Brevet FR3067397A1 — publié le 20181214

GROUPE MOTOPROPULSEUR DOTE D'UN DI SPOSI TI F DE DEPOLLUTI ON PERFORMANT L'invention a pour objet un groupe motopropulseur doté d'un dispositif 5 de dépollution performant. Dans le cadre de l'invention, le groupe motopropulseur comprend un circuit d'alimentation en air frais, un moteur à combustion interne et un circuit d'échappement des gaz d'échappement en provenance dudit moteur. D'une manière générale, les moteurs à combustion interne équipés 10 d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement, par exemple un catalyseur trois voies pour les moteurs à allumage commandé (essence) ou un catalyseur d'oxydation pour les moteurs à allumage par compression (diesel), présentent des problèmes de pollution à froid, car le catalyseur n'est pas efficace en dessous d'un seuil de température, dit température d'amorçage, 15 par exemple une température de l'ordre de 350°C. Sur les moteurs suralimentés par un turbocompresseur, la mise en chauffe du catalyseur est encore plus difficile à mettre en oeuvre, car la détente des gaz par la turbine du turbocompresseur, qui permet de fournir l'energie nécessaire à la compression de l'air par le compresseur du turbocompresseur, refroidit les gaz 20 d'échappement. Le catalyseur atteint donc sa température d'amorçage plus lentement que dans le cas d'un moteur à aspiration naturelle. On connaît de l'état de la technique plusieurs documents qui visent à améliorer le chauffage d'un catalyseur de moteur suralimenté. Par exemple, les dispositifs décrits dans les demandes ou publications 25 W01998045589, FR2752880, U520110011082, EP1418318 visent à décharger la turbine d'un moteur suralimenté lors du fonctionnement à froid, c'est-à-dire à faire contourner complètement ladite turbine par les gaz d'échappement, afin que ceux-ci ne soient pas refroidis en étant détendus lors de leur traversée de la turbine. Or, un inconvénient de ces dispositifs, est que la 30 turbine ne transmet aucune énergie au compresseur. Le moteur ne peut donc fonctionner que dans le domaine d'aspiration naturelle, c'est à dire sans aucune suralimentation possible, ce qui limite les performances dudit moteur. Les groupes motopropulseurs selon l'invention permettent une mise en 2 chauffe, ou mise en action, des catalyseurs de dépollutiion de moteurs suralimentés, pour qu'ils atteignent le plus rapidement possible un rendement de dépollution satisafaisant, tout en s'affranchissant des inconvénients relevés dans l'état de la technique, notamment la limitation de puissance du moteur lors des phases de fonctionnement à froid. Un autre objectif de l'invention est d'activer à plus bas régime la fonction « suralimentation » de tels moteurs. L'invention a pour objet un groupe motopropulseur d'un véhicule comprenant un moteur à combustion interne et un circuit d'échappement des gaz en provenance dudit moteur, ledit circuit comportant une turbine et un 10 catalyseur positionné en aval de ladite turbine. La principale caractéristique d'un groupe motopropulseur selon l'invention, est qu'il comprend un circuit de dérivation des gaz d'échappement prenant naissance sur le circuit d'échappement en aval du catalyseur et débouchant dans ledit circuit d'échappement en amont de la turbine, le circuit 15 de dérivation comprenant un compresseur et un réservoir positionné en aval dudit compresseur, et étant destiné à introduire des gaz comprimés en amont de la turbine. Les termes « amont » et « aval » doivent être pris en considération par rapport au sens de circulation des gaz d'échappement dans le circuit d'échappement ou dans le circuit de dérivation. Ce circuit de 20 dérivation a pour fonction de comprimer les gaz d'échappement prélevés en aval du catalyseur dans des conditions de fonctionnement à chaud, c'est-à-dire lorsque le catalyseur a au moins atteint sa température d'amorçage, afin de les réintroduire en amont de la turbine dans des conditions de fonctionnement à froid, c'est-à-dire lorsque la température du catalyseur est 25 inférieure à sa température d'amorçage. La réintroduction de gaz d'échappement chauds a pour but d'accélérer la mise en chauffe dudit catalyseur et ainsi de le rendre efficace rapidement, tout en permettant une suralimentation du moteur grâce à la traversée de la turbine par lesdits gaz. Le refroidissement des gaz d'échappement dans la turbine est largement 30 compensé par le fait que ces gaz sont prélevés dans des conditions de fonctionnement à chaud du moteur. Le compresseur du circuit de dérivation est indépendant et autonome, et est distinct d'un compresseur couplé à la turbine du turbocompresseur. Le 3 compresseur du circuit de dérivation possède ainsi sa propre source énergétique apte à le faire fonctionner. Le terme « en amont » utilisé en référence à la turbine, signifie que les gaz d'échappement comprimés sont introduits dans le circuit d'échappement de manière qu'ils traversent 5 obligatoirement la turbine avant de parvenir au catalyseur. De façon préférentielle, un groupe motopropulseur selon l'invention comprend une première tubulure reliant d'une part le circuit d'échappement en aval du catalyseur et d'autre part le compresseur, une deuxième tubulure reliant le compresseur et le réservoir, et une troisième tubulure reliant le réservoir au circuit d'échappement en amont de la turbine. Le terme tubulure est générique et recouvre tout type de conduit étanche apte à acheminer un gaz. Les tubulures peuvent être, soit souples, soit rigides. Avantageusement, le circuit de dérivation comprend une vanne d'entrée située sur la deuxième tubulure et une vanne de sortie située sur la troisième tubulure, lesdites deux vannes permettant de contrôler l'admission et le stockage des gaz comprimés dans le réservoir, et leur libération dudit réservoir. De cette manière, les deux vannes encadrent le réservoir de gaz. La phase de chargement du réservoir en gaz d'échappement comprimés, la phase de stockage desdits gaz dans ledit réservoir et la phase de libération de ceux- ci, doivent s'effectuer à des moments spécifiques d'utilisation du véhicule. Plus précisément, la phase de chargement et de stockage des gaz est réalisée lors du fonctionnement à chaud du moteur, par exemple lorsqu'une valeur de température T des gaz d'échappement provenant du moteur et mesurée en amont de la turbine est supérieure à un premier seuil de température Il .La phase de libération des gaz est réalisée lors du fonctionnement à froid du moteur, par exemple lorsque la dite valeur de température T est inférieure à un second seuil de température T2.Le second seuil de température peut correspondre à la température d'amorçage du catalyseur, par exemple environ 350°C, tandis que le premier seuil de température est supérieur au premier seuil, par exemple au moins 400°C. 4 La vanne d'entrée et la vanne de sortie permettent de contrôler ces différentes phases. Les vannes d'entrée et de sortie peuvent être, soit en tout ou rien, soit à ouverture variable pour pouvoir contrôler les flux de gaz, en entrée et en sortie du réservoir. 5 De façon préférentielle, la vanne d'entrée et la vanne de sortie sont contrôlées électriquement. La source électrique étant déjà présente dans le véhicule pour d'autres besoins, il est facile d'élaborer un circuit électrique à partir de cette source, pour piloter les vannes. Les vannes d'entrée et de sortie peuvent être, soit en tout ou rien, soit à ouverture variable. 10 Préférentiellement, la vanne d'entrée et la vanne de sortie permettent de faire varier le débit des gaz respectivement à l'entrée et à la sortie du réservoir. Autrement dit, ces vannes sont à ouverture variable pour contrôler de façon complète et bien maitrisée, le débit des gaz transitant par le circuit de dérivation, et en particulier par le réservoir de gaz. 15 De façon avantageuse le compresseur est doté d'une soupape d'entrée placée dans la première tubulure et fonctionnant en liaison avec les gaz prélevé en aval du catalyseur, et d'une soupape de sortie placée dans la deuxième tubulure et contrôlant les gaz comprimés destinés à être acheminés vers le réservoir. De cette manière, Ces soupapes permettent de contrôler le 20 volume de gaz comprimés dans le compresseur en fonction de la pression régnant dans ledit compresseur. Avantageusement, l'entrainement du compresseur est réalisé au moyen d'une source électrique ou mécanique. De façon préférentielle, un groupe motopropulseur selon l'invention 25 comprend une première tubulure reliant le circuit d'échappement en aval du catalyseur et le compresseur, une deuxième tubulure reliant le compresseur et le réservoir, et une troisième tubulure reliant le réservoir au circuit d'échappement en amont de la turbine. 5 Préférentiellement, le volume du réservoir de gaz est compris entre 0,5 litre et 20 litres. De cette manière, le réservoir demeure peu encombrant et donc compatible avec les espaces restreints laissés vacants dans le véhicule. 5 Avantageusement, le circuit de dérivation comprend un moyen de fermeture placé en amont du compresseur et un moyen de fermeture placé en aval du réservoir, de façon à contrôler les phases de passage des gaz d'échappement dans le circuit de dérivation lors des phases de fonctionnement à chaud du moteur et les phases de libération des gaz comprimés dans le 10 circuit d'échappement en amont de la turbine lors des phases de fonctionnement à froid du moteur. Ces moyens peuvent par exemple être constitués par des clapets amovibles, pilotés par des électrovannes. Ces moyens de fermeture sont réversibles et sont pilotés de manière à occuper, soit une position de fermeture du circuit de dérivation, soit une position 15 d'ouverture de celui-ci. De façon avantageuse, le circuit de dérivation est piloté par une unité centrale de calcul. De cette manière, un tel circuit de dérivation est piloté automatiquement, en fonction d'un certain nombre de paramètres, tels que par exemple la température T des gaz d'échappement issus du moteur et 20 mesurés en amont de la turbine, la température du catalyseur, la phase d'utilisation du véhicule (démarrage à froid, phase de roulage et notamment la charge du moteur...). Un groupe motopropulseur selon l'invention présente l'avantage de posséder un catalyseur performant quelle que soit la phase d'utilisation du 25 véhicule, permettant de limiter les émissions de particules polluantes sans brider les performances du moteur à froid. On donne ci-après, une description détaillée, d'un mode de réalisation préféré d'un groupe motopropulseur selon l'invention, en se référant aux figures suivantes : 6 - La figure 1 est une vue schématique et partielle d'un groupe motopropulseur selon l'invention, - Les figures 2A, 2B et 20 sont trois vues en perspective et sous trois angles différents d'un groupe motopropulseur selon l'invention, 5 - Les figures 3A et 3B sont respectivement une vue en perspective d'un compresseur d'un circuit de dérivation selon l'invention, - Les figures 4A et 4B sont respectivement une vue en coupe du dessus et en coupe de côté du compresseur des figures 3A et 3B, montrant les différentes positions des soupapes d'entré et de sortie, 10 - Les figures 5A et 5B sont deux vues en coupe d'une turbine d'un groupe motopropulseur selon l'invention, pour deux positions différentes d'un clapet situé à l'entrée de ladite turbine, - La figure 6 est une vue en perspective d'un réservoir de gaz d'un circuit de dérivation selon l'invention, 15 - La figure 7 est une vue en coupe d'une vanne d'entrée d'un réservoir d'un circuit de dérivation selon l'invention, - Les figures 8A et 8B sont deux vues en perspective d'une vanne de sortie d'un réservoir d'un circuit de dérivation selon l'invention, respectivement en position ouverte et en position fermée. 20 En se référant aux figures 1, 2A, 2B et 20, un groupe motopropulseur 1 selon l'invention comprend schématiquement un circuit d'alimentation (non visible sur la figure) en air, un moteur (non visible sur la figure) et un circuit d'échappement 2 des gaz en provenance dudit moteur. Ce circuit d'échappement 2 prend naissance au niveau du moteur, et comprend dans 25 l'ordre un collecteur d'échappement 3, une turbine 4, un catalyseur 5 et une bride d'échappement 6 par laquelle sont évacués dans l'atmosphère, les gaz d'échappement traités par ledit catalyseur 5. Pour rappel, le collecteur d'échappement 3 permet d'acheminer les gaz d'échappement en provenance 7 des différentes chambres de combustion du moteur, vers un conduit de sortie commun en communication avec la turbine 4. De cette manière, les gaz d'échappement issus du collecteur d'échappement 3 passent d'abord par la turbine 4 puis par le catalyseur 5 où ils sont traités avant d'être évacués dans 5 l'atmosphère par la bride 6. Un groupe motopropulseur 1 selon l'invention comprend un circuit de dérivation 7 des gaz d'échappement, prenant naissance sur le circuit d'échappement 2, au niveau d'une sortie 8 du catalyseur 5 et débouchant dans ledit circuit d'échappement 2, en amont de la turbine 4 pour permettre à une fraction des gaz d'échappement issus du 10 catalyseur 5 d'être réacheminée en amont de la turbine 4. Les termes "amont" et sortie" sont à considérer par rapport au sens de circulation des gaz d'échappement dans le circuit d'échappement 2. Ce circuit de dérivation 7 comprend un compresseur 9 et un réservoir de gaz 10 placé en aval dudit compresseur 9, de sorte que les gaz d'échappement issus du catalyseur 5 15 passent d'abord par le compresseur 9 où ils sont comprimés, avant de pénétrer dans ledit réservoir 10, où ensuite ils sont réintroduits dans la turbine 4. Le terme "aval" est à considérer par rapport au sens de circulation des gaz dans le circuit de dérivation 7. Il est à noter que le compresseur 9 est distinct d'un compresseur amené à être couplé avec la turbine 4 pour former un 20 turbocompresseur. Ce compresseur 9 est spécifiquement dédié à la fonction spécifique consistant à comprimer dans le circuit de dérivation 7 les gaz d'échappement issus du catalyseur 5. L'entrainement du compresseur 9 peut être, soit électrique, soit mécanique. Une première tubulure 15 relie le compresseur 9 et le circuit d'échappement 2 au niveau de la sortie 8 du 25 catalyseur 5. Une deuxième tubulure 16 relie le compresseur 9 et le réservoir de gaz 10. Une troisième tubulure 17 relie le réservoir de gaz 10 au circuit d'échappement 2, en amont de la turbine 4. En se référant aux figures 3A, 3B, 4A et 4B, le compresseur 9 est de manière non limitative une pièce creuse délimitée par une paroi 11 30 sensiblement cylindrique. Il comprend un piston 12 cylindrique amené à coulisser à l'intérieur de la paroi creuse 11 sous l'effet de la pression générée par les gaz d'échappement pénétrant dans ledit compresseur 9, et sous l'effet d'une bielle associée mue par un cylindre rotatif (non visible sur les figures). 8 De cette manière, en se référant à la figure 4B le piston 12 peut se déplacer entre une position basse 18 et une position haute 19. Le flux de gaz transitant par le compresseur 9 est piloté par une soupape d'entrée 13 et par une soupape de sortie 14. La soupape d'entrée 13 est insérée dans la première 5 tubulure 15 au niveau de l'entrée du compresseur 9, et la soupape de sortie 14 est insérée dans la deuxième tubulure 16 au niveau de la sortie du compresseur 9. Chacune desdites soupapes 13, 14 est constituée par une pièce allongée, apte à se déplacer en translation le long de son axe longitudinal entre une position d'ouverture et une position de fermeture 10 obturant la tubulure 15, 16 dans laquelle elle est montée. En se référant à la figure 3°, la soupape d'entrée 13 et la soupape de sortie 14 sont placées à la même altitude au sein du compresseur 9, et font entre elles un angle inférieur à 90° et préférentiellement inférieur à 80°. Les couples de soupapes 13, 14 apparaissant aux figure 4A et 4B 15 matérialisent les deux positions d'ouverture et de fermeture d'une même soupape 13, 14. Les gaz d'échappement prélevés après la sortie 8 du catalyseur 5, entrent dans le compresseur 9 à travers la soupape d'admission 13. Quand le piston 12 descend sous l'effet de la bielle, il crée une dépression dans le 20 compresseur 9, qui est inférieure à la pression des gaz dans le circuit d'échappement 2. La différence entre les deux pressions (dans le cylindre 9 et dans le circuit d'échappement 2) génère une force qui a comme conséquence le déplacement de la soupape d'admission 13 depuis la position de fermeture vers la position d'ouverture. 25 Quand le piston 12 monte sous l'effet de la bielle pour comprimer le gaz, la pression à l'intérieur du compresseur 9 devient supérieure à la pression régnant dans la deuxième tubulure 16, et donc la différence de pression entre les deux, a une action inverse sur la soupape d'admission 13, qui revient dans la position de fermeture. La soupape de sortie 14 du compresseur 9 fonctionne 30 en sens inverse de celui de la soupape d'admission 13. Autrement dit, quand le gaz est comprimé dans le compresseur 9, la pression dans ledit compresseur 9 est supérieure à celle régnant dans le réservoir 10 de stockage, la soupape de sortie 14 s'ouvre et permet le passage des gaz comprimés dans 9 le compresseur 9 vers le réservoir 10. Quand la pression dans le compresseur 9 baisse et devient inferieure à la pression régnant dans le réservoir 10, la soupape de sortie 14 reprend sa position de fermeture. En se référant à la figure 6, le réservoir de gaz 10 est de forme 5 allongée et sensiblement cylindrique, et possède deux extrémités 20, 21 arrondies. Le réservoir 10 est conçu pour stocker les gaz comprimés provenant du compresseur 9. Pour éviter que les gaz d'échappement prélevés à chaud ne refroidissent pendant la durée qui sépare leur stockage de leur réintroduction dans la turbine, il est nécessaire de pouvoir isoler le réservoir 10 10. A cette fin, une vanne d'entrée 22 est placée sur la deuxième tubulure 16 entre le compresseur 9 et ledit réservoir 10, et une vanne de sortie 23 est placée sur la troisième tubulure 17, entre le réservoir 10 et le circuit d'échappement 2 au niveau d'une zone située en amont de la turbine 4. En se référant à la figure 7, la vanne d'entrée 22 est nécessaire pour 15 maintenir les gaz comprimés à l'intérieur du réservoir 10, lorsque le compresseur 9 s'arrête de fonctionner. La vanne d'entrée 22 est commandée électriquement, et possède un piston 24 coulissant, apte à passer d'une position de fermeture correspondant à une position rétractée, à une position d'ouverture 26 correspondant à une position déployée. Préférentiellement, 20 cette vanne d'entrée est pilotée en tout ou rien. Cette vanne d'entrée 22 possède également, comme autre fonctionnalité une reprise de la soupape de sortie 14 du compresseur 9. En se référant aux figures 8A et 8B, la vanne de sortie 23 du réservoir 10 permet de contrôler le débit du gaz qui sort du réservoir 10. Cette vanne 25 de sortie 23 est commandée électriquement, et possède un volet 27 monté pivotant entre une position d'ouverture, telle qu'illustrée à la figure 8A, et une position de fermeture telle qu'illustrée à la figure 8B. En se référant à la figure 6, la turbine 4 peut être équipée d'un clapet 28 positionné à l'intersection de la troisième tubulure 17 et du circuit 30 d'échappement 2. Ce clapet 28 est monté pivotant entre une première position pour laquelle il obture le circuit d'échappement 2 et ouvre la troisième tubulure 17 pour permettre d'injecter dans la turbine 4 des gaz comprimés à haute température en provenance du réservoir 10, et une deuxième position 10 pour laquelle il obture la troisième tubulure 17 et ouvre le circuit d'échappement 2. Ce clapet 28 fait partie intégrante d'une électrovanne. Même s'il n'apparait pas sur les figures, un deuxième clapet est placé à l'intersection de la première tubulure 15 et du circuit d'échappement 2 au 5 niveau de la sortie 8 du catalyseur 5. Ce clapet est monté pivotant entre une première position pour laquelle il obture le circuit d'échappement 2 et ouvre la première tubulure 15 pour permettre de dévier les gaz d'échappement vers le compresseur 9 du circuit de dérivation 7, et une deuxième position pour laquelle il obture la première tubulure 15 et ouvre le circuit d'échappement 2, 10 pour permettre aux gaz d'échappement d'être évacués hors du véhicule via la bride d'échappement 5. Ces deux clapets 28 sont pilotés pour permettre à un instant donné, soit d'acheminer les gaz d'échappement vers le compresseur 9 du circuit de dérivation 7, soit de libérer les gaz d'échappement comprimés depuis le 15 réservoir 10 vers le circuit d'échappement 2 en amont de la turbine. Plus précisément, le stockage des gaz est réalisé lors des phases de fonctionnement à chaud du moteur, et la libération est réalisée lors des phases de fonctionnement à froid du moteur. Le compresseur 9 équipé de ses soupapes 13, 14 et de son piston 12, 20 la vanne d'entrée 22, la vanne de sortie 23 et le clapet 28 sont pilotés automatiquement par une unité centrale de calcul embarquée dans le véhicule. En fonction de certains paramètres, tels que par exemple, la température des gaz d'échappement provenant du moteur en amont de la turbine, la température du catalyseur 5, la phase d'utilisation du véhicule 25 (démarrage à froid, phase de roulage), cette unité centrale va permettre de stocker une réserve de gaz comprimés dans le réservoir 10, et de libérer cette quantité de gaz comprimé lorsqu'il est nécessaire d'alimenter REVENDICATIONS1. Groupe motopropulseur (1) d'un véhicule comprenant un moteur à combustion interne et un circuit d'échappement (2) des gaz en provenance dudit moteur, ledit circuit comportant une turbine (4) et un catalyseur (5) positionné en aval de ladite turbine (4), caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de dérivation (7) des gaz d'échappement prenant naissance sur le circuit d'échappement (2) en aval du catalyseur (5) et débouchant dans ledit circuit d'échappement (2) en amont de la turbine (4), et en ce que le circuit de dérivation (7) comprend un compresseur (9) et un réservoir (10) positionné en aval dudit compresseur, et est destiné à introduire des gaz comprimés en amont de la turbine (4). 2. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première tubulure (15) reliant le circuit d'échappement (2, 8) en aval du catalyseur (5) et le compresseur (9), une deuxième tubulure (16) reliant le compresseur (9) et le réservoir (10), et une troisième tubulure (17) reliant le réservoir (10) au circuit d'échappement (2) en amont de la turbine (4). 3. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (7) comprend une vanne d'entrée (22) située sur la deuxième tubulure (16) et une vanne de sortie (23) située sur la troisième tubulure (17), et en ce que lesdites deux vannes (22, 23) permettent de contrôler l'admission et le stockage des gaz comprimés dans le réservoir (10) et leur libération dudit réservoir (10). 4. Groupe motopropulseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne d'entrée (22) et la vanne de sortie (23) sont contrôlées électriquement. 5. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la vanne d'entrée (22) et la vanne de sortie 12 (23) permettent de faire varier le débit des gaz respectivement à l'entrée et à la sortie du réservoir (10). 6. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le compresseur (9) est doté d'une soupape 5 d'entrée (13) placée dans la première tubulure (15) et fonctionnant en liaison avec les gaz prélevés en aval du catalyseur (5), et d'une soupape de sortie (14) placée dans la deuxième tubulure (16) et contrôlant les gaz comprimés destinés à être acheminés vers le réservoir (10). 7. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 6, caractérisé en ce que l'entrainement du compresseur (9) est réalisé au moyen d'une source électrique ou mécanique. 8. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le volume du réservoir (10) de gaz est compris entre 0.5 litre et 20 litres. 15 9. Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (7) comprend un moyen de fermeture placé en amont du compresseur (9) et un moyen de fermeture placé en aval du réservoir (10) de façon à contrôler les phases de passage des gaz d'échappement dans le circuit de dérivation 20 (7) lors des phases de fonctionnement à chaud du moteur et les phases de libération des gaz comprimés dans le circuit d'échappement (2) en amont de la turbine (4) lors des phases de fonctionnement à froid du moteur. 10.Groupe motopropulseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 25 8, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (7) est piloté par une unité centrale de calcul.