Brevet FR2799503A1 — publié le 20010413

"Groupe motopropulseur suralimenté de véhicule automobile comportant un catalyseur" L'invention concerne un groupe motopropulseur de véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un groupe motopropulseur de véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur, un circuit d'admission ou de mélange air/carburant un circuit d'echappement des gaz brûlés qui comportent conduite d'echappement qui relie l'échappement d'au moins chambre combustion d'un cylindre, à une turbine du turbocom presseur avec interposition d'un catalyseur. Les moteurs à combustion interne, et notamment les moteurs diesels ainsi que certains moteurs à essence à allumage commandé, produisent des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement contiennent des substances polluantes et toxiques telles que des oxydes d'azote ou NOx, du monoxyde carbone ou CO, des hydrocarbures imbrûlés ou HC, qu'il est necessaire de traiter. Lorsque le moteur à combustion interne est suralimenté par un turbocompresseur, ce dernier nécessite une pression en amont de sa turbine suffisamment élevée pour son entraînement. Il a ainsi été proposé de monter un catalyseur d'oxydation en aval de la turbine du turbocompresseur. Cependant, lors du passage des gaz d'échappement dans la turbine il se produit un transfert d'énergie diminue la température des gaz d'échappement et lorsque gaz arrivent dans le catalyseur, leur température est inférieure à la température optimale de fonctionnement du catalyseur. Le brevet VVO-A-92/20911 propose d'interposer le catalyseur entre la chambre de combustion d'un cylindre du moteur et la turbine du turbocompresseur sans pour autant perturber le fonctionnement du turbocompresseur. Cependant, le catalyseur permet d'oxyder monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés, mais ne permet pas de réduire les oxydes d'azote. Pour réduire les oxydes d'azote alors que les gaz d'échappement sont riches en oxygène, une méthode consiste à stocker les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement dans un piège à NOx encore appelé "Noxtrap" et à traiter périodiquement les NOx ainsi piégés en injectant massivement des substances réductrices telles que du carburant. Le brevet EP-B-0.560.991 décrit un tel dispositif de stockage des NOx et différentes stratégies de régénération. Cette solution est complexe. Il est nécessaire d'insérer un piège à NOx d'un volume important en amont de la turbine, ce qui provoque une perte de charge supplémentaire et réduit ainsi l'efficacite du turbocompresseur, De plus, la regénération du piège à peut requérir la mise en place système d'injection carburant. En plus l'installation de ces ispositifs dans la ne d'échappement, les phases de régeneration du piège sont coûteuses en carburant. Dans le but de remédier à ces inconvénients l'invention propose un groupe motopropulseur du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'une conduite de recirculation relie un point de la conduite d'échappement au circuit d'admission, de façon à permettre la recirculation des gaz d'échappement dans la chambre de combustion d'au moins un cylindre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le point de la conduite d'échappement est situé en aval du catalyseur et en amont de la turbine ; - conduite de recirculation comporte moyens de régulation du débit des gaz d'échappement ; - conduite de recirculation comporte moyens de refroidissement des gaz d'échappement ; - les moyens de refroidissement des gaz d'échappement comportent un échangeur thermique ; - moteur comporte plusieurs chambres combustion, en ce chaque chambre de combustion est reliee à au moins un conduit associé d'un collecteur d'échappement dans lequel est interposé un catalyseur, et en ce que les conduits associés se rejoignent en au moins une conduite d'échappement en amont de la turbine ; - chaque chambre de combustion comporte au moins une soupape d'échappement, en ce que chaque soupape d'échappement est reliée à un conduit d'échappement associé dans lequel est interposé un catalyseur, et ce que les conduits d'échappement associés se rejoignent une conduite d'échappement unique en amont de la turbine ; - un dispositif de refroidissement d'air est interposé dans le circuit d'admission entre l'aval du compresseur du turbocompresseur et de l'amont du moteur. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un groupe motopropuiseur suralimenté par un turbocompresseur selon l'état de la technique ; figure 2 représente un groupe motopropulseur similaire a celui de la figure 1 auquel est ajouté un circuit de recirculation des gaz d'échappement selon l'invention ; - la figure 3 représente un groupe motopropulseur similaire à celui de la figure 2 avec un échangeur thermique interposé dans le circuit de recirculation des gaz d'échap pement ; et - la figure 4 représente un groupe motopropuiseur similaire à celui des figures précédentes, dans lequel un catalyseur est disposé dans chaque conduit du collecteur d'échappement. La figure 1 représente un groupe motopropulseur suralimenté 10 selon l'état de la technique. est composé principalement d'un moteur à combustion d'un circuit d'admission 14, d'u n circuit d'échappement 16 et d'un turbocompresseur 18. Un filtre à air 20 est situé en amont du circuit d'admission 14 qui permet de retenir les particules présentes dans l'air frais provenant de l'atmosphère. turbocompresseur 18 comprend un compresseur 22 qui sous pression de l'air frais atmosphérique et une turbine 24 qui fournit l'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur 22. Un dispositif de refroidissement 26 permet de refroidir l'air d'admission provenant du compresseur 22. catalyseur 28 est interposé entre l'échappement du moteur et la turbine 24 du turbocompresseur 18. fonctionnement du groupe motopropulseur 10 selon l'état la technique est le suivant. fonctionnement du turbocompresseur étant connu par l'homme de l'art, il ne sera pas détaillé dans description qui suit. De l'air frais provenant de l'atmosphère est admis dans le circuit d'admission 14 après avoir traversé le filtre à air 20. Il est alors aspiré, puis comprimé par le compresseur 22. La compression de l'air provoque son échauffement. L'air est ensuite refroidi lors de son passage dans le dispositif de refroidissement 26. À la sortie de ce dernier une conduite d'admission 40 conduit l'air frais comprimé dans une ou plusieurs chambres de combustion du moteur. Après la combustion, les gaz d'échappement G contiennent notamment des oxydes d'azote, monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. lis sont rejetés dans une conduite d'échappement 42 par l'intermédiaire des conduits du collecteur d'échappement 44. Les gaz d'échappement G entrent alors dans le catalyseur 28. Lorsque les gaz d'échappement G sont oxydants, qui est notamment le cas des gaz d'échappement G issus des moteurs diesels et des moteurs à essence à mélange pauvre, le catalyseur 28 provoque principalement une oxydation. du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Ces produits sont convertis en substances moins toxiques et moins polluantes. À la sortie du catalyseur 28, les gaz d'échappement sont à une pression supérieure à la pression atmosphérique. sont alors détendus dans la turbine 24. Cette détente produit l'énergie mécanique qui est transmise par un arbre 46 au compresseur 22. Cependant, les gaz d'échappement G rejetés dans l'atmosphère sont toujours chargés d'oxydes d'azote. Le groupe motopropulseur 10 selon l'invention est représenté à la figure 2. Les éléments similaires ou identiques à ceux de l'état de la technique sont repérés par les mêmes références. Le groupe motopropulseur 10 permet, outre la réduction importante des émissions de monoxyde de carbone et hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement G, diminution importante d e la quantité d'oxydes d'azote formée lors de la combustion du carburant. Les oxydes d'azote se forment principalement, par réaction de l'azote et de l'oxygène présents dans l'air frais, dans des zones des chambres de combustion du moteur 12 dans lesquelles la température est élevée et dans lesquelles rapport air/carburant, ou la richesse du mélange est proche 1. Le rapport air/carburant étant fixé par la demande conducteur en couple et par le point de fonctionnement du moteur, il est nécessaire de réduire la température de combustion afin de limiter la formation des oxydes d'azote. L'invention consiste en l'interposition d'un circuit de recirculation 48 des gaz d'échappement G entre le circuit d'échappement et circuit d'admission. La recirculation des gaz de d'échappement G est realisée de façon naturelle, grâce à la différence pression existe entre le circuit d'échappement 16 le circuit d'admission 14. Il est donc nécessaire de prélever les gaz d'échappement G en un point 49 du circuit d'échappement 16 où la pression des gaz d'échappement G est élevée, c'est-à- dire en amont de la turbine 24. Ils sont ensuite réintroduits dans le circuit d'admission 14 en aval du compresseur 22. Une vanne 50 est montée dans le circuit de recirculation 48 de façon à réguler le débit des gaz d'échappement G qui circule dans le circuit 48 et qui est destiné à être mélangé avec de l'air frais du circuit d'admission 14. En effet, certaines phase de fonctionnement moteur ne permettent pas ou peu de recirculation gaz d'echappement G. Un système de commande, non représenté, assure la gestion de l'ouverture de la vanne 50. Pour ce faire, il prend en compte l'état des différents organes du groupe motopropulseur 10, et notamment du moteur 12 et du turbocompresseur 18. La recirculation des gaz d'échappement permet l'introduction d'une quantité de gaz d'échappement dans l'air frais circulant dans la conduite d'admission 14, façon à diminuer la formation d'oxydes d'azote lors de la combustion du carburant. Cette diminution est la conséquence des propriétés thermodynamiques des gaz d'échappement G. En effet, le mécanisme principal de formation des oxydes d'azote est lié à la température maximale de combustion et la formation d'oxydes d'azote croit exponen- tiellement avec la température combustion. La présence de dioxyde carbone limite fortement la température de combustion et conséquent la température des gaz d'échappement G. En effet, la capacité calorifique du dioxyde de carbone est nettement supérieure à celle des autres produits tels que l'azote et l'oxygène qui sont majoritairement présents dans l'air frais. Donc, pour un dégagement de chaleur donné lors de la combustion du carburant, l'accroissement de température est d'autant plus faible que la concentration en dioxyde de carbone dans l'air admis dans la chambre de combustion est élevée. Or, la concentration en dioxyde de carbone est plus importante dans les gaz d'échappement G que dans l'air frais. Par conséquent, la quantité d'oxydes d'azote formée est fortement limitée lorsque l'on fait appel à circuit de recirculation 48. Avantageusement, le point 49 de prélèvement des gaz d'échappement G dans le circuit d'échappement 16 se situe en aval du catalyseur 28 et en amont de la turbine 24. Cet agencement est très favorable à la limitation de la formation d'oxydes d'azote lors de la combustion. En effet, l'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés dans le catalyseur 28 produit en quantité importante du dioxyde de carbone. Ainsi, gaz d'échappement G qui circulent en aval du catalyseur ont une concentration plus élevée en dioxyde de carbone que gaz d'échappement G qui circulent en amont du catalyseur Dans une première variante représentée à la figure 3, un échangeur thermique 52 interposé dans le circuit de recirculation 48. Il permet diminuer la température des gaz d'échappement G qui sont mélangés à l'air frais ce qui a pour conséquence de diminuer température de l'air admis dans les chambres de combustion du moteur 12 et, par conséquent, de limiter température de combustion. présence du dispositif de refroidissement 26 qui diminue température de l'air frais qui est chauffé par son passage dans le compresseur 28 permet, de façon similaire à l'échangeur thermique 52, de limiter la formation des oxydes d'azote diminuant la température de l'air frais admis dans la chambre de combustion du moteur 12. Dans une deuxième variante, représentée à la figure 4, un catalyseur 28 est disposé dans chaque conduit 43, du collecteur d'échappement 44, qui est relié à l'échappement d'une chambre de combustion du cylindre du moteur 12. positionnement à proximité du bloc moteur lui permet bénéficier d'une température des gaz d'échappement qui plus élevée que dans le reste du circuit d'échappement 16. Ainsi, les catalyseurs 28 sont traversés par des d'échappement G qui sont à une température plus proche la température de fonctionnement optimal du catalyseur, ce permet d'améliorer leur efficacité globale, et ainsi d'en réduire les dimensions, et donc l'encombrement, en conservant même efficacité. plus, la montée en température du catalyseur 28 accéléree, ce qui par conséquent accélère sa mise en action diminue ainsi la quan tité des oxydes de carbone et hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, lors phases de montée en température du catalyseur 28. Avantageusement, un catalyseur 28 est disposé dans conduit d'échappement, non représenté, situé en aval et à proximité immédiate de chaque soupape d'échappement. La distance qui sépare les catalyseurs 28 de la chambre combustion étant minimum, la température des d'échappement G est maximale. Cela permet d'optimiser l'efficacité du catalyseur 28. Ainsi, le groupe motopropulseur 10 selon l'invention permet de réduire de façon importante la quantité des produits polluants et notamment oxydes d'azote, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés présents dans les gaz d'échappement G émis par moteur 12 à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur 18, tel qu'un moteur diesel et un moteur à essence à mélange pauvre. REVENDICATIONS 1. Groupe motopropuiseur (10) de véhicule automobile comportant un moteur (12) à combustion interne suralimente un turbocompresseur (18), un circuit d'admission (14) ou melange airicarburant et un circuit d'échappement (16) des brulés qui comportent une conduite d'échappement (42) relie l'échappement d'au moins une chambre de combustion d'un cylindre, à une turbine (24) du turbocompresseur (18) avec interposition d'un catalyseur (28), caractérisé en ce qu' conduite de recirculation (48) relie un point (49) de la conduite d'échappement au circuit d'admission, de façon à permettre recirculation des gaz d'échappement dans la chambre combustion d'au moins un cylindre. 2. Groupe motopropulseur (10) selon la revendication precédente, caractérisé en ce que le point (49) de la conduite d'echappement (42) est situé en aval du catalyseur (28) et amont de la turbine (24). 3. Groupe motopropulseur (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la conduite de recirculation (48) comporte des moyens de régulation (50) du débit des gaz d'échappement. 4. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite de recirculation (48) comporte des moyens de refroidissement (52) des gaz d'échappement. 5. Groupe motopropuiseur (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement (52) des gaz d'échappement comportent un échangeur thermique. 6. Groupe motopropulseur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (12) comporte plusieurs chambres de combustion, en ce que chaque chambre de combustion est reliée à au moins un conduit associé (43) d'un collecteur d'échappement (44) dans lequel est interposé un catalyseur (28), et en que les conduits associés (43) se rejoignent en au moins conduite d'échappement (42) en amont de la turbine (24). 7. Groupe motopropulseur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque une chambre de combustion comporte au moins une soupape d'échappement, en ce que chaque soupape d'échappement est reliée à un conduit d'échappement associé dans lequel est interposé un catalyseur, et en ce que les conduits d'échappement associés se rejoignent en une conduite d'échappement (42) unique en amont de la turbine (24). 8. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de refroidissement d'air (26) est interposé dans le circuit d'admission (14) entre l'aval du compresseur (22) du turbocompresseur (18) et de l'amont du moteur (12).