaz d'échappement et accroître rapidement la température du catalyseur d'oxydation 34. On réduit ainsi le temps nécessaire à l'activation ou à la réactivation du catalyseur d'oxydation. Une fois que la teneur en hydrocarbures HC détectée par le capteur 38 atteint un niveau correspondant à la température d'amorçage thermique du catalyseur d'oxydation 34, l'unité de contrôle 38 commande la fermeture de la vanne de recirculation 44 et la réouverture de la vanne 30. Dans une variante de réalisation, il pourrait être envisageable de remplacer le capteur 48 de mesure de la teneur en hydrocarbures HC par un capteur de mesure de la teneur en monoxyde de carbone CO disposé également en aval du catalyseur d'oxydation 34 de manière à détecter l'efficacité de fonctionnement de celui-ci. La variante de réalisation illustrée à la figure 2 sur lesquelles les éléments identiques portent les mêmes références diffère uniquement en ce que le capteur de mesure de la teneur en hydrocarbures HC a été remplacé par des capteurs de température 60, 62 disposés immédiatement en amont et en aval du catalyseur d'oxydation 34 de manière à détecter si la température de celui-ci est 10 supérieure au seuil de 150°C. Les signaux de température mesurés par les capteurs 60, 62 sont amenés respectivement par des connexions électriques 64, 66 sur des entrées de l'unité de contrôle 38 électronique. Le mode de réalisation illustré à la figure 3 sur lesquels les éléments identiques portent les mêmes références diffère du mode de réalisation de la figure 1 en ce qu'il est prévu à la place de la conduite de recirculation des gaz d'échappement, une conduite 70 de dérivation de l'échangeur de chaleur 36 piquée immédiatement en amont de celui- ci et débouchant en amont du collecteur d'admission 14. La conduite 70 de dérivation comporte une vanne de réglage 72 pouvant être commandée par l'unité de contrôle 38, par l'intermédiaire d'une connexion électrique 74. Lorsque l'unité de contrôle 38 détecte qu'il est nécessaire d'augmenter la température des gaz à l'admission du moteur par l'intermédiaire de la teneur en hydrocarbures HC détectée par le capteur 48, l'unité de contrôle commande l'ouverture de la vanne 72 de réglage de manière à by-passer l'échangeur de chaleur 36. Ainsi, la conduite de dérivation 70 et la vanne 72 de réglage forment des moyens permettant d'obtenir une augmentation de la température des gaz prévus à l'admission du moteur. La variante de réalisation illustrée à la figure 4 sur lesquels les éléments identiques portent les mêmes références diffère du mode de réalisation de la figure 3 uniquement en ce que le capteur de mesure de la teneur en hydrocarbures est remplacé par des capteurs 80, 82 de mesure de la température disposés respectivement en amont et en aval du catalyseur d'oxydation 34. Les signaux de température mesurés par les capteurs 80 et 82 sont respectivement amenés par des connexions électriques 84 et 86 à l'unité de contrôle 38 électronique. 11 Bien que dans les modes de réalisation précédemment décrits les moyens pour permettre une élévation de la température des gaz à l'admission du moteur comprennent soit une conduite de recirculation piquée sur le collecteur d'échappement et débouchant directement en amont du collecteur d'admission, soit une conduite de dérivation pour by-passer l'échangeur de chaleur constitué par le refroidisseur d'air de suralimentation, on conçoit aisément qu'il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, de prévoir d'utiliser ces deux moyens en combinaison. Grâce à l'invention, il devient possible d'obtenir de manière particulièrement efficace et économique une élévation de la température des gaz d'admission lorsque le catalyseur d'oxydation présente une température inférieure à sa température d'amorçage thermique. Le système selon l'invention forme ainsi un moyen d'aide au fonctionnement du catalyseur d'oxydation aux basses températures. REVENDICATIONS 1-Système de régulation de température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement (18) équipée d'un dispositif de traitement (34) des gaz d'échappement du moteur et d'un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur du type comprenant une conduite de recirculation (28) piquée sur la ligne d'échappement et débouchant en amont d'un turbocompresseur (20, 24), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (42, 44 ; 70, 72) pour augmenter la température des gaz d'admission du moteur, des moyens de détection (48 ; 60, 62 ; 80, 82) de paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du dispositif de traitement, et une unité de contrôle (38) apte à commander les moyens pour augmenter la température des gaz d'admission en fonction des paramètres détectés au niveau du dispositif de traitement (34). 2-Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens pour augmenter la température des gaz d'admission comportent une conduite de recirculation (42) s'étendant entre une zone de sortie d'un collecteur d'échappement (16) du moteur et une zone d'entrée d'un collecteur d'admission (14), et une vanne de recirculation (44). 3-Système selon la revendication 2, comprenant un échangeur de chaleur (46) monté sur la conduite de recirculation (42) et traversé par un fluide caloporteur. 4-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens pour augmenter la température des gaz d'admission comportent une conduite de dérivation (70) pour bypasser un échangeur de chaleur (36) traversé par un mélange d'air frais 13 et de gaz d'échappement recyclés et par un fluide caloporteur, et une vanne de réglage (72) montée sur ladite conduite. 5-Système selon la revendication 4, dans lequel l'échangeur de chaleur (36) est le refroidisseur d'air de suralimentation du moteur. 6-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de détection comprennent un capteur de mesure (48) de la teneur en hydrocarbure disposé en aval du dispositif de traitement. 7-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de détection comprennent un capteur de mesure de la teneur en monoxyde de carbone disposé en aval du dispositif de traitement. 8-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de détection comprennent des capteurs de température (60, 62 ; 80, 82) disposés en amont et en aval du dispositif de traitement. 9-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de traitement est un catalyseur d'oxydation (34). 10-Procédé de régulation de température des gaz d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement équipée d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement du moteur et d'un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur du type comprenant une conduite de recirculation piquée sur la ligne d'échappement et débouchant en amont d'un turbocompresseur, caractérisé en ce qu'on régule la température des gaz d'admission en fonction de paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du dispositif de traitement détectés dans la ligne d'échappement. 14 11-Procédé selon la revendication 10, dans lequel on augmente la température des gaz d'admission par une recirculation partielle de gaz d'échappement réinjectés directement en amont du collecteur d'admission du moteur. 12-Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel on augmente la température des gaz d'admission en by-passant le refroidisseur d'air de suralimentation du moteur.