Brevet FR2875267A1 — publié le 20060317

Moteur à combustion interne comportant une unité de post traitement des gaz d'échappement 5 L'invention concerne un moteur à combustion interne comportant une unité de post traitement des gaz d'échappement. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de post traitement des émissions gazeuses à l'échappement d'un moteur diesel à injection directe par turbocompresseur. Au début des transitoires, les moteurs diesels suralimentés sont pénalisés par un manque de couple du fait du temps de réponse de leur système de suralimentation. En effet, l'air frais n'est pas immédiatement disponible du fait des inerties thermiques et mécaniques du turbocompresseur. De ce fait, il n'est pas possible d'injecter d'importantes quantités de carburant puisque les limites de richesse de fonctionnement sont atteintes dans la chambre de combustion. Ce point de fonctionnement du moteur à combustion interne est pénalisant du point de vue du rendement et produit des émissions de fumée polluantes pour l'environnement. Les technologies de suralimentation actuelles ne permettent pas de réduire sensiblement le temps de réponse, puisqu'il faut vaincre les inerties thermiques et mécaniques. II est possible d'améliorer le temps de réponse en réduisant ces inerties mais il n'est pas possible d'atteindre les temps de réponse d'un moteur atmosphérique pour lequel le couple est disponible quasi-immédiatement. Il faut donc disposer d'une source d'énergie disponible pour palier ces inconvénients relatifs au moteur diesel suralimenté. Les moteurs à combustion interne produisent en sortie d'échappement d'importantes émissions polluantes contenues dans les gaz d'échappement du moteur, suite à la combustion du carburant. Les émissions produites, telles que des particules, du monoxyde de carbone (CO) ou des oxydes d'azotes (NOx), sont toxiques pour l'environnement et sont soumises à une réglementation stricte. Pour réduire les quantités de polluants émis par un moteur, un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement permet de stocker les particules polluantes et de les brûler à l'issue de chaque période de régénération du filtre. L'opération consistant à éliminer les particules se fait au cours d'une réaction exothermique dont l'énergie thermique dégagée n'est pas exploitée. En d'autres termes, les gaz à la sortie du système de post-traitement sont particulièrement chauds et dégagent une énergie disponible. Les documents US-4253031 et JP-7071241 présentent des systèmes de suralimentation par turbocompresseur couplés à un moyen de conversion d'énergie électrique classique, tel qu'une dynamo, pour alimenter le circuit électrique du véhicule, Un des inconvénients de tels systèmes est qu'ils n'arrivent pas à combler le manque de couple du moteur à combustion interne lors des transitoires. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif de posttraitement des émissions gazeuses amélioré d'un moteur à combustion interne en utilisant l'énergie dégagée par les gaz issus de l'unité de post-traitement des gaz d'échappement. La présente invention fournit un moteur à combustion interne embarqué dans un véhicule du type comportant une ligne d'échappement destinée à évacuer les gaz issus de la combustion dans le moteur, une unité de post traitement des gaz d'échappement située sur ladite ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte une turbine auxiliaire située en aval de l'unité de post traitement et susceptible d'entraîner des organes récepteurs qui convertissent de l'énergie. Un des avantages de la présente invention est que l'énergie thermique dégagée par les gaz d'échappement en sortie de filtre à particules est convertie pour combler la carence de couple du moteur à combustion interne. La présente invention permet en outre de fournir de l'énergie électrique supplémentaire au réseau du véhicule pour les fonctions véhicule et pour décharger l'alternateur, Selon l'invention, le dispositif de post-traitement des émissions gazeuses d'un moteur à combustion interne présente d'autres caractéristiques: - un organe de couplage piloté est situé entre la turbine auxiliaire et les organes récepteurs, - l'unité de post traitement des gaz d'échappement est un filtre à particules piloté délivrant de l'énergie thermique en fonction de paramètres propres aux gaz d'échappement, - un des organes récepteurs est un compresseur auxiliaire entraîné par la turbine auxiliaire, - le compresseur auxiliaire alimente une réserve de gaz sous pression destinée à stocker temporairement le gaz sous pression qui est destiné à alimenter le moteur à combustion interne dans certaine phase de fonctionnement, - une vanne pilotée située en aval de la réserve de gaz alimente le moteur dans certaines phases de fonctionnement, - un des organes récepteurs est un moyen de génération de courant entraîné par la turbine auxiliaire, - le moyen de génération de courant alimente le réseau électrique du véhicule, - le moteur à combustion interne est suralimenté par un système de turbocompresseur, et - le moteur à combustion interne est un moteur diesel. D'autres avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé sur lequel la figure 1 représente un moteur à combustion interne selon l'invention. La figure 1 représente un moteur à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur 2. Les gaz d'échappement issus du moteur sont évacués dans une ligne d'échappement comprenant une unité de post traitement 3 de ces gaz. Cette unité de post traitement 3 est destinée à réduire les émissions polluantes rejetées dans les gaz d'échappement. L'unité de post traitement 3 est un filtre qui recueille des particules. Lors de certaines phases de fonctionnement de l'unité de post traitement 3, souvent appelée phase de régénération, les particules sont détruites au cours d'une réaction catalytique exothermique. L'énergie thermique dégagée par cette réaction est utilisée pour faciliter l'entraînement d'une turbine auxiliaire 4 située en aval de l'unité de post traitement. La turbine 4 est du même type que la turbine du turbocompresseur 2. La turbine 4 transforme l'énergie issue des gaz sortant du système de post- traitement 3 en énergie mécanique. Classiquement, l'énergie délivrée par ce type de turbine est Erm.unr = iÉ X Q,,,, x Cpee, x Trtmm,i x avec t = rendement isentropique de la turbine, Qech = débit de gaz, Cpecn = chaleur spécifique des gaz, Tamont = température à l'entré de la turbine, et P ,Én' = rapport de détente. Panons Quand l'amont augmente, l'énergie délivrée par la turbine augmente en proportion. L'augmentation de la température liée au post-traitement permet d'exploiter le rapport de détente des gaz dans la turbine. Ce rapport de détente est régit à l'ordre de 1 en fonction du dimensionnement de la turbine, La mise en place de la turbine 4 dans la ligne d'échappement conduit à une perte de charge accrue dans cette ligne, conduisant à une contre pression accrue à la sortie des gaz du moteur. Au cours des phases de régénération de l'unité de post traitement 3, la turbine 4 est reliée à des organes récepteurs 6 et rav l mont 8 capables de convertir l'énergie mécanique provenant de la turbine 4. Cette transmission d'énergie se fait via un organe de couplage 5 piloté qui va sélectivement entraîner l'un des organes récepteurs 6 ou 8. Pendant les phases de régénération de l'unité de post traitement 3, la turbine auxiliaire 4 est couplée à l'organe récepteur 8, un compresseur auxiliaire, qui génère de l'air sous pression. Cet air sous pression est stocké dans une réserve d'air 9 qui est utilisée temporairement lors des phases de transitoires du moteur à combustion interne, pour suralimenter le moteur en air frais. En effet, les moteurs diesels suralimentés classiquement par un turbocompresseur 2, souffrent d'un manque de couple lors du début des transitoires. L'air frais n'est pas immédiatement disponible du fait des inerties thermiques et mécaniques du turbocompresseur. Le fait d'injecter de l'air frais provenant de la capacité 9 permet de combler cette carence pendant les modes de fonctionnement transitoires du moteur. Ainsi, du carburant peut être injecté en quantités importantes sans atteindre des richesses de fonctionnement élevées. L'alimentation en gaz du moteur à partir de la réserve d'air 9 se fait via l'ouverture d'une vanne pilotée 1. Pour une réserve d'air 9 d'un volume de 10 litres et un température d'air comprimé de l'ordre 50 C, il suffit d'une pression de 8,5 bar pour assurer le débit d'air de pleine charge à 1500 tr/min pendant 2 secondes sur un moteur à 4 cylindres de 2 litres de cylindrée. Ces caractéristiques permettent d'assurer la disponibilité de couple pendant les phases transitoires du moteur. Quand le niveau de pression maximum est atteint dans la capacité 9 et que de l'énergie est toujours disponible en provenance de la turbine auxiliaire 4, l'entraînement de la turbine est dévié vers le second organe récepteur 6, une dynamo, destinée à convertir l'énergie mécanique fournie par la turbine en énergie électrique. Cette dynamo 6 est reliée au circuit électrique du véhicule et apporte une énergie complémentaire au fonctionnement du système. Avantageusement, cette dynamo 6 peut être utilisée pour recharger la batterie et ainsi délester l'alternateur du moteur. D'autre part, les organes récepteurs 6 et 8 peuvent être mis en série par l'intermédiaire d'un arbre commun de façon à simplifier l'architecture du système. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le compresseur 8 est en fin de chaîne et est découplé quand le niveau de pression d'air maximum est atteint dans la réserve d'air 9, Lorsque le compresseur 8 est couplé mécaniquement à la turbine 4, la dynamo 6 est découplée lU électriquement, par exemple par un relais. 7 2875267 REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne embarqué dans un véhicule du type comportant: - une ligne d'échappement destinée à évacuer les gaz issus de la combustion dans le moteur, - une unité de post traitement (3) des gaz d'échappement située sur ladite ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte une turbine auxiliaire (4) située en aval de l'unité de post traitement (3) et susceptible d'entraîner des organes récepteurs (6, 8) qui convertissent de l'énergie. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un organe de couplage (5) piloté est situé entre la turbine auxiliaire (4) et les organes récepteurs (6, 8). 3. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de post traitement (3) des gaz d'échappement est un filtre à particules piloté délivrant de l'énergie thermique en fonction de paramètres propres aux gaz d'échappement. 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un des organes récepteurs (6, 8) est un compresseur auxiliaire entraîné par la turbine auxiliaire (4). 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que le compresseur auxiliaire (8) alimente une réserve de gaz (9) sous pression destinée à stocker 8 2875267 temporairement le gaz sous pression qui est destiné à alimenter le moteur à combustion interne dans certaines phases de fonctionnement. 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une vanne pilotée (1) située en aval de la réserve de gaz (9) alimente le moteur dans certaines phases de fonctionnement. 7. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un des organes récepteurs (6, 8) est un moyen de génération de courant entraîné par la turbine auxiliaire (4). 8. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de génération (6) de courant alimente le réseau électrique du véhicule. 9. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est suralimenté par un système de turbocompresseur (2). 10. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur diesel.