FR3015563A1 - Ensemble comprenant un moteur thermique et un compresseur electrique - Google Patents

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Sebastien Potteau
Jean-Baptiste Siegwart
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Abstract

La présente invention concerne un ensemble (1) comprenant : - un conduit d'admission (4) s'étendant entre une entrée (11) d'air et un moteur thermique (2), un moteur thermique (2), - un compresseur électrique (5) disposé sur le conduit d'admission en amont du moteur thermique (2), le compresseur électrique (5) étant configuré pour permettre de dégrader l'avance à l'allumage lors d'une phase transitoire.

Description

ENSEMBLE COMPRENANT UN MOTEUR THERMIQUE ET UN COMPRESSEUR ELECTRIQUE La présente invention concerne le domaine des moteurs à allumage commandé, et plus particulièrement un ensemble pour moteur thermique de véhicule automobile comprenant un système d'admission d'air et un compresseur électrique configurés pour augmenter la dégradation de l'avance à l'allumage. Lors des démarrages à froid, les moteurs à allumage commandé génèrent davantage d'émissions polluantes, telles que les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone ou les oxydes d'azote (NOx), dues notamment à la combustion à plus basse température, la condensation du carburant et l'extinction locale de la flamme sur les parois froides, qui ne réussissent pas à être post-traités par le catalyseur, dont l'action ne s'amorce qu'à partir d'environ 350°C.
Le futur cycle d'homologation des véhicules (WLTC pour Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures selon la terminologie anglaise) étant plus dynamique que l'actuel, il est aujourd'hui nécessaire de diminuer encore plus les émissions polluantes et la consommation de carburant pour respecter les futures normes. Cela implique un besoin de réduire le temps de mise en activation du catalyseur. Ce travail d'amélioration porte notamment sur les phases transitoires de fonctionnement du moteur, telles que le démarrage, les changements de vitesse, les freinages ou les arrêts des moteurs. Une solution pour diminuer cette génération d'hydrocarbures imbrûlés, lors des démarrages du véhicule, est d'effectuer une phase d'échauffement du moteur (warm-up selon la terminologie anglaise), qui va, en augmentant la température échappement, permettre une meilleure efficacité du catalyseur, plus rapidement. Un inconvénient de cette technique provient du fait que la phase d'échauffement est très couteuse en carburant. Pour réduire la durée de cette phase de mise en action du catalyseur, la solution actuelle sur les moteurs essence est de dégrader l'avance à l'allumage, et de compenser cette dégradation par une augmentation de la quantité d'air admise, afin d'atteindre le couple moteur souhaité par le conducteur. Cependant, lors d'un régime transitoire avec de fortes charges, c'est-à-dire lorsque le conducteur accélère soudainement, la quantité d'air admise n'augmente pas immédiatement. Ce phénomène est particulièrement sensible avec un moteur équipé d'un turbocompresseur. En effet, le turbocompresseur peut manifester un certain temps de réponse (turbo-lag selon la terminologie anglaise), laps de temps où l'enthalpie des gaz d'échappement ne suffit pas encore à faire tourner la turbine du turbocompresseur au régime idéal.
Pour compenser ce temps de réponse, une solution consiste à diminuer la dégradation d'avance à l'allumage. Cette diminution de dégradation d'avance à l'allumage permet d'augmenter le couple effectif, en attendant que la quantité d'air soit suffisante pour permettre une dégradation d'avance. Cette diminution de la dégradation est un frein à la génération de haute température à l'échappement nécessaire pour le bon traitement des imbrûlés. Cette solution a comme conséquence des émissions polluantes élevées. Pour compenser cela, il est nécessaire de - mettre plus de métaux précieux sur le catalyseur, de façon à en améliorer l'efficacité, ce qui engendre un surcoût non négligeable, et - installer le catalyseur au plus près possible de la sortie moteur, pour limiter les pertes thermiques dans les conduits, ce qui engendre des difficultés d'intégration et des contraintes thermiques moyennes supérieures sur le catalyseur en fonctionnement à chaud. Ce dernier effet a pour conséquence un vieillissement accéléré du catalyseur, qui compense de façon négative le bénéfice de l'augmentation des métaux précieux. La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des systèmes de l'art antérieur en proposant un ensemble pour moteur thermique comprenant un compresseur électrique permettant d'améliorer à la fois les émissions polluantes et la consommation de carburant lors de l'utilisation du véhicule.
Pour cela la présente invention propose un ensemble comprenant : - un conduit d'admission s'étendant entre une entrée d'air et un moteur thermique, - un moteur thermique, - un compresseur électrique disposé sur le conduit d'admission en amont du moteur thermique, le compresseur électrique étant configuré pour permettre de dégrader l'avance à l'allumage lors d'une phase transitoire. Le compresseur électrique permet ainsi d'augmenter le débit, d'air frais admis, plus rapidement, ce qui limite l'augmentation du rendement d'avance, réduit la durée d'échauffement du moteur et permet ainsi de diminuer les émissions polluantes et de respecter les futurs cycles d'homologation. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble comprend au moins une vanne, disposée en amont du moteur thermique et en aval du compresseur électrique, régulant le débit l'air admis dans le moteur thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique est intégré dans un circuit de dérivation comportant un moyen de dérivation configuré pour diriger l'air admis à travers le compresseur électrique lors d'une phase transitoire. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble comprend un échangeur de chaleur disposé sur le conduit d'admission. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique est disposé en amont de l'échangeur de chaleur, et en amont de la vanne. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique et la vanne sont disposés en amont de l'échangeur de chaleur.
L'invention concerne également un procédé de commande d'un ensemble selon l'invention, comportant, lors d'une phase transitoire: - une étape d'activation du compresseur électrique, - une étape de circulation de l'air admis à travers le compresseur électrique, - une étape de dégradation de l'avance à l'allumage. Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend une étape de régulation du débit de l'air admis avec une vanne.
L'invention concerne également l'utilisation de l'ensemble selon l'invention pour dégrader l'avance à l'allumage lors d'une phase transitoire. Selon un mode de réalisation de l'invention, la phase transitoire est une phase de démarrage.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique et partielle d'une architecture moteur impliquant un compresseur électrique selon l'invention, selon une première variante de l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique et partielle d'une architecture moteur impliquant un compresseur électrique selon l'invention, selon une deuxième variante de l'invention, - la figure 3 est une représentation des résultats obtenus lors de l'utilisation du dispositif selon l'invention. La présente invention se rapporte à un ensemble comportant un moteur thermique, un système d'admission d'air et un compresseur électrique. La présente invention concerne l'ensemble des moteurs thermiques, essences, gaz, éthanol, ou un mélange de ces constituants, suralimentés ou pas. Dans la suite de la description, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non et par exemple centrifuge ou radial, entraîné par un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur thermique. Le compresseur électrique est donc généralement activé pour augmenter la masse volumique de l'air admis. Dans le cadre de l'invention, le compresseur électrique est associé à un circuit de dérivation (également appelé by-pass selon la terminologie anglaise) permettant de le contourner lorsque cela est nécessaire, comme décrit plus loin dans la description. Dans le cadre de l'invention, le compresseur électrique est disposé en amont du moteur thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur thermique a un fonctionnement deux temps. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moteur thermique a un fonctionnement quatre temps.
L'ensemble selon l'invention comporte au moins un catalyseur disposé en sortie du moteur thermique, sur la ligne d'échappement. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble comporte plusieurs catalyseurs. Dans le cadre de l'invention, l'utilisation du compresseur électrique se fait pendant les phases transitoires d'utilisation du moteur. Le compresseur électrique permet ainsi d'augmenter le débit, d'air frais admis, plus rapidement, ce qui limite l'augmentation du rendement d'avance. Cette limitation de l'augmentation du rendement d'avance engendre une plus grande dégradation d'avance, et engendre donc plus de température à l'échappement. La température d'échappement monte plus vite, et la température catalyseur également. L'utilisation du compresseur électrique présente l'avantage de réduire la durée d'échauffement du moteur. Cela permet de réduire le recours aux métaux précieux sur le catalyseur et de pouvoir limiter ses contraintes thermiques en l'installant plus loin dans la ligne d'échappement.
L'utilisation du compresseur électrique permet ainsi de diminuer les émissions polluantes et de respecter les futurs cycles d'homologation.
Dans le cadre de l'invention, on entend par phase transitoire, la phase de fonctionnement du moteur lors du démarrage, et plus précisément lors de l'échauffement du moteur (warm-up). L'ensemble 1 moteur concerné par la présente invention, dont un mode de réalisation est illustré sur les figures 1 et 2, comprend un moteur 2 thermique avec un conduit d'admission 4 et un compresseur électrique 5. Ce moteur 2 comporte un bloc moteur 3 comportant une pluralité de cylindres, au nombre de quatre sur la figure, destinés à recevoir un mélange de comburant et de carburant, et par exemple l'essence comme carburant et de l'air pur ou un mélange air/gaz de recirculation comme comburant. La combustion dans les cylindres génère le travail du moteur 2. Le fonctionnement du moteur 2 est classique : l'air est admis dans les cylindres, y est comprimé, brûlé puis expulsé sous forme de gaz d'échappement. Ce moteur 2 a une entrée reliée au conduit d'admission 4 et une sortie reliée à un circuit d'échappement de gaz 10. L'entrée 11 du conduit d'admission 4 définit l'entrée par laquelle l'air frais admis pénètre dans l'ensemble 1 tandis que la sortie 12 du circuit d'échappement 10 définit la sortie par laquelle les gaz d'échappement sont évacués de l'ensemble 1. Le conduit d'admission 4 débouche dans un collecteur d'admission 7 qui forme ainsi une boîte d'entrée de l'air admis dans la chambre de combustion 3 du moteur 2. On entend par conduit d'admission 4 la canalisation d'admission pour l'air admis, dont le flux est représenté par la flèche F1, cette canalisation étant située entre l'entré 11 d'air et le moteur 2. Selon un mode de réalisation de l'invention le conduit d'admission 4 comporte un compresseur mécanique 111 de l'air admis. Selon un mode de réalisation de l'invention, le conduit d'admission 4 comporte un échangeur de chaleur 6 également appelé refroidisseur d'air de suralimentation, permettant le refroidissement de l'air admis, et par exemple l'air issus du compresseur mécanique 111. L'échangeur de chaleur 6 assure un échange thermique entre l'air admis et le fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 6. En sortie de l'échangeur de chaleur 6, les gaz sont à une température proche de celle du fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 6. Cet échangeur de chaleur peut être air/air ou air/eau.
Selon un mode de réalisation de l'invention, en amont du collecteur d'admission 7 de l'air dans le moteur 2, le conduit d'admission 4 comporte une vanne 8 comportant un obturateur de type papillon dont la fonction est de régler le débit de l'air admis pour la régulation du régime moteur. Cette vanne 8 est commandée par une unité de commande moteur bien connue de l'homme du métier (également appelé ECU qui signifie Engine Control Unit selon la terminologie anglaise), et permet de réguler la quantité d'air introduite dans le moteur et nécessaire à la combustion. La sortie du moteur 2 est formée par un collecteur 9 des gaz d'échappement. Ce dernier est relié à une voie ou canalisation 124 d'échappement des gaz faisant partie du circuit d'échappement de gaz.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'échappement 10 comporte une turbine 121, solidaire en rotation du compresseur mécanique 111 de l'air admis et formant avec lui un turbocompresseur. La turbine 121 est entraînée par les gaz d'échappement de la voie d'échappement 124, dont le flux est schématisé par la flèche F2. Selon un mode de réalisation, le flux traverse le catalyseur 122.
Comme illustré sur la figure 1, l'ensemble 1 comprend un compresseur électrique 5. Ce compresseur 5 est entraîné par un moteur électrique non représenté dont la commande est par exemple effectuée par l'unité de commande moteur. Le compresseur électrique 5 est disposé dans la boucle du conduit d'admission 4. Dans une première variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en amont de l'échangeur de chaleur 6, lui-même disposé en aval de la vanne 8 papillon. Dans une deuxième variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en amont de la vanne 8 papillon, elle-même disposée en amont de l'échangeur de chaleur 6.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur électrique est intégré dans un circuit de dérivation 51 (également appelé circuit by-pass selon la terminologie anglaise) comportant un moyen de dérivation 52 du type vanne. Cette vanne 52 est par exemple une vanne papillon. Cette vanne 52 est par exemple commandée par l'unité de commande du moteur. Le circuit de dérivation 51 en association avec le moyen de dérivation 52 permet en général à l'air admis arrivant via le circuit d'admission 4 de circuler à travers le compresseur électrique ou bien de le contourner, par la fermeture ou l'ouverture du moyen de dérivation 52. Le moyen de dérivation 52 de type vanne est disposé sur un premier conduit 510, du circuit de dérivation 51, différent de celui du compresseur électrique 5 de façon à ce que lorsque la vanne est fermée l'air admis soit dirigé vers le deuxième conduit 511 où est disposé le compresseur électrique 5. Ainsi en dehors des phases de fonctionnement du moteur où le compresseur est utilisé, et dans le cadre de l'invention en dehors des phases transitoires, l'air admis circule dans le premier conduit 510 et ne traverse pas le compresseur électrique 5.
Le fonctionnement de l'ensemble selon l'invention est le suivant. Lors d'une phase transitoire, le compresseur électrique est activé via l'unité de commande moteur et comprime l'air admis circulant dans le conduit d'admission. Cet air comprimé est ensuite envoyé soit directement dans le moteur via l'échangeur de chaleur 6 puis la vanne papillon 8, soit via la vanne papillon 8 puis l'échangeur de chaleur 6. La phase transitoire peut ensuite être suivie d'une phase établie selon laquelle on commande l'ensemble de manière à ce que le compresseur électrique ne soit pas alimenté. Ce procédé de commande d'un ensemble tel que défini ci-dessus, permet ainsi lors d'une phase transitoire, d'activer le compresseur électrique et de comprimer à l'aide de ce dernier tout ou partie de l'air admis circulant dans le conduit d'admission, ce qui permet d'augmenter plus rapidement le débit d'air dans le moteur.
Les résultats sur la figure 3, illustrent l'augmentation de la température échappement en fonction de l'avance à l'allumage. Ainsi, plus on dégrade l'avance, plus la température échappement est importante ce qui permet de chauffer le catalyseur plus rapidement.
Ainsi, l'utilisation du compresseur électrique permet d'obtenir plus de débit d'air, ce qui va permettre à iso couple moteur d'avoir plus de dégradation d'avance et donc d'augmenter la température des gaz d'échappement. L'autre effet, va être une augmentation du débit de l'air admis et donc de l'enthalpie échappement avec un chauffage du ou des catalyseurs plus rapide.
La diminution de la durée de mise en action du catalyseur a pour effet une diminution des polluants et une amélioration de la consommation de carburant. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Ensemble (1) comprenant : un conduit d'admission (4) s'étendant entre une entrée (11) d'air et un moteur thermique (2), un moteur thermique (2), un compresseur électrique (5) disposé sur le conduit d'admission en amont du moteur thermique (2), le compresseur électrique (5) étant configuré pour permettre de dégrader l'avance à l'allumage lors d'une phase transitoire.
  2. 2. Ensemble (1) selon la revendication 1, comprenant au moins une vanne (8), disposée en amont du moteur thermique (2) et en aval du compresseur électrique (5), régulant le débit l'air admis dans le moteur thermique (2).
  3. 3. Ensemble (1) selon une des revendications 1 ou 2, dans lequel le compresseur électrique (5) est intégré dans un circuit de dérivation (51) comportant un moyen de dérivation (52) configuré pour diriger l'air admis à travers le compresseur électrique (5) lors d'une phase transitoire.
  4. 4. Ensemble (1) selon une des revendications 1 à 3, comprenant un échangeur de chaleur (6) disposé sur le conduit d'admission (4).
  5. 5. Ensemble (1) selon la revendication 4, dans lequel le compresseur électrique (5) est disposé en amont de l'échangeur de chaleur (6), et en amont de la vanne (8).
  6. 6. Ensemble (1) selon une des revendications 4 ou 5, dans lequel le compresseur électrique (5) et la vanne (8) sont disposés en amont de l'échangeur de chaleur (6).
  7. 7. Procédé de commande d'un ensemble (1) selon l'une des revendications 1 à 6, comportant, lors d'une phase transitoire:une étape d'activation du compresseur électrique (5), une étape de circulation de l'air admis à travers le compresseur électrique (5), une étape de dégradation de l'avance à l'allumage.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant une étape de régulation du débit de l'air admis avec une vanne (8).
  9. 9. Utilisation de l'ensemble (1) selon une des revendications 1 à 6 pour dégrader l'avance à l'allumage lors d'une phase transitoire.
  10. 10. Utilisation de l'ensemble (1) selon la revendication 9, la phase transitoire étant une phase de démarrage.
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