Brevet FR2859760A1 — publié le 20050318

DISPOSITIF ET PROCEDE PERFECTIONNES DE GESTION D'ENERGIE CHIMIQUE ET CINETIQUE DE GAZ D'ECHAPPEMENT. L'invention concerne, de façon générale, les techniques liées à la fois à la motorisation et au respect de l'environnement dans l'industrie des véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un dispositif de conversion d'énergie chimique et cinétique de gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, en particulier un moteur diesel, ce dispositif comprenant un collecteur d'échappement, une turbine succédant au collecteur dans un sens de circulation des gaz, un catalyseur d'oxydation situé entre le collecteur et la turbine, et un calculateur. La difficulté d'amorcer rapidement les catalyseurs d'oxydation dans les moteurs diesel suralimentés par un turbocompresseur a conduit les constructeurs automobiles à étudier la possibilité d'implanter un catalyseur d'oxydation en amont de la turbine motrice de ce turbocompresseur. Un tel agencement entraîne cependant d'importantes conséquences en terme d'allongement du temps de réponse du turbocompresseur, l'allongement de ce temps de réponse résultant de l'inertie thermique du catalyseur et entraînant à son tour une dégradation gênante de l'accélération du véhicule. Plusieurs systèmes sont connus pour court-circuiter le catalyseur situé en amont du turbocompresseur au moyen d'un conduit de by-pass disposé entre le collecteur d'échappement et l'entrée de la turbine. En particulier, le document de brevet JP 63309725 (Yanmar Diesel Engine) propose un système qui permet de récupérer une partie plus ou moins importante des gaz brûlés en bout du collecteur d'échappement afin de les faire passer au travers d'un catalyseur. Cependant, le mode de fonctionnement standard de ce système n'implique aucun passage des gaz d'échappement au travers du catalyseur, et seuls certains points de fonctionnement du moteur sont donc concernés. Le document de brevet JP 09209742 (Toyota) décrit un système adapté à un moteur à essence doté d'un catalyseur trois voies disposé en amont de la turbine. Bien qu'un by-pass soit prévu entre le collecteur d'échappement et l'entrée de la turbine, ce système connu ne permet de dévier qu'une faible partie des gaz brûlés, et ceci afin de modifier le ratio CO/HC lorsque les stratégies de post-traitement le demandent. Le document de brevet DE4139291 (Audi) décrit un système pour amplifier la suralimentation, lorsque le moteur est froid ou fortement sollicité en accélération, au moyen d'une injection d'air et / ou de carburant en amont du catalyseur, lequel est situé en amont de la turbine et chauffé électriquement pour amorcer la réaction exothermique d'oxydation. Lorsque le fonctionnement du moteur ne nécessite aucun supplément d'enthalpie au niveau de la turbine, une vanne électrique permet l'ouverture d'un conduit qui court-circuite le catalyseur. Aucun des documents précités ne dévoile un système dans 5 lequel, en condition normale de fonctionnement, les gaz brûlés traversent un catalyseur d'oxydation situé entre le collecteur d'échappement et la turbine, et résolvant le problème que pose, pour l'accélération du véhicule, l'allongement du temps de réponse du turbocompresseur dû à 10 l'inertie thermique du catalyseur. Dans ce contexte, l'invention a pour but de proposer des moyens pour réduire les conséquences négatives de l'inertie thermique du catalyseur sur le temps de réponse du turbocompresseur. A cette fin, le dispositif de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre un conduit de by-pass, monté entre le collecteur et la turbine en parallèle avec le catalyseur, et un papillon sélectivement commandé en fonctionnement par le calculateur pour donner à un rapport de débits des gaz d'échappement traversant respectivement le catalyseur et le conduit de by-pass une valeur choisie parmi au moins deux valeurs différentes. En outre, pour limiter au maximum l'encombrement de ce dispositif, le catalyseur est par exemple cylindrique et disposé autour du conduit de bypass, coaxialement à ce dernier. L'invention concerne également un procédé de conversion d'énergie chimique et cinétique de gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, ce procédé comprenant une première opération consistant à oxyder une partie au moins de ces gaz dans un catalyseur d'oxydation et une deuxième opération consistant à transmettre à une turbine une partie au moins de l'énergie cinétique de ces gaz, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une opération supplémentaire consistant à diviser les gaz d'échappement en des premier et second flux de gaz présentant des premier et second débits respectifs complémentaires dont l'un peut être nul, ces débits étant déterminés en fonction de la température du catalyseur et / ou en fonction d'une consigne de quantité d'énergie cinétique à transmettre à la turbine, et en ce que les première et deuxième opérations sont respectivement effectuées sur les premier et second flux. Dans la mise en uvre pratique de l'invention, le premier débit est représenté par une fonction décroissante de la température du catalyseur et / ou par une fonction décroissante de la consigne de quantité d'énergie cinétique à transmettre à la turbine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence à la figure unique annexée, qui représente de façon schématique un dispositif conforme à l'invention. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un dispositif et un procédé de conversion optimisée d'énergie chimique et cinétique de gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne 1. Ce dispositif comprend, de façon connue en soi, un collecteur d'échappement 2, un turbocompresseur 3 équipé d'une turbine motrice 30, un catalyseur d'oxydation 4 creux et métallique, et un calculateur 5. La turbine 30 succède au collecteur 2 dans le sens X de circulation des gaz d'échappement, et le catalyseur d'oxydation 4 est disposé entre le collecteur 2 et la turbine 30. Selon l'invention, ce dispositif comprend en outre un conduit de by-pass 6, monté entre le collecteur 2 et la turbine 30 en parallèle avec le catalyseur 4, et un papillon 7 sélectivement commandé en fonctionnement par le calculateur 5. Comme illustré, le catalyseur 4 et le conduit de by-pass 6 sont de préférence agencés coaxialement l'un par rapport à l'autre, le catalyseur 4 étant par exemple cylindrique et disposé autour du conduit de by-pass 6. Par ailleurs, le conduit de by-pass 6 est avantageusement disposé dans le prolongement de la sortie 20 du collecteur d'échappement 2, ce conduit 6 et ce collecteur 2 présentant des sections transversales respectives voisines, c'est-à-dire telles que le rapport de la plus grande à la plus petite soit par exemple inférieur à 1.5. Le papillon 7 est disposé sur une entrée donnant accès au conduit de bypass 6 dans le sens X de circulation des gaz d'échappement et par exemple déplacé à volonté par un moteur électrique 8 lui-même commandé par le calculateur 5. La conception du papillon 7 et de son actionnement peut être identique à celle utilisée pour l'admission des moteurs à allumage commandé, à la différence près que le papillon 7 sera réalisé dans une matière résistant aux températures élevées (environ 1000 C). Un capteur de température 9, prenant avantageusement la forme d'un thermocouple, est physiquement implanté dans le catalyseur 4 et transmet au calculateur 5 un signal S9(T) représentatif de la température T du catalyseur 4. Par ailleurs, le moteur 1 est commandé par une pédale d'accélérateur 10, qui délivre au calculateur 5 un signal Slo représentatif de la sollicitation du moteur 1 souhaitée par le conducteur du véhicule. Grâce à cet agencement, le flux total des gaz d'échappement atteignant la sortie 20 du collecteur 2 peut être divisé, par la commande du papillon 7, en un premier flux F1 de gaz traversant le catalyseur 4 et présentant un débit Q1, et en un deuxième flux F2 de gaz traversant le conduit de bypass 6 et présentant un débit Q2, l'un ou l'autre des débits Q1 et Q2 pouvant être nul. Plus précisément, la commande du papillon 7 permet même de donner au rapport Q1/Q2 des débits Q1 et Q2 des gaz d'échappement traversant respectivement le catalyseur 4 et le conduit de by-pass 6 une valeur quelconque, et notamment la valeur V1 = 0 ou la valeur V2 = -. Deux critères, éventuellement cumulés, sont utilisés pour 5 positionner le papillon 7 et donc pour choisir la valeur du rapport Q1/Q2 des débits Q1 et Q2. Tout d'abord, les débits Q1 et Q2 sont déterminés, dans leur rapport Q1/Q2, en fonction de la température T du 10 catalyseur 4. Ainsi, lorsque la température T du catalyseur 4, dont rend compte le signal S9(T) délivré par le capteur 9, dépasse un seuil prédéterminé qui correspond à un risque de destruction de ce catalyseur, le signal S7 transmis par le calculateur 5 au moteur électrique 8 commande l'ouverture du papillon 7 afin d'abaisser la température du catalyseur 4. La solution proposée permet d'éviter la destruction du catalyseur, qui engendrerait de graves dysfonctionnements du moteur 1. Mais les débits Q1 et Q2 sont aussi déterminés, dans leur rapport Q1/Q2, en fonction d'une consigne S3 qui représente la quantité d'énergie cinétique que les gaz d'échappement doivent transmettre à la turbine 30 et qui est liée au signal Slo représentatif de la sollicitation du moteur 1 souhaitée par le conducteur du véhicule par une fonction connue du calculateur 5, au moins sous une forme implicite. A cette fin, les évolutions du signal Slo en fonction du temps t sont analysées en permanence par le calculateur 5 afin de détecter les brusques demandes de couple moteur C. Au-dessus d'un seuil (SC /St) défini lors de la mise au point du véhicule, le signal S7 transmis par le calculateur 5 au moteur électrique 8 commande l'ouverture du papillon 7 afin de réduire le temps de réponse du turbocompresseur 3. L'ouverture du papillon 7 sera également commandée si le conducteur appuie à fond sur la pédale 10, indépendamment de la dynamique du mouvement. La solution ici proposée permet donc de pallier l'allongement du temps de réponse du turbocompresseur 3 lorsque de fortes accélérations sont demandées à un véhicule équipé d'un moteur suralimenté et doté d'un catalyseur disposé en amont de la turbine 30. Que le papillon 7 soit commandé en fonction de la température T du catalyseur 4 ou en fonction de la consigne S3 de quantité d'énergie cinétique à transmettre à la turbine 30, le débit Q1 des gaz injectés dans le catalyseur 4 est donc une fonction décroissante de chacun de ces paramètres, ainsi qu'une fonction décroissante du signal Slo de sollicitation du moteur 1. En pratique, pour ce dernier paramètre dont dépend la consigne S3, le calculateur 5 est par exemple doté d'une cartographie de commande du papillon 7, donnant directement la consigne de commande S7 du papillon 7 en fonction du signal S10 de sollicitation du moteur 1. Le procédé de l'invention peut être illustré dans les différents scénarios suivants. Un véhicule se déplace à vitesse constante. Le papillon 7 est fermé (Q1/Q2 = '1. Les gaz d'échappement traversent le catalyseur 4 et sont traités avant d'entrer dans la turbine 30. Le conducteur décide, par exemple, de doubler un véhicule. Trois cas de figures sont alors possibles. Cas N 1: Le conducteur accélère doucement. Le calculateur 5, après analyse de l'évolution en fonction du temps du signal Slo représentatif de la demande de couple, ne détecte aucune demande de couple supérieure au seuil de SC / St défini lors de la mise au point du véhicule. Le papillon 7 reste fermé. Cas N 2 Le conducteur accélère brutalement, sans néanmoins écraser complètement la pédale 10. Après analyse de l'évolution de la demande de couple en fonction du temps, le calculateur 5 détecte cette brusque demande de couple, caractérisée par un dépassement du seuil de SC / 25 St, et commande l'ouverture du papillon 7. Cas N 3: Le conducteur enfonce totalement la pédale 10. Le calculateur 5 détecte cette situation, et commande l'ouverture du papillon 7. Lorsque les gaz d'échappement ne traversent plus le catalyseur 4 (cas N 2 et 3), le retard à l'accélération, induit par l'inertie thermique du catalyseur, n'existe plus. Le dispositif de l'invention présente l'avantage d'offrir un temps de réponse très faible dans la mesure où l'ouverture du papillon est immédiate et où les gaz d'échappement ne sont pas détournés. Le dispositif de l'invention présente également l'avantage 10 d'une grande compacité. Lors d'un fonctionnement sévère du moteur 1, où les quantités d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone sont élevées, les réactions exothermiques d'oxydation accroissent la température T dans le catalyseur 4 au-dessus d'un seuil correspondant à un risque de destruction de celui-ci. Le thermocouple 9 implanté dans le catalyseur transmet en permanence au calculateur 5 le signal S9(T) contenant l'indication de la température T. Le calculateur, après vérification que la température T du catalyseur 4 a dépassé le seuil de danger, envoie au moteur électrique 8 un signal S7 commandant l'ouverture du papillon 7. Les gaz d'échappement ne passant plus au travers du catalyseur 4, la température T de ce dernier s'abaisse. Le calculateur 5 ne transmettra l'ordre de fermeture du papillon 7 que lorsque la température T du catalyseur se sera abaissée de façon significative, afin d'éviter un phénomène de "battement" du papillon 7. La solution proposée permet, dans ce cas, d'éviter la destruction du catalyseur 4, qui engendrerait de graves dysfonctionnements du moteur 1. L'invention présentée ici peut également être utilisée dans des modes de fonctionnement adaptés à des stratégies faisant appel à un arbitrage entre consommation de carburant, dépollution, et accélération. La fraction Q2/ (Q1+Q2) de gaz d'échappement passant dans le 10 conduit 6 sera déterminée grâce à l'angle d'ouverture du papillon 7. Une cartographie de pilotage du papillon 7 en fonction du régime et du couple sera alors ajoutée au calculateur 5. Cette cartographie sera calibrée lors de la mise au point du moteur et/ou du véhicule en fonction du compromis retenu entre consommation, dépollution, et accélération. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion d'énergie chimique et cinétique de gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne (1), ce dispositif comprenant un collecteur d'échappement (2), une turbine (30) succédant au collecteur (2) dans un sens (X) de circulation des gaz, un catalyseur d'oxydation (4) situé entre le collecteur (2) et la turbine (30), et un calculateur (5), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un conduit de by-pass (6), monté entre le collecteur (2) et la turbine (30) en parallèle avec le catalyseur (4), et un papillon (7) sélectivement commandé en fonctionnement par le calculateur (5) pour donner à un rapport (Q1/Q2) de débits des gaz d'échappement traversant respectivement le catalyseur (4) et le conduit de by-pass (6) une valeur choisie parmi au moins deux valeurs différentes (V1, V2). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur (4) et le conduit de by-pass (6) sont agencés coaxialement l'un par rapport à l'autre. 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le conduit de by-pass (6) est disposé dans le prolongement d'une sortie {20) du collecteur d'échappement (2), ce conduit (6) et ce collecteur (2) présentant des sections transversales respectives dont le plus grand rapport est inférieur à 1.5. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur (4) est cylindrique et disposé autour du conduit de by-pass (6). 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le papillon (7) est disposé sur une entrée du conduit de by-pass (6), dans le sens (X) de circulation des gaz d'échappement. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique (8) commandé par le calculateur (5) et déplaçant sélectivement le papillon (7) pour adapter la valeur dudit rapport de débits (Q1/Q2). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température (9) physiquement lié au catalyseur (4) et transmettant au calculateur (5) un signal (S9(T)) représentatif de la température (T) du catalyseur (4). 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pédale d'accélérateur (10) délivrant sélectivement au calculateur (5) un signal (S10) de sollicitation du moteur à combustion interne (1), et en ce que le calculateur (5) est doté d'une cartographie de commande du papillon (7) liant au moins le signal (S10) de sollicitation du moteur à une consigne de commande (S,) du papillon (7). 9. Procédé de conversion d'énergie chimique et cinétique de gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne (1), ce procédé comprenant une première opération consistant à oxyder une partie au moins de ces gaz dans un catalyseur d'oxydation (4) et une deuxième opération consistant à transmettre à une turbine (30) une partie au moins de l'énergie cinétique de ces gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une opération supplémentaire consistant à diviser les gaz d'échappement en des premier et second flux de gaz (F1, F2) présentant des premier et second débits respectifs complémentaires (Q1, Q2) dont l'un peut être nul, ces débits (Q1, Q2) étant déterminés en fonction de la température (T) du catalyseur (4) et / ou en fonction d'une consigne (S3) de quantité d'énergie cinétique à transmettre à la turbine (30), et en ce que les première et deuxième opérations sont respectivement effectuées sur les premier et second flux (F1r F2). 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le premier débit (Q1) est une fonction décroissante de la température (T) du catalyseur (4) et / ou une fonction décroissante de la consigne (S3) de quantité d'énergie cinétique à transmettre à la turbine (30).