Brevet FR2924472A1 — publié le 20090605

ACCROISSEMENT DE TAUX DE RECIRCULATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT PAR RECIRCULATION D'AIR AUTOUR DU COMPRESSEUR La présente invention se rapporte à un procédé d'accroissement d'un taux de recirculation de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne. Pour satisfaire aux normes de pollution des moteurs à combustion interne, il est généralement recouru à la recirculation de gaz d'échappement connue sous son acronyme anglais EGR. Dans certaines plages de fonctionnement du moteur, notamment sous des charges partielles, des taux élevés d'EGR sont parfois requis. Ces taux élevés d'EGR, sont généralement obtenus par une réduction importante de la perméabilité du conduit d'admission, notamment par vannage par un volet placé dans le circuit d'admission en amont du piquage du circuit de recirculation des gaz d'échappement. Ce vannage s'accompagne d'une augmentation sensible de la consommation en raison de la nécessité d'enrichir le mélange de combustion pour pallier la chute de débit d'air admis dans le moteur. Une autre conséquence de ce vannage est le risque de fonctionnement du compresseur dans une zone où se produit le phénomène de � pompage � du fait de la réduction du débit d'air à iso pression de suralimentation. Il est impératif d'éviter le fonctionnement des compresseurs dans cette zone de pompage. Ce phénomène se manifeste par une instabilité d'écoulement qui se produit lorsque le compresseur n'est plus en mesure de produire une pression suffisamment élevée pour vaincre la résistance en -2 aval, ou autrement dit lorsque la pression de décharge du compresseur est inférieure à la pression du système en aval. L'écoulement s'inverse alors rapidement, ce qui a pour conséquences une perte de rendement soudaine du moteur et une réduction de la puissance du compresseur. Cette inversion d'écoulement est accompagnée de vibrations et de pulsations qui peuvent avoir des effets néfastes comme des dommages mécaniques aux joints, paliers et ailettes du compresseur, une usure prématurée voire une destruction du compresseur. L'invention vise à proposer un procédé de contrôle du taux d'EGR amélioré et notamment un procédé qui permet la réalisation de taux d'EGR élevés sans vannage du conduit d'admission. C'est un objet de la présente invention que de proposer un procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne comprenant une étape de contrôle du taux d'EGR par une recirculation d'une quantité d'air autour du compresseur en piquant une portion d'air en aval du compresseur pour la réinjecter en amont du compresseur. Un tel procédé offre de nombreux avantages parmi lesquels : on peut accroître ou maintenir un taux d'EGR à iso pression de suralimentation sans avoir recours à un vannage du circuit d'admission ; on limite la surconsommation due au vannage du circuit d'admission ; on supprime le phénomène de pompage induit par le vannage du circuit d'admission ; on augmente la robustesse des réglages de dépollution en s'affranchissant des dispersions 30 -3- liées à la position du volet dans le conduit d'admission. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le procédé comprend l'étape d'adapter la quantité d'air recirculé autour du compresseur en fonction d'une loi proportionnelle à la différence de pression motrice aux bornes du moteur ; le procédé comprend l'étape d'adapter la quantité d'air recirculé autour du compresseur par un contrôle du degré d'ouverture d'une vanne placée dans un conduit de recirculation autour du compresseur ; le procédé comprend l'étape d'opérer un vannage partiel du conduit d'admission en amont du piquage de recirculation des gaz d'échappement ; - le procédé comprend l'étape de vanner le conduit d'admission par un volet de coupure commandé en fonction de la pression avant turbine (PAVT) ; 20 - le procédé comprend l'étape de vanner le conduit d'admission par un volet de coupure d'un degré cartographié par mise au point en fonction du taux d'EGR désiré. Un autre objet de l'invention est de proposer un moteur à 25 combustion interne apte à mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante du mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec 30 les dessins annexés sur lesquels : 10 15 -4-- la figure 1 est un schéma de principe d'un moteur suralimenté présentant une boucle de recirculation selon l'invention ; - la figure 2 est un abaque de pression/débit d'air montrant les incidences de la réalisation de taux d'EGR élevés par vannage et par recirculation. La figure 1 présente un schéma de principe d'un moteur suralimenté 1 comprenant un bloc cylindre 10 autour duquel sont disposés un circuit d'échappement 1E et un circuit d'admission 1 A, le moteur étant pourvu d'un circuit de recirculation autour du compresseur 2 selon l'invention. L'air est admis par un filtre à air 3 et se propage jusqu'à un compresseur 4 dans un conduit d'admission compresseur 5. Un débitmètre 6 est disposé dans ce conduit d'admission compresseur 5 pour mesurer un débit d'air instantané provenant du filtre à air 3. Le compresseur 4 est solidaire d'une turbine 7 pour former le turbocompresseur qui est mis en rotation par des gaz d'échappement provenant d'un collecteur de gaz d'échappement 13 et passant dans la turbine 7. Cette mise en rotation du compresseur 4 évacue l'air dans un conduit de suralimentation 8 qui présente un refroidisseur de suralimentation 9. Cet air refroidi est alors admis dans la chambre de combustion d'un bloc cylindre 10 via un répartiteur d'air d'admission 11. Une boucle de recirculation des gaz d'échappement 1 R, est arrangée entre la sortie d'un collecteur d'échappement 13 et le répartiteur d'air d'admission 11 et pourra comprendre un refroidisseur permettant de faire varier la température des gaz d'échappement qui sont recirculés à l'admission. -5 Un volet d'admission, ou volet de coupure 12 est disposé dans le conduit d'admission en amont du piquage d'une boucle de recirculation des gaz d'échappement I R, et en aval du refroidisseur de suralimentation 9. Un conduit de recirculation 20 est disposé autour du compresseur 4 avec une entrée 21 disposée en aval du compresseur 4, la sortie 22 du conduit 20 étant disposée en amont du compresseur 4 et en aval du débitmètre 6. L'entrée du conduit de recirculation 20 est disposée en 10 amont du volet de coupure 12. Une vanne 24 est disposée dans le conduit de recirculation 20 pour faire varier la quantité d'air recirculé entre l'aval et l'amont du compresseur 4. Cette vanne 24 est commandée en ouverture par une unité de contrôle moteur ECU 15 14. L'ECU 14 reçoit des informations provenant du débitmètre d'air 6. Cette vanne 24 peut être dite de � recirculation passive �, c'est-à-dire qu'elle présente un débit de fuite fixe, par exemple au moyen d'un orifice calibré. La vanne 24 20 présente alors deux états : ouvert et fermé, le débit recirculé variant alors respectivement entre une valeur maximum et une valeur minimum s'approchant au plus près de la valeur nulle. Cette vanne 24 peut également être dite de � recirculation active �, c'est-à-dire qu'elle présente un débit de 25 fuite variable. La vanne 24 présente alors soit un nombre supérieur à deux états d'ouverture, soit un gradient d'états d'ouverture, le débit pouvant alors varier, soit entre plusieurs valeurs discrètes, soit entre un continuum de valeurs comprises entre une valeur s'approchant au plus près de la valeur nulle et 30 une valeur maximum. Le débit de recirculation peut alors être -6 adapté plus finement que pour la vanne 24 à recirculation passive. La quantité d'air recirculé pourra varier entre 0% et 15% du débit d'air circulant dans le conduit de suralimentation 8. Pour une application au contrôle du taux d'EGR, on préférera une vanne 24 de recirculation active qui permet d'ajuster finement le taux d'EGR. On pourra faire en sorte que le piquage d'entrée 21 du conduit de recirculation 20 soit réalisé en aval du refroidisseur de suralimentation 9, tout en étant disposé en amont du volet de coupure 12, de manière à réduire le besoin d'entraînement du compresseur 4 par la réduction de la température de l'air qui y est admis. D'une manière générale, le circuit de recirculation 2 comprend le conduit d'admission 20, la portion de conduit d'admission compresseur 5 située en aval de la sortie 22 du conduit de recirculation 20, le compresseur 4, et la portion de conduit de suralimentation 8 située en amont du piquage d'entrée 21 du conduit de recirculation 20. Le circuit d'admission 1A s'étend de l'entrée du filtre à air 3 jusqu'à la sortie du répartiteur d'air 11. Le circuit d'échappement 1E s'étend du collecteur d'échappement 13 jusqu'à au moins la sortie de la turbine 7. La figure 2 présente un abaque de pression/débit d'air montrant les incidences du contrôle du taux d'EGR par vannage et par recirculation. Suivant la méthode de contrôle du taux d'EGR, et en particulier pour des taux d'EGR élevés et pour des charges partielles du moteur, un point de fonctionnement se déplacera différemment. Pour l'exemple illustré sur la figure, le point de fonctionnement P est placé sur la ligne de pompage du -7- compresseur. Cette ligne, matérialisée sur la figure par des croix, constitue la limite entre une zone de fonctionnement avec un phénomène de pompage à gauche et une zone de fonctionnement sans phénomène de pompage à droite. Dans le cas d'un contrôle du taux d'EGR par vannage partiel du conduit d'admission, le point de fonctionnement P se déplacera vers la gauche suivant une tendance indiquée par la flèche 1 sur la figure. En effet, un vannage du conduit d'admission conduit à réduire le débit d'air admis dans le moteur, ce qui à iso pression revient à déplacer le point de fonctionnement du compresseur dans une zone de pompage. On est donc conduit à une limitation du taux d'EGR qui peut être réalisé pour une pression du compresseur donnée, et par suite une limitation de la dépollution par EGR qu'il est possible de réaliser pour ce point de fonctionnement. Dans le cas d'un contrôle du taux d'EGR par recirculation d'une quantité d'air autour du compresseur afin d'augmenter la pression motrice du moteur et le taux d'EGR, le point de fonctionnement P se déplacera vers la droite suivant une tendance indiquée par la flèche 2 sur la figure. En effet, la recirculation d'air autour du compresseur 4 conduit à une augmentation du débit comprimé. La limite de la quantité d'EGR qu'il est possible de réaliser par ce procédé de recirculation dépend des capacités d'entraînement de la turbine mais n'est plus dépendant du phénomène de pompage compresseur. On pourra faire en sorte d'associer ces deux méthodes de contrôle du taux d'EGR, le procédé de recirculation pouvant être utilisé pour éviter l'apparition du phénomène de pompage au moment du vannage du conduit d'admission, de préférence -8-par le volet de coupure 12. On pourra positionner le volet d'admission afin de réaliser un premier taux d'EGR et appliquer un certain taux de recirculation d'air autour du compresseur pour augmenter le taux d'EGR en élevant de manière contrôlée la pression avant turbine (PAVT). Cette recirculation permet d'élever la pression de suralimentation avant de voir apparaître un phénomène de pompage. On pourra contrôler la quantité d'air recirculé autour du compresseur en fonction de la différence de pression motrice aux bornes du moteur (PAVT-PCOLL), PCOLL désignant la pression mesurée au niveau du répartiteur d'air 1 1 , proportionnelle au taux d'EGR. La quantité d'air recirculé autour du compresseur pourra être adaptée par un contrôle du degré d'ouverture de la vanne 24, de préférence une vanne active placée dans le conduit de recirculation 20. L'ECU 14 pourra commander l'ouverture de la vanne en fonction de la valeur de pression avant turbine PAVT. On pourra aussi faire en sorte de cartographier, au moment de la mise au point, le degré d'ouverture de la vanne en fonction du taux d'EGR désiré en fonction du point de fonctionnement du moteur considéré (régime et charge moteur). Des expérimentations ont permis de montrer qu'il est possible d'augmenter le taux d'EGR lors du fonctionnement du moteur sous des charges partielles. Pour une pression prise au niveau du répartiteur d'air PCOLL constante, une charge du moteur et une efficacité de refroidissement des EGR fixés, le taux d'EGR obtenu par recirculation d'air autour du compresseur était supérieure de 4% environ par rapport au taux d'EGR obtenu par vannage du conduit d'admission. -9 Pour une charge du moteur et une efficacité de refroidissement des EGR fixés, ce gain a été porté à 8% et limité par les capacités d'entraînement de la turbine. Cette invention n'est pas limitée à la description qui a 5 été faite du mode de réalisation donné à titre d'exemple. 10 REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de contrôler le taux d'EGR par une recirculation d'une quantité d'air autour du compresseur en piquant une portion d'air en aval du compresseur pour la réinjecter en amont du compresseur. 2) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'adapter la quantité d'air recirculé autour du compresseur en fonction d'une loi proportionnelle à la différence de pression motrice aux bornes du moteur. 3) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'adapter la quantité d'air recirculé autour du compresseur par un contrôle du degré d'ouverture d'une vanne placée dans un conduit de recirculation autour du compresseur. 4) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'opérer un vannage partiel du conduit d'admission en amont du piquage de recirculation des gaz d'échappement. 5) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne selon la revendication précédente caractérisé en ce- 11 - qu'il comprend l'étape de vanner le conduit d'admission par un volet de coupure commandé en fonction de la pression avant turbine (PAVT). 6) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de vanner le conduit d'admission par un volet de coupure d'un degré cartographié par mise au point en fonction du taux d'EGR désiré. 7) Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications précédentes.15