Brevet FR2926598A1 — publié le 20090724

Moteur à combustion interne et véhicule équipé d'un tel moteur [0001] L'invention concerne les moteurs à combustion interne et en particulier l'optimisation du rendement énergétique d'un moteur à combustion interne de 5 véhicule automobile. [0002] Pour limiter la consommation de carburant des véhicules automobiles, de nombreuses recherches visent à augmenter leur rendement énergétique. Pour accroître le rendement énergétique d'un moteur à combustion interne, il est notamment connu de réaliser une suralimentation d'air au niveau du conduit 10 d'admission afin d'augmenter la quantité de comburant dans la chambre de combustion. Une première solution de suralimentation consiste à placer un compresseur volumétrique dans le conduit d'admission. Le compresseur est entrainé par le vilebrequin du moteur par l'intermédiaire d'une courroie. Un tel compresseur fournit une importante pression de suralimentation dès les bas régimes 15 moteur avec un temps de réponse réduit lors des variations de charge. Une deuxième solution de suralimentation consiste à utiliser un turbocompresseur. Le turbocompresseur présente une turbine de détente entraînée en rotation par les gaz d'échappement. La turbine de détente entraine en rotation une turbine de compression de l'air d'admission. De l'énergie des gaz d'échappement est ainsi 20 récupérée pour accroître la pression d'admission. [0003] Le rendement énergétique n'est augmenté que dans une moindre mesure puisque la turbine de détente crée une perte de charge dans l'écoulement des gaz d'échappement. En cas de variation de charge, l'inertie du turbocompresseur génère un problème de temps de réponse : l'augmentation de la 25 pression d'admission est retardée par rapport à la commande d'augmentation de charge. Ainsi, la suralimentation doit être limitée en charge partielle et à faible régime, ce qui abaisse le rendement et accroit les émissions nocives. [0004] Le document FR-2 500 536 décrit un moteur à combustion interne muni d'un compresseur volumétrique d'admission. L'arbre de sortie du moteur est 30 accouplé à une première poulie par l'intermédiaire d'un premier embrayage commandé. La première poulie entraîne une deuxième poulie par l'intermédiaire d'une courroie. La deuxième poulie est accouplée à un arbre d'entrainement du compresseur volumétrique par l'intermédiaire d'un deuxième embrayage commandé. Le moteur à combustion interne est par ailleurs muni d'un circuit à cycle de Rankine. Le circuit à cycle de Rankine comprend une chaudière d'échange thermique traversée par les gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Un autre circuit de fluide caloporteur traverse la chaudière. Le fluide caloporteur entre sous forme liquide dans la chaudière et est vaporisé par la chaleur apportée par les gaz d'échappement. Le fluide caloporteur vaporisé entraine une turbine en rotation. Le liquide caloporteur traversant le circuit est par ailleurs réchauffé d'une part par le liquide de refroidissement du moteur et d'autre part par l'huile moteur. La turbine est accouplée à une troisième poulie par l'intermédiaire d'un troisième embrayage commandé. La troisième poulie entraine une quatrième poulie en rotation par l'intermédiaire d'une courroie. La quatrième poulie est accouplée à l'arbre de sortie du moteur par l'intermédiaire d'un quatrième embrayage commandé, de sorte que la turbine peut transmettre un couple moteur sur l'arbre de sortie. [0005] Un tel moteur présente des inconvénients. Ce moteur implique un grand nombre de composants mécaniques grevant son coût de fabrication et accroissant le volume occupé dans le compartiment moteur. Par ailleurs, un tel moteur nécessite de gérer la commande de plusieurs embrayages sans pour autant optimiser la combustion durant tout le cycle de fonctionnement du moteur. De plus, le circuit de fluide caloporteur est relativement complexe et volumineux. En outre, le positionnement de la chaudière dans le circuit d'échappement n'est pas optimisé et un tel moteur est susceptible d'émettre de grandes quantités d'oxydes d'azote. [0006] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un moteur à combustion interne, comprenant : • -un circuit d'admission d'air comburant ; • -un circuit d'échappement ; • -un compresseur présentant un arbre d'entrée, apte à accroître la pression 30 d'air dans le circuit d'admission lorsque son arbre d'entrée est entrainé en rotation ; • -un arbre de sortie du moteur ; • -des moyens d'accouplement sélectif entre l'arbre de sortie du moteur et l'arbre d'entrée du compresseur ; • -un circuit à cycle de Rankine muni d'un évaporateur en contact thermique avec le circuit d'échappement et muni d'un organe de détente entrainé par du gaz 5 issu de l'évaporateur, • -des moyens d'accouplement sélectif entre l'organe de détente et l'arbre d'entrée du compresseur. [0007] Selon une variante, lesdits moyens d'accouplement sélectif comprennent des première et deuxième roues libres montées sur l'arbre d'entrée du 10 compresseur. [0008] Selon une autre variante, le moteur comprend un arbre intermédiaire, l'arbre intermédiaire et l'arbre d'entrée du compresseur formant respectivement l'arbre menant et l'arbre mené de la première roue libre, l'arbre intermédiaire étant entrainé en rotation par l'arbre de sortie du moteur. 15 [0009] Selon encore une variante, l'arbre intermédiaire est accouplé à l'arbre de sortie du moteur par l'intermédiaire d'un embrayage électromagnétique. [0010] Selon encore une autre variante, l'organe de détente est une turbine. [0011] Selon une variante, l'organe de détente comprend un arbre de sortie, cet arbre de sortie et l'arbre d'entrée du compresseur formant respectivement 20 l'arbre menant et l'arbre mené de la deuxième roue libre. [0012] Selon une autre variante, le circuit d'échappement comprend un organe de dépollution disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement, et dans lequel l'évaporateur est disposé en contact thermique avec le circuit d'échappement en aval de l'organe de dépollution. 25 [0013] Selon encore une variante, le circuit à cycle de Rankine comprend une pompe alimentant l'évaporateur en liquide à vaporiser et un condenseur connecté entre la pompe et l'organe de détente. [0014] Selon encore une autre variante, le moteur comprend un circuit de recyclage de gaz d'échappement raccordant le circuit d'échappement au circuit d'admission, le circuit de recyclage de gaz d'échappement débouchant dans le circuit d'échappement en aval du contact thermique entre l'évaporateur et le circuit d'échappement. [0015] Selon une variante, le circuit d'admission d'air traverse un radiateur de refroidissement disposé en aval du compresseur. [0016] L'invention porte également sur un véhicule automobile comprenant un moteur tel que décrit ci-dessus et un circuit d'aération de l'habitacle, le moteur comprenant une vanne mettant une sortie de l'organe de détente sélectivement en communication avec le condenseur ou avec un échangeur thermique au contact du circuit d'aération. [0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 15 clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • -la figure 1 illustre schématiquement un moteur à combustion interne selon un premier mode de réalisation de l'invention ; • -la figure 2 illustre schématiquement un moteur à combustion interne selon un 20 deuxième mode de réalisation de l'invention ; • -la figure 3 illustre schématiquement un moteur à combustion interne selon un troisième mode de réalisation de l'invention. [0018] L'invention propose un moteur à combustion interne comprenant un compresseur et un circuit à cycle de Rankine muni d'un évaporateur en contact 25 thermique avec le circuit d'échappement. L'arbre de sortie du moteur peut sélectivement être accouplé ou désaccouplé de l'arbre d'entrée du compresseur. Le circuit à cycle de Rankine présente un organe de détente entrainé par du gaz issu de l'évaporateur. L'organe de détente peut sélectivement être accouplé ou désaccouplé de l'arbre d'entrée du compresseur. [0019] L'invention permet en pratique d'augmenter le rendement énergétique du moteur en réduisant les charges sur son arbre de sortie. De plus, l'invention permet de réduire le nombre de composants mécaniques en réduisant le nombre d'embrayages nécessaires, en réduisant par conséquent également la complexité de la commande de ces embrayages. [0020] La figure 1 illustre plus précisément un premier mode de réalisation d'un moteur à combustion interne 1 selon l'invention. Le moteur 1 comprend un bloc moteur 2 dans lequel débouche un circuit d'admission 3 d'air comburant et duquel sort un circuit d'échappement 6 de gaz de combustion. Le moteur 1 comprend un compresseur 4 monté dans le circuit d'admission 3. Le compresseur 4 comprend un arbre d'entrée 41. Lorsque l'arbre d'entrée 41 est entrainé en rotation, le compresseur 4 accroit la pression d'air dans le circuit d'admission 3. Le compresseur 4 peut par exemple être réalisé sous forme de compresseur volumétrique, de turbine ou de compresseur à spirale. L'arbre d'entrée 41 présente deux extrémités sur lesquelles des premiers et deuxièmes moyens d'accouplement sélectifs 42 et 44 sont montés. [0021] Le circuit d'admission 3 débouche dans une chambre de combustion du bloc moteur 2. La chambre de combustion communique avec le circuit d'échappement 6. Le circuit d'échappement 6 est en contact thermique avec un évaporateur 71 d'un circuit à cycle de Rankine 7. Un échangeur de chaleur peut ainsi être monté dans le circuit d'échappement 6 afin de transférer de l'énergie thermique vers l'évaporateur 71. Le circuit à cycle de Rankine 7 comprend en outre un organe de détente 72 entrainé par du gaz issu de l'évaporateur 71. L'organe de détente 72 peut être réalisé sous forme d'une turbine ou d'un dispositif d'expansion volumétrique connu en soi de l'homme du métier. L'organe de détente 72 présente un arbre de sortie 75 accouplé aux moyens d'accouplement 44. Les moyens d'accouplement 44 accouplent ainsi sélectivement l'arbre de sortie 75 et l'arbre d'entrée 41. [0022] Le bloc moteur 2 présente un arbre de sortie 21, typiquement formé du vilebrequin d'un moteur à pistons. L'arbre de sortie 21 est accouplé aux moyens d'accouplement 42. Les moyens d'accouplement 42 accouplent sélectivement l'arbre de sortie 21 et l'arbre d'entrée 41. [0023] Ainsi, l'énergie fournie par l'organe de détente 72 est récupérée pour compresser le gaz comburant à l'admission au lieu d'appliquer un couple moteur sur l'arbre de sortie 21. Par ailleurs, le circuit à boucle de Rankine 7 ne génère pas de perte de charge dans le circuit d'échappement 6, ce qui est favorable au rendement énergétique du moteur. [0024] Le couple résistant sur l'arbre de sortie 21 peut être réduit en désaccouplant les arbres 75 et 41 : notamment lorsque le bloc moteur 2 est froid, le circuit 7 ne génère pas suffisamment d'énergie et un couple d'entrainement insuffisant est généré au niveau de l'arbre 75. Dans ce cas, les arbres 75 et 41 sont avantageusement désaccouplés pour réduire le couple résistant sur l'arbre de sortie 21. Pendant ce temps, les arbres 21 et 41 sont avantageusement accouplés de sorte qu'une surpression est générée par le compresseur 4 dans le circuit d'admission 3. [0025] Le couple résistant sur l'arbre de sortie 21 peut également être réduit en désaccouplant les arbres 21 et 41, notamment lorsque le bloc moteur 2 est chaud. Le circuit 7 génère alors suffisamment d'énergie et un couple d'entrainement suffisant est généré au niveau de l'arbre 75. Dans ce cas, les arbres 21 et 41 sont avantageusement désaccouplés pour réduire le couple résistant sur l'arbre 21. Pendant ce temps, les arbres 41 et 75 sont avantageusement couplés de sorte qu'une surpression est générée par le compresseur 4 dans le circuit d'admission 3. [0026] Le couple résistant sur l'arbre de sortie 21 peut encore être réduit en accouplant les arbres 21, 41 et 75, notamment durant une phase intermédiaire de montée en température du bloc moteur 2 ou dans tous les cas où le couple d'entrainement généré au niveau de l'arbre 75 ne permet pas d'obtenir une surpression suffisante au niveau du compresseur 4. Dans ce cas, les couples appliqués par les arbres 21 et 75 sur l'arbre 41 se cumulent : le couple résistant sur l'arbre 21 est alors réduit (du fait du couple fourni par l'arbre 75) et la surpression générée à l'admission par le compresseur 4 est suffisante. Une surpression d'alimentation élevée est ainsi générée pour une charge partielle du moteur, ce qui favorise son rendement énergétique et la réduction des émissions polluantes. [0027] L'invention se révèle particulièrement avantageuse dans des moteurs à injection directe stratifiée. [0028] Avantageusement, dans l'exemple illustré, les moyens d'accouplement 42 et 44 sont formés respectivement de première et deuxième roues libres montées aux extrémités de l'arbre d'entrée 41. L'utilisation de roues libres permet en pratique d'éviter de commander les moyens d'accouplement 42 et 44, le désaccouplement entre l'arbre 41 et les arbres 21 et 75 s'opérant automatiquement lorsque soit l'arbre 21 soit l'arbre 75 ne fournit plus un couple d'entrainement suffisant. [0029] L'arbre 75 forme l'arbre menant de la deuxième roue libre. L'arbre 41 10 forme l'arbre mené de la deuxième roue libre. [0030] Le moteur 1 comprend un arbre intermédiaire 45 formant l'arbre menant de la première roue libre. L'arbre 41 forme l'arbre mené de la première roue libre. L'arbre intermédiaire 45 est entrainé en rotation par l'arbre de sortie 21, par l'intermédiaire d'une poulie 43, d'une courroie 24, d'une poulie 23 et d'un embrayage 15 électromagnétique 22. [0031] Lorsqu'un des arbres 45 ou 75 tourne moins vite que l'arbre 41, il est désaccouplé par la roue libre. Ainsi, celui des arbres 45 ou 75 qui tournera le plus vite s'accouplera à l'arbre 41 pour l'entrainer. Lorsque les couples fournis par les arbres 45 et 75 sont proches, ces arbres se synchronisent pour entrainer l'arbre 41. 20 Pour favoriser une telle synchronisation, on pourra réguler le cycle de la boucle de Rankine de façon adéquate. [0032] L'embrayage électromagnétique 22 permet de supprimer le couple résistant des poulies 23 et 43, de la courroie 24 et de l'arbre intermédiaire 45, notamment lorsque le couple généré sur l'arbre 75 est suffisant. 25 [0033] Le circuit à boucle de Rankine 7 forme un circuit fermé. On réalise une boucle de Rankine diphasique en utilisant un fluide caloporteur de façon connue en soi. Le circuit à boucle de Rankine 7 comprend l'évaporateur 71 fournissant le gaz vaporisé à l'organe de détente 72. La sortie de l'organe de détente 72 est connectée 30 de façon connue en soi à un condenseur 73, liquéfiant le fluide issu de l'organe de détente 72. La sortie du condenseur 73 est connectée à une entrée du vaporisateur 71 par l'intermédiaire d'une pompe 74 alimentant le vaporisateur 71 en fluide liquéfié. [0034] Le moteur 1 comprend par ailleurs un organe de dépollution 61 disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement. Cet organe de dépollution 61 forme un dispositif de post-traitement et peut typiquement inclure un filtre à particules, un catalyseur de monoxydes de carbone, un catalyseur d'oxydes d'azote, un catalyseur d'hydrocarbures imbrûlés ou un piège à oxydes d'azote. L'évaporateur 71 est placé en contact thermique avec le circuit d'échappement en aval de cet organe de dépollution 61. Ainsi, l'efficacité de l'organe de dépollution 61 est optimale puisqu'il traite des gaz d'échappement n'ayant pas été refroidis par l'évaporateur 71. De plus, l'évaporateur 71 n'ajoute pas d'inertie thermique pouvant retarder l'amorçage des catalyseurs de l'organe de dépollution 61. Par ailleurs, l'organe de dépollution 61 effectue des réactions exothermes (oxydation des hydrocarbures imbrulés et du monoxyde de carbone) dont l'énergie est récupérée par l'évaporateur 71. [0035] Le moteur 1 comprend avantageusement un radiateur d'air de suralimentation 5 monté dans le circuit d'admission 3 entre le compresseur 4 et la chambre de combustion. Une plus grande quantité de gaz comburant peut ainsi être introduite dans la chambre de combustion à chaque cycle moteur. [0036] Comme illustré à la figure 2, le moteur 1 peut comprendre un circuit de recyclage de gaz d'échappement ou EGR 8 destiné à favoriser la réduction des émissions d'oxydes d'azote. Le circuit EGR 8 raccorde le circuit d'échappement 6 au circuit d'admission 3 par l'intermédiaire d'une vanne 81. Le conduit EGR 8 débouche dans le circuit d'échappement 6 en aval du contact thermique entre l'évaporateur 71 et le circuit d'échappement 6. Ainsi, les gaz d'échappement traversant le circuit EGR 8 sont refroidis par l'évaporateur, ce qui permet de ne pas monter de radiateur de refroidissement dédié dans le circuit EGR 8. Par ailleurs, l'intégralité des gaz d'échappement a traversé l'évaporateur 71 avant d'atteindre le circuit EGR 8, ce qui optimise le rendement énergétique du circuit à boucle de Rankine 7. Le mode de réalisation illustré correspond à un circuit EGR basse pression, c'est-à-dire que le circuit EGR 8 est connecté au circuit d'admission 3 en amont du compresseur 4. Lorsque le conduit 8 débouche en outre en aval de l'organe de dépollution 61, la fiabilité de la vanne 81 est améliorée car elle est traversée par des gaz refroidis et dépollués. [0037] On peut envisager que le mode de réalisation de la figure 2 ne 5 comprenne pas d'entrainement du compresseur 4 par l'arbre de sortie 21 du bloc moteur 2. [0038] Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, une dérivation 9 de réchauffement de l'air à destination de l'habitacle du véhicule interagit avec le circuit à boucle de Rankine 7. La dérivation 9 comprend un échangeur thermique 92 10 mettant en contact thermique une conduite 93 du circuit 7 avec une conduite (non illustrée) d'écoulement d'air à destination des aérateurs de l'habitacle. La dérivation 9 comprend une vanne trois voies 91 mettant la sortie de l'organe de détente 72 en communication sélectivement avec le condenseur 73 ou avec l'échangeur thermique 92. Ainsi, lorsque de l'air très froid doit être réchauffé avant d'être injecté dans 15 l'habitacle, le fluide sortant de l'organe de détente 72 peut être orienté par la vanne 91 dans la conduite 93. Ainsi, le condenseur 73 peut être court-circuité, l'échangeur 92 faisant alors office de condenseur. [0039] On peut envisager que le mode de réalisation de la figure 3 ne comprenne pas d'entrainement du compresseur 4 par l'arbre de sortie 21 du bloc 20 moteur 2. REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion interne (1) comprenant : -un circuit d'admission (3) d'air comburant ; -un circuit d'échappement (6) ; -un compresseur (4) présentant un arbre d'entrée (41), apte à accroître la pression d'air dans le circuit d'admission lorsque son arbre d'entrée est entrainé en rotation ; -un arbre de sortie du moteur (21) ; -des moyens d'accouplement sélectif (42) entre l'arbre de sortie du 10 moteur et l'arbre d'entrée du compresseur ; -un circuit à cycle de Rankine (7) muni d'un évaporateur (71) en contact thermique avec le circuit d'échappement et muni d'un organe de détente (72) entrainé par du gaz issu de l'évaporateur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'accouplement 15 sélectif (44) entre l'organe de détente (72) et l'arbre d'entrée (41) du compresseur. 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens d'accouplement sélectif (42, 44) comprennent des première et deuxième roues libres montées sur l'arbre d'entrée du compresseur. 20 3. Moteur selon la revendication 2, comprenant un arbre intermédiaire (45), l'arbre intermédiaire et l'arbre d'entrée du compresseur formant respectivement l'arbre menant et l'arbre mené de la première roue libre, l'arbre intermédiaire étant entrainé en rotation par l'arbre de sortie du moteur. 4. Moteur selon la revendication 3, dans lequel l'arbre intermédiaire (45) est 25 accouplé à l'arbre de sortie du moteur par l'intermédiaire d'un embrayage électromagnétique (22). 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe de détente (72) est une turbine. 6. Moteur selon la revendication 2, dans lequel l'organe de détente (72) 30 comprend un arbre de sortie (75), cet arbre de sortie et l'arbre d'entrée (41) duII compresseur (4) formant respectivement l'arbre menant et l'arbre mené de la deuxième roue libre. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d'échappement (6) comprend un organe de dépollution (61) disposé dans l'écoulement des gaz d'échappement, et dans lequel l'évaporateur (71) est disposé en contact thermique avec le circuit d'échappement en aval de l'organe de dépollution. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit à cycle de Rankine (7) comprend une pompe (74) alimentant 10 l'évaporateur en liquide à vaporiser et un condenseur (73) connecté entre la pompe et l'organe de détente (72). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit de recyclage de gaz d'échappement (8) raccordant le circuit d'échappement (6) au circuit d'admission (3), le circuit de recyclage de 15 gaz d'échappement débouchant dans le circuit d'échappement en aval du contact thermique entre l'évaporateur et le circuit d'échappement. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d'admission d'air (3) traverse un radiateur de refroidissement (5) disposé en aval du compresseur. 20 11. Véhicule automobile comprenant un moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes et un circuit d'aération de l'habitacle, le moteur comprenant une vanne (91) mettant une sortie de l'organe de détente sélectivement en communication avec un condenseur ou avec un échangeur thermique (92) au contact du circuit d'aération. 25