Brevet FR2926597A1 — publié le 20090724

DEMANDE DE BREVET B07-3562FR - JT/PG PJ 8141 Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile et procédé associé. Invention de : LAGREZE Frédéric PETERS Gérald UNGER Lomig 2 Système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile et procédé associé. La présente invention concerne un système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, et notamment d'un moteur Diesel. L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. Parmi les systèmes connus pour réduire considérablement la quantité de particules, poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et satisfaire aux normes antipollution, on peut citer le filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur. En effet, un tel filtre est conçu de manière à pouvoir retenir les particules contenues dans les gaz d'échappement qui le traversent. Cependant, au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre- pression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. A cet égard, des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter ainsi une élévation importante de la contre-pression à l'échappement et un éventuel colmatage du filtre. Cette régénération est effectuée en élevant la température au niveau du filtre à particules. De manière à diminuer les émissions de particules polluantes du moteur particulièrement nocives, et les émissions d'oxydes d'azote, les véhicules automobiles peuvent être équipés de systèmes de recirculation de gaz d'échappement (EGR) qui sont destinés à réinjecter, dans le répartiteur d'admission du moteur, une partie des 3 gaz d'échappement issus de la combustion réalisée lors de cycles de fonctionnement précédents et donc appauvris en oxygène. Ainsi, en prévoyant une recirculation des gaz d'échappement, on injecte dans les cylindres du moteur des gaz inertes, lesquels permettent de diminuer la quantité d'oxydes d'azote produit par le moteur. Cette recirculation est cependant susceptible d'accroître de manière non négligeable la quantité de fumée dans les gaz d'échappement si elle n'est pas correctement réglée. Pour diminuer les émissions d'oxydes d'azote du moteur par appauvrissement en oxygène de l'air destiné à être admis à l'intérieur du moteur, une solution alternative consiste à utiliser un module de séparation membranaire tel que décrit dans la demande de brevet WO 03/064844. En effet, la séparation membranaire est basée sur la sélectivité d'une membrane vis-à-vis de deux espèces véhiculées à l'intérieur des gaz. On peut ainsi obtenir à partir d'un flux d'air, deux flux enrichis avec chacune des espèces, par exemple du diazote N2 et du dioxygène 02. L'utilisation d'une membrane pour la séparation des gaz à l'admission nécessite toutefois de disposer d'air comprimé en amont de celle-ci, ou à défaut de devoir compenser sa faible efficacité par un volume de membrane relativement important. Avec cette solution, il est donc nécessaire de prévoir soit l'ajout d'un compresseur dans l'architecture du moteur, soit un volume relativement important pour le montage de la membrane. Ceci peut être un facteur limitant pour l'intégration d'une telle solution à bord d'un véhicule automobile. 4 Par ailleurs, une autre contrainte pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile est de présenter un bon compromis entre performances et consommation de carburant. A cet égard, une solution intéressante, décrite dans le document FR-A1-2865769, est l'hybridation pneumatique d'un moteur thermique. Un tel moteur hybride thermique/pneumatique à allumage commandé ou à allumage par compression à fonctionnement deux temps ou quatre temps comporte un réservoir de gaz sous pression relié aux chambres de combustion du moteur de manière à pouvoir injecter, lors du fonctionnement du moteur à faible couple, une quantité supplémentaire d'air en vue d'obtenir instantanément le couple moteur demandé. Le moteur décrit dans ce document présente l'inconvénient majeur de ne prévoir aucun système de traitement des gaz d'échappement émis. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, la présente invention a pour but de prévoir un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, notamment d'un moteur hybride thermique/pneumatique, qui soit particulièrement efficace, économique et fiable. La présente invention a encore pour but de prévoir un système présentant un encombrement relativement faible. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, le système comportant un réservoir de gaz comprimé, au moins une conduite reliant le réservoir de gaz comprimé à au moins une chambre de combustion du moteur, un moyen d'obturation de ladite conduite, un module de séparation de gaz pourvu d'au moins une membrane et apte à fournir un gaz appauvri en oxygène au moteur à combustion interne, et une conduite d'alimentation en gaz comprimé issu du réservoir pour l'alimentation du module de séparation. 5 L'utilisation d'un réservoir de gaz comprimé pour l'alimentation d'au moins une chambre de combustion du moteur combiné à l'existence d'un module de séparation de gaz à membrane alimenté en gaz comprimé par ledit réservoir permet d'obtenir en sortie de ce module, de façon simple, économique et dans un encombrement réduit, un appauvrissement en oxygène de l'air destiné à alimenter les chambres de combustion du moteur. On évite ainsi l'utilisation d'un compresseur supplémentaire par rapport à celui pouvant être utilisé dans la ligne d'admission du moteur, et/ou on limite le volume de la ou des membranes du module de séparation. Avantageusement, le système comprend au moins une vanne de contrôle associée à la conduite d'alimentation en gaz comprimé. Dans un mode de réalisation, le module de séparation de gaz est monté sur la ligne d'admission, en aval de la conduite d'alimentation. De préférence, le système comporte une conduite de dérivation pour by-passer le module de séparation et une vanne de réglage associée. Dans un mode de réalisation, le module de séparation de gaz est monté sur la conduite d'alimentation en gaz comprimé. Le système peut comprendre des moyens de détection de paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du réservoir d'alimentation, et une unité de contrôle apte à commander le moyen d'obturation et la ou les vannes en fonction des paramètres détectés au niveau du réservoir de gaz comprimé. 6 Dans ces conditions, l'unité de contrôle comprend avantageusement une cartographie mémorisée de la position des moyens d'obturation et de la ou des vannes en fonction des paramètres détectés au niveau du réservoir de gaz comprimé. Les moyens de détection peuvent comporter au moins un capteur de température et/ou au moins un capteur de pression disposés sur ledit réservoir. Selon un second aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'un module de séparation de gaz pourvu d'au moins une membrane dans un moteur à combustion interne équipé d'un réservoir de gaz comprimé. Avantageusement, le moteur est un moteur Diesel. Selon un troisième aspect, l'invention concerne encore un moteur à combustion interne pour véhicule automobile pourvu d'un réservoir d'alimentation en gaz comprimé, d'au moins une conduite reliant le réservoir d'alimentation à au moins une chambre de combustion du moteur, et de moyens d'obturation de ladite conduite. Le moteur comprend en outre un module de séparation de gaz pourvu d'au moins une membrane et apte à fournir un gaz appauvri en oxygène à au moins une chambre de combustion, et une conduite d'alimentation en gaz comprimé issu du réservoir pour l'alimentation du module de séparation. Enfin, l'invention concerne un procédé d'appauvrissement en oxygène pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un réservoir de gaz comprimé, dans lequel on alimente un module de séparation de gaz avec ledit gaz comprimé pour favoriser la diminution de la teneur en oxygène de l'air en sortie du module de séparation qui est destiné à être admis à l'intérieur du moteur. 7 L'invention sera mieux comprise à l'étude de modes de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 à 5 représentent schématiquement un moteur à combustion interne équipé d'un système de traitement selon un premier mode de réalisation de l'invention, et - les figures 6 à 9 représentent schématiquement un moteur à combustion interne équipé d'un système de traitement selon un second mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique un moteur 10 à combustion interne en entrée et en sortie duquel se trouve respectivement une ligne d'admission 12 et une ligne d'échappement 14. De manière connue en soi, le moteur 10 comporte une turbine (non représentée) disposée dans la ligne d'échappement 14 et montée sur un arbre commun à un compresseur (non représenté) disposé dans la ligne d'admission 12 de manière que les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne 14 traversent la turbine qui entraîne à son tour le compresseur de façon à augmenter la pression de l'air admis dans les chambres de combustion du moteur 10. En variante, pour augmenter la pression de l'air en amont du moteur, il est également possible de prévoir un compresseur mécanique simple, ou l'addition de ces deux procédés de suralimentation. Le moteur 10 comporte également un réservoir 16 d'un gaz sous pression, par exemple de l'air, relié par une conduite 18 à au moins une chambre de combustion du moteur 10. Pour assurer le réglage de l'admission de gaz sous pression supplémentaire à l'intérieur du moteur 10, il est prévu une soupape 20, représentée ici schématiquement, supplémentaire par rapport aux soupapes d'admission et d'échappement traditionnellement prévues. La soupape 8 forme donc un moyen d'obturation de la conduite 18. La conduite 18 permet l'alimentation du moteur à combustion 10 en gaz comprimé mais également le remplissage du réservoir 16 en air sous pression. En effet, lors d'un cycle de fonctionnement du moteur, à la fin de la phase de compression, la soupape 20 peut s'ouvrir de manière à remplir le réservoir 16. Pour plus de détails, on pourra se référer à la demande de brevet FR-Al-2 865 769. Pour permettre une réduction des émissions d'oxydes d'azote émises par le moteur 10, celui-ci comporte un module de séparation 22 de gaz apte à fournir un gaz appauvri en oxygène au moteur. Le module de séparation 22 est monté ici sur la ligne d'admission 12 directement en amont du moteur 10, en considérant le sens d'écoulement des gaz. Le module de séparation 22 est pourvu d'une coque ou calandre 24 cylindrique et d'une membrane 26 représentée schématiquement en pointillés. La membrane 26 est constituée par une pluralité de fibres creuses cylindriques (non représentées), comme cela est décrit dans le document US 5,649,517. Ces fibres creuses sont constituées par exemple de polymère. Les fibres s'étendent axialement à l'intérieur de la calandre 24 sur l'ensemble de sa longueur, selon la direction d'écoulement du flux d'air à l'intérieur de la ligne d'admission 12. Un espace annulaire radial vide est ménagé entre la membrane 26 et la calandre 24. Cet espace est raccordé à une conduite d'évacuation 28 qui peut être raccordée à la ligne d'échappement 14. Les fibres creuses de la membrane 26 sont aptes à permettre une circulation des molécules de diazote N2 véhiculées par le flux d'air circulant à l'intérieur de la ligne d'admission 12 sans absorption au niveau de leur paroi, tout en assurant une diffusion radiale des molécules de dioxygène 02 à travers lesdites parois en direction de 9 l'espace annulaire ménagé entre les fibres et la calandre 24. En d'autres termes, la membrane 26 a une plus grande sélectivité au dioxygène qui diffuse plus rapidement au travers des parois des fibres que le diazote. La diffusion au travers de la membrane 26 du dioxygène forme un flux de perméat tandis qu'un flux de rétentat s'écoule le long de celui-ci. La force de diffusion d'une espèce chimique à travers la membrane 26 dépend notamment de la différence de pression partielle existante de l'espèce considérée de part et d'autre du module de séparation 22. De manière à favoriser l'appauvrissement en oxygène du flux d'alimentation véhiculé par la ligne 12 d'admission et destiné à être introduit à l'intérieur du moteur 10, il est prévu une conduite d'alimentation 30 en gaz comprimé reliant le réservoir 16 à la ligne d'admission 12, en amont du module 22 de séparation. Pour permettre un pilotage du flux de gaz comprimé dirigé en direction de la ligne d'admission 12, il est prévu une vanne 32 de contrôle entre la conduite 30 et la ligne d'admission 12. Le moteur 10 comprend également une conduite de dérivation 34 pour by-passer le module de séparation 22 piquée immédiatement en amont de celui-ci et débouchant en amont du moteur 10, sur la ligne d'échappement 12. La conduite 34 de dérivation comporte une vanne de réglage 36 associée. Une unité de contrôle 38 électronique assure le fonctionnement du moteur 10 et reçoit à cet effet un certain nombre d'informations. Différents capteurs (non représentés) sont placés à cet égard dans la ligne d'admission 12 et/ou dans la ligne d'échappement 14. Des capteurs de pression 40 et de température 42 sont également situés sur le réservoir 16 de manière à connaître à tout moment la masse de gaz 10 comprimé disponible. Les informations détectées par les capteurs 40, 42 sont transmises à l'unité de contrôle par l'intermédiaire de connexions électriques 44, 46. L'unité de contrôle 38 commande notamment la position de la vanne 32 de contrôle, de la vanne 36 de réglage et de la soupape 20 par l'intermédiaire de connexions électriques 48 à 52, respectivement. L'unité de contrôle 38 comporte à cet effet une cartographie mémorisée (non représentée) pour piloter, en fonction des caractéristiques de fonctionnement détectées par les différents capteurs, les vannes 32 et 36 et la soupape 20. Une telle cartographie mémorisée à l'intérieur de l'unité électronique 38 peut être obtenue par mesures sur banc d'essais en fonction des valeurs caractéristiques de fonctionnement du moteur 10 et du remplissage du réservoir 16. Dans un premier mode de fonctionnement illustré à la figure 2, l'unité de contrôle 38 permet la circulation d'un flux d'air à la fois à travers le module de séparation 22 et la conduite de dérivation 34 en amont du moteur 10. Dans ce mode de fonctionnement, le gaz comprimé contenu à l'intérieur du réservoir 16 n'est pas utilisé. Dans le second mode de réalisation illustré à la figure 3, l'unité de contrôle 38 commande en outre la vanne 32 de contrôle de manière à permettre une introduction de gaz comprimé issu du réservoir 16 à l'intérieur de la ligne d'admission 12 afin d'accroître la pression en amont du module de séparation 22. Ainsi, dans ce second mode de fonctionnement, de l'air comprimé est admis à la fois à l'entrée de la ligne d'admission 12 et en aval de cette entrée par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 30. Le troisième mode de fonctionnement du moteur illustré à la figure 4 diffère du mode de fonctionnement précédent en ce que seul l'air comprimé issu du réservoir 16 est utilisé pour alimenter le 11 module de séparation 22. Dans les modes de fonctionnement illustrés sur les figures 2 à 4, il est possible de prévoir le remplissage du réservoir 16 par de l'air issu du moteur 10, à la fin de la phase de compression d'un cycle de fonctionnement du moteur. Le quatrième mode de fonctionnement illustré à la figure 5 diffère du mode de fonctionnement de la figure 3 en ce qu'il est prévu en outre une alimentation du moteur en air comprimé issu du réservoir 16, par l'intermédiaire de la conduite 18. Dans l'ensemble des modes de fonctionnement décrits précédemment, l'unité de contrôle 38 adapte la position de la vanne 36 de réglage en fonction de la répartition nécessaire du flux d'air passant par le module de séparation 22 et par la conduite 34 de dérivation selon le débit et la consommation souhaités du moteur 10. A titre indicatif, pour un point de fonctionnement du moteur 10 de 2000 tours par minute, si l'on utilise l'air comprimé contenu dans le réservoir 16 pour accroître le rendement du module de séparation 22, il est possible pour une pression de 0,7 MPa dans le réservoir 16 de diminuer le volume de la membrane du module 22 de six fois par rapport à la taille requise sans réservoir 16. A titre d'exemple, le réservoir 16 peut présenter une contenance de l'ordre de 50 litres. Le mode de réalisation illustré à la figure 6 sur lesquels des éléments identiques portent les mêmes références diffère du mode de réalisation précédemment décrit en ce qu'il est prévu une conduite d'alimentation 60 reliant le réservoir 16 et la ligne d'admission 12 sur laquelle est monté le module de séparation 22. Une première vanne de contrôle 62 est montée sur la conduite d'alimentation 60 entre le réservoir 16 et le module de séparation 22. Une seconde vanne de contrôle 64 est disposée entre ladite conduite d'alimentation 60 et la ligne d'admission 12. Pour permettre un pilotage des vannes 62, 64 par 12 l'unité de contrôle 38, des connexions électriques 66 et 68 sont prévues. Dans cette variante de réalisation, le module de séparation 22 est alimenté uniquement par le réservoir 16. Dans un premier mode de fonctionnement illustré à la figure 7, les vannes 62, 64 de contrôle sont commandées de manière à ce que l'air comprimé issu du réservoir 16 traverse la membrane 22 et que l'air véhiculé à l'intérieur de la ligne d'admission 12 en amont de la vanne 64 soit introduit à l'intérieur du moteur 10. Dans ce mode de fonctionnement, le réservoir 16 peut être rempli par de l'air comprimé à la fin de la phase de compression d'un cycle de fonctionnement du moteur. Le mode de fonctionnement illustré à la figure 8 diffère du mode de fonctionnement précédent en ce que le moteur 10 est également alimenté en air comprimé issu du réservoir 16 par l'intermédiaire de la conduite 18. Dans un autre mode de fonctionnement illustré à la figure 9, seul l'air issu du réservoir 16 est utilisé pour alimenter le moteur 10. A cet effet, les vannes 62, 64 de contrôle et la soupape 20 sont pilotées par l'unité de contrôle 38 de manière à permettre uniquement une circulation à l'intérieur de la conduite d'alimentation 60 et de la conduite 18. D'une façon analogue au mode de réalisation précédemment décrit, l'unité de contrôle 38 modifie la position de la vanne 64 en fonction de la répartition nécessaire du flux d'air passant par le module de séparation 22 selon le débit et la consommation souhaités du moteur 10. Grâce à l'invention, on dispose d'un système de traitement des gaz d'échappement qui permet non seulement une réduction des émissions d'oxydes d'azote du moteur par diminution de la teneur en oxygène de l'air admis à l'intérieur de celui-ci, mais également une 13 diminution de la consommation en carburant, et ce, dans un encombrement restreint. ti REVENDICATIONS 1-Système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (16) de gaz comprimé, au moins une conduite (18) reliant le réservoir de gaz comprimé à au moins une chambre de combustion du moteur, un moyen d'obturation (20) de ladite conduite, un module de séparation (22) de gaz pourvu d'au moins une membrane et apte à fournir un gaz appauvri en oxygène au moteur à combustion interne, et une conduite d'alimentation (30 ; 60) en gaz comprimé issu du réservoir (16) pour l'alimentation du module de séparation (22). 2-Système selon la revendication 1, comprenant au moins une vanne (32 ; 62, 64) de contrôle associée à la conduite d'alimentation (30 ; 60) en gaz comprimé. 3-Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le module de séparation (22) de gaz est monté sur la ligne d'admission (12) du moteur, en aval de la conduite d'alimentation (30). 4-Système selon la revendication 3, comprenant une conduite de dérivation (34) pour by-passer le module de séparation et une vanne (36) de réglage associée. 5-Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le module de séparation (22) de gaz est monté sur la conduite d'alimentation (60) en gaz comprimé. 6-Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, comprenant des moyens de détection (40, 42) de paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du réservoir d'alimentation (22), et une unité de contrôle (38) apte à commander le moyen d'obturation (20) et la ou les vannes (32, 36 ; 62, 64) en fonction des paramètres détectés au niveau du réservoir (16). 7-Système selon la revendication 6, dans lequel l'unité de contrôle (38) comprend une cartographie mémorisée de la position des moyens d'obturation (20) et de la ou des vannes (32, 36 ; 62, 64) en fonction des paramètres détectés au niveau du réservoir de gaz comprimé. 8-Système selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les moyens de détection comprennent au moins un capteur de température (40) et/ou au moins un capteur de pression (42) disposés sur le réservoir (16) de gaz comprimé. 9-Moteur à combustion interne pour véhicule automobile pourvu d'un réservoir (16) de gaz comprimé, d'au moins une conduite (18) reliant le réservoir de gaz comprimé à au moins une chambre de combustion du moteur, et d'un moyen d'obturation (20) de ladite conduite, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un module de séparation (22) de gaz pourvu d'au moins une membrane et apte à fournir un gaz appauvri en oxygène à au moins une chambre de combustion, et une conduite d'alimentation (30 ; 60) en gaz comprimé issu du réservoir (16) pour l'alimentation du module de séparation. 10-Procédé d'appauvrissement en oxygène pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un réservoir de gaz comprimé, caractérisé en ce qu'on alimente un module de séparation de gaz avec ledit gaz comprimé pour favoriser la diminution de la teneur en oxygène de l'air en sortie du module de séparation qui est destiné à être admis à l'intérieur du moteur.