Brevet FR3078365A1 — publié le 20190830

DISPOSITIF DE CONTROLE ET DE GESTION DE L'INJECTION D'AIR A L'ECHAPPEMENT Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un moteur thermique à allumage 5 commandé avec une injection d'air à l'échappement. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection d'air à l'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. La présente invention concerne aussi un procédé d'injection d'air à l'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé. 10 Etat de la technique De manière connue, les moteurs thermiques essentiellement des moteurs à allumage commandé comportent un dispositif d'injection d'air à l'échappement pour supporter les normes très sévères en termes des niveaux acceptés de rejets de polluants tels que les hydrocarbures et oxydes d'azote 15 (HC+NOx). Le principe de ce dispositif consiste en injecter de l'air en phase de mise en action du catalyseur lors du démarrage à froid du moteur, l'air injecté permettant de post-oxyder les composés polluants et en même temps augmenter la température à l'échappement pour améliorer l'efficacité des systèmes de dépollution. 20 De plus, l'injection d'air dans les conduits d'échappement d'un moteur à explosion, de telle façon qu'il se mélange aux gaz d'échappement, permet d'obtenir une oxydation subséquente, dans les gaz d'échappement eux-mêmes, de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures non brûlés ; il en résulte une réduction de l'émission de gaz polluants dans l'atmosphère par le moteur. Pour 25 favoriser l'oxydation, il y a intérêt à ce que les gaz soient encore très chauds ; pour cette raison, il est opportun d'injecter l'air dans chacun des conduits d'échappement ménagés dans la tête du moteur, dans une région très proche de la soupape d'échappement. Il est très important d'amener l'air frais injecté au plus 2 près des soupapes échappement pour profiter plus efficacement de la température des gaz d'échappement, la post oxydation se réalise dans des bonnes conditions à des températures importantes. Ce dispositif est généralement utilisé que lors du démarrage du moteur à froid, pendant des durées allant jusqu'à 30s. Cependant l'introduction d'un volume supplémentaire en lien avec les conduits d'échappement peut affecter les performances du moteur. Le volume supplémentaire d'air amené peut avoir un effet sur la pleine charge du moteur, donc les performances du moteur. Il est opportun de réaliser une injection d'air en phase avec l'échappement de chacun des cylindres et de séparer les bouffées de pression instantanée à l'échappement : ainsi les bouffées des cylindres « voisins » ne peuvent pas se rencontrer générant une vidange non désirée. Par exemple, dans le cas d'un moteur avec 4 cylindres à allumage commandé, l'ordre d'allumage est généralement 1,3,4,2; c'est-à-dire que de façon successive selon cet ordre les allumages dans lesdits sont commandés. Dans cet ordre également, les soupapes d'échappement vont s'ouvrir successivement pour laisser s'échapper les gaz brulés. Il est connu de séparer les cylindres en deux groupes pour optimiser les injections d'air, un groupe formé par les cylindres 1 et 4 et un second groupe formé par les cylindres 2 et 3. Le document FR2549528-A1 décrit un dispositif d'injection d'air à commande fluidique en phase à l'échappement pour un moteur à combustion interne pour synchroniser de façon automatique l'injection d'air à chaque cylindre ou à chaque groupe de cylindre à l'aide de dispositifs de commande de type fluidique sans recours à des organes mécaniques mobiles. Le dispositif est complexe et présente une efficacité variable. Il est donc nécessaire d'assurer une étanchéité dudit dispositif après son arrêt et empêcher l'air frais de communiquer avec le circuit d'échappement, notamment à proximité des soupapes d'échappement. Une solution connue consiste à couper l'amenée d'air au plus près des piquages dans les conduits échappement pour diminuer ainsi les volumes supplémentaires d'air frais au voisinage des soupapes d'échappement. Ladite solution est complexe et coûteuse. 3 La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs de l'art antérieur et un des objets de la présente invention concerne un dispositif d'injection d'air dans un circuit d'échappement de moteur thermique à allumage commandé de véhicule automobile. 5 La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection d'air frais dans un circuit d'échappement à proximité de soupapes d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé. Selon l'invention, l'apport d'air au plus près des soupapes se réalise via un circuit dans la culasse composé d'une rampe commune et des piquages individuels devant chacune des 10 soupapes échappement. Présentation de l'invention La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection d'air frais dans un circuit d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé, comprenant : 15 - une culasse dans laquelle sont creusés des conduits d'échappement de gaz brulés dont les ouvertures sont contrôlées par des soupapes d'échappement, - un moyen de mesure de température du moteur, - une unité de contrôle, 20 caractérisé en que le dispositif comprend une rampe d'alimentation d'air frais creusée dans la culasse, agencée à proximité immédiate des soupapes d'échappement et connectée aux conduits d'échappement par des passages d'alimentation contrôlés par un système d'ouverture/fermeture mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture des passages, lesdits passages 25 d'alimentation sont aptes à être ouverts lors du démarrage du moteur lorsque la température dudit moteur est sous un seuil de température. De manière avantageuse, le dispositif d'injection d'air frais à l'injection comprend des passages d'air vers les conduits d'échappement de gaz depuis une rampe d'air creusée selon l'axe longitudinal du moteur et un système 4 d'ouverture/fermeture desdits passages pour permettre l'injection d'air frais dans les conduits d'échappement au démarrage du moteur quand ledit moteur est froid c'est-à-dire quand la température dudit moteur est inférieure à un seuil de température. Selon l'invention, la rampe est agencée à proximité immédiate des 5 soupapes d'échappement ce qui réduit voire interdit les risques de vidange des circuits entre les différents conduits d'échappement. De plus, l'ouverture des passages est effectuée au démarrage du moteur seulement suivant des conditions de température du moteur pour optimiser la réduction de rejet de polluants. 10 Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la rampe d'alimentation est sensiblement tubulaire et rectiligne. De manière avantageuse, la rampe est tubulaire et rectiligne ce qui facilite son obtention par exemple par perçage ou par usinage. - la rampe s'étend parallèlement à l'axe longitudinal du moteur. 15 De manière avantageuse, la rampe s'étend parallèlement à l'axe longitudinal du moteur pour relier les conduits d'échappement des différents cylindres du moteur disposés sensiblement en ligne. - le système d'ouverture/fermeture des passages d'air comporte un moteur apte à faire pivoter un conduit tubulaire mobile en pivotement, logé dans 20 la rampe d'alimentation d'air. De manière avantageuse, le système d'ouverture /fermeture des passages d'air frais dans les conduits d'échappement comprend un conduit tubulaire mobile en pivotement autour d'un axe confondu avec l'axe de la rampe d'alimentation en air. Le pivotement du conduit tubulaire permet ainsi de manière 25 simple de cacher les passages d'air. De manière avantageuse, le dispositif comprend un moteur apte à faire pivoter le conduit tubulaire entre une position de fermeture des conduits d'alimentation et une position d'ouverture desdits conduits. Le système est simple et facile à réaliser. Ledit moteur est agencé à une extrémité du conduit 30 tubulaire et fixé au carter de la culasse. 5 - le conduit tubulaire comporte de orifices radiaux aptes à venir en vis-à-vis des bouches des passages d'alimentation. De manière avantageuse, le conduit tubulaire du système d'ouverture/fermeture comporte des orifices radiaux aptes à venir en vis-à-vis 5 des bouches des passages d'alimentation pour injecter de l'air frais depuis la rampe d'alimentation. De cette façon, les passages d'alimentation en air sont fermés par défaut. - les orifices sont alignés sur un axe parallèle à l'axe de la rampe. De manière avantageuse, les orifices radiaux du conduit tubulaire du 10 système d'ouverture/fermeture sont alignés selon un axe parallèle à l'axe de la rampe pour permettre l'alimentation de tous les conduits d'échappement de façon synchronisée pour faciliter la procédure d'injection d'air frais dans les conduits d'échappement au plus près des soupapes d'échappement. - les orifices sont alignés par groupe selon des axes parallèles à l'axe de 15 la rampe. De manière avantageuse, les orifices radiaux sont alignés par groupes selon des axes parallèles à l'axe de la rampe. Selon ce mode de réalisation, le dispositif d'ouverture/fermeture permet une injection d'air dans les conduits d'échappement de façon optimisée par groupe de cylindres dans lesquels la 20 combustion a lieu. L'invention concerne également un : - Procédé d'injection d'air dans le circuit d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé avec un dispositif d'injection d'air, ledit procédé comporte une étape préalable de mesure de température du moteur avant de 25 déclencher l'ouverture des passages d'air à l'échappement dudit moteur lorsque la température du moteur est inférieure à un seuil de température prédéfini. De manière avantageuse, le procédé d'injection d'air frais autorise une injection d'air dans les conduits d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé seulement après une vérification d'une condition de 6 température du moteur inférieure à un seuil de température pour préciser le caractère froid dudit moteur, Ledit procédé permet alors une réduction des rejets polluants généralement générés par une phase de montée en température du moteur. 5 - le procédé est déclenché au démarrage du moteur thermique. De manière avantageuse, le procédé est déclenché avec le démarrage du moteur depuis une situation d'arrêt du moteur pour réduire les rejets d'émissions polluantes générées au démarrage du moteur thermique. - le procédé autorise une ouverture des passages d'alimentation d'air 10 vers les conduits d'échappement pendant une durée inférieure à un seuil prédéfini. De manière avantageuse, le procédé autorise l'ouverture des passages d'air frais vers les conduits d'échappement pendant une durée inférieure à un seuil prédéfini pour avoir une optimisation des réductions des rejets de polluants 15 et écarter des problèmes d'injection d'air frais à l'échappement lorsque le moteur est en charge par exemple. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention 20 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de culasse de moteur thermique. - la figure 2 est une vue schématique de coupe selon un plan transversal. Description détaillée des figures 25 Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. 7 Dans la description qui suit, les termes inférieur/supérieur, dessous/dessus sont relatif à un axe vertical orthogonal à un plan de joint de culasse dit horizontal et posé en appui sur un carter-cylindres d'un moteur thermique. 5 Une culasse 10 de moteur thermique représentée en figures 1 à 3, comprend des conduits d'échappement 11 pour acheminer des gaz brulés dans des chambres à combustion, chacune des chambres étant délimitée par un cylindre un piston qui coulisse en un mouvement de va-et-vient dans ledit cylindre et une partie inférieure de la culasse. Dans la partie inférieure de la culasse est 10 creusé un plafond de cylindre sensiblement conique dans lequel débouchent un conduit d'alimentation d'air et un conduit d'échappement des gaz brulés issus de la combustion de mélange de comburant. Les débouchés des conduits d'alimentation en air et d'échappement de gaz brulés sont contrôlés respectivement par des soupapes d'admission 16 et d'échappement 12 qui sont 15 aptes à obturer/ouvrir chacun des conduits afin de connecter aérauliquement la chambre de combustion avec ledit conduit. Les conduits d'échappement débouchent de la culasse par une face d'échappement 14 du moteur opposée à une face d'admission 13. Ledit moteur thermique est de manière préférentielle à allumage 20 commandé et muni d'un dispositif 20 d'injection d'air à l'échappement. Tel que représenté en figures 2 et 3, ledit dispositif d'injection d'air 20 comprend une rampe d'alimentation 21 en air frais creusée ou percée dans la culasse 10. Ladite rampe est agencée côté face échappement 14 du moteur. Ladite rampe 21 est sensiblement cylindrique et rectiligne. Elle s'étend selon un 25 axe 22 longitudinal parallèle à l'axe X longitudinal du moteur, de manière préférentielle à proximité des conduits d'échappement 11 de gaz brulés et des soupapes d'échappement 12 ; l'axe longitudinal X du moteur, par exemple, joint les centres des cercles formés par les projections des plafonds des cylindres sur le plan de joint de culasse 15. 30 Ladite rampe d'alimentation 21 est connectée à un circuit d'alimentation en air frais (non représenté) grâce par exemple au connecteur 23 qui s'étend 8 radialement à la rampe 21 et de manière préférentielle à une extrémité de ladite rampe. Selon un autre mode de réalisation, le connecteur peut être dans le prolongement de la rampe d'alimentation selon l'axe longitudinal 22. 5 La rampe d'alimentation 21 est prolongée radialement par des passages d'alimentation d'air 24 jusqu'aux conduits d'échappements de gaz brulés 11. De manière préférentielle les passages 24 d'air frais débouchent dans les conduits d'échappement 11 à proximité immédiate des soupapes d'échappement 12 c'est-à-dire que la distance entre une des soupapes d'échappement et le 10 débouché du passage 24 dans le conduit d'échappement 11 dirigé vers ladite soupape d'échappement est la plus faible possible, de l'ordre de quelques millimètres. L'air frais sera alors mélangé de façon optimale avec les gaz brulés afin d'obtenir une oxydation optimale des gaz à l'échappement du moteur. Lesdits passages d'air 24 sont contrôlés par un système 15 d'ouverture/fermeture 25 mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture desdits passages 24. Selon la figure 5, le système d'ouverture/fermeture 25 comporte un conduit tubulaire cylindrique 26 logé dans la rampe d'alimentation 21. Ledit conduit tubulaire 26 est coaxial avec la rampe d'alimentation 21. Le diamètre 20 extérieur dudit conduit est légèrement inférieur au diamètre intérieur de la rampe d'alimentation pour permettre un pivotement autour de l'axe longitudinal 22 du conduit tubulaire 26 à l'intérieur de la rampe 21. De manière préférentielle, des joints annulaires (non représentés) sont disposés autour du conduit tubulaire 26, entre ledit conduit 26 et la rampe 25 d'alimentation 21 pour assurer une étanchéité aéraulique pour chacune des ouvertures. Selon un mode de réalisation non représenté, le conduit tubulaire 26 est de longueur sensiblement égale à la longueur de la rampe d'alimentation 21. Ledit conduit tubulaire présente alors une ouverture en vis-à-vis avec le 30 débouché du connecteur 23 dans la rampe d'alimentation. 9 Selon un autre mode de réalisation, le conduit tubulaire 26 présente une longueur inférieure à la longueur de la rampe d'alimentation 21 et de manière préférentielle, le conduit tubulaire 26 ne vient pas cacher ou obstruer le débouché du connecteur 23 dans la rampe d'alimentation 21. Le débouché du connecteur 5 23 dans la rampe d'alimentation est donc totalement libre en permanence. Le conduit tubulaire 26 comprend à une extrémité dite d'actionnement un moyen d'actionnement 27 du pivotement qui peut être un axe transversal audit conduit ; ledit moyen d'actionnement est connecté à un moteur 28 commandé par une unité de contrôle 29. L'unité de contrôle 29 peut ainsi commander le 10 pivotement du conduit tubulaire dans les deux sens de rotation. Le conduit tubulaire 26 comporte également des orifices radiaux 30 disposés à la même position selon l'axe longitudinal 22 que les bouches 31 des passages d'alimentation 24 d'air frais ; de manière préférentielle, le nombre d'orifices radiaux 30 est égal au nombre de passages d'alimentation 24. Lesdits 15 orifices radiaux 30 sont aptes à venir en vis-à-vis des bouches 31 des passages d'alimentation 24. Les bouches 31 des passages d'alimentation peuvent donc être cachées ou obstruées par le conduit tubulaire 26 pour empêcher le passage d'air frais vers les conduits d'échappement 11, ou ouvertes lorsque les orifices radiaux 30 dudit conduit viennent en regard avec les bouches 31 des passages 20 lors du pivotement dudit conduit tubulaire 26 pour amener de l'air frais vers les conduits d'échappement 11. Selon un mode de réalisation, les orifices radiaux 30 sont alignés sur la paroi périphérique du conduit tubulaire 26 selon un axe parallèle à l'axe longitudinal 22. De cette manière, tous les passages d'alimentation d'air frais 24 25 sont ouverts ou fermés de façon synchronisée. Selon un autre mode de réalisation, les orifices radiaux 30 sont alignés par groupe sur la paroi périphérique du conduit tubulaire 26 selon plusieurs axes tous parallèles à l'axe longitudinal 22 de la rampe d'alimentation. Les orifices radiaux 30 sont rassemblés ainsi dans plusieurs groupes suivant le 30 fonctionnement du moteur pour optimiser les injections d'air à l'échappement. Par exemple pour un moteur comportant quatre cylindres, les orifices radiaux 10 associés aux passages d'air 24 vers les conduits d'échappement 11 d'un premier groupe de cylindres formé par les cylindres 1 et 4 sont alignés selon un premier axe d'alignement parallèle à l'axe longitudinal 22. Les orifices radiaux restants associés aux passages d'air vers les conduits d'échappement 11 d'un second 5 groupe de cylindres formé par les cylindres 2 et 3 sont aussi alignés mais selon un second axe d'alignement longitudinal, également parallèle à l'axe longitudinal 22 de la rampe mais distinct du premier axe d'alignement. Le conduit tubulaire 26 peut ainsi pivoter depuis une position de fermeture vers une première position d'ouverture pour ouvrir les passages d'air du premier groupe de cylindres tout en 10 gardant les passages d'air vers le second groupe de cylindres fermés, puis vers une seconde position d'ouverture des passages d'air du second groupe de cylindres en fermant les passages d'air du premier groupe de cylindres. Le dispositif d'injection d'air 20 à l'échappement comprend l'unité de contrôle 29 pour commander le moteur 28 apte à actionner en pivotement le 15 conduit tubulaire 26. Ladite unité de contrôle 29 déclenche l'injection d'air frais à l'échappement à la vérification des conditions suivantes : a. Un démarrage du moteur thermique à allumage commandé. b. Le moteur thermique est froid ce qui est similaire au fait que la température du moteur thermique est inférieure à un seuil de température de 20 déclenchement prédéfini. L'unité de contrôle 29 déclenche le procédé d'injection d'air frais à l'échappement à chaque démarrage dudit moteur. L'unité de contrôle effectue une mesure préalable de la température du moteur grâce à un moyen de mesure de température telle une sonde de 25 température et la valide par rapport au seuil de température de déclenchement. Si la température du moteur est supérieure audit seuil, l'unité de contrôle 29 ne déclenche pas d'injection d'air à l'échappement. Par exemple, lors des arrêts /démarrages automatiques successifs du moteur, la température du moteur peut être suffisamment élevée pour ne pas nécessiter d'injection d'air 30 frais à l'échappement pour réduire les rejets de polluants. 11 Si la température du moteur est inférieure au seuil de température de déclenchement, l'unité de contrôle 29 déclenche l'injection d'air à l'échappement pendant une durée maximale prédéfinie. Ladite durée maximale est de l'ordre de 30s. Au-delà de la durée maximale, l'unité de contrôle 29 demande de ramener 5 le système d'ouverture/fermeture des passages d'air en position fermée. De manière préférentielle, l'unité de contrôle 29 demande de ramener le système d'ouverture/fermeture des passages d'air en position fermée à chaque arrêt du moteur thermique. L'objectif est atteint : le dispositif d'injection d'air à l'échappement 10 autorise une injection d'air frais à l'échappement vers des conduits d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé de façon simple et fiable et relativement peu couteuse. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection d'air frais (20) dans un circuit d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé, comprenant : - une culasse (10) dans laquelle sont creusés des conduits d'échappement (11) de gaz bru lés dont les ouvertures sont contrôlées par des soupapes d'échappement (12), - un moyen de mesure de température du moteur, - une unité de contrôle (29), caractérisé en que ledit dispositif (20) comprend une rampe d'alimentation (21) d'air frais creusée dans la culasse, agencée à proximité des soupapes d'échappement (12) et connectée aux conduits d'échappement (11) par des passages d'alimentation (24) contrôlés par un système d'ouverture/fermeture (25) mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture des passages d'alimentation (24), lesdits passages d'alimentation sont aptes à être ouverts lors du démarrage du moteur lorsque la température dudit moteur est sous un seuil de température. 2. Dispositif d'injection (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rampe d'alimentation (21) est sensiblement cylindrique et rectiligne. 3. Dispositif d'injection (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en que la rampe d'alimentation (21) s'étend parallèlement à l'axe longitudinal X du moteur. 4. Dispositif d'injection (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'ouverture/fermeture (25) comporte un conduit tubulaire (26) mobile en pivotement et logé dans la rampe d'alimentation (21). 5. Dispositif d'injection (20) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit tubulaire (26) comporte des orifices radiaux (30) aptes à venir en vis-à-vis des bouches des passages d'alimentation (24). 6. Dispositif d'injection (20) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les orifices radiaux (30) sont alignés selon un axe parallèle à l'axe longitudinal (22) de la rampe d'alimentation (21). 13 7. Dispositif d'injection (20) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les orifices radiaux (30) sont alignés par groupes selon des axes parallèles à l'axe longitudinal (22) de la rampe d'alimentation (21). 8. Procédé d'injection d'air dans le circuit d'échappement d'un moteur 5 thermique à allumage commandé avec un dispositif (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape préalable de mesure de température du moteur avant de déclencher l'ouverture des passages d'air à l'échappement dudit moteur lorsque la température du moteur est inférieure à un seuil de température de déclenchement prédéfini. 10 9. Procédé d'injection selon la revendication 8, caractérisé en ce que le procédé est déclenché au démarrage du moteur thermique. 10. Procédé d'injection selon la revendication selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que ledit procédé autorise une ouverture des passages d'alimentation d'air vers les conduits d'échappement 15 pendant une durée inférieure à un seuil prédéfini.