TITRE : Dispositif d'injection d'air à l'échappement Domaine Technique de l'invention

L’invention concerne un dispositif d'injection d'air à l'échappement pour un moteur à combustion. L’invention porte aussi sur un système d'injection d'air à l'échappement pour un moteur à combustion. L’invention porte encore sur un groupe motopropulseur comprenant un tel dispositif d'injection d'air et/ou un tel système d'injection d'air. L'invention porte enfin sur un véhicule automobile comprenant un tel groupe motopropulseur et/ou un tel dispositif d'injection d'air et/ou un tel système d'injection d'air.

Etat de la technique antérieure Les moteurs à combustion interne d'un véhicule automobile peuvent disposer d’un système d'injection d'air à l'échappement, également dénommé système IAE ou système d'injection d'air secondaire. L'injection d'air frais mis sous pression dans des conduits d'échappement d'un moteur à combustion entraîne une combustion dans les conduits échappement de certains résidus. Cette combustion engendre une augmentation de la température des gaz d'échappement en amont d'organes de dépollution tel qu'un pot catalyseur, un filtre à particules, un dispositif de réduction catalytique sélective. Ces organes de dépollution n'étant efficaces qu’à partir d’une certaine température des gaz d'échappement (par exemple environ 400Ό), l'intégration d'un système d'inject ion d'air à l'échappement permet d'améliorer leur fonctionnement. En particulier, lors d'un démarrage du moteur, un système d'injection d'air à l'échappement permet d'accélérer l’augmentation de la température d'un organe de dépollution, et ainsi de répondre aux normes antipollution. Un système d’injection d’air à l’échappement est généralement composé d’une pompe d'injection d'air mettant sous pression de l’air capté en sortie d'un filtre à air, d’une électrovanne pilotant le débit d’air et d’un système de diffusion de l’air vers un collecteur d'échappement. Ces systèmes comprennent de nombreuses conduites. Ils sont donc lourds et volumineux et leur intégration dans un compartiment moteur peut être délicate. De plus, ces systèmes peuvent facilement s'encrasser. Les interfaces entre les nombreuses conduites peuvent également générer des fuites. Ainsi les systèmes d'injection d'air à l'échappement sont parfois peu fiables. Enfin les nombreuses conduites d'air provoquent des pertes de charge. La pompe d'un système d'injection d'air doit donc être suffisamment puissante pour compenser ces pertes de charge.

Présentation de l'invention Le but de l’invention est de fournir un dispositif d'injection d'air à l'échappement remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les dispositifs connus de l’art antérieur.

Plus précisément, un premier objet de l’invention est un dispositif d'injection d'air à l'échappement qui soit particulièrement léger et compact.

Un second objet de l’invention est un dispositif d'injection d'air à l'échappement qui ne s'encrasse pas facilement. Un troisième objet de l’invention est un dispositif d'injection d'air à l'échappement qui ne provoque pas de fuite d'air ou de fuite de gaz d'échappement.

Un quatrième objet de l'invention un dispositif d'injection d'air à l'échappement qui génère un minimum de perte de charge. Un cinquième objet de l'invention est un dispositif d'injection d'air à l'échappement qui soit facilement accessible aux fins d'une éventuelle intervention pour réparation.

Résumé de l'invention

L'invention se rapporte à un système d'injection d'air à l'échappement pour un moteur à combustion, le système d'injection d'air comprenant :

- un dispositif d'injection d'air à l'échappement, et

- une électrovanne, le dispositif d'injection d'air comprenant une culasse et un couvercle de culasse, le couvercle de culasse comprenant un corps dans lequel est formé une première conduite d'air, la culasse comprenant un corps dans lequel sont formés une deuxième conduite d'air et une conduite d'échappement des gaz, la première conduite d'air étant apte à être reliée en amont à une pompe d'injection d'air, la première conduite d'air étant reliée en aval à la deuxième conduite d'air, la deuxième conduite d'air étant reliée en aval à la conduite d'échappement des gaz, l'électrovanne étant fixée contre le couvercle de culasse, l'électrovanne étant reliée en aval à la première conduite d'air.

Le système d'injection d'air peut comprendre un deuxième dispositif d'étanchéité entre la culasse et le couvercle de culasse, le deuxième dispositif d'étanchéité étant apte à empêcher des fuites d'air ou de gaz d'échappement depuis la première conduite d'air ou depuis la deuxième conduite d'air.

Le deuxième dispositif d'étanchéité peut comprendre un joint en métal.

La culasse peut comprendre une pluralité de conduites d'échappement des gaz, et la deuxième conduite d'air peut comprendre une chambre et une pluralité de portions de conduites d'air, chaque portion de conduite d'air étant reliée en amont à ladite chambre, et chaque portion de conduite d'air étant reliée en aval respectivement à une des conduites d'échappement des gaz.

La première conduite d'air peut être agencée verticalement au-dessus de la deuxième conduite d'air, et la deuxième conduite d'air peut prolonger la première conduite d'air, la deuxième conduite d'air étant agencée verticalement au-dessus de la conduite d'échappement des gaz, de sorte qu'un condensât formé dans la première conduite d'air ou dans la deuxième conduite d'air ne puisse pas stagner dans la première conduite d'air ou dans la deuxième conduite d'air.

Le couvercle de culasse peut comprendre une interface de fixation pour l'électrovanne, l'interface de fixation comprenant un troisième dispositif d'étanchéité, le troisième dispositif d'étanchéité étant destiné à empêcher des fuites d'air ou de gaz d'échappement.

Le système d'injection d'air se peut comprendre un support pour électrovanne, ledit support étant fixé directement contre le couvercle de culasse, l'électrovanne étant fixée directement contre ledit support, ledit support comprenant une chambre de collecte d’air reliée en aval à la première conduite d'air.

Le couvercle de culasse peut comprendre un évidement pour accroître le volume de la chambre de collecte d'air.

Le système d'injection d'air peut comprendre un premier dispositif d'étanchéité entre la culasse et le couvercle de culasse, le premier dispositif d'étanchéité étant apte à empêcher des fuites de vapeur d'huile à l'extérieur d'un corps de culasse, le premier dispositif d'étanchéité comprenant un joint d'étanchéité en résine.

L'invention se rapporte également à un groupe motopropulseur comprenant un moteur à combustion, le moteur à combustion comprenant un système d'injection d'air tel que défini précédemment.

L'invention se rapporte également à un véhicule automobile comprenant un système d'injection d'air tel que défini précédemment, et/ou un groupe motopropulseur tel que défini précédemment.

Présentation des figures

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique d'un véhicule automobile comprenant un dispositif d'admission d'air à l'échappement selon un mode de réalisation de l'invention. [Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe de profil d'un moteur à combustion équipé d'un dispositif d'admission d'air à l'échappement selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 3] La figure 3 une vue isométrique en perspective d'un couvercle de culasse du dispositif d'admission d'air à l'échappement. [Fig. 4] La figure 4 est une vue isométrique de dessus du couvercle de culasse.

[Fig. 5] La figure 5 est une vue isométrique de dessous du couvercle de culasse.

Description détaillée La figure 1 illustre schématiquement un véhicule 1 automobile équipé d’un groupe motopropulseur 2 selon un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 peut être de toute nature. Notamment, il peut être par exemple un véhicule particulier, un véhicule utilitaire, un camion ou un bus. Le groupe motopropulseur 2 comprend un moteur à combustion 3 et un système d'injection d'air à l'échappement 4.

Dans la description qui va suivre l'amont et l'aval sont définis en référence au sens d'écoulement naturel de l'air ou de gaz d'échappement. L'air ou les gaz d'échappement circulent de l'amont vers l'aval. De plus, on considère que le véhicule 1 repose sur un sol horizontal. L'axe vertical Z est représenté par un vecteur orienté de bas en haut.

Le moteur à combustion 3 comprend un bloc moteur 5 dans lequel sont formés des cylindres, sièges de la combustion d'un carburant par exemple de l'essence ou du gazole. Les cylindres peuvent être en nombre quelconque, par exemple trois cylindres, quatre cylindres, six cylindres ou huit cylindres. Le moteur à combustion 3 comprend également une culasse 6 fixée au bloc moteur 5. La culasse 6 est une pièce du moteur à combustion assurant la fermeture haute des cylindres. La culasse 6 abrite ou supporte notamment des soupapes d'admission d'air, des soupapes d'échappement 7 ainsi que des arbres à cames 8 en liaison mécanique avec les soupapes d'admission et les soupapes d'échappement 7. Les soupapes d'échappement sont des organes mécaniques séparant chacun des cylindres d'une conduite d'échappement des gaz 9. La conduite d'échappement des gaz 9 est un canal formé dans la culasse pour évacuer les gaz d'échappement, c’est-à-dire les gaz issus de la combustion du carburant dans les cylindres. La culasse peut comprendre autant de conduites d'échappement des gaz 9 distinctes qu'il y a de cylindre. Chaque conduite d'échappement des gaz conduit les gaz d'échappement depuis un cylindre vers l'extérieur de la culasse. Le groupe motopropulseur comprend également un dispositif d'échappement comprenant un collecteur d'échappement 10, par exemple fixé contre la culasse en sortie des conduites d'échappement des gaz 9. Le collecteur d'échappement peut comprendre autant d'entrée que de conduites d'échappement des gaz et une unique sortie. Il est relié en aval à une conduite d'échappement 11 , elle-même reliée en aval à un organe de dépollution 12. L'organe de dépollution peut être par exemple un pot catalyseur, un filtre à particules, un dispositif de réduction catalytique sélective (également dénommé dispositif SCR), ou tout autre organe apte à assainir ou réduire un taux de particules dans les gaz d'échappement. L'organe de dépollution peut requérir que les gaz d'échappement atteignent un seuil de température pour fonctionner de manière optimale, par exemple un seuil de 400Ό environ.

Le moteur à combustion 3 comprend aussi un couvercle de culasse 13, ou couvre-culasse ou encore chapeau de culasse. Le couvercle de culasse est une partie supérieure du moteur à combustion 3 recouvrant la culasse 6. Comme représenté sur la figure 2, le couvercle de culasse 13 peut être monté en appui vertical sur la culasse 6. Un plan P1 sensiblement horizontal peut séparer verticalement le couvercle de culasse 13 de la culasse 6. La culasse 6 peut comprendre deux demi-paliers inférieurs 14 et le couvercle de culasse 13 peut comprendre deux demi-paliers supérieurs 15. Les deux demi-paliers inférieurs 14 coopèrent avec les deux demi-paliers supérieurs 15 pour former deux paliers supportant deux arbres à cames. L'ensemble formé par la culasse 6 et le couvercle de culasse 13 forme un volume intérieur 16 étanche dans lequel peuvent être agencés notamment les arbres à cames 8 et les soupapes 7. De l'huile, sous forme de vapeur ou de gouttelettes, peut se trouver dans ce volume intérieur 16 afin de lubrifier différents éléments mobiles du moteur à combustion, notamment afin de lubrifier les arbres à cames et les soupapes.

La culasse et le couvercle de culasse peuvent être des pièces monobloc. Ils peuvent être constitués de métal. Ils peuvent être obtenus par usinage et/ou par fonderie. Le couvercle de culasse est fixé de manière étanche à la culasse, par exemple au moyen de vis de fixation. Comme visible sur les figures 3, 4 et 5 la culasse et le couvercle de culasse peuvent comprendre en outre des nervures de rigidification, des ouvertures destinées à accueillir par exemple des injecteurs et/ou des bougies.

Le système d'injection d'air à l'échappement 4 comprend un dispositif d'injection d'air 17 formé dans la culasse 6 et le couvercle de culasse 13. Il comprend également un filtre air 18, une pompe d'injection d'air 19, et une électrovanne 20. Le filtre à air 18 est relié en aval à la pompe d'injection d'air 19 par une première conduite externe 21. La pompe d'injection d'air 19 est reliée en aval à l'électrovanne 20 par une deuxième conduite externe 22.

Le filtre à air 18 est un organe apte à prélever de l'air frais en provenance de l'extérieur et à le filtrer. Notamment il peut filtrer des particules en suspension dans l'air pour empêcher qu'elles ne rentrent plus en avant dans le système d'injection d'air à l'échappement. Le filtre à air 18 peut également servir à filtrer l'air frais qui est apporté dans les cylindres via des conduites d'admission pour permettre la combustion du carburant.

La pompe d'injection d'air 19, ou plus simplement pompe à air 19, est une pompe apte à mettre l'air en provenance du filtre à air 18 sous pression. Elle peut être reliée électriquement à une source d'énergie électrique et à une unité de commande électronique. Son activation peut être contrôlée par des ordres de commande émis par l'unité de commande électronique. L'électrovanne 20 est un organe apte à contrôler le débit d'air la traversant. Elle peut comprendre un connecteur relié électriquement à unité de commande électronique. Des ordres de commande émis par l'unité de commande électronique permettent de contrôler le débit d'air traversant l'électrovanne. Elle est fixée au couvercle de culasse 13 par l'intermédiaire d'un support 23. Le support 23 est fixé, par exemple vissé, directement contre le couvercle de culasse et l'électrovanne est fixée, par exemple vissée directement contre le support 23. Le support 23 est fixée sur une interface de fixation 24 du couvercle de culasse bien visible sur la figure 4. L'électrovanne est ainsi fermement maintenue contre le moteur à combustion 3, sans porte-à-faux. Une telle fixation de l'électrovanne est particulièrement fiable et résistante aux vibrations. Le support 23 comprend une chambre de collecte d’air reliée en aval au dispositif d'injection d'air 17. Le support 23 peut aussi comprendre un canal relié en amont à la chambre de collecte d'air et en aval au dispositif d'injection d'air 17, notamment à une première conduite d'air 25 formée dans le couvercle de la culasse. En variante le support 23 et le couvercle de culasse pourrait former une seule et même pièce. Autrement dit, l'électrovanne pourrait être fixée directement contre le couvercle de culasse.

Le couvercle de culasse peut également comprendre un évidement de manière à économiser de la matière et à accroître le volume de la chambre de collecte. Cet évidement peut avantageusement être positionné, en dessous de l’électrovanne 20.

Nous allons à présent décrire plus en détail le dispositif d'injection d'air 17, c’est-à-dire une partie du système d'injection d'air à l'échappement 4 formé dans le corps du moteur à combustion. Le couvercle de culasse 13 comprend un corps dans lequel est formé la première conduite d'air 25. De même, la culasse comprend un corps dans lequel sont formés une deuxième conduite d'air 26 et la conduite d'échappement des gaz 9. La première conduite d'air 25 et le deuxième conduite d'air sont donc des évidements réalisés respectivement dans le corps du couvercle de culasse 13 et dans le corps de la culasse 6. La première conduite d'air 25 est reliée (c’est-à-dire raboutée) en aval à la deuxième conduite d'air 26. La deuxième conduite d'air 26 est reliée en aval à la conduite d'échappement des gaz 9.

La première conduite d'air 25 comprend donc une entrée qui peut être agencée sur une face supérieure du couvercle de culasse et une sortie qui peut être agencée sur une face inférieure du couvercle de culasse, la face inférieure étant en contact avec la culasse 6. En parcourant la première conduite d'air de son entrée vers sa sortie, c’est-à-dire de l'amont vers l'aval, on constate qu'elle suit une trajectoire descente, voire localement horizontale.

De même, la deuxième conduite d'air 26 comprend une entrée agencée sur une face supérieure de la culasse et une sortie qui peut être agencée sur une face latérale de la culasse. En parcourant la deuxième conduite d'air de son entrée vers sa sortie, c’est-à-dire de l'amont vers l'aval, on constate qu'elle suit une trajectoire également descente, voire localement horizontale.

La première conduite d'air 25 est agencée au-dessus de la deuxième conduite d'air 26. La deuxième conduite d'air prolonge la première conduite d'air 25 et est agencée au-dessus de la conduite d'échappement des gaz 9. Ainsi, un liquide ou un condensât formé dans la première conduite d'air ne peut pas y stagner et est évacué par gravité vers la deuxième conduite d'air. De même, un liquide ou un condensât formé dans la deuxième conduite d'air ne peut pas y stagner et est évacué par gravité vers la conduite d'échappement des gaz 9. Autrement dit, ni la première conduite d'air 25 ni la deuxième conduite d'air 26 ne comprend un point bas formant un volume de rétention pour un liquide. L'orientation de la première conduite d'air et de la deuxième conduite d'air pourrait être rendue aussi verticale que possible pour favoriser l'écoulement par gravité de tout liquide ou condensât vers la conduite d'échappement.

En référence aux figures 1 ,2 et 5 l’ensemble formé par la culasse et le couvre-culasse comprend un premier dispositif d'étanchéité 31 et un deuxième dispositif d'étanchéité 32, tous les deux agencés entre la culasse et le couvercle de culasse le long du plan P1 . Le premier dispositif d'étanchéité est apte à empêcher des fuites de vapeur d'huile à l'extérieur de l'ensemble formé par la culasse et le couvercle de culasse. Le premier dispositif d'étanchéité peut être agencé autour du volume intérieur 16, dans lequel de l'huile de lubrification peut se trouver sous pression. Le deuxième dispositif d'étanchéité est apte à empêcher des fuites d'air ou de gaz d'échappement depuis la première conduite d'air ou depuis la deuxième conduite d'air du dispositif d’injection d’air. Il est agencé autour de l'interface formée entre la première conduite d'air et la deuxième conduite d'air. Il peut avoir une forme reproduisant sensiblement la forme d'une section de la première conduite d'air et de la deuxième conduite d'air, par exemple une forme globalement circulaire ou globalement rectangulaire.

Les deux dispositifs d'étanchéité sont donc soumis à des contraintes différentes. Le premier dispositif est conçu pour résister à un environnement chargé d'huile de lubrification, et le deuxième dispositif est conçu pour résister à de l'air sous pression en provenance de l'amont ou éventuellement à des gaz d'échappement à haute température qui remontraient épisodiquement vers l'amont depuis la conduite d'échappement des gaz 9. Avantageusement, le premier dispositif d'étanchéité 31 peut comprendre un joint d'étanchéité en résine. Le deuxième dispositif d'étanchéité peut comprend un joint en métal. Dans une variante de réalisation le dispositif d'injection d'air pourrait comprendre un unique dispositif d'étanchéité à la fois résistant à l'huile, à l'air sous pression et aux gaz d'échappement. Cet unique dispositif d'étanchéité pourrait par exemple être un joint en métal. Toutefois, un unique dispositif d'étanchéité serait plus complexe et plus coûteux à mettre en oeuvre que deux dispositifs d'étanchéité distincts et de nature différent.

En référence à la figure 4, le couvercle de carter comprend en outre un troisième dispositif d'étanchéité 33 agencé sur l'interface de fixation 24 pour le support 23 maintenant l'électrovanne 20. De manière analogue au deuxième dispositif d'étanchéité, le troisième dispositif d'étanchéité 33 est conçu pour résister à de l'air sous pression en provenance de l'amont ou éventuellement à des gaz d'échappement qui remontraient épisodiquement vers l'amont depuis la conduite d'échappement des gaz 9. Le troisième dispositif d'étanchéité peut comprend un joint en métal. Le système d'injection d'air à l'échappement ainsi constitué permet d'économiser une conduite d'air comparativement aux systèmes d'injection d'air à l'échappement connus de l'état de la technique. En effet avec le système selon l'invention, il n'y a pas besoin de prévoir une conduite entre l'électrovanne 20 et le couvercle de culasse. On gagne ainsi de la place dans le compartiment moteur dans lequel est positionné le moteur à combustion. De plus les canalisations formées par les conduites d'air 25 et 26 participent à l'allègement du moteur à combustion.

En référence à la figure 2, le moteur à combustion 3 peut être positionné à faible distance d'un capot 34 du véhicule. L'électrovanne peut être positionnée de sorte à être accessible directement sous le capot 34 du véhicule. Son entretien et/ou son éventuel remplacement est ainsi facilité.

Lorsque le moteur à combustion fonctionne, de l'air frais est aspiré depuis l'extérieur par la pompe d'injection d'air. L'air frais entre dans le système d'injection d'air à l'échappement 4 par le filtre à air 18, il traverse ensuite la première conduite externe 21 , puis la pompe d'injection d'air 19. L'air est mis sous pression par la pompe d'injection d'air 19, il traverse la deuxième conduite externe 22, puis parvient à l'électrovanne 20. En fonction de l'état de l'électrovanne contrôlé par l'unité de commande électronique, le débit d'air traversant l'électrovanne 20 peut être ajusté. Il traverse ensuite le support 23 puis arrive dans le dispositif d'injection d'air au niveau du couvercle de culasse 13. Grâce au troisième dispositif d'étanchéité 33, aucune fuite d'air ou de gaz d'échappement ne survient à l'interface entre le support 23 et le couvercle de culasse. L'air traverse ensuite la première conduite d'air 25 et parvient à la deuxième conduite d'air 26 intégrée à la culasse. Grâce au deuxième dispositif d'étanchéité 32, aucune fuite d'air ou de gaz d'échappement ne survient à l'interface entre la première conduite d'air et la deuxième conduite d'air. L'air arrive ensuite dans la chambre 27 depuis laquelle il est réparti dans les portions de conduite d'air 28. L'air est ensuite injecté dans les conduites d'échappement des gaz 9 au plus près des soupapes d'échappement 7. Le parcours de l'air depuis l'extérieur jusqu'aux conduites d'échappement des gaz offre une faible perte de charge et une bonne homogénéité de répartition dans les différentes conduites d'échappement des gaz 9. L'air ainsi mélangé au gaz d'échappement permet la combustion des résidus présents dans les gaz d'échappement. La température des gaz d'échappement peut ainsi augmenter rapidement, dès le démarrage du moteur à combustion. Les gaz d'échappement sont ensuite évacués hors du moteur à combustion 3 en passant par le collecteur d'échappement 10, la conduite d'échappement 11 et l'organe de dépollution 12. Les gaz d'échappement ayant atteint une température importante, l'organe de dépollution peut fonctionner de manière optimale. Les gaz d'échappement ainsi traités peuvent ensuite être évacués hors du véhicule. Lorsqu'un condensât se forme dans le système d'injection d'air à l'échappement, celui-ci est guidé par gravité vers la conduite d'échappement des gaz 9. Il ne peut donc pas stagner ou s'accumuler dans l'une dans conduites du système d'injection d'air à l'échappement. Parallèlement à ce fonctionnement, les différents organes mobiles au sein de la culasse 6 peuvent être lubrifiés avec de l'huile sous pression. L'huile sous pression ne s'échappe pas par l'interface entre le couvercle de culasse et la culasse grâce au premier dispositif d'étanchéité 31.