WO2010012921A1 - Procede de reduction des emissions polluantes d'un moteur a combustion interne et dispositif correspondant - Google Patents

Procede de reduction des emissions polluantes d'un moteur a combustion interne et dispositif correspondant Download PDF

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cylinder
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Xavier Jeandel
Gérald PETERS
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Renault S.A.S.
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Definitions

  • the present invention generally relates to a method for reducing the pollution due to the exhaust gas of an internal combustion engine and a device for carrying out the method.
  • the invention is more particularly in the management mode of thermal engine vehicles and hybrid heat engines, provided with an oxidation catalyst or a trifunctional catalyst in the exhaust line to reduce pollutant emissions.
  • Engine exhaust gases include unburned hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides (NO and NO 2 ) and soot (mainly in the case of a diesel engine) as primary pollutants.
  • NO and NO 2 nitrogen oxides
  • soot mainly in the case of a diesel engine
  • These catalytic converters well known in themselves, comprise a catalyst system which is intended to oxidize unburned hydrocarbons as well as carbon monoxide and to reduce the nitrogen oxides. These catalytic converters have proved effective, having conversion rates of about 95%.
  • the action of the catalyst system starts only from a relatively high temperature of the order of 200 ° C. and is optimal only at temperatures of the order of 45 ° C. cold starts of vehicles, of course, the catalytic converter is at a temperature well below 200 0 C and is therefore inactive. It is the heat of the exhaust that will gradually increase the catalyst system temperature to the value required to make it effective. Throughout this period of chemical inactivity of the catalyst system (which lasts between 30 and 80 seconds) 80% of the polluting emissions recorded over a European homologation cycle of total duration 20 min are produced. It is therefore understandable interest for automakers to reduce the boot time of the catalyst system.
  • One solution to reduce this priming time is to make an exhaust air injection (IAE), that is to say to introduce air at room temperature into the exhaust line of the vehicle during the cold phase, that is to say the operating phase of the engine before the catalytic converter catalyst system comes into action.
  • IAE exhaust air injection
  • a fuel-rich air-fuel mixture is fed into the engine cylinders to produce exhaust gases richer in carbon monoxide than in normal operating mode.
  • the oxygen of the air sent into the exhaust line makes it possible to oxidize the carbon monoxide thus produced in excess.
  • the catalytic oxidation of carbon monoxide is triggered at a lower temperature than that of the other reducing species in the presence, the increase in catalyst temperature is accelerated by this preferential exothermic reaction.
  • the exhaust air injection (IAE) can be provided by a dedicated pump, as in US Pat. No. 5,410,872, or can be provided by the same compressor as that used for the supercharging of the engine, as in the patent application
  • the first solution requires the investment of a specific equipment (the pump).
  • the available air flow for the IAE is limited by the flow of the supercharger, which must simultaneously provide the air supply of the engine.
  • the patent application FR 2670837 proposes to use the same secondary air pump for the supercharging of the engine and for the IAE.
  • a pressurized air tank is supplied by the pump before starting the start - up procedure.
  • the total air flow required for the IAE and the supercharging is then ensured by the pump assisted by the preconditioned air reserve.
  • the invention proposes, in order to reduce the catalyst initiation time, to first start the vehicle by means other than the combustion engine.
  • the motor is operated in thermal mode. Since high-speed operation of the engine is more exothermic than the idle speed, which is the usual first step in starting a combustion engine, the warmer exhaust gases quickly bring the catalyst to its priming temperature, thus reducing the amount of fuel required. of polluting species emitted.
  • the catalyst initiation phase lasts in these conditions only about ten seconds, which reduces the pollutant emissions of about 70% compared to a conventional catalyst priming cycle.
  • a sufficient engine rotation speed can be achieved for example by starting the vehicle by electric propulsion or by pneumatic propulsion.
  • the threshold speed of engine rotation Once the threshold speed of engine rotation reached, it starts to actuate the engine in thermal mode, enjoying a reduced priming time of the catalyst.
  • a starting of the vehicle which can be described as "rapid-priming tire”
  • the tank contains a sufficient supply of air.
  • the storable air reserve for a tourism type vehicle generally remains of the order of one kilogram of air, or even is limited to a quantity close to 500 grams of air.
  • the reserve of air in the tank may fall below the minimum level necessary to ensure such a start of the "fast-start pneumatic" vehicle.
  • the object of the present invention is to provide a method of managing a thermal-pneumatic hybrid engine equipped with a catalyst that makes it possible to limit the vehicle's polluting emissions by optimizing the use of the available air reserve.
  • the invention proposes a method for reducing the polluting emissions of an internal combustion engine, provided with an exhaust line equipped with a catalyst and provided with at least one pressurized air tank. The movement of the vehicle from a stopped position is initially performed:
  • the engine is started by injecting into the engine cylinders a fuel-rich air-fuel mixture, so that to obtain after combustion of the mixture in the engine cylinders, a gas rich in carbon monoxide, and regulating the amount of air injected into the exhaust line so as to oxidize a fraction as high as possible of this carbon monoxide .
  • the air under pressure in the tank is at least partly fed by time intervals while receiving the air having been compressed by at least one piston of the engine of the vehicle.
  • the pressurized air in the tank is, at least in part, fed at intervals by means of a compressor on board the vehicle. .
  • the air under pressure in the tank is at least partly fed at intervals by receiving air which has successively undergone compression by the compressor and then by at least one piston of the engine of the vehicle.
  • the compressor is inactive at intervals of time during propulsion phases of the vehicle, and the compressor is active at intervals during periods of deceleration or braking of the vehicle.
  • the air under pressure in the tank is used at intervals to supply air to the engine cylinders during operation of the engine in partially or totally thermal mode.
  • an internal combustion engine comprising at least one cylinder is equipped
  • a pressurized air tank capable of storing air, connected directly or indirectly to said air supply duct, and connected directly to said cylinder by a direct duct,
  • An electronic control unit capable of managing the operation of the engine alternately either exclusively pneumatic mode or fully or partially thermal mode.
  • the electronic control unit is furthermore capable of controlling, during at least one thermal operating mode of the engine, an injection of air coming from the tank and arriving in the exhaust line without having undergone the successive phases of compression.
  • - combustion in a cylinder In a preferred embodiment of the invention, a disengageable compressor is disposed between the air intake and the supply duct.
  • the air tank is connected to the exhaust line by a duct opening upstream of the catalyst.
  • the path of the air injected from the reservoir to the exhaust line passes through a valve controlled by the electronic control unit, associated with a pressure sensor connected to the electronic control unit, or in which this path air successively passes through a pressure regulator constant pressure, then a flow controller controlled by the electronic control unit.
  • FIG. 1 is a simplified diagram, in cross section, of a motorization system according to the invention
  • FIG. 2 is a simplified diagram, in cross section, of an alternative motorization system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a motorization system 1 comprising at least one cylinder 2, a tank 3 for storing air or gas under pressure, and a compressor 4 supplying air to the cylinder 2 and the tank 3.
  • a single cylinder has been shown, but the drive system may comprise several cylinders, for example four cylinders, with or without the same types of ducts and valves as the cylinder shown in FIG.
  • the engine system 1 is here a thermal engine diesel type, that is to say, self-ignition compression, but could be any type of internal combustion engine, for example a spark ignition engine. It may be a four-stroke, two-stroke engine, or a motor operating in four-stroke and two-stroke periods, as in US6223846.
  • the suction and the discharge of the compressor 4 are respectively connected to an atmospheric air inlet 5 and to a supply pipe 6, which connects this compressor 4 to a three-way valve 7.
  • the valve 7 also communicates with the reservoir 3 through a conduit 12, and communicates with the combustion chamber 8 through an intake duct 20. Via this valve 7, the discharge of the compressor 4, the reservoir 3 and the combustion chamber 8 of the cylinder 2 can be placed in communication with each other, or be isolated from the other two elements.
  • the combustion chamber 8 and the tank 3 can also be placed in communication via a direct duct 9 provided with a variable lift and / or spreading valve 10.
  • variable lift valve is meant a valve which can be operated by example by electronic control, according to a variable degree of opening.
  • variable spreading valve is meant a valve which can be opened or closed, for example by electronic control, at any time during a revolution of the engine, for a duration that can be different at each opening / closing .
  • the opening and closing cycles of these variable lift or spreading valves are not directly related to the position of other mechanical elements of the engine.
  • the valve 10 is coupled to an actuator 10a, which can maneuver to a position of opening of the direct duct 9 or let it be recalled by a not shown elastic member, to a closed position of this duct.
  • This actuator is controlled by an electronic control unit 13 through a connection January 1.
  • a gas discharge conduit 14 connects the combustion chamber 8 to an exhaust line 15 which takes the gases expelled from the cylinder 2 out of the engine system 1 through a catalyst 16.
  • a conduit 37 exhaust gas injection, or IAE duct connects the tank 3 to the exhaust line 15.
  • the exhaust duct 14 and the duct IAE 37 join the exhaust line 15 to a triple junction 42.
  • a valve 38 In the path of the exhaust injection duct 37 is a valve 38 controlled by the ECU 13 through a connection 39.
  • the pilot valve 38 can be replaced by a pressure reducer at constant pressure located on the duct 37 at the outlet of the tank 3, followed by a flow regulator placed on the same duct 37, and controlled by the ECU.
  • the combustion chamber 8 comprises an inlet valve 22, arranged to open or close the inlet duct 20, and an exhaust valve 23, arranged so as to open or close the exhaust duct 14
  • the opening and closing of the valves 22 and 23 may be cyclically caused by a camshaft (not shown).
  • the valves 22 and 23 may also be variable lift and / or spreading valves controlled by the ECU 13.
  • the electronic control unit 13 receives, via an electronic bus 30 of the CAN bus type, information on the operation of the vehicle, in particular the operating point of the motor (torque and rotational speed of the motor), as well as the information coming from the control station.
  • control (not shown) of the driver ie data such as the position of the brake pedal, the accelerator pedal, the gear lever ...
  • the control unit 13 also receives via a connection 31, the pressure value inside the tank 3 measured by a pressure sensor 34, receives by a connection 32, the value of the temperature measured inside the tank 3 by a temperature sensor 35, and receives by a connection 33, the pressure value measured by a pressure sensor 36 in the duct 37 downstream of the valve 38.
  • a connecting rod 25 couples the piston 19 to a crankshaft 26, which is able or not to rotate the compressor 4, depending on the state (engaged or disengaged) of a clutch 27 disposed between the crankshaft
  • the clutch 27 is driven by the ECU 13 through a connection 28.
  • the compressor 4 may or may not be a turbocharger driven in rotation by the exhaust gases of the engine system 1.
  • the crankshaft 26 is assembled to a flywheel 40, which can be secured in rotation by a clutch
  • the three-way valve 7 can put the exhaust of the compressor 4, the combustion chamber 8 and the tank 3 in communication two by two, so as to allow the air supply of the combustion chamber 8 by the compressor 4, or the filling of the tank 3 by the combustion chamber 8, or even the supply of compressed air to the same combustion chamber 8 via the tank 3.
  • the three-way valve 7 can also simultaneously communicate the exhaust of the compressor. 4, the combustion chamber 8 and the reservoir 3, so as to allow the compressor 4 to supply compressed air at the same time to the combustion chamber 8 and to the tank 3.
  • the rotation of the engine that is to say the rotation of the crankshaft 26 can be done by the displacement of the various pistons 19 of the engine in their respective cylinders 2, and transmitted by the connecting rod 25 to the crankshaft: these are the operating modes of the "propulsion" type of the engine.
  • the rotation of the engine can also be caused by the driving wheels of the vehicle, which transmit their torque via the clutch 41 to the flywheel 40 and then to the crankshaft
  • the motorization system 1 can operate according to a first type of engine brake mode, called “pump” mode, which allows the air filling of the pressure vessel 3.
  • This "pump” mode consists in converting part of the kinetic energy recovered. when braking or decelerating the vehicle into stored energy in the form of a pressurization of air stored in the reservoir 3.
  • the compressor 4 and the piston 19 driven by the kinetic energy and / or potential vehicle compresses air that is directed to the tank 3 to be stored under pressure. More specifically, the air is compressed by the compressor 4 before being admitted into the combustion chamber 8 when the intake valve 22 is in the open position and the movement of the piston 19 is effected in the direction of an increase in the volume of the combustion chamber 8.
  • the air entering the combustion chamber 8 is then compressed by the piston 19 driven towards the cylinder head 18 while the valves 10 , 22 and 23 are all in the closed position.
  • the filling of the tank 3 takes place via the direct duct 9 which the opening of the valve 10 has put in communication with the combustion chamber 8.
  • the air stored in the tank 3 can be at a pressure greater than the maximum pressure that can be delivered by the compressor 4.
  • the motorization system 1 can operate in a second main mode, propulsion type, called "thermal" mode, which allows to produce a work engine driving the vehicle. Air is admitted into the combustion chamber 8 while the piston
  • the injector 21 introduces a predefined quantity of fuel into the combustion chamber 8.
  • the air-fuel mixture is then compressed by the piston 19.
  • the fuel Compression follows a combustion followed by a motor relaxation re-moving the piston
  • a second mode of propulsion type makes it possible to produce a motor drive work of the vehicle and, at the same time, to fill the tank 3 with air.
  • the air admitted into the combustion chamber 8 after being compressed by the compressor 4 is further compressed by the piston 19.
  • valve 10 is closed while the compression by the piston 19 is not completed.
  • the combustion chamber 8 at the end of the compression and a fuel injection by the injector 21, involves a combustion followed by a driving relaxation, then an evacuation of the burnt gases via the evacuation conduit 14 placed in communication with the combustion chamber 8 by the opening of the exhaust valve 23.
  • the latter can also be supplied directly with compressed air through the duct 12 by the compressor 4, the valve three channels 7 having put in communication conduits 6 and 12.
  • this reserve of pressurized air stored in the tank 3 can be used to operate the drive system in a supercharged thermal propulsion mode in which, during each intake phase, the combustion chamber 8 is supplied with air coming directly from the compressor 4, then with air supplied by the tank 3 at a pressure greater than that at the exhaust of this compressor 4.
  • Increasing the quantity of air thus supplied to the cylinder 2 is accompanied by an increase in the quantity of fuel injected and then burned in this cylinder 2, hence a momentary increase in the power produced, an increase in power greater than that which one would have by performing the supercharging of the engine system using the only compressor.
  • the cylinder 2 can also operate in thermal mode without supercharging or reduced supercharging, that is to say by receiving air at the outlet pressure of the compressor 4, without making use of the reserve of air present in the 3.
  • pressurized air from tank 3 may also be supplied to cylinder 2 without being accompanied by fuel injection.
  • the reserve of air under pressure in the tank 3 serves only as a store of potential energy, part of which is drawn to be converted into work by the cylinder 2.
  • the tank 3 supplies compressed air to the combustion chamber 8, when the piston 19 is at the high point. This air produces a motor work by moving the piston 19 in the opposite direction to the cylinder head 18. It is then discharged through the exhaust duct 14 as flue gases would be evacuated during the operation of the engine system in thermal mode.
  • This operating mode can be used to rotate the engine initially at a standstill. Once the engine 1 and the flywheel 40 in rotation, by injecting fuel into the cylinders 2 and changing the opening cycles of the valves, including the valve 23, one can switch to the engine thermal operation mode. Thanks to the inertia in motion of the flywheel 40, the first cycles of admission and compression of fuel mixture can be ensured in the cylinders. The first engine revolutions made in the pneumatic mode thus play the traditional role of an electric starter. The advantage of this starting mode is to use energy recovered during the braking or deceleration phases of the vehicle. The storage efficiency of the deceleration energies in pneumatic form is higher than the storage efficiency of these energies in electrical form by means of an alternator-starter.
  • this pneumatic mode of operation can also be used not only to set the motor in motion, decoupled by the clutch 41 of the transmission system, but can also be used subsequently to set the vehicle in motion by closing clutch 41, until the engine speed reaches a prescribed speed or until the air reserve falls below a prescribed threshold.
  • the ECU sends the necessary signals, in particular to the injector 21 (and to the equivalent injectors present on the other pistons of the motorization system 1), to the valve 10 (which then, possibly, office charge valve), the clutch 27 for actuating the compressor 4.
  • the transition from one mode of operation of the engine 1 to another mode of operation is controlled by the ECU 13, in particular as a function of the values received from the pressure sensors 34, 36 and the temperature sensor 35, in particular. function of requests from the driver arriving from the cockpit, and according to other parameters of the vehicle arriving at the ECU via the CAN bus 30.
  • the ECU From the values received from the pressure and temperature sensors 34 and 35, the ECU deduces the air mass present in the tank 3. Based on vehicle operating data such as the engine rotation speed and engine torque, as well as the wheel speed, for example, the ECU deduces whether the vehicle is in propulsion phase at constant speed, or is in active acceleration phase, or is in the deceleration or braking phase.
  • the ECU selects the most favorable operating mode following a programmed optimization strategy whose details are not described here.
  • the UCE then imposes the most favorable mode of operation by controlling the fuel injectors 21 of the various cylinders of the engine, and by controlling the air inlets and outlets between the different cylinders 2 of the engine and the tank 3, through the valves 10, 22, 23 and valves 7 and 38.
  • the pump mode is activated, and the pneumatic mode is used as much as possible during the starting of the engine, sometimes also to propel the vehicle, according to the air supply available.
  • the ECU 13 can control the disengagement of the clutch 27 to prevent the compressor 4 from consuming energy delivered by the piston 19 at the crankshaft 26.
  • the UCE can arbitrate such a clutch for example when the drive system operates in pneumatic mode, or when the filling level of the tank 3 ensures an air supply of the cylinder 2 from this only tank.
  • variants of the system described in Figure 1 make it possible to overcome the presence of the duct 9 and its intake valve 10.
  • the valve 22 is a variable lift valve controlled by the ECU 13
  • the filling of the reservoir 3 in "pump" mode of operation of the motorization system can be done through the ducts 20 and 12 instead of being made through the duct 9.
  • the valve 7 After the phase of admission of air into the cylinder via the ducts 6 and 20, the valve 7 then closes the communication with the duct 6 during the compression phase of the piston and the filling air of the tank 3 passes through the inlet valve 22 open for this purpose, then through the conduit 20, the three way valve 7 and the conduit 12.
  • a similar configuration is used when the tank 3 must supply air to the cylinder 2, either during operation in "pneumatic" mode, or during the engine cycle during operation in "highly supercharged” mode, the variable lift valve 22 then making it possible to regulate the amount of air sent from the tank 3 towards the cylinder 2.
  • the motorization system may be devoid of compressor 4.
  • the air inlet to the cylinder 2 is then at a pressure close to atmospheric pressure, through the ducts 6 and 20.
  • the air arriving at the tank 3 is then compressed by the work of the single piston 19 (and its counterparts on the other cylinders of the engine).
  • control unit receives a request to start the vehicle, for example sent by the driver by pressing a start button of the control station (not shown) of the vehicle.
  • the control unit analyzes the values received from the pressure sensor 34 and the temperature sensor 35, and calculates the mass of air present in the tank.
  • the ECU sends the signals necessary for the combustion chambers 8 to arrive at quantities of air and fuel corresponding to the mode thermal operation of the engine.
  • the ECU simultaneously sends the signals necessary for the motor to be rotated, either in pneumatic mode, or by an electric starter, to ensure the first cycles of admission and compression of gas-fuel mixture in the combustion chambers 8.
  • the ECU also sends the signals necessary to trigger an exhaust air injection: depending on the composition of the air-fuel mixture entering the cylinders, the ECU evaluates the carbon monoxide content of the exhaust gas, and calculates the flow of air to be injected from the tank 3 to oxidize a fraction as high as possible of this carbon monoxide.
  • the ECU drives the opening of the valve 38 to obtain in the exhaust line 15, the calculated air flow, for the necessary duration.
  • the amount of air sufficient to prime the catalyst by IAE can be calculated in advance, and defined as "IAE start threshold". This threshold may typically be from 100g to 200g air approximately for a tourism type vehicle.
  • control unit detects that the air mass present in the tank is greater than the pneumatic start threshold, it waits for the driver to confirm his request for starting the vehicle (for example by putting a gear lever in position "automatic speed", releasing the brake pedal and depressing the accelerator pedal).
  • the ECU sends the necessary signals for the engine to be rotated in the pneumatic mode and then for the clutch 41 of the vehicle to be closed, thus transmitting the torque of the engine 1 to the wheels motor vehicles (not shown).
  • the ECU continues to drive the engine in pneumatic mode.
  • the ECU implements an engine control according to the thermal mode.
  • This pneumatic start threshold may be example of the order of 400 to 800 grams of air for a passenger vehicle.
  • the predefined engine speed from which the thermal operating mode is switched over is chosen so that the quantity of polluting species emitted, between the moment of the transition to thermal mode and the catalyst initiation time, is sufficiently weak.
  • This "low enough" level of polluting species can be chosen so that an exhaust air injection step is no longer essential to meet the objectives of maximum emission thresholds.
  • the IAE When setting in motion "pneumatic fast priming" of the vehicle described above, the IAE can then either be completely omitted, or it can be reduced in duration and quantity of gas injected.
  • the reserve threshold below which the ECU stops the propulsion in pneumatic mode it can for example be chosen so that the corresponding amount of air allows a launch of the single engine in pneumatic mode (without start-up of the vehicle), then allows an injection into the exhaust when switching to thermal operation mode of the engine.
  • This reserve threshold may for example be about 150 to 300 grams of air for a light vehicle.
  • control unit detects that the air mass present in the tank is below the pneumatic starting threshold
  • several engine starting strategies can still be envisaged.
  • Figure 2 is shown an alternative embodiment devoid of direct conduit 9 between the reservoir 3 and the cylinder 2.
  • Figure 2 shows the main elements of Figure 1, which then bear the same references.
  • the variant shown in FIG. 2 also has no means for directly connecting the compressor 4 with the tank 3, since it does not have the equivalent of the duct 12 and the three-way valve. 7.
  • the pipe 15 is equipped with a valve 29 adapted to allow or not the passage of gas ducts 14 and 37 to the exhaust line 15. This valve 29 is controlled by the ECU 13 , through a connection not shown in the figure.
  • the air inlet to the cylinder 2 from the compressor 4 is through the conduits 6 and 20 which communicate directly between them.
  • the filling of the reservoir 3 is done through the cylinder 2, during the compression phase of the piston, the air being discharged through the conduits 14 and 37 to the reservoir 3, the valve 29 being in the closed position, the valve 23 -which is then a variable lift valve, and the valve 38 is in the open position.
  • the valve 29 is open during the exhaust phases of the expanded air by the pneumatic propulsion mode, or the exhaust of the gases produced by the thermal propulsion modes.
  • the exhaust air injection is made from the tank 3 through the duct 37, the flow of injected air being regulated by the ECU 13 by means of the valve 38 as a function of the pressure measured by the sensor 36.
  • FIG 3 is shown an alternative embodiment incorporating the main elements of Figure 1, which then bear the same references.
  • This embodiment variant does not comprise equivalents of the duct IAE 37.
  • the air is injected into the exhaust through the duct 9, the cylinder 2, and ducts 14 and 15.
  • the injection of air necessary to accelerate the priming of the catalyst is then by allowing the valve 10 the arrival of adequate amounts of air from the tank 3, for each expulsion phase of the exhaust gas, until the catalyst is primed.
  • the pressure drop in the tank measured by the pressure sensor 34 allows the ECU to calculate the amount of air output from the tank, thus injected into the exhaust.
  • the tank 3 can be replaced by two tanks in series.
  • a first tank of reduced capacity (for example capable of storing about 5 liters of gas at approximately 20 bars of pressure) is then connected to the cylinders, to the air intake and to the exhaust line as described in FIG.
  • a second tank of greater capacity (for example able to store about 50 liters of gas at about 10 bars of pressure) can be filled by the first tank through a conduit connecting the two tanks and a valve calibrated to a threshold pressure.
  • the filling of a first small tank allows to have high pressure air, faster than filling a single large tank.

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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

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 2000C et n'est optimale qu'à des températures de l'ordre de 45O0C. Lors des départs à froid des véhicules, bien évidemment, le pot catalytique est à une température bien inférieure à 2000C 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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. Il 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 manœuvrée, 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 manœuvrer 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 1 1.
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 l'UCE 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 l'UCE.
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 l'UCE 13. Un injecteur de carburant 21 , piloté par l'UCE 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 l'UCE 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. Il 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. II 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. Il 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. Il 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, l'UCE 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 l'UCE 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 l'UCE par le bus CAN 30. A partir des valeurs reçues des capteurs de pression et de température 34 et 35, l'UCE 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, l'UCE 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, l'UCE 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 , l'UCE 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 touj ours 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 l'UCE 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, l'UCE 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, l'UCE 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, l'UCE 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, l'UCE 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, l'UCE 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, l'UCE met en œuvre 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 l'UCE 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 -qui 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 l'UCE 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. Il réduit ainsi la consommation de carburant ainsi que le bilan carbone de fonctionnement du véhicule.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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) .
1 1. 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.
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