Brevet FR2793844A1 — publié le 20001124

L'invention concerne un moteur à combustion interne pourvu d'un compresseur pour la production d'air comprimé, en particulier d'un cylindre du moteur utilisable comme compresseur, comprenant une soupape d'étranglement à la sortie du compresseur pour régler le flux d'air comprimé à évacuer du compresseur, un accumulateur d'air comprimé et un conduit d'air comprimé entre le compresseur et l'accumulateur, ainsi qu'une unité de régulation et de commande pour générer les signaux de positionnement pour l'actionnement de la soupape d'étranglement. Par le document DE 43 09 860 C1, on connaît un dispositif pour commander la production d'air comprimé par un piston dans un cylindre d'un moteur à combustion interne. L'air comprimé est, soit amené à travers un conduit d'air comprimé à un accumulateur d'air comprimé, soit introduit dans le conduit d'échappement du moteur. La soupape d'étranglement est amenée à la position ouverte ou à la position fermée, à différentes positions précédant le point mort haut, par des signaux de positionnement d'un appareil de commande, la soupape d'étranglement étant ouverte de façon cadencée, par les signaux de positionnement générés par l'appareil de commande, suivant les rapports de pression dans le cylindre et l'accumu- lateur d'air comprimé. L'invention vise à réduire la teneur en huile de l'air comprimé. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait qu'un catalyseur à oxydation est disposé dans le trajet d'écoulement entre le compresseur et l'accumulateur d'air comprimé, les signaux de positionne- ment pouvant être déterminés de manière que la soupape d'étranglement puisse être amenée à la position ouverte lorsque la température de l'air comprimé est supérieure à la température minimale du catalyseur. Les compresseurs, en particulier des cylindres de moteur utilisés dans le régime de poussée comme compresseurs d'air comprimé, risquent d'aspirer, lors de phases à dépression dans la zone du point mort bas, de I'huile de graissage du moteur, ce qui peut avoir pour conséquence que l'air comprimé refoulé présente une forte proportion d'huile. Le risque existe que l'huile contenue dans l'air comprimé se dépose dans l'accumulateur d'air comprimé, ou dans les appareils consommateurs d'air comprimé installés à la suite, et affecte le fonctionnement. En outre, la réduction ou l'élimination de la teneur en huile de l'air comprimé est souhaitable pour des raisons de protection de l'environnement. Selon l'invention, on peut y parvenir en installant un catalyseur à la suite du compresseur et en prélevant seulement de l'air comprimé du compresseur à des températures élevées de cet air, devant être supérieures à la température minimale ou d'entrée en action du catalyseur monté à la suite, ceci afin qu'une épuration catalytique soit possible. Comme l'huile est constituée essentiellement d'hydrocarbures présents à l'état de vapeur, en raison du bas point d'ébullition de l'huile, sous les température s'établissant dans le compresseur, les hydrocarbures gazeux peuvent être réduits par oxydation - dans des catalyseurs à oxydation classiques - en dioxyde de carbone et eau; l'air comprimé ainsi épuré est à peu près complètement débarrassé d'huile après la catalyse. En tant que compresseurs, on peut utiliser non seulement des com- presseurs mus par le gaz d'échappement ou directement par le moteur, mais aussi un ou plusieurs cylindres du moteur. Dans le dernier cas, le travail de compression du piston est fourni, dans le régime avec combustion de carburant, par les autres cylindres du moteur, ou alors l'énergie cinétique du véhicule est transmise, dans le régime de poussée, par le vilebrequin aux pistons dans les cylindres agissant comme compresseurs. L'utilisation d'un seul ou de plusieurs cylindres du moteur en tant que compresseurs pour produire de l'air comprimé a en outre l'avantage que la place nécessaire est diminuée en comparaison des compresseurs prévus à l'extérieur du moteur, que les coûts de construction de l'ensemble du moteur à combustion interne sont réduits et que le débit d'air ainsi que le rendement peuvent être améliorés. La commande de la soupape d'étranglement du compresseur s'effectue par une unité de régulation et de commande dans laquelle sont générés des signaux de positionnement pour actionner la soupape. Ces signaux peuvent être générés aussi bien par un système de régulation que par un système de commande. Pour une régulation, un capteur de température est de préférence prévu pour mesurer la température du catalyseur; au cas o cette température est encore inférieure à la température d'entrée en action du catalyseur, I'instant d'ouverture de la soupape d'étranglement peut être décalé en direction du point mort haut afin d'atteindre une pression plus haute et, partant, une température plus élevée, laquelle conduit à un échauffement plus accéléré et à une mise en service plus rapide du catalyseur. Pour une commande simple à mettre en oeuvre, la soupape d'étran- glement est ouverte et fermée sans mesure de variables de fonctionnement et d'état. Un développement opportun prévoit que le catalyseur soit intégré dans la culasse du moteur. Dans cette exécution, convenant de manière particu- lièrement avantageuse à un cylindre du moteur utilisé comme compresseur, de la place supplémentaire n'est pas nécessaire pour loger le catalyseur, de sorte que le dispositif reste petit. Il peut cependant être avantageux aussi d'intégrer le catalyseur, en dehors de la culasse, dans le conduit d'air comprimé entre le compresseur et l'accumulateur d'air comprimé, ce qui fournit des possibilités supplémen- taires de conformation et de construction, en particulier de compresseurs réalisés séparément du moteur. Le cylindre du moteur utilisable en tant que compresseur peut être mis en oeuvre, comme compresseur, tant dans le régime de poussée, notam- ment lorsque tous les cylindres du moteur sont en régime de poussée, que dans le régime avec combustion de carburant. Un autre développement de l'invention prévoit que seul le cylindre utilisé comme compresseur se trouve en régime de poussée et une combustion de carburant soit produite dans les autres cylindres du moteur. Dans le mode de poussée sans combustion, les cylindres du moteur peuvent se trouver en régime entraîné ou régime de poussée ou alors, dans la mesure o des soupapes d'étranglement sont prévues à la sortie des cylindres et ces soupapes occupent la position ouverte, dans le régime frein moteur. Si, dans le régime entraîné, la soupape d'étranglement du cylindre relié à l'accumulateur d'air comprimé est ouverte, de l'air comprimé s'écoule du cylindre dans l'accumulateur. Il peut cependant être indiqué aussi, en plus, de seulement entraîner le piston du cylindre - sans combustion dans celui-ci - à utiliser comme compresseur, et de produire au contraire une combustion de carburant dans les autres cylindres du moteur. Dans ce cas, le travail de compression est fourni par les cylindres dans lesquels une combustion a lieu. Lorsqu'une combustion de carburant est produite dans tous les cylindres du moteur, le cylindre utilisé en tant que compresseur peut néan- moins fournir du travail de compression du fait que la soupape d'étranglement est seulement ouverte pendant la course de compression du piston dans ce cylindre ou lors du temps de compression seulement de ce cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combus- tion interne suralimenté dont un cylindre est utilisé comme compresseur pour produire de l'air comprimé; - la Figure 2 est une représentation schématique d'un cylindre de moteur et d'un catalyseur installé en dehors de la culasse dans le trajet d'écou- lement de l'air comprimé; - la Figure 3 montre un catalyseur intégré dans la culasse; - la Figure 4 est une coupe d'une culasse dans laquelle est prévue une soupape d'étranglement réalisée comme une soupape à étranglement constant, ainsi qu'une soupape anti-retour montée dans le trajet d'écou- lement de l'air comprimé; - la Figure 5 est une représentation correspondant à la Figure 4, mais avec une soupape anti-retour bridée sur la culasse; et - la Figure 6 est une coupe d'une culasse dans laquelle est prévue une soupape commandée par une haute pression hydraulique. Dans les exemples de réalisation représentés sur les Figures 1 à 6, des composants identiques sont pourvus des mêmes références. Le moteur à combustion interne 1, représenté sur la Figure 1, il s'agit en particulier d'un moteur d'un véhicule utilitaire, comprend six cylindres 2a à 2f qui présentent chacun, de façon connue, une soupape d'admission 3, une soupape d'échappement 4 et une soupape d'étranglement 5, cette dernière pouvant être ouverte pour produire de la puissance de freinage dans le régime frein moteur. Le moteur 1 est pourvu d'un turbocompresseur 6 de suralimentation, à gaz d'échappement, qui se compose d'une turbine 7 installée dans la ligne d'échappement 11 et mue par le gaz d'échappement, d'un arbre 8 et d'un compresseur 9 se trouvant dans la ligne d'admission 10 du moteur. La turbine 7, mue par les gaz d'échappement du moteur, entraîne, par l'intermédiaire de l'arbre 8, le compresseur 9, lequel comprime de l'air ambiant aspiré à une pression d'alimentation (de suralimentation) accrue. En aval du compresseur 9, cet air est refroidi dans un refroidisseur d'air d'alimentation 12, avant d'entrer dans les canaux d'admission des cylindres 2a à 2f. Dans le régime d'entraînement du véhicule avec combustion de carbu- rant dans les cylindres, les soupapes d'étranglement des cylindres sont habituellement fermées. En revanche, dans le régime frein moteur, les soupapes d'étranglement peuvent être ouvertes, tout au moins par phases; l'air comprimé dans le cylindre est alors expulsé, à travers les soupapes d'étranglement ouvertes, dans la ligne d'échappement, avec génération de puissance de freinage. Afin d'alimenter les appareils pneumatiques du véhicule avec l'air comprimé nécessaire, on a prévu un compresseur pour produire de l'air comprimé. Dans cet exemple, il s'agit du cylindre 2f du moteur, dont la sortie étranglée débouche - contrairement aux sorties étranglées des autres cylindres 2a à 2e -, dans un conduit d'air comprimé 13, à travers lequel l'air comprimé dans le cylindre 2f est amené à un accumulateur d'air comprimé 14 et/ou à des appareils consommateurs d'air comprimé, non représentés. En aval de la sortie étranglée de la soupape 5 du cylindre 2f, on a installé dans le conduit d'air comprimé 13, entre la sortie étranglée du cylindre 2f utilisé comme compresseur et l'accumulateur d'air comprimé 14, un catalyseur à oxydation 15, une soupape anti-retour 16, un refroidisseur d'air comprimé 17 et un séparateur d'huile 18. Le catalyseur a pour fonction de transformer les hydrocarbures contenus dans le flux d'air, représentés en particulier par de l'huile de graissage et absorbés par l'air dans le cylindre faisant office de compresseur, dans les constituants que sont le dioxyde de carbone et l'eau. La soupape d'étranglement 5 du cylindre 2f peut être amenée à la position ouverte dans des situations de fonctionnement déterminées, décrites dans ce qui va suivre, en vue de la production d'air comprimé. La commande de la soupape d'étranglement 5 s'effectue par une unité de régulation et de commande 19 dans laquelle sont générés des signaux de positionnement Spos qui sont envoyés à l'organe de commande de la soupape 5. Les signaux de positionnement Spos sont déterminés en fonction de la pression d'air Pa dans l'accumulateur d'air comprimé 14 et de la température Tcat du catalyseur 15. La pression d'air Pa de l'accumulateur 14 et la température Tcat - mesurée dans le catalyseur par un capteur de température 23 - du catalyseur 15, sont envoyées en tant que signaux d'entrée à travers des lignes de signaux 21, 22 à l'unité de régulation et de commande 19. Dans cette unité 19, est vérifié d'abord si la pression Pa dans l'accumulateur 14 est inférieure à un seuil. C'est seulement lorsque cela est le cas que la surpression générée dans le cylindre 2f suffit pour produire un écoulement d'air comprimé défini du cylindre 2f à l'accumulateur 14. L'air contenu dans le cylindre 2f, est typiquement comprimé à une pression d'environ 12 bars; la température ainsi atteinte est d'environ 300 0C. Il est en outre opportun de tenir compte aussi de la température Tcat du catalyseur dans la génération des signaux de positionnement Spos. Si cette température Tcat du catalyseur 15 est inférieure à la température d'entrée en action de celui-ci, l'instant d'ouverture de la soupape d'étranglement 5 du cylindre peut être décalé en direction du point mort haut, de sorte qu'une pression plus haute et par suite aussi une température plus élevée sont générées dans le cylindre 2f. Après ouverture de la soupape 5, l'air comprimé chaud s'écoule du cylindre 2f dans le catalyseur 15 et produit un échauffement plus accéléré de celui-ci. Après que le catalyseur 15 ait atteint sa température de fonctionnement, laquelle est supérieure à la température d'entrée en action, l'instant d'ouverture de la soupape d'étranglement 5 peut de nouveau être ramené en direction du point mort bas. En conformité avec ce qui vient d'être décrit, un capteur de température est prévu sur le catalyseur à oxydation 15 et les signaux de positionnement Spos, appliqués à la soupape d'étranglement 5, sont déterminables par un système de régulation en fonction de la température Tcat mesurée; les signaux de positionnement Spos sont déterminables de manière que le catalyseur 15 soit utilisé dans la plage de fonctionnement optimal avec le rendement maximal; et, à basse température Tcat du cata- lyseur, l'instant d'ouverture de la soupape d'étranglement 5 dans le temps de compression peut être décalé en direction du point mort haut. En plus ou à la place de la mesure de la température du catalyseur, il est possible aussi de déterminer directement la température de l'air comprimé dans le cylindre 2f. La soupape d'étranglement 5 est alors ouverte seulement au cas o la température de l'air comprimé dépasse la température d'entrée en action du catalyseur. Il s'y ajoute que d'autres paramètres, notamment des variables de fonctionnement et d'état du moteur à combustion interne, entrent dans la détermination des signaux de positionnement Spos commandant la soupape d'étranglement 5. Le cylindre 2f est utilisable de façon ciblée en différents régimes du moteur pour la production d'air comprimé; dans ces cas, la soupape d'admission 3 et la soupape d'échappement 4 de ce cylindre sont fermées. La production d'air comprimé par le cylindre 2f peut s'effectuer tant dans le régime entraîné du moteur que dans le régime avec combustion de carburant. Dans ce dernier régime, la soupape d'étranglement 5 du cylindre 2f est de préférence commandée de façon cadencée, tandis que, pendant la course de compression du piston de ce cylindre, la soupape d'étranglement est ouverte. De plus, il est possible aussi de seulement produire la combustion dans les cylindres non utilisables pour la production d'air comprimé et d'entraîner le cylindre 2f - sans qu'il y ait une combustion dans celui-ci - et de s'en servir pour produire de l'air comprimé. Il est cependant possible aussi de provoquer une combustion de carburant dans le cylindre 2f, de la même façon que dans les autres cylindres du moteur, afin de produire de la puissance d'entraînement du véhicule. La Figure 2 représente schématiquement le cylindre 2f, utilisable comme compresseur, avec un piston 24 relié de manière connue au vilebrequin par l'intermédiaire d'une bielle. À sa position fermée, la soupape d'étranglement 5 obture une sortie étranglée 26, ménagée dans la culasse et à travers laquelle, lorsque cette soupape est ouverte, l'air comprimé produit est évacué suivant la flèche 27 vers l'accumulateur d'air comprimé. Le catalyseur 15, prévu dans le trajet d'écoulement de l'air comprimé, est installé à l'extérieur de la culasse 25, le catalyseur se raccordant opportuné- ment, dans l'exécution représentée, directement à la culasse. Selon la Figure 3, le catalyseur 15 est intégré entièrement dans la culasse 25 du cylindre 2f. Le catalyseur 15 est placé dans le tronçon horizontal de la sortie étranglée 26 et s'étend jusqu'au côté extérieur de la paroi de la culasse. Dans la représentation selon la Figure 4, on peut voir que la sortie étranglée 26, s'étendant à travers la culasse 25, est reliée par une bride 28 au conduit étranglé d'air comprimé 13, dans lequel est montée une soupape anti-retour 16 qui se ferme dans le sens contraire au sens d'écoulement 27. La soupape d'étranglement 5 est réalisée comme une soupape à étrangle- ment constant, qui peut être commandée de façon cadencée. La représentation selon la Figure 5 correspond pour l'essentiel à I'exemple de réalisation selon la Figure 4, mais comporte une soupape anti- retour 16 adjacente à la culasse. Cette soupape anti-retour présente un obturateur 29 chargé par ressort et fermant en direction de la sortie étran- glée 26; la soupape anti-retour comporte en outre un refroidissement par eau pour l'abaissement de la température de l'air comprimé, de l'eau de refroidissement étant guidée dans le sens d'écoulement 31 à travers des passages de refroidissement 30 ménagés dans le corps de la soupape anti- retour 16. Dans l'exemple de réalisation selon la Figure 6, la soupape d'étrangle- ment 5 du cylindre 2f, utilisé en tant que compresseur, est réalisée comme une soupape commandée par une haute pression hydraulique, à laquelle la pression hydraulique nécessaire, fournie par un système hydraulique 33, est appliquée, à travers une soupape de commande ou de pilotage supplémen- taire 32. Cette dernière est réalisée comme une soupape électromagnétique et commandée par l'unité de régulation et de commande 19. Le système hydraulique 33 comprend une pompe 35 à haute pression pour transporter de l'huile à partir d'un réservoir d'huile 34 dans une conduite d'amenée d'huile 38, un accumulateur de pression 36, ainsi qu'une soupape régulatrice de pression 37, laquelle est réglée par l'intermédiaire de l'unité de régulation et de commande 19. On a prévu en outre une conduite de retour d'huile 39 à travers laquelle l'huile amenée à la soupape supplémen- taire 32 et à la soupape d'étranglement 5 retourne de nouveau au réservoir d'huile. Lorsque la soupape supplémentaire 32 est amenée à la position passante, I'huile sous haute pression s'écoule dans une chambre de5 pression 40 formée dans la soupape d'étranglement 5 et agit sur l'obturateur de cette soupape, laquelle est de ce fait amenée à la position ouverte. Une commande précise de l'évacuation d'air comprimé à travers la sortie étranglée 26 est ainsi possible. R E V E N D I C A T I ONS 1. Moteur à combustion interne pourvu d'un compresseur pour la production d'air comprimé, en particulier d'un cylindre du moteur utilisable comme compresseur, comprenant une soupape d'étranglement (5) à la sortie du compresseur pour régler le flux d'air comprimé à évacuer du compresseur, un accumulateur d'air comprimé (14) et un conduit d'air comprimé (13) entre le compresseur et l'accumulateur (14), ainsi qu'une unité de régulation et de commande (19) pour générer les signaux de positionnement (Spos) pour l'actionnement de la soupape d'étranglement (5), caractérisé en ce qu'un catalyseur (15) à oxydation est disposé dans le trajet d'écoulement entre le compresseur et l'accumulateur d'air comprimé (14), les signaux de positionnement (Spos) pouvant être déterminés de manière que la soupape d'étranglement (5) puisse être amenée à la position ouverte lorsque la température de l'air comprimé est supérieure à la température minimale du catalyseur (15). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1,caractérisé en ce que le catalyseur à oxydation (15) est intégré dans la culasse (25) du moteur. 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que le catalyseur à oxydation (15) est intégré dans le conduit d'air comprimé (13). 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la soupape d'étranglement (5) est réalisée comme une soupape à étranglement constant. 5. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un cylindre (2f0 du moteur est utilisable comme com- presseur dans le régime de poussée du moteur. 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cylindre (2f) du moteur est utilisable comme compresseur lorsque tous les cylindres du moteur sont en régime de poussée. 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que seul le cylindre (2f) utilisé comme compresseur se trouve en régime de poussée, et une combustion de carburant est produite dans les autres cylindres (2a à 2e) du moteur. Il 8. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cylindre (20f) du moteur est utilisable comme com- presseur dans le régime avec combustion de carburant. 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que la soupape d'étranglement (5) du cylindre (2f) du moteur utilisé comme compresseur peut être amenée à la position ouverte au temps de compression dans le régime avec combustion de carburant. 10. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un capteur de température (23) est prévu sur le catalyseur à oxydation (15) et les signaux de positionnement (Spos), appli- qués à la soupape d'étranglement (5), sont déterminables par un système de régulation en fonction de la température (Tcat) mesurée. 11. Moteur à combustion interne selon la revendication 10, caractérisé en ce que les signaux de positionnement (Spos) sont déterminables de manière que le catalyseur (15) soit utilisé dans la plage de fonctionnement optimal avec le rendement maximal. 12. Moteur à combustion interne selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que, à basse température (Tcat) du catalyseur, I'instant d'ouverture de la soupape d'étranglement (5) dans le temps de compression peut être décalé en direction du point mort haut. 13. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que blasoupape d'étranglement (5) peut être amenée de façon cadencée à la position ouverte par les signaux de positionnement (Spos). 14. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le compresseur est suivi d'une soupape anti-retour (16). 15. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le compresseur est suivi d'un refroidisseur d'air com- primé (17).