Brevet FR2741675A1 — publié le 19970530

La présente invention concerne le domaine du démarrage à froid de véhicules automobiles ayant un moteur à combustion interne. Vues les normes de plus en plus sévères en vigueur ou à venir, les émissions de polluants doivent être réduites, notamment à froid, pendant les premières minutes de fonctionnement du moteur. On sait en effet que la plupart des polluants (80 %) sont émis dans ce délai, quand le catalyseur de conversion placé dans la ligne d'échappement n'est pas encore suffisamment chauffé par les gaz d'échappement pour être efficace. Il est actuellement de notoriété qu'un des obstacles majeurs pour la dépollution des véhicules automobiles se situe dans la phase de mise en température qui suit un démarrage à froid. Il y a plusieurs raisons pour cela, la première dans l'ordre d'importance étant l'énorme accroissement de la viscosité des lubrifiants à froid, pouvant dépasser 1000 cSt au-dessous de 0 C, avec pour conséquence des niveaux de frottement très élevés dans le moteur, entraînant des surconsommations non moins élevées. Ce fait est aggravé par les difficultés d'alimentation à basse température, la mauvaise qualité des mélanges carburés provenant de la pulvérisation et de l'évaporation insuffisantes du carburant dans l'air admis, que l'on compense tant bien que mal par un enrichissement de la charge en carburant. Les surconsommations sont naturellement accompagnées d'émissions élevées des polluants de base, monoxyde de carbone et imbrûlés, conséquences de mélanges trop riches et de combustions incomplètes, et que n'arrive pas à éliminer le catalyseur d'échappement tant que sa température d'amorçage n'est pas atteinte, ce qui peut nécessiter plusieurs minutes. Par ailleurs les améliorations dans la conception des chambres de combustion ont entraîné un réel accroissement du rendement thermodynamique pour les moteurs récents, avec pour corollaire une diminution de la chaleur transférée à travers les parois des cylindres, donc une difficulté supplémentaire pour échauffer le moteur, et par là même l'habitacle du véhicule, en exploitant d'une manière naturelle la chaleur contenue dans l'eau de refroidissement. De nombreuses études ont donc déjà porté sur le problème du démarrage à froid des véhicules automobiles. Les solutions sont essentiellement de deux types celles extérieures au moteur et celles visant directement le moteur. Les solutions touchant le moteur concernent par exemple la préévaporation du carburant, l'amélioration de l'atomisation du carburant ou encore 2 2741675 l'homogénéisation de la charge. A titre d'exemple, le brevet FR 2 706 184 décrit un tel dispositif de vaporisation de carburant. Les solutions "extérieures" au moteur concernent notamment la ligne d'échappement et plus précisément la réduction du temps nécessaire pour amorcer le (ou les) catalyseur(s) placé à l'échappement. Un voie connue consiste à recouvrir le catalyseur d'une couche destinée à abaisser la température à laquelle le catalyseur commence à être actif. Une autre solution peut consister à réaliser une injection d'air additionnel, en amont du catalyseur qui reçoit ainsi une énergie supplémentaire et s'échauffe plus rapidement. Le chauffage électrique du catalyseur peut aussi être envisagé comme par exemple dans le brevet EP-B1-605479. Cette solution est certes efficace puisque totalement dédiée au chauffage du pot catalytique. Cependant ce système est consommateur d'énergie puisqu'il consomme au minimum trois ou quatre kilowatts sur la batterie. Une batterie additionnelle doit être envisagée. Le bilan énergétique n'est donc pas complètement satisfaisant et le rendement global est très faible. Ainsi de récents développements ont cherché à réduire la capacité électrique nécessaire au chauffage du catalyseur. Les solutions qui vont dans ce sens consistent à choisir un élément catalytique approprié et à le placer au bon endroit. D'autres solutions technologiques ont été envisagées comme par exemple le préchauffage du pot catalytique par des gaz chauds générés par un brûleur placé en amont dudit pot. Le document WO 95/14852 décrit un agencement de ce type. La puissance thermique d'une telle unité est forte, de l'ordre de 15 kW de sorte que le catalyseur peut être activé en 20 secondes environ. L'avantage est le bon rendement de ce système, proche de 100 %. Néanmoins, un des problèmes de ce type de solution est de nécessiter un élément ici le brûleur dont l'unique fonction est de chauffer le (ou les) catalyseur(s). En outre, aussi bien pour le chauffage électrique que pour le chauffage par brûleur, un problème de vieillissement prématuré et/ou imprévisible du catalyseur peut se poser, ce problème étant dû aux fortes et brèves sollitations thermiques du catalyseur. La présente invention permet de pallier notamment les problèmes de l'art antérieur énoncés ci-dessus. 3 2741675 Ainsi la présente invention propose une méthode pour améliorer à la fois la consommation et l'anti-pollution des moteurs à froid. L'un des intérêts de la présente invention est de prévoir un moyen de chauffage dont la consommation peut être compensée afin de ne pas dégrader le bilan thermique et économique. Ainsi la présente invention a pour objet un procédé d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles à moteurs à combustion interne comprenant notamment un circuit de refroidissement et une ligne d'échappement ayant un catalyseur et des moyens de prélèvement de calories produites par ledit brûleur, tel un échangeur, les calories ainsi prélevées étant restituées à au moins l'un des éléments suivants: l'air d'admission, les parois du moteur lui-même, le circuit interne de refroidissement du moteur ou le moyen de chauffage de l'habitacle. Selon l'invention ledit procédé consistant à utiliser au moins un brûleur pour chauffer directement un échangeur gaz-liquide intégré dans le circuit de refroidissement du moteur, ainsi que les gaz d'échappement du moteur de sorte que l'air d'admission et l'habitacle du véhicule notamment bénéficient du chauffage du circuit de refroidissement. Selon l'invention le procédé est utilisé pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid. En outre, le procédé selon l'invention peut être utilisé pendant une durée déterminée en fonction du régime et de la charge du moteur. De façon particulière, le brûleur est alimenté par le même carburant que le moteur. Le catalyseur peut être disposé entre le brûleur et l'échangeur de chaleur. Sans sortir du cadre de l'invention, l'échangeur de chaleur peut être disposé entre le brûleur et le catalyseur. La présente invention concerne en outre un dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles à moteur à combustion interne comprenant notamment un circuit de refroidissement et une ligne d'échappement ayant un catalyseur. Le dispositif selon l'invention comprend un brûleur coopérant avec des moyens de prélèvement de calories tels un échangeur, de sorte que les calories ainsi prélevées soient restituées à l'un au moins des éléments suivants: l'air d'admission, les parois du moteur lui-même, le circuit de refroidissement du moteur ou le moyen de chauffage de l'habitacle du véhicule. 4 2741675 Conformément à l'invention, le brûleur est disposé de façon à chauffer directement un échangeur gaz-liquide intégré dans le circuit de refroidissement du moteur et les gaz d'échappement du moteur, de sorte que l'air d'admission et l'habitacle du véhicule notamment bénéficient du chauffage du circuit de refroidissement. Avantageusement, le brûleur est alimenté par le même carburant que le moteur. Selon l'une de ses caractéristiques, le brûleur est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid. Selon une autre caractéristique, le brûleur est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, en fonction du régime et de la charge du moteur. D'autres caractéristiques, avantages et particularités de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence à l'unique figure annexée. Sur cette figure sont schématisés un moteur 1 à combustion interne et le circuit de refroidissement associé 7. De façon habituelle, le liquide de refroidissement circule grâce à une pompe 2 à travers plusieurs éléments pour échange de chaleur: outre la masse métallique du moteur 1 lui-même, l'eau échange des calories avec l'huile via un échangeur huile- eau 3, avec l'air d'admission via un échangeur air-eau 11, et avec l'habitacle via un aérotherme 4. Un thermostat 9 permet en outre de réguler le débit d'eau circulant dans un radiateur 10 et l'échangeur huile-eau 3. Selon l'invention, au moins un brûleur 5 est placé sur le circuit de refroidissement de telle façon qu'il puisse chauffer un échangeur gazliquide 6 intégré dans le circuit de refroidissement 7 du moteur 1. L'échangeur 6 est disposé sur l'échappement 8, de telle sorte que les gaz de combustion du brûleur 5 traversent l'échangeur 6 puis sont évacués avec les gaz d'échappement qu'ils échauffent. Ainsi les gaz de combustion du brûleur 5 peuvent être utilisés pour échauffer un catalyseur (non référencé) placé à l'échappement 8. Une fois le catalyseur amorcé, les gaz chauds sont convertis par celui-ci. Autrement dit, une partie de la chaleur provenant des gaz de combustion du brûleur 5 est ainsi captée par le liquide de refroidissement qui, par l'intermédiaire des organes habituels du circuit de refroidissement 7, va transférer cette chaleur à l'huile (via l'échangeur 3), à l'air d'admission, à l'habitacle (via l'aérotherme 4) et à la masse 3 5 métallique du moteur 1. 2741675 L'autre partie de la chaleur issue du brûleur 5, ayant traversé l'échangeur 6, va donc se mélanger aux gaz d'échappement du moteur 1 comme indiqué ciavant. Sans sortir du cadre de la présente invention, le catalyseur (non référencé) peut être placé devant l'échangeur 6 intégré dans le circuit de refroissement 7. Les calculs montrent que l'on peut de cette manière espérer une récupération de chaleur de l'ordre de 10 kW dans le circuit de refroidissement 7 d'un moteur d'automobile de classe moyenne, ce qui a pour conséquence une diminution d'un facteur 2 du temps de montée en températures des fluides, tout en garantissant un chauffage convenable de l'habitacle avec 5 kW disponibles en moyenne à l'aérotherme. Ceci est valable pour des conditions de mise en action à faible régime et faible charge, qui sont les plus concernées par les problèmes déjà évoqués. La durée de fonctionnement du brûleur 5 dépendra naturellement de la température extérieure, mais aussi du régime et de la charge imposés au moteur 1. Dans tous les cas seules les premières minutes du démarrage devront être assistées de cette manière, un compromis devant être recherché afin de ne pas accroître la surconsommation. De façon courante, on considère que le moteur est froid lorsque la température du circuit de refroidissement est inférieure à environ 50 C. Un ou plusieurs capteurs de température seront prévus au niveau du moteur, associés à un élément de commande du brûleur afin d'activer celui-ci au-delà d'une certaine température. Dans ces conditions, on peut au moins espérer un bilan inchangé en ce qui concerne la consommation, c'est-à-dire que le carburant utilisé dans le brûleur pourra être compensé par les gains de rendement du moteur réalisés grâce à une diminution rapide des frottements, conséquence d'une montée en température plus rapide du lubrifiant, et grâce à l'amélioration de la carburation. Le bilan économique du système sera d'autant plus favorable que la température au moment du démarrage sera plus faible, l'accroissement des frottements étant quasi exponentiel avec la diminution de la température. Ainsi, l'avantage essentiel du dispositif réside dans l'amélioration de la dépollution, réalisée globalement par un chauffage accéléré de toutes les parties du moteur, en particulier celui de l'air admis pour une meilleure carburation, et du catalyseur d'échappement pour un amorçage plus rapide. Enfin, le chauffage de l'habitacle pourra être assuré à un niveau suffisant pour ne pas nécessiter d'autre 3 5 moyen additionnel de chauffage. 6 2741675 REVENDICATIONS 1) Procédé d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles à moteurs à combustion interne comprenant notamment un circuit de refroidissement (7), une ligne d'échappement ayant un catalyseur, ledit procédé consistant à utiliser au moins un brûleur (5) et des moyens de prélèvement de calories produites par ledit brûleur, tel un échangeur, les calories ainsi prélevées étant restituées à au moins l'un des éléments suivants: l'air d'admission, les parois du moteur lui-même, le circuit interne de refroidissement du moteur ou le moyen de chauffage de l'habitacle. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit brûleur (5) est utilisé pour chauffer directement un échangeur gaz-liquide (6) intégré dans le circuit de refroidissement (7) du moteur (1) ainsi que les gaz d'échappement du moteur (1) de sorte que l'air d'admission et l'habitacle du véhicule notamment bénéficient du chauffage du circuit de refroidissement. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est utilisé pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pendant une durée déterminée en fonction du régime et de la charge du moteur (1). ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brûleur (5) est alimenté par le même carburant que le moteur (1). 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit catalyseur est disposé entre le brûleur (5) et l'échangeur (6). 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'échangeur (6) est disposé entre ledit brûleur (5) et ledit catalyseur. 8) Dispositif d'aide au démarrage à froid de véhicules automobiles à moteur (1) à combustion interne comprenant notamment un circuit de refroidissement (7) et une ligne d'échappement ayant un catalyseur, caractérisé en ce qu'il comprend un brûleur (5) coopérant avec des moyens de prélèvement de calories (6) tels un échangeur, de sorte que les calories ainsi prélevées soient restituées à l'un au moins des éléments suivants: l'air d'admission, les parois du moteur lui-même, le circuit de refroidissement du moteur ou le moyen de chauffage de l'habitacle du véhicule. 7 2741675 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit brûleur (5) est disposé de façon à chauffer directement un échangeur gazliquide (6) intégré dans le circuit de refroidissement (7) du moteur (1) et les gaz d'échappement du moteur, de sorte que l'air d'admission et l'habitacle du véhicule notamment bénéficient du chauffage du circuit de refroidissement. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le brûleur (5) est alimenté par le même carburant que le moteur (1). 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le brûleur (5) est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, essentiellement lorsque le moteur est froid. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le brûleur (5) est mis en fonctionnement pendant une durée déterminée, en fonction du régime et de la charge du moteur.