FR2872550A1 - Dispositif d'injection d'eau dans un moteur a combustion interne et procede associe - Google Patents
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Abstract
Dispositif d'injection d'eau dans une chambre de combustion (3) de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant un condenseur (13) monté sur la conduite d'échappement (12) du moteur et un réservoir (14) pour récupérer l'eau contenue dans les gaz d'échappement en vue de l'injection, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un dispositif émulseur (19) recevant du carburant et de l'eau provenant du réservoir (14) et capable de former un mélange d'eau et de carburant, et un dispositif d'injection (25) dudit mélange dans la chambre de combustion (3) du moteur.
Description
Dispositif d'injection d'eau dans un moteur à combustion interne et
procédé associé
L'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.
Les restrictions d'émission de polluants à l'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 (EOR). 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 définir un compromis entre l'émission des particules et l'émission d'oxydes d'azote NOx.
Une autre stratégie permettant également la diminution de la température de la combustion dans les cylindres et une limitation de la production des oxydes d'azote NOx consiste à injecter directement de l'eau liquide dans les chambres de combustion.
La demande de brevet européen EP-A-1 209 345 (FilterWerk Mann & Hummel) décrit un dispositif permettant de récupérer l'eau se trouvant dans le carburant qui alimente le moteur à combustion interne. Un filtre placé sur la conduite d'amenée du carburant permet la récupération d'une certaine quantité d'eau qui est ensuite injectée dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement ou, en variante, directement dans la chambre de combustion.
Dans la demande de brevet français FR-A-2 833 652 (Renault) l'eau éliminée du carburant dans les mêmes conditions que dans le document précédent, est réinjectée dans la conduite d'air à l'admission du moteur à combustion interne ou dans la conduite d'échappement en aval du moteur. Dans ce document, le but est essentiellement d'éliminer l'eau se trouvant dans le carburant injecté dans la chambre de combustion.
On sait également récupérer l'eau contenue dans les gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur par refroidissement des gaz d'échappement et condensation partielle. C'est ainsi que dans la demande de brevet WO-A-03/001046 (Alstom) l'eau récupérée par condensation à partir des gaz d'échappement et stockée dans un réservoir, est ensuite amenée jusqu'à un évaporateur qui la vaporise, la vapeur obtenue étant mélangée à l'air admis dans le moteur.
La demande de brevet WO-A-01/92710 (Emitec) prévoit également de récupérer l'eau des gaz d'échappement issus du moteur par condensation. L'eau récupérée, stockée dans un réservoir, est utilisée en vue d'une injection directe dans le moteur thermique afin de réduire les émissions de CO2 et d'oxydes d'azote NOx.
Compte tenu de ces différents dispositifs connus, l'invention a pour objet d'améliorer l'effet de dépollution produit par l'injection d'eau dans la chambre de combustion d'un moteur thermique.
L'invention a également pour objet de diminuer l'apparition des phénomènes de cliquetis qui résultent fréquemment de l'introduction d'eau dans la chambre de combustion à des instants non contrôlés du cycle de fonctionnement du moteur.
L'invention a également pour objet une disposition qui permet une injection d'eau dans la chambre de combustion du moteur thermique sans augmentation des dimensions de la chambre de combustion ou de la culasse du moteur.
Le dispositif, selon un aspect de l'invention, permettant l'injection d'eau dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprend un condenseur monté sur la conduite d'échappement du moteur et un réservoir pour récupérer l'eau contenue dans les gaz d'échappement en vue de l'injection. Le dispositif comprend en outre un dispositif émulseur recevant du carburant et de l'eau provenant du réservoir précité et capable de former un mélange d'eau et de carburant, et un dispositif d'injection dudit mélange dans la chambre de combustion du moteur.
De préférence, le dispositif d'injection comprend un injecteur unique pour chaque chambre de combustion. Ainsi, la structure de l'ensemble est simplifiée au même titre que la structure de la chambre de combustion et de la culasse du moteur puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir des injecteurs distincts pour le carburant et pour l'eau.
De plus, l'injection d'eau étant faite avec le carburant, l'injection intervient au dernier moment dans le cycle du moteur, améliorant ainsi l'efficacité de la dépollution des gaz d'échappement et réduisant les phénomènes de cliquetis.
La récupération de l'eau contenue dans les gaz d'échappement par refroidissement et condensation évite la nécessité de prévoir une source d'eau extérieure spécifique pour l'injection.
De plus, le réservoir peut également être relié à un dispositif condenseur d'une installation de climatisation équipant le véhicule automobile, augmentant ainsi la quantité d'eau récupérée lors du fonctionnement du véhicule et utilisable pour l'injection dans la chambre de combustion du moteur.
Dans un mode de réalisation avantageux, on peut prévoir également un moyen de régulation de la quantité d'eau amenée au dispositif émulseur.
L'invention s'applique à tout type de moteur à combustion, qu'il soit à allumage commandé ou du type Diesel. L'invention s'applique également au cas où le moteur est équipé d'un groupe turbocompresseur. Le condenseur et le réservoir sont alors montés en aval de la turbine.
Dans ce cas également, un dispositif détendeur peut être monté an aval du réservoir pour réduire la contre-pression d'échappement.
L'invention s'applique encore au cas où le moteur est équipé d'un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement (EGR) dans la chambre de combustion.
Un autre aspect de l'invention consiste en un procédé d'injection d'eau dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, l'eau étant récupérée par condensation des gaz d'échappement, procédé dans lequel on réalise un mélange d'eau et de carburant qu'on injecte directement dans la chambre de combustion.
De préférence, on réalise le mélange sous la forme d'une émulsion d'eau dans le carburant.
Le mélange est ensuite injecté dans la chambre de combustion au moyen d'un dispositif d'injection unique pour chaque chambre de combustion.
L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par la figure unique annexée qui montre schématiquement les principaux éléments d'un dispositif selon l'invention.
Tel qu'il est illustré sur la figure, un moteur à combustion interne représenté schématiquement sous la référence 1 comprend une culasse 2 et quatre cylindres munis chacun d'une chambre de combustion 3. Dans l'exemple illustré, l'air frais admis par la conduite d'entrée d'air 4 est tout d'abord comprimé dans un compresseur 5 d'un groupe turbocompresseur 6 comportant le compresseur 5 et une turbine de détente 7 montée sur le même arbre d'entraînement mécanique 8 que le compresseur de sorte que la turbine 7 peut entraîner en rotation le compresseur 5. L'air comprimé réchauffé par la compression est amené par la conduite 9 dans la conduite d'admission 10 connectée aux différentes chambres de combustion 3.
La conduite d'échappement 11 amène les gaz d'échappement à la turbine 7.
Conformément à l'invention, les gaz d'échappement issus de la turbine 7 et déjà partiellement détendus, sont amenés par la conduite 12 à l'entrée d'un condenseur 13, par exemple un échangeur de chaleur approprié. L'eau contenue dans les gaz d'échappement qui traversent le condenseur 13, se condense partiellement et est recueillie dans un réservoir de stockage 14 également traversé par les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement issus du réservoir 14 par la conduite 15 traversent encore, dans l'exemple illustré, un dispositif détendeur 16 qui peut être par exemple une pompe ou tout autre moyen, avant d'être amenés sur la conduite d'échappement 17 qui comprend encore des dispositifs complémentaires tels que pot d'échappement catalytique et/ou filtre à particules, non représentés sur la figure. Le dispositif détendeur 16 permet de diminuer la contrepression à l'échappement améliorant ainsi le rendement de la turbine 7.
Selon l'invention, l'eau sous forme liquide, stockée dans le réservoir 14 est véhiculée par la conduite 18 jusqu'à un dispositif émulseur 19 qui reçoit également par la conduite d'entrée 20 le carburant amené par la pompe 21. Un moyen de régulation de la quantité d'eau amenée au dispositif émulseur 19 est inséré dans la conduite 18 et est constitué dans l'exemple illustré par une pompe de circulation 22 à débit variable commandée par le bloc de commande 23.
Le dispositif émulseur 19 est capable de mélanger le carburant provenant de la conduite 20 avec l'eau liquide provenant de la conduite 18 en quantité régulée de façon à former un mélange homogène. De préférence ce mélange se présente sous la forme d'une émulsion d'eau dans le carburant. Le dispositif émulseur peut comprendre par exemple des moyens d'agitation ou tout autre moyen approprié connu dans la technique pour la réalisation d'une telle émulsion. Le mélange issu de l'émulseur 19 est amené par la conduite 24 sur quatre injecteurs 25, chaque injecteur étant capable d'injecter le mélange de carburant et d'eau dans l'une des chambres de combustion 3. Chaque chambre de combustion 3 comporte donc un injecteur unique 25 pour l'injection simultanée du mélange d'eau et de carburant. L'utilisation d'un injecteur unique 25 par chambre de combustion 3 permet d'obtenir un gain de place notable et de simplifier l'architecture des chambres de combustion. De plus, le fait d'utiliser un injecteur unique pour l'injection simultanée du carburant et de l'eau permet d'être certain que l'injection d'eau se fait au dernier moment dans le cycle du moteur à combustion, assurant ainsi une meilleure efficacité de l'effet de dépollution dû à l'injection d'eau et diminuant le risque d'apparition de cliquetis.
Comme illustré sur la figure, l'eau récupérée dans le réservoir de stockage 14 peut également provenir en partie d'un dispositif condenseur 26 faisant partie d'une installation de climatisation équipant le véhicule automobile.
L'injection d'eau qui vient d'être décrite est compatible avec une stratégie de fonctionnement du moteur avec recirculation partielle des gaz d'échappement comme illustré sur la figure. A cet effet, un piquage 26 est prévu sur la conduite d'échappement 11 pour une conduite de dérivation 27 permettant la recirculation partielle des gaz d'échappement. La quantité des gaz d'échappement recyclés (EGR) est régulée par une vanne commandée 28 reliant la conduite de dérivation 27 à la conduite d'admission 10. Dans l'exemple illustré, les gaz d'échappement recyclés peuvent en outre être refroidis au moyen d'un échangeur de chaleur 29 monté dans la conduite de recirculation 27.
L'invention peut être appliquée à tout type de moteur à combustion qu'il s'agisse d'un moteur à essence à allumage commandé ou d'un moteur de type Diesel. L'invention permet de limiter largement les émissions de polluants et d'améliorer le fonctionnement du moteur en diminuant les risques de cliquetis tout en maintenant une compacité acceptable pour le moteur. L'eau injectée en même temps que le carburant, sous forme d'un mélange, dans un dispositif d'injection unique, provient d'un réservoir de stockage alimenté en permanence par le fonctionnement même du moteur et accessoirement par l'installation de climatisation du véhicule automobile.
Claims (10)
1. Dispositif d'injection d'eau dans une chambre de combustion (3) de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant un condenseur (13) monté sur la conduite d'échappement (12) du moteur et un réservoir (14) pour récupérer l'eau contenue dans les gaz d'échappement en vue de l'injection, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un dispositif émulseur (19) recevant du carburant et de l'eau provenant du réservoir (14) et capable de former un mélange d'eau et de carburant, et un dispositif d'injection (25) dudit mélange dans la chambre de combustion (3) du moteur.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le dispositif d'injection comprend un injecteur unique pour chaque chambre de combustion.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de régulation (22,23) de la quantité d'eau amenée au dispositif émulseur (19).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le réservoir (14) est également relié à un dispositif condenseur (26) d'une installation de climatisation équipant le véhicule automobile.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le moteur est équipé d'un groupe turbocompresseur (5,7), le condenseur (13) et le réservoir (14) étant montés en aval de la turbine.
6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait qu'un dispositif détendeur (16) est monté an aval du réservoir (14) pour réduire la contre-pression d'échappement.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le moteur est équipé d'un dispositif (27,28) de recirculation partielle des gaz d'échappement dans la chambre de combustion (3).
8. Procédé d'injection d'eau dans une chambre de combustion de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, l'eau étant récupérée par condensation des gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'on réalise un mélange d'eau et de carburant et qu'on injecte ce mélange dans la chambre de combustion (3).
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé par le fait que l'on réalise un mélange sous la forme d'une émulsion d'eau dans le carburant.
10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé par le fait que l'on injecte le mélange au moyen d'un dispositif d'injection (25) unique pour chaque chambre de combustion.
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