Brevet FR3089557A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Ensemble comprenant un moteur et un com- presseur électrique configuré pour chauffer les gaz d'échappement [0001] La présente invention concerne le domaine du chauffage des gaz d'échappement d'un moteur, notamment thermique, et plus particulièrement un ensemble comprenant un moteur, notamment thermique, et un compresseur électrique configuré pour chauffer les gaz d'échappement. [0002] La présente invention concerne l'ensemble des moteurs thermiques essences, diesel, gaz, éthanol, qu'ils soient suralimentés ou pas, moteurs atmosphériques et à pile à combustible. [0003] Un ensemble moteur thermique comporte en sortie du moteur des moyens permettant de catalyser les éléments polluants, telles que les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone ou les oxydes d'azote (NOx), issus de la combustion du carburant dans le moteur. L'action de ces catalyseurs ne s'amorce qu'à partir d'environ 350°C. Ainsi lors de de démarrage à froid le post traitement de ces éléments polluants n'est pas réalisé entièrement ce qui pose un problème en terme de pollution et de respect des normes. [0004] Il existe aujourd'hui une solution pour diminuer cette génération d'hydrocarbures imbrûlés, lors des démarrages du véhicule, qui consiste à effectuer une phase d'échauffement du moteur qui va, en augmentant la température échappement, permettre une meilleure efficacité du catalyseur, plus rapidement. Un inconvénient de cette technique provient du fait que la phase d'échauffement est très couteusc en carburant. Une autre solution consiste à utiliser une pompe à air dans le même but. Une telle solution à pour inconvénient de nécessiter l'ajout d'un élément supplémentaire, la pompe à air, qui ne sera pas utilisée très souvent, cc qui est couteux, et de plus, encombrant. [0005] La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des systèmes de l'art antérieur en proposant un ensemble pour moteur, notamment thermique, comprenant un compresseur électrique permettant d'améliorer à la fois les émissions polluantes et la consommation de carburant lors de l'utilisation du véhicule et ne nécessitant pas d'installation de dispositif supplémentaire. [0006] Pour cela la présente invention propose un ensemble moteur comprenant : un conduit d'admission s'étendant entre une entrée d'air et un moteur, un moteur, un conduit d'échappement disposé en sortie du moteur, un compresseur électrique disposé sur le conduit d'admission, le compresseur électrique étant configuré pour permettre de chauffer des gaz d'échappement, via un conduit de réchauffage des gaz 2 d'échappement, débouchant dans le conduit d'échappement. [0007] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble comprend au moins une vanne, disposée en amont du moteur et en aval du compresseur électrique, régulant le débit des gaz d'admission dans le moteur. [0008] Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique est intégré dans un premier circuit de dérivation comportant une première vanne configure pour permettre la recirculation d'une partie des gaz issus du compresseur électrique à travers le compresseur [0009] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble comprend une deuxième vanne disposée sur le conduit de chauffage. [0010] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble comprend une troisième vanne est disposée sur un deuxième conduit issu d'un conduit en sortie du compresseur. [0011] Selon un mode de réalisation de l'invention, les 3 vannes étant des vannes on/off, la troisième vanne étant configurée pour empêcher au flux d'air circulant dans le conduit de chauffage de revenir vers le compresseur électrique. [0012] L'invention concerne également un procédé de chauffage des gaz d'admission mettant en oeuvre l'ensemble selon l'invention, comprenant quatre modes de fonctionnement : [0013] - un premier mode de fonctionnement se fait avec les troisièmes et premières vannes ouvertes, et la deuxième vanne fermée, l'air issu du compresseur circulant via le conduit de chauffage jusqu'au conduit d'échappement, [0014] - un deuxième mode de fonctionnement se fait avec les troisièmes et premières vannes fermées, et la deuxième vanne ouverte, l'air issu du compresseur circulant via le conduit d'admission jusqu'au moteur, [0015] - un troisième mode de fonctionnement se fait avec la troisième vanne fermée et la première et deuxième vanne ouvertes, l'air du conduit d'admission circulant directement jusqu'au moteur, [0016] - un quatrième mode de fonctionnement qui est un mode par défaut, la troisième vanne fermée et la première et deuxième vanne ouvertes, l'air du conduit d'admission circulant directement jusqu'au moteur. [0017] L'invention concerne également l'utilisation de l'ensemble selon l'invention, pour chauffer les gaz d'échappement lors d'une phase de démarrage. [0018] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et ap- paraîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles: [0019] - [fig.1] est une représentation schématique d'un ensemble moteur selon l'invention, [0020] - [fig.2] est une représentation schématique des quatre modes de fonctionnement de 3 l'ensemble selon l'invention. [0021] La présente invention concerne un moteur, notamment thermique, équipé d'un com- presseur électrique utilisé pour chauffer les gaz d'échappement pendant la phase de démarrage ou pendant la phase préalable au démarrage. [0022] Dans la suite de la description, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non, centrifuge ou radial par exemple, entraîné par un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur. [0023] Plus précisément, selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique comporte un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor selon la terminologie anglaise). Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique comporte un moteur à aimants permanents. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur est un compresseur électrique de suralimentation de moteur thermique, atmosphérique ou à pile à combustible. [0024] Dans le cadre de l'invention, on entend par phase de démarrage la phase au cours de laquelle le moteur est mis en fonctionnement. [0025] L'ensemble 1 moteur concerné par la présente invention, dont un mode de réalisation est illustré sur figure 1, comprend un moteur 2 thermique à combustion interne de véhicule automobile et un compresseur électrique 5. [0026] Ce moteur 2 comporte une chambre de combustion 3 comportant une pluralité de cylindres destinée à recevoir un mélange de comburant et de carburant, et par exemple l'essence ou le diesel comme carburant et de l'air pur ou un mélange air/gaz de recirculation comme comburant. [0027] La combustion dans les cylindres génère le travail du moteur 2. Le fonctionnement du moteur 2 est classique : les gaz sont admis dans la chambre de combustion 3, y sont comprimés, brûlés puis expulsés sous forme de gaz d'échappement. [0028] Ce moteur 2 a une entrée reliée à un conduit d'admission 4 et une sortie reliée à un circuit d'échappement de gaz 10. [0029] L'entrée 11 du conduit d'admission 4 définit l'entrée par laquelle l'air frais pénètre dans l'ensemble 1 tandis que la sortie 12 du circuit d'échappement 10 définit la sortie par laquelle les gaz d'échappement sont évacués de l'ensemble 1. [0030] Le conduit d'admission 4 débouche dans un collecteur d'admission 7 qui forme ainsi une boîte d'entrée des gaz dans la chambre de combustion 3 du moteur 2. [0031] On entend par conduit d'admission 4 la canalisation d'admission pour les gaz d'admission, dont le flux est représenté par la flèche FI, cette canalisation étant située entre l'entré 11 d'air et le moteur 2. [0032] Selon un mode de réalisation de l'invention le conduit d'admission 4 comporte un compresseur mécanique 111 des gaz d'admission, qui est par exemple un turbocom- presseur. [0033] Selon un mode de réalisation de l'invention, en amont du collecteur d'admission 7 des gaz dans le moteur 2, le conduit d'admission 4 comporte une vanne 8 comportant un obturateur de type papillon dont la fonction est de régler le débit de gaz pour la régulation du régime moteur. Cette vanne 8 est commandée par une unité de commande moteur (également appelé ECU qui signifie Engine Control Unit selon la terminologie anglaise), bien connue de l'homme du métier, et permet de réguler la quantité d'air introduite dans le moteur. [0034] Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne 8 papillon est en aval du com- presseur électrique 5. [0035] La sortie du moteur 2 est formée par un collecteur 9 des gaz d'échappement. Ce dernier est relié à une voie ou canalisation 124 d'échappement des gaz faisant partie du circuit d'échappement de gaz. [0036] Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'échappement 10 comporte une turbine 121, solidaire en rotation du compresseur mécanique 111 des gaz d'admission et formant avec lui un turbocompresseur. La turbine 121 est entraînée par les gaz d'échappement de la voie d'échappement 124, dont le flux est schématisé par la flèche F2. Le flux traverse un catalyseur 122. [0037] Comme illustré sur la figure 1, l'ensemble 1 comprend un compresseur électrique 5. Ce compresseur 5 est entraîné par un moteur électrique non représenté dont la commande est par exemple effectuée par l'unité de commande moteur. Le compresseur électrique 5 est disposé dans la boucle du conduit d'admission 4. [0038] Le compresseur électrique 5 est disposé en amont de la vanne 8 papillon, et en aval du compresseur mécanique 111. [0039] Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique 5 est intégré dans un circuit de dérivation 51 (également appelé circuit by-pass selon la terminologie anglaise) comportant une première vanne 21. Le compresseur électrique peut ainsi être court-circuité par ce système de dérivation. Cette première vanne 21 est par exemple une vanne papillon. Cette première vanne 21 est par exemple commandée par l'unité de commande du moteur. Le circuit de dérivation 51 en association avec la première vanne 21 permet en général aux gaz d'admission arrivant via le circuit d'admission 4 de circuler à travers le compresseur électrique ou bien de le contourner, par la fermeture ou l'ouverture de la première vanne 21. La première vanne 21 est disposé sur un premier conduit 510, du circuit de dérivation 51, différent de celui du compresseur électrique 5 de façon à ce que lorsque la vanne 21 est fermée les gaz d'admission soient dirigés vers le deuxième conduit 511 où est disposé le compresseur électrique 5. Ainsi en dehors des phases de démarrage, ou de manière générale des phases ne nécessitant pas l'utilisation du compresseur électrique 5, les gaz d'admission circulent dans le premier conduit 510 et ne traversent pas le compresseur électrique 5. [0040] Dans le cadre de l'invention, l'ensemble moteur 1 comporte des moyens 50 pour ré- chauffer les gaz d'échappement. Ces moyens 50 sont formés par le compresseur électrique 5 en sortie duquel est disposé un conduit 6 de chauffage des gaz d'échappement, qui débouche dans le conduit d'échappement 124 en amont du catalyseur 122. [0041] Ainsi lors de phase de démarrage du moteur, selon un mode de réalisation de l'invention, une partie de l'air de l'air issu du compresseur électrique 5 est envoyé via un conduit de chauffage 6 dans le conduit d'échappement 124 en amont du catalyseur 122. Les gaz d'échappement sont ainsi chauffés à une température qui permet un fonctionnement efficace du catalyseur. Les émissions polluantes sont ainsi traitées par le catalyseur ce qui limite la pollution. [0042] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, lors de phase de démarrage du moteur, une partie de l'air du conduit d'admission 4 circule dans le circuit de dérivation 510 et une partie de l'air circule à travers le compresseur 5. L'air issu du compresseur électrique 5 est envoyé via un conduit de chauffage 6 dans le conduit d'échappement 124 en amont du catalyseur 122. Seulement une partie de l'air du conduit d'admission est envoyé dans le conduit de chauffage 6, ce qui limite le volume, et évite l'utilisation du compresseur en zone de pompage. Les gaz d'échappement sont ainsi chauffés à une température qui permet un fonctionnement efficace du catalyseur. Les émissions polluantes sont ainsi traitées par le catalyseur ce qui limite la pollution. [0043] Le conduit de chauffage 6 est disposé dans le circuit de contournement 51. Le conduit 53 en sortie du compresseur électrique 5 se divise en 2 conduits. Un premier sous conduit 511 débouche dans le moteur 2. Le deuxième conduit est le conduit de chauffage 6 qui débouche dans le conduit d'échappement 124. Une deuxième vanne 22 est disposée sur le conduit de chauffage 6. Une troisième vanne 23 est disposée sur le deuxième conduit 511 issu du conduit 53 en sortie du compresseur 5. [0044] La première vanne 21, comme expliqué précédemment sert à contrôler la circulation à travers le compresseur ou pas. La deuxième vanne 22 sert à permettre la circulation de l'air, arrivant du compresseur 5, dans le conduit de chauffage 6, et donc à chauffer les gaz d'échappement, sans entrer en zone de pompage pour le compresseur électrique 5. La troisième vanne 23 permet à l'air arrivant du compresseur de circuler jusqu'au moteur 2, et empêche ainsi l'air arrivant du compresseur 5 de circuler dans le conduit de chauffage 6. [0045] Plusieurs modes de fonctionnement, illustrés figure 2, de ces trois vannes 21, 22, 23 sont possibles et sont résumés dans la tableau suivant : [0046] 6 [Tableaux 1] Modes de:'ionct3onnementti zi rois9+°°metsiorap-23r. Dewo e-v e.-'2 Première - ru 21»; M1-Chauffege P ouvertei enfréen ouverte` 8131..cfn .----^ M2--Lftilisatio .du- terméen ouvener terméeu. compresseur. our. surAmenteiti PA fonctionnement- le rRZéeu ouverte; cuve rtee aSr.sans.tiri[isation- u co press eu ru M4 Modeparees'a fe rmeers ouverters ouvertes [0047] Un premier mode MI de fonctionnement, chauffage du catalyseur, se fait avec la troisième 23 et première vannes 21 ouvertes, et la deuxième vanne 22 fermée. L'air issu du compresseur 5 circule via le conduit de chauffage 6 jusqu'au conduit d'échappement 224. [0048] Un deuxième mode M2 de fonctionnement, utilisation du compresseur pour sur- alimenter le moteur, se fait avec la troisième 23 et première vannes 21 fermées, et la deuxième vanne 22 ouverte. L'air issu du compresseur 5 circule via le conduit d'admission jusqu'au moteur 2. [0049] Un troisième mode M3 de fonctionnement, Fonctionnement normal, sans utilisation du compresseur, se fait avec la troisième 23 vanne fermée et la première 21 et deuxième vanne 22 ouvertes. L'air du conduit d'admission 4 circule directement jusqu'au moteur 2. [0050] Un quatrième mode M4 de fonctionnement, mode par défaut ou dc sécurité. [0051] Les 3 vannes sont des vannes on/off (avec 2 états ouverte/fermée). Selon un mode dc réalisation, la première et deuxième vanne 21 sont des vannes à volet simple et la troisième vanne 23 est une vanne poppet ou à soupape. Il est nécessaire que la troisième vanne 23 empêche au flux d'air circulant dans le conduit 6 de chauffage de revenir vers le compresseur électrique 5. [0052] Lc fonctionnement de l'ensemble selon l'invention est le suivant. Lors d'une phase de démarrage, en mode de fonctionnement 1 ou 2, les gaz d'admission arrivent via le conduit d'admission 4, sont dirigés vers le circuit de dérivation 51 et traversent le compresseur électrique et le circuit de dérivation 51 pour le deuxième mode. Dans cette configuration, la deuxième vanne 22 est en position fermée, les gaz issus du compresseur 5 sont ainsi obligés de circuler via le conduit de 7 chauffage 6. Le compresseur est alors activé via l'unité de commande. Les gaz d'admission traversent le compresseur électrique 5 et en ressortent chauffés [0053] Selon le premier mode de fonctionnement de l'ensemble selon l'invention, les gaz d'admission ainsi chauffés par le compresseur électrique 5 circulent dans le conduit de chauffage 6 et arrivent dans le conduit d'échappement 124 de façon à chauffer le catalyseur 122. Dans cette configuration, la première vanne 21 est en position ouverte, les gaz d'amission traversent le compresseur 5 et le circuit de dérivation 51. Lc compresseur est alors activé via l'unité de commande. Une partie des gaz d'admission traversent le compresseur électrique 5 et en ressortent chauffés [0054] Selon le deuxième mode de fonctionnement de l'ensemble selon l'invention, les gaz d'admission ainsi chauffés par le compresseur électrique 5 arrivent directement en amont de la vanne 8 comportant un obturateur de type papillon. Dans cette configuration, la première vanne 21 est en position fermée, les gaz d'amission sont ainsi obligés de traverser le compresseur 5. Le compresseur est alors activé via l'unité de commande. À ce moment-là, les gaz d'admission traversent le compresseur électrique 5 et en ressortent chauffés. La vanne 8 est configurée pour permettre le passage, dans le collecteur d'admission 7, de la quantité de gaz nécessaire à la combustion. [0055] Selon le troisième mode de fonctionnement de l'ensemble selon l'invention, les gaz d'admission arrivent directement en amont de la vanne 8 comportant un obturateur de type papillon. La vanne 8 est configurée pour permettre le passage, dans le collecteur d'admission 7, de la quantité de gaz nécessaire à la combustion. [0056] Selon le quatrième mode de fonctionnement de l'ensemble selon l'invention, l'ensemble est en mode par défaut ou mode sécurité, c'est-à-dire que les vannes sont en position de repos. [0057] La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. 8