Brevet FR3019230A1 — publié le 20151002

Moteur à combustion équipé d'un préchauffage des gaz d'échappement recyclés L'invention concerne les moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles, et plus particulièrement ceux dotés d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement à l'admission. De façon classique, un moteur à combustion interne comprend une chambre de combustion, un conduit d'admission pour alimenter en air la chambre de combustion et un conduit d'échappement pour évacuer les gaz brûlés de la chambre de combustion. Un tel moteur à combustion interne peut comprendre également un turbocompresseur, doté d'une turbine disposée sur le conduit d'échappement et d'un compresseur disposé sur le conduit d'admission. Le turbocompresseur a pour fonction de comprimer l'air admis en chambre de combustion afin d'augmenter le rendement du moteur. Ce moteur peut également comporter un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement, autrement connu sous le nom de dispositif EGR de l'anglais « Exhaust Gas Recirculation ». De tels dispositifs ont pour fonction de récupérer une partie des gaz d'échappement en sortie de la chambre de combustion du moteur pour la mélanger à l'air admis en entrée de la chambre de combustion. Il en résulte une moindre émission des oxydes d'azote, également appelés NOx. Un tel dispositif peut également être utilisé pour accélérer la phase de montée en température du moteur en phase de démarrage. Un dispositif de recirculation des gaz d'échappement à haute pression comprend un conduit de recirculation, connecté d'un côté au conduit d'échappement et de l'autre côté au conduit d'admission. De cette manière, une partie des gaz d'échappement brûlés quitte le conduit d'échappement, circule dans le conduit de recirculation et est réintroduite dans le conduit d'admission. Le dispositif de recirculation des gaz d'échappement comprend en outre une vanne dite « vanne EGR » afin de contrôler la quantité de gaz d'échappement à recycler. On s'intéresse en particulier à des dispositifs de recirculation des gaz d'échappement haute pression, qui prélèvent les gaz d'échappement en amont de la turbine et les réintroduisent en aval du compresseur. Des conditions de température de l'air ambiant et du liquide de refroidissement du moteur inférieures à 0°C favorisent l'apparition d'un phénomène d'encrassement de la vanne EGR par des hydrocarbures imbrûlés. Au contact des parois très froides des composants du dispositif de recirculation (conduit de recirculation et vanne EGR), les hydrocarbures imbrûlés sont condensés puis polymérisés en composés lourds très adhérents Dans certaines conditions, comme lors d'un démarrage à froid ou d'une utilisation du moteur sur une trop courte durée, le circuit de recirculation n'est pas traversé par des gaz d'échappement suffisamment chauds pour nettoyer les dépôts d'hydrocarbures imbrûlés. Ce phénomène est appelé « laquage ». Le laquage de la vanne se traduit par un collage de l'obturateur (généralement une soupape ou un volet) sur son siège, ce qui empêche l'ouverture de la vanne et ainsi le dosage des gaz recirculés. En effet, l'actionneur de la vanne fournit un certain couple moteur pour ouvrir la soupape ou le volet. Les technologies les plus performantes en termes de couple moteur disponible (par exemple un moteur électrique à courant continu) peuvent s'avérer insuffisantes pour vaincre la résistance mécanique de la laque (efforts de traction et de cisaillement). Dans ces conditions, l'ouverture d'une vanne laquée n'est pas possible. Cela empêche temporairement ou définitivement le fonctionnement du dispositif de recirculation des gaz d'échappement, de sorte que l'utilisateur est généralement obligé de faire changer la vanne par un professionnel. Le document FR 2 902 470 divulgue un dispositif de recirculation des gaz d'échappement dont la vanne comprend une résistance électrique. L'alimentation électrique de la résistance produit par effet Joule une puissance thermique qui se propage par conduction au contact de la laque. Celle-ci voit alors ses propriétés de résistance mécanique diminuer, ce qui permet une ouverture plus facile de la vanne. Un tel dispositif ne permet cependant pas un réchauffage des gaz d'échappement recyclés. Par ailleurs, toujours dans ces conditions de températures, les gaz d'échappement sont très denses. Ainsi, même pour la plus faible ouverture de la vanne possible compte tenu du matériel généralement utilisé, une quantité trop importante de gaz d'échappement est introduite dans la chambre de combustion. La richesse est alors trop élevée, ce qui se traduit par une dégradation de la combustion et par des émissions plus importantes d'hydrocarbures imbrûlés. Si la ligne d'échappement du moteur est équipée d'un dispositif catalyseur, il peut en résulter un colmatage de ce catalyseur et à terme sa destruction. D'autre part, une combustion trop dégradée ne permet pas une montée en température rapide du liquide de refroidissement du moteur. Pour ces raisons, la solution généralement mise en oeuvre consiste à désactiver la recirculation des gaz d'échappement lorsque la température de liquide de refroidissement est inférieure à un certain seuil (par exemple 60°C) qui garantit le bon fonctionnement du système. Lorsque ce seuil est atteint, on peut éventuellement faire disparaître la laque en réchauffant la vanne, par exemple au moyen de la résistance décrite dans le document FR 2 902 470. On peut ensuite activer de nouveau la recirculation des gaz d'échappement. Cette solution présente toutefois l'inconvénient de ne pas permettre de recirculation des gaz d'échappement lorsque la température de liquide de refroidissement est très faible. Il en résulte une augmentation des émissions d'oxydes d'azote dans ces zones de fonctionnement. La désactivation de la recirculation des gaz d'échappement empêche par ailleurs une montée en température du moteur rapide (mesurée directement par la température du liquide de refroidissement), ce qui a pour effet de retarder l'activation de la recirculation des gaz d'échappement. On comprend donc qu'une autre solution serait souhaitable. La montée en température du moteur trop lente entraîne d'autres problèmes. Par exemple, une partie de la chaleur émise par le moteur lorsqu'il est chaud sert généralement à réchauffer un liquide de chauffage. Le liquide de chauffage sert à réchauffer l'air envoyé par les buses d'aération pour réchauffer l'habitacle du véhicule. Une montée en température du moteur trop longue présente donc de multiples inconvénients, comme la perte d'efficacité du système de chauffage. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de proposer un moteur à combustion doté d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement écartant le risque de laquage de la vanne tout en palliant les inconvénients occasionnés par la désactivation de la recirculation lors d'une trop faible température de liquide de refroidissement. Selon un premier aspect de l'invention, un moteur combustion interne pour véhicule automobile est doté d'un conduit d'admission, d'un conduit d'échappement et d'un dispositif de recirculation des gaz d'échappement comprenant un conduit de recirculation muni d'une vanne et d'un actionneur capable de régler l'ouverture de la vanne. Un dispositif de préchauffage est disposé dans le conduit de recirculation en amont de la vanne. Le dispositif de préchauffage permet ainsi de réchauffer les gaz circulant dans le conduit de recirculation afin d'empêcher le laquage de la vanne. L'augmentation de la température des gaz d'échappement recyclés permet en outre de diminuer leur densité. Ainsi, pour une même ouverture de la vanne, la quantité de gaz d'échappement envoyés en chambre de combustion est plus faible. On peut donc activer la recirculation des gaz d'échappement à faible température de liquide de refroidissement sans risque de détériorer le catalyseur. Cela permet de réduire les émissions de polluant durant le temps de montée en température du moteur, de réduire ce temps de montée en température et d'améliorer les performances du système de chauffage du véhicule. Dans un mode de réalisation, le dispositif de recirculation des gaz d'échappement comprend des moyens de mesure et d'estimation de conditions d'activation, ainsi qu'un organe de commande apte à commander l'actionneur et le dispositif de préchauffage. Avantageusement, l'organe de commande est capable de contrôler la puissance thermique émise par le dispositif de préchauffage. On peut également prévoir que les moyens de mesure de conditions d'activation comprennent des capteurs aptes à mesurer au moins un paramètre parmi : la température d'air ambiant, la température de liquide de refroidissement, la température du gaz dans le conduit de recirculation, la température du gaz à l'échappement du moteur en amont du conduit de recirculation, le régime de rotation du moteur et la charge du moteur. De tels capteurs sont pertinents pour détecter des conditions nécessitant une modification du débit de recirculation ou de la température des gaz recyclés. Dans un mode de réalisation, le dispositif de préchauffage est situé en amont de la vanne à une distance de celle-ci comprise entre 1 cm et 15 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm. Le dispositif de préchauffage peut être constitué de différents composants capables de réchauffer les gaz d'échappement recyclés circulant dans le conduit de recirculation. Dans une première variante, le dispositif de préchauffage comprend une bougie électrique de préchauffage disposée dans l'écoulement de gaz d'échappement circulant dans le conduit de recirculation. Dans une seconde variante, le dispositif de préchauffage comprend une résistance chauffante disposée dans l'écoulement de gaz d'échappement circulant dans le conduit de recirculation. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de quelques modes de réalisation constituant uniquement des exemples non limitatifs, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un moteur à combustion selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 représente le dispositif de préchauffage du dispositif de recirculation des gaz du moteur de la figure 1. On a représenté sur la figure 1 un moteur à combustion 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Le moteur à combustion 1 comprend une chambre de combustion 2 munie de quatre cylindres 3. La chambre de combustion 2 comprend un collecteur d'admission 4 et un collecteur d'échappement 5. Un conduit d' admission 6 fournit l'air au collecteur d'admission 4 qui le répartit entre les cylindres 3. Le conduit d'admission 6 comprend un conduit d'admission à basse pression 6a et un conduit d'admission à haute pression 6b. Un conduit d'échappement 7 évacue les gaz d'échappement recueillis par le collecteur d'échappement 5. Le conduit d'échappement 7 comprend un conduit d'échappement à haute pression 7a et un conduit d'échappement à basse pression 7b. Un turbocompresseur 8 comprend un axe 8a lié en rotation avec une turbine 8b et un compresseur 8c. La turbine 8b est disposée entre les conduits 7a et 7b. Les gaz d'échappement à haute pression s'écoulant dans le conduit 7a entraînent la turbine 8b en rotation. Cette rotation est transmise au moyen de l'axe 8a au compresseur 8c. Le compresseur 8c est disposé entre les conduits 6a et 6b. Lorsqu'il est entraîné en rotation, il a pour fonction de comprimer l'air provenant du conduit à basse pression 6a. Un filtre à air 9 est disposé sur le conduit d'admission à basse pression 6a. Par ailleurs, la compression de l'air s'accompagne généralement d'une forte hausse de température. Un refroidisseur d'air 10 est monté sur le conduit d'admission à haute pression 6b pour compenser cette hausse de température. Dans l'exemple illustré, un catalyseur 11 et un filtre à particules 12 sont montés sur le conduit d'échappement à basse pression 7b. Le moteur à combustion 1 comprend un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement à haute pression 13. Le dispositif 13 comprend un conduit de recirculation 14. Le conduit 14 est relié à son extrémité amont 14a au collecteur d'échappement 5. Il est relié à son extrémité aval 14b au conduit d'admission 6 immédiatement en amont du collecteur d'admission 4. De cette manière, une partie des gaz d'échappement recueillis par le collecteur d'échappement 5 peut être mélangée à l'air admis dans la chambre de combustion 2. Pour contrôler la proportion de gaz d'échappement recyclés pour être introduits dans la chambre de combustion 2, on met en place une vanne 15 dite vanne EGR dont on contrôle le débit au moyen d'un actionneur électromécanique 20 (représenté sur la figure 2). Un dispositif de préchauffage 16, en l'espèce dans l'exemple illustré, une bougie de préchauffage est montée dans le conduit de recirculation 14. La bougie 16 est alimentée par un relais électrique 17 et est capable d'augmenter la température des gaz circulant dans le conduit de recirculation 14. On peut sans sortir du cadre de l'invention envisager un tout autre type de dispositif de préchauffage, par exemple une résistance électrique alimentée par un relais électrique. Le moteur à combustion 1 comprend des moyens de mesure 18 et un calculateur 19. Les moyens de mesure 18 ont pour fonction de détecter ou estimer les paramètres nécessaires pour déterminer si et à quel niveau d'ouverture la vanne 15 doit être ouverte et si et à quelle puissance le dispositif de préchauffage 16 doit être actionné. Les moyens de mesure 18 peuvent comprendre plusieurs types de capteurs. Dans ce mode de réalisation, les moyens de mesure 18 comprennent les moyens matériels et logiciels pour mesurer par exemple la température de l'air ambiant, la température du liquide de refroidissement du moteur, la température des gaz dans le conduit de recirculation, la température du gaz à l'échappement du moteur en amont du conduit de recirculation, le régime de rotation du moteur et la charge du moteur. Les moyens de mesure 18 transmettent ces données au calculateur 19. Le calculateur 19 interprète les données émises par les moyens de mesure et d'estimation 18 pour transmettre des instructions à l'actionneur 20 et au relais électrique 17. Par exemple, pour une valeur de température de liquide de refroidissement du moteur inférieure à 0°C, le calculateur 19 émet un signal au relais électrique 17 pour que celui-ci alimente la bougie de préchauffage 16. Le calculateur 19 est donc capable de contrôler la bougie 16. Dans une première variante, le calculateur 19 est seulement capable de donner des instructions pour activer la bougie de préchauffage 16 ou non. Dans une seconde variante, le calculateur 19 donne un ordre variable de manière à contrôler l'énergie thermique émise par la bougie de préchauffage 16. On a représenté en figure 2 une partie du conduit de recirculation 14 du moteur de la figure 1, au niveau de la vanne 15 et de la bougie de préchauffage 16. La vanne 15 est capable de moduler, grâce à un obturateur, la section de passage des gaz à l'aide de l'actionneur électromécanique 20, suivant un dispositif non décrit ici car ne faisant pas partie du cadre de l'invention. La bougie de préchauffage 16 est représentée ainsi que le relais électrique 17. Lorsque le relais 17 alimente la bougie 16, une extrémité 16a de la bougie 16 émet de la chaleur. La bougie 16 est disposée de telle sorte que son extrémité 16a soit disposée sensiblement au centre de la section du conduit, de façon à transmettre le plus de chaleur possible aux gaz circulant dans le conduit 14. Comme cela a déjà été évoqué, la bougie de préchauffage 16 peut être remplacée par un autre dispositif, par exemple une résistance électrique. Dans ce cas, la partie chauffante de la résistance électrique est de préférence disposée au centre de la section du conduit 14. La bougie de préchauffage 16 est disposée en amont de la vanne 15, à une distance x. Pour une efficacité optimale, la distance x est comprise entre lcm et 15cm, de préférence entre 5cm et 10cm. L'écoulement des gaz d'échappement recyclés est symbolisé par les flèches 21, 22 et 23. Au niveau de la flèche 21, la température des gaz peut donc être faible. Dans un tel cas, on alimente la bougie de préchauffage 16. De cette façon, au niveau de la flèche 22, les gaz sont réchauffés à une température permettant de réduire suffisamment leur densité pour mieux contrôler la quantité de gaz d'échappement recirculés. De cette manière, on peut utiliser le dispositif de recirculation des gaz d'échappement lors d'un démarrage à froid, ou après un temps d'utilisation très court, et lorsque les températures ambiantes sont faibles, sans risquer de détériorer la vanne ou le catalyseur. Il en résulte une réduction des émissions de polluants, une montée en température du moteur plus rapide et une efficacité accrue du système de chauffage de l'habitacle. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne (1) pour véhicule automobile doté d'un conduit d'admission (6), d'un conduit d'échappement (7) et d'un dispositif de recirculation des gaz d' échappement (13) comprenant un conduit de recirculation (14) muni d'une vanne (15) et d'un actionneur (20) capable de régler l'ouverture de la vanne (15), caractérisé en ce qu'un dispositif de préchauffage (16) est disposé dans le conduit de recirculation (14) en amont de la vanne (15). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de recirculation des gaz d'échappement (13) comprend des moyens de mesure et d'estimation de conditions d'activation (18) et un organe de commande (19) apte à commander l'actionneur (20) et le dispositif de préchauffage (16). 3. Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'organe de commande (19) est capable de contrôler la puissance thermique émise par le dispositif de préchauffage (16). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de mesure et d'estimation (18) de conditions d'activation comprennent des capteurs aptes à mesurer au moins un paramètre parmi : la température d'air ambiant, la température de liquide de refroidissement, la température du gaz dans le conduit de recirculation, la température du gaz à l'échappement du moteur en amont du conduit de recirculation, le régime de rotation du moteur et la charge du moteur. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de préchauffage (16) est situé en amont de la vanne (15) à une distance de celle-ci comprise entre 1 cm et 15 cm, de préférence entre 5 cm et 10 cm. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de préchauffage (16) comprend une bougie électrique de préchauffage disposée dans l'écoulement de gaz d'échappement circulant dans le conduit de recirculation (14). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de préchauffage (16) comprend une résistance chauffante disposée dans l'écoulement de gaz d'échappement circulant dans le conduit de recirculation (14).