Brevet FR2838771A1 — publié le 20031024

L'invention concerne un procédé de chauffage d'un catalyseur situé dans le trajet de gaz d'échappement (ci-après également plus succinctement "trajet d'échappement") d'un moteur à combustion interne comportant plusieurs cylindres, une commande de moteur, qui commande des soupapes d'entrée et de sortie des cylindres et une injection de carburant, et un dispositif de suralimentation qui accroît une pression de suralimentation. Le taux de conversion d'un catalyseur dépend d'une manière tout à fait essentielle de sa température de fonctionnement. Ce n'est qu'à partir d'environ 250 C qu'une conversion notable des substances nocives s'établit. Des conditions de fonctionnement idéales pour des taux élevés de conversion et une longue durée de vie règnent dans une gamme de température d'environ 400 C à 800 C. Afin d'obtenir le plus rapidement possible la température de fonctionnement du catalyseur après un démarrage à froid, il est connu de prendre diverses dispositions. C'est ainsi par exemple que le catalyseur est monté près du moteur, de sorte que la température de fonctionnement s'établit rapidement du fait de la température élevée des gaz d'échappement et de la chaleur dégagée réduite. Toutefois, le catalyseur ainsi disposé est soumis à une sollicitation thermique importante, étant donné notamment que, pour des températures de fonctionnement supérieures à 1.000 C, des endommagements peuvent se présenter sur le catalyseur et le matériau du catalyseur. On fait fonctionner des catalyseurs d'oxydation soit au moyen d'une combustion pauvre, soit avec un excès d'air au moyen d'une insufflation supplémentaire d'air, afin d'oxyder les composés CO et HC. Pour l'insufflation supplémentaire d'air, il est connu de prévoir peu après la soupape de sortie une entrée extérieure d'air secondaire par laquelle de l'air est introduit dans les gaz d'échappement. Le mélange d'air frais avec des gaz d'échappement à concentration élevée en HC/CO entraîne une post-combustion catalytique. L'invention a pour but de fournir un procédé de chauffage du catalyseur situé dans le trajet d'échappement d'un moteur à combustion interne qui permette d'une manière fiable une montée rapide de la température de fonctionnement avec des moyens simples, sans le risque d'un endommagement thermique du catalyseur. Conformément à l'invention, ce but est atteint au moyen d'un procédé, du type générique défini en introduction, caractérisé par les opérations de procédé suivantes : - un mélange air-carburant riche est brûlé dans l'un des cylindres, - dans un intervalle de temps préfixé, une ou plusieurs soupapes d'entrée et de sortie du cylindre sont ouvertes et, - au moyen du dispositif de suralimentation, de l'air est introduit du trajet d' admission dans le trajet de gaz d'échappement en passant par la chambre de combustion du cylindre. Le procédé conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes : - la commande de moteur commande les soupapes d'entrée et de sortie des cylindres d'une manière telle qu'un mélange carburant-air total pauvre se présente dans le trajet de gaz d'échappement en amont du catalyseur, - la commande de moteur compense, au moyen d'une adaptation du point d'allumage, une pression de suralimentation régnant dans la chambre de combustion après la fermeture de la soupape de sortie, - dans le cas d'un moteur à combustion interne à injection directe de carburant, la ou les soupapes de sortie sont fermées avant que l'injection du carburant n'entre en jeu, - dans le cas d'un moteur à combustion interne à injection dans la tubulure d'admission, la ou les soupapes de sortie sont fermées avant que le carburant injecté n'atteigne la chambre de combustion, - le dispositif de suralimentation comporte un compresseur à suralimentation commandé par la commande de moteur, - le dispositif de suralimentation comporte un turbocompresseur à gaz d'échappement, - le turbocompresseur à gaz d'échappement comporte en outre une turbine à entraînement électrique. Selon le procédé conforme à l'invention, il se produit dans les cylindres une combustion avec un mélange air-carburant riche. A la suite de la combustion, une ou plusieurs soupapes d'entrée et de sortie du cylindre sont ouvertes dans un intervalle de temps préfixé. Dans cette position, le trajet d'admission et le trajet d'échappement du moteur à combustion interne sont reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire de la chambre de combustion du cylindre. Dans cet intervalle de temps, le dispositif de suralimentation introduit de l'air directement du trajet d'admission dans le trajet d'échappement. Selon le procédé conforme à l'invention, il se produit, du côté gaz d'échappement vis-à-vis du moteur, un mélange formé de gaz d'échappement, provenant d'une combustion avec un mélange air-carburant riche, et de l'air frais. Selon le procédé conforme à l'invention, il est possible de renoncer à prévoir une introduction secondaire du côté gaz d'échappement. A la place, les dispositifs prévus également pour le fonctionnement régulier du moteur et le post-traitement de gaz d'échappement sont commandés selon le procédé conforme à l'invention de façon à assurer, que, pour de faibles températures des gaz d'échappement, , la température de fonctionnement soit atteinte rapidement. De préférence, selon le procédé conforme à l'invention, des soupapes d'entrée et de sortie sont commandées de manière que, dans une jonction des gaz d'échappement provenant des différents cylindres, il se présente un mélange carburant-air total pauvre. Ainsi, grâce au procédé conforme à l'invention, on a l'assurance qu'un mélange air-carburant riche est brûlé et qu'il se présente ainsi une puissance maximale, tandis qu'un mélange pauvre est envoyé au catalyseur non encore chauffé. Le mélange pauvre entraîne une post-combustion catalytique qui, en tant que réaction exothermique, conduit à un chauffage plus rapide du catalyseur. Suivant une mise en oeuvre préférée du procédé, la pression d'alimentation régnant dans la chambre de combustion après une fermeture des soupapes de sortie est compensée au moyen d'une adaptation appropriée de l'allumage, afin que le couple de consigne du moteur soit atteint. D'une manière en soi connue, l'adaptation de l'allumage s'obtient en réduisant le point d'allumage, c'est-à-dire en le décalant vers un "retard". Cela produit une augmentation supplémentaire de la température des gaz d'échappement, ce qui contribue à son tour au chauffage du catalyseur. Dans le cas d'une injection directe, les soupapes de sortie du cylindre sont fermées avant que l'injection de carburant n'entre en jeu. Dans le cas d'une injection dans la tubulure d'admission, la fermeture des soupapes de sortie a lieu avant que le carburant injecté n'ait atteint la chambre de combustion. Le dispositif de suralimentation peut comprendre un compresseur de suralimentation commandé par une commande de moteur ou un turbocompresseur à gaz d'échappement. Le turbocompresseur à gaz d'échappement peut en outre être pourvu d'une turbine à entraînement électrique ou d'un compresseur à suralimentation à entraînement électrique. Un exemple préféré de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention est décrit ci-après en détail en regard des figures. On voit : à la figure 1, une vue schématique d'un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement et un compresseur à suralimentation à entraînement électrique situé en amont du turbocompresseur à gaz d'échappement, à la figure 2, une vue schématique d'un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement et un compresseur à suralimentation à entraînement électrique situé en aval du turbocompresseur, à la figure 3, les durées de commande de la soupape d'entrée et la soupape de sortie dans le cas d'une injection directe et, à la figure 4, les durées de commande de la soupape d'entrée et la soupape de sortie dans le cas d'un injecteur dans la tubulure d'admission. La figure 1 représente une vue schématique d'un moteur à combustion interne à mélange pauvre comportant un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement, dans lequel le procédé conforme à l'invention est utilisé. Aux figures 1 et 2, seuls les éléments constitutifs importants pour la compréhension de l'invention sont représentés. Un mélange air/carburant est envoyé au moteur à combustion interne 10 par un conduit d'admission 12. Sur son trajet vers le moteur, l'air d'admission traverse un compresseur 14 d'un turbocompresseur à gaz d'échappement. Un refroidissement d'air d'alimentation 16 est situé en aval du compresseur 14. Outre le compresseur 14 du turbocompresseur à gaz d'échappement, il est prévu un compresseur 18 à entraînement par moteur électrique. Il s'agit dans ce cas d'un compresseur à suralimentation à entraînement électrique. Le compresseur à suralimentation assure une compression supplémentaire de l'air de suralimentation et donc une pression de suralimentation accrue. Le trajet d'admission est en outre pourvu d'un dispositif d'arrêt/commutation 20 qui, dans sa position ouverte, isole le compresseur 14 de l'alimentation directe par la ligne d'admission et autorise une alimentation en air frais uniquement par le compresseur 18 du compresseur à suralimentation. Ainsi, dans la position ouverte, le compresseur du compresseur à suralimentation et le compresseur du turbocompresseur à gaz d'échappement sont connectés en série. Si le dispositif d'arrêt/commutation est fermé, de l'air frais peut être admis directement par le compresseur 14 en passant par le trajet d'admission 12, le compresseur à suralimentation pouvant dans ce cas être mis en marche en cas de besoin. Les gaz d'échappement provenant du moteur 10 sont envoyés à un catalyseur 24 en passant par la turbine 22 du turbocompresseur à gaz d'échappement. Le catalyseur 24 comprend un catalyseur d'oxydation. Dans le cas d'un moteur à allumage commandé, le catalyseur est par exemple réalisé avec une régulation lambda sous forme d'un catalyseur trifonctionnel. Une ligne de dérivation 26 est prévue vis-à-vis de la turbine 22 du turbocompresseur à gaz d'échappement. En variante au compresseur à suralimentation 28 prévu en amont du turbocompresseur à gaz d'échappement, celui-ci peut également, conformément à la figure 2, être disposé en aval du compresseur du turbocompresseur à gaz d'échappement 30. A l'état ouvert du dispositif de commutation 32, l'air comprimé par le compresseur du turbocompresseur à gaz d'échappement est envoyé dans le compresseur 28 du compresseur à suralimentation dans lequel l'air de suralimentation subit une compression supplémentaire moyennant une mise en marche de l'entraînement 34 à moteur électrique. L'air de suralimentation passe ensuite dans le refroidisseur d'air de suralimentation 36 et est envoyé au moteur dans lequel, moyennant une injection de carburant, il est brûlé sous forme de mélange air/carburant dans les cylindres. Les gaz d'échappement provenant de la combustion entrent dans un système de post-traitement de gaz d'échappement en passant par la turbine 40 et/ou la ligne de dérivation 42. La figure 3 représente la durée d'ouverture de la soupape de sortie 46 et l'ouverture de la soupape d'entrée 48. Les durées sont portées en fonction de l'angle de vilebrequin. Pendant la zone 50 indiquée, une insufflation d'air frais a lieu en passant par la chambre de combustion. La zone 50 qui n'est représentée que schématiquement à la figure 3 tient compte du fait qu'un enrichissement des gaz d'échappement à l'aide d'air frais n'entre pas en jeu immédiatement après l'ouverture de la soupape d'entrée, mais seulement après une certaine durée 52 pendant laquelle la pression de suralimentation s'établit dans la chambre de combustion. Peu avant que l'injection du carburant 54 n'entre en jeu, la soupape de sortie 46 est fermée. Ainsi, dans la zone du vilebrequin indiquée par A, de l'air frais est en outre insufflé dans le trajet d'échappement. Pour fournir la pression de suralimentation pour l'insufflation, c'est-à-dire pour que la pression dans la tubulure d'admission soit plus grande que dans le trajet d'échappement, il est par exemple possible, dans le cas des moteurs à combustion interne représentés aux figures 1 et 2, de mettre en marche les compresseurs électriques respectivement 18 ou 28. La figure 4 représente les durées de commande dans le cas d'un moteur à combustion interne à injection dans la tubulure d'admission. Egalement dans le cas de cette commande, une insufflation d'air frais dans le trajet d'échappement a lieu pendant le segment 56. La soupape de sortie 58 se ferme à la fin de l'opération d'insufflation 56. La soupape d'entrée 60 est ouverte pendant l'insufflation 56 et une brève phase de lancement 62. Dans le cas d'un injecteur dans la tubulure d'admission, l'injection du carburant 64 entre déjà en jeu pendant la phase d'insufflation 56. Toutefois, le carburant injecté ne parvient dans la chambre de combustion du cylindre qu'après un temps de parcours jusqu'à un instant 66. L'intervalle 66 ne présente dans ce cas pas de recoupement avec l'intervalle 56. Outre les exemples présentés d'une injection directe et d'une injection dans la tubulure d'admission, il est également possible d'utiliser le procédé conforme à l'invention dans le cas d'autres systèmes d'injection, par exemple dans le cas de systèmes à durée de commande et/ou à suralimentation variables. REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'un catalyseur (24 ; 44) situé dans le trajet de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10 ; 38) comportant plusieurs cylindres, une commande de moteur, qui commande des soupapes d'entrée et de sortie des cylindres et une injection de carburant, et un dispositif de suralimentation qui accroît une pression de suralimentation, caractérisé par les opérations de procédé suivantes : - un mélange air-carburant riche est brûlé dans l'un des cylindres, - dans un intervalle de temps préfixé (50, 56), une ou plusieurs soupapes d'entrée et de sortie du cylindre sont ouvertes et, - au moyen du dispositif de suralimentation, de l'air est introduit du trajet d'admission dans le trajet de gaz d'échappement en passant par la chambre de combustion du cylindre. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de moteur commande les soupapes d'entrée et de sortie des cylindres d'une manière telle qu'un mélange carburant-air total pauvre se présente dans le trajet de gaz d'échappement en amont du catalyseur. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la commande de moteur compense, au moyen d'une adaptation du point d'allumage, une pression de suralimentation régnant dans la chambre de combustion après la fermeture de la soupape de sortie. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le cas d'un moteur à combustion interne à injection directe de carburant, la ou les soupapes de sortie sont fermées avant que l'injection du carburant n'entre en jeu. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le cas d'un moteur à combustion interne à injection dans la tubulure d'admission, la ou les soupapes de sortie sont fermées avant que le carburant injecté n'atteigne la chambre de combustion. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de suralimentation comporte un compresseur à suralimentation commandé par la commande de moteur. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de suralimentation comporte un turbocompresseur à gaz d'échappement. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le turbocompresseur à gaz d'échappement comporte en outre une turbine à entraînement électrique.