Brevet FR2933740A1 — publié le 20100115

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la suralimentation des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne 5 comportant une ligne d'admission d'air frais pourvue d'un compresseur et une ligne d'échappement de gaz brûlés pourvue d'une turbine. Elle concerne également un procédé de pilotage d'un tel moteur à combustion interne. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE 10 Les moteurs à combustion interne suralimentés utilisent l'énergie cinétique de leurs gaz brûlés pour faire tourner une turbine. Cette turbine entraîne à son tour un compresseur qui comprime l'air frais admis dans le moteur. Cette compression permet alors d'injecter une plus grande quantité d'air frais et de carburant dans les cylindres du moteur, de manière à accroître la puissance 15 développée par le moteur à haut régime. Actuellement, afin de rendre la conduite des véhicules automobiles plus souple et plus agréable, on cherche à élargir la plage d'utilisation du compresseur, de manière à ce qu'il permette également d'accroître le couple développé par le moteur à bas régime. 20 Toutefois, un même compresseur, qui comprime l'air frais selon un taux de compression identique, présente un comportement variable selon que le moteur fonctionne à haut ou à bas régime. En effet, lorsque le moteur fonctionne à haut régime, la vitesse des gaz dans le moteur génère une aspiration d'air frais dans la ligne d'admission. Le 25 compresseur peut donc fonctionner correctement, en comprimant l'air frais de manière efficace. En revanche, lorsque le moteur fonctionne à bas régime, le débit d'air frais circulant dans la ligne d'admission est moins important. Dans ces conditions, il peut apparaître des phénomènes de pompage du compresseur. Ces 30 phénomènes se traduisent par des mouvements de reflux d'air frais momentanés et répétés vers l'amont du compresseur, ce qui provoque une forte réduction des performances du moteur et génère des vibrations pouvant nuire à l'intégrité du compresseur. Afin d'éviter d'être confronté à un tel problème de pompage, il est connu, 35 à bas régime, de réduire le rapport de compression de l'air frais. Pour cela, on diminue le débit de gaz brûlés passant par la turbine, par exemple à l'aide d'une conduite de dérivation des gaz brûlés branchée en parallèle de la turbine, ce qui a pour effet d'abaisser la vitesse de rotation du compresseur. Cependant, cette réduction du taux de compression de l'air frais s'accompagne nécessairement d'une baisse du couple développé par le moteur à combustion interne. Il est également connu d'utiliser soit des artifices aérodynamiques pour commencer à mettre le flux d'air en rotation avant son entrée dans le compresseur, soit deux turbo-compresseurs, l'un dédié aux bas régimes et l'autre dédié aux hauts régimes. Ces dispositifs s'avèrent toutefois onéreux et présentent des efficacités parfois contestables. Il est également connu de réchauffer l'air frais avant qu'il ne traverse le compresseur. En effet, pour un même taux de compression, plus !a température de l'air frais est grande, moindre sont les risques que le compresseur ne pompe. Cette technique ne se révèle toutefois efficace qu'à condition que la température de l'air frais augmente de plus de 60°C. L'utilisation d'une résistance électrique pour réchauffer l'air frais n'est donc pas adaptée puisque la consommation électrique d'une telle résistance serait trop élevée pour être supportée par un alternateur classique. Une autre technique consiste, dans les moteurs comportant une ligne de recirculation des gaz EGR basse pression (piquée en aval de la turbine et débouchant en amont du compresseur), à insuffler un volume important de gaz EGR en amont du compresseur, de manière qu'en se mêlant à l'air frais, ces gaz EGR accroissent la température des gaz passant au travers du compresseur. Cette technique s'est toutefois révélée peu satisfaisante. En effet, les conduites des lignes EGR basse pression présentent des longueurs élevées, si bien que la température des gaz EGR a déjà fortement chuté lorsque ces gaz EGR se mêlent à l'air frais. Il est donc nécessaire d'injecter un gros volume de gaz EGR dans l'air frais pour atteindre une température adéquate. Or, plus le taux de gaz EGR injecté dans les cylindres du moteur est important, plus le couple développé par le moteur diminue. En d'autres termes, pour stabiliser le régime du moteur, il serait alors nécessaire d'augmenter le rapport de compression du compresseur, ce qui risquerait à nouveau de le faire pomper. OBJET DE L'INVENTION La présente invention propose donc un moteur à combustion interne et un procédé de pilotage d'un tel moteur, permettant de réchauffer de manière efficace l'air frais sans toutefois réduire les performances du moteur. A cet effet, on propose selon l'invention un procédé de pilotage d'un moteur pourvu d'une ligne de recirculation de gaz EGR brûlés qui est branchée sur la ligne d'échappement, en amont de la turbine, et qui débouche dans la ligne d'admission, en amont du compresseur, selon lequel, lorsque le moteur à combustion interne fonctionne à bas régime et à pleine charge, le débit de gaz EGR circulant dans cette ligne de recirculation est tel que le rapport volumique de ces gaz EGR sur l'ensemble des gaz qui passent au travers du compresseur est compris entre 2 et 5 %. La ligne de recirculation prenant naissance directement en amont de la turbine et débouchant directement en aval du compresseur, il est possible de réduire sa longueur à quelques dizaines de centimètres. Les gaz EGR circulant dans cette ligne de recirculation n'ont en outre pas été détendus dans la turbine. Ainsi, grâce à l'invention, les gaz EGR insufflés dans la ligne d'admission présente une température très élevée. De ce fait, il est possible de réchauffer fortement l'air frais circulant dans la ligne d'admission à l'aide de seulement 2 à 5 % de gaz EGR. Cette injection de gaz EGR permet donc d'éviter que le compresseur ne pompe sans pour autant réduire le couple développé par le moteur. On propose également selon l'invention un moteur à combustion interne tel que celui décrit en introduction, comprenant une ligne de recirc:ulation de gaz EGR brûlés dimensionnée pour ou comportant une vanne de régulation pilotée pour que, lorsque le moteur à combustion interne fonctionne à bas régime et à pleine charge, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation est tel que le rapport volumique de gaz EGR sur l'ensemble des gaz qui passent au travers du compresseur est compris entre 2 et 5 %. Il est classique d'injecter des gaz EGR dans la ligne d'admission lorsque le moteur fonctionne à faible charge afin de diminuer les émissions polluantes du moteur, et d'arrêter cette injection lorsque le moteur fonctionne à pleine charge afin de maximiser la puissance et le couple du moteur. Toutefois, selon l'invention, lorsque le moteur fonctionne à pleine charge et à bas régime, on n'arrête pas cette injection. Au contraire, des gaz EGR sont insufflés dans la ligne d'admission sans être au préalable refroidis. Ces gaz EGR chauds garantissent ainsi un fonctionnement parfait du compresseur, sans risque de pompage. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé de pilotage conforme à l'invention sont les suivantes : - ledit rapport volumique est compris entre 3 et 4 % ; - la ligne de recirculation étant dépourvue de vanne de régulation du débit de gaz EGR, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation n'est pas piloté ; - la ligne de recirculation comportant une vanne de régulation du débit de gaz EGR, on acquiert une donnée représentative de la charge et du régime du moteur à combustion interne et on pilote ladite vanne en fonction de ladite donnée; - ladite vanne est pilotée en position fermée lorsque le moteur à combustion interne fonctionne en régime normal, c'est-à-dire en dehors du bas régime et de la pleine charge. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du moteur à combustion interne conforme à l'invention sont les suivantes : - ladite ligne de recirculation est dépourvue de moyens de refroidissement des gaz EGR ; - la ligne de recirculation présente une longueur inférieure ,à 0,5 mètre ; - la ligne de recirculation comporte des moyens de réchauffement des gaz EGR ; - les moyens de réchauffement comportent des moyens d'oxydation des gaz EGR. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 2 est un graphique représentatif de la plage de fonctionnement du compresseur du moteur à combustion interne de la figure 1, et - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques de deux variantes de réalisation du moteur à combustion interne de la figure 1. En préliminaire, on notera que les éléments identiques ou similaires des différentes variantes de réalisation de l'invention représentés sur les différentes figures seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois. Dans la description, les termes � amont � et � aval � seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés par un pot catalytique 34. DISPOSITIF Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1, qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu de quatre cylindres 11. Ce moteur est ici à allumage par compression (Diesel). Il pourrait également être à allumage commandé (Essence). En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 pourvue d'un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère. Cette ligne d'admission 20 comporte en outre un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21, ainsi qu'un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé. La ligne d'admission 20 débouche dans un répartiteur d'air 24 qui amène l'air frais dans chacun des cylindres 11 du bloc-moteur 10. Le compresseur 22 peut indifféremment être de type axial ou centrifuge. Il peut être entraîné en rotation par un moteur électrique, ou par le vilebrequin du moteur, ou encore, comme c'est ici le cas, par une turbine 32 (on parle de turbo-compresseur). En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 de gaz brûlés. Cette ligne d'échappement 30 comporte un collecteur d'échappement 31 dans lequel débouchent les gaz qui ont été préalablement brûlés dans les cylindres 11. Cette ligne d'échappement 30 s'étend jusqu'à des moyens d'oxydation des gaz brûlés, formés ici par un catalyseur d'oxydation auxiliaire 33 et par un pot catalytique 34. La ligne d'échappement 30 comporte par ailleurs, entre le collecteur d'échappement 31 et les moyens d'oxydation, la turbine 32 précitée. Le moteur à combustion interne 1 comporte en outre une première ligne de recirculation 50 des gaz brûlés qui prend naissance clans la ligne d'échappement 30, en amont de la turbine 32, et qui débouche dans la ligne d'admission 20, en amont du compresseur 22. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, cette ligne de recirculation 50 est dimensionnée pour ou comporte une vanne de régulation 52 pilotée pour que, lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne à bas régime et à pleine charge, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation 50 est tel que le rapport volumique Rv de gaz EGR sur l'ensemble des gaz qui passent au travers du compresseur 22 reste compris entre 2 et 5 %, préférentiellement entre 3 et 4%. Pour mémoire, on dit d'un moteur à combustion interne de moyenne cylindrée qu'il fonctionne à bas régime et à pleine charge lorsque son vilebrequin tourne à moins de 2000 tours par minute et lorsque sa pédale d'accélérateur est enfoncée à plus de 75%. Ce mode de fonctionnement spécifique du moteur est dans cet exposé défini par opposition au régime normal du moteur, dans lequel ce dernier ne fonctionne pas à bas régime et à pleine charge. En l'espèce, telle que représentée sur la figure 1, la ligne de recirculation 50 présente une section dont la taille est dimensionnée pour que, lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne à bas régime et à pleine charge, le rapport volumique Rv précité reste compris entre 2 et 5 %. La ligne de recirculation 50 étant alors dépourvue de vanne de régulation du débit de gaz EGR, elle est fiable et peu onéreuse. En variante, comme le montre la figure 4, la ligne de recirculation 50 peut comporter une vanne 52 de régulation du débit de gaz EGR, pilotée par des moyens de pilotage électroniques qui seront décrits plus en détail dans la suite de cet exposé. Avantageusement, la ligne de recirculation 50 est dépourvue de moyens de refroidissement des gaz EGR. Elle comporte une unique conduite EGR, de longueur inférieure à 0,5 mètre, qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30 et qui débouche dans la ligne d'admission 20. Les gaz EGR prélevés dans la ligne d'échappement 30 débouchent ainsi dans la ligne d'admission 20 à une température très élevée, supérieure à 600 degrés Celsius. Comme le montre la figure 3, on pourra prévoir que la ligne de recirculation 50 comporte des moyens de réchauffement 51 des gaz EGR. Ces moyens de réchauffement pourront être formés par une gaine d'isolation thermique enfilée sur la conduite EGR. En variante, et de manière préférentielle, ces moyens de réchauffement seront formés par des moyens d'oxydation 51 des gaz EGR et plus particulièrement par un pot catalytique présentant une fonction de catalyseur et une fonction de filtre à particules des gaz EGR. Ainsi, en passant au travers de ce pot catalytique, les gaz EGR se réchaufferont et déboucheront dans la ligne d'admission à une température supérieure à 700 degrés Celsius. Tel que représenté sur les figures 1, 3 et 4, le moteur à combustion interne 1 comporte en outre une seconde ligne de recirculation des gaz brûlés, appelée ligne EGR haute pression 40, qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30, en amont de la turbine 32, et qui débouche dans la ligne d'admission 20, en aval du refroidisseur d'air principal 23. La recirculation des gaz brûlés haute pression dans la ligne d'admission 20, via la ligne EGR haute pression 40, permet de diminuer le volume des émissions polluantes du moteur 1. Cette ligne EGR haute pression 40 accueille un échangeur thermique 42 prévu pour refroidir les gaz haute pression, ainsi qu'une vanne 41 de régulation du débit de gaz haute pression injecté dans la ligne d'admission 20. Le moteur à combustion interne 1 comporte enfin des moyens de pilotage électroniques de ses différents organes. Ces moyens de pilotage comprennent de manière classique une mémoire vive et une mémoire de masse permanente. Dans la variante de réalisation du moteur à combustion interne 1 10 représentée sur la figure 4, la mémoire de masse mémorise en particulier une cartographie relative à la plage de fonctionnement optimale du compresseur et un logiciel de pilotage de la vanne 52 de la ligne de recirculation 50. La plage de fonctionnement optimale PF1 du compresseur 22 est, à titre explicatif, représentée sur la figure2. 15 Cette plage de fonctionnement optimale PF1 du compresseur 22 est définie vis-à-vis de deux caractéristiques thermodynamiques de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22. Ces deux caractéristiques sont ici le débit réduit Qr d'air frais traversant le compresseur 22 et le taux de compression Pr de l'air frais entre l'entrée et la sortie du compresseur 22. 20 Ce débit réduit Qr est calculé en fonction du débit Q d'air passant au travers du compresseur 22 selon la formule suivante : Qr = Q . (T,/To)12 / (P1/Po), avec To la température de l'air frais dans l'atmosphère, T, la température de l'air frais lors de son entrée dans le compresseur 22, Po la pression atmosphérique et P, la pression de l'air frais lors 25 de son entrée dans le compresseur 22. Comme le montre la figure 2, la plage de fonctionnement normal PF1 du compresseur 22 est bornée par deux courbes Cl, C2. La première courbe Cl, qui nous intéresse plus particulièrement, représente la frontière en deçà de laquelle le compresseur 22 risque d'être 30 confronté au phénomène de pompage (plage de fonctionnement anormal PF2). La seconde courbe C2 représente la vitesse de rotation maximale du compresseur au-delà de laquelle les extrémités de ses aubes dépassent la vitesse du son (plage de fonctionnement anormal PF3). Les courbes A représentent les points de fonctionnement du 35 compresseur correspondant à une vitesse de rotation donnée du compresseur (iso-vitesses). Les courbes N représentent les points de fonctionnement du compresseur correspondant à un rendement donné du compresseur (isorendements). La cartographie mémorisée dans la mémoire de masse correspond ici à une discrétisation de la courbe Cl. Plus précisément, la cartographie mémorise des intervalles de taux de compression Pr et associe à chacun de ces intervalles un débit réduit Qr lirnite de l'air frais en deçà duquel le compresseur 22 risque de � pomper �. La mémoire vive est quant à elle prévue pour stocker, en temps réel, des données instantanées mesurées par des moyens d'acquisition. Ces moyens d'acquisition comportent en particulier deux capteurs de pression respectivement situés à l'entrée et à la sortie du compresseur 22 et adaptés à mesurer le taux de compression Pr de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22. Ils comportent en outre un débitmètre situé à l'entrée du compresseur 22 et adapté à mesurer le débit volumique Q de gaz traversant le compresseur 22. Ils comportent enfin des capteurs du régime iet de la charge du moteur. PROCEDE Lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne, l'air frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 est filtré par le filtre à air 21, comprimé par le compresseur 22, refroidi par le refroidisseur d'air principal 23, puis brûlé dans les cylindres 11. A sa sortie des cylindres 11, une première partie des gaz brûlés est détendue dans la turbine 32, puis traitée et filtrée par le catalyseur d'oxydation auxiliaire 33 et par le pot catalytique 34 avant d'être rejetée dans l'atmosphère. Une seconde partie des gaz brûlés, correspondant aux gaz brûlés haute pression, est prélevée par la ligne EGR haute pression 40, refroidie par l'échangeur thermique 42, puis réinjectée dans la ligne d'admission 20. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse du procédé de pilotage conforme à l'invention, lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne à bas régime et à pleine charge, une troisième partie des gaz brûlés, correspondant aux gaz EGR, est prélevée par la ligne de recirculation 50 puis réinjectée dans la ligne d'admission 20, en amont du compresseur 22, de telle manière que le rapport volumique Rv des gaz EGR sur l'ensemble des gaz (frais et EGR) qui passent au travers du compresseur 22 soit compris entre 2 et 5 %. Dans la variante de réalisation du moteur à combustion interne représentée sur la figure 1, des gaz EGR sont constamment injectés dans la ligne d'admission 20 via la ligne de recirculation 50, quels que soient le régime et la charge du moteur. Lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne à bas régime et à pleine charge, les gaz EGR permettent de réchauffer efficacement l'air frais avant qu'il ne traverse le compresseur 22, de manière à éviter que ce dernier ne pompe. Lorsque le moteur fonctionne en régime normal, les gaz EGR permettent de diminuer les émissions polluantes du moteur. Dans la variante de réalisation du moteur à combustion interne représentée sur la figure 4, les gaz EGR ne sont insufflés dans la ligne d'admission 20 via la ligne de recirculation 50 qu'uniquement lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne à bas régime et à pleine charge. En revanche, lorsque le moteur fonctionne en régime normal, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation 50 est piloté pour être égal à zéro. La vanne 52 est pilotée à cet effet de la manière suivante. Le logiciel de pilotage acquiert en continu le taux de compression Pr de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22, le débit volumique Q de gaz traversant le compresseur 22, ainsi que le régime et la charge du moteur. S'il détecte que le moteur à combustion interne 1 fonctionne à bas régime et à pleine charge, le logiciel de pilotage pilote la vanne 52 de manière à laisser passer un débit de gaz EGR tel que le rapport volumique Rv reste constamment compris entre 2 et 5 %. Sinon, le logiciel de pilotage pilote la vanne 52 en position fermée. Dans cette variante, la vanne 52 peut en particulier être pilotée en fonction de la cartographie mémorisée, du taux de compression Pr et du débit volumique Q, de manière que le point de fonctionnement du compresseur reste constamment situé au-delà de la courbe Cl (dans la plage de fonctionnement optimale PF1) et à proximité de cette dernière. En effet, plus le rapport volumique Rv est important, plus le point de fonctionnement instantané du compresseur 22 s'écarte de la courbe Cl dans la plage de fonctionnement optimale PF1, ce qui écarte tout problème de pompage. Toutefois, à pleine charge, plus le rapport volumique Rv est important, moindre est le couple maximum que peut développer le moteur. Le pilotage du débit de gaz EGR en fonction de la cartographie mémorisée, du taux de compression Pr et du débit volumique Q permet ainsi de conserver en continu une valeur optimale de rapport volumique Rv, de manière que le compresseur 22 ne pompe pas et que le couple maxirnum que peut développer le moteur ne diminue quasiment pas. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.5 REVENDICATIONS1. Procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne (1) comportant une ligne d'admission (20) d'air frais pourvue d'un compresseur (22), une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés pourvue d'une turbine (32), et une ligne de recirculation (50) de gaz EGR brûlés qui est branchée sur la ligne d'échappement (30), en amont de la turbine (32), et qui débouche dans la ligne d'admission (20), en amont du compresseur (22), caractérisé en ce que lorsque le moteur à combustion interne (1) fonctionne à bas régime et à pleine charge, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation (50) est tel que le rapport volumique de gaz EGR sur l'ensemble des gaz qui passent au travers du compresseur (22) est compris entre 2 et 5 %. 2. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel ledit rapport volumique est compris entre 3 et 4 %. 3. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, la ligne de recirculation (50) étant dépourvue de vanne de régulation du débit de gaz EGR, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation (50) n'est pas piloté. 4. Procédé de pilotage selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel, la ligne de recirculation (50) comportant une vanne (52) de régulation du débit de gaz EGR, on acquiert une donnée représentative de la charge et du régime du moteur à combustion interne (1) et on pilote ladite vanne (52) en fonction de ladite donnée. 5. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel ladite vanne (52) est pilotée en position fermée lorsque le moteur à combustion interne (1) fonctionne en régime normal, c'est-à-dire en dehors du bas régime et de la pleine charge. 6. Moteur à combustion interne (1) comportant une ligne d'admission (20) d'air frais pourvue d'un compresseur (22), une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés pourvue d'une turbine (32), et une ligne de recirculation (50) de gaz EGR brûlés qui est branchée sur la ligne d'échappement (30), en amont de la turbine (32), et qui débouche dans la ligne d'admission (20), en amont du compresseur (22), caractérisé en ce que la ligne de recirculation (50) est dimensionnée pour ou comporte une vanne de régulation (52) pilotée pour que, lorsque le moteur à combustion interne (1) fonctionne à bas régime et à pleine charge, le débit de gaz EGR circulant dans la ligne de recirculation (50) est tel quele rapport volumique de gaz EGR sur l'ensemble des gaz qui passent au travers du compresseur (22) est compris entre 2 et 5 %. 7. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel ladite ligne de recirculation (50) est dépourvue de moyens de refroidissement des gaz EGR. 8. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel la ligne de recirculation (50) présente une longueur inférieure à 0,5 mètre. 9. Moteur à combustion interne (1) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel la ligne de recirculation (50) comporte des moyens de réchauffement (51) des gaz EGR. 10. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de réchauffement comportent des moyens d'oxydation (51) des gaz EGR.