Brevet FR2780100A1 — publié le 19991224

l 2780100 La présente invention est relative à un procédé pour porter rapidement à température de fonctionnement optimale un pot d'échappement des gaz de combustion d'un moteur de véhicule automobile, en particulier du type à "pot catalytique". La réduction que l'on souhaite drastique de la pollution ambiante et notamment la limitation maximale des rejets dans l'atmosphère des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, tels que le NO, NO2, HC, CO, résultant de la combustion aussi achevée soit-elle des mélanges combustibles brûlés dans les cylindres du moteur, constitue un impératif majeur pour les constructeurs automobiles et représente un enjeu déterminant de leur compétitivité, selon que les solutions proposées respectent plus ou moins étroitement des normes, qui deviennent en outre de plus en plus sévères. La solution la plus couramment envisagée à l'heure actuelle pour réduire l'émission dans l'air de ces gaz nocifs consiste à utiliser un pot catalytique o ces gaz sont transformés chimiquement, notamment en gaz carbonique et/ou en vapeur d'eau, non polluants. Or, pour fonctionner de façon satisfaisante, en particulier pour convertir efficacement les gaz d'émission provenant du moteur, ces pots catalytiques doivent être portés à une température élevée, de l'ordre de 250 C, pour permettre aux réactions chimiques à l'intérieur de ces pots de s'établir et de conduire à une transformation quasi totale des gaz polluants, avant de rejeter à l'extérieur les produits de combustion non nocifs qui en résultent. La réduction des émissions polluantes d'un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne, en particulier utilisant de l'essence comme combustible, nécessite donc que la température du pot catalytique soit le moins longtemps possible inférieure à une température de seuil donnée o ces réactions chimiques se produisent. En particulier, lors du démarrage du véhicule, surtout après un arrêt prolongé de celui-ci, le pot catalytique, initialement à la température ambiante, de l'ordre en moyenne de 20 C, doit le plus rapidement possible atteindre la température de seuil, 2 2780100 laquelle est d'environ 2500C, l'efficacité du pot en deçà de cette température chutant de façon déterminante. Pour atteindre dans ces conditions la température de seuil indispensable, une solution consiste à générer une combustion thermique au sein même du pot catalytique, dans les instants qui suivent immédiatement le démarrage du moteur. Dans ce but, il convient d'amener jusqu'à l'intérieur du pot un comburant, en particulier de l'oxygène contenu dans l'air, et un combustible, de préférence de l'essence imbrûlée. L'essence peut être aisément injectée en quantité convenable par les gaz d'échappement eux-mêmes, dans la mesure o l'on admet sur certains cylindres du moteur de l'essence en excès vis-à-vis de la quantité d'oxygène nécessaire pour réaliser la combustion recherchée dans chaque cylindre. Cet excès d'essence est ainsi évacué dans les gaz d'échappement vers le pot catalytique. L'apport d'air se fait parallèlement selon l'une ou l'autre de deux possibilités, soit comme pour l'essence, en admettant dans certains cylindres de l'air en excès pour qu'une certaine quantité d'oxygène non utilisée parvienne au pot, soit en utilisant un circuit d'air additionnel, entre le répartiteur d'admission du mélange combustible aux cylindres du moteur et le pot catalytique, indépendant du moteur mais qui alimente directement le pot au moyen d'une pompe électrique assurant un débit convenable. Or, si l'apport d'essence ne pose pas de problème pour être réalisé, l'admission de l'air dans le pot par les deux méthodes proposées présente divers inconvénients. Avec la première solution, on ne peut amener qu'une quantité d'air limitée au pot catalytique. En effet, pour que la combustion dans un cylindre se déroule de façon satisfaisante, il n'est pas possible d'admettre dans celui-ci sensiblement plus de 20% d'air que la quantité réellement nécessaire à cette combustion. Dans ces conditions, le débit possible qui arrive au pot catalytique est limité par le régime du moteur et par l'énergie nécessaire pour la combustion. Dans tous les cas, les débits sont trop faibles pour obtenir une montée en température rapide du pot catalytique. 3 2780100 Dans la deuxième solution, on peut en revanche fournir aisément la quantité d'air nécessaire, en dimensionnant la pompe auxiliaire en fonction du débit souhaité. Mais, si la montée en température du pot catalytique est alors rapide, les inconvénients majeurs de ce dispositif résident dans sa complexité du fait de la mise en oeuvre d'un circuit d'air supplémentaire et d'une pompe électrique, qui entraînent un surcoût notable et augmentent le poids du véhicule. De plus, ce dispositif est bruyant, la pompe électrique devant être isolée afin d'atténuer au maximum l'inconfort des passagers. La présente invention a pour objet un procédé qui pallie les inconvénients des solutions connues rappelées ci-dessus, en permettant de façon simple et peu coûteuse, d'obtenir une élévation très rapide de la température du pot catalytique d'un véhicule dès que le moteur de celui-ci est mis en route, sans produire de rejets polluants dans l'atmosphère de gaz d'échappement nocifs et non encore convertis à l'intérieur du pot. L'invention concerne également les véhicules automobiles à moteur à explosion mettant en oeuvre ce procédé. A cet effet, le procédé considéré, qui s'applique à un moteur à combustion interne pour véhicule automobile comportant une pluralité de cylindres dans lesquels un carburant et de l'air sont admis en proportion donnée, de façon cyclique, afin de réaliser dans chaque cylindre et en séquence des phases successives d'admission, de compression et d'explosion, puis de détente et d'échappement, les produits gazeux expulsés des cylindres étant collectés dans un pot catalytique qu'ils traversent avant d'être évacués dans l'atmosphère, se caractérise en ce qu'il consiste à admettre, au démarrage du véhicule, dans au moins un cylindre donné du moteur, un débit d'air exclusivement, ce cylindre fonctionnant en pompe à air et, parallèlement, dans les autres cylindres, un débit séparé d'air enrichi par un excès de carburant, les gaz d'échappement sortant de ces autres cylindres, contenant une fraction résiduelle de ce carburant, étant recueillis dans le pot avec l'air fourni par le cylindre fonctionnant en pompe pour constituer un mélange apte à 4 2780100 subir une combustion dans ce pot, élevant quasi instantanément sa température. Le procédé selon l'invention permet ainsi, sans aucune modification de la structure du moteur et en particulier sans adjonction d'une pompe additionnelle, d'élever rapidement la température du pot catalytique, grâce à une simple adaptation du système de dosage de l'air admis dans le moteur, qui délivre aux cylindres de celui-ci, soit pour l'un d'entre eux de l'air exclusivement, soit aux autres un mélange d'air et de carburant en excès, ce système permettant d'assurer le dosage de l'air dans le cylindre fonctionnant en pompe de façon indépendante de l'admission du mélange dans les autres cylindres exploités de façon classique pour produire l'effort demandé au moteur, ce mélange étant convenablement ajusté pour permettre de fournir dans les gaz d'échappement sortant de ces autres cylindres une quantité suffisante de carburant imbrûlé. Bien entendu, le procédé selon l'invention n'est mis en oeuvre qu'au moment du démarrage du moteur du véhicule et pendant une période de temps juste suffisante pour que la température du pot catalytique atteigne le seuil nécessaire, après quoi le cylindre fonctionnant en pompe est à nouveau alimenté par un mélange d'air et de carburant comme les autres cylindres, ce mélange étant ajusté pour obtenir dans tous les cylindres du moteur une combustion optimale, correspondant au fonctionnement normal de ce moteur. Selon un mode de réalisation particulier, l'admission de l'air dans le cylindre fonctionnant en pompe s'effectue par l'intermédiaire d'une vanne pilotée, associée à ce cylindre. En variante, le répartiteur d'admission peut comporter des moyens de commande individuelle d'un clapet ou papillon pour chacun des cylindres du moteur. Selon encore une autre réalisation, l'admission de l'air dans le cylindre fonctionnant en pompe est réalisée en commandant l'ouverture et la fermeture de chacune des soupapes d'admission et/ou d'échappement dans chaque cylindre du moteur de façon indépendante des autres soupapes. Selon une autre variante de mise en oeuvre du procédé considéré, chacun des cylindres du moteur joue successivement le rôle du cylindre fonctionnant en pompe, réservé à l'admission 2780100 d'air exclusivement, au cours d'un cycle de fonctionnement de ce moteur. En variante également, le cylindre fonctionnant en pompe assure deux phases de pompage successives pendant les quatre temps classiques du moteur. Selon une autre solution, deux des cylindres du moteur fonctionnent selon un cycle à six temps, avec quatre temps classiques et deux temps complémentaires pour le pompage de l'air à transmettre au pot catalytique, les autres cylindres fonctionnant selon un cycle à quatre temps. D'autres caractéristiques d'un procédé pour élever la température d'un pot catalytique lors du démarrage d'un moteur de véhicule automobile, établi conformément à l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - La Figure 1 est un schéma de principe illustrant l'alimentation d'un pot catalytique avec les gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, utilisant un circuit d'air additionnel selon une solution connue dans la technique. - La Figure 2 est un schéma analogue à celui de la Figure 1, mais modifié pour permettre la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Sur la Figure 1, la référence 1 désigne de façon très schématique le carter d'un moteur à combustion interne, comportant, dans l'exemple considéré, quatre cylindres 2 en ligne, c'est-à-dire disposés parallèlement les uns aux autres dans le carter mais dont l'alimentation par un mélange d'air et d'un carburant, notamment de l'essence, s'effectue successivement par l'intermédiaire de conduites ou pipes d'admission 3 alimentées par un répartiteur d'admission 4. Ce répartiteur 4 est classique dans la technique et n'est donc pas décrit en détail ici, son rôle étant d'ajuster les débits respectifs d'air et d'essence admis dans chaque cylindre selon le régime de fonctionnement du moteur, l'alimentation de ces cylindres étant effectuée en séquence, pour produire dans chacun d'eux les phases successives d'admission, de compression, 6 2780100 de combustion et de détente et enfin d'échappement, selon un cycle usuel pour ce type de moteur. On notera cependant que dans certains cas (moteurs à injection par exemple), le répartiteur d'admission n'assure que l'alimentation en air des cylindres. Selon le cas, le débit d'air d'une part, celui du mélange d'air et d'essence d'autre part, est obtenu en utilisant, soit une vanne additionnelle prévue sur le cylindre fonctionnant en pompe, soit un papillon piloté pour chacun des cylindres, soit enfin un organe de distribution commandé et permettant d'actionner chacune des soupapes indépendamment des autres. Les gaz brûlés qui résultent de la combustion du mélange dans chaque cylindre 2 s'évacuent par des conduites d'échappement 5 et se recueillent dans un collecteur 6, au-delà duquel ces gaz sont acheminés par une tuyauterie 7 vers un pot 8 avant qu'ils ne soient rejetés dans l'environnement ambiant par une tubulure de sortie 9. L'invention s'applique comme déjà précisé à un moteur à explosion du genre ainsi rappelé, dans lequel les gaz d'échappement sont recueillis avant d'être rejetés dans l'atmosphère par un pot 8, dit catalytique, c'est-à-dire dans lequel est réalisée une combustion complémentaire des gaz brûlés provenant des cylindres 2, afin de permettre l'établissement à l'intérieur de ce pot de réactions chimiques propres à transformer les gaz nocifs, en particulier mais non exclusivement l'oxyde de carbone, de sorte que ne soient rejetés à l'extérieur que des gaz non polluants, notamment du gaz carbonique. Pour que de telles réactions chimiques se produisent dans le pot, il convient, le plus rapidement possible dès la mise en route du moteur, que la température de ce pot soit portée à une valeur notable de l'ordre de 250 C, ce qui ne peut être normalement obtenu qu'en provoquant une combustion à l'intérieur de ce pot d'un mélange d'essence et d'air en proportions convenables. Une solution connue dans l'état de la technique, telle qu'illustrée sur la Figure 1, consiste à prévoir une canalisation d'air complémentaire 10, reliant le répartiteur 7 2780100 d'admission 4 et la tuyauterie 7 en amont du pot catalytique 8, et à monter sur cette canalisation une pompe à air 11 qui, mise en route dès le démarrage du moteur, fournit au pot un débit d'air approprié. Simultanément, le mélange envoyé aux cylindres 2 est ajusté de telle sorte qu'il soit enrichi en essence et que les gaz d'échappement recueillis dans les conduites 5 contiennent encore une quantité non négligeable d'essence non brûlée, laquelle est admise dans le pot 8 o elle se mélange avec l'air fourni par la pompe 11, en créant un milieu gazeux combustible, lequel en brûlant élève immédiatement la température du pot. Les inconvénients de cette solution ont été déjà précisés. Pour y pallier et en référence à la Figure 2, le procédé selon l'invention consiste à utiliser un des cylindres du moteur pour le faire lui-même fonctionner en pompe à air, ce qui évite l'utilisation de l'appareil de la solution classique et présente de nombreux avantages, les autres cylindres du moteur étant utilisés de façon usuelle de manière à envoyer vers le pot catalytique une quantité convenable d'essence non brûlée. Dans le Tableau I donné ci-après, on a fait figurer virtuellement les quatre cylindres du moteur, puis schématisé dans chacun d'eux les quatre phases successives d'admission (A), de compression (C), de combustion et de détente (D) et enfin d'échappement (E) propres à tout moteur à explosion. Dans cet exemple, le quatrième cylindre est supposé ne fonctionner qu'en pompe à air pendant la phase de démarrage du moteur jusqu'à ce que la température dans le pot catalytique atteigne la valeur de seuil nécessaire pour produire une transformation satisfaisante des gaz nocifs avant rejet de ceux- ci dans l'atmosphère. Dans ce quatrième cylindre donc, l'air subit également les quatre phases précitées, à l'exception bien entendu de la combustion, l'air admis étant ensuite comprimé, détendu et mis à l'échappement. Sur ce même Tableau I, on a individualisé sous la référence (C I) la phase de compression et de combustion du mélange d'essence et d'air dans les trois autres cylindres, produisant l'effort nécessaire à l'entraînement du véhicule, les références 8 2780100 (C +) correspondant à un effort positif produit par le moteur lors de l'explosion réalisée dans l'un de ces trois cylindres, tandis que la référence (C -) schématise l'effort négatif induit par le quatrième cylindre, à chacun des temps du cycle o, dans celui-ci, se produirait l'explosion si ce quatrième cylindre fonctionnait normalement avec une alimentation comme les autres par le mélange d'air et d'essence. Les zones légèrement grisées correspondent ainsi à une simple phase de pompage de l'air dans le quatrième cylindre, une fois tous les quatre temps, tandis que les zones plus foncées correspondent aux phases d'explosion dans les trois autres cylindres. Tableau I Phase Moteur O 1 D E A CI D E A CI D E A CI D E A CI D E A CI D 2 E A CI D E A CI D E A CI DE A CI D E A CI DE 3 CI D E A CI D E A CI D E A CID E A CI D E ACI Moteur _ - -MM vM M - D; Détente ======== E - Echappement A Admission C Compression L CI Compression+Combustion __C+ -Effort moyen positif produit par le moteur __C- =Effort moyen négatif produit par le moteur Phase de pompage On conçoit toutefois que, dans l'exemple précédent, la montée en température du moteur et par suite celle du pot catalytique, de même que la répartition des contraintes mécaniques, ne soient pas uniformes du fait de la non utilisation de façon continue d'un des cylindres du moteur, réservé en permance au pompage de l'air alimentant le pot. Cette situation conduit notamment à un réchauffement de ce cylindre particulier qui est plus lent que celui des autres; en outre, les efforts transmis au vilebrequin d'entraînement ne sont plus symétriques. Enfin, la régularité du cycle du moteur 9 2780100 n'est pas excellente, du fait de la succession des phases de combustion et de pompage, de la manière expliquée plus haut. Le Tableau II schématise une autre solution qui, en conservant les caractéristiques essentielles du procédé selon l'invention, permet d'améliorer le fonctionnement du moteur dans la phase de démarrage jusqu'à ce que le pot catalytique ait atteint sa température de seuil, au-delà de laquelle le moteur reprend son cycle normal de fonctionnement, l'alimentation en air du quatrième cylindre étant arrêtée et substituée par une alimentation en mélange d'air et d'essence comme pour les autres cylindres, ceci de façon analogue à la première solution selon le Tableau I. Tableau II No Phase Moteur 1 D E A CI D A 'CI D E A CIDE 2 E AD A CI DDE..; cz D E A CI D E I 3 CI D lAcI D E ACI'D EA 4 A CD E CI D E A CI D E A Moteur c.:.-.. [D t Détente = I= == _ = = = Lt - Echappement I - ^Admission = c Compression I c I Compression+Combustion c+ Effort moyen positif produit par le moteur C- _ Effort moyen négatif produit par le moteur M _Phase de pompage 1 1 I Sur ce Tableau II, on voit que dans cette variante, ce n'est plus en permancence le quatrième cylindre qui fonctionne en pompe à air, tous les cylindres du moteur étant successivement et cycliquement utilisés pour jouer ce rôle, pendant que les trois autres cylindres, à chaque temps du cycle, sont exploités pour brOûler le mélange d'air et d'essence. Dans ce cas, chaque cylindre, utilisé à tour de rôle pour l'envoi d'un débit d'air vers le pot catalytique, réalise deux phases de pompage pendant les quatre temps classiques du moteur. 2780100 Le Tableau III schématise une solution identique à la précédente, mais dans laquelle la succession des phases, qui consistent à modifier cycliquement le fonctionnement des cylindres du moteur, l'un jouant le rôle de pompe à air pendant que les autres fonctionnent normalement, intervient avec un sens de rotation inverse à celui envisagé en relation avec le Tableau II. Tableau III N Phase Moteur 1 D E D E ACID E A CI D E......cACI D E A CI D 2 E A CI D E.:' S A CI D E A CI D E A CI D E 3 CI D E A CI E A A CI D E A CI D E X XX. A CI 4. I A CI D A ci D E A Ci DE A C I D E A D Moteur C.* * -*.",*;C-* * C **- D -Détente__ E Echappement A Admission c Compression CI Compression+Combustion + Effort moyen positif produit par le moteur _ c Effort moyen négapositif produit par le moteur c- Effort moyen négatif produit par le moteur===== ==== Phase de pompage e] ] [ Le Tableau IV illustre encore une autre variante, qui présente l'avantage de réaliser le meilleur compromis dans la régularité de l'affectation successive des divers cylindres du moteur à un fonctionnement en séquence, soit en pompe à air, soit en cylindre à explosion normal. il 2780100 Tableau IV N | Phase Moteur 1 XXA CI D iXXA CI D E X XgmI A CI D E X! A 2 E A CI D E A CI D E A CI D E A CI D E A CI D E 3 CI D E A CI D E A CI D A C DE A CI D CI E A CI 4 A DE CI DEci E A CI D MoteurMM M*** * * *z E - __A C_ _ E__ c _ Compression D oCI Compression+Combust ion = C+D_ Effort moyen positif produit par le moteur C- Effort moyen négatif produit par le moteur Phase de pompage Dans cette variante, les soupapes sont commandées indépendamment les unes des autres, aussi bien à l'admission qu'à l'échappement, afin de jouer sur la distribution de l'air d'une part et du mélange d'air et d'essence d'autre part. Dans ce cas, certains des cylindres du moteur, par exemple le premier et le quatrième cylindre, fonctionnent avec un cycle à six temps, comprenant les quatre temps classiques plus deux temps de pompage pour l'air, les autres cylindres mettant en oeuvre un cycle classique à quatre temps, ce qui permet de limiter à un sur six seulement le temps mort au cours duquel se réalise le pompage de l'air dans un des cylindres, sans que simultanément, un autre de ceux-ci ne produise un temps moteur. Le procédé de l'invention présente un avantage déterminant dans le fonctionnement d'un pot catalytique, en permettant une réduction considérable de l'émission des gaz nocifs ou polluants dans l'atmosphère extérieure, ceci sans nécessiter de modification du moteur lui-même, mais exigeant seulement une adaptation simple et peu coûteuse de ses moyens de contrôle et de commande. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux seuls exemples de mise en oeuvre du procédé plus spécialement envisagés ci-dessus; en particulier, les mêmes 12 2780100 principes pourraient être mis en oeuvre avec un moteur comprenant un nombre quelconque de cylindres, sans modifier le principe adopté, ce nombre étant cependant au moins égal à deux. 13 2780100 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour accroître rapidement la température dans un pot catalytique au démarrage d'un moteur à combustion interne pour véhicule automobile comportant une pluralité de cylindres (2) dans lesquels un carburant et de l'air sont admis en proportion donnée, de façon cyclique, afin de réaliser dans chaque cylindre et en séquence des phases successives d'admission, de compression et d'explosion, puis de détente et d'échappement, les produits gazeux expulsés des cylindres étant collectés dans le pot catalytique (8) qu'ils traversent avant d'être évacués dans l'atmosphère, caractérisé en ce qu'il consiste à admettre, au démarrage du véhicule, dans au moins un cylindre donné du moteur, un débit d'air exclusivement, ce cylindre fonctionnant en pompe à air et, parallèlement, dans les autres cylindres, un débit séparé d'air enrichi par un excès de carburant, les gaz d'échappement sortant de ces autres cylindres, contenant une fraction résiduelle de ce carburant, étant recueillis dans le pot avec l'air fourni par le cylindre fonctionnant en pompe pour constituer un mélange apte à subir une combustion dans ce pot, élevant quasi instantanément sa température. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'admission de l'air dans le cylindre fonctionnant en pompe s'effectue par l'intermédiaire d'une vanne pilotée, associée à ce cylindre. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'admission de l'air dans le cylindre fonctionnant en pompe est réalisée en adaptant sur un répartiteur d'admission des moyens de commande individuelle d'un clapet ou papillon pour chacun des cylindres du moteur. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'admission de l'air dans le cylindre fonctionnant en pompe est réalisée en commandant l'ouverture et la fermeture de chacune des soupapes d'admission et/ou d'échappement dans chaque cylindre du moteur de façon indépendante des autres soupapes. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des cylindres du moteur joue 14 2780100 successivement le rôle du cylindre fonctionnant en pompe, réservé à l'admission d'air exclusivement, au cours d'un cycle de fonctionnement de ce moteur. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cylindre fonctionnant en pompe assure deux phases de pompage successives pendant les quatre temps classiques du moteur. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux des cylindres du moteur fonctionnent selon un cycle à six temps, avec quatre temps classiques et deux temps complémentaires pour le pompage de l'air à transmettre au pot catalytique, les autres cylindres fonctionnant selon un cycle à quatre temps. 8 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à un moteur comportant au moins deux cylindres. 9 - Moteur à explosion pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. - Véhicule automobile équipé d'un moteur à explosion selon la revendication 9.