Brevet FR2798703A1 — publié le 20010323

Procédé d'échauffement d'un catalyseur équipant un moteur ' combustion interne à injection directe d'essence comprenant plusieurs cylindres La présente invention est relative à un procède d'échauffement d'un catalyseur pour moteur à combustion interne à injection directe. Pour reduire la pollution de l'atmosphère par les d'échappement des moteurs à combustion interne, particulier de ceux qui assurent la propulsion des véhicules automobiles, il est connu d'équiper les lignes d'échappement de ces moteurs d'un pot catalytique ou catalyseur ayant pour fonction de transformer les substances chimiques nocives en des substances moins nocives, voire inoffensives. C'est ainsi que l'on connaît un catalyseur dit ' trois voies ou "tri fonctionnel "' du fait qu'il assure triple fonction d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HC), d'oxydation du CO en C02 et de réduction des oxydes d'azote (N0,) en azote gazeux. En géneral, le catalyseur est placé loin du moteur d'abord pour le protéger thermiquement, mais aussi pour des raisons d'architecture du véhicule et de performances du moteur. Il en résulte qu'il s'échauffe relativement lentement aux démarrages à froid du moteur et ne peut ainsi traiter les gaz nocifs que tardivement. C'est pourquoi on a mis au point différentes stratégies visant à accélérer la montée en température du catalyseur, afin qu'il puisse aussi rapidement que possible traiter les polluants à la st#chiométrie. L'une des stratégies d'échauffement connues consiste à créer différentes richesses du mélange en faisant fonctionner le moteur avec des cylindres "riches" (brûlant un mélange air/carburant riche) et des cylindres "pauvres" (brûlant un tel mélange pauvre). Cette stratégie conduit à la production dans la ligne d'échappement de gaz oxydants de gaz réducteurs (HC et CO). Les gaz réducteurs provenant des cylindres riches vont alors réagir avec l'oxygène provenant des cylindres pauvres provoquant alors une réaction exothermique qui elève rapidement la température du catalyseur. Cependant, l'efficacité de cette stratégie dans le cas des moteurs à injection indirecte de 1 essence dans les tubulures d'admission et à fonctionnement homogène de repartition du mélange dans les cylindres reste modeste, la richesse des cylindres pauvres ne peut alors guère descendre en-dessous de 0,8, en particulier lorsque le moteur est froid. Par conséquent, il y peu d'oxygène présent dans les gaz d'échappement, de sorte que la reaction exothermique est faible. La présente invention a pour but de proposer un procédé d'échauffement d'un catalyseur qui permet, en partant de la stratégie dont une brève description vient d être faite, d'obtenir un échauffement très rapide d'un catalyseur branché dans la ligne d'échappement d'un moteur à injection directe d'essence. L'invention a donc pour objet un procédé échauffement d'un catalyseur équipant un moteur à combustion interne à injection directe d'essence comprenant plusieurs cylindres, lors du démarrage de ce moteur, ce procédé - consistant à alimenter un premier groupe de cylindres en mélange pauvre et un second groupe desdits cylindres en mélange riche et - étant caractérisé en ce qu'il consiste également a alimenter ledit premier groupe de cylindres en mélange stratifié et ledit second groupe de cylindres en mélange homogène. Grâce à ces caractéristiques, il devient possible d'abaisser la richesse dans les cylindres du premier groupe à une valeur pouvant atteindre 0,5. Ainsi, les quantités gaz réducteurs et de gaz oxydants peuvent être augmentées considérablement et la réaction exothermique capable échauffer le catalyseur devient plus forte. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'alimentation en mélange stratifié pauvre dudit premier groupe de cylindres est réalisée en injectant 'essence pendant la phase de compression de ce premier groupe de cylindres; - la richesse des mélanges introduits dans cylindres du premier groupe et le nombre de cylindres de celui-ci sont choisis pour que la richesse moyenne globale avec laquelle sont alimentés tous les cylindres du moteur, soit faiblement pauvre, de préférence égale à 0,9; - il consiste à uniformiser la puissance de tous les cylindres du moteur pendant l'échauffement du catalyseur; - l'uniformisation de puissance est réalisée en retardant l'allumage des cylindres dudit second groupe de cylindres; - dans le cas où ledit moteur est équipé d'une alimentation en air régulée, il consiste à uniformiser puissance des cylindres par augmentation de la masse d' introduite dans les cylindres du premier groupe et/ou réduction de la masse d'air introduite dans les cylindres du second groupe; - il est mis en oeuvre après mise en température dudit catalyseur jusqu'à une température prédéterminée, préférence égale à 200 C. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront aux cours de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure unique est un schéma tres simplifié d'un moteur à combustion interne à injection directe dont le catalyseur peut être échauffé par le procédé selon l'invention. Sur cette figure unique, on a représenté schématiquement un seul cylindre 1 d'un moteur ' combustion interne ' injection directe dans la chambre de combustion 2 duquel peut être injectée de l'essence à l'aide d'un injecteur 3. De l'air peut parvenir dans la chambre de combustion 2 à travers un collecteur d'admission d'air 4 sous la commande d'une soupape d'admission 5. Le mélange présent dans la chambre de combustion 2 peut être comprimé par un piston 6 et allumé par une bougie 7. Les gaz de combustion parviennent dans une ligne d'échappement 8 sous la commande d'une soupape d'échappement 9, la ligne d'échappement 8 comprenant un catalyseur 10 chargé d'épurer les gaz d'échappement. Un calculateur 11 commande le fonctionnement des divers organes à l'aide d'un programme approprie. I1 gère notamment la masse d'essence injectée par l' ecteur 3 et les instants d'allumage du mélange par la bougie 4. Pour simplifier le dessin, on n'a représenté qu'un seul cylindre du moteur, qui en comporte en réalité plusieurs (quatre par exemple), dans les chambres de combustion desquels on peut faire sélectivement brûler un mélange riche ou un mélange pauvre sous la commande du calculateur 11, notamment lors du démarrage à froid du moteur afin de permettre un échauffement rapide du catalyseur 10. On notera que le procédé selon l'invention s'applique également si le moteur est équipé plusieurs catalyseurs montés en série ou en parallèle. Selon l'invention, un premier groupe de cylindres du moteur est alimenté en mélange stratifié pauvre, tandis qu'un second groupe de cylindres reçoit un mélange homogène riche. Pour alimenter le premier groupe cylindres, l'essence est injectée pendant la phase de compression du mélange dans leur chambre de combustion, moyennant quoi, l'essence n'a pas le temps de se mélanger à l'air de manière homogène avant l'allumage par la bougie 7; le mélange est alors stratifié. Par contre, pour alimenter le second groupe de cylindres, l'essence est injectée pendant la phase d'admission de l'air dans leur chambre de combustion. Si on appelle Mai la masse d'air dans le cylindre i du moteur, on peut écrire pour la masse Mi d'essence à injecter: Mi=Mai. Ri. Ks dans laquelle Ks est une constante (pouvant etre égale à 14,7 environ, par exemple) et Ri est la richesse moyenne du mélange du cylindre i. On convient que le mélange est pauvre lorsque Riel et riche lorsque Ri>l. Par ailleurs, on peut écrire l'équation suivant pour la richesse moyenne globale avec laquelle sont alimentés tous les cylindres du moteur: RKs=EMi/EMai=E (Mai. Ri/EMai Cette équation peut être simplifiée, si la masse air Mai admise dans tous les cylindres du moteur est identique. On a alors Mai=Ma avec Ma=masse d'air totale admise. Dès lors on peut écrire: R=ERi/nombre de cylindres Suivant une caractéristique avantageuse de 'invention, on choisit les richesses des différents cylindres des deux groupes et donc leur mode de combustion (stratifié ou homogène), ainsi que le nombre de cylindres du second groupe de telle sorte que cette richesse globale moyenne des mélanges envoyés dans tous les cylindres soit légèrement pauvre, une valeur avantageuse de la richesse globale étant 0,9 par exemple. Par ailleurs, on détermine la quantité des gaz réducteurs dans les gaz d'échappement provenant du second groupe de cylindre de telle façon qu'elle soit suffisante pour obtenir l'exothermicité voulue dans le catalyseur 10 La réaction dans les gaz d'échappement sera d'autant plus intense que le nombre de cylindres du second groupe sera important et que la richesse dans les cylindres de groupe sera élevée. La limite à la puissance de la réaction exothermique dépend des limites physiques haute et basse des richesses avec lesquelles on peut alimenter cylindres sans trop dégrader la combustion. Il convient de noter que la différentiation de la richesse dans les différents cylindres du moteur provoque des écarts de puissance qui sont très pénalisants pour le confort de conduite, car les cylindres du second groupe fournissent plus de puissance que ceux du premier groupe. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est donc procédé à une uniformisation des puissances fournies par les cylindres. Dans la configuration du moteur telle qu'elle vient d'être décrite à l'aide de la figure, cette uniformisation est réalisée en retardant l'instant d'allumage des cylindres du second groupe pendant la période échauffement du catalyseur. Le calculateur 11 peut déterminer le degré de retard à l'allumage à appliquer en fonction notamment de la richesse avec laquelle sont alimentés les cylindres du second groupe et de la puissance fournie ceux du premier groupe. Cette uniformisation des puissances des cylindres peut également être réalisée en régulant les masses d'air introduites dans les différents cylindres. Bien entendu, cette regulation ne peut être mise en oeuvre que si moteur est équipé d'un système de commande des masses d' admises dans les cylindres respectifs. Dans ces conditions l'uniformisation des puissances peut être obtenue en augmentant la masse d'air dans les cylindres du premier groupe et/ou en diminuant la masse d'air admise dans les cylindres du second groupe. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé est mis en oeuvre lorsque, apres démarrage du moteur, le catalyseur a atteint température prédéterminée. Il s'est avéré qu'une température adéquate à cet égard est de 200 C environ, température ' laquelle les réactions exothermiques dans la ligne d'échappement commencent à avoir lieu. Bien entendu, le procédé selon l'invention est arrêté dès que le calculateur 11 constate une température catalyseur ' laquelle celui-ci peut normalement faire office d'épuration des gaz d'échappement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'échauffement d'un catalyseur (10) équipant un moteur à combustion interne à ' 'ection directe d'essence comprenant plusieurs cylindres (1), lors du démarrage de ce moteur, ce procédé - consistant à alimenter un premier groupe de cylindres (1) en mélange pauvre et un second groupe desdits cylindres (1) en mélange riche et - étant caractérisé en ce qu'il consiste également à alimenter ledit premier groupe de cylindres (1) en mélange stratifié et ledit second groupe cylindres (1) en mélange homogène. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation en mélange stratifié pauvre dudit premier groupe de cylindres (1) est réalisee en injectant l'essence pendant la phase de compression de ce premier groupe de cylindres. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce la richesse des mélanges introduits dans les cylindres (1) du second groupe et le nombre de cylindres de celui-ci sont choisis pour que richesse moyenne globale avec laquelle sont alimentés tous les cylindres du moteur, soit faiblement pauvre de préférence égale à 0,9. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à uniformi la puissance de tous les cylindres (1) du moteur pendant l'échauffement du catalyseur (10). 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce l'uniformisation de puissance est réalisée en retardant l'allumage des cylindres (1) dudit second groupe de cylindres. 6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas où ledit moteur est équipé d'une alimentation en air régulée, il consiste à uniformiser puissance cylindres (1) par augmentation de la masse d'air introduite dans les cylindres du premier groupe et/ou par réduction de la masse d'air introduite dans cylindres second groupe. 7. Procédé suivant l'une quelconque revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre après mise en température dudit catalyseur (10) jusqu'à une température prédéterminée, de préférence égale à 200 C.