Brevet FR3122699A1 — publié le 20221111

L’invention concerne un moteur à combustion interne (1) comprenant : - une chambre de combustion, - une ligne d’admission (20) d’air frais, - une ligne d’échappement (80) de gaz brûlés qui comprend au moins un convertisseur catalytique (83), - un turbocompresseur (30) qui comporte une turbine (82) et un compresseur, et - une pompe à vide (40) qui comporte une entrée (41) par laquelle elle est adaptée à aspirer de l’air et une sortie (42) par laquelle l’air aspiré est expulsé. Selon l’invention, la turbine est située en aval du convertisseur catalytique, il est prévu une ligne de soufflage (50) qui comprend une réserve d’air (52), et qui communique, d’un côté, avec la sortie de la pompe à vide et, de l’autre, avec la ligne d’échappement en amont du convertisseur catalytique, et il est prévu au moins une vanne de régulation (51) adaptée à réguler le débit d’air circulant dans la ligne de soufflage. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Moteur à combustion interne Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale la réduction des émissions polluantes des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comprenant : - une chambre de combustion, - une ligne d’admission d’air frais débouchant dans la chambre de combustion, - une ligne d’échappement de gaz brûlés hors de la chambre de combustion qui comprend au moins un convertisseur catalytique pour la dépollution des gaz brûlés, - un turbocompresseur qui comporte une turbine située dans la ligne d’échappement et un compresseur qui est situé dans la ligne d’admission et qui est entraîné en rotation par la turbine, et - une pompe à vide qui comporte une entrée par laquelle elle est adaptée à aspirer de l’air et une sortie par laquelle l’air aspiré est expulsé. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les moteurs à allumage commandé (Essence). Elle concerne également un véhicule automobile équipé d’un tel moteur et un procédé de pilotage d’un tel moteur. Etat de la technique 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 catalytique au sein duquel des réactions chimiques se produisent afin de transformer des composés polluants en composés sans effet sur la santé. Ce convertisseur catalytique fonctionne de manière optimale sur une plage de températures comprise entre 150 et 350 degrés Celsius. Il présente en revanche des performances fortement réduites à température ambiante, juste après le démarrage à froid 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. Avec l’arrivée de nouvelles normes (notamment Euro7), il a été décidé que cette situation ne pouvait pas perdurer. 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 juste après le démarrage du moteur, en y injectant de l’air frais et du carburant pour qu’une réaction très exothermique s’y produise. Une telle solution est exposée dans le document FR2818310. Elle consiste, d’une part, à prévoir un compresseur électrique qui permet de prélever de l’air frais dans la ligne d’admission pour l’injecter sous pression dans la ligne d’échappement, et, d’autre part, à piloter l’injection de carburant et d’air frais dans les cylindres avec une richesse élevée de façon que tout le carburant ne puisse pas y être brûlé et qu’une partie de ce carburant imbrûlé se retrouve alors injectée dans le catalyseur d’oxydation (convertisseur catalytique) du moteur. Cette solution, bien qu’efficace, s’avère néanmoins coûteuse à mettre en œuvre. Présentation de l'invention Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose d’utiliser des moyens qui existent déjà dans les moteurs à combustion interne afin de favoriser la montée en température du convertisseur catalytique. Plus particulièrement, on propose selon l’invention un moteur à combustion interne tel que défini dans l’introduction, dans lequel : - la turbine est située en aval du convertisseur catalytique, - il est prévu une ligne de soufflage qui comprend une réserve d’air et qui communique, d’un côté, avec la sortie de la pompe à vide et, de l’autre, avec la ligne d’échappement en amont du convertisseur catalytique, et - il est prévu au moins une vanne de régulation adaptée à réguler le débit d’air circulant dans la ligne de soufflage, depuis la réserve d’air vers la ligne d’échappement. Avant de détailler les avantages procurés par l’invention, on peut rappeler que dans un système d'assistance pneumatique au freinage d’un véhicule automobile, un servofrein est classiquement interposé entre la pédale de frein du véhicule et les freins eux-mêmes. Un tel servofrein comporte un maître-cylindre et un amplificateur qui permet d’amplifier l’effort exercé par le conducteur sur la pédale au niveau du maître-cylindre. Le servofrein est relié pour cela à une pompe à vide délivrant une pression inférieure à la pression atmosphérique et l’amplificateur comprend une membrane interne qui est soumise à un écart de pression entre la pression atmosphérique et la basse pression pour assurer l'assistance pneumatique. Lorsque le système de freinage n'est pas sollicité, la pompe à vide aspire un débit d'air très faible voire nul, correspondant principalement aux éventuelles fuites d’air. En d'autres termes, la pompe à vide d'un tel système doit aspirer de l'air de façon irrégulière, principalement lorsque le système de freinage est sollicité. La pompe à vide est ainsi continûment en service, y compris lorsque le système de freinage n'est pas sollicité, ce qui provoque des pertes inutiles d'énergie. L’invention propose alors de tirer profit de cette énergie en utilisant la sortie de la pompe à vide afin de mettre la réserve d’air de la ligne de soufflage sous pression d’air. Plus précisément, l’invention propose tout d’abord de placer le convertisseur catalytique en amont de la turbine, au plus près du collecteur d’échappement. De ce fait, la vitesse de montée en température du convertisseur catalytique après le démarrage à froid du moteur est beaucoup plus rapide. En effet, les gaz brûlés qui sortent de la chambre de combustion ne sont ainsi plus refroidis par la turbine avant d’entrer dans le convertisseur catalytique (la turbine présente en effet une inertie thermique et provoque des pertes de charge qui provoquent une baisse de la température des gaz brûlés). Cette solution présente un inconvénient majeur, qui est que le temps de réponse du turbocompresseur notamment pendant les phases d’accélération augmente significativement. Ce problème de temps de réponse provient de l’inertie thermique du convertisseur catalytique et des pertes de charge générées par ce convertisseur sur les gaz brûlés. En effet, les gaz brûlés qui sortent du convertisseur catalytique ont une énergie restreinte qui ne leur permet pas d’actionner la turbine aussi vite que souhaité. Alors, pour réduire ce temps de réponse, la présente invention propose de profiter de la réserve d’air sous pression pour, pendant les phases d’accélération, insuffler de l’air sous pression dans la ligne d’échappement, en amont du convertisseur catalytique, et pour augmenter la richesse du mélange d’admission en conséquence. Ainsi, des hydrocarbures imbrulés et de l’air frais traverseront le convertisseur catalytique, ce qui permettra à ce dernier de monter rapidement en température et ce qui permettra d’augmenter le débit de gaz traversant la turbine. En d’autres termes, cette double injection d’air et de carburant va permettre d’augmenter très rapidement l’enthalpie des gaz brûlés dans cette turbine, ce qui réduira sensiblement son temps de réponse. Préférentiellement, il est prévu une ligne de prise d’air qui communique, d’un côté, avec l’extérieur, et, de l’autre, avec l’entrée de la pompe à vide, et au moins une vanne de mise à l’air libre adaptée à réguler le débit d’air circulant dans la ligne de prise d’air. Préférentiellement encore, il est prévu une sonde de richesse située dans la ligne d’échappement, en aval du convertisseur catalytique. L’invention porte aussi sur un véhicule automobile comportant des roues, un groupe motopropulseur et un système de freinage des roues qui comporte un servofrein à dépression, dans lequel le groupe motopropulseur comporte un moteur à combustion interne tel que précité, dont l’entrée de la pompe à vide est connectée au servofrein à dépression par une conduite d’air, une vanne anti-reflux étant prévue pour empêcher les gaz de refluer depuis la conduite d’air jusqu’au servofrein à dépression. L’invention porte également sur un procédé de pilotage d’un moteur à combustion interne tel que précité, dans lequel lorsque la vanne de régulation est fermée, il est prévu de : - acquérir des paramètres caractérisant le point de fonctionnement du moteur à combustion interne, notamment la charge souhaitée par un conducteur ou par une unité de pilotage, et - lorsque les paramètres sont initialement caractéristiques d’un point de fonctionnement à faible enthalpie dans la ligne d’échappement puis que la charge augmente au-delà d’un seuil déterminé dans un intervalle de temps donné, ouvrir la vanne de régulation et augmenter la richesse d’un mélange d’air et de carburant admis dans la chambre de combustion. Préférentiellement, lorsque la vanne de régulation est en position ouverte, il est prévu d’acquérir la richesse des gaz brûlés en aval du convertisseur catalytique, et de piloter l’augmentation de la richesse dudit mélange de telle sorte que la richesse acquise en aval du convertisseur catalytique soit sensiblement égale à 1. Préférentiellement aussi, lorsque la vanne de régulation est en position ouverte, il est prévu d’acquérir une valeur relative à la température du convertisseur catalytique, et, dès que ladite valeur dépasse un seuil prédéterminé, refermer la vanne de régulation. Avantageusement, il est prévu de maintenir la vanne de régulation et la vanne de mise à l’air libre en position fermée tant que la pression dans une chambre du servofrein à dépression est supérieure à un seuil prédéterminé. Avantageusement aussi, il est prévu d’ouvrir la vanne de mise à l’air libre lorsque la pression dans la chambre du servofrein à dépression est inférieure audit seuil prédéterminé. Encore avantageusement, il est prévu de fermer la vanne de mise à l’air libre lorsque la pression dans la réserve d’air est supérieure à un seuil prédéterminé. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Moteur à combustion interne (1) comprenant : - une chambre de combustion, - une ligne d’admission (20) d’air frais débouchant dans la chambre de combustion, - une ligne d’échappement (80) de gaz brûlés hors de la chambre de combustion qui comprend au moins un convertisseur catalytique (83), - un turbocompresseur (30) qui comporte une turbine (82) située dans la ligne d’échappement (80) et un compresseur (22) qui est situé dans la ligne d’admission (20) et qui est entraîné en rotation par la turbine (82), et - une pompe à vide (40) qui comporte une entrée (41) par laquelle elle est adaptée à aspirer de l’air et une sortie (42) par laquelle l’air aspiré est expulsé, caractérisé en ce que : - la turbine (82) est située en aval du convertisseur catalytique (83), - il est prévu une ligne de soufflage (50) qui comprend une réserve d’air (52), et qui communique, d’un côté, avec la sortie (42) de la pompe à vide (40) et, de l’autre, avec la ligne d’échappement (80) en amont du convertisseur catalytique (83), et - il est prévu au moins une vanne de régulation (51) adaptée à réguler le débit d’air circulant dans la ligne de soufflage (50), depuis la réserve d’air (52) vers la ligne d’échappement (80). Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 1, dans lequel il est prévu : - une ligne de prise d’air (73) qui communique, d’un côté, avec l’extérieur, et, de l’autre, avec l’entrée (41) de la pompe à vide (40), et - au moins une vanne de mise à l’air libre (74) adaptée à réguler le débit d’air circulant dans la ligne de prise d’air (73). Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel il est prévu une sonde de richesse (85) située dans la ligne d’échappement (80), en aval du convertisseur catalytique (83). Véhicule automobile comportant des roues, un groupe motopropulseur et un système de freinage des roues qui comporte un servofrein à dépression (70), caractérisé en ce que le groupe motopropulseur comporte un moteur à combustion interne (1) conforme à l’une des revendications 1 à 3, dont l’entrée (41) de la pompe à vide (40) est connectée au servofrein à dépression (70) par une conduite d’air (71), une vanne anti-reflux (72) étant prévue pour empêcher les gaz de refluer depuis la conduite d’air (71) jusqu’au servofrein à dépression (70). Procédé de pilotage d’un moteur à combustion interne (1) conforme à l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, la vanne de régulation (51) étant fermée, il est prévu de : - acquérir des paramètres caractérisant le point de fonctionnement du moteur à combustion interne (1), notamment la charge souhaitée par un conducteur ou par une unité de pilotage, et - lorsque les paramètres sont initialement caractéristiques d’un point de fonctionnement à faible enthalpie dans la ligne d’échappement (80) puis que la charge augmente au-delà d’un seuil déterminé dans un intervalle de temps donné, ouvrir la vanne de régulation (51) et augmenter la richesse d’un mélange d’air et de carburant admis dans la chambre de combustion. Procédé de pilotage selon la revendication 5, dans lequel, lorsque la vanne de régulation (51) est en position ouverte, il est prévu de : - acquérir la richesse des gaz brûlés en aval du convertisseur catalytique (83), et - piloter l’augmentation de la richesse dudit mélange de telle sorte que la richesse acquise en aval du convertisseur catalytique (83) soit sensiblement égale à 1. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 5 et 6, dans lequel lorsque la vanne de régulation (51) est en position ouverte, il est prévu de : - acquérir une valeur relative à la température du convertisseur catalytique (83), et - dès que ladite valeur dépasse un seuil prédéterminé, refermer la vanne de régulation (51). Procédé de pilotage selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel le moteur à combustion interne (1) étant conforme à la revendication 2 et appartenant à un véhicule automobile conforme à la revendication 4, il est prévu de maintenir la vanne de régulation (51) et la vanne de mise à l’air libre (74) en position fermée tant que la pression dans une chambre du servofrein à dépression (70) est supérieure à un seuil prédéterminé. Procédé de pilotage selon la revendication 8, dans lequel il est prévu d’ouvrir la vanne de mise à l’air libre (74) lorsque la pression dans la chambre du servofrein à dépression (70) est inférieure audit seuil prédéterminé. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 5 à 9, dans lequel le moteur à combustion interne (1) étant conforme à la revendication 2, il est prévu de fermer la vanne de mise à l’air libre (74) lorsque la pression dans la réserve d’air (52) est supérieure à un seuil prédéterminé.