Brevet FR2721653A1 — publié le 19951229

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de réduction des émissions de polluants d'un moteur à combustion interne, et plus particulièrement un tel procédé et dispositif utilisant la technique de l'apport d'oxygène dans les gaz d'échappement du moteur et permettant la mise en action rapide d'un pot catalytique. Parmi les moyens permettant de réduire les émissions de polluants d'un moteur à combustion interne, on connaît la technique dite d'injection d'air à l'échappement, qui permet dans les premières minutes de fonctionnement du moteur, avant que le pot catalytique n'atteigne sa température de mise en action, d'opérer une oxydation par "postcombustion" des hydrocarbures imbrûlés générés par le moteur. Cette technique est en général mise en oeuvre au moyen d'une pompe à air (soufflante) qui injecte de l'air frais prélevé à l'extérieur dans les gaz d'échappement, près des soupapes. Cependant, I'utilisation de pièces supplémentaires ou nécessitant un usinage spécial rend cette solution coûteuse. On connaît du brevet DE 40 29 672 un dispositif permettant la mise en oeuvre de cette technique sans pièces supplémentaires. Selon ce document, on propose dans un moteur multicylindre, de couper l'alimentation en carburant d'un des cylindres, pour le faire fonctionner en tant que pompe à air. On économise ainsi la pompe à air. Néanmoins, ce dispositif présente encore de nombreux inconvénients: par exemple, la suppression de la combustion dans un cylindre entraîne la perte du couple foumi par ce cylindre, ce qui dans le cas d'un moteur courant, à 4 cylindres par exemple peut se traduire par des à-coups désagréables, voire même un calage du moteur. De plus, le refroidissement des cylindres occasionné par un balayage à l'air frais entraîne un retard de la mise en température du moteur. La présente invention a pour objet de proposer un procédé et un dispositif qui ne présentent pas les inconvénients ci-dessus énoncés et qui permettent avantageusement d'accélérer encore la mise en action du pot catalytique associé au moteur. On atteint ces buts de l'invention au moyen d'un procédé de réduction des émissions de polluants d'un moteur à combustion interne muni d'un pot d'échappement catalytique, du type utilisant un apport d'oxygène effectué par l'intermédiaire des cylindres du moteur pour oxyder les gaz d'échappement lors de phases de fonctionnement prédéterminées du moteur, caractérisé en ce que, au cours d'un même cycle de fonctionnement, on alimente un premier groupe de cylindres avec un mélange air-carburant propre à assurer une combustion en excès d'oxygène et un deuxième groupe de cylindres avec un mélange propre à assurer une combustion en excès de carburant générant du monoxyde de carbone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un diagramme temporel de l'évolution de la richesse dans les cylindres selon le procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue détaillée de l'évolution de la richesse et de l'avance à l'allumage, cylindre par cylindre, sur quelques cycles, selon le procédé de l'invention, - la figure 3 est un graphe comparé de l'efficacité de la réduction des polluants entre le procédé de l'invention et des procédés de la technique antérieure, - la figure 4 est un schéma du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Afin de faciliter la compréhension de l'invention, on a représenté sur la figure 4 un moteur à combustion interne 1 à quatre cylindres (C1 à C4) équipé d'un collecteur d'admission 2 fournissant aux cylindres une quantité d'air Qa dosée par un papillon 3 et mesurée par un capteur 4. Le moteur 1 est relié du côté échappement à un pot catalytique 5 par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement 6 comportant une branche par cylindre, lesdites branches se regroupant dans une conduite principale 7. Un dispositif de commande 8, constitué d'au moins un calculateur électronique, reçoit des informations sur l'état de fonctionnement du moteur, parmi lesquelles figurent la quantité d'air Qa fournie aux cylindres, la position et le régime de rotation N du moteur délivrées par un capteur 9, ainsi que la mesure d'autres variables telles que la température Ta de l'air admis et celle Te du liquide de refroidissement. Le dispositif de commande 8 est adapté pour délivrer sélectivement, sur la base de ces informations, des signaux de commande à des moyens (11 à 14) d'alimentation en carburant, par exemple des injecteurs, et à des moyens d'allumage (B1 à B4), lesdits moyens étant propres à chaque cylindre. On se réfère maintenant à la figure 1 pour expliquer le procédé selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté un graphe de l'évolution de la richesse du mélange air/carburant fourni aux cylindres d'un moteur à combustion inteme. En abscisse, on a porté le temps écoulé depuis un instant initial t,, par exemple l'instant de mise en action du démarreur du moteur et en ordonnées la richesse du mélange. Classiquement, dans l'intervalle entre t0 et un instant t1, le moteur est en phase de démarrage et reçoit un mélange riche pour compenser les pertes de carburant dues à la condensation des vapeurs de carburant sur les parois froides du moteur. L'instant t1 peut être déterminé soit par un temps écoulé, soit encore par l'instant où le moteur atteint un régime de rotation minimum. A partir de l'instant t1, le moteur entre dans une phase dite de réchauffage qui s'étend jusqu'à un instant t2. Cet Instant t2 est déterminé soit par l'instant auquel le pot catalytique atteint une température prédéterminée représentative de sa mise en action, soit par la durée (t2-t1) nécessaire pour atteindre cette température, durée qui peut être définie lors de la mise au point du véhicule, en fonction de paramètres tels que la température de l'air et du liquide de refroidissement. C'est pendant cette phase qu'il est nécessaire d'injecter de l'air dans les gaz d'échappement afin de permettre l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés. Ainsi donc, à partir de l'instant t1 et pour chaque cycle du moteur, on fournit à un premier groupe de cylindres un mélange air/carburant pauvre, représenté sur le graphe par la partie (b) de la courbe. Simultanément, dans le même cycle, on fournit à un deuxième groupe de cylindres un mélange riche, représenté par la partie (a) de la courbe.Plus précisément, dans un moteur à quatre cylindres par exemple, on alimente un premier groupe de trois cylindres (C2 à C4) avec un mélange air/carburant pauvre, ayant par exemple une richesse de l'ordre de 0.9, c'est à dire présentant une quantité de carburant inférieure d'environ 10% par rapport à la quantité de carburant correspondant, pour une combustion stoechiométrique, à la quantité d'air Qa admise dans le cylindre. II en résulte que la combustion dans ces cylindres est effectuée en présence d'un excès d'air et que l'oxygène contenu dans cet air en excès soit 2 à 3% de la masse de gaz, se retrouve dans les gaz d'échappement.Au cours du même cycle, on alimente le quatrième cylindre (C1) avec un mélange riche, par exemple avec une teneur en carburant présentant un excès de l'ordre de 10% par rapport à la quantité de carburant correspondant, pour une combustion stoechiométrique, à la quantité d'air Qa admise dans le cylindre. Les gaz d'échappement de ce cylindre particulier présentent alors, outre une certaine quantité d'hydrocarbures imbrûlés, une proportion de monoxyde de carbone (CO) relativement importante, de l'ordre de 3%.On remarque alors que l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement des cylindres alimentés en mélange pauvre se combine avec le monoxyde de carbone ainsi généré à une température inférieure d'environ 50"C à la température nécessaire à la combustion des hydrocarbures imbrûlés. II apparaît en outre que la réaction d'oxydation du monoxyde de carbone par l'oxygène en excès pour donner du dioxyde de carbone est une réaction exothermique qui, par la chaleur qu'elle dégage, contribue à augmenter la température des gaz d'échappement, permettant ainsi d'améliorer l'efficacité de la conversion des hydrocarbures imbrûlés et de réduire le temps nécessaire pour atteindre la température de mise en action du catalyseur. Bien entendu, les proportions du mélange air/carburant qui ont été citées ciavant ont été données à titre d'exemple. On adaptera sans difficulté ces proportions en fonction du nombre total de cylindres du moteur et du nombre de cylindres fonctionnant en mélange respectivement pauvre ou riche, pour obtenir une proportion relative d'oxygène et de monoxyde de carbone dans les gaz d'échappement telle que la quantité d'oxygène en excès générée par le premier groupe de cylindres soit supérieure ou égale à la quantité nécessaire pour oxyder le monoxyde de carbone généré par le deuxième groupe de cylindres. On se réfère maintenant à la figure 2, sur laquelle on a représenté une vue plus détaillée, sur quelques cycles de l'évolution de la richesse et de l'avance à l'allumage en fonction de chaque cylindre du moteur. On a représenté sur la courbe 2A l'évolution de la richesse dans les cylindres du moteur. Des lignes de tirets verticales délimitent les cycles successifs du moteur. On constate que, pour le premier cycle représenté, le cylindre numéro 1 est alimenté par un mélange de richesse 1,1, c'est à dire en excès de carburant, tandis que les cylindres suivants sont alimentés par un mélange pauvre de richesse 0,9. Au cycle suivant, c'est le cylindre numéro 3 qui est alimenté en mélange riche, alors que les autres cylindres reçoivent un mélange pauvre. On opère ainsi de cycle en cycle, une permutation du cylindre recevant le mélange riche. Cette permutation présente la caractéristique avantageuse de permettre le mélange des gaz d'échappement alternativement chargés de monoxyde de carbone et d'oxygène à l'intérieur des différentes branches du collecteur d'échappement 6, avant que celles-ci se rejoignent dans la conduite principale 7, permettant ainsi de bénéficier d'une température de gaz d'autant plus élevée que l'on est proche des soupapes d'échappement, pour amorcer la réaction d'oxydation du monoxyde de carbone. On a également représenté sur la courbe 2B la variation concomitante de l'avance à l'allumage appliquée à chaque cylindre.On peut ainsi noter que, alors qu'on applique aux cylindres recevant un mélange pauvre une avance à l'allumage optimisée Avo propre à leur permettre de fournir un couple maximum au vilebrequin, on applique au cylindre alimenté en mélange riche une avance à l'allumage réduite Av,. La réduction d'avance ainsi appliquée permet de réduire le couple fourni par le cylindre alimenté en mélange riche et de le ramener à une valeur proche de celui fourni par les autres cylindres afin de conserver une régularité suffisante au régime de rotation du moteur.La réduction de l'angle d'avance à l'allumage peut être obtenue par l'intermédiaire d'une table spécifique des valeurs d'avance Av, en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur comme la quantité d'air admise et le régime de rotation, définie lors de la mise au point du moteur et mémorisée dans le calculateur 8 ou encore être déduite des tables optimisées existantes par l'intermédiaire d'un coefficient de correction calculé à partir de l'analyse des variations de la vitesse instantanée de rotation du moteur. On a représenté sur la figure 3 un graphe mettant en évidence l'efficacité du procédé selon l'invention en comparaison avec d'autres procédés de la technique antérieure. On a porté en ordonnées un pourcentage d'efficacité sur la réduction des hydrocarbures imbrûlés par rapport à l'efficacité maximale obtenue avec un pot catalytique dont la température de fonctionnement stabilisé est atteinte, et en abscisse la température des gaz d'échappement en amont du pot catalytique. La courbe (i) représente l'efficacité obtenue avec le procédé selon l'invention. La courbe (j) correspond à l'efficacité obtenue avec une combustion stoechiométrique dans chaque cylindre et un dispositif classique d'injection d'air à l'échappement fournissant un excès d'air de 10% et la courbe (k) correspond à l'efficacité obtenue avec une combustion stoechiométrique dans chaque cylindre sans air additionnel à l'échappement. On peut constater sur ce graphe qu'une même efficacité relative est obtenue par le procédé selon l'invention avec des températures de gaz inférieures de 50 à 100 "C par rapport aux autres procédés. II est ainsi possible de réduire le temps pendant lequel des hydrocarbures sont rejetés dans l'atmosphère lors du démarrage du moteur et par conséquent de diminuer la quantité de polluants émis. REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction des émissions de polluants d'un moteur à combustion interne (1) muni d'un pot d'échappement catalytique (3), du type utilisant un apport d'oxygène effectué par l'intermédiaire des cylindres (C1 à C4) du moteur pour oxyder les gaz d'échappement lors de phases de fonctionnement prédéterminées du moteur, caractérisé en ce que, au cours d'un même cycle de fonctionnement, on alimente un premier groupe de cylindres (C2 à C4) avec un mélange air-carburant propre à assurer une combustion en excès d'oxygène et un deuxième groupe de cylindres (C1) avec un mélange propre à assurer une combustion en excès de carburant générant du monoxyde de carbone. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les proportions du mélange alimentant les deux groupes de cylindres sont déterminées de manière à générer dans les gaz d'échappement du premier groupe une quantité d'oxygène en excès supérieure ou égale à la quantité nécessaire pour oxyder le monoxyde de carbone généré dans les gaz d'échappement du deuxième groupe de cylindres. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'avance à l'allumage (Avr) appliquée au deuxième groupe de cylindres est réduite par rapport à l'avance nominale (Avo) appliquée au premier groupe de manière à obtenir un couple sensiblement identique pour chaque cylindre. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on opère à chaque cycle une permutation des cylindres entre les groupes. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, du type comportant des moyens de commande (8) pour commander sélectivement des moyens d'alimentation en carburant (11 à 14) et des moyens d'allumage (B1 à B4) des cylindres (C1 à C4) d'un moteur à combustion interne (1) en fonction d'informations fournies par des moyens de mesure (4) de la quantité d'air (Qa) admise dans les cylindres et des moyens de mesure (9) de la position et de la vitesse de rotation du moteur, caractérisé en ce que les moyens de commande sont adaptés pour commander, dans des phases de fonctionnement prédéterminées du moteur, les moyens d'alimentation (12 à 14) d'un premier groupe de cylindres (C2 à C4) pour délivrer une quantité de carburant réduite par rapport à la quantité nécessaire à une combustion stoechiométrique et, les moyens d'alimentation (11) et d'allumage (B1) d'un deuxième groupe de cylindres (C1) pour: - délivrer une quantité de carburant supérieure à la quantité nécessaire à une combustion stoechiométrique et. - réduire simultanément l'avance à l'allumage.