TITRE : ligne d’échappement de moteur thermique avec système de préchauffage d’un élément de dépollution

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne un moteur à combustion interne équipé d’un système de dépollution des gaz d’échappement.

La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de préchauffage pour un système de dépollution du moteur à combustion interne qui peut être associé à un moteur électrique.

Etat de la technique

Afin de réduire les émissions de polluants dans l’atmosphère, un véhicule automobile peut comporter une motorisation hybride. Ledit véhicule comporte ainsi un moteur à combustion interne ou thermique associé avec un moteur électrique avec une batterie.

De manière connue, le moteur électrique est généralement employé dans une phase de roulage qui suit le démarrage du véhicule. Le moteur thermique est sollicité ensuite en fonction de la charge de la batterie du moteur électrique.

Le moteur thermique est de plus équipé d’un système de dépollution. Pour tous les types de véhicule automobile avec un moteur à combustion interne, le système de dépollution varie selon la motorisation mais, dans tous les cas, le système de dépollution comprend au moins un élément de dépollution.

Pour les véhicules à essence ou à allumage commandé, une dépollution est fréquemment réalisée par un catalyseur, dit trois voies. Il peut être aussi muni d'un filtre à particules spécifiquement adapté au carburant essence, ce catalyseur étant connu sous l'acronyme anglo- saxon de GPF (pour Gas Particle Filter en anglais et) filtre à particules essence en français.

Ces catalyseurs nécessitent d'être au moins à une certaine température seuil dite température minimale de fonctionnement du catalyseur pour être efficaces. En effet, une grande partie des émissions d'un polluant spécifique hors d'un véhicule automobile peut être générée avant que le catalyseur dédié à la dépollution du polluant spécifique atteigne la température minimale de fonctionnement.

Ledit seuil de température varie de fait selon le type de catalyseur.

La montée en température du système de dépollution peut être entraînée par les gaz d'échappement ou par un équipement extérieur, par exemple un chauffage électrique d'appoint. Ainsi, il est connu d’équiper les lignes d'échappement avec des catalyseurs chauffés électriquement.

On connaît aussi une stratégie de chauffe d'un élément de dépollution comprenant un catalyseur basé sur une durée fixe de préchauffage. A la fin de cette durée de chauffage, le catalyseur a atteint sa température minimale de fonctionnement, selon des tests de validation par exemple.

Un inconvénient est la consommation électrique des systèmes électriques de chauffe des catalyseurs, ce qui peut influer sur la charge de la batterie et réduire sensiblement l’autonomie en conduite électrique.

La publication FR2981983-A1 propose une recirculation des gaz brûlés piqués en aval de l’élément de dépollution pour être ramenés en amont dudit élément de dépollution pour améliorer la montée en température des gaz en amont de l’élément de dépollution.

Cette proposition permet d’accélérer la montée en température des gaz brûlés en amont de l’élément de dépollution mais présente une efficacité réduite lors des phases de démarrage du moteur car la température des gaz n’est pas suffisamment forte, la pollution reste sensiblement importante lors des phases de démarrage du moteur.

De plus, les flux de gaz pour le chauffage de l’élément de dépollution sont issus des gaz brûlés piqués à l’échappement peuvent être insuffisants de par les vitesses des gaz qui sont réduites par leur passage au travers de divers éléments disposés dans le circuit de recirculation des gaz brûlés, parmi lesquels par exemple un échangeur de chaleur.

Le but de l’invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l’invention est un dispositif de préchauffage d’un élément de dépollution avant le démarrage du moteur thermique, économe en consommation d’énergie électrique, peu encombrant et apte à générer un flux de chauffage passant par ledit élément de dépollution.

Présentation de l’invention

La présente invention concerne plus particulièrement un système de préchauffage d’air disposé dans une boucle de circulation d’air traversant un élément de dépollution d’un moteur thermique, caractérisé en ce que le système de préchauffage comprend un moyen de chauffage d’air et un moyen de brassage d’air comportant un refroidissement, notamment un circuit de refroidissement.

De manière avantageuse, le système de préchauffage comprend un moyen de chauffage d’air et un moyen de brassage dudit air traversant le moyen de préchauffage pour générer un flux d’air dans la boucle de circulation d’air traversant l’élément de dépollution.

Selon d’autres caractéristiques de l’invention :

-le moyen de préchauffage et le moyen de brassage sont couplés.

De manière avantageuse, le moyen de préchauffage et le moyen de brassage d’air sont couplés ensemble pour économiser l’énergie. En effet, ils sont disposés pour fonctionner ensemble. -le système de préchauffage comprend un carter cylindrique enveloppant le moyen de chauffage et le moyen de brassage d’air.

De manière avantageuse, le moyen de préchauffage et le moyen de brassage d’air sont logés tous les deux dans un carter sensiblement cylindrique pour ménager sensiblement l’encombrement du système. Il devient également plus facile de disposer ce système dans la ligne d’échappement.

-le moyen de chauffage d’air est de forme annulaire.

De manière avantageuse, le moyen de chauffage est de forme annulaire pour entourer le moteur du moyen de brassage d’air.

-Le moyen de chauffage est de type électrique notamment une grille de chauffage électrique.

De manière avantageuse, le moyen de chauffage est de type électrique pour un fonctionnement indépendant du démarrage et du fonctionnement du moteur thermique. Il peut être une grille de chauffage électrique.

-le moyen de chauffage entoure une capsule tubulaire de protection.

De manière avantageuse, le moyen de chauffage entoure une capsule tubulaire de protection du moyen de brassage d’air.

-la capsule tubulaire comporte une extrémité amont déflectrice.

De manière avantageuse, la capsule de protection comporte une extrémité amont selon le sens de circulation des gaz et de l’air, déflectrice avec une forme d’ogive sensiblement conique ou hémisphérique.

-Le moyen de brassage comprend un moteur électrique logé dans la capsule tubulaire.

De manière avantageuse, le moyen de brassage comporte un moteur électrique d’actionnement logé dans la capsule tubulaire de protection contre les gaz ou l’air chauds.

-Le moteur électrique comporte un axe d’actionnement portant des pales s’étendant radialement.

De manière avantageuse, le moyen de brassage comporte un axe d’actionnement portant des pales s’étendant radialement pour faire circuler l’air avec un faible débit.

-la capsule tubulaire est entourée par le circuit de refroidissement.

De manière avantageuse, la capsule de protection est entourée par un circuit de refroidissement pour une protection thermique du moyen de brassage d’air, notamment du moteur électrique dudit moyen.

-le circuit de refroidissement comporte une conduite d’arrivée et une conduite de sortie de liquide de refroidissement traversant le carter. De manière avantageuse, le circuit de refroidissement comporte une conduite d’arrivée et une conduite de sortie de liquide de refroidissement traversant le carter et toutes deux connectées à un circuit de refroidissement du moteur. Toutefois, le circuit de refroidissement étant en arrêt avant le démarrage du moteur, le moteur électrique peut monter en température de par son fonctionnement et par l’activation du préchauffage. On peut également disposer de pompe à eau électrique que l’on peut activer avant le démarrage du moteur.

- le circuit de refroidissement comprend une partie d’échange de forme cylindrique.

De manière avantageuse, le circuit de refroidissement comporte une partie d’échange de forme cylindrique adaptée pour recouvrir la capsule de protection. La partie d’échange du circuit de refroidissement s’étend au moins sur toute la longueur de la capsule de protection.

-le circuit de refroidissement est séparé du moyen de chauffage par une couche d’isolation thermique.

De manière avantageuse, le circuit de refroidissement entourant la capsule est séparée du moyen de chauffage par une couche d’isolation thermique pour limiter les échanges thermiques entre le circuit de refroidissement, la capsule de protection ainsi que du moteur électrique du moyen de brassage d’air avec le moyen de chauffage, notamment lors de l’activation du système de préchauffage avant le démarrage du moteur thermique entraînant une absence de circulation de fluide de refroidissement au travers du circuit de refroidissement.

De manière avantageuse, la boucle de chauffage de l’élément de dépollution comprend un conduit tubulaire connecté à la ligne d’échappement en amont et en aval de l’élément de dépollution et de manière préférentielle entre ledit élément de dépollution et un obstacle à la circulation des gaz tel qu’un pot catalytique ou une vanne ou une sortie de turbine.

L’invention concerne également un circuit de recirculation des gaz brûlés basse pression comprenant une boucle de chauffage d’un élément de dépollution.

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 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :

[Fig. 1] est une vue schématique d’une ligne d’échappement de moteur thermique avec système de préchauffage d’un élément de dépollution

[Fig. 2] est une vue de coupe longitudinale d’un système de préchauffage d’un élément de dépollution de moteur thermique.

[Fig. 3] est un logigramme de fonctionnement d’un procédé de recirculation des gaz brûlés avec un système de préchauffage d’un élément de dépollution selon l’invention.

Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions «amont» et «aval» qui sont déterminées par le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement du dispositif de dépollution et du circuit de recirculation des gaz brûlés recirculés ou EGR acronyme pour « Exhaust Gaz Recirculation » en anglais, en référence aux flèches de la figure 1.

L’invention concerne un véhicule automobile avec une motorisation thermique comprenant un moteur thermique comportant une ligne d’échappement avec des éléments de dépollution des gaz d’échappement, disposés le long de la ligne d’échappement du moteur.

Afin d’améliorer les performances du moteur thermique ou à combustion interne, le moteur thermique (non représenté) comprend un étage de compression 22 d’air d’admission qui peut être associé avec un étage de turbine 23 apte à récupérer au moins en partie l’énergie dynamique des gaz brûlés en sortie d’une chambre à combustion du moteur. Les deux étages forment un turbocompresseur 21 comme représenté en figure 1.

Afin de réduire les polluants, le moteur thermique comporte une ligne d’échappement 20 qui traverse un ou plusieurs éléments de dépollution tel qu’un catalyseur 26 dit de réduction catalytique sélective, aussi connu sous le sigle SCR pour "Sélective Catalytic Réduction" en terminologie anglaise, qui est conçu pour éliminer les oxydes d'azotes, ou un filtre à particules pour éliminer les particules de suie, ou un catalyseur d'oxydation aussi connu sous le sigle DOC pour "Diesel Oxydation Catalyst" en terminologie anglaise, pour éliminer le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés.

Il est connu aussi de ramener une partie des gaz brûlés de la ligne d’échappement vers l’admission du moteur via un circuit de recirculation 20r des gaz brûlés.

Selon l’invention, les gaz brûlés dans le mode de réalisation représenté sont des gaz brûlés basse pression c’est-à-dire que lesdits gaz brûlés sont prélevés dans la ligne d’échappement 20 en aval d’un élément de dépollution 26. Les gaz brûlés sont ensuite renvoyés vers l’admission du moteur pour être mélangés avec de l’air frais capté depuis la face avant du véhicule.

Ici, les gaz brûlés sont renvoyés en amont 27 de l’étage de compression 22.

De manière connue, les éléments de dépollution 26 nécessitent d’être portés à un seuil de température minimale pour être pleinement efficace et remplir sa fonction de dépollution des gaz brûlés. Il est connu d’injecter du carburant pour augmenter la température des gaz à l’entrée dans l’élément de dépollution, le moteur thermique étant démarré.

Au démarrage du véhicule, de façon connue, par exemple pour un véhicule automobile à motorisation hybride, le moteur électrique (non représenté) est sollicité pour parcourir quelques kilomètres voire quelques dizaines de kilomètres selon la puissance de la batterie électrique associée au moteur électrique.

On peut profiter lors du parcours du véhicule, de la sollicitation du moteur électrique pour préparer le moteur thermique à prendre éventuellement la relève et notamment de préparer l’élément de dépollution 26 dans les conditions optimales de température de fonctionnement. Toutefois, l’invention n’est pas restreinte aux véhicules automobiles équipés de motorisation hybride.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le moteur thermique comporte un système de préchauffage 10 de l’élément de dépollution 26, qui est apte à fonctionner avec le moteur thermique à l’arrêt ou sans combustion.

La ligne d’échappement 20 du moteur comporte un conduit d’échappement 20x et un circuit de recirculation 20r des gaz brûlés.

Le circuit de recirculation 20r des gaz brûlés EGR basse pression comprend un conduit de passage 20p des gaz qui débouche dans le conduit d’échappement 20x de la ligne d’échappement 20 en aval de l’élément de dépollution. Le conduit de passage 20p traverse ensuite un échangeur de chaleur 25 de type air/eau dans lequel l’air ou les gaz brûlés échangent une quantité de chaleur avec de l’eau de refroidissement.

Ainsi en phase de chauffage de l’élément de dépollution 26, l’air chaud peut également céder de la chaleur à l’eau dans l’échangeur du circuit de refroidissement du moteur et permettre la montée en température dudit liquide entraînant également la montée en température des éléments du moteur, favorisant les conditions de démarrage du moteur.

Le conduit de passage 20p est contrôlé pour son ouverture/obturation par une vanne dite vanne EGR 24 et il est prolongé par un conduit d’amenée 20a des gaz recirculés jusqu’à l’admission du moteur 27, ici jusqu’à l’étage de compression 22 des gaz. Les gaz recirculés sont alors mélangés avec de l’air frais capté depuis une face avant du véhicule automobile et le mélange est ensuite compressé afin d’améliorer l’efficacité du moteur.

Le conduit de passage 20p est prolongé en amont de la vanne EGR 24 et en aval de l’échangeur de chaleur 25 par une branche dite de préchauffage d’air 20c. Le passage dans ladite branche de préchauffage est contrôle par une vanne de contrôle 30.

Selon la figure 1 , le conduit de passage 20p débouche à son extrémité amont dans le conduit d’échappement 20x de la ligne d’échappement 20 du moteur en amont par exemple d’un pot catalytique 40. Ledit pot catalytique 40 forme un obstacle pouvant générer de fortes pertes de charge, à la circulation d’air. L’air chauffé circule de préférence alors dans le conduit de passage 20p de recirculation.

De manière préférentielle, le conduit de passage 20p comprend un filtre à impuretés 13 agencé à proximité de son débouché dans le conduit d’échappement 20x.

De même, la branche de préchauffage 20c débouche à son extrémité aval dans le conduit d’échappement 20x en aval de l’étage de turbine 23 du turbocompresseur 21 , qui forme un obstacle pouvant générer de fortes pertes de charge et à la circulation de l’air qui est alors dirigé vers l’élément de dépollution 26.

De ce fait, on obtient facilement une boucle fermée 50 de circulation d’air de longueur courte qui passe par l’élément de dépollution 26 et relie la sortie 26b à l’entrée 26a dudit élément de dépollution. La boucle fermée est représentée par des flèches indiquant le sens et la direction de circulation de l’air. La boucle de chauffage de l’élément de dépollution comprend le conduit tubulaire 20p connecté à la ligne d’échappement 20 en amont et en aval de l’élément de dépollution 26 et de manière préférentielle entre ledit élément de dépollution et un obstacle à la circulation des gaz tel qu’un pot catalytique ou une vanne ou une sortie de turbine.

Avant le démarrage du moteur thermique, l’invention permet la circulation d’air contenu dans le volume de la boucle fermée 50.

De manière préférentielle, une première sonde 27’ de température est disposée au niveau de l’entrée 26a dans l’élément de dépollution et une seconde sonde 27” de température est disposée en aval ou à la sortie 26b dudit élément. Les deux sondes sont aptes à mesurer la température de l’air ou des gaz à l’entrée et à la sortie de l’élément de dépollution pour estimer une température dudit élément 26.

Il est à noter que l’invention n’est pas réduite à une estimation de la température de l’élément de dépollution telle que décrite ci-dessus avec deux sondes de températures 27’, 27”. On peut aussi par exemple insérer une sonde de température dédiée à l’intérieur de l’élément de dépollution 26.

Le système de préchauffage 10 d’air est agencé dans la branche de préchauffage 20c en aval de la vanne de contrôle 30.

Selon la figure 2, le système de préchauffage 10 d’air comprend un carter sensiblement cylindrique 11 avec une entrée 11a et une sortie 11b d’air opposée, qui enveloppe un moyen de chauffage d’air 15 et un moyen de brassage d’air 12 à faible débit qui peut être un ventilateur.

Le faible débit de l’ordre de 6 litres/seconde permet de faciliter la montée en température de l’air circulé et d’homogénéiser la température de l’air chauffé.

Le moyen de chauffage 15 est indépendant du fonctionnement du moteur thermique. Ledit moyen de chauffage 15 est de manière préférentielle de type électrique par exemple une grille de chauffage électrique.

Selon la figure 2, le moyen de chauffage est de forme annulaire et entoure une capsule de protection 16 tubulaire et s’étendant selon l’axe longitudinal X du carter 11.

La capsule de protection 16 comprend une extrémité amont en vis-à-vis avec l’entrée d’air 11 a dans le carter, en forme de déflecteur par exemple d’ogive hémisphérique ou sensiblement conique pour diriger l’air vers la grille de chauffage 15 en générant un minimum de pertes de charge.

Un moteur 17 de préférence électrique, qui s’étend selon l’axe longitudinal X, est inséré dans la capsule 16. Le moteur comprend un axe d’actionnement 17a qui tient des pales ou hélices 17h s’étendant radialement. De manière préférentielle, les extrémités périphériques des hélices 17h sont proches de la paroi intérieure du carter 11 au jeu de fonctionnement près. Le système de préchauffage comprend un circuit de refroidissement 18 entourant la capsule de protection et apte à protéger thermiquement le moteur électrique 17. Ainsi la chaleur des gaz n’impacte sur la température du moteur du moteur 17 et sur son fonctionnement. La chaleur peut être évacuée simplement par le liquide de refroidissement et la température du moteur est maintenue en dessous d’un seuil de température non susceptible de provoquer des défaillances dudit moteur. Le moteur est ainsi refroidi par le circuit de refroidissement 18, évitant des risques de surchauffes locales.

Le circuit de refroidissement 18 comprend une partie d’échange 18e cylindrique qui recouvre la capsule de protection 16 et un canal d’arrivée 18a et un canal de sortie 18s de liquide de refroidissement tous deux connectés de préférence avec un circuit de refroidissement du moteur.

Pour pallier des problèmes de chauffage du moteur 17 par la grille de chauffage annulaire 15, le circuit de refroidissement 18 est séparé de la grille de chauffage 15 par une couche d’isolation thermique 19. Ladite couche 19 recouvre entièrement la partie d’échange cylindrique 18e du circuit de refroidissement 18.

Le fonctionnement du système de préchauffage 10 implique le démarrage du moyen de chauffage 15 avec le démarrage du moyen de brassage 12 de façon sensiblement synchrone. Le moyen de chauffage et le moyen de brassage d’air 12 sont donc couplés. Le couplage permet de réduire la consommation d’énergie pour le préchauffage de l’élément de dépollution 26.

Le fonctionnement du dispositif de chauffage 10 est décrit ci-après à titre d’exemple avec une intégration dans le circuit de recirculation des gaz brûlés EGR.

Ledit fonctionnement suit un procédé 100 comprend les étapes successives suivantes :

-une première étape de vérification 110 des conditions de nécessité de chauffage. Lesdites conditions comprennent :

^* une validation de l’arrêt du moteur thermique 111 ,

^* une validation du démarrage et/ou fonctionnement du moteur électrique 112,

^* une estimation de température 113 de l’élément de dépollution inférieure à un seuil minimal de température qui peut être de l’ordre de 400 ^t C.

Les trois conditions doivent être remplies pour valider le démarrage du chauffage de l’élément de dépollution.

-une deuxième étape de chauffage 120 qui comprend les actions suivantes : ^* fermeture/obturation 121 de la vanne EGR 24,

"Ouverture 122 de la vanne de contrôle 30 de passage d’air,

""démarrage 123 du système de préchauffage d’air 10, -une étape de validation de la fin du chauffage 130 L’étape de chauffage 120 prend fin par exemple à : atteinte 131 du seuil minimal de température par l’élément de dépollution, ou par ^* le démarrage 132 du moteur thermique.

L’une ou l’autre des conditions peut mettre fin à l’étape de chauffage 120.

-une troisième étape 140 d’arrêt du préchauffage d’air qui comprend les actions suivantes : ^* arrêt du chauffage 141 du système de préchauffage 10,

^* fermeture ou obturation 142 de la branche de préchauffage 20c par la vanne de contrôle 30, ^* autorisation 143 de l’ouverture de la vanne EGR.

L’objectif est atteint :

Le système de préchauffage de l’élément de dépollution permet une montée en température assez rapide de l’élément de dépollution avec une consommation d’énergie électrique contenue et permet un démarrage du moteur thermique dans de meilleures conditions de température.

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, elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Le système de préchauffage de l’élément de dépollution peut être disposé sur un véhicule à motorisation hybride ou thermique seul. Dans ce cadre d’une motorisation thermique seule, le démarrage dudit moteur thermique comporte une phase de chauffage préalable pour amener l’élément de dépollution à la température optimale de fonctionnement. L’allumage du moteur thermique sera ensuite possible. Le temps de chauffe dépendra de la puissance électrique disponible. Dans des conditions extrêmes de température, le temps de chauffage peut être de l’ordre de quelques dizaines de secondes sous -200 de température ambiante.