GROUPE MOTOPROPULSEUR DE VEHI CULE A EMI SSI ONS POLLUANTES REDUI TES L'invention se rapporte à un groupe motopropulseur de véhicule à émissions polluantes réduites. Les normes fixant le niveau maximal des émissions polluantes des moteurs contraignent les constructeurs automobiles à adopter des stratégies de réglage et des dispositifs de dépollution spécifiques.The invention relates to a vehicle powertrain with reduced pollutant emissions. Standards setting the maximum level of pollutant emissions from engines force car manufacturers to adopt specific control strategies and clean-up devices.
Pour les moteurs Diesel, on trouve en général un catalyseur d'oxydation pour traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone, et un filtre à particules pour stocker puis éliminer les suies émises par le moteur. Ce filtre à particules est habituellement positionné en aval d'une turbine d'un turbocompresseur, sur la ligne d'échappement du moteur. Pour provoquer une phase de régénération du filtre, il est alors nécessaire de modifier les réglages du moteur pour augmenter la température des gaz d'échappement et brûler les suies piégées dans le filtre. Généralement, davantage de carburant est injecté, ce qui augmente la consommation en carburant. Une autre stratégie possible, comme celle qui est décrite dans la demande de brevet FR2952406, consiste à positionner le filtre à particules en amont de la turbine d'un turbocompresseur, car les gaz qui n'ont pas encore été détendus dans ladite turbine sont beaucoup plus chauds. Il n'est alors pas nécessaire de provoquer une élévation de leur température aussi forte que dans le cas précédent pour brûler les suies contenues dans le filtre. De plus, si la température de ces gaz dépasse un certain seuil, il est même possible que des régénérations passives, c'est-à-dire non provoquées, se produisent, permettant de brûler les suies sans avoir à modifier les réglages du moteur.For diesel engines, there is usually an oxidation catalyst for treating unburned hydrocarbons and carbon monoxide, and a particulate filter for storing and then removing the soot emitted by the engine. This particle filter is usually positioned downstream of a turbine of a turbocharger, on the exhaust line of the engine. To cause a regeneration phase of the filter, it is then necessary to change the engine settings to increase the temperature of the exhaust gas and burn the soot trapped in the filter. Generally, more fuel is injected, which increases fuel consumption. Another possible strategy, such as that described in the patent application FR2952406, consists in positioning the particle filter upstream of the turbine of a turbocharger, since the gases that have not yet been expanded in said turbine are much hotter. It is then not necessary to cause a rise in their temperature as high as in the previous case to burn the soot contained in the filter. In addition, if the temperature of these gases exceeds a certain threshold, it is even possible that passive regenerations, that is to say unprovoked, occur, allowing to burn the soot without having to change the engine settings.
Ce type d'architecture moteur présente plusieurs intérêts : la perte de charge induite par le dispositif de dépollution est réduite, car celle-ci est corrélée à la vitesse des gaz. Or en amont de la turbine, les fortes pressions et les températures élevées conduisent à des vitesses de gaz réduites et donc à des pertes de charge réduites. Cette réduction apporte un gain notable au niveau de la consommation en carburant du moteur. les températures qui règnent en amont de la turbine favorisent l'amorçage du catalyseur d'oxydation et permettent au filtre à particules de fonctionner sur un mode de régénération passive. Il est donc possible de simplifier les stratégies actuelles de régénération du filtre à particules par élévation de la température en amont du filtre. le chargement du filtre à particules en suies étant de ce fait réduit, il est possible de diminuer le volume de cet organe, avec pour conséquence une réduction plus importante de sa perte de charge dans la ligne d'échappement. Toutefois, malgré des avantages indéniables, cette architecture présente deux inconvénients majeurs : un temps de réponse rallongé du turbocompresseur. En effet, le système de post-traitement se comporte comme un puits thermique. Sur une demande de couple du conducteur, on enrichit le mélange, et on augmente ainsi la température d'échappement. Avec le post-traitement positionné en amont de la turbine, cette élévation de la température desdits gaz est d'abord captée par le catalyseur et le filtre à particules, qui se comportent comme des puits thermiques, et privent la turbine de l'enthalpie nécessaire pour entraîner le compresseur et donc du débit d'air nécessaire au moteur pour atteindre les performances souhaitées. Il en résulte un laps de temps plus long pour atteindre la consigne de couple souhaitée. - une surconsommation importante de carburant. En effet, durant toute la phase intermédiaire entre la demande de couple et la réalisation de cette consigne de couple, il est nécessaire d'injecter beaucoup plus de carburant pour réchauffer le filtre à particules avant que le niveau d'enthalpie en amont de la turbine soit suffisant pour son amorçage.This type of motor architecture has several advantages: the pressure drop induced by the depollution device is reduced because it is correlated with the speed of the gases. Gold upstream of the turbine, high pressures and high temperatures lead to reduced gas velocities and therefore reduced pressure drops. This reduction brings a noticeable gain in the fuel consumption of the engine. the temperatures prevailing upstream of the turbine promote the priming of the oxidation catalyst and allow the particulate filter to operate in a passive regeneration mode. It is therefore possible to simplify the current regeneration strategies of the particulate filter by raising the temperature upstream of the filter. the loading of the soot particle filter is thereby reduced, it is possible to reduce the volume of this body, resulting in a greater reduction in its pressure drop in the exhaust line. However, despite undeniable advantages, this architecture has two major drawbacks: an extended response time of the turbocharger. Indeed, the post-processing system behaves like a heat sink. At a torque demand of the driver, enriches the mixture, and thus increases the exhaust temperature. With the post-treatment positioned upstream of the turbine, this rise in the temperature of said gases is first captured by the catalyst and the particulate filter, which behave like heat sinks, and deprive the turbine of the necessary enthalpy to drive the compressor and therefore the air flow necessary for the engine to achieve the desired performance. This results in a longer period of time to reach the desired torque setpoint. - a significant overconsumption of fuel. Indeed, during the entire intermediate phase between the torque demand and the achievement of this torque setpoint, it is necessary to inject much more fuel to heat the particulate filter before the enthalpy level upstream of the turbine. is sufficient for its priming.
Les groupes motopropulseurs selon l'invention possèdent un filtre à particules placé en amont d'une turbine d'un turbocompresseur et permettant de réduire les émissions polluantes, tout en s'affranchissant des inconvénients relevés dans l'état de la technique. L'invention a pour objet un groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur, au moins un turbocompresseur constitué d'un compresseur placé sur une ligne d'admission d'air du moteur et une turbine placée sur une ligne d'échappement dudit moteur, et un filtre à particules positionné sur ladite ligne d'échappement en amont de ladite turbine.The powertrains according to the invention have a particulate filter placed upstream of a turbine of a turbocharger and to reduce pollutant emissions, while overcoming the disadvantages noted in the state of the art. The subject of the invention is a power unit of a motor vehicle comprising an engine, at least one turbocharger consisting of a compressor placed on an air intake line of the engine and a turbine placed on an exhaust line of said engine, and a particulate filter positioned on said exhaust line upstream of said turbine.
La principale caractéristique d'un groupe motopropulseur selon l'invention, est qu'il comporte un compresseur mécanique entrainé par le moteur, et situé sur la ligne d'admission d'air en aval du compresseur du turbocompresseur. De manière connue en soi, un tel compresseur mécanique peut être lié en rotation au vilebrequin du moteur. Ainsi, sur une sollicitation de couple, le compresseur mécanique permet d'augmenter de manière quasi instantanée le débit d'air fourni aux chambres de combustion du moteur, et d'injecter du carburant pour obtenir le couple souhaité très rapidement. La période allant de la demande de couple à la réalisation dudit couple devenant très courte, il n'est plus nécessaire d'injecter du carburant pour amorcer la turbine, comme c'était le cas en l'absence du compresseur mécanique. Il en résulte une consommation modérée du carburant. Avantageusement, un groupe motopropulseur selon l'invention comporte un échangeur basse pression placé entre le compresseur du turbocompresseur et le compresseur mécanique. Cet échangeur permet de 30 refroidir l'air comprimé en provenance du compresseur du turbocompresseur placé en amont du compresseur mécanique, afin de réduire la température de l'air arrivant dans le dit compresseur mécanique. De façon préférentielle, un groupe motopropulseur selon l'invention comporte un échangeur haute pression placé entre le compresseur mécanique et le moteur. Cet échangeur permet de réduire la température de l'air qui a été comprimé par le compresseur mécanique et qui est destiné à pénétrer dans les chambres de combustion du moteur. Préférentiellement, un groupe motopropulseur selon l'invention comprend une voie de recirculation des gaz d'échappement reliant la ligne d'échappement à la ligne d'admission, en aval du compresseur mécanique quand le moteur est un moteur à quatre temps, ou en amont du compresseur mécanique quand le moteur est un moteur à deux temps. De façon avantageuse, la voie de recirculation des gaz relie la ligne d'échappement dans une zone située en amont du filtre à particules à la zone 15 de la ligne d'admission située entre l'échangeur haute pression et un répartiteur d'admission du moteur. De façon préférentielle, un groupe motopropulseur selon l'invention, comprend un catalyseur associé au filtre à particules. Autrement dit ledit catalyseur et ledit filtre à particules définissent un dispositif de dépollution 20 regroupé et placé sur la ligne d'échappement en amont de la turbine. Avantageusement, un groupe motopropulseur selon l'invention, comprend un moteur Diesel à quatre temps ou à deux temps. Un tel moteur peut par exemple être utilisé pour des applications dans le domaine de l'automobile, dans le domaine maritime ou dans le domaine industriel. 25 L'invention a pour deuxième objet un véhicule automobile dont la principale caractéristique technique est qu'il comprend un groupe motopropulseur selon l'invention.The main characteristic of a powertrain according to the invention is that it comprises a mechanical compressor driven by the engine, and located on the air intake line downstream of the compressor of the turbocharger. In a manner known per se, such a mechanical compressor can be rotatably connected to the crankshaft of the engine. Thus, on a torque load, the mechanical compressor makes it possible to increase the flow of air supplied to the combustion chambers of the engine almost instantaneously, and to inject fuel to obtain the desired torque very quickly. The period from the torque demand to the realization of said torque becoming very short, it is no longer necessary to inject fuel to prime the turbine, as was the case in the absence of the mechanical compressor. This results in moderate fuel consumption. Advantageously, a powertrain according to the invention comprises a low pressure exchanger placed between the compressor of the turbocharger and the mechanical compressor. This exchanger makes it possible to cool the compressed air coming from the compressor of the turbocompressor placed upstream of the mechanical compressor, in order to reduce the temperature of the air arriving in the said mechanical compressor. Preferably, a powertrain according to the invention comprises a high pressure exchanger placed between the mechanical compressor and the engine. This exchanger reduces the temperature of the air that has been compressed by the mechanical compressor and which is intended to enter the combustion chambers of the engine. Preferably, a powertrain according to the invention comprises an exhaust gas recirculation path connecting the exhaust line to the intake line, downstream of the mechanical compressor when the engine is a four-stroke engine, or upstream of the mechanical compressor when the engine is a two-stroke engine. Advantageously, the gas recirculation route connects the exhaust line in an area upstream of the particulate filter to the zone 15 of the intake line located between the high pressure exchanger and an intake manifold. engine. Preferably, a powertrain according to the invention comprises a catalyst associated with the particulate filter. In other words, said catalyst and said particulate filter define a depollution device 20 grouped and placed on the exhaust line upstream of the turbine. Advantageously, a powertrain according to the invention comprises a four-stroke or two-stroke diesel engine. Such an engine can for example be used for applications in the automotive field, in the maritime field or in the industrial field. The object of the invention is a motor vehicle whose main technical characteristic is that it comprises a powertrain according to the invention.
On donne, ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un groupe motopropulseur selon l'invention en se référant à la figure 1 : - La figure 1 est une vue schématique d'un groupe motopropulseur selon l'invention. En se référant à la figure 1, un groupe motopropulseur 1 selon l'invention comprend une ligne d'admission 2 d'air, un moteur 3 thermique et une ligne d'échappement 4 de gaz issus dudit moteur 3. Le moteur 3, qui est préférentiellement de type Diesel à quatre temps ou à deux temps, comprend quatre chambres de combustion 5. La ligne d'admission 2 d'air comprend, de sa partie amont vers sa partie aval, une entrée d'arrivée d'air 6, un filtre à air 7, un compresseur 8 destiné à être couplé à une turbine 9 pour former un turbocompresseur, un premier échangeur thermique 10, un compresseur mécanique 11, un deuxième échangeur thermique 12 et un répartiteur 13 d'admission, apte à distribuer l'air dans chacune desdites chambres de combustion 5. Tous ces éléments sont reliés les uns aux autres au moyen d'un canal 14 de circulation d'air. Ainsi, l'air issu de l'entrée 6 passe à travers le filtre à air 7 avant d'être comprimé par le compresseur 8 du turbocompresseur. L'air comprimé en provenance de ce compresseur 8 est une première fois refroidi par le premier échangeur thermique 10, avant d'atteindre le compresseur mécanique 11. L'air est à nouveau comprimé par le compresseur mécanique 11, puis est une deuxième fois refroidi par le deuxième échangeur thermique 12 avant d'arriver enfin dans le répartiteur d'admission 13, qui distribue cet air dans les chambres de combustion 5 du moteur 3. La ligne d'échappement 4 comporte, de sa partie amont vers sa partie aval, un collecteur d'échappement 15, un dispositif de dépollution constitué par un catalyseur 16 et un filtre à particule 17, la turbine 9 du turbocompresseur et une sortie 18 des gaz d'échappement vers l'extérieur du véhicule. Les gaz d'échappement sortent des chambres de combustion 5 par le collecteur d'échappement 15 puis passent à travers le catalyseur 16 et le filtre à particules 17 avant de traverser la turbine 9 et être évacués vers l'extérieur du véhicule par la sortie 18 de ladite ligne d'échappement. Une voie de recirculation des gaz d'échappement à l'admission, dite voie EGR (de l'anglais Exhaust Gas Recirculation) 19, dotée d'une vanne 20 et d'un échangeur 21, relie le collecteur d'échappement 15 au répartiteur d'admission 13 pour pouvoir mélanger des gaz d'échappement à l'air incident, en amont des chambres de combustion 5. La principale caractéristique d'un groupe motopropulseur 1 selon l'invention est que le dispositif de dépollution constitué du catalyseur 16 et du filtre à particules 17 est implanté dans la ligne d'échappement 4 en amont de la turbine, et qu'un compresseur mécanique 11 est placé dans la ligne d'admission 2 en aval du compresseur 8, pour diminuer le temps de réponse du moteur 3 entre une demande de couple et l'obtention dudit couple, et pour réduire la consommation de carburant.15The following is a detailed description of a preferred embodiment of a powertrain according to the invention with reference to FIG. 1: FIG. 1 is a schematic view of a powertrain according to FIG. invention. Referring to FIG. 1, a powertrain 1 according to the invention comprises an air intake line 2, a thermal engine 3 and a gas exhaust line 4 issuing from said engine 3. The engine 3, which is preferably of the four-stroke or two-stroke diesel type, comprises four combustion chambers 5. The intake air line 2 comprises, from its upstream part to its downstream part, an air inlet inlet 6, an air filter 7, a compressor 8 intended to be coupled to a turbine 9 to form a turbocharger, a first heat exchanger 10, a mechanical compressor 11, a second heat exchanger 12 and an inlet distributor 13, able to distribute the air in each of said combustion chambers 5. All these elements are connected to each other by means of a channel 14 of air circulation. Thus, the air from the inlet 6 passes through the air filter 7 before being compressed by the compressor 8 of the turbocharger. The compressed air from this compressor 8 is first cooled by the first heat exchanger 10, before reaching the mechanical compressor 11. The air is again compressed by the mechanical compressor 11, then is cooled a second time. by the second heat exchanger 12 before finally reaching the intake distributor 13, which distributes this air in the combustion chambers 5 of the engine 3. The exhaust line 4 comprises, from its upstream part to its downstream part, an exhaust manifold 15, a pollution control device consisting of a catalyst 16 and a particle filter 17, the turbine 9 of the turbocharger and an exhaust outlet 18 to the outside of the vehicle. The exhaust gases exit the combustion chambers 5 through the exhaust manifold 15 and then pass through the catalyst 16 and the particulate filter 17 before passing through the turbine 9 and be discharged to the outside of the vehicle through the outlet 18 of said exhaust line. An exhaust gas recirculation channel at the intake, called the Exhaust Gas Recirculation (EGR) channel 19, equipped with a valve 20 and an exchanger 21, connects the exhaust manifold 15 to the distributor 13 to be able to mix exhaust gases with the incident air, upstream of the combustion chambers 5. The main characteristic of a powertrain 1 according to the invention is that the depollution device consisting of the catalyst 16 and of the particulate filter 17 is located in the exhaust line 4 upstream of the turbine, and a mechanical compressor 11 is placed in the intake line 2 downstream of the compressor 8, to reduce the engine response time 3 between a torque demand and obtaining said torque, and to reduce fuel consumption.