Brevet FR2834754A1 — publié le 20030718

lesdites ailettes (22a, 22b). L'invention concerne un procédé de commande pour un moteur à combustion interne avec une installation d'épuration des gaz d'échappement, dans lequel on alimente le moteur à combustion interne de manière alternée avec un mélange riche produisant des gaz d'échappement ayant une composition riche et avec un mélange pauvre produisant des gaz d'échappement ayant une composition pauvre, dans lequel de l'ammoniec est synthétisé et piégé dans l'installation d'épuration des gaz d'échappement lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche et dans lequel cet ammoniac piégé sert ensuite à réduire les oxydes d'azote en azote, lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre. L'invention conceme, également, un moteur à combustion interne avec une installation d'épuration des gaz d'échappement permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Les oxydes d'azote dans les gaz d'échappement riches en oxygène sont très facilement réduits en azote à l'aide de l'ammoniac. Pour cette raison, il est utile de pouvoir produire de l'ammoniac de manière autogène dans une unité de catalyseur du véhicule automobile. L'unité de catalyseur produisant de l'ammoniac peut être réalisée, par exemple sous la forme d'un catalyseur à trois voies qui synthétise de l'ammoniac NH3 à partir des oxydes d'azote NOX et de l'hydrogène H2, lorsque la composition des gaz d'échappement est sub-stoechiométrique. Dans un catalyseur placé en aval du catalyseur capable de réduire les oxydes d'azote, I'ammoniac est piégé lorsque le gaz d'échappement est substoechiométrique ou qu'il a une composition riche. Cet ammoniac réduit subséquemment les oxydes d'azote en azote dans un gaz d'échappement surstoechiométrique ou ayant une composition pauvre, sur un catalyseur capable de réduire les oxydes d'azote. La quantité d'ammoniac produite dépend de la quantité d'oxydes d'azote disponibles dans le mélange de combustion sub-stoechiométrique ou riche. Lorsqu'un moteur est alimenté avec un mélange pauvre, on dit qu'il opère en régime sur- stoechiométrique, dans lequel la combustion se fait en présence d'un excès d'oxygène (\ > 1). Dans le cas d'une alimentation avec un mélange riche dans laquelle la combustion se fait en présence d'un excès de combustible, on parle d'une alimentation sub- stoechiométrique du moteur (\ gaz d'échappement. On conna^'t, grâce au brevet allemand publié DE 198 20 828 A1 une installation d'épuration des gaz d'échappement qui produit, dans une première unité de catalyseur de l'ammoniac à partir des oxydes d'azote et de l'hydrogène, 1orsque les gaz d'échappement ont une composition riche et qui piège l'ammoniac produit au moyen d'une seconde unité de catalyseur. Lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre, les oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement subissent une réaction de réduction, avec l'ammoniac piégé de manière temporaire servant d'agent réducteur. Pour avoir également des quantités suffisantes d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement, lorsque ceux-ci ont une composition riche, afin de pouvoir synthétiser une quantité appréciable d'ammonisc, la première unité de catalyseur, qui est prévue pour produire de l'ammoniac lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche, est montée en amont en série avec une troisième unité de catalyseur, qui, lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre, piège de manière temporaire les oxydes d'azote et ensuite libère ces oxydes d'azote piégés lorsque le gaz d'échappement ont une composition riche. On conna^'t, grâce au brevet allemand publié DE 197 50 226 C1, une installation de commande pour un moteur diesel avec un système d'épuration des gaz d'échappement, qui est pourvu d'une installation d'adsorption pour les oxydes d'azote NOx et qui est capable d'adsorber les oxydes d'azote de gaz d'échappement avec une composition pauvre. Pour régénérer le système d'adsorption, il faut assurer par intervalles une alimentation avec des gaz d'échappement ayant une composition riche, ces gaz d'échappement constituant alors une atmosphère réductrice. Pour avoir des gaz d'échappement avec une composition pauvre ou riche, on fractionne l'injection du combustible en une pré-iniection, une injection principale ainsi qu'une post-injection. Le combustible de la postinjection est. pour l'essentiel, simplement évaporé et transformé, et n'est brûlé que pour une petite part, de sorte que l'on assiste à une forte augmentation de l'émission des hydrocarbures (HC) non brûlés et de l'oxyde de carbone (CO). Lorsque l'installation d'adsorption libère des oxydes d'azote piégés, par l'effet de gaz d'échappement ayant une composition riche, les hydrocarbures (HC) et l'oxyde de carbone (CO) produits réagissent sur les surfaces de l'adsorbeur pour transformer les oxydes d'azote en azote N:. Grâce à l'invention, on fournit un procédé pour la commande d'un moteur à combustion interne et également un moteur à combustion interne correspondant, o en influant sur la combustion du combustible dans le moteur à combustion interne, on peut produire la quantité suffisante d'oxydes d'azote nécessaire pour la synthèse d'une quantité appréciable d'ammoniac, également lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche. Selon l'invention, on fournit ici un procédé pour la commande d'un moteur à combustion interne avec une installation d'épuration des gaz d'échappement; dans lequel le moteur à combustion interne fonctionne de manière alternée avec un mélange riche, produisant des gaz d'échappement ayant une composition riche et avec un mélange pauvre, produisant des gaz d'échappement ayant une composition pauvre; dans lequel, lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche, I'installation d'épuration des gaz d'échappement synthétise de l'ammoniac et le piège et, lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre, elle assure, grâce à l'ammoniac piégé, une réduction des oxydes d'azote en azote; et dans lequel, le combustible est introduit durant un cycle de combustion du moteur à combustion interne par le blais d'au moins une pré-injection, d'au moins une injection principale, ainsi que d'au moins une post-injection, la combustion de la ou des pré- injections et de la ou des injections principales se fait en présence d'un excès d'oxygène pour produire une quantité d'oxydes d'azote suffisante pour la synthèse de l'ammoniac et l'obtention de gaz d'échappement avec une composition riche ou pauvre est assurée par le biais de la ou des post-injections. Grâce à ces dispositions, on peut produire, dans un processus de combustion effectué globalement avec un mélange riche et produisant des gaz d'échappement ayant une composition riche, une quantité suffisante d'oxydes d'azote pour pouvoir synthétiser une quantité appréciable d'ammoniac, lors d'une alimentation riche. Etant donné que, par comparaison avec les procédés conventionnels mettant en oeuvre une alimentation riche pour assurer la synthèse de l'ammoniac, on a à disposition sensiblement plus d'oxydes d'azote, on peut raccourcir la durée de la phase dalimentation avec un mélange riche. En plus, on peut se passer de prendre des mesures nécessaires pour assurer un piégeage intermédiaire des oxydes d'azote pendant l'alimentation avec un mélange pauvre et leur libération subséquente pendant une alimentation riche. Dans une autre variante de l'invention, on prévoit que le combustible de la ou des post-injections brÈle, au moins partiellement, dans la chambre de combustion et contribue à la puissance du moteur. De cette manière, on peut utiliser la totalité du combustible injecté pour contribuer à la puissance du moteur. Egalement, on peut ainsi atteindre des températures très élevées dans les gaz d'échappement plus rapidement que dans le cas des combustions observées avec les moteurs diesel normaux. De telles températures élevées des gaz d'échappement sont nécessaires pour la synthèse de l'ammoniac à partir de l'azote et de l'hydrogène, dans un catalyseur synthétisant de l'ammoniac. Dans une autre variante de l'invention, la combustion du combustible introduit durant un cycle de combustion du moteur à combustion interne, lors d'une alimentation avec un mélange riche, se fait sans recyclage des gaz d'échappement. De cette manière, le combustible pré-injecté et le combustible de l'injection principale peuvent être brûlés dans la chambre de combustion avec un très large excès d'oxygène, ce qui conduit, par comparaison avec le cas d'une combustion normale avec recyclage des gaz d'échappement, à la formation de quantités nettement plus élevées d'oxyde d'azote dans la chambre de combustion. Ensuite, on peut se mettre dans les conditions de combustion d'un mélange riche, avec production de gaz d'échappement ayant une composition riche, grâce à la ou aux post-injections. Dans une autre variante de l'invention, on prévoit au moins une première post-injection de combustible brûlant dans la chambre de combustion, ainsi qu'au moins une autre post-injection plus tardive, pour obtenir des gaz d'échappement avec une composition pauvre ou riche. Une post-injection additionnelle plus tardive permet un ajustement particulièrement flexible et, par conséquent, précis de la composition des gaz d'échappement. Un ajustement précis de la puissance du moteur peut se faire par le biais de la première post injection. Dans une autre variante de l'invention, les débuts d'injection des pré-injections lors d'une alimentation riche, correspondent sensiblement aux débuts d'injection des pré-injections lors d'une alimentation pauvre. De manière avantageuse, les débuts d'injection des injections principales, lors d'une alimentation riche, correspondent sensiblement aux débuts d'injection, lors d'une alimentation pauvre. Grâce à ces dispositions, la transition entre une alimentation pauvre et une alimentation riche passe inaperçue pour le conducteur d'un véhicule automobile avec un tel moteur à combustion interne. En outre, une telle sélection des débuts d'injection permet, de manière avantage use, de p rod u i re de l'oxyde d'azote également lors d'u ne alimentation riche. Les avantages décrits sont également obtenus grâce à un moteur à combustion interne avec une installation d'épuration des gaz d'échappement, permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, laquelle installation d'épuration des gaz d'échappement comprend: une première unité de catalyseur qui produit de l'ammoniac à partir de composants correspondants des gaz d'échappement lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche; une seconde unité de catalyseur, montée en aval de la première unité de catalyseur, qui piège de manière temporaire l'ammoniac produit par la première unité de catalyseur lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche et qui, lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre, provoque une réduction des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement grâce à l'ammoniac piégé de manière temporaire et agissant comme agent de réduction; et un système d'injection avec des moyens pour introduire une certaine quantité de combustible par le biais d'au moins une pré-injection, d'au moins une injection principale et d'au moins une post-injection, ainsi que des moyens pour assurer la présence d'un excès d'oxygène, lors d' une al imentation riche pendant la combustion dans la chambre de combustion de la ou des pré-injections et de la ou des injections principales et des moyens pour modifier l'instant dans le temps, la quantité et / ou la durée de la ou des post-injections, pour obtenir des gaz d'échappement avec une composition riche ou pauvre. Grâce à ces dispositions, on peut renoncer à l'utilisation, dans l'installation d'épuration des gaz d'échappement, d'un adsorbeur pour les oxydes d'azote, qui piège les oxydes d'azote lors d'une alimentation pauvre et les libère ensuite lors d'une alimentation riche, ou on peut diminuer la taille d'un tel adsorbeur pour les oxydes d'azote. Comme un tel adsorbeur pour les oxydes d'azote peut également piéger l'oxygène, ce qui peut ralentir la libération des oxydes d'azote piégés, lors de la phase d'alimentation avec un mélange riche, une élimination d'un tel aUsorbeur pour les oxydes d'azote ou une diminution de sa taille permet de raccourcir la durée des phases d'alimentation avec un mélange riche et donc de diminuer la consommation en carburant associée à ces phases d'alimentation avec un mélange riche. L'excès d'oxygène lors de la combustion de la ou des pré-injections et lors de la ou des injections principales peut être obtenu, par exemple, en diminuant la quantité injectée, en ouvrant la soupape d'étranglement dans la conduite d'admission et / ou en fermant une conduite de recyclage des gaz d'échappement. D'autres traits caractéristique et avantages de l'invention appara^tront à la lecture de la description qui suit, d'une forme d'exécution préférce de l'invention, faite à l'aide du dessin. Dans ce dessin: L'unique figure représente un moteur diesel selon l'invention, avec une installation d'épuration des gaz d'échappement, permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. La représentation schématique dans le dessin unique montre un moteur diesel 10, comprenant une installation d'épuration des gaz d'échappement avec une première unité de catalyseur 12 qui produit de I'ammoniac à partir de composés correspondants des gaz d'échappement, lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche. En aval de la première unité de catalyseur 12, on a prévu une deuxième unité de catalyseur 14 qui adsorbe l'ammoniac produit dans la première unité de catalyseur 12, lorsque les gaz d'échappement ont une composition rich e. Lo rsque les gaz d'échappement ont u ne com position pauvre, la seconde unité de catalyseur 14 libère l'ammoniac à nouveau, et celui-ci se comporte comme un agent réducteur dans une réaction de réduction des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement, au cours de laquelle l'ammoniac est oxydé en azote. Aussitôt que l'ammoniac piégé de manière temporaire, dans la seconde unité de catalyseur 14 est épu isé par l 'al imentation pauvre, on passe à u ne al i mentation riche. En amont de la première unité de catalyseur 12, il y a une troisième unité de catalyseur 16, indiquée par des traits discontinus, qui peut être incluse à titre facultatif et dont le rôle est de piéger, de manière temporaire, les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et produits lors d'une alimentation pauvre, ces oxydes d'azote piégés de manière provisoire, étant ensuite libérés lors d'une alimentation riche. La troisième unité de catalyseur 16 peut être prévue pour augmenter la production de l'ammoniac par la première unité de catalyseur 12, iors d'une alimentation riche. L'invention permet de produire une quantité augmentée d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, même lors d'une alimentation riche du moteur diesel 10, en influant sur la combustion du combustible dans le moteur diesel 10. Grâce à cela, on peut augmenter la production de l'ammoniac dans la première unité de catalyseur 12. Les phases d'alimentation avec un mélange riche, nécessaires pour la production de l'ammoniac, peuvent ainsi être raccourcies, par comparaison avec les procédés conventionnels. La modification de la combustion du combustible dans le moteur diesel 10 se fait, essentiellement, au moyen du système d'injection 18 qui est contrôlé par une commande centrale 20 du moteur. Grâce à la commande centrale 20 du moteur, la quantité totale de combustible prévue pour être injectée dans une chambre de combustion du moteur diesel 10, durant un cycle de combustion, peut être fractionnée en au moins une pré-injection, au moins une injection principale et au moins une post-injection. Le moteur diesel 10 est pourvu d'une conduite 22 de recyclage des gaz d'échappement qui met en communication un collecteur d'échappement 24 avec un collecteur d'admission 26, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 28, pour les gaz d'échappement recyclés. La conduite 22 de recyclage des gaz d'échappement peut être ouverte et fermée au moyen d'une soupape 30 pour les gaz d'échappement recyclés montée sur la conduite d'admission et commandée par la commande centrale 20 du moteur. Egalement, le moteur diesel 10 est pourvu d'une soupape d'étranglement 32 qui est montée sur la conduite d'admission en amont de la soupape 30 pour les gaz d'échappement recyclés et qui est également commandée par la commande centrale 20 du moteur. En outre, on trouve, sur la conduite d'admission de chaque chambre de combustion individuelle du moteur à combustion 10, des soupapes d'étranglement individuelles 34 qui sont également contrôlées par la commande centrale 20 du moteur. Les gaz d'échappement du moteur diesel 10, sortant du collecteur d'échappement 24, arrivent d'abord à une turbine 36 à gaz d'échappement dont la géométrie peut être modifiée à l'aide de l'appareil de commande 20. La turbine 36 à gaz d'échappement entrane un compresseur 38, qui aspire de l'air frais à l'emplacement indiqué par > et qui l'achemine sous pression par la conduite d'admission vers le collecteur d'admission 26 du moteur diesel 10. Entre le compresseur 38 et le collecteur d'admission 26, il y a un refroidisseur 40 pour l'air d'admission. En aval de la seconde unité de catalyseur 14, les gaz d'échappement quittent l'installation d'épuration des gaz d'échappement dans la direction indiquée par " b >. Les informations concernant les valeurs effectives des paramètres de fonctionnement du moteur diesel 10 sont re,cues par la commande centrale 20 du moteur, à partir de sondes 42, qui ne sont représentées que de manière schématique et à titre d'exemple. Les sondes 42 permettent, par exemple, de déterminer la composition des gaz d'échappement en aval de la seconde unité de catalyseur 14, ce qui permet de déterminer si l'ammoniac piégé dans la seconde unité de catalyseur 14 est épuisé et, lorsque ceci est le cas, de faire passer l'alimentation du moteur diesel 10 d'une alimentation pauvre à une alimentation riche. Par ailleurs, les sondes 42 fournissent à la commande centrale 20 du moteur des informations telles que la pression de l'air d'admission, la température de l'air d'admission, l'angle du vilebrequin, la température des gaz d'échappement et similaire. Des champs de caractéristiques sont conservés dans la commande centrale 20 pour assurer le contrôle du moteur diesel 10 aussi bien dans les conditions d'alimentation avec une alimentation riche que d'une alimentation pauvre de celui-ci. Selon l'invention, ces champs de caractéristiques pour une alimentation riche ou pauvre sont tels que les débuts d'injection des pré-injections et également des injections principales sont sensiblement identiques pour une alimentation riche ou pour une alimentation pauvre. La différence entre une alimentation riche et une alimentation pauvre est presque exclusivement liée à une modification de la post-injection du point de vue de la quantité, de la durée et de l'instant o elle a lieu. Le nombre de pré-injections peut être choisi librement. De manière avantageuse, le nomb re d' injections principales va d'une à deux. La post-injection consiste en une postinjection qui assure une co-combustion et, à titre facultatif, en une autre post-injection plus tardive. Le début d'injection de la première post-injection est choisi pour que le combustible de cette première postinjection brûle dans la chambre de combustion et pour qu'il contribue ainsi à la puissance fournie par le moteur et pour qu'il assure également aux gaz d'échappement la température très élevée nécessaire à la synthèse de l'ammoniac à partir de l'hydrogène et de l'azote, dans la première unité de catalyseur 12. C'est l'existence de la première post-injection et, le cas échéant, de l'autre post-injection plus tardive qui détermine si la combustion choisie est celle d'un mélange riche ou d'un mélange pauvre. Comme le début d'injection des pré-injections et des injections principaies dans le cas d'une alimentation riche correspond sensiblement au début d'injection dans le cas du moteur diesel fonctionnant avec une alimentation pauvre, la montée maximale en pression dans la chambre de combustion et la position de la montée maximale en pression dans la chambre de combustion dans le cas d'une alimentation riche correspondent, en gros, aux valeurs observées lors de la combustion dans le moteur diesel d'un mélange pauvre, assurée par une pré-injection et une injection principale. Dans ces conditions, la transition entre une alimentation pauvre et une alimentation riche peut se faire sans que le conducteur d'un véhicule automobile équipé avec le moteur diesel 10 ne la remarque. Un avantage particulier du procédé selon l'invention est que, grâce à la commande du moteur, les quantités injectées lors des pré- injections et des injections principales peuvent être brûlées dans la chambre de combustion avec un très grand excès d'oxygène et sans recyclage des gaz d'échappement. Ceci permet la formation de quantités nettement plus importantes d'oxyde d'azote dans la chambre de combustion, par comparaison avec une combustion normale avec recyclage des gaz d'échappement. Grâce à la quantité qui est injectée en post-injection après les injections principales et qui brûle en partie, le procédé de combustion, selon l'invention, peut produire dans les gaz d'échappement la quantité de molécules d'hydrogène nécessaires pour la synthèse de l'ammoniac. On peut donc obtenir simultanément des gaz d'échappement, ayant une composition riche, convenant à la synthèse de l'ammoniac. Malgré la combustion du combustible des pré-injections et des injections principales dans des conditions correspondant à un mélange pauvre, et grâce au combustible qui est introduit lors des post- injections et qui brûle partiellement, le moteur diesel 10 se trouve globalement alimenté par un mélange riche et les gaz d'échappement ont une composition riche. Comme la combustion partielle / transformation partielle du combustible des post-injections peut être modifiée par le choix du moment des post-injections, de leur durée et de la quantité injectée, grâce à la commande du moteur et en fonction de différents paramètres de commande du moteur diesel 10, on peut produire l'hydrogène, I'oxyde de carbone et les hydrocarbures, ainsi que les oxydes d'azote, dans différentes proportions respectives. Revendications 1. Procédé de commande pour un moteur à combustion interne avec une installation d'épuration des gaz d'échappement, dans lequel on alimente le moteur à combustion interne (10) de manière alternée avec un mélange riche produisant des gaz d'échappement ayant une composition riche et avec un mélange pauvre produisant des gaz d'échappement ayant une composition pauvre, dans lequel de l'ammoniac est synthétisé et piégé dans l'installation (12, 14) d'épuration des gaz d'échappement lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche et dans lequel cet ammoniac piégé sert ensuite à réduire les oxydes d'azote en azote, lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre, caractérisé en ce que durant un cycle de combustion du moteur à combustion interne, le combustible est introduit par le blais d'au moins une pré-injection, d'au moins une injection principale, ainsi que d'au moins une post-injection, la combustion de la ou des pré-injections et de la ou des injections principales, en présence d'un excès d'oxygène, produit une quantité d'oxydes d'azote suffisante pour la synthèse de l'ammoniac et l'obtention de gaz d'échappement avec une composition riche ou pauvre est assurée par le blais d'au moins une post-injection. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible de la ou des post-injections brûle, au moins partiellement, dans la chambre de combustion et contribue à la puissance du moteur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la combustion durant un cycle de combustion du moteur à combustion interne, lors d'une alimentation avec un mélange riche, se fait sans recyclage des gaz d'échappement. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on p révo it au moins u ne p rem ière post-injection de combustible brulant dans la chambre de combustion, ainsi qu'au moins une autre post- injection plus tardive, pour obtenir des gaz d'échappement avec une composition pauvre ou riche. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les débuts d'injection des pré-injections, lors d'une alimentation riche, correspondent sensiblement aux débuts d'injection, lors d'une alimentation pauvre. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les débuts d'injection des injections principales, lors d'une alimentation riche correspondent sensiblement aux débuts d'injection, lors d'une alimentation pauvre. 7. Moteur à combustion interne avec une installation d'épuration des gaz d'échappement pour mettre en oeuvre le procédé selon une quelconque des revendications précédentes, avec une première unité de catalyseur (12) qui produit de l'ammoniac à partir de composants correspondants des gaz d'échappement lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche; une seconde unité de catalyseur (14), montée en aval de la première unité de catalyseur (12), qui piège de manière temporaire l'ammoniec produit par la première unité de catalyseur lorsque les gaz d'échappement ont une composition riche et qui, lorsque les gaz d'échappement ont une composition pauvre, provoque une réduction des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement grâce à l'ammoniac piégé de manière temporaire et agissant comme agent de réduction; caractérisé par un système d'injection (18) avec des moyens (20) pour introduire une certaine quantité de combustIble par le biais d'au moins une pré-injection, d'au moins une injection principale et d'au moins une post-injection, ainsi que des moyens (20) pour assurer la présence d'un excès d'oxygène, lors d'une alimentation riche pendant la combustion dans la chambre de combustion de la ou des pré-injections et de la ou des injections principales et des moyens (20) pour modifier l'instant dans le temps, la quantité et la durée de la ou des post-injections, pour obtenir des gaz