FR3037357A1 - Procede de chauffage d’un systeme d’echappement d’un ensemble moteur a combustion interne par injection d’air - Google Patents

Procede de chauffage d’un systeme d’echappement d’un ensemble moteur a combustion interne par injection d’air Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de chauffage d'un système d'échappement d'un ensemble moteur par injection d'air dans un moteur de l'ensemble comprenant une entrée d'air et une sortie de gaz d'échappement avec injection de carburant, avec une turbine et au moins un compresseur comprimant l'air en entrée du moteur, le système d'échappement partant de la sortie du moteur en comprenant un premier conduit d'échappement par la turbine et un deuxième conduit de décharge contournant la turbine. Il est effectué une surpression d'air en entrée suffisante pour le faire passer directement à la sortie sans combustion dans le moteur pour une injection d'air (IAE) dans le système d'échappement, un passage de l'air par le deuxième conduit de décharge et au moins une post-injection de carburant (IIE, IDE) dans le moteur, le carburant sortant imbrûlé du moteur et passant sous forme d'hydrocarbures dans le système d'échappement.

Description

1 PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UN SYSTEME D'ECHAPPEMENT D'UN ENSEMBLE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE PAR INJECTION D'AIR [0001] L'invention porte sur un procédé de chauffage d'un système d'échappement d'un ensemble moteur à combustion interne d'un véhicule automobile par injection d'air à une entrée du moteur directement dans le système d'échappement, ce procédé de chauffage comprenant aussi une étape de post-injection de carburant non brûlé dans le système d'échappement. [0002] L'ensemble moteur selon l'invention est connu sous la dénomination VEMB, abréviation de l'appellation anglo-saxonne de « Valve Event Modulated Boost », traduite en français par suralimentation contrôlée par distribution moteur. [0003] Un moteur à combustion interne comprend un carter cylindres muni d'au moins une chambre de combustion et une entrée d'admission d'air ou collecteur d'admission d'air pour le mélange air carburant dans la chambre s'il n'y en a qu'une ou dans chaque chambre de combustion quand il y en a plusieurs ainsi qu'une sortie de gaz d'échappement résultant de la combustion du mélange dans la ou chaque chambre. La sortie du moteur est reliée à un collecteur d'échappement alimentant un conduit d'échappement évacuant les gaz d'échappement vers l'extérieur. [0004] Un ensemble moteur turbocompressé comprend une turbine et un compresseur. La turbine est disposée en aval d'un collecteur d'échappement dans un conduit d'échappement du système d'échappement tandis que le compresseur est disposé en amont d'un collecteur d'admission d'air au moteur. [0005] La turbine comprend une roue de turbine récupérant au moins partiellement une énergie cinétique créée dans les gaz d'échappement la traversant, l'organe rotatif en tant que roue de la turbine étant mis en rotation par les gaz d'échappement quittant le collecteur d'échappement. La turbine entraîne ensuite le compresseur en étant solidaire de celui-ci par un axe, le compresseur étant traversé par de l'air frais destiné à alimenter en air le moteur, air que le compresseur comprime. [0006] Un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprend essentiellement un système d'échappement à deux conduits. Un tel ensemble 30 est montré par le document WO-A-2009/105463. Un tel ensemble moteur à suralimentation contrôlée sera ultérieurement plus précisément décrit. 3037357 2 [0007] Dans certaines régions du monde comme par exemple en Amérique du Nord et de plus en plus en Chine, les normes d'émissions de polluants sont très sévères et imposent une mise en action très rapide d'un ou des traitements de dépollution ayant lieu dans le système d'échappement pour atteindre une efficacité optimale dès les premières 5 secondes après le démarrage à froid d'un moteur à combustion interne. [0008] Pour cela, notamment sur le marché nord-américain, les moteurs à combustion interne sont équipés d'un système d'injection d'air à l'échappement, aussi connu sous l'abréviation de système IAE. La fonction d'un tel système d'injection d'air est de chauffer plus rapidement le ou les éléments de dépollution se trouvant dans le système 10 d'échappement de l'ensemble moteur. [0009] Les systèmes d'injection d'air déjà existants comprennent une pompe permettant de propulser de l'air frais vers le circuit d'échappement, en amont du ou des éléments de dépollution. Le principe de fonctionnement de tels systèmes consiste à acheminer de l'air dans la ligne d'échappement et à injecter en excès du carburant dans les chambres de 15 combustion du moteur pour que le mélange constitué par l'air et par le carburant continue de brûler jusque dans l'élément ou les éléments de dépollution, afin d'augmenter leur température le plus rapidement possible. [0010] Les inconvénients majeurs de tels systèmes d'injection d'air pour augmenter la température d'un ou de plusieurs éléments de dépollution, notamment un ou des 20 catalyseurs sont : - le coût des différents composants : une pompe pour le système d'injection, un circuit dédié, un clapet anti-retour, etc..., - la consommation de carburant, - l'encombrement des composants, dont la pompe, constituant le système et la 25 difficulté à les loger dans l'espace sous le capot de plus en plus contraint. [0011] Il a aussi été proposé une variante du système d'injection couplé avec un compresseur électrique comme pompe à air pour envoyer de l'air frais en amont du catalyseur par un circuit d'injection. L'ensemble moteur est soit muni d'un compresseur électrique isolé soit d'un compresseur électrique associé à un compresseur de turbocompresseur. [0012] Dans cette dernière architecture à deux étages de compression, le compresseur électrique est positionné en amont du compresseur du turbocompresseur avec un circuit d'injection d'air situé entre les deux compresseurs. 3037357 3 [0013] L'utilisation du compresseur électrique est partiellement détournée dans les phases froides de fonctionnement du moteur, notamment en après-démarrage pour jouer le rôle de la pompe d'injection d'air et injecter de l'air à l'échappement en amont du ou des éléments de dépollution. Le système est alors toujours muni d'un circuit dédié pour 5 l'injection d'air à l'échappement et aussi d'une vanne trois voies qui permet d'envoyer l'air sous pression soit vers l'échappement soit vers le moteur. [0014] Cette solution technique permet d'économiser une pompe d'injection d'air mais nécessite cependant toujours un circuit dédié et une vanne trois voies, ce qui reste une solution onéreuse. 10 [0015] Il a aussi été évoqué de créer une surpression à l'entrée du moteur pour envoyer de l'air dans le système d'échappement de l'ensemble moteur sans circuit dédié additionnel ni vanne trois voies. [0016] Cependant le principal défaut de cette approche pour un ensemble moteur avec un turbocompresseur est de générer une réaction de post-oxydation de l'air sous 15 surpression en amont de la turbine en se référant au sens d'écoulement des gaz dans le système d'échappement, ce qui expose la turbine à cette réaction et engendre de plus des pertes thermiques aux parois avant que l'air chaud ne rencontre le ou les éléments de dépollution positionnés en aval de la turbine dans le système d'échappement. [0017] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est d'effectuer un chauffage 20 d'une portion de système d'échappement d'un ensemble moteur turbocompressé, cette portion se trouvant en aval d'une turbine dans le système, le chauffage de la portion devant être le plus effectif possible. [0018] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de chauffage d'un système d'échappement d'un ensemble moteur à combustion d'un véhicule 25 automobile par injection d'air dans un moteur faisant partie de l'ensemble comprenant une entrée d'air et une sortie de gaz d'échappement avec injection de carburant, l'ensemble moteur comportant une turbine et au moins un compresseur comprimant l'air en entrée du moteur, le système d'échappement partant de la sortie du moteur en comprenant un premier conduit dit d'échappement par la turbine et un deuxième conduit dit de décharge 30 contournant la turbine, caractérisé en ce que, lors du chauffage, il est procédé à: - une surpression de l'air en entrée du moteur suffisante pour le faire passer directement à la sortie sans combustion dans le moteur pour une injection d'air dans le système d'échappement, 3037357 4 - un passage de l'air dans le système d'échappement par le deuxième conduit de décharge, - au moins une post-injection de carburant dans le moteur, le carburant sortant imbrûlé du moteur et passant sous forme d'hydrocarbures dans le système 5 d'échappement. [0019] L'effet technique obtenu par la présente invention est un chauffage plus efficace dans le système d'échappement, par exemple sur un élément de dépollution se trouvant en aval de la turbine. Selon l'invention, l'injection d'air à l'entrée du moteur est associée à un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur avec un système 10 d'échappement comprenant un conduit d'échappement dit de décharge contournant la turbine donc avec des gaz d'échappement perdant beaucoup moins de chaleur dans leur parcours que ceux passant par la turbine. L'injection d'air dans le système d'échappement s'effectue donc par ce conduit de décharge avec une perte de chaleur des gaz d'échappement considérablement réduite. 15 [0020] L'air frais injecté à l'échappement est en effet alors envoyé non pas en amont de la turbine mais directement en aval de la turbine grâce au conduit de décharge. Cela permet de déclencher la post-oxydation au plus près de la portion du système d'échappement à chauffer, dans laquelle portion peut se trouver au moins un élément de dépollution. Un maximum d'efficacité dans la chauffe et la mise en action du post 20 traitement est alors garanti. [0021] En parallèle et en complément, il est procédé à une stratégie de combustion dite de post-oxydation qui consiste à enrichir en carburant le mélange dans la ou chaque chambre de combustion pour envoyer, sans combustion du carburant, des hydrocarbures HC à l'échappement. Ces hydrocarbures HC vont réagir avec l'oxygène 02, provenant de 25 l'air injecté dans l'échappement, présent en aval de la turbine, et déclencher une réaction d'oxydation très exothermique qui va amorcer plus rapidement le chauffage dans la portion du système d'échappement à chauffer. [0022] Le carburant qui n'a pas subi de combustion est alors sous forme d'hydrocarbures et la réaction d'oxydation avec des hydrocarbures HC majoritaires est 30 nettement plus exothermique qu'une oxydation avec du monoxyde de carbone ou CO majoritaire, comme il y a lieu avec du carburant ayant brûlé dans la ou chaque chambre de combustion. La chaleur transmise au post traitement par la présence d'hydrocarbures est alors notoirement augmentée avec cette stratégie de post-injection. 3037357 5 [0023] Les trois mesures que préconise le procédé de chauffage selon l'invention ont un effet interactif entre elles très fort et développent une synergie qui procure un chauffage extrêmement efficace dans une portion en fin ou au milieu du système d'échappement, donc en aval de la turbine. 5 [0024] Avantageusement, l'entrée d'air et la sortie de gaz dans le moteur sont régulées séquentiellement et, lors de la surpression et de l'injection d'air frais, il est procédé à l'ouverture simultanée des entrée et sortie pendant une durée suffisante pour permettre à l'air de passer directement de l'entrée à la sortie du moteur. [0025] Avantageusement, le moteur comprend au moins une chambre de combustion 10 associée à au moins un injecteur de carburant et présentant respectivement une entrée et des première et seconde sorties, l'entrée de la ou chaque chambre donnant sur l'entrée d'admission du moteur et les première et seconde sorties d'échappement étant reliées respectivement aux premier et second conduits pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, la seconde sortie étant la seule 15 ouverte lors de la surpression et de l'injection d'air. [0026] Avantageusement, les première et seconde sorties de la ou chaque chambre de combustion sont munies respectivement d'une première et d'une seconde soupape d'échappement et l'entrée d'admission de la ou chaque chambre est munie d'une soupape d'admission, les soupapes d'échappement ouvrant leur passage entre un point mort bas et 20 un point mort haut d'un piston mobile en translation dans la ou chaque chambre de combustion lors d'une phase d'échappement et la soupape d'admission ouvrant son passage entre le point mort haut et le point mort bas selon un angle de rotation d'un vilebrequin entraîné en rotation par le mouvement en translation du piston de la ou de chaque chambre de combustion lors d'une phase d'admission et, lors du chauffage, la 25 seconde soupape d'échappement et la soupape d'admission de la ou chaque chambre de combustion sont séquentiellement maintenues ouvertes simultanément lorsque le piston associé à la ou chaque chambre de combustion est proche du point mort haut. [0027] Avantageusement, ladite au moins une post-injection du carburant comprend une injection indirecte de carburant ayant lieu avant l'ouverture de la soupape d'admission 30 et/ou une injection directe de carburant ayant lieu à l'ouverture de la soupape d'admission de la ou chaque chambre de combustion. [0028] Avantageusement, le chauffage du système d'échappement s'effectue sur au moins un élément de dépollution se trouvant dans le système d'échappement en aval de la 3037357 6 turbine soit en conditions d'après démarrage du moteur pour lesquelles des valeurs régnantes de température des gaz d'échappement au niveau dudit au moins un élément de dépollution sont détectées ou estimées inférieures à une température minimale pour assurer un traitement de dépollution des gaz d'échappement dudit au moins un élément 5 de dépollution, le chauffage se continuant tant que la température minimale n'est pas atteinte ou soit en conditions de régénération dudit au moins un élément de dépollution, le chauffage se continuant tant que la régénération n'est pas détectée comme terminée. [0029] Avantageusement, la durée de ladite au moins une post-injection est calculée selon la température minimale à obtenir au niveau dudit au moins un élément de 10 dépollution. [0030] L'invention concerne aussi un ensemble moteur pour la mise en oeuvre d'un tel procédé comprenant un moteur à combustion interne avec une entrée d'air et une sortie de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, au moins une chambre de combustion associée à au moins un injecteur de carburant et un passage d'entrée d'air et 15 des premier et second passages de sortie pour l'évacuation des gaz, le passage d'entrée d'air étant muni d'une soupape d'admission et les premier et second passages de sortie étant munis respectivement d'une première et d'une seconde soupape d'échappement, une unité de régulation commandant l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement, l'ensemble comportant une turbine de récupération d'énergie et un 20 compresseur comprimant l'air en entrée du moteur et un système d'échappement relié à une sortie du moteur comprenant un premier conduit dit d'échappement par la turbine et un deuxième conduit dit de décharge contournant la turbine, caractérisé en ce que l'ensemble moteur comprend un compresseur auxiliaire de surpression de l'air en entrée d'air du moteur et en ce que l'unité de régulation comprend un système de levée de 25 soupape variable et un système de déphasage pour les soupapes d'admission. [0031] Avantageusement, les premiers passages de sortie sont reliés à un premier collecteur d'échappement tandis que les seconds passages de sortie sont reliés à un second collecteur d'échappement, le premier conduit partant du premier collecteur et le deuxième conduit partant du second collecteur pour l'évacuation des gaz issus de la 30 combustion dans le moteur lors d'une phase d'échappement. [0032] Avantageusement, le compresseur auxiliaire est un compresseur électrique et le système d'échappement comprend au moins un moyen de dépollution se trouvant en aval de la turbine. 3037357 7 [0033] Avantageusement, les soupapes d'admission et d'échappement sont portées par un arbre à cames respectif, le système de déphasage étant associé à l'arbre à cames portant les soupapes d'admission. [0034] L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un tel ensemble 5 moteur. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : 10 - la figure 1 est une représentation schématique d'un ensemble moteur turbocompressé à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprenant un système d'échappement à deux conduits d'échappement, cet ensemble moteur pouvant servir pour la mise en oeuvre d'un procédé de chauffage selon la présente invention, - la figure 2 montre deux courbes, respectivement de pression instantanée et 15 d'ouverture de la soupape d'admission et des soupapes d'échappement des deux conduits d'un ensemble moteur selon la figure 1 en fonction de l'angle de vilebrequin, cette figure indiquant en fonction de l'angle de vilebrequin les phases d'injection d'air ayant subi une surpression en entrée et de post-injections directe et indirecte de carburant. [0035] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont 20 pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. Dans ce qui va suivre, l'ensemble moteur désigne un moteur à combustion thermique turbocompressé, 25 donc associé à une turbine et un compresseur, ainsi qu'un système d'admission d'air et un système d'échappement. [0036] Comme il est montré à la figure 1 qui illustre un ensemble moteur 1 du type à suralimentation contrôlée par distribution moteur, cet ensemble comprend un moteur associé à une turbine 2 et un compresseur 3. La turbine 2 est disposée en aval d'un 30 collecteur 5 d'échappement dans un conduit d'échappement 4 d'un système d'échappement tandis que le compresseur 3 est disposé en amont d'un collecteur d'admission d'air au moteur d'un système d'admission d'air au moteur. [0037] La turbine 2 comprend une roue de turbine récupérant au moins partiellement une énergie cinétique créée dans les gaz d'échappement la traversant. La turbine 2 entraîne le 3037357 8 compresseur 3 en étant solidaire de celui-ci par un axe, le compresseur 3 étant traversé par de l'air frais destiné à alimenter en air le moteur, air que le compresseur 3 comprime. [0038] A la sortie du compresseur 3, l'air qui est alors dénommé air de suralimentation est amené par une ligne d'alimentation du système d'admission d'air vers un refroidisseur 5 d'air de suralimentation 25 pour refroidir l'air sortant du compresseur 3. Sur cette ligne est aussi positionnée une vanne papillon 26 régulant le débit d'air dans le collecteur d'admission d'air du moteur formant l'entrée d'air du moteur. [0039] L'ensemble moteur 1 comprend avantageusement un compresseur auxiliaire 3a, avantageusement un compresseur électrique. Ce compresseur auxiliaire 3a peut être 10 associé au compresseur 3 pour renforcer son action. C'est ce compresseur auxiliaire 3a qui sert à créer une surpression de durée limitée pour l'air en entrée d'air du moteur quand un chauffage du système d'échappement est requis, comme il sera ultérieurement détaillé. [0040] Comme montré à la figure 1, le compresseur auxiliaire 3a est avantageusement disposé en amont du compresseur 3 dans une conduite en dérivation d'une portion de la 15 ligne d'entrée d'air. Il peut aussi être en dérivation directe du compresseur 3 ou disposé en aval du compresseur 3. Une valve de dérivation 8 peut être incluse dans la conduite pour interdire la circulation dans la conduite du compresseur auxiliaire 3a, avantageusement un compresseur électrique. Il peut aussi être fourni une telle valve dans la conduite du compresseur 3. 20 [0041] Le moteur à combustion thermique faisant partie de l'ensemble 1 dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur présente au moins une chambre de combustion, à la figure 1 trois chambres de combustion. Sur la figure 1, chaque chambre du moteur est munie d'une soupape d'admission et de deux soupapes d'échappement 19, 19a. Ces soupapes d'échappement sont associées respectivement à un premier ou à un 25 second passage de sortie dans chaque chambre et ouvrent et ferment sélectivement leur passage associé. [0042] II en va de même pour la soupape d'admission associée à un passage d'entrée dans la chambre de combustion. Les deux passages de sortie de chaque chambre de combustion qui sont fermés et ouverts séquentiellement par leur soupape d'échappement 30 associée débouchent sur un collecteur 5, 7 d'échappement différent alimentant chacun un conduit 4, 6 d'échappement dédié du système d'échappement. Les deux conduits 4, 6 d'échappement ne suivent pas le même parcours comme il va être détaillé ci-après. Le 3037357 9 premier passage de sortie de chaque chambre de combustion est relié au premier collecteur 5 et le second passage de sortie est relié au second collecteur 7. [0043] Un ensemble moteur 1 dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprend donc un premier conduit 4 dit d'échappement par la turbine 2 partant d'un 5 premier collecteur 5 d'échappement et un deuxième conduit 6 dit de décharge partant d'un second collecteur 7 d'échappement. Les collecteurs 5, 7 d'échappement sont reliés chacun respectivement à une des deux séries de premiers ou seconds passages de sortie munis de leurs soupapes d'échappement 19, 19a fournies pour chaque chambre de combustion. 10 [0044] Le premier conduit 4 aboutit à une face d'entrée de la turbine 2 du turbocompresseur en étant prolongé par un passage principal de détente à l'intérieur de la turbine 2 en logeant la roue de turbine. Le deuxième conduit 6 contourne la turbine 2 sans y pénétrer mais rejoint plus en aval de la turbine 2 un troisième conduit 9 qui est aussi relié à la sortie de la turbine 2 pour évacuer les gaz d'échappement du passage principal de 15 détente provenant du premier conduit 4. [0045] Le troisième conduit 9 est donc extérieur à la turbine 2 et connecté à une face de sortie de la turbine 2 pour l'évacuation des gaz d'échappement du passage principal de détente afin qu'il n'existe qu'un seul et unique conduit 9 d'échappement pouvant traverser un ou des éléments de dépollution 10 placés en fin de système d'échappement, par 20 exemple un ou des catalyseurs, notamment d'oxydation, de réduction ou trois voies associés ou non avec un filtre à particules. Un système de réduction catalytique sélective ou système RCS peut aussi être prévu dans le conduit d'échappement 9. [0046] La fonction du premier conduit 4 dit conduit d'échappement par turbine est de permettre à un premier flux de gaz d'échappement de traverser la turbine 2 et son organe 25 rotatif récupérateur d'énergie sous forme d'une roue pour fournir de la puissance au compresseur 3. [0047] La fonction du deuxième conduit 6 dit conduit de décharge et alimenté par un second collecteur 7 d'échappement, différent et indépendant du premier collecteur 5 d'échappement du premier conduit 4, est de permettre à un second flux de gaz 30 d'échappement indépendant et différent du premier flux de contourner la turbine 2 et notamment sa roue et donc de décharger la turbine 2 du flux total de gaz d'échappement en diminuant le débit de gaz d'échappement la traversant par soustraction du second flux au flux total. En plus de cette fonction, la présente invention propose d'utiliser le deuxième 3037357 10 conduit 6 dans un procédé de chauffage du système d'échappement, comme il sera décrit ultérieurement, en tenant compte que les gaz d'échappement passant par le premier conduit 4 perdent plus de chaleur que les gaz d'échappement passant par le deuxième conduit 6. 5 [0048] Il est aussi fréquent de munir un ensemble moteur d'une ligne de recirculation des gaz d'échappement à l'admission d'air du moteur, aussi dénommée ligne RGE, une telle ligne étant référencée 11 à la figure 1. Il est en effet connu pour des moteurs thermiques à allumage commandé et à allumage par compression de faire recirculer les gaz d'échappement vers l'admission d'air du moteur thermique pour réduire les émissions 10 d'oxydes d'azote. Un tel système est aussi connu sous l'acronyme anglo-saxon de EGR pour « Exhaust Gas recirculation » ce qui signifie Recirculation des Gaz à l'Echappement. [0049] Une ligne RGE 11 présente un piquage sur le système d'échappement, à la figure 1 sur le second collecteur 7 ce qui n'est pas limitatif, pour prélever une partie des gaz d'échappement du système ainsi qu'un refroidisseur 23 des gaz d'échappement traversant 15 cette ligne 11, ces gaz étant alors très chauds. La ligne RGE 11 débouche sur l'admission d'air en amont du compresseur 3 qu'elle alimente. Une vanne 24 dite vanne RGE équipe la ligne RGE 11, avantageusement en amont du refroidisseur 23 afin d'ouvrir ou de fermer la circulation des gaz vers l'admission. [0050] L'utilisation d'un deuxième conduit 6 dans le système d'échappement de 20 l'ensemble moteur 1 permet de décharger et/ou contrôler la puissance de la turbine. Cela permet notamment d'éviter le phénomène de pompage du compresseur consistant essentiellement à un retour des gaz chauds vers l'entrée d'air d'admission. [0051] En plus de cela, la présente invention propose d'utiliser les spécificités d'un tel ensemble moteur 1 turbocompressé par suralimentation contrôlée par distribution moteur 25 pour assurer le chauffage du système d'échappement, avantageusement d'au moins un élément de dépollution 10 des gaz d'échappement disposé dans ce système d'échappement en aval de la turbine 2. [0052] En se référant aux figures 1 et 2, la présente invention concerne un procédé de chauffage d'un système d'échappement d'un ensemble moteur 1 à combustion d'un 30 véhicule automobile par injection d'air par une entrée d'air d'un moteur comprenant aussi une sortie de gaz d'échappement, le moteur comprenant au moins une chambre de combustion et un dispositif d'injection de carburant associé à la ou chaque chambre de combustion. 3037357 11 [0053] Le dispositif d'injection peut être positionné directement dans la ou chaque chambre de combustion, auquel cas il est procédé à une injection directe de carburant dans la ou chaque chambre. En alternative, le dispositif d'injection peut être positionné dans un conduit d'admission d'air dans la ou chaque chambre de combustion auquel cas il 5 est procédé à une injection indirecte de carburant dans la ou chaque chambre. [0054] L'ensemble moteur 1 est du type ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur précédemment décrit et illustré à la figure 1. L'ensemble moteur 1 comporte une turbine 2 et au moins un compresseur 3 pour une compression de l'air en entrée du moteur. Comme précédemment mentionné, un tel ensemble à suralimentation 10 contrôlée comprend un système d'échappement partant de la sortie du moteur en comprenant un premier conduit 4 dit d'échappement par la turbine 2 et un deuxième conduit 6 dit de décharge contournant la turbine 2. [0055] En se référant aux figures 1 et 2, le procédé selon l'invention comprend les mesures suivantes qui peuvent pour certaines avoir lieu simultanément, au voisinage les 15 unes des autres ou l'une après l'autre, ce dernier cas l'étant pour l'étape de passage dans le deuxième conduit 6 du système d'échappement de l'air ayant subi une surpression injecté après sortie de cet air du moteur. [0056] Selon le procédé conforme à la présente invention, il est procédé à une surpression de l'air en entrée du moteur suffisante pour le faire passer directement à la 20 sortie du moteur sans combustion dans le moteur. Un tel flux d'air passant directement dans le système d'échappement comprend une concentration en oxygène sensiblement inchangée par rapport à l'air frais amené à l'entrée du moteur. Il se produit ainsi une injection d'air frais IAE dans le système d'échappement. [0057] Ensuite, l'air injecté ayant ainsi traversé le moteur sans avoir servi à une 25 combustion du carburant et aboutissant dans le système d'échappement est évacué par le deuxième conduit 6 de décharge, donc en contournant la turbine 2 et en n'étant pas en échange d'énergie avec la roue de la turbine 2. [0058] Enfin, le procédé comporte une étape d'au moins une post-injection de carburant dans le moteur, le carburant sortant imbrûlé du moteur et passant sous forme 30 d'hydrocarbures dans le système d'échappement. Cette post-injection, avantageusement comprenant deux post-injections 11E, IDE, se fait à des angles de vilebrequin voisins de celui pour lequel s'effectuent la surpression de l'air en entrée du moteur et l'injection d'air IAE dans le système d'échappement. 3037357 12 [0059] Ainsi, selon l'invention, on associe une injection d'air IAE à l'échappement, l'air étant sous pression et passant par le moteur sans servir à une combustion, avec un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur. Ainsi, l'air frais ayant traversé le moteur, sans avoir subi de transformation et en ayant conservé son oxygène, 5 est envoyé non pas en amont de la turbine 2 mais directement en aval de la turbine 2 par l'intermédiaire du deuxième conduit 6 contournant la turbine 2. [0060] Cela permet de déclencher une post-oxydation au plus près de la portion du système d'échappement à réchauffer, cette portion pouvant comporter au moins un élément de dépollution 10, qu'il convient de préchauffer ou de régénérer. Ceci procure un 10 maximum d'efficacité dans le chauffage et la mise en action ou de l'entretien de l'élément ou des éléments de dépollution 10. [0061] Avec l'étape d'au moins une post-injection de carburant, il n'est plus nécessaire de brûler riche au ralenti pour envoyer du carburant à l'échappement et déclencher une post-oxydation, ce qui est bénéfique pour la stabilité et le rendement de combustion au 15 ralenti à froid du moteur du véhicule automobile. Enfin, cette post-injection permet de mieux maîtriser et de réduire la quantité de carburant à injecter car le carburant peut partir directement avec l'air frais injecté à l'échappement. [0062] Toujours en se référant aux figures 1 et 2, selon un autre aspect de la présente invention, celle-ci concerne un ensemble moteur 1 pour la mise en oeuvre du procédé 20 précédemment décrit. L'ensemble moteur 1 comprend un moteur à combustion interne avec une entrée d'air et une sortie de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur. [0063] Le moteur comprend au moins une chambre de combustion présentant au moins un injecteur de carburant et un passage d'entrée d'air et des premier et second passages 25 de sortie pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion, les premier et second passages de sortie étant des caractéristiques principales d'un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur. Le passage d'entrée d'air est muni d'une soupape d'admission et les premier et second passages de sortie sont munis respectivement d'une première et d'une seconde soupape d'échappement 19, 19a. 30 [0064] Une unité de régulation commande l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement 19, 19a. Comme précédemment mentionné, en tant qu'ensemble moteur turbocompressé suralimenté par distribution moteur, l'ensemble 1 3037357 13 comporte une turbine 2 de récupération d'énergie et un compresseur 3 pour la compression de l'air en entrée du moteur. [0065] Cet ensemble moteur 1 comprend un système d'échappement relié à une sortie du moteur comprenant un premier conduit 4 dit d'échappement par la turbine 2 et un 5 deuxième conduit 6 dit de décharge contournant la turbine 2. C'est la seconde sortie de la ou des chambres de combustion associée à la seconde soupape d'échappement 19a qui est la seule ouverte lors de la surpression et de l'injection d'air IAE afin que cet air passe par le deuxième conduit 6 contournant la turbine 2. [0066] Pour créer la surpression de l'air en entrée du moteur, l'ensemble moteur 1 10 comprend un compresseur auxiliaire 3a, avantageusement un compresseur électrique. L'unité de régulation comprend un système de levée de soupape variable et un système de déphasage pour les soupapes d'admission de la ou des chambres de combustion. De même, l'unité de régulation comprend des moyens de régulation de la post-injection de carburant lors de phases spécifiques du fonctionnement du moteur. 15 [0067] L'entrée d'air et la sortie de gaz dans le moteur sont régulées séquentiellement et, lors de la surpression et de l'injection d'air frais dans le moteur, il est procédé à l'ouverture simultanée des entrée et sortie du moteur pendant une durée suffisante pour permettre à l'air de passer directement de l'entrée à la sortie du moteur. Ceci est effectué avantageusement par l'ouverture simultanée pour chaque chambre de combustion de la 20 soupape d'admission et de la seconde soupape d'échappement 19a dédiée au deuxième conduit 6. [0068] L'activation du compresseur auxiliaire 3a, avantageusement électrique, en tant que compresseur de surpression permet d'envoyer de l'air frais de l'admission à l'échappement en passant par chaque chambre de combustion grâce à une surpression 25 crée à l'admission, cet air étant injectée directement à l'échappement. La gestion de la charge du moteur se fait par le système de levée variable à l'admission avec avantageusement un balayage par un croisement de soupapes autorisé notamment par un double déphasage d'arbre à cames à l'admission et l'échappement. Le compresseur auxiliaire 3a, avantageusement électrique, est mis en action au juste besoin pour 30 comprimer de l'air à l'admission et injecter la bonne quantité d'air directement à l'échappement en passant par la ou chaque chambre de combustion mais en ne participant pas à la combustion. 3037357 14 [0069] En regard particulièrement de la figure 2 tout en se référant à la figure 1 pour les références non mentionnées à la figure 2, les deux soupapes d'échappement 19, 19a d'une même chambre de combustion ouvrent leur passage entre un point mort bas PMB et un point mort haut PMH d'un piston en translation dans la ou chaque chambre de 5 combustion lors d'une phase d'échappement. [0070] A la figure 2 tout en se référant à la figure 1 pour certaines des références, la courbe du haut montre l'évolution de la pression instantanée Pi en fonction de l'angle de vilebrequin AV avec indication des points morts haut PMH et bas PMB. La courbe du bas montre l'ouverture de soupapes OV présentes dans le système d'échappement pour 10 chacun des premier et deuxième conduits 4, 6, respectivement passant par la turbine 2 et de décharge en contournant la turbine 2. Les courbes avec des carrés illustrent la pression Pi à l'échappement ou l'ouverture OV des soupapes d'échappement tandis que la courbe avec des cercles représente l'ouverture OV de la soupape d'admission. [0071] La courbe T illustre, pour une chambre de combustion, l'ouverture de la première 15 soupape d'échappement 19 associée au premier conduit 4 en fonction des angles de vilebrequin. La courbe D illustre, pour une chambre de combustion, l'ouverture de la seconde soupape d'échappement 19a associée au deuxième conduit 6 et la courbe A illustre l'ouverture de la soupape d'admission d'une chambre de combustion. [0072] Quand la première soupape d'échappement 19 est ouverte, un flux 20 d'échappement résultant de l'ouverture T passe par le premier conduit 4 et la turbine 2. Quand la seconde soupape d'échappement 19a est ouverte, un flux d'échappement résultant de l'ouverture D dit de décharge passe par le deuxième conduit 6 en contournant la turbine 2. Il peut exister un intervalle d'angle de vilebrequin AV où l'ouverture des deux soupapes d'échappement 19, 19a se chevauchent pour lequel le flux d'échappement T 25 diminue progressivement tandis que le flux d'échappement D augmente. [0073] Il en va de même pour une zone de croisement de la soupape d'admission et de la seconde soupape d'échappement 19a. Dans cette zone de croisement, le flux d'échappement D est non nul bien que décroissant et le flux d'admission résultant de l'ouverture A est non nul en croissant. C'est dans cette zone que s'effectue l'injection d'air 30 frais IAE à l'échappement, cet air ayant subi une surpression. [0074] La soupape d'admission ouvre son passage entre le point mort haut PMH et le point mort bas PMB selon un angle de rotation AV d'un vilebrequin entraîné en rotation par le mouvement en translation des pistons. Lors du chauffage, la seconde soupape 3037357 15 d'échappement 19a et la soupape d'admission sont avantageusement maintenues ouvertes en même temps lorsque le piston de la ou chaque chambre de combustion concernée est proche du point mort haut PMH. L'air frais ayant subi une surpression peut traverser le moteur sans subir de changement notable et en conservant l'oxygène qu'il 5 contient. [0075] Comme il est visible à la figure 2 tout en se référant aussi à la figure 1, la post-injection du carburant dans la ou chaque chambre de combustion peut se faire par une injection indirecte de carburant IIE avant l'ouverture de la soupape d'admission et avantageusement pendant l'ouverture de la seconde soupape d'échappement 19a. 10 [0076] En alternative, la post-injection du carburant peut se faire aussi par une injection directe de carburant IDE à l'ouverture ou après l'ouverture de la soupape d'admission de la ou chaque chambre de combustion par exemple de quelques degrés d'angle de vilebrequin AV après l'ouverture. Il est aussi possible de combiner une injection indirecte de carburant IIE avec une injection directe de carburant IDE si deux injecteurs, un dans le 15 conduit d'admission de la ou chaque chambre et un dans la ou chaque chambre de combustion, sont associés. [0077] Ces deux post-injections de carburant 11E, IDE s'effectuent au voisinage de la surpression de l'air et de l'injection de cet air IAE en entrée du moteur directement vers le système d'échappement. La durée d'injection dépend de la quantité de carburant et donc 20 de la thermique désirée à l'échappement. Elle est avantageusement relativement courte. [0078] En se référant aux figures 1 et 2, par exemple, lors d'un démarrage à froid du moteur du véhicule automobile qui est une application préférentielle de la présente invention, le système de levée variable des soupapes gère la charge en air du moteur pour stabiliser le ralenti. Dès les premiers instants, le compresseur auxiliaire 3a est activé pour 25 comprimer de l'air au besoin et injecter à l'échappement directement en aval de la turbine 2 la quantité d'air frais désirée, ceci à travers la ou chaque chambre de combustion séquentiellement et avec uniquement la seconde soupape d'échappement 19a ouverte pour le contournement de la turbine 2 par le flux d'air tandis que la soupape d'admission correspondante est ouverte. 30 [0079] Ainsi, la stratégie à la base du procédé de chauffage selon la présente invention peut consister en partie à effectuer un balayage des soupapes d'admission et des secondes soupapes d'échappement 19a, cette stratégie étant connue sur les bas régimes 3037357 16 à forte charge et en transitoire mais encore non employée dans un but de chauffage du système d'échappement de l'ensemble moteur. [0080] Le balayage est obtenu en maintenant la seconde soupape d'échappement 19a et la soupape d'admission ouvertes en même temps pour une même chambre de 5 combustion, ceci lorsque le piston est proche du point mort haut PMH. Si la différence de pression Pi entre l'admission A et l'échappement E est positive spécifiquement pendant cette phase de croisement, une quantité d'air frais est balayée de l'admission A à l'échappement E et l'injection d'air IAE à l'échappement est rendue possible. [0081] Le balayage se fait dans ce cas précis entre la seconde soupape d'échappement 10 19a associée au deuxième conduit 6 et la soupape d'admission de la ou chaque chambre de combustion, la première soupape d'échappement 19 du premier conduit alimentant la turbine 2 étant déjà refermée. Tout le débit d'air frais pendant cette phase spécifique est bien envoyé en aval de la turbine 2 dans le système d'échappement, par exemple pour le nettoyage par augmentation de température ou le chauffage d'au moins un élément de 15 dépollution 10 présent dans le troisième conduit 9 en aval de la turbine 2. [0082] Une application particulière de la présente invention est le chauffage d'au moins un élément de dépollution 10 se trouvant dans le système d'échappement, avantageusement dans le troisième conduit 9 en aval de la turbine 2. [0083] Ceci peut se faire en conditions d'après démarrage du moteur pour lesquelles des 20 valeurs régnantes de température des gaz d'échappement au niveau dudit au moins un élément de dépollution 10 sont détectées inférieures ou estimées inférieures à une température minimale. A partir de cette température minimale, il est considéré que le traitement de dépollution des gaz d'échappement par ledit au moins un élément de dépollution 10 est assuré. Le chauffage se continue tant que la température minimale n'est 25 pas atteinte. [0084] Ceci peut aussi se faire en conditions de régénération dudit au moins un élément de dépollution 10 pour laquelle régénération il est souhaité une forme augmentation de la température dans le système d'échappement près dudit au moins un élément de dépollution. Le chauffage se continue alors tant que la régénération n'est pas détectée 30 comme terminée. Il est possible que ce chauffage soit utilisé en complément d'un chauffage usuellement mis en oeuvre lors d'un procédé de régénération de l'élément ou des éléments de dépollution. 3037357 17 [0085] Dans les deux cas précédemment mentionnés, la détection des températures se fait avantageusement par des capteurs de température dans le système gérés par une unité de contrôle moteur qui surveille la température dans le système d'échappement de même que d'autres paramètres relatifs au chauffage préalable ou à la régénération de 5 l'élément ou des éléments de dépollution, par exemple le différentiel de pression aux bornes de l'élément ou des éléments, ou divers capteurs ou sondes de polluants présents dans le système d'échappement. [0086] Un des intérêts de la présente invention consiste en l'obtention d'un système d'injection d'air à l'échappement qui ne nécessite ni pompe, ni vanne de régulation et 10 circuit dédié externe pour l'injection d'air. L'invention présente donc un avantage dominant en ce qui concerne le coût et la conception sur des motorisations qui embarquent déjà un compresseur électrique pouvant alors servir de compresseur auxiliaire pour créer la surpression d'air préalablement à son injection vers le système d'échappement à travers le moteur. 15 [0087] De plus, une post-injection couplée à une injection d'air frais à l'échappement présente les avantages suivants : - augmentation de la température de post-oxydation, l'oxygène 02 présent dans le système d'échappement notamment par l'injection d'air frais oxydant des hydrocarbures HO majoritairement présents dans le carburant imbrûlé et non plus en majorité du 20 monoxyde de carbone CO comme c'est le cas pour un carburant brûlé, - amélioration de la mise en action d'au moins un élément de dépollution, par exemple un catalyseur, du fait d'un chauffage plus efficace, de même qu'une amélioration possible de sa régénération, - limitation de la pénalité en consommation associée à une injection d'air à 25 l'échappement par rapport à celle de l'état de la technique, - meilleure stabilité à froid avec une combustion en richesse 1 sans besoin de nécessiter une richesse supérieure. [0088] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'a titre d'exemples. 30

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS: I. Procédé de chauffage d'un système d'échappement d'un ensemble moteur (1) à combustion d'un véhicule automobile par injection d'air dans un moteur de l'ensemble comprenant une entrée d'air et une sortie de gaz d'échappement avec injection de carburant, l'ensemble moteur (1) comportant une turbine (2) et au moins un compresseur (3) comprimant l'air en entrée du moteur, le système d'échappement partant de la sortie du moteur en comprenant un premier conduit (4) dit d'échappement par la turbine (2) et un deuxième conduit (6) dit de décharge contournant la turbine (2), caractérisé en ce que, lors du chauffage, il est procédé à: - une surpression de l'air en entrée du moteur suffisante pour le faire passer directement à la sortie sans combustion dans le moteur pour une injection d'air (IAE) dans le système d'échappement, - un passage de l'air par le deuxième conduit (6) de décharge, - au moins une post-injection de carburant (11E, IDE) dans le moteur, le carburant sortant imbrûlé du moteur et passant sous forme d'hydrocarbures dans le système d'échappement.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'entrée d'air et la sortie de gaz dans le moteur sont régulées séquentiellement et, lors de la surpression et de l'injection d'air (IAE) frais, il est procédé à l'ouverture simultanée des entrée et sortie pendant une durée suffisante pour permettre à l'air de passer directement de l'entrée à la sortie.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le moteur comprend au moins une chambre de combustion associée à au moins un injecteur de carburant et présentant respectivement une entrée et des première et seconde sorties, l'entrée de la Q1.1 chaque chambre donnant sur l'entrée d'admission du moteur et les première et seconde sorties d'échappement étant reliées respectivement aux premier et second conduits (4, 6) pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, la seconde sortie étant la seule ouverte lors de la surpression et de l'injection d'air.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les première et seconde sorties de la ou chaque chambre de combustion sont munies respectivement d'une première et d'une seconde soupape d'échappement (19, 19a) et l'entrée d'admission de la ou chaque chambre est munie d'une soupape d'admission, les soupapes d'échappement (19, 3037357 19 19a) ouvrant leur passage entre un point mort bas (PMB) et un point mort haut (PMH) d'un piston mobile en translation dans la ou chaque chambre de combustion lors d'une phase d'échappement et la soupape d'admission ouvrant son passage entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) selon un angle de rotation (AV) d'un 5 vilebrequin entraîné en rotation par le mouvement en translation du piston de la ou de chaque chambre de combustion lors d'une phase d'admission et, lors du chauffage, la seconde soupape d'échappement (19a) et la soupape d'admission de la ou chaque chambre de combustion sont séquentiellement maintenues ouvertes simultanément lorsque le piston associé à la ou chaque chambre de combustion est proche du point 10 mort haut (PMH).
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ladite au moins une post-injection du carburant comprend une injection indirecte de carburant (11E) ayant lieu avant l'ouverture de la soupape d'admission et/ou une injection directe de carburant (IDE) ayant lieu à l'ouverture de la soupape d'admission de la ou chaque chambre de 15 combustion.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le chauffage du système d'échappement s'effectue sur au moins un élément de dépollution (10) se trouvant dans le système d'échappement en aval de la turbine (2) soit en conditions d'après démarrage du moteur pour lesquelles des valeurs régnantes 20 de température des gaz d'échappement au niveau dudit au moins un élément de dépollution (10) sont détectées inférieures ou estimées inférieures à une température minimale pour assurer un traitement de dépollution des gaz d'échappement dudit au moins un élément de dépollution (10), le chauffage se continuant tant que la température minimale n'est pas atteinte ou soit en conditions de régénération dudit au 25 moins un élément de dépollution (10), le chauffage se continuant tant que la régénération n'est pas détectée comme terminée.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la durée de ladite au moins une post-injection (11E, IDE) est calculée selon la température minimale à obtenir au niveau dudit au moins un élément de dépollution (10). 30
  8. 8. Ensemble moteur (1) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant un moteur à combustion interne avec une entrée d'air et une sortie de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, au moins chambre de combustion associée à au moins un injecteur de carburant et un passage d'entrée d'air et des premier et second passages de sortie pour l'évacuation des gaz, 3037357 20 le passage d'entrée d'air étant muni d'une soupape d'admission et les premier et second passages de sortie étant munis respectivement d'une première et d'une seconde soupape d'échappement (19, 19a), une unité de régulation commandant l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement (19, 19a), 5 l'ensemble (1) comportant une turbine (2) de récupération d'énergie et un compresseur (3) comprimant l'air en entrée du moteur et un système d'échappement relié à une sortie du moteur comprenant un premier conduit (4) dit d'échappement par la turbine (2) et un deuxième conduit (6) dit de décharge contournant la turbine (2), caractérisé en ce que l'ensemble moteur (1) comprend un compresseur auxiliaire (3a) de 10 surpression de l'air en entrée d'air du moteur et en ce que l'unité de régulation comprend un système de levée de soupape variable et un système de déphasage pour les soupapes d'admission.
  9. 9. Ensemble moteur (1) selon la revendication 8, dans lequel les premiers passages de sortie sont reliés à un premier collecteur (5) d'échappement tandis que les seconds 15 passages de sortie sont reliés à un second collecteur (7) d'échappement, le premier conduit (4) partant du premier collecteur (5) et le deuxième conduit (6) partant du second collecteur (7) pour l'évacuation des gaz issus de la combustion dans le moteur lors d'une phase d'échappement.
  10. 10. Ensemble moteur (1) selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel le 20 compresseur auxiliaire (3a) est un compresseur électrique et le système d'échappement comprend au moins un moyen de dépollution (10) se trouvant en aval de la turbine (2).
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