Brevet FR2990467A1 — publié le 20131115

SYSTEME D'INJECTION D'AIR DANS UN CIRCUIT D'ECHAPPEMENT DE GAZ L'invention se rapporte à un système d'injection d'air dans un circuit 5 d'échappement de gaz d'un moteur thermique de véhicule. Généralement, le circuit d'échappement comprend un catalyseur, afin de limiter la nocivité des gaz d'échappement issus de la combustion dans les cylindres du moteur. Or, durant certaines phases d'utilisation du véhicule, comme par exemple lors d'un démarrage à froid, la mise en action de ce catalyseur peut s'avérer trop 10 lente. Un moyen d'accélérer cette mise en action est d'augmenter rapidement sa température, en ponctionnant de l'air du circuit d'admission, et en l'injectant en amont du catalyseur. L'invention se rapporte à un système amélioré d'injection d'air dans un circuit d'échappement. Il est supposé admis qu'une circulation de gaz d'un moteur comprend 15 un circuit d'admission placé en amont dudit moteur et un circuit d'échappement placé en aval de celui-ci. Les systèmes d'injection d'air déjà existants comprennent une pompe permettant de propulser de l'air frais vers le circuit d'échappement, en amont du catalyseur. Le principe de fonctionnement de tels systèmes consiste à 20 acheminer de l'air dans la ligne d'échappement et à injecter en excès du carburant dans les chambres de combustion du moteur, pour que le mélange constitué par l'air et par le carburant continue de brûler jusque dans le catalyseur, afin d'augmenter sa température. Un inconvénient majeur de tels systèmes d'injection d'air pour augmenter la température du catalyseur est 25 qu'ils sont très coûteux en raison d'une part d'une consommation importante de carburant pour réaliser cette opération de chauffage du catalyseur et d'autre part du coût et de l'encombrement des composants le constituant, tels qu'une pompe dédiée. Les systèmes d'injection d'air selon l'invention fonctionnent à partir 30 d'un élément déjà présent dans le circuit d'admission et prévu pour remplir une première fonction spécifique au sein dudit circuit, ladite première fonction étant temporairement détournée, afin que ledit élément puisse contribuer à augmenter la température du catalyseur, sans engendrer une consommation excessive de carburant. De cette manière, les systèmes d'injection d'air selon l'invention sont peu coûteux et peu encombrants, car ils ne nécessitent pas l'ajout de pièces ou de sources énergétiques supplémentaires. L'invention a pour objet un système d'injection d'air dans un circuit d'échappement d'un moteur thermique de véhicule, ledit circuit d'échappement comprenant un catalyseur et ledit système étant destiné à accélérer le chauffage dudit catalyseur. La principale caractéristique d'un système d'injection d'air selon l'invention est que le circuit d'admission d'air comprend un compresseur électrique, l'air comprimé par ledit compresseur pouvant être acheminé en amont du catalyseur au moyen d'un conduit d'injection reliant le circuit d'admission d'air en aval du compresseur électrique au circuit d'échappement de gaz en amont du catalyseur. Avec une telle configuration, le compresseur électrique va créer de l'air sous pression, qui va directement être injecté dans le circuit d'échappement en amont du catalyseur, sans avoir recours à une pompe spécifique. Ainsi, lors d'un démarrage à froid, durant la phase de chauffage du catalyseur, l'avance à l'allumage sera optimisée et l'excès de carburant à injecter dans les chambres de combustion du moteur pourra être minimisé. Le compresseur électrique, qui est initialement prévu pour accroître la quantité d'air à envoyer dans les chambres de combustion, peut être utilisé, au moins périodiquement, comme pourvoyeur d'air à l'échappement. Avantageusement, le circuit d'admission d'air comprend un compresseur mécanique placé en aval du compresseur électrique, le conduit d'injection prenant naissance sur le circuit d'admission entre lesdits compresseurs. Avec une telle configuration, seul le compresseur électrique peut être sollicité pour envoyer de l'air à l'échappement, le compresseur mécanique n'étant pas concerné par cette fonction. L'air sous pression ainsi fourni par le compresseur électrique peut être dévié dans le conduit d'injection pour participer au chauffage du catalyseur, et/ou peut alimenter le compresseur mécanique pour fournir encore plus d'air au moteur. De façon avantageuse, un conduit de dérivation relie le conduit d'injection au circuit d'admission d'air, en aval du compresseur mécanique. De cette manière, le compresseur électrique peut fournir de l'air dans le circuit d'échappement pour chauffer le catalyseur et/ou être utilisé pour alimenter en air le moteur. De façon préférentielle, une vanne est implantée dans le conduit d'injection d'air, à un emplacement permettant de contrôler le flux d'air dans ledit conduit d'injection et dans le conduit de dérivation. Une telle vanne est nécessaire pour organiser les différents passages d'air, de façon à les adapter aux différents besoins suscités par les différentes phases d'utilisation du véhicule. De cette manière, l'air dévié dans le conduit d'injection peut, soit passer simultanément dans le conduit d'injection et le conduit de dérivation, soit ne passer que dans ledit conduit de dérivation, soit ne passer que dans le conduit d'injection. De façon avantageuse, la vanne possède un premier volet apte à réguler le flux d'air dans le conduit d'injection, et un deuxième volet apte à réguler le flux d'air dans le conduit de dérivation. Par ce biais, une telle vanne permet quatre configurations de fonctionnement: soit les deux volets sont en position de fermeture, soit les deux volets sont en position d'ouverture, soit un seul des deux volets est en position d'ouverture. Préférentiellement, chaque volet est mobile en rotation entre une position d'ouverture, pour laquelle il permet le passage de l'air dans le conduit sur lequel il est monté, et une position de fermeture pour laquelle il obture ledit conduit. Un déplacement en rotation d'un volet est peu encombrant, et est bien adapté à la géométrie d'un canal de passage. De plus, un tel déplacement est mis en oeuvre par un mécanisme éprouvé et bien maîtrisé. De façon préférentielle, chaque volet peut être figé dans au moins une position intermédiaire située entre la position de fermeture et la position d'ouverture. Le fait que chaque volet puisse occuper des positions intermédiaires, entre une position de fermeture et une position de complète ouverture, accroît la souplesse d'utilisation d'un système d'injection d'air selon l'invention, en multipliant les configurations possibles de ce système. Il en résulte un contrôle rigoureux et précis des différents débits d'air mis en oeuvre dans un tel système, et donc une meilleure adaptation à une situation donnée. L'invention a pour deuxième objet un premier mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection d'air selon l'invention, dont la principale caractéristique est qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, - Une étape d'ouverture du conduit d'injection, - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation. Il est à noter que trois étapes sont majoritairement simultanées. Un tel procédé permet à la fois d'injecter de l'air dans le circuit d'échappement, pour précipiter la mise en action du catalyseur au moyen d'un chauffage accéléré, et de court-circuiter un compresseur mécanique. Un tel procédé est surtout mis en oeuvre lors d'un démarrage à froid du véhicule. L'invention a pour troisième objet un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection d'air selon l'invention, dont la principale caractéristique est qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape de coupure du compresseur électrique, - Une étape de fermeture du conduit d'injection, - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation, Il est à noter que ces trois étapes sont majoritairement simultanées. Pour un tel procédé, tout l'air incident suralimenté par le compresseur électrique est directement acheminé vers le moteur, sans transiter par le compresseur mécanique et sans être acheminé dans le circuit d'échappement pour précipiter le chauffage du catalyseur. Un tel procédé peut être mis en oeuvre lors d'une phase de décélération, pour limiter la pression en aval du compresseur mécanique et ainsi préserver ledit compresseur mécanique. Dans ce cas l'étape d'ouverture du conduit de dérivation remplit la fonction de la soupape de décharge du compresseur (« dump valve » en anglais) présente sur les moteurs suralimentés. Un moteur selon l'invention peut donc se passer d'une telle soupape de décharge en remplissant la fonction de décharge par l'ouverture du circuit de dérivation ainsi décrite. Une variante de ce deuxième mode de réalisation est prévu pour les phases d'accélération du véhicule et vise un procédé d'utilisation d'un système d'injection d'air selon l'invention, dont la principale caractéristique est qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, - Une étape de fermeture du conduit d'injection, - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation Un tel procédé peut être mis en oeuvre lors d'une phase d'accélération du véhicule, pour limiter les pertes de charges et améliorer le remplissage des chambres de combustion du moteur. L'invention a pour quatrième objet un troisième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection d'air selon l'invention, dont la principale caractéristique est qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, - Une étape de fermeture du conduit d'injection, - Une étape de fermeture du conduit de dérivation, Il est à noter que ces trois étapes sont majoritairement simultanées. Pour un tel procédé, les fonctions d'injection d'air frais dans le circuit d'échappement et de court-circuitage du compresseur mécanique sont éteintes. Ces étapes correspondent à un fonctionnement normal, pour lequel le compresseur électrique et le compresseur mécanique fonctionnent simultanément en série dans le circuit d'admission, pour unir leur contribution individuelle dans l'optique d'alimenter avec une pression maximale les chambres de combustion du moteur. Les systèmes d'injection d'air selon l'invention présentent l'avantage d'être simples à mettre en oeuvre, d'être peu encombrants et peu coûteux, en utilisant un élément déjà présent dans le circuit d'admission d'air et sans nécessiter l'ajout d'une source énergétique supplémentaire. Ils ont de plus l'avantage d'être configurés pour pouvoir être couplés à un circuit permettant de court-circuiter un compresseur mécanique, multipliant ainsi les configurations d'utilisation de ces systèmes d'injection. On donne ci-après, une description détaillée, d'un mode de réalisation préféré d'un système d'injection selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 2d. - La figure 1 est une vue schématique et partielle d'une architecture moteur impliquant un turbocompresseur et un système d'injection d'air selon l'invention, La figure 2a est une vue schématique d'une première configuration d'utilisation d'une vanne d'un système d'injection d'air selon l'invention, La figure 2b est une vue schématique d'une deuxième configuration d'utilisation d'une vanne d'un système d'injection d'air selon l'invention, - La figure 2c est une vue d'une variante de la deuxième configuration d'utilisation de la figure 2b, La figure 2d est une vue schématique d'une troisième configuration d'utilisation d'une vanne d'un système d'injection d'air selon l'invention. En se référant à la figure 1, une circulation de gaz d'un moteur 1 5 comprend un circuit d'admission 2 d'air placé en amont dudit moteur 1 et un circuit d'échappement 3 de gaz situé en aval de celui-ci. Schématiquement, le circuit d'admission d'air comporte une entrée 4 d'air, une tubulure d'entrée 5 débouchant dans un compresseur électrique, lui-même en communication avec un compresseur mécanique 7 via une voie de liaison 8 d'air. L'air issu de 10 ce compresseur mécanique 7 est envoyé dans les chambres 9 de combustion du moteur 1 au moyen d'une tubulure 10 d'admission débouchant dans un répartiteur d'admission apte à distribuer l'air dans chacune desdites chambres 9. Le circuit d'échappement 3 comporte un répartiteur d'échappement prévu pour évacuer les gaz d'échappement issus des chambres 9 de combustion, 15 vers une turbine 11 par l'intermédiaire d'une tubulure d'échappement 12, les gaz issus de ladite turbine 11 étant acheminés vers un catalyseur 13 avant d'être rejetés à l'extérieur du véhicule au niveau d'une sortie 14 dudit circuit d'échappement 3. Un conduit d'injection 15 relie la voie de liaison 8 entre les deux compresseurs à la zone du circuit d'échappement 3 comprise entre la 20 turbine 11 et le catalyseur 13. Un conduit de dérivation 16 est implanté dans ledit conduit d'injection 15 et débouche dans la tubulure d'admission 10 en aval du compresseur mécanique 7. Une vanne 17 comportant trois voies est placée sur le conduit d'injection 15 pour réguler le flux d'air dans le conduit de dérivation 16 et dans ledit conduit d'injection 15. Plus précisément, cette 25 vanne 17 comprend une voie d'entrée destinée à recevoir l'air circulant dans le conduit d'injection 15 et en provenance de la zone du circuit d'admission 2 située entre les deux compresseurs, une première voie de sortie pour orienter l'air vers le circuit d'échappement 3 via le conduit d'injection 15, et une deuxième voie de sortie pour acheminer l'air dans le conduit de dérivation 16. 30 En se référant aux figures 2a, 2b, 2c et 2d, la vanne 17 comprend deux volets 18,19, un premier volet 18 étant placé au niveau de la première voie pour réguler le flux d'air dans le conduit d'injection 15, et un deuxième volet 19 étant placé au niveau de la deuxième voie pour réguler le flux d'air dans le conduit de dérivation 16. Chaque volet 18,19 est mobile en rotation entre une position de fermeture pour laquelle il obture le conduit 15,16 sur lequel il est monté, et une position de complète ouverture pour laquelle il permet un passage de l'air dans le conduit correspondant, avec une section maximum. Chaque volet 18,19 peut également être figé dans au moins une position intermédiaire comprise entre la position de fermeture et la position de complète ouverture. Chaque volet 18,19 de la vanne 17 peut être piloté indépendamment l'un de l'autre, si bien que la vanne 17 peut présenter quatre configurations de fonctionnement majeures : une première configuration pour laquelle les deux volets 18,19 sont fermés, une deuxième configuration pour laquelle ils sont complètement ouverts, une troisième et une quatrième configurations pour laquelle seul l'un des deux volets 18,19 est complètement ouvert. Un système d'injection d'air selon l'invention comprend le compresseur électrique, la vanne 17 et les conduits 15,16 d'injection et de dérivation. En se référant à la figure 2a, un premier mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'invention comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, - Une étape d'ouverture du conduit d'injection 15, - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation 16. Ce procédé, qui favorise un court-circuitage du compresseur mécanique 7 et de l'injection d'air dans le circuit d'échappement 3, est surtout utilisé lors d'un démarrage à froid d'un véhicule. Ces deux étapes sont majoritairement concomitantes, même s'il demeure possible que l'une desdites étapes commence en légère avance sur l'autre. En se référant à la figure 2b, un deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'invention comprend les étapes suivantes : - Une étape de coupure du compresseur électrique, - Une étape de fermeture du conduit d'injection 15, - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation 16. Ce procédé, dont le principe consiste à court-circuiter le compresseur mécanique 7 et à fermer le conduit d'injection, est essentiellement utilisé lors d'une phase dite de « lever de pied » ou de décélération du véhicule, pour préserver le compresseur mécanique 7 en limitant la pression en aval de celui- ci. Représentée à la figure 2c, une variante de ce deuxième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'invention comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, - Une étape de fermeture du conduit d'injection 15, - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation 16 Cette variante est utilisée lors d'une phase d'accélération dudit véhicule, pour limiter les pertes de charge et améliorer le remplissage des 20 chambres 9 du moteur 1. En se référant à la figure 2d, un troisième mode de réalisation préféré d'un procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'invention comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, 25 - Une étape de fermeture du conduit d'injection 15, - Une étape de fermeture du conduit de dérivation 16. Pour ce procédé, les deux compresseurs placés en série dans le circuit d'admission 2 additionnent leurs effets, tandis que l'injection d'air dans le circuit d'échappement 3 n'est pas déclenchée. Ce procédé est surtout utilisé lors des phases normales d'utilisation du véhicule, lorsqu'il s'agit de le maintenir à une allure de croisière, sans à-coups. 15 REVENDICATIONS1. Système d'injection d'air dans un circuit d'échappement (3) d'un moteur (1) thermique de véhicule, ledit circuit d'échappement (3) comprenant un catalyseur (13) et ledit système étant destiné à accélérer le chauffage dudit catalyseur (13), caractérisé en ce que le circuit d'admission (2) d'air comprend un compresseur électrique, et en ce que l'air comprimé par ledit compresseur peut être acheminé en amont du catalyseur (13) au moyen d'un conduit d'injection (15) reliant le circuit d'admission d'air (2) en aval du compresseur électrique au circuit d'échappement (3) de gaz en amont du catalyseur (13). 2. Système d'injection d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'admission (2) d'air comprend un compresseur mécanique (7) placé en aval du compresseur électrique, et en ce que le conduit d'injection (15) prend naissance sur le circuit d'admission (2) entre lesdits compresseurs. 3. Système d'injection d'air selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un conduit de dérivation (16) relie le conduit d'injection (15) au circuit d'admission (2) d'air, en aval du compresseur mécanique (7). 4. Système d'injection d'air selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une vanne (17) est implantée dans le conduit d'injection (15) d'air, à un emplacement permettant de contrôler le flux d'air dans ledit conduit d'injection (15) et dans le conduit de dérivation (16). 5. Système d'injection d'air selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vanne (17) possède un premier volet (18) apte à réguler le flux d'air dans le conduit d'injection (15) et un deuxième volet (19) apte à réguler le flux d'air dans le conduit de dérivation (16). 6. Système d'injection d'air selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque volet (18,19) est mobile en rotation entre une position d'ouverture, pour laquelle il permet le passage de l'air dans le conduit (15,16) sur lequel il est monté, et une position de fermeture pour laquelle il obture ledit conduit (15,16). 7. Système d'injection d'air selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque volet (18,19) peut être figé dans au moins une position intermédiaire située entre la position de fermeture et la position d'ouverture. 8. Procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, - Une étape d'ouverture du conduit d'injection (15), - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation (19). 9. Procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape de coupure du compresseur électrique, - Une étape de fermeture du conduit d'injection (15), - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation (16). 10. Procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, Une étape de fermeture du conduit d'injection (15), - Une étape d'ouverture du conduit de dérivation (16). 11. Procédé d'utilisation d'un système d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape d'enclenchement du compresseur électrique, Une étape de fermeture du conduit d'injection (15), Une étape de fermeture du conduit de dérivation (16).