Brevet FR2853690A1 — publié le 20041015

La présente invention se rapporte à un dispositif et à une méthode de dépollution de gaz d'échappement d'un moteur suralimenté à combustion interne. Généralement, les gaz d'échappement d'un moteur sont évacués dans l'atmosphère par une ligne d'échappement en ayant traversé au préalable un moyen de dépollution, tel qu'un catalyseur, disposé sur cette ligne d'échappement et destiné à purifier ces gaz. Le catalyseur, plus particulièrement le catalyseur dit "trois voies", a pour 10 fonctions principales d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés (HC) ainsi que le monoxyde d'azote (CO) et de réduire les oxydes d'azote (NOx). Dans le cas de moteur suralimenté, la suralimentation est généralement effectuée par un turbocompresseur dont l'étage de la turbine est placée, sur la ligne d'échappement, en amont du catalyseur. Ce turbocompresseur se 15 compose, de manière connue en soi, d'une turbine qui est entraînée en rotation par les gaz d'échappement issus du moteur et d'un compresseur, lié en rotation avec à la turbine, de manière à comprimer l'air ambiant et de l'envoyer, à l'état comprimé, à l'admission du moteur pour augmenter son remplissage et accroître ses performances. Cependant, l'utilisation de turbocompresseurs présente des inconvénients non négligeables. Plus particulièrement et cela pendant la période de fonctionnement à froid du moteur qui suit le démarrage de ce moteur, la présence de la turbine sur la ligne d'échappement ralentit la montée en température du catalyseur, ce qui 25 entraîne un rejet supplémentaire dans l'atmosphère de gaz d'échappement non dépollués. En effet, les gaz d'échappement qui pénètrent dans cette turbine échangent leurs énergies thermiques avec les éléments constitutifs de celle-ci et en ressortent à une température inférieure à celle de leur entrée. Cette déperdition de température rallonge d'autant plus le temps d'amorçage du catalyseur qui généralement requiert une température de démarrage ou température de "light off" qui est de l'ordre de 3000C. Il est notoire qu'une grande rapidité de la montée en température du catalyseur est nécessaire pour assurer la dépollution des gaz d'échappement et respecter ainsi les normes appliquées aux moteurs des véhicules automobiles qui se sévérisent au fil du temps. Ce problème est d'autant plus grand que pendant, la période de fonctionnement à froid du moteur d'environ quelques dizaines de secondes, les gaz d'échappement, qui ont parcouru la turbine, traversent le catalyseur avec une température insuffisante pour permettre au catalyseur d'atteindre rapidement sa température de "light off" et de réaliser les oxydations et la 10 réduction des polluants. Il a pu être estimé que cette période de fonctionnement à froid représente environ 70% des émissions polluantes (HC et CO notamment) d'un moteur. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients 15 mentionnés ci-dessus en présentant un dispositif de dépollution simple tout en permettant de raccourcir le délai pour que le catalyseur atteigne sa température d'amorçage ou température de "light off". A cet effet, la présente invention se rapporte à un dispositif destiné à la 20 dépollution de gaz d'échappement d'un moteur comprenant un moteur suralimenté à combustion interne avec au moins un cylindre muni d'au moins un moyen d'échappement de gaz brûlés avec un moyen d'obturation et une tubulure d'échappement, une ligne d'échappement, un turbocompresseur dont la turbine est placée dans ladite ligne d'échappement et un moyen de 25 dépollution des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le cylindre comprend au moins un moyen d'échappement additionnel de gaz brûlés avec un moyen d'obturation et une tubulure d'échappement et en ce que le dispositif comprend un conduit mettant en communication directement ledit moyen d'échappement additionnel audit moyen de dépollution. Le dispositif peut comprendre un moyen d'obturation sous la forme d'une soupape dont la soupape d'échappement présente une section plus grande que celle de la soupape d'échappement additionnelle. Le conduit peut comporter au moins un moyen de dépollution supplémentaire. Le moyen de dépollution supplémentaire peut comprendre un piége à hydrocarbures imbrûlés HC. Le moyen de dépollution supplémentaire peut également comprendre un piège à NOx. Le moyen de dépollution supplémentaire peut comprendre un catalyseur 15 de "light off". Le moteur peut comprendre une multiplicité de cylindres dont les moyens d'échappement peuvent être raccordés à un collecteur d'échappement et les moyens d'échappement additionnels peuvent aboutir à un collecteur 20 d'échappement additionnel auquel est raccordé le conduit. Le collecteur d'échappement additionnel peut comprendre au moins un moyen de dépollution supplémentaire. L'invention concerne également une méthode de dépollution de gaz d'échappement d'un moteur suralimenté à combustion interne dans lequel les gaz brûlés sont évacués par au moins un moyen d'échappement de gaz brûlés avec un moyen d'obturation et une tubulure d'échappement, une ligne d'échappement dans laquelle circule les gaz d'échappement, un 30 turbocompresseur et un moyen de dépollution des gaz d'échappement, caractérisé en ce que, pendant la période de fonctionnement à froid dudit moteur, on évacue les gaz d'échappement uniquement par un moyen d'échappement additionnel et on dirige directement ces gaz vers le moyen de dépollution par un conduit. On peut dépolluer les gaz d'échappement circulant dans le conduit par au moins un moyen de dépollution additionnel. Le moyen de dépollution peut être un piège à adsorption/désorption et on peut déclencher la désorption des polluants contenus dans le piège après la fin de la période de fonctionnement à froid du moteur. 10 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées: - la figure 1 qui montre un exemple de réalisation de l'invention et, 15 - la figure 2 montrant une variante de l'invention selon la figure 1. La figure 1 montre un moteur à combustion interne 10 qui comprend au moins un cylindre 12 comportant une chambre de combustion 14 dans laquelle se produit la combustion d'un mélange carburé. Ce cylindre comporte au moins un moyen d'admission d'air 16 avec une tubulure d'admission 18 associée à un moyen d'obturation, tel qu'une soupape d'admission 20, au moins un moyen d'échappement 22 des gaz brûlés comprenant une tubulure d'échappement 24 et un moyen d'obturation, comme une soupape d'échappement 26, et au moins un moyen d'échappement 25 additionnel 28 de gaz brûlés avec au moins une tubulure d'échappement additionnelle 30 et un moyen d'obturation, tel qu'une soupape d'échappement additionnelle 32. Préférentiellement, la soupape 26 et la tubulure 24 d'échappement ont une section diamétrale plus grande que celle de la soupape 26 et/ou la tubulure 30 24 d'échappement additionnelles Les soupapes d'admission 20 et d'échappement 26, 32 sont commandées en ouverture et en fermeture par tous moyens connus, tels qu'un arbre à cames, une distribution variable de type mécanique, comme par exemple, un déphaseur d'arbres à cames, un actuateur électrique ou électrohydraulique relié à chaque soupape. Avantageusement, les soupapes d'échappement additionnelles 32 sont 5 commandées en ouverture/fermeture par un moyen indépendant de celui qui commande l'ouverture et la fermeture des soupapes 26. A titre d'exemple, les soupapes d'échappement additionnelles 32 peuvent être commandées par un système de cames activables/désactivables sur l'arbre à cames qui commande les soupapes 26. Les tubulures d'échappement 24 aboutissent à un collecteur d'échappement principal 34 alors que les tubulures d'échappement additionnelles 30 aboutissent à un collecteur d'échappement additionnel 36 distinct du collecteur principal. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, les collecteurs 34 15 et 36 peuvent faire partie d'une seule pièce qui comporte les partitions nécessaires pour assurer la collecte sélective des gaz d'échappement véhiculés par les différentes tubulures d'échappement 24 et 30. Le collecteur principal 34 est raccordé à une ligne d'échappement 38 sur laquelle est disposé un moyen de dépollution des gaz d'échappement 40, tel 20 qu'un catalyseur trois voies. Ce catalyseur est, de préférence, disposé au plus prés des collecteurs d'échappement pour limiter au maximum les échanges thermiques des gaz d'échappement avec l'extérieur. Sur cette ligne d'échappement, entre le collecteur principal 34 et le catalyseur 40, est disposé un dispositif de suralimentation, tel qu'un 25 turbocompresseur 42. Ce turbocompresseur comprend une turbine 44 qui entraîne un compresseur 46 par l'intermédiaire d'un arbre de transmission 48. La turbine 44 est disposée dans la ligne d'échappement de façon à ce qu'elle soit traversée par les gaz d'échappement issus du collecteur principal 34 et entraînée en 30 rotation par ces gaz. Une fois que les gaz ont traversé la turbine, ceux-ci sont évacués vers l'entrée du catalyseur 40 pour y être traités. Le compresseur 46 comprend une conduite d'admission en air E, cet air étant généralement de l'air extérieur, et une sortie S reliée par une conduite d'alimentation (non représentée) en air sous pression, dit air suralimenté ou air de suralimentation, aux tubulures d'admission 18 via un collecteur d'admission (non représenté). Comme mieux visible sur la figure 1, le collecteur additionnel 36 est raccordé à un conduit 50 qui contourne la turbine 44 et aboutit à la ligne d'échappement 38 entre l'amont de cette turbine 44 et l'aval du catalyseur 40 en ayant, de manière avantageuse une section plus grande que celle de la ligne 10 d'échappement 38. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Pendant la période de fonctionnement à froid du moteur, qui dure généralement quelques dizaines de secondes après le démarrage du moteur, les soupapes d'échappement 26 restent fermées pendant toute cette période 15 alors que les soupapes d'échappement additionnelles 32 sont ouvertes lors des phases d'échappement du moteur. Les gaz brûlés issus de ces soupapes additionnelles sont évacués par les tubulures 30 vers le collecteur d'échappement additionnel 36. A partir de ce collecteur, les gaz brûlés sont dirigés par le conduit 50 vers l'entrée du catalyseur 40 sans avoir traversé au 20 préalable la turbine 44 du turbocompresseur 42. De ce fait, la température des gaz d'échappement à l'entrée du catalyseur est sensiblement identique à celle à la sortie des échappements du moteur et le délai pour que le catalyseur 40 atteigne sa température de "light off" est raccourci d'une manière non négligeable. A la fin de la période de fonctionnement à froid du moteur, lorsque le catalyseur 40 a atteint sa température de "light off", les soupapes d'échappement additionnelles 32 sont fermées par les moyens de commande et restent dans cette position pendant le fonctionnement à chaud du moteur. Dans cette configuration, les gaz brûlés sont évacués par les soupapes 26 30 pour aboutir dans le collecteur d'échappement 34, sont véhiculés dans la ligne d'échappement 38 et traversent la turbine 44 en entraînant celleci en rotation puis sont admis dans catalyseur 40 pour y être traités. On se réfère maintenant à la figure 2 qui montre une variante de réalisation de l'invention selon la figure 1 et qui pour cela comporte les même références. La figure 2 se distingue de la figure 1 par la présence d'au moins un moyen de dépollution supplémentaire 52 de gaz d'échappement. Comme déjà mentionné plus haut, les normes appliquées aux moteurs des véhicules automobiles sont très contraignantes et plus particulièrement au niveau des émissions d'hydrocarbures imbrûlés qui sont rejetées dans 10 l'atmosphère pendant la période de fonctionnement à froid du moteur. A titre d'exemple, les émissions d'hydrocarbures imbrûlés (HC) ne devront pas dépasser 0,10 g/km. Pour respecter ces normes, il est prévu de loger dans le conduit 50 et cela 15 entre le collecteur d'échappement additionnel 36 et l'entrée du catalyseur 40, un moyen de dépollution supplémentaire des gaz d'échappement. Plus particulièrement, ce moyen de dépollution supplémentaire se rapporte au traitement des hydrocarbures imbrûlés présents dans les gaz d'échappement et est réalisé par un piège de type à absorption/désorption, tel 20 que par exemple un piège à HC 52. Ce piège a pour fonction, comme cela est connu en soi, de retenir par adsorption les hydrocarbures imbrûlés présents dans les gaz brûlés puis, lors d'une opération de désorption, de les évacuer pour qu'ils soient traités, en particulier par le catalyseur 40. Dans l'exemple de réalisation la figure 2, le piège à HC est disposé sur le 25 conduit 50, mais il peut être prévu de l'intégrer dans le collecteur d'échappement additionnel 36 au niveau du débouché de ce collecteur, comme cela est représenté en pointillé sur la figure, de manière à ce que les gaz d'échappement issus des tubulures 30 traversent ce piège avant de pénétrer dans le conduit 50. Ainsi, pendant toute la période de fonctionnement à froid du moteur, les hydrocarbures imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement sont retenus par le piège à HC. A la fin de la période de fonctionnement à froid du moteur, c'est- à-dire lorsque les gaz d'échappement sont à une température telle que le catalyseur 40 atteint sa température de "light off", les polluants sont désorbés de ce piége par tous moyens connus, tels qu'une augmentation de la température des gaz d'échappement, durant un court laps de temps. Une fois 5 désorbés, les hydrocarbures imbrûlés traversent le catalyseur 40 pour y être traités par oxydation. Durant cette opération de désorption, les soupapes additionnelles 32 restent actives pendant un bref intervalle de temps alors que la période de fonctionnement à chaud du moteur est commencé. Dans ce cas, il peut être 10 envisagé de rendre opérationnelles simultanément les soupapes d'échappement 26 de façon à pouvoir répondre à un éventuel besoin en air de suralimentation. Cette disposition permet, en outre, de protéger efficacement le piège à HC contre une dégradation tant physique qu'en terme de performances. En effet, 15 comme le sait pertinemment l'homme du métier, un piège à HC a une durée de vie qui dépend, d'une part, de la quantité de gaz d'échappement qui le traverse et, d'autre part, de la température de ces gaz. Ainsi, pendant le fonctionnement à chaud du moteur, les gaz d'échappement chauds ne traversent pas le piège à HC de par la fermeture des soupapes additionnelles, mais sont uniquement 20 dirigés, grâce à la mise en action des soupapes 26, vers la turbine 44 du turbocompresseur 42 puis vers le catalyseur 40. Il peut être également envisagé de traiter, de la même manière, un autre polluant présent dans les gaz d'échappement, comme les oxydes d'azote (NOx) en utilisant de préférence un piége à NOx. Ce piège à NOx 52 sera disposé, soit dans le conduit 50, soit dans le collecteur d'échappement additionnel 36, comme précédemment décrit en relation avec le piège à HC. Il réalisera les mêmes fonctions que le piège à HC, c'est-à-dire qu'il adsorbera les NOx pendant toute la période de fonctionnement à froid du 30 moteur puis libérera les NOx piégés dés que le catalyseur a atteint sa température de "light off". Puis comme déjà décrit en relation avec le piège à HC, ce piège à NOX sera isolé des gaz d'échappement, lors du fonctionnement à chaud du moteur, par la fermeture des soupapes d'échappement additionnelles 32. Le moyen de dépollution supplémentaire 52 des gaz d'échappement peut aussi être un catalyseur dit de "light off". Ce type de catalyseur permet, comme le catalyseur 40, d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés (HC) ainsi que le monoxyde d'azote (CO) et de réduire les oxydes d'azote (NOx), mais a une inertie thermique réduite et/ou contient des phases réactives catalytiques à hautes performances qui autorisent le démarrage des opérations d'oxydation et de réductions des polluants à des 10 températures des gaz d'échappement très inférieures à celle du catalyseur 40. Ce catalyseur de "light off" peut être placé, comme déjà décrit pour les piéges à HC ou à NOx, dans le conduit 50 ou dans le collecteur d'échappement additionnel 36. Il réalisera les opérations d'oxydation et de réduction des polluants (HC, 15 CO, NOx) présents dans les gaz d'échappement pendant toute la période de fonctionnement à froid du moteur et cela plus rapidement que le catalyseur 40. Puis, une fois que les gaz d'échappement ont atteint une température suffisante pour rendre actif le catalyseur 40, le catalyseur de "light off" sera isolé de la ligne d'échappement 38 grâce à la fermeture des soupapes d'échappement 20 additionnelles 32 et restera inactif pendant toute la période de fonctionnement à chaud du moteur. Le piège à HC, le piège à NOx et le catalyseur de "light off" peuvent être utilisés seul ou en combinaison totale ou partielle les uns avec les autres. A titre 25 d'exemple, il peut être envisagé de disposer le catalyseur de "light off" dans le collecteur d'échappement additionnel 52 et de placer le piège à NOx en série avec le piège à HC dans le conduit 50. Bien entendu, toute autre combinaison est possible sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement d'un moteur comprenant un moteur suralimenté à combustion interne (10) avec au moins un 5 cylindre (12) muni d'au moins un moyen d'échappement (22) de gaz brûlés avec un moyen d'obturation (26) et une tubulure d'échappement (24), une ligne d'échappement (38), un turbocompresseur (42) dont la turbine (44) est placée dans ladite ligne d'échappement et un moyen de dépollution (40) des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le cylindre (12) comprend au moins un 10 moyen d'échappement additionnel (28) de gaz brûlés avec un moyen d'obturation (32) et une tubulure d'échappement (28) et en ce que le dispositif comprend un conduit (50) mettant en communication directement ledit moyen d'échappement additionnel audit moyen de dépollution. 2) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 1 dans lequel le moyen d'obturation est une soupape, caractérisé en ce que la soupape d'échappement (26) présente une section plus grande que celle de la soupape d'échappement additionnelle (32). 3) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (50) comporte au moins un moyen de dépollution supplémentaire (52). 4) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon la 25 revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de dépollution supplémentaire comprend un piège à HC. 5) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de dépollution supplémentaire 30 comprend un piège à NOx. 6) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le moyen de dépollution supplémentaire comprend un catalyseur de "light off". 7) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 1 dans lequel le moteur comprend une multiplicité de cylindres (12) dont les moyens d'échappement (22) sont raccordés à un collecteur d'échappement (34), caractérisé en ce que les moyens d'échappement additionnels (28) aboutissent à un collecteur d'échappement additionnel (36) 10 auquel est raccordé le conduit (50). 8) Dispositif destiné à la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce que le collecteur d'échappement additionnel (36) comprend au moins un moyen de dépollution supplémentaire (52). 15 9) Méthode de dépollution de gaz d'échappement d'un moteur suralimenté à combustion interne dans lequel les gaz brûlés sont évacués par au moins un moyen d'échappement (22) de gaz brûlés avec un moyen d'obturation (26) et une tubulure d'échappement, une ligne d'échappement (38) dans laquelle 20 circule les gaz d'échappement, un turbocompresseur (42) et un moyen de dépollution (40) des gaz d'échappement, caractérisé en ce que, pendant la période de fonctionnement à froid dudit moteur, on évacue les gaz d'échappement uniquement par un moyen d'échappement additionnel (28) et on dirige directement ces gaz vers le moyen de dépollution (40) par un conduit 25 (50). 10) Méthode de dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on dépollue les gaz d'échappement circulant dans le conduit (50) par au moins un moyen de dépollution additionnel (52). 30 11) Méthode de dépollution de gaz d'échappement selon la revendication dans lequel le moyen de dépollution (52) est un piège à adsorption/désorption, caractérisé en ce qu'on déclenche la désorption des polluants contenus dans le piège après la fin de la période de fonctionnement à froid du moteur.