Brevet FR3012520A1 — publié le 20150501

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la réduction des émissions polluantes des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement une ligne d'échappement de gaz brûlés pour moteur à combustion interne, comportant : - un convertisseur catalytique, - un moyen d'acquisition de la température des gaz brûlés, - des moyens d'amorçage qui sont adaptés à favoriser la montée en température du convertisseur catalytique et qui sont pilotables entre un état activé et un état désactivé, et - une unité de pilotage des moyens d'amorçage à l'état activé ou désactivé, en fonction de la température acquise par ledit moyen d'acquisition. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant : - un bloc-moteur qui délimite au moins une chambre de combustion, - une ligne d'admission d'air frais dans chaque chambre de combustion, - un circuit d'injection de carburant dans la ligne d'admission ou dans chaque chambre de combustion, et - une ligne d'échappement des gaz brûlés hors de chaque chambre de combustion. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE On recherche actuellement, dans un cadre législatif toujours plus contraignant et dans un souci de préservation de l'environnement, des solutions techniques permettant d'améliorer le fonctionnement des moteurs à combustion interne, notamment pour réduire le taux d'éléments polluants contenus dans les gaz brûlés émis par les moteurs dans l'atmosphère. Pour réduire ces émissions polluantes, un moteur à combustion interne comporte généralement dans sa ligne d'échappement un convertisseur 30 catalytique. Ce convertisseur catalytique peut fonctionner de manière optimale sur une plage de températures comprise entre 150 et 250 degrés Celsius. Il présente en revanche des performances fortement réduites à température ambiante, juste après le démarrage du moteur. En conséquence, la majeure partie des polluants rejetés dans l'atmosphère est émise dans les minutes qui suivent la phase de démarrage à froid du moteur. Une solution pour améliorer l'efficacité du convertisseur catalytique consisterait alors à le dimensionner en fonction de son rendement à basses températures, en augmentant sa taille. Néanmoins, étant donné le prix élevé des matériaux précieux utilisés pour fabriquer un tel convertisseur catalytique, il apparait difficile de limiter le phénomène de rejets polluants par ce biais. Une autre solution consiste à favoriser le réchauffement rapide du convertisseur catalytique au démarrage du moteur. Une telle solution est exposée dans le document FR 2 926 593. Elle consiste à prévoir, en parallèle de la turbine du moteur, une conduite de court-circuitage qui permet, au démarrage du moteur, de faire directement communiquer la sortie des cylindres du moteur avec l'entrée du convertisseur catalytique, pour éviter que les gaz brûlés entrant dans le convertisseur catalytique n'aient été détendus et donc refroidis par la turbine. Dans ce document, la turbine est court-circuitée jusqu'à temps que les gaz brûlés atteignent une température seuil. Au-delà de cette température seuil, la conduite de court-circuitage est fermée pour que le moteur entre dans un mode de fonctionnement normal. Cette solution ne donne pas entière satisfaction puisque la durée de 20 montée en température du convertisseur catalytique demeure assez longue. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose une nouvelle solution technique permettant de réduire de manière sensible la durée de montée en température du convertisseur 25 catalytique. Plus particulièrement, on propose selon l'invention une ligne d'échappement telle que définie en introduction, dans laquelle lesdits moyens d'amorçage comportent : - un système de récupération qui, à l'état activé, est adapté à générer 30 des pertes de charge sur les gaz brûlés et à convertir une partie de l'énergie cinétique et/ou thermique des gaz brûlés en énergie électrique, et - un système électrique de chauffage desdits gaz brûlés, qui est situé en amont dudit convertisseur catalytique et qui, à l'état activé, est alimenté au moins en partie par l'énergie électrique générée par ledit système de récupération. Ainsi, à l'état activé, le système de récupération peut non seulement récupérer une partie de l'énergie des gaz brûlés, mais en outre générer une surpression à l'entrée de la ligne d'échappement. Du fait de cette surpression, on comprend que le moteur va devoir 5 tourner à un régime plus élevé ou avec une charge plus conséquente, ce qui va permettre d'élever plus rapidement la température des gaz brûlés traversant le convertisseur catalytique. L'énergie récupérée servira quant à elle à alimenter le système électrique de chauffage pour participer à l'optimisation de la montée en 10 température des gaz brûlés et du convertisseur catalytique. De cette manière, lors d'un démarrage à froid, le convertisseur catalytique va pouvoir atteindre très rapidement une température comprise dans sa plage de fonctionnement optimale. D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de la ligne 15 d'échappement conforme à l'invention sont les suivantes : - le système de récupération comporte deux bornes électriques qui sont directement et respectivement connectées à deux bornes électriques dudit système électrique de chauffage ; - il est prévu un moyen de stockage d'énergie électrique avec deux 20 bornes électriques connectées, d'une part, à deux bornes électriques du système de récupération, et, d'autre part, à deux bornes électriques du système électrique de chauffage ; - ledit moyen de stockage d'énergie électrique est une batterie d'accumulateurs ; 25 - le système de récupération comporte une turbine et un alternateur ; - ladite turbine est située dans un conduit de dérivation qui est branché en parallèle d'un conduit principal d'évacuation des gaz brûlés, et il est prévu une vanne de régulation du débit de gaz brûlés circulant au travers dudit conduit de dérivation ; 30 - ladite turbine est située dans un conduit principal d'évacuation des gaz brûlés et comporte des aubes à inclinaison variable ; - lesdits moyens de récupération sont situés en aval du convertisseur catalytique ; et - les moyens électriques de chauffage et le convertisseur catalytique sont intégrés dans une même enveloppe. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur le dessin annexé, la figure 1 est une vue schématique d'une moteur à combustion interne comprenant une ligne d'échappement de gaz brûlés selon l'invention. Dans la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés dans l'atmosphère. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1 de véhicule automobile, qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu d'un vilebrequin et de quatre pistons (non représentés) logés dans quatre cylindres 11 (qui forment des chambres de combustion). Ce moteur est ici à allumage par compression (Diesel). Il pourrait également être à allumage commandé (Essence). En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 qui prélève l'air frais dans l'atmosphère et qui débouche dans un répartiteur d'air 25 agencé pour répartir l'air vers chacun des quatre cylindres 11 du bloc-moteur 10. Cette ligne d'admission 20 comporte ici, dans le sens d'écoulement de l'air frais, un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère, un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21, un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé, et une vanne d'admission 24 qui permet de réguler le débit d'air frais débouchant dans le répartiteur d'air 25. En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 80 qui s'étend depuis un collecteur d'échappement 81 (dans lequel débouchent les gaz qui ont été préalablement brûlés dans les cylindres 11) jusqu'à un silencieux d'échappement 87 permettant de détendre les gaz brûlés avant qu'ils ne soient évacués dans l'atmosphère. Elle comporte par ailleurs, dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une turbine 82, et un pot catalytique 83 de traitement des gaz brûlés. Ce pot catalytique 83 est connecté au silencieux d'échappement 87 via un conduit principal 92 d'évacuation des gaz brûlés traités. La turbine 82 est entraînée en rotation par le flux de gaz brûlés sortant du collecteur d'échappement 81, et elle permet d'entraîner le compresseur 22 en rotation, grâce à des moyens de couplage mécanique tels qu'un arbre de transmission. Le pot catalytique 83 est quant à lui ici un catalyseur trois voies qui renferme un catalyseur d'oxydation 85 combiné à un dispositif de traitement des oxydes d'azote et des particules 86. Ce catalyseur d'oxydation 85 est conçu pour fonctionner de manière optimale sur une plage de températures élevée, ici comprise entre 150 et 250 degrés Celsius. Il présente en revanche des performances fortement réduites à température ambiante, juste après le démarrage du moteur. Pour que ce catalyseur d'oxydation 85 puisse atteindre plus rapidement sa plage de températures de fonctionnement optimale, la ligne d'échappement 80 15 comporte des moyens d'amorçage 84, 91 pilotables entre un état activé et un état désactivé. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ces moyens d'amorçage comportent : - un système de récupération 95, 96 qui, à l'état activé, est adapté à 20 générer des pertes de charge sur les gaz brûlés et à convertir une partie de l'énergie cinétique et/ou thermique des gaz brûlés en énergie électrique, et - un système électrique de chauffage 84 desdits gaz brûlés, qui est situé en amont dudit convertisseur catalytique 85 et qui, à l'état activé, est alimenté au moins en partie par l'énergie électrique générée par ledit système de récupération 25 95. Le système électrique de chauffage 84 est ici intégré au pot catalytique 83 et est placé directement en amont du catalyseur d'oxydation 85, dans la même enveloppe que ce dernier. Il forme alors avec ce catalyseur d'oxydation 85 un catalyseur électrique. Il comporte deux bornes électriques dites borne positive et 30 borne négative. En variante, ce système électrique de chauffage 84 pourrait se présenter sous la forme d'une simple résistance placée entre la turbine 82 et le catalyseur d'oxydation 85. Quoi qu'il en soit, ce système électrique de chauffage 84, pour être placé à l'état activé, doit être alimenté en courant électrique de manière à accélérer la montée en température du catalyseur d'oxydation 85. Le système de récupération 95, 96, qui est prévu pour alimenter ce système électrique de chauffage 84 en courant, peut se présenter sous diverses 5 formes. Il pourrait ainsi se présenter sous la forme d'un échangeur de chaleur qui serait, à l'état activé, engagé à l'intérieur de l'une des conduites de la ligne d'échappement pour permettre de convertir l'énergie thermique des gaz brûlés en énergie électrique, par exemple par effet Seebeck. 10 Ici, comme le montre la figure 1, le système de récupération est formé d'une turbine 95 et d'un alternateur 96. A l'état activé, la turbine 95 est prévue pour être entraînée par le flux de gaz brûlés de manière à pouvoir entraîner en rotation le rotor de l'alternateur 96. La mise en rotation du rotor permet alors de générer un courant électrique aux 15 bornes électriques de l'alternateur 96. On pourrait prévoir que les bornes électriques de l'alternateur 96 soient directement connectées aux bornes correspondantes du système électrique de chauffage 84, auquel cas la mise en rotation de la turbine 95 entrainerait directement l'activation du système électrique de chauffage 84. 20 Ici, comme le montre la figure 1, il a plutôt été prévu d'utiliser un moyen de stockage d'énergie électrique 98 pour faire l'intermédiaire entre l'alternateur 96 et le système électrique de chauffage 84. L'intérêt d'un tel moyen de stockage d'énergie électrique 98 est qu'il permet de chauffer les gaz brûlés alors que la turbine 95 est à l'arrêt (par exemple 25 en cas de risque de surrégime de la turbine 95), et qu'il permet également de stocker de l'énergie électrique lorsque le système électrique de chauffage 84 est à l'arrêt. Ce moyen de stockage d'énergie électrique est ici formé par une batterie d'accumulateurs 98, mais il pourrait se présenter sous une autre forme, par 30 exemple sous la forme d'un condensateur. Dans l'exemple représenté sur les figures, cette batterie d'accumulateurs 98 est autonome, en ce sens qu'elle est dédiée aux moyens d'amorçage. En variante, il pourrait s'agir de la batterie d'accessoires du véhicule équipé du moteur à combustion interne 1, c'est-à-dire de la batterie qui permet notamment de démarrer le moteur. Les bornes positives de l'alternateur 96 et du système électrique de chauffage 84 sont directement connectées à la borne positive de la batterie d'accumulateurs 98. Les bornes négatives de l'alternateur 96 et du système électrique de 5 chauffage 84 sont en revanche connectées à la borne négative de la batterie d'accumulateurs 98 via un boîtier de commande 97 piloté. Le pilotage de ce boîtier de commande 97 sera décrit plus en détail dans la suite de cet exposé. Ici, la turbine 95 est située dans un conduit de dérivation 94 qui est branché en parallèle du conduit principal 92 d'évacuation des gaz brûlés. Il est 10 alors prévu une vanne de régulation 93 du débit de gaz brûlés circulant au travers du conduit de dérivation 94, qui permet de placer la turbine 95 en état activé (lorsqu'un flux de gaz brûlés traverse la turbine 95) et en état désactivé (lorsque le débit de gaz brûlés traversant la turbine 95 est nul). Ici, la vanne de régulation 93 est placée dans le conduit principal 92. Elle 15 pourrait en variante être placée dans le conduit de dérivation 94. La vanne de régulation est formée par un simple volet papillon et est ici pilotée entre deux positions ouverte et fermée. Le moteur à combustion interne 1 comporte par ailleurs une ligne d'injection 60 de carburant dans les cylindres 11. Cette ligne d'injection 60 20 comporte une pompe d'injection 62 agencée pour prélever le carburant dans un réservoir 61 afin de l'amener sous pression dans un rail de distribution 63 qui débouche dans les cylindres 11 via quatre injecteurs 64. Comme le montre la figure 1, pour piloter les différents organes du moteur à combustion interne 1, il est prévu un calculateur 100 comportant un 25 processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des convertisseurs analogiques-numériques (A/D) et des interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 100 est adapté à recevoir de différents capteurs des signaux d'entrée relatifs au fonctionnement du moteur. 30 Parmi ces capteurs, il est notamment prévu une sonde de température 90 qui permet de mesurer la température T instantanée des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement 80, à la sortie de la turbine 82. Il est aussi prévu un capteur de vitesse 99 dans la turbine 95 ou dans l'alternateur 96, qui permet de mesurer la vitesse de rotation w instantanée de la turbine 95. Grâce à cette sonde de température 90, à ce capteur de vitesse 99 et à différents autres capteurs, le calculateur 100 mémorise ainsi en continu dans sa mémoire vive : - la charge C instantanée du moteur à combustion interne 1, - le régime R instantané du moteur à combustion interne 1, - la vitesse de rotation w de la turbine 95, et - la température T des gaz brûlés. La charge C (également appelée « charge-moteur ») correspond au rapport du travail fourni par le moteur sur le travail maximal que pourrait développer ce moteur à un régime donné. Elle est généralement approximée à l'aide d'une variable appelée pression moyenne effective PME. Sa valeur dépend en particulier de l'appui exercé par le conducteur sur la pédale d'accélérateur. Le régime R correspond à la vitesse de rotation du vilebrequin, exprimée en tours par minute. Grâce à une cartographie prédéterminée sur banc d'essais et mémorisée dans sa mémoire morte (ROM), le calculateur 100 est adapté à générer, pour chaque condition de fonctionnement du moteur, des signaux de sortie. Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 100 est adapté à 20 transmettre ces signaux de sortie aux différents organes du moteur, notamment à la vanne de régulation 93 et au boîtier de commande 97. Classiquement, lorsque le conducteur du véhicule automobile met le contact, le calculateur 100 s'initialise puis commande le démarreur et les injecteurs de carburant 64 pour que ceux-ci démarrent le moteur à combustion 25 interne 1. Lorsque le moteur est démarré, l'air frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 est filtré par le filtre à air 21, comprimé par le compresseur 22, refroidi par le refroidisseur d'air principal 23, puis brûlé dans les cylindres 11. A leur sortie des cylindres 11, les gaz brûlés sont détendus dans la 30 turbine 82, traités et filtrés dans le pot catalytique 83, puis détendus à nouveau dans le silencieux d'échappement 87 avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Une fois le moteur démarré, le calculateur 100 acquiert à chaque pas de temps la charge C instantanée du moteur à combustion interne 1, le régime R instantané du moteur à combustion interne 1, la vitesse de rotation w de la turbine 95, et la température T des gaz brûlés. Lorsque cette température T est inférieure à un seuil déterminé, ce qui est notamment le cas au démarrage à froid du moteur, le calculateur 100 commande le boîtier de commande 97 de telle manière que la batterie d'accumulateurs 98 alimente le système électrique de chauffage 84 pour chauffer les gaz brûlés. Le calculateur 100 commande également la fermeture de la vanne de régulation 93, à la condition que le point de fonctionnement du moteur soit compris dans une plage de fonctionnement adéquate. Le point de fonctionnement du moteur est déterminé à l'aide d'au moins deux paramètres que sont le régime R et la charge C. Il est ici en outre déterminé à l'aide de la vitesse de rotation w de la turbine 95. La plage de fonctionnement adéquate est quant à elle prédéfinie et mémorisée dans la mémoire morte du calculateur 100. Elle est conçue de telle manière que, lorsque le point de fonctionnement du moteur est compris dans cette plage, il n'y a aucun risque de surrégime de la turbine 95 (notamment si la charge C demandée par le conducteur venait à changer brusquement de valeur). Ainsi, lorsque le point de fonctionnement du moteur est compris dans la plage de fonctionnement adéquate, le calculateur 100 commande la fermeture complète de la vanne de régulation 93, de manière que l'ensemble du flux de gaz brûlés traverse la turbine 95, si bien que l'alternateur 96 charge la batterie d'accumulateurs 98. Grâce à cette turbine 95, la pression des gaz brûlés en amont augmente, ce qui force le moteur à fonctionner à un régime ou à une charge plus élevé. De 25 cette manière, la montée en température du catalyseur d'oxydation 85 est accélérée. Si, à un pas de temps ultérieur, le point de fonctionnement du moteur sort de la plage de fonctionnement adéquate, le calculateur 100 commande l'ouverture complète de la vanne de régulation 93. 30 Puis, lorsque la température T atteint le seuil de température déterminé et le dépasse, le calculateur 100 pilote le boîtier de commande 97 de manière à interrompre l'alimentation électrique du système électrique de chauffage 84. Il commande également l'ouverture de la vanne de régulation 93 de manière que l'ensemble du flux de gaz brûlés circule dans le conduit principal 92. En variante, il peut attendre que la batterie d'accumulateurs 98 soit complètement chargée avant de commander cette ouverture de la vanne de régulation 93 (pour autant que le point de fonctionnement du moteur reste compris dans la plage de fonctionnement adéquate). La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. En particulier, on aurait pu prévoir de supprimer la conduite de dérivation et de placer la turbine directement dans le conduit principal d'évacuation des gaz brûlés. Dans cette variante, la turbine pourra alors par exemple présenter des aubes à pas variable qui, à l'état désactivé, se placeront dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, et qui, à l'état activé, s'inclineront pour entraîner en rotation l'alternateur. Selon une autre variante de l'invention, on pourra prévoir de placer les moyens de récupération d'énergie électrique ou thermique non pas en aval, mais en amont du convertisseur catalytique. Cette solution sera toutefois moins satisfaisante que celle présentée. Encore en variante, on aurait pu déterminer la vitesse de rotation de la turbine à l'aide, non pas d'un capteur de vitesse, mais d'un capteur de tension branché aux bornes de l'alternateur 96. Selon une autre variante de l'invention représentée sur les figures, on aurait pu prévoir de commander la vanne de régulation 93 non pas entre deux positions stables (ouverte et fermée), mais continûment ou par paliers, de manière à pouvoir placer cette vanne dans un état intermédiaire. A titre d'exemple, lors d'un démarrage à froid du moteur, on pourra ainsi commander la fermeture non pas totale mais partielle de la vanne de régulation 93, selon un angle de fermeture déterminé en fonction de la différence de pressions entre l'amont et l'aval du dispositif de traitement des oxydes d'azote et des particules 86. On sait en effet qu'un filtre à particules se charge progressivement, ce qui génère une chute progressive de pression en aval et modifie le rendement de la turbine 95. On pourra de ce fait piloter plus finement la fermeture de la vanne de régulation pour compenser cette perte de pression. REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement (80) de gaz brûlés pour moteur à combustion interne (1), comportant : - un convertisseur catalytique (85), - un moyen d'acquisition (90) de la température (T) des gaz brûlés, - des moyens d'amorçage (84, 91) qui sont adaptés à favoriser la montée en température du convertisseur catalytique (85) et qui sont pilotables entre un état activé et un état désactivé, et - une unité de pilotage (100) des moyens d'amorçage (84, 91) à l'état activé ou désactivé, en fonction de la température (T) acquise par ledit moyen d'acquisition (90), caractérisée en ce que lesdits moyens d'amorçage comportent : - un système de récupération (95, 96) qui, à l'état activé, est adapté à générer des pertes de charge sur les gaz brûlés et à convertir une partie de l'énergie cinétique et/ou thermique des gaz brûlés en énergie électrique, et - un système électrique de chauffage (84) desdits gaz brûlés, qui est situé en amont dudit convertisseur catalytique (85) et qui, à l'état activé, est alimenté au moins en partie par l'énergie électrique générée par ledit système de récupération (95, 96). 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, dans laquelle le système de récupération comporte deux bornes électriques qui sont directement et respectivement connectées à deux bornes électriques dudit système électrique de chauffage. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1, dans laquelle il est prévu un moyen de stockage d'énergie électrique (98) avec deux bornes électriques connectées, d'une part, à deux bornes électriques du système de récupération (95, 96), et, d'autre part, à deux bornes électriques du système électrique de chauffage (84). 4. Ligne d'échappement (80) selon la revendication précédente, dans laquelle ledit moyen de stockage d'énergie électrique est une batterie d'accumulateurs (98). 5. Ligne d'échappement (80) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le système de récupération comporte une turbine (95) et un alternateur (96). 6. Ligne d'échappement (80) selon la revendication 5, dans laquelle ladite turbine (95) est située dans un conduit de dérivation (94) qui est branché en parallèle d'un conduit principal (92) d'évacuation des gaz brûlés, et dans laquelle il est prévu une vanne de régulation (93) du débit de gaz brûlés circulant au travers dudit conduit de dérivation. 7. Ligne d'échappement selon la revendication 5, dans laquelle ladite turbine est située dans un conduit principal d'évacuation des gaz brûlés et comporte des aubes à inclinaison variable. 8. Ligne d'échappement (80) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens de récupération (95, 96) sont situés en aval du convertisseur catalytique (85). 9. Ligne d'échappement (80) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens électriques de chauffage (84) et le convertisseur catalytique (85) sont intégrés dans une même enveloppe. 10. Moteur à combustion interne comportant : - un bloc-moteur (10) qui délimite au moins une chambre de combustion (11), - une ligne d'admission (20) d'air frais dans chaque chambre de combustion (11), et - un circuit d'injection (60) de carburant dans la ligne d'admission (20) ou dans chaque chambre de combustion (10), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une ligne d'échappement (80) des gaz brûlés hors de chaque chambre de combustion (10), selon l'une des revendications précédentes.