FR2934638A1 - Procede de reduction des emissions polluantes d'un moteur a combustion interne et dispositif correspondant - Google Patents

Abstract

Un moteur (1) à combustion interne comprenant au moins un cylindre (2) est équipé - d'une prise d'air atmosphérique (5) reliée à un conduit d'alimentation en air (20) dudit cylindre, - d'un réservoir d'air sous pression (3) apte à emmagasiner de l'air, relié directement ou indirectement audit conduit d'alimentation en air (20), et relié directement audit cylindre (2) par un conduit direct (9), - d'une ligne d'échappement (15) équipée d'un catalyseur (16), - d'une unité de commande électronique (UCE) (13) apte à gérer le fonctionnement du moteur (1) alternativement soit en mode exclusivement pneumatique, soit en mode totalement ou partiellement thermique. L'unité de commande électronique est en outre apte à piloter, lors d'au moins un mode de fonctionnement thermique du moteur, une injection d'air provenant du réservoir (3) et arrivant dans la ligne d'échappement (15) sans avoir subi les phases successives de compression-combustion dans un cylindre (2).

Description

B08-1110 FR AxC/JK

Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur à combustion interne et dispositif correspondant. Invention de : Xavier JEANDEL Gérald PETERS Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur à combustion interne et dispositif correspondant.

La présente invention concerne d'une manière générale un procédé pour réduire la pollution due aux gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. L'invention se situe plus particulièrement dans le mode de gestion des véhicules à moteur thermique et à hybrides de moteurs thermiques, munis d'un catalyseur d'oxydation ou d'un catalyseur trifonctionnel dans la ligne d'échappement pour réduire les émissions polluantes. Les normes mondiales contre la pollution due aux véhicules n'ont cessé, au cours des dernières années, de devenir de plus en plus sévères. Pour satisfaire ces normes antipollution, les constructeurs automobiles ont développé des solutions de plus en plus efficaces pour éliminer les polluants des gaz d'échappement des moteurs tels que, par exemple, les pots d'échappement catalytiques pour les moteurs à essence et les pots d'échappement catalytiques couplés ou non à des filtres à particules pour les moteurs Diesel. Les gaz d'échappement des moteurs comprennent comme polluants principaux des hydrocarbures imbrûlés, du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote (NO et NO2) et des suies (principalement dans le cas d'un moteur Diesel).

Pour épurer les gaz d'échappement des moteurs à essence d'une grande partie de leurs composés nocifs pour la santé on a eu recours entre autres à des pots catalytiques. Ces pots catalytiques, bien connus en eux-mêmes, comportent un système de catalyseurs qui ont pour objet d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés ainsi que le monoxyde de carbone et de réduire les oxydes d'azote. Ces pots catalytiques se sont avérés efficaces, ayant des taux de conversion d'environ 95%. Cependant, l'action du système de catalyseurs ne débute qu'à partir d'une température relativement élevée de l'ordre de 200°C et n'est optimale qu'à des températures de l'ordre de 450°C. Lors des départs à froid des véhicules, bien évidemment, le pot catalytique est à une température bien inférieure à 200°C et est donc inactif. C'est la chaleur des gaz d'échappement qui va peu à peu accroître la température du système de catalyseurs jusqu'à la valeur requise pour le rendre efficace. Durant toute cette période d'inactivité chimique du système de catalyseurs (qui dure entre 30 et 80 secondes) sont produites 80% des émissions polluantes enregistrées sur un cycle d'homologation Européen de durée totale 20 min. On comprend dès lors l'intérêt pour les constructeurs automobiles à diminuer le temps d'amorçage du système de catalyseurs. Une solution pour réduire ce temps d'amorçage consiste à effectuer une injection d'air à l'échappement (IAE), c'est-à-dire à introduire de l'air à température ambiante dans la ligne d'échappement du véhicule pendant la phase froide, c'est-à-dire la phase de fonctionnement du moteur avant que le système de catalyseurs du pot catalytique n'entre en action. Simultanément, on envoie dans les cylindres du moteur un mélange air-carburant plus riche en carburant afin de produire des gaz d'échappement plus riches en monoxyde de carbone qu'en mode de fonctionnement normal. L'oxygène de l'air envoyé dans la ligne d'échappement permet d'oxyder le monoxyde de carbone ainsi produit en excès. L'oxydation catalytique du monoxyde de carbone se déclenchant à plus basse température que celle des autres espèces réductrices en présence, on accélère par cette réaction exothermique préférentielle la montée en température catalyseur.

L'injection de l'air à l'échappement (IAE) peut être assurée par une pompe dédiée, comme dans le brevet US 5410872, ou peut être assurée par le même compresseur que celui qui sert à la suralimentation du moteur, comme dans la demande de brevet EP 1300558. La première solution nécessite l'investissement d'un équipement spécifique (la pompe). Dans la seconde solution, le débit d'air disponible pour l'IAE est limité par le débit du compresseur de suralimentation, qui doit simultanément assurer l'alimentation en air du moteur. La demande de brevet FR 2670837 propose d'utiliser une même pompe d'air secondaire pour la suralimentation du moteur et pour l'IAE. Afin de pouvoir assurer un débit d'air suffisant pour les deux fonctions au moment du démarrage, un réservoir d'air sous pression est alimenté par la pompe avant de lancer la procédure de démarrage. Lors de la préchauffe du catalyseur, le débit total d'air nécessaire à l'IAE et à la suralimentation est ensuite assuré par la pompe assistée au besoin de la réserve d'air préconstituée. L'invention propose, pour réduire le temps d'amorçage du catalyseur, de mettre d'abord en mouvement le véhicule par un moyen autre que le moteur à combustion. Une fois que la vitesse de rotation du moteur a atteint un régime ou vitesse de rotation seuil, le moteur est actionné en mode thermique. Un fonctionnement à régime élevé du moteur étant plus exothermique que le régime ralenti qui est la première étape usuelle d'un démarrage de moteur thermique, les gaz d'échappement plus chauds amènent rapidement le catalyseur à sa température d'amorçage, réduisant ainsi la quantité d'espèces polluantes émises. Par exemple, des calculs montrent qu'en mettant en action le mode thermique du moteur à partir du moment où un véhicule de tourisme roule déjà à une vitesse de l'ordre de 30km/h, l'arbre moteur étant entraîné au régime qui correspond, la phase d'amorçage du catalyseur ne dure dans ces conditions qu'une dizaine de secondes, ce qui permet de réduire les émissions polluantes de l'ordre de 70% par rapport à un cycle d'amorçage classique du catalyseur. Un régime suffisant de rotation du moteur peut être atteint par exemple en démarrant le véhicule par propulsion électrique ou par propulsion pneumatique. Le brevet US6223846 (Schechter) ainsi que la demande de brevet FR0758370 au nom de la demanderesse, non publiée, proposent d'équiper le véhicule d'un réservoir d'air comprimé, et, pour la mise en mouvement du moteur puis du véhicule initialement à l'arrêt, de détendre l'air comprimé dans les pistons du moteur sans injecter de carburant, afin de fournir un travail mécanique non polluant de démarrage du véhicule. Entre deux démarrages, la réserve d'air dans le réservoir peut être partiellement ou totalement reconstituée par des dispositifs qui utilisent l'énergie de décélération ou de freinage du véhicule afin de comprimer de l'air et l'envoyer dans le réservoir. On peut ainsi mettre en mouvement le moteur puis le véhicule en utilisant l'énergie pneumatique d'un réservoir d'air comprimé. Une fois le régime seuil de rotation du moteur atteint, on commence à actionner le moteur en mode thermique, en bénéficiant d'un temps d'amorçage réduit du catalyseur. Un tel démarrage du véhicule, que l'on peut qualifier de "pneumatique à amorçage rapide", n'est cependant possible que si le réservoir contient une réserve d'air suffisante. Pour des raisons d'encombrement du réservoir et de pression maximale acceptable par le réservoir, la réserve d'air stockable pour un véhicule de type tourisme reste généralement de l'ordre d'un kilogramme d'air, voire se limite à une quantité voisine de 500 grammes d'air.

Suivant les cycles de roulage, il se peut que la réserve d'air dans le réservoir baisse en deçà du niveau minimum nécessaire pour assurer un tel démarrage du véhicule " pneumatique à amorçage rapide". La présente invention a pour but de fournir un procédé de gestion d'un moteur hybride thermique-pneumatique équipé d'un catalyseur qui permet de limiter les émissions polluantes du véhicule en optimisant l'utilisation de la réserve d'air disponible. A cet effet, l'invention propose un procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur à combustion interne, doté d'une ligne d'échappement équipée d'un catalyseur et doté d'au moins un réservoir d'air sous pression. La mise en mouvement du véhicule à partir d'une position arrêtée est effectuée dans un premier temps : - soit en utilisant l'énergie pneumatique de l'air contenu dans ledit réservoir, sans brûler de combustible dans le moteur, si la quantité d'air disponible dans le réservoir est supérieure à un seuil prédéfini. - soit en utilisant de l'énergie dégagée par la combustion de carburant dans des cylindres du moteur et en injectant simultanément de l'air à partir dudit réservoir dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur de manière à accélérer la montée en température dudit catalyseur, si la quantité d'air disponible dans le réservoir est inférieure audit seuil. Dans un mode préféré de mise en oeuvre du procédé, si la quantité d'air disponible dans le réservoir est inférieure audit seuil, le démarrage du moteur est effectué en injectant dans les cylindres du moteur un mélange air-carburant riche en carburant, de manière à obtenir après combustion du mélange dans les cylindres du moteur, un gaz riche en monoxyde de carbone, et en régulant la quantité d'air injectée dans la ligne d'échappement de manière à oxyder une fraction aussi élevée que possible de ce monoxyde de carbone. Avantageusement, l'air sous pression dans le réservoir est, au moins pour partie, alimenté par intervalles de temps en recevant de l'air ayant subi une compression par au moins un piston du moteur du véhicule. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé qui peut se combiner au précédent, l'air sous pression dans le réservoir est, au moins pour partie, alimenté par intervalles de temps à l'aide d'un compresseur embarqué à bord du véhicule.

Dans un mode préféré de réalisation, l'air sous pression dans le réservoir est, au moins pour partie, alimenté par intervalles de temps en recevant de l'air ayant subi successivement une compression par le compresseur puis par au moins un piston du moteur du véhicule. Avantageusement, le compresseur est inactif par intervalles de temps pendant des phases de propulsion du véhicule, et le compresseur est actif par intervalles de temps pendant des phases de décélération ou de freinage du véhicule. Dans une variante de mise en oeuvre du procédé, l'air sous pression dans le réservoir est utilisé par intervalles de temps pour alimenter en air les cylindres du moteur lors d'un fonctionnement du moteur en mode partiellement ou totalement thermique. Selon un autre aspect de l'invention, un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre est équipé - d'une prise d'air atmosphérique reliée à un conduit d'alimentation en air dudit cylindre, - d'un réservoir d'air sous pression apte à emmagasiner de l'air, relié directement ou indirectement audit conduit d'alimentation en air, et relié directement audit cylindre par un conduit direct, - d'une ligne d'échappement équipée d'un catalyseur, - d'une unité de commande électronique (UCE) apte à gérer le fonctionnement du moteur alternativement soit en mode exclusivement pneumatique, soit en mode totalement ou partiellement thermique.

L'unité de commande électronique est en outre apte à piloter, lors d'au moins un mode de fonctionnement thermique du moteur, une injection d'air provenant du réservoir et arrivant dans la ligne d'échappement sans avoir subi les phases successives de compression-combustion dans un cylindre.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un compresseur débrayable est disposé entre la prise d'air et le conduit d'alimentation. Dans une variante de réalisation de l'invention, le réservoir d'air est relié à la ligne d'échappement par un conduit débouchant en amont du catalyseur. Avantageusement, le trajet de l'air injecté du réservoir vers la ligne d'échappement traverse une vanne pilotée par l'unité de commande électronique, associée à un capteur de pression relié à l'unité de commande électronique, ou dans lequel ce trajet d'air traverse successivement un détendeur à pression constante, puis un régulateur de débit piloté par l'unité de commande électronique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma simplifié, en coupe transversale, d'un système de motorisation selon l'invention; - la figure 2 est un schéma simplifié, en coupe transversale, d'une variante de système de motorisation selon l'invention; - la figure 3 est un schéma simplifié, en coupe transversale, d'une autre variante de système de motorisation selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un système de motorisation 1 qui comprend au moins un cylindre 2, un réservoir 3 de stockage d'air ou de gaz sous pression, ainsi qu'un compresseur 4 d'alimentation en air du cylindre 2 et du réservoir 3. Pour simplifier le dessin, un seul cylindre a été représenté, mais le système de motorisation peut comporter plusieurs cylindres, par exemple quatre cylindres, comportant ou non les mêmes types de conduits et de soupapes que le cylindre représenté sur la figure. Le système de motorisation 1 est ici un moteur thermique de type Diesel, c'est-à-dire à auto-allumage par compression, mais pourrait être tout type de moteur à combustion interne, par exemple un moteur à allumage commandé. I1 peut s'agir d'un moteur à quatre temps, à deux temps, ou un moteur fonctionnant par périodes à quatre temps et par période à deux temps, comme dans le brevet US6223846. Une chemise 17 et une culasse 18 du cylindre 2, ainsi qu'un piston 19 déplaçable à l'intérieur de la chemise 17, délimitent conjointement une chambre de combustion 8.

L'aspiration et le refoulement du compresseur 4 sont respectivement raccordés à une prise 5 d'air atmosphérique et à un conduit d'alimentation 6, qui relie ce compresseur 4 à une vanne trois voies 7. La vanne 7 communique en outre avec le réservoir 3 par un conduit 12, et communique avec la chambre de combustion 8 par un conduit d'admission 20. Par l'intermédiaire de cette vanne 7, le refoulement du compresseur 4, le réservoir 3 et la chambre de combustion 8 du cylindre 2 peuvent être mis en communication entre eux, ou être au contraire isolés des deux autres éléments. La chambre de combustion 8 et le réservoir 3 peuvent également être mis en communication par un conduit direct 9 pourvu d'une soupape à levée et/ou étalement variables 10. Par soupape à levée variable, on entend une soupape qui peut être manoeuvrée, par exemple par commande électronique, selon un degré d'ouverture variable. Par soupape à étalement variable, on entend une soupape qui peut être ouverte ou fermée, par exemple par commande électronique, à n'importe quel moment au cours d'une révolution du moteur, pour une durée qui peut être différente à chaque ouverture/fermeture. A la différence des soupapes commandées par arbre à came, les cycles d'ouverture et de fermeture de ces soupapes à levée ou à étalement variables ne sont pas directement liés à la position d'autres éléments mécaniques du moteur. La soupape 10 est accouplée à un actionneur 10a, qui peut la manoeuvrer vers une position d'ouverture du conduit direct 9 ou la laisser être rappelée par un organe élastique non représenté, vers une position d'obturation de ce conduit. Cet actionneur est piloté par une unité de commande électronique 13 au travers d'une connexion 11. Un conduit 14 d'évacuation de gaz raccorde la chambre de combustion 8 à une ligne d'échappement 15 qui emmène les gaz expulsés du cylindre 2 vers l'extérieur du système de motorisation 1 au travers d'un catalyseur 16. Un conduit 37 d'injection de gaz à l'échappement, ou conduit IAE, relie le réservoir 3 à la ligne d'échappement 15. Le conduit d'évacuation 14 et le conduit IAE 37 rejoignent la ligne d'échappement 15 à une jonction triple 42. Sur le trajet du conduit d'injection à l'échappement 37 se trouve une vanne 38 commandée par PUCE 13 au travers d'une connexion 39. Dans une variante de réalisation du système, la vanne pilotée 38 peut être remplacée par un détendeur à pression constante situé sur le conduit 37 en sortie du réservoir 3, suivi d'un régulateur de débit placé sur le même conduit 37, et piloté par PUCE.

La chambre de combustion 8 comporte une soupape d'admission 22, disposée de manière à pouvoir ouvrir ou fermer le conduit d'admission 20, et une soupape d'échappement 23, disposée de manière à pouvoir ouvrir ou fermer le conduit d'évacuation 14. L'ouverture et la fermeture des soupapes 22 et 23 peuvent être provoquées de manière cyclique par un arbre à cames (non représenté). Les soupapes 22 et 23 peuvent également être des soupapes à levée et/ou étalement variables, commandées par PUCE 13. Un injecteur de carburant 21, piloté par PUCE 13 au travers d'une connexion 24, permet de pulvériser dans la chambre de combustion 8 des quantités de carburant commandées par L'UCE, aux instants d'injections également commandés par elle. L'unité de commande électronique 13 reçoit par un bus électronique 30 de type bus CAN, des informations de fonctionnement du véhicule, notamment le point de fonctionnement du moteur (couple et régime de rotation du moteur), ainsi que les informations provenant du poste de commande (non représenté) du conducteur, c'est à dire des données telles que la position de la pédale de frein, de la pédale d'accélérateur, du levier de vitesse... L'unité de commande 13 reçoit également par une connexion 31, la valeur de pression à l'intérieur du réservoir 3 mesurée par un capteur de pression 34, reçoit par une connexion 32, la valeur de la température mesurée à l'intérieur du réservoir 3 par un capteur de température 35, et reçoit par une connexion 33, la valeur de pression mesurée par un capteur de pression 36 dans le conduit 37 en aval de la vanne 38. Une bielle 25 accouple le piston 19 à un vilebrequin 26, qui est à même d'entraîner ou non en rotation le compresseur 4, selon l'état (embrayé ou débrayé) d'un embrayage 27 disposé entre le vilebrequin 26 et ce compresseur 4. L'embrayage 27 est piloté par PUCE 13 au travers d'une connexion 28. Le compresseur 4 peut être ou non un turbocompresseur entraîné en rotation par les gaz d'échappement du système de motorisation 1. Le vilebrequin 26 est assemblé à un volant moteur 40, qui peut être rendu solidaire en rotation par un embrayage 41 avec le système de transmission et avec les roues motrices du véhicule, et qui peut également être rendu solidaire en rotation par une courroie avec un moteur électrique apte à assurer la fonction de démarreur (éléments non représentés). La vanne trois voies 7 peut mettre l'échappement du compresseur 4, la chambre de combustion 8 et le réservoir 3 en communication deux à deux, de manière à permettre l'alimentation en air de la chambre de combustion 8 par le compresseur 4, ou bien le remplissage du réservoir 3 par la chambre de combustion 8, ou bien encore l'alimentation en air comprimé de cette même chambre de combustion 8 par le réservoir 3. La vanne trois voies 7 peut également mettre simultanément en communication l'échappement du compresseur 4, la chambre de combustion 8 et le réservoir 3, de manière à permettre au compresseur 4 de fournir de l'air comprimé en même temps à la chambre de combustion 8 et au réservoir 3.

La mise en rotation du moteur, c'est-à-dire la mise en rotation du vilebrequin 26 peut se faire par le déplacement des différents pistons 19 du moteur dans leurs cylindres 2 respectifs, et transmis par les bielle 25 au vilebrequin : ce sont les modes de fonctionnement de type "propulsion" du moteur. La rotation du moteur peut également être provoquée par les roues motrices du véhicules, qui transmettent leur couple via l'embrayage 41 au volant moteur 40 puis au vilebrequin 26 : ce sont les modes de fonctionnement de type "frein moteur" ou "décélération" du véhicule. La mise en rotation du moteur peut enfin se faire par un moteur démarreur électrique imprimant par l'intermédiaire d'une courroie ou d'un autre moyen de transmission, un mouvement de rotation au volant moteur 40. Le système de motorisation 1 peut fonctionner selon un premier mode de type frein moteur, appelé mode "pompe", qui permet le remplissage en air du réservoir sous pression 3. Ce mode "pompe" consiste à convertir une partie de l'énergie cinétique récupérée lors du freinage ou de la décélération du véhicule en énergie stockée sous forme d'une mise sous pression d'air emmagasiné dans le réservoir 3. En d'autres termes, le compresseur 4 et le piston 19 entraînés par l'énergie cinétique et/ou potentielle du véhicule compriment de l'air qui est dirigé vers le réservoir 3 pour y être stocké sous pression. Plus précisément, l'air est comprimé par le compresseur 4 avant d'être admis dans la chambre de combustion 8 lorsque la soupape d'admission 22 est en position ouverte et que le mouvement du piston 19 s'effectue dans le sens d'une augmentation du volume de la chambre de combustion 8. L'air entré dans cette chambre de combustion 8 y est ensuite comprimé par le piston 19 entraîné vers la culasse 18 alors que les soupapes 10, 22 et 23 sont toutes en position d'obturation. A la fin de la compression de l'air présent dans la chambre de combustion 8 a lieu le remplissage du réservoir 3, par le conduit direct 9 que l'ouverture de la soupape 10 a mis en communication avec la chambre de combustion 8. I1 ressort de ce qui précède que l'air emmagasiné dans le réservoir 3 peut être à une pression supérieure à la pression maximale pouvant être délivrée par le compresseur 4. Le système de motorisation 1 peut fonctionner selon un second mode principal, de type propulsion, appelé mode "thermique", qui permet de produire un travail moteur d'entraînement du véhicule. De l'air est admis dans la chambre de combustion 8 pendant que le piston 19 s'éloigne de la culasse 18. Simultanément, l'injecteur 21 introduit une quantité prédéfinie de carburant dans la chambre de combustion 8. Le mélange air-carburant est ensuite comprimé par le piston 19. Dans la chambre de combustion 8, à l'issue de la compression, intervient une combustion suivie par une détente motrice ré-éloignant le piston 19 de la culasse 18, puis les gaz résultants de la combustion s'échappent via le conduit d'évacuation 14 mis en communication avec la chambre de combustion 8 par l'ouverture de la soupape d'échappement 23. I1 se peut, suivant les cycles de roulage du véhicule, que les phases de freinage ou de décélération ne fournissent pas à elle seules l'énergie suffisante pour amener le réservoir à un niveau de remplissage jugé satisfaisant. Un second mode de type propulsion, appelé mode de "sous-alimentation", permet de produire un travail moteur d'entraînement du véhicule et, simultanément, de remplir d'air le réservoir 3. L'air admis dans la chambre de combustion 8 après avoir été comprimé par le compresseur 4 est encore comprimé par le piston 19. Lorsque la pression dans la chambre de combustion 8 atteint celle dans le réservoir 3, on ouvre la soupape 10 momentanément, pour que s'effectue un remplissage du réservoir 3. Ensuite, on referme la soupape 10 alors que la compression par le piston 19 n'est pas arrivée à terme. Dans la chambre de combustion 8, à l'issue de la compression et d'une injection de carburant par l'injecteur 21, intervient une combustion suivie par une détente motrice, puis une évacuation des gaz brûlés via le conduit d'évacuation 14 mis en communication avec la chambre de combustion 8 par l'ouverture de la soupape d'échappement 23. Dans le cas où la pression de suralimentation ou pression disponible en sortie du compresseur 4 est supérieure ou égale à la pression dans le réservoir 3, ce dernier peut également être alimenté directement en air comprimé au travers du conduit 12 par le compresseur 4, la vanne trois voies 7 ayant mis en communication les conduits 6 et 12. Lorsque la masse d'air stockée dans le réservoir 3 a atteint un niveau suffisant, cette réserve d'air sous pression stockée dans le réservoir 3 peut être utilisée pour faire fonctionner le système de motorisation selon un mode de propulsion thermique fortement suralimenté dans lequel, lors de chaque phase d'admission, la chambre de combustion 8 est alimentée en air provenant directement du compresseur 4, puis en air fourni par le réservoir 3 à une pression supérieure à celle au niveau de l'échappement de ce compresseur 4. L'accroissement de la quantité d'air ainsi fournie au cylindre 2 s'accompagne d'une augmentation de la quantité de carburant injectée puis brûlée dans ce cylindre 2, donc d'un accroissement momentané de la puissance produite, accroissement de puissance supérieur à celui que l'on aurait en effectuant la suralimentation du système de motorisation à l'aide du seul compresseur. Le cylindre 2 peut également fonctionner en mode thermique sans suralimentation ou en suralimentation réduite, c'est-à-dire en recevant de l'air à la pression de sortie du compresseur 4, sans faire usage de la réserve d'air présente dans le réservoir 3. En mode propulsion, de l'air sous pression en provenance du réservoir 3 peut également être fourni au cylindre 2 sans être accompagné d'une injection de carburant. Dans ce cas, la réserve d'air sous pression dans le réservoir 3 sert uniquement de stock d'énergie potentielle, dont une partie est puisée pour être convertie en travail par le cylindre 2. I1 s'agit d'un mode de fonctionnement pouvant être qualifié de mode "pneumatique". Dans ce mode de fonctionnement, le réservoir 3 fournit de l'air comprimé à la chambre de combustion 8, lorsque le piston 19 est au point haut. Cet air produit un travail moteur en faisant se déplacer le piston 19 dans la direction opposée à la culasse 18. I1 est ensuite évacué par le conduit d'évacuation 14 comme seraient évacués des gaz brûlés lors du fonctionnement du système de motorisation en mode thermique. Ce mode de fonctionnement peut être utilisé pour mettre en rotation le moteur initialement à l'arrêt. Une fois le moteur 1 donc le volant moteur 40 en rotation, en injectant du carburant dans les cylindres 2 et en modifiant les cycles d'ouverture des soupapes, notamment de la soupape 23, on peut passer en mode de fonctionnement thermique du moteur. Grâce à l'inertie en mouvement du volant moteur 40, les premiers cycles d'admission puis de compression de mélange combustible peuvent être assurés dans les cylindres. Les premières révolutions du moteur effectuées sur le mode pneumatique jouent ainsi le rôle traditionnel d'un démarreur électrique. L'intérêt de ce mode de démarrage est d'utiliser une énergie récupérée lors des phases de freinage ou de décélération du véhicule. Le rendement de stockage des énergies de décélération sous forme pneumatique est plus élevé que le rendement de stockage de ces énergies sous forme électrique à l'aide d'un alterno-démarreur. Comme mentionné dans l'introduction, ce mode de fonctionnement pneumatique peut également être utilisé non seulement pour mettre en mouvement le moteur, découplé par l'embrayage 41 du système de transmission, mais peut aussi être utilisé ensuite pour mettre en mouvement le véhicule en fermant l'embrayage 41, jusqu'à ce que le régime du moteur atteigne une vitesse prescrite ou jusqu'à ce que la réserve d'air descende en dessous d'un seuil prescrit. Pour passer du mode de fonctionnement pneumatique aux modes de fonctionnement thermiques, PUCE envoie les signaux nécessaires, notamment à l'injecteur 21 (et aux injecteurs équivalents présents sur les autres pistons du système de motorisation 1), à la soupape 10 (qui fait alors, éventuellement, office de soupape de suralimentation), à l'embrayage 27 permettant d'actionner le compresseur 4.

De manière générale, le passage d'un mode de fonctionnement du moteur 1 à un autre mode de fonctionnement est piloté par PUCE 13, notamment en fonction des valeurs reçues des capteurs de pression 34, 36 et du capteur de température 35, en fonction des demandes du conducteur arrivant du poste de pilotage, et en fonction d'autres paramètres du véhicule arrivant à PUCE par le bus CAN 30. A partir des valeurs reçues des capteurs de pression et de température 34 et 35, PUCE déduit la masse d'air présent dans le réservoir 3. A partir de données de fonctionnement du véhicule telles que la vitesse de rotation du moteur et le couple du moteur, ainsi que de la vitesse de rotation des roues par exemple, PUCE déduit si le véhicule est en phase de propulsion à vitesse constante, ou est en phase d'accélération active, ou est en phase de décélération ou de freinage. En fonction de l'énergie cinétique disponible (lors des décélérations du véhicule), de la masse d'air dans le réservoir et de la demande de puissance de propulsion émanant du conducteur, PUCE sélectionne le mode de fonctionnement le plus favorable suivant une stratégie d'optimisation programmée dont le détail n'est pas décrit ici. L'UCE impose alors le mode de fonctionnement le plus favorable en pilotant les injecteurs de carburant 21 des différents cylindres du moteur, et en pilotant les arrivées et départs d'air entre les différents cylindres 2 du moteur et le réservoir 3, au travers des soupapes 10, 22, 23 et des vannes 7 et 38. Pendant les phases de décélération du véhicule le mode pompe est activé, et le mode pneumatique est utilisé autant que possible lors des mises en route du moteur, parfois également pour propulser le véhicule, suivant la réserve d'air disponible. Dans le cadre de l'optimisation de l'utilisation de l'énergie issue du système de motorisation 1, PUCE 13 peut commander le débrayage de l'embrayage 27 pour éviter que le compresseur 4 ne consomme de l'énergie délivrée par le piston 19 au vilebrequin 26. L'UCE peut arbitrer un tel débrayage par exemple quand le système de motorisation fonctionne en mode pneumatique, ou quand le niveau de remplissage du réservoir 3 permet d'assurer une alimentation en air du cylindre 2 à partir de ce seul réservoir.

Pour réduire les coûts de fabrication du système de motorisation 1 et/ou pour satisfaire à des contraintes d'encombrement (il n'est pas toujours possible de faire déboucher trois conduits, avec leurs soupapes et système d'actionnement de soupapes, dans chaque tête de cylindre du système de motorisation), des variantes du système décrit figure 1 permettent de s'affranchir de la présence du conduit 9 et de sa soupape d'admission 10. Par exemple si la soupape 22 est une soupape à levée variable pilotée par PUCE 13, le remplissage du réservoir 3 en mode "pompe" de fonctionnement du système de motorisation peut se faire au travers des conduits 20 et 12 au lieu de se faire au travers du conduit 9. Après la phase d'admission d'air dans le cylindre par les conduits 6 et 20, la vanne 7 ferme alors la communication avec le conduit 6 pendant la phase de compression du piston et l'air de remplissage du réservoir 3 transite par la soupape d'admission 22 ouverte à cet effet, puis par le conduit 20, la vanne trois voies 7 et le conduit 12. Une configuration similaire est utilisée lorsque le réservoir 3 doit fournir de l'air au cylindre 2, soit lors d'un fonctionnement en mode "pneumatique", soit au cours du cycle moteur lors d'un fonctionnement en mode "fortement suralimenté", la soupape à levée variable 22 permettant alors de réguler la quantité d'air envoyée du réservoir 3 vers le cylindre 2. Toujours dans une optique de simplification et de réduction des coûts de fabrication, le système de motorisation peut être dépourvu de compresseur 4. L'arrivée d'air au cylindre 2 se fait alors à une pression proche de la pression atmosphérique, au travers des conduits 6 et 20. L'air arrivant au réservoir 3 est alors comprimé par le travail du seul piston 19 (et de ses homologues sur les autres cylindres du moteur). La suite de la description expose le procédé de démarrage d'un véhicule équipé d'un système de motorisation selon la figure 1, en vue d'émettre le moins d'espèces polluantes possible pendant la phase d'amorçage du catalyseur. Le véhicule étant à l'arrêt, l'unité de commande reçoit une demande de mise en route du véhicule, émise par exemple par le conducteur par appui sur un bouton de démarrage du poste de commande (non représenté) du véhicule. L'unité de commande analyse alors les valeurs reçues du capteur de pression 34 et du capteur de température 35, et calcule la masse d'air présente dans le réservoir. Si la masse d'air présente dans le réservoir est inférieure à un seuil que nous appellerons seuil de démarrage pneumatique, PUCE envoie les signaux nécessaires pour qu'arrivent aux chambres de combustion 8 des quantités d'air et de carburant correspondant au mode de fonctionnement thermique du moteur. L'UCE envoie simultanément les signaux nécessaires pour que le moteur soit mis en rotation, soit en mode pneumatique, soit par un démarreur électrique, de manière à assurer les premiers cycles d'admission puis de compression de mélange gaz-carburant dans les chambres de combustion 8. L'UCE envoie également les signaux nécessaires pour déclencher une injection d'air à l'échappement : en fonction de la composition du mélange air-carburant entrant dans les cylindres, PUCE évalue la teneur en monoxyde de carbone du gaz d'échappement, et calcule le débit d'air à injecter à partir du réservoir 3 pour oxyder une fraction aussi élevée que possible de ce monoxyde de carbone. En fonction des valeurs de pression reçues des capteurs 34 et 36, PUCE pilote alors l'ouverture de la vanne 38 pour obtenir dans la ligne d'échappement 15, le débit d'air calculé, pendant la durée nécessaire. La quantité d'air suffisante pour obtenir l'amorçage du catalyseur par IAE peut être calculée par avance, et définie comme "seuil de démarrage IAE". Ce seuil peut typiquement être de 100g à 200g d'air environ pour un véhicule de type tourisme. Si l'unité de commande détecte que la masse d'air présent dans le réservoir est supérieure au seuil de démarrage pneumatique, elle attend que le conducteur confirme sa demande de mise en route du véhicule (par exemple en mettant un levier de vitesse en position "vitesse automatique", en relâchant la pédale frein et en appuyant sur la pédale d'accélérateur). Quand le conducteur a confirmé sa demande, PUCE envoie les signaux nécessaires pour que le moteur soit mis en rotation suivant le mode pneumatique, puis pour que l'embrayage 41 du véhicule soit fermé, transmettant ainsi le couple du moteur 1 vers les roues motrices du véhicule (non représentées). Tant que la vitesse de rotation du moteur n'a pas atteint un régime prédéfini et tant que la réserve d'air dans le réservoir reste au dessus d'un seuil de réserve, PUCE continue à piloter le moteur en mode pneumatique. Dès que le moteur a atteint le régime prédéfini, ou si la réserve d'air dans le réservoir passe en dessous du seuil de réserve, PUCE met en oeuvre un pilotage du moteur selon le mode thermique. Pour définir la quantité d'air correspondant au seuil de démarrage pneumatique, on peut choisir une masse d'air, calculée par avance, permettant de lancer le moteur 1 en mode pneumatique, puis d'amener ce moteur, après fermeture de l'embrayage 41, à un régime de rotation prédéfini. Ce seuil de démarrage pneumatique peut être par exemple de l'ordre de 400 à 800 grammes d'air pour un véhicule de tourisme.

Le régime prédéfini du moteur à partir duquel se fait le basculement en mode de fonctionnement thermique est choisi de manière à ce que la quantité d'espèces polluantes émises, entre le moment du passage en mode thermique et le moment d'amorçage du catalyseur, soit suffisamment faible. Ce niveau "suffisamment faible" d'espèces polluantes peut être choisi de sorte qu'une étape d'injection d'air à l'échappement ne soit plus indispensable pour satisfaire aux objectifs de seuils maximaux d'émissions polluantes. Lors de la mise en mouvement "pneumatique à amorçage rapide" du véhicule décrite précédemment, l'IAE peut alors être soit totalement omise, soit elle peut être réduite en durée et quantité de gaz injectés. Quant au seuil de réserve en dessous duquel l'UCE fait cesser la propulsion en mode pneumatique, il peut par exemple être choisi de manière à ce que la quantité d'air correspondante permette un lancement du seul moteur en mode pneumatique (sans mise en route du véhicule), puis permette d'effectuer une injection à l'échappement lors du basculement en mode de fonctionnement thermique du moteur. Ce seuil de réserve peut par exemple être d'environ 150 à 300 grammes d'air pour un véhicule léger.

Dans le cas où l'unité de commande détecte que la masse d'air présente dans le réservoir est inférieure au seuil de démarrage pneumatique, plusieurs stratégies de démarrage du moteur restent envisageables. On peut choisir de mettre en rotation le moteur en mode pneumatique si la masse d'air disponible dans le réservoir est supérieure au seuil de réserve défini ci-dessus, puis passer en mode de fonctionnement thermique accompagné d'une étape d'IAE pendant la phase de montée en température du catalyseur. On peut choisir de mettre en rotation le moteur à l'aide du démarreur électrique si la masse d'air disponible dans le réservoir est inférieure au seuil de réserve, puis passer en mode de fonctionnement thermique accompagné si possible d'une étape d'IAE pendant la phase de montée en température du catalyseur. On peut enfin envisager des stratégies de démarrage du seul moteur en mode pneumatique, sans mettre en mouvement le véhicule par ce mode pneumatique, avant de passer en mode de fonctionnement thermique du moteur accompagné d'injection d'air à l'échappement. Le choix d'un mode de lancement pneumatique ou d'un mode de lancement électrique du moteur se fait alors en comparant la réserve d'air disponible à un seuil qui peut par exemple correspondre au seuil de réserve défini précédemment. Sur la figure 2 est représentée une variante de réalisation dépourvue de conduit direct 9 entre le réservoir 3 et le cylindre 2. La figure 2 reprend les principaux éléments de la figure 1, qui portent alors les mêmes références. A la différence de la figure 1, la variante représentée sur la figure 2 ne présente pas non plus de moyen de mise en relation directe du compresseur 4 avec le réservoir 3, car dépourvue de l'équivalent du conduit 12 et de la vanne trois voies 7. Dans cette variante de réalisation, la conduite 15 est équipée d'une vanne 29 apte à permettre ou non le passage de gaz des conduits 14 et 37 vers la ligne d'échappement 15. Cette vanne 29 est pilotée par PUCE 13, au travers d'une connexion non représentée sur la figure. Dans la variante de réalisation selon la figure 2, l'arrivée d'air au cylindre 2 à partir du compresseur 4 se fait au travers des conduits 6 et 20 qui communiquent directement entre eux. Le remplissage du réservoir 3 se fait au travers du cylindre 2, pendant la phase de compression du piston, l'air étant refoulé par les conduits 14 puis 37 vers le réservoir 3, la vanne 29 étant en position fermée, la soupape 23 ûqui est alors une soupape à levée variable-, et la vanne 38 étant en position ouverte. La vanne 29 est au contraire ouverte pendant les phases d'échappement de l'air détendu par le mode de propulsion pneumatique, ou de l'échappement des gaz produits par les modes de propulsion thermiques. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, l'injection d'air à l'échappement se fait à partir du réservoir 3 au travers du conduit 37, le débit d'air injecté étant régulé par l'UCE 13 au moyen de la vanne 38 en fonction de la pression mesurée par le capteur 36 Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation reprenant les principaux éléments de la figure 1, qui portent alors les mêmes références. Cette variante de réalisation ne comporte pas d'équivalents du conduit IAE 37. Dans ce mode de réalisation, on effectue l'injection d'air à l'échappement au travers du conduit 9, du cylindre 2, et des conduits 14 et 15. L'injection d'air nécessaire pour accélérer l'amorçage du catalyseur se fait alors en autorisant par la soupape 10 l'arrivée de quantités d'air adéquates, à partir du réservoir 3, pendant chaque phase d'expulsion des gaz d'échappement, jusqu'à ce que le catalyseur soit amorcé. Dans cette variante de réalisation, la baisse de pression dans le réservoir mesurée par le capteur de pression 34 permet à PUCE de calculer la quantité d'air sortie du réservoir, donc injectée à l'échappement. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment. Par exemple, le réservoir 3 peut être remplacé par deux réservoirs en série. Un premier réservoir de capacité réduite (par exemple apte à stocker environ 5 litres de gaz à environ 20 bars de pression) est alors connecté aux cylindres, à l'admission d'air et à la ligne d'échappement comme décrit sur la figure 1. Un second réservoir de plus grande capacité (par exemple apte à stocker environ 50 litres de gaz à environ 10 bars de pression) peut être rempli par le premier réservoir au travers d'un conduit reliant les deux réservoirs et d'une soupape tarée à une pression seuil. Le remplissage d'un premier réservoir de petite dimension permet de disposer d'air à pression élevée, plus rapidement que si l'on remplissait un seul grand réservoir.

En outre, certains modes de fonctionnement pneumatique de moteurs de véhicules poids lourds, pour offrir un rendement suffisant, nécessitent la présence de deux réservoirs, à deux pressions différentes toutes deux supérieures à la pression atmosphérique. Le procédé permet d'assurer des démarrages du véhicule rejetant très peu de composants nocifs tels que le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement. Le procédé utilise en outre, autant que possible, l'énergie récupérée pendant les phases de décélération du véhicule, que ce soit pour la mise en mouvement du moteur puis du véhicule, ou pour fournir le supplément d'air nécessaire au niveau de la ligne d'échappement pour obtenir un amorçage rapide du catalyseur. I1 réduit ainsi la consommation de carburant ainsi que le bilan carbone de fonctionnement du véhicule.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur à combustion interne (1), doté d'une ligne d'échappement (15) équipée d'un catalyseur (16) et doté d'au moins un réservoir (3) d'air sous pression, caractérisé en ce que la mise en mouvement du véhicule à partir d'une position arrêtée est effectuée dans un premier temps : -soit en utilisant l'énergie pneumatique de l'air contenu dans ledit réservoir (3), sans brûler de combustible dans le moteur (1), si la quantité d'air disponible dans le réservoir est supérieure à un seuil prédéfini. -soit en utilisant de l'énergie dégagée par la combustion de carburant dans des cylindres (2) du moteur (1) et en injectant simultanément de l'air à partir dudit réservoir (3) dans la ligne d'échappement (15) en amont du catalyseur (16) de manière à accélérer la montée en température dudit catalyseur, si la quantité d'air disponible dans le réservoir est inférieure audit seuil.
2. 2. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur selon la revendication précédente, dans lequel, si la quantité d'air disponible dans le réservoir (3) est inférieure audit seuil, le démarrage du moteur est effectué en injectant dans les cylindres (2) du moteur un mélange air- carburant riche en carburant, de manière à obtenir après combustion du mélange dans les cylindres (2) du moteur, un gaz riche en monoxyde de carbone, et en régulant la quantité d'air injectée dans la ligne d'échappement (15) de manière à oxyder une fraction aussi élevée que possible de ce monoxyde de carbone.
3. 3. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'air sous pression dans le réservoir (3) est, au moins pour partie, alimenté par intervalles de temps en recevant de l'air ayant subi une compression par au moins un piston (2) du moteur du véhicule.
4. 4. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'air sous pression dans le réservoir (3) est, au moins pour partie, alimenté par intervalles de temps à l'aide d'un compresseur (4) embarqué à bord du véhicule.
5. 5. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur selon la revendication précédente, dans lequel l'air sous pression dans le réservoir (3) est, au moins pour partie, alimenté par intervalles de temps en recevant de l'air ayant subi successivement une compression par le compresseur (4) puis par au moins un piston (2) du moteur (1) du véhicule.
6. 6. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur selon l'une des revendications 4 à 5, dans lequel le compresseur (4) est inactif par intervalles de temps pendant des phases de propulsion du véhicule, et le compresseur est actif par intervalles de temps pendant des phases de décélération ou de freinage du véhicule.
7. 7. Procédé de réduction des émissions polluantes d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'air sous pression dans le réservoir (3) est utilisé par intervalles de temps pour alimenter en air les cylindres (2) du moteur (1) lors d'un fonctionnement du moteur en mode partiellement ou totalement thermique.
8. 8. Moteur (1) à combustion interne comprenant au moins un cylindre (2) et équipé - d'une prise d'air atmosphérique (5) reliée à un conduit d'alimentation en air (20) dudit cylindre (2), - d'un réservoir d'air sous pression (3) apte à emmagasiner de l'air, relié directement ou indirectement audit conduit d'alimentation en air (20), et relié directement audit cylindre (2) par un conduit direct (9), - d'une ligne d'échappement (15) équipée d'un catalyseur (16), - d'une unité de commande électronique (UCE) (13) apte à gérer le fonctionnement du moteur (1) alternativement soit en mode exclusivement pneumatique, soit en mode totalement ou partiellement thermique, caractérisé en ce que l'unité de commande électronique (13) est en outre apte à piloter, lors d'au moins un mode de fonctionnement thermique du moteur, une injection d'air provenant du réservoir (3) et arrivant dans la ligne d'échappement (15) sans avoir subi les phases successives de compression-combustion dans un cylindre (2).
9. 9. Moteur (1) à combustion interne selon la revendication 8, dans lequel un compresseur débrayable (4) est disposé entre la prise d'air (5) et le conduit d'alimentation (20).
10. 10. Moteur (1) à combustion interne selon l'une des revendications 8 à 9, dans lequel le réservoir d'air (3) est relié à la ligne d'échappement (15) par un conduit (37) débouchant en amont du catalyseur (16).
11. 11. Moteur (1) à combustion interne selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel le trajet (37) de l'air injecté du réservoir (3) vers la ligne d'échappement (15) traverse une vanne pilotée (38) par l'unité de commande électronique (13), associée à un capteur de pression (36) relié à l'unité de commande électronique (13), ou dans lequel ce trajet d'air traverse successivement un détendeur à pression constante, puis un régulateur de débit piloté par l'unité de commande électronique.