Brevet FR2835284A1 — publié le 20030801

presseur électrique auxiliaire (5) est actif. Etat de la technique L'invention concerne un dispositif et un procédé de com mande d'un moteur à combustion interne utilisant un compresseur de suralimentation pour augmenter la pression de l'air alimentant le moteur s et un catalyseur traitant les gaz d'échappement du moteur, selon lequel on influence l'instant de la combustion dans le moteur. Selon le document DE-43 27 882 on connaît déjà un procé dé de commande d'un moteur à combustion interne servant à chauffer rapidement un catalyseur à sa température de fonctionnement. Pour cela o on augmente le débit de la masse d'air alimentant le moteur (en combinai son avec une adaptation du dosage de la masse de carburant) et on décale l'angle d'allumage aussi loin que possible dans le sens du retard. Ce moyen permet d'augmenter le débit de la masse de gaz d'échappement et ainsi la température des gaz d'échappement tout en conservant le couple s moteur (cela correspond à un relèvement du flux d'enthalpie des gaz d'échappement) permettant un chauffage rapide du catalyseur. Avantages de l'invention Le dispositif et le procédé selon l'invention sont caractérisés en ce que pour réchauffer le catalyseur à la température de fonctionne ment, en fonction de la température du catalyseur, on met en _uvre le compresseur de suralimentation et on déplace l'instant de la combustion dans le sens du retard. Le dispositif et le procédé selon l'invention ont l'avantage d'accélérer encore plus le chauffage du catalyseur. 2s On a en outre constaté que la combustion était particuliè rement peu chargée en matière polluante. Globalement on réduit de ma nière significative l'émission de matière polluante par le moteur à combustion interne au cours de la phase de chauffage. Suivant un autre perfectionnement, pour accélérer le chauffage du catalyseur de traitement des gaz d'échappement dans le cas d'un moteur à suralimentation, pendant la phase de chauffage du cataly seur, on active la suralimentation ou le compresseur (et cela également dans les plages de fonctionnement du moteur dans lesquelles il n'y a pas dans des conditions normales de suralimentation) de façon que la surali 3s mentation augmente encore plus le flux d'enthalpie des gaz d'échappement. Du fait du lancement retardé de l'opération de combus tion (le début de la combustion ne se fait que significativement après avoir atteint le point mort haut du piston) de toute façon, en relation avec la puissance mécanique fournie, par un débit massique de gaz d'échappement très fortement augmenté on a même dans le cas de la sur alimentation par un turbo-compresseur à compression des gaz d'échappement, des conditions permettant d'activer la suralimentation. s La présente invention peut s'appliquer à la fois à des mo teurs diesel et des moteurs à essence. I1 est particulièrement avantageux d'appliquer l'invention à un moteur à essence à indection directe car dans le cas d'une indection divisée, on peut avoir des instants d'allumage extrê mement retardés. Ils peuvent correspondre à un ordre de grandeur de 30 o en aval du point mort haut du piston. Ce dernier moyen seul accélère for tement le chauffage du catalyseur. Ainsi, si le moteur est un moteur à combustion interne à allumage commandé, d'une étincelle de bougie d'allumage. Dans ce cas on prévoit un dispositif comprenant un indecteur qui injecte du carburant s dans la chambre de combustion du moteur, une soupape d'admission prévue entre la chambre de combustion et le canal d'aspiration, et une première inUection faite dans la phase d'aspiration du moteur lorsque la soupape d'admission est ouverte, avec une seconde injection faite lorsque la soupape d'admission est fermée, juste avant que le piston n'atteigne son point mort haut. Dessins Des exemples de réalisation de l'invention seront décrits ci après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion in terne; - la figure 2 est une vue schématique d'un compresseur à suralimenta tion de gaz d'échappement. Description des exemples de réalisation La figure 1 montre schématiquement un moteur à combus tion interne notamment un moteur à essence à injection directe. Le mo teur 2 comprend un cylindre 13 avec un piston 12. Le cylindre 13 et le piston 12 délimitent une chambre de combustion 14 dans laquelle débou che une bougie d'allumage 3 et un indecteur 4. L'injecteur 4 permet d'indecter du carburant notamment de l'essence dans la chambre de com 3s bustion 14. La bougie d'allumage 3 génère une étincelle de haute tension qui sert à l'allumage du mélange essence - carburant. L'alimentation en air de la chambre de combustion 14 se fait par une conduite d'alimentation 8. L'entrée de l'air dans le cylindre 13 est commandée par une soupape d'admission 5. Il est en outre prévu un compresseur à sur- alimentation 7 servant à augmenter la pression de l'air dans la conduite d'aspiration 8. On obtient ainsi l'introduction d'une quantité plus impor- tante d'air dans le cylindre 13. Le piston 12 se déplace dans le cylindre 13 s suivant mouvement de levée et de descente et il est ainsi relié par une bielle non représentée à un vilebrequin. Lorsqu'on brule le mélange air - carburant dans la chambre de combustion 14, on produit une augmentation de pression dans la chambre de combustion 14 qui est transformée en un mouvement appro o prié du piston 12. Lorsque le moteur fonctionne normalement, on com- mande l'instant de la combustion pour que l'énergie libérée par la combustion soit convertie autant que possible en un mouvement du pis- ton (travail mécanique). La partie de l'énergie non convertie en travail mé- canique lors de la combustion est transformée en chaleur. Une partie s importante de cette chaleur est contenue dans le produit de combustion c'est-à-dire les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sont évacués de la chambre de combustion 14 à travers la soupape d'échappement 6 et le conduit d'échappement 9 pour étre traité dans un catalyseur 10 en aval. Ce catalyseur 10 doit étre chauffé à une certaine température mini o male de fonctionnement (en général cette température est de l'ordre de 300 - 350 C) pour que la transformation des composants polluants conte- nus dans les gaz d'échappement puisse se faire et donner ainsi des gaz d'échappement nettoyés. La température du catalyseur est mesurée par un capteur de température 11 équipant le catalyseur ou encore en fonc tion de conditions limites, caractéristiques, sous la forme d'un modèle, à l'aide du programme de commande du moteur. I1 est également prévu un appareil de commande 1 qui commande des composants indiqués comme par exemple la mise en mar- che du compresseur 7, le déclenchement des étincelles de la bougie so d'allumage 3, l'injection par injecteur 4 ou influence les instants de com- mutation des soupapes 5, 6 dans la mesure o ceux-ci ne sont pas prédé- finis d'une manière purement mécanique en fonction de la position du vilebrequin. Pour cela, l'appareil de commande est relié aux différents composants à l'aide de lignes non représentées. De plus l'appareil de ss commande 1 reçoit un grand nombre de données de capteur en particulier le signal de température fourni par le capteur de température 11. Selon l'invention, en fonction de la température du cataly- seur 10, l'appareil de commande 1 active le compresseur 7 et prend en même temps des mesures pour chauffer plus rapidement le catalyseur 10. Pendant le fonctionnement normal, le compresseur 7 n'est activé que si le moteur doit fournir une puissance plus élevée. En général, l'air alimentant le moteur n'est pas pré-comprimé par le compresseur 7 en mode de ralenti s ou de charge partielle car dans ces modes de fonctionnement on ne sou- haite pas augmenter la charge (remplissage) du cylindre 13 avec l'air com- burant. La mise en marche du compresseur 7 augmente en effet le remplissage du cylindre 13 avec l'air et permet ainsi d'augmenter la puis- sance fournie par le moteur, ce qui n'est pas recherché en mode de ralenti o ou de charge partielle. Selon l'invention, on active le compresseur 7 pour chauffer le catalyseur dans les états de fonctionnement dans lesquels normalement, le compresseur 7 n'est pas activé pour chauffer le cataly- seur. On a constaté que l'air comburant supplémentaire fourni par la mise en marche du compresseur 7 dans ses modes de fonctionnement permet s un chauffage particulièrement rapide du catalyseur 10, car cela permet d'augmenter d'une part le débit massique de gaz d'échappement et d'autre part leur température. De plus la combustion dans la chambre de com- bustion 14 lorsque le compresseur 7 est en marche, est particulièrement peu polluante méme au ralenti et en charge partielle. Ces deux effets d'une mise en marche du compresseur 7 pendant le ralenti et en charge partielle conduisent ainsi au résultat global d'une réduction significative de l'émission de matière polluante pendant la phase de chauffage du mo- teur à combustion interne. Dans le cas d'un moteur à essence dont l'instant d'allumage 2s est prédéterrniné par l'émission des étincelles par la bougie 3, il faut veiller à ce qu'un mélange inflammable se trouve au niveau de la bougie 3. En foncffonnement normal du moteur, lorsque l'énergie libérée par la com- bustion doit être transformée aussi totalement que possible en un mou- vement mécanique du piston 12, l'instant d'allumage se produit avant que so le piston 12 ne se trouve à son point mort haut si bien que juste après le passage du piston 12 au point mort haut, la pression dans la chambre de combustion 14 est à sa valeur maximale; cette pression est transformée en un mouvement correspondant du piston 12. Pour augmenter la tempé- rature des gaz d'échappement il est possible de décaler l'instant de 3s l'émission de l'étincelle par la bougie 3 dans le sens du " retard >> de façon que la combustion se produise seulement après que le piston 12 soit des- cendu de manière significative. Dans ces conditions, une partie plus ré- duite de l'énergie de combustion sera transformée en travail mécanique et les gaz d'échappement seront à une température plus élevée. On a cons- taté que la mise en marche du compresseur 7 et ainsi l' augmentation de la masse d' air disp onible p our la combustion évacuait une p artie relative- ment importante de l'énergie de combustion vers l'installation s d'échappement. A côté de la plus grande quantité d'air, un effet supplé- mentaire de la mise en marche du compresseur est de permettre de retar- der l'instant d'allumage de la combustion dans la chambre de combustion 14 c'est-à-dire d'augmenter la partie de l'énergie qui sera évacuée comme chaleur par les gaz d'échappement. De plus cette partie peut encore être o augmentée si le moteur à essence est à injection directe. On utilise le mode de fonctionnement " division homogène ". Selon ce mode de fonctionnement, on fait une première inJection de carbu- rant pendant la phase d'aspiration c'est-à-dire lorsque la soupape d' admission 5 est ouverte et que l'air de la tubulure d' admission 8 p énètre s dans la chambre de combustion 14. On fait une autre inJection lorsque la soupape d'admission 5 est fermée, en particulier juste avant que le piston atteint son point mort haut. Cela produit un enrichissement de carburant à proximité de la bougie 3 pour avoir toujours un mélange combustible même lorsque le piston 18 après avoir passé son point mort haut se o trouve déjà de nouveau de manière significative dans son chemin descen- dant. Par ce mode de fonctionnement ' il est possible avec une étincelle d'allumage émise à 30 jusqu'à 35 après le point mort haut, de générer une combustion dans la chambre de combus s tion 14. Cela augmente de manière significative la partie de l'énergie de combustion dégagée et qui se retrouve sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. Par l'augmentation de l'alimentation en air fournie par le compresseur 7 et l'instant d'allumage retardé de manière extrême dans ce mode de fonctionnement " division homogène " on influence le processus de combustion de la chambre de combustion 14 pour avoir un réchauffage extrêmement rapide du catalyseur 10. Cela est également vrai lorsque le compresseur de surali- mentation 7 est constitué par un turbo-compresseur des gaz d'échappement. La figure 2 montre un tel turbo-compresseur de gaz 3s d'échappement sous une forme schématique. Cette figure montre la con- duite d'admission 8 avec le compresseur 7 (turbo-compresseur qui aug- mente la pression de l'air comburant alimentant le moteur. Le turbo- compresseur 7 est entraîné par un arbre 27 relié à une turbine de gaz d'échappement 20. La turbine de gaz d'échappement 20 est installée dans la conduite d'échappement 9. La turbine de gaz d'échappement est entraî- née par les gaz d'échappement c'est-à-dire qu'il s'agit d'un rotor de turbine installé dans la veine des gaz d'échappement. Comme la turbine des gaz s d'échappement 20 prélève de l'énergie des gaz d'échappement, ce fonc- tionnement produit un certain refroidissement des gaz d'échappement. La commande de la turbine des gaz d'échappement 20 est habituellement faite à l' aide d'une soupape de dérivation. Lorsque la soupape de dériva- tion 21 est ouverte, suivant la résistance aérolique de l'ensemble formé o par la soupape de dérivation et la turbine des gaz d'échappement, la plus grande partie de la veine des gaz d'échappement passe sur la turbine 20. Ce n'est que pour une fermeture partielle ou totale de la soupape de déri- vation 21 qu'une fraction croissante de la veine des gaz d'échappement passe par la turbine 20 et entraîne l'arbre 22 du turbo-compresseur 7. Selon l'invention il est prévu que cette soupape de dériva tion 21 soit fermée également dans les états de fonctionnement dans les quels elle est normalement ouverte pour réaliser le réchauffage rapide souhaité du catalyseur 10 ou de la fermer indépendamment de la position prévue par ailleurs pour la soupape de dérivation dans le cas du réchauf o fage du catalyseur pour accélérer ainsi l'opération de chauffage du cataly- seur en utilisant la suralimentation. Le flux d'enthalpie des gaz d'échappement au passage de la turbine du turbo-compresseur de gaz d'échappement, mis en fonctionnement, sera diminué du fait de la puis- sance mécanique fournie à la turbine des gaz d'échappement pour com s primer l'air comburant; mais globalement on aura par rapport à une suralimentation non activée, du fait du débit massique des gaz d'échappement plus important ainsi que du flux d'énergie chimique com- biné, plus important, résultant de l'adaptation du débit massique de car- burant au débit massique d'air, augmenté en fonction de la combustion so st_chiométrique, comme effet global, un flux d'enthalpie des gaz d'échappement plus important pour chauffer le catalyseur. L'utilisation du turbo-compresseur 7 augmente ainsi tout d'abord la quantité globale d'énergie libérce par la combustion. De plus le décalage des limites de combustion fait qu'un plus grand pourcentage de 3s l'énergie libérée ne sera pas transformé en énergie mécanique et permettra d'accélérer le réchauffage du catalyseur; cela signifie qu'il y a une écono- mie supplémentaire qui ne s'explique pas simplement par l'augmentation de l'énergie totale du procédé de combustion. Le pourcentage de l'énergie de combustion libérée peut être déplacé particulièrement fortement pour chauffer le catalyseur 10 si dans le cas d'un moteur à allumage comman- dé (c'est-à-dire un moteur à essence) à injection directe le carburant dans la chambre de combustion 14 on choisit le mode de fonctionnement a division homogène ". Dans ce mode de fonctionnement, la fraction de l'énergie de combustion libérée, utilisée pour chauffer le catalyseur peut être augmentée de manière significative. Tous ces moyens font que l'on arrive à un chanffage particulièrement rapide du catalyseur 1O. La figure 1 montre un moteur à allumage commandé. Mais o l'invention peut également s'appliquer dans les mêmes conditions à des moteurs à allumage non commandé c'est-à-dire des moteurs diesel. Un moteur diesel se distingue de la représentation schématique du moteur de la figure 1 par l'absence de bougie d'allumage 3. Tous les autres compo- sants d'un tel moteur correspondent à ceux représentés schématiquement s à la figure 1. Dans le cas de moteurs à allumage non commandé c'est-à- dire de moteurs diesel, l'effet selon l'invention à savoir un réchauffage ac- céléré du catalyseur par compression de l'air comburant fourni est égale- ment assuré. L'instant de la combustion dans un moteur diesel se con trôle par l'instant de l'inUection. Cela signifie que par l'alimentation en air pré comprimé dans la chambre de combustion, la quantité totale d'énergie libérce par la combustion sera augmentée. De plus par une inJection re- tardée du carburant on peut augmenter le pourcentage d'énergie de com- bustion libérée, utilisée au chauffage du catalyseur. L'activation de la 2s suralimentation (ou compresseur de suralimentation) permet d'avoir des instants d'injection qui sont significativement retardés par rapport aux instants d'indection possibles sans activer la suralimentation ou le com- presseur de suralimentation 7. En activant la suralimentation 7, on peut ainsi également décaler le pourcentage de l'énergie de combustion utilisée pour le chauffage du catalyseur de façon à accélérer le chauffage. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif pour commander un moteur à combustion interne (2) équipé d'un compresseur de suralimentation (7) pour augmenter la pression de l'air alimentant le moteur (2) et un catalyseur (10) pour traiter les gaz s d'échappement du moteur (2), en influençant l'instant de la combustion dans le moteur (2), caractérisé en ce que pour réchauffer le catalyseur (10) à la température de fonctionnement, en fonction de la température du catalyseur (10), on met en _uvre le com o presseur de suralimentation (7) et on déplace l'instant de la combustion dans le sens du retard. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que s le compresseur de suralimentation (7) est également activé dans des pla- ges de fonctionnement dans lesquelles le compresseur de suralimentation ne fonctionne pas lorsque le catalyseur (10) atteint sa température de fonctionnement. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'instant de la combustion se fait après le point mort haut du piston (12) du moteur (2). s 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à combustion interne à auto-allumage et l'instant de la combustion est produit par une commande correspondante d'un in- jecteur (4). ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à combustion interne à allumage commandé et l'instant de la combustion est influencé par la génération d'une étincelle s de bougie d'allumage (3). 6 ) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par un indecteur (4) qui injecte du carburant dans la chambre de combustion (14) du moteur (2), une soupape d'admission (5) prévue entre la chambre de combustion (14) et le canal d'aspiration (8), et une première indection faite dans la phase d'aspiration du moteur lorsque la soup ap e d' admission s (5) est ouverte, avec une seconde indection faite lorsque la soupape d'admission (5) est fermée, juste avant que le piston (12) n'atteigne son point mort haut. 7 ) Procédé de commande d'un moteur à combustion interne (2) utilisant o un compresseur de suralimentation (7) pour augmenter la pression de l'air alimentant le moteur et un catalyseur (10) traitant les gaz d'échappement du moteur, selon lequel on influence l'instant de la combustion dans le moteur, caractérisé en ce que is pour chanffer le catalyseur (1O) à sa température de fonctionnement, en fonction d'une température du catalyseur (1O) on met en _uvre le com- presseur de suralimentation (7) et on déplace l'instant de la combustion dans le sens du retard.