i "Agencement pour accroître l'enthalpie des gaz d'échappement comportant un organe d'injection d'un agent réducteur dans un dispositif de dépollution catalytique" L'invention concerne un agencement pour le chauffage des gaz d'échappement alimentant une turbine dans un circuit d'échappement de véhicule automobile. L'invention se rapporte plus particulièrement à un agencement pour accroître l'enthalpie des gaz d'échappement alimentant une turbine dans un circuit d'échappement de moteur à io combustion interne de véhicule automobile, et notamment d'un moteur Diesel, qui comporte : - une conduite d'échappement destinée à être raccordée à des chambres de combustion du moteur pour en évacuer les gaz d'échappement ; 15 - au moins un dispositif de dépollution catalytique d'oxydation qui est interposé dans la conduite d'échappement ; - au moins une turbine qui est interposée dans la conduite d'échappement en aval du dispositif de dépollution catalytique de manière à être entraînée par le flux de gaz d'échappement. 20 Pour améliorer le rendement du moteur thermique des véhicules automobiles, il est courant de les équiper d'un turbocompresseur. Un turbocompresseur comporte une turbine qui est interposée dans la conduite d'échappement et un compresseur qui est interposée dans une conduite d'admission d'air dans le 25 moteur. La turbine et le compresseur sont liés de manière que la turbine puisse entraîner le compresseur. Ainsi, l'énergie cinétique et thermique des gaz d'échappement est utilisée pour entraîner le compresseur par l'intermédiaire de la turbine. On a constaté que l'énergie qui est susceptible d'être 30 récupérée par la turbine est proportionnelle à l'enthalpie des gaz d'échappement. Or, l'enthalpie dépend aussi bien du débit des gaz d'échappement que de leur température. Ainsi, pour un même 2 débit de gaz d'échappement, la turbine récupérera d'autant plus d'énergie que la température des gaz d'échappement est élevée. On connaît déjà des circuits d'échappement qui utilisent cette propriété. Ainsi, il est connu d'interposer dans la conduite d'échappement, en amont de la turbine, une chambre de combustion équipée d'un organe d'injection de carburant et de moyens d'allumage pour brûler le carburant par combustion. La combustion du carburant provoque une élévation de la température des gaz d'échappement qui alimentent la turbine. io Cependant, un tel dispositif est onéreux à fabriquer car il requiert la fabrication d'une chambre de combustion dédiée uniquement à chauffer les gaz d'échappement. L'invention propose un circuit d'échappement du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte un organe 15 d'injection d'un agent réducteur qui est agencé dans la conduite d'échappement en aval du moteur et en amont du dispositif de dépollution catalytique de manière que l'agent réducteur injecté directement dans la conduite d'échappement soit oxydé par le dispositif de dépollution catalytique lors d'une réaction 20 d'oxydation exothermique afin de chauffer les gaz d'échappement qui alimentent la turbine. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'agent réducteur est un hydrocarbure ; - l'agencement comporte une unité électronique de 25 commande qui pilote l'organe d'injection ; - le dispositif de dépollution catalytique est formé par un filtre à particules catalysé ; - l'agencement comporte un filtre à particules qui est interposé dans la conduite d'échappement en aval du dispositif de 30 dépollution et en amont de la turbine. L'invention se rapporte aussi à un procédé de mise en oeuvre de l'agencement selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape préalable de vérification d'au moins un paramètre comportant une phase de calcul par l'unité électronique de commande de l'enthalpie actuelle des gaz d'échappement à partir d'une mesure de la température des gaz d'échappement et s à partir d'une mesure du débit des gaz d'échappement, les mesures étant effectuées en amont de la turbine ; - une étape de chauffage des gaz d'échappement qui est enclenchée lorsque l'enthalpie actuelle calculée est inférieure à une enthalpie de seuil prédéterminée, et au cours de laquelle une io quantité déterminée d'agent réducteur est injectée par l'organe d'injection dans la conduite d'échappement de manière à chauffer les gaz d'échappement alimentant la turbine. Selon d'autres caractéristiques du procédé : - l'étape préalable de vérification comporte une phase de 15 vérification de la demande de puissance pour le moteur, l'étape de chauffage étant déclenchée lorsque la puissance demandée est supérieure à une puissance de seuil prédéterminée ; - l'enthalpie de seuil est déterminée en fonction de la puissance demandée pour le moteur ; 20 - la quantité d'agent réducteur injectée est déterminée en fonction de la différence entre l'enthalpie de seuil et l'enthalpie actuelle calculée. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la 25 compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma qui représente un moteur à combustion interne équipé d'un circuit d'admission d'air et d'un circuit d'échappement réalisé selon les enseignements de 30 l'invention ; - la figure 2 est un schéma-blocs qui représente un procédé de mise en oeuvre du circuit d'échappement réalisé selon 4 les enseignements de l'invention pour chauffer les gaz d'échappement qui alimentent la turbine. Dans la suite de la description, on adoptera les termes "amont" et "aval" en fonction de la direction d'écoulement normal des gaz dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne. Dans la suite, des éléments ayant des fonctions similaires, analogues ou identiques seront désignés par des mêmes numéros de référence. io On a représenté à la figure 1 un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile. Il s'agit ici d'un moteur 10 Diesel. Le moteur à combustion interne 10 comporte une pluralité de cylindres 12 qui sont alimentés en air par un circuit d'admission 14. 15 Les gaz d'échappement "G" produit par la combustion du mélange de l'air d'admission avec du carburant dans les cylindres 12 est évacué dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'un circuit d'échappement 16. Le sens d'écoulement des gaz d'échappement "G" est indiqué par les flèches "G" de la figure 1. 20 Le circuit d'admission 14 comporte plus particulièrement une conduite d'admission 18 de l'air comportant une bouche 20 d'entrée de l'air. Le sens d'écoulement de l'air est indiqué par les flèches "A" de la figure 1. Un filtre à air 22 est interposé dans la conduite 25 d'admission 18 pour débarrasser l'air d'admission des impuretés susceptibles de provoquer des dysfonctionnements du moteur 10. Un premier compresseur 24, dit "basse pression", est interposé dans la conduite d'admission 18 en aval du filtre à air 22 afin d'augmenter la pression de l'air d'admission en aval. 30 Un premier refroidisseur 26 est interposé dans la conduite d'admission 18 en aval du compresseur basse pression 24 pour refroidir l'air d'admission qui a été échauffé lors de sa compression par le compresseur basse pression 24.
Un deuxième compresseur 28, dit "haute pression", est interposé dans la conduite d'admission 18 en aval du premier refroidisseur 26 afin d'augmenter une deuxième fois la pression de l'air d'admission.
Un deuxième refroidisseur 30 est interposé dans la conduite d'admission 18 en aval du compresseur haute pression 28 pour refroidir l'air d'admission qui a été échauffé lors de sa compression par le compresseur haute pression 28. La conduite d'admission 18 débouche, en aval du io deuxième refroidisseur 30, dans un répartiteur d'admission 32 qui réparti l'air comprimé et refroidi dans les quatre cylindres 12. L'air "A" est ainsi admis dans les cylindres 12 à haute pression, tout en conservant une température relativement basse malgré les deux compressions successives par les compresseurs 15 24 et 28. L'air d'admission "A" est ensuite mélangé avec du carburant dans les cylindres 12. Ce mélange est brûlé, produisant des gaz d'échappement "G" qui sont évacués par le circuit d'échappement 16. 20 A cet effet, le circuit d'échappement 16 comporte un collecteur d'échappement 34 qui raccorde chacun des cylindres 12 avec une conduite d'échappement 36. Au moins un dispositif de dépollution catalytique d'oxydation 38 est interposé dans la conduite d'échappement 36 25 de manière à transformer par oxydation certains composés chimiques polluants contenus dans les gaz d'échappement, tels que les oxydes d'azotes "NOx", en composés chimiques non polluants. Le dispositif de dépollution 38 est ici formé par un 30 monolithe imprégné d'un catalyseur d'oxydation. Un filtre à particules 40 est interposé dans la conduite d'échappement 36 en aval du dispositif de dépollution catalytique 6 38 afin de retenir des particules de suies susceptibles d'être présentes dans les gaz d'échappement. Selon une variante non représentée de l'invention, le dispositif de dépollution est formé par un filtre à particules dit "catalysé", c'est-à-dire imprégné d'un catalyseur d'oxydation. Une première turbine 42 est interposée dans la conduite d'échappement en aval du filtre à particules 40. La première turbine 42 est liée mécaniquement au compresseur haute pression 28 de manière à former un premier turbocompresseur io haute pression 28, 42. La première turbine 42 sera donc appelée par la suite turbine haute pression 42. Une deuxième turbine 44 interposées dans la conduite d'échappement 36 en aval de la turbine haute pression 42. La deuxième turbine 44 est liée mécaniquement au compresseur 15 basse pression 24 de manière à former un deuxième turbo-compresseur basse pression 24, 44. La deuxième turbine 44 sera donc appelée par la suite turbine basse pression 44. Le moteur 10 est ainsi susceptible d'être suralimenté en air par deux turbocompresseurs montés en série. 20 Chaque turbine 42, 44 est susceptible d'être entraînée par le flux de gaz d'échappement "G" s'écoulant dans la conduite d'échappement 36. Chaque turbine 42, 44 est ici équipée d'une vanne de régulation 46 qui permet de réguler le débit de gaz 25 d'échappement "G" passant à travers chaque turbine 42, 44. Une conduite de recirculation 48 des gaz d'échappement est en outre agencée de manière à raccordée le circuit d'échappement 16, plus particulièrement le collecteur d'échappement 34, avec le circuit d'admission 14 en aval du 30 deuxième refroidisseur 30. Le taux de gaz d'échappement "G" introduit dans la conduite d'admission 18 est commandé par une vanne dite "EGR" 50 qui peut être totalement fermée. 7 On a constaté que l'énergie qui peut récupérée par chaque turbine 42, 44 dépend de l'enthalpie des gaz d'échappement "G" qui alimentent la turbine 42, 44. Or, l'enthalpie des gaz d'échappement est proportionnelle à la température des gaz d'échappement "G". L'invention propose un agencement pour le chauffage des gaz d'échappement qui alimentent la turbine haute pression 42. L'agencement comporte un organe d'injection 52 d'un agent réducteur qui est agencé dans la conduite d'échappement en aval io du collecteur d'échappement 34 et en amont du dispositif de dépollution 38 par oxydation. Ainsi, l'agent réducteur injecté directement dans la conduite d'échappement par l'organe d'injection 52 est porté par le flux de gaz d'échappement "G" jusqu'au dispositif de 15 dépollution catalytique 38. Au contact du catalyseur d'oxydation, l'agent réducteur est oxydé lors d'une réaction d'oxydation exothermique afin de chauffer les gaz d'échappement "G" qui alimentent la turbine 42. Avantageusement, l'organe d'injection 52 est agencé à 20 proximité du dispositif de dépollution 38 de manière que le chauffage des gaz d'échappement "G" soit réalisé très rapidement après l'injection d'agent réducteur. L'agent réducteur est ici un hydrocarbure qui est injecté en un brouillard de fines gouttelettes dans la conduite 25 d'échappement 36. Il s'agit par exemple du carburant qui alimente le moteur 10. L'agencement permet de chauffer les gaz d'échappement qui alimentent la turbine haute pression 42. Cependant, lorsqu'une partie des gaz d'échappement "G" 30 est déviée directement vers la turbine basse pression 44 par la vanne de régulation 46 de la turbine haute pression 42, les gaz d'échappement "G" qui alimentent la turbine basse pression 44 8 sont aussi chauffés par l'oxydation de l'agent réducteur sur le dispositif de dépollution catalytique 38. Selon une variante non représentée de l'invention, un deuxième agencement réalisé selon les enseignements de l'invention est agencé en amont de la turbine basse pression et en aval de la turbine haute pression de manière à chauffer les gaz d'échappement "G" alimentant la turbine basse pression. Ainsi, selon cette variante, un deuxième dispositif de dépollution catalytique d'oxydation est interposé dans la conduite io d'échappement en aval de la turbine haute pression et en amont de la turbine basse pression, et un organe d'injection d'un agent réducteur est agencé dans la conduite d'échappement entre la turbine haute pression et le deuxième dispositif de dépollution catalytique d'oxydation. 15 En outre, l'agencement comporte au moins une sonde de température 54 dont une extrémité sensible est agencée dans la conduite d'échappement 36 directement en amont de la turbine 42. La sonde de température 54 est ainsi susceptible de prendre une mesure de la température des gaz d'échappement "G" juste 20 avant qu'ils n'alimentent la turbine 42. Ainsi, il est possible de savoir à quel moment un chauffage des gaz d'échappement "G" est opportun. Un capteur de pression 55 est agencé dans la conduite d'admission 18 en aval du deuxième refroidisseur 30, par exemple 25 dans le répartiteur d'admission 32, de manière à pouvoir piloter les compresseurs 24, 28. De plus, un capteur de débit 57 est agencé dans la conduite d'admission 18 en amont des compresseurs de sorte à mesurer le débit d'air frais entrant dans le moteur, auquel on 30 ajoutera le débit de carburant injecté pour estimer le débit de gaz d'échappement traversant le dispositif catalytique et les turbines. L'agencement comporte aussi une unité électronique de commande 56 qui pilote l'organe d'injection 52. A cet effet, l'unité électronique de commande 56 est susceptible de recevoir des signaux représentatifs des mesures prises par la sonde de température 54, le capteur de pression 55 et le capteur de débit 57.
On décrit à présent le procédé de mise en oeuvre d'un tel agencement pour le chauffage des gaz d'échappement. Au cours d'une étape préalable "EO", plusieurs conditions de mise en oeuvre du chauffage des gaz d'échappement sont vérifiées. io Cette étape préalable "EO" comporte ici plusieurs phases de vérifications de différents paramètres, et particulièrement de la température des gaz d'échappement "G". Une première phase "P1" de vérification de la demande de puissance pour le moteur 10 est déclenchée lorsqu'un organe de 15 commande de la puissance du moteur, tel que la pédale d'accélérateur du véhicule automobile, est actionné. La puissance demandée au moteur 10 est par exemple proportionnelle à l'enfoncement de la pédale d'accélération. Au cours de cette première phase "P1", l'unité électronique 20 de commande 56 compare la puissance demandée au moteur 10 avec une puissance de seuil. Si la puissance demandée est inférieure à la puissance de seuil, le procédé est arrêté et réinitialisé. Si la puissance demandée est supérieure à la puissance de 25 seuil, une deuxième phase "P2" de mesure de la pression de l'air d'admission est déclenchée. La mesure de la pression de l'air d'admission est effectuée par le capteur de pression 57. La pression mesurée est transmise à l'unité électronique de commande 56. 30 Au cours de cette deuxième phase "P2", la pression mesurée est comparée à une pression de seuil par l'unité électronique de commande 56. 2934012 i0 Si la pression mesurée est supérieure à la pression de seuil, on considère que les compresseurs 24, 28 ont un rendement satisfaisant. Il n'est donc pas nécessaire d'améliorer leur rendement en chauffant les gaz d'échappement "G". Le 5 procédé est alors arrêté est réinitialisé. Si la pression mesurée est inférieure à la pression de seuil, on considère que le rendement des compresseurs 24, 28 est insuffisant. Une troisième phase "P3" de calcul de l'enthalpie actuelle des gaz d'échappement "G" est alors enclenchée. io Au cours de cette troisième phase "P3", le capteur de débit 57 et la sonde de température 54 transmettent à l'unité électronique de commande 56 une mesure du débit et une mesure de la température des gaz d'échappement "G" directement en amont de la turbine haute pression 42. L'unité électronique de 15 commande 56 calcule alors l'enthalpie des gaz d'échappement "G" à partir de ces mesures. Cette enthalpie actuelle calculée est comparée à une enthalpie de seuil par l'unité électronique de commande 56. Si l'enthalpie calculée est supérieure à l'enthalpie de seuil, 20 on considère que l'enthalpie des gaz d'échappement est suffisamment élevée pour que les turbines 42, 44 puissent fournir aux compresseurs 24, 28 la puissance requise pour comprimer l'air d'admission à une pression correspondant à la puissance demandée au moteur 10. 25 L'enthalpie de seuil peut être prédéterminée ou elle peut prendre une valeur définie en fonction de la puissance demandée au moteur 10. Dans ce dernier cas, une cartographie de l'enthalpie de seuil en fonction de la puissance demandée au moteur est par exemple mémorisée dans l'unité électronique de 30 commande 56. Si l'enthalpie actuelle calculée est inférieure à l'enthalpie de seuil, une étape "El" de chauffage des gaz d'échappement est déclenchée. 2934012 Il Au cours de cette étape de chauffage "El", une quantité déterminée d'agent réducteur est injectée dans la conduite d'échappement 36 par l'organe d'injection 52. L'injection est commandée par l'unité électronique de commande 56. 5 L'agent réducteur injecté est porté par le flux de gaz d'échappement "G" jusqu'au dispositif de dépollution catalytique 38. Au contact du catalyseur d'oxydation, l'agent réducteur est alors oxydé lors d'une réaction exothermique qui libère une quantité de chaleur suffisante pour chauffer les gaz d'échappement "G" qui s'écoulent à travers le dispositif de dépollution 38. L'enthalpie des gaz d'échappement est alors augmentée. Le gaz d'échappement "G" chaud s'écoule alors jusqu'à la turbine haute pression 42 et/ou jusqu'à la turbine basse pression 44. La ou les turbines 42, 44 sont alors entraînées en rotation par 15 les gaz d'échappement chauffés, provoquant ainsi la compression de l'air d'admission à la pression requise par l'intermédiaire des compresseur associés 24, 28. La quantité d'agent réducteur injecté dans la conduite d'échappement 36 est calculée par l'unité électronique de 20 commande 56 en fonction de la différence entre l'enthalpie de seuil, qui correspond à l'enthalpie souhaitée pour les gaz d'échappement "G", et l'enthalpie actuelle calculée. La quantité de chaleur libérée par l'oxydation d'une unité de volume d'agent réducteur étant connue, il est alors possible de déterminer la 25 quantité d'agent réducteur à injecter pour combler le déficit d'enthalpie des gaz d'échappement "G". En outre, il peut être prévu que la richesse du mélange d'air et de carburant brûlé dans les cylindres 12 du moteur 10 soit ajustée par l'unité électronique de commande 56 afin d'optimiser 30 les conditions d'oxydation de l'agent réducteur, notamment par la présence d'air en surplus dans les cylindres qui permet d'apporter l'oxygène nécessaire à l'oxydation dans la conduite d'échappement 36. 12 Il peut aussi être prévu que la vanne EGR 50 soit commandée par l'unité électronique de commande 56 pour optimiser les conditions d'oxydation de l'agent réducteur. Les dispositions décrites dans les deux paragraphes précédents sont déjà connues dans le cadre de la dépollution des gaz d'échappement par un catalyseur d'oxydation. Elles ne seront donc pas décrites plus en détail dans la suite de la description. Un tel agencement pour le chauffage des gaz d'échappement "G" est particulièrement avantageux car les dispositifs de dépollution catalytique d'oxydation installés dans la conduite d'échappement 36 peuvent ainsi remplir une fonction de dépollution des gaz d'échappement, d'une part, et une fonction de chauffage des gaz d'échappement, d'autre part. De plus, ces dispositifs de dépollution qui étaient souvent considérés comme des puits de chaleur qui faisaient baisser la température des gaz d'échappement en cas d'installation en amont des turbines, sont ici utilisés au contraire pour chauffer les gaz d'échappement. Par ailleurs, le fait d'agencer un organe d'injection directement dans la conduite d'échappement permet de découpler de commander très précisément la quantité d'agent réducteur qui atteint le dispositif de dépollution catalytique. En outre, le fait de découpler la commande d'injection de carburant dans les cylindres et la commande d'injection d'agent réducteur dans la conduite d'échappement par l'intermédiaire de l'organe d'injection 52 permet de simplifier considérablement la commande d'injection de carburant dans les cylindres 12 du moteur 10. Il est cependant aussi possible d'intervenir et de modifier complémentairement le débit de carburant injecté directement dans le moteur pour contribuer à l'élévation d'enthalpie demandée par l'unité de commande 56. 13 L'organe d'injection 52 ainsi agencé peut aussi servir à chauffer les gaz d'échappement "G" en vue de régénérer le filtre à particules 40 agencé à proximité du dispositif de dépollution catalytique 38.
De plus, il est connu que les dispositifs de dépollution catalytique doivent être chauffé au-delà d'une température d'amorçage pour que les réactions d'oxydation puissent se déclencher de manière significative. Dans l'agencement décrit précédemment, le dispositif de dépollution catalytique 38 est lo avantageusement agencé à proximité du moteur 10 de manière que la température des gaz d'échappement "G" soit très élevée, c'est-à-dire que la quantité de chaleur des gaz d'échappement qui a fui à travers les parois de la conduite d'échappement est très faible. Le dispositif de dépollution catalytique 38 est ainsi 15 susceptible d'atteindre sa température d'amorçage très rapidement. L'invention a été décrite pour un moteur équipé de deux turbocompresseurs. On comprendra cependant que l'invention s'applique aussi à des moteurs équipés d'un seul turbo- 20 compresseur. Le dispositif décrit comporte un filtre à particules qui permet de compléter la dépollution des gaz d'échappement. On comprendra cependant que le filtre à particule n'est pas essentiel pour réaliser le chauffage des gaz d'échappement.
25 Son implantation en amont des turbines lui permet de bénéficier de gaz beaucoup plus chaud, facilitant une régénération spontanée et continue des particules piégées à l'intérieur de ce filtre dans de plus nombreux cas de fonctionne-ment que lorsqu'il est situé à l'aval des un ou deux étages de 30 turbines. Une régénération commandée du filtre à particule sera elle aussi grandement facilitée par un recours moindre à des solutions d'élévation de la température des gaz à l'intérieur du filtre du fait de l'emplacement avantageux en amont des turbines.