Brevet FR2842872A1 — publié le 20040130

DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de chauffage d'un système de catalyseur dans le domaine de basse charge. Un problème commun à la plupart des catalyseurs est que l'activité de catalytique dépend fortement de la température. Plus particulièrement, chaque catalyseur nécessite une certaine température minimale, en dessous de laquelle pratiquement aucune transformation et/ou accumulation par adsorption de matières nocives n'a lieu. La grandeur caractéristique est ce qu'on appelle la température d'amorçage ou d'allumage (température dite " Lightoff "), à laquelle le catalyseur effectue une conversion de 50% des substances nocives. Afin de chauffer, lors du démarrage du moteur, le système de catalyseur à sa température de fonctionnement, il est connu, de mettre en place des mesures d'augmentation de la température du catalyseur dans ce qu'on appelle une phase de chauffe. Par exemple, pour des moteurs à étincelles ou à combustion interne, la diminution du rendement du moteur ou un fonctionnement gras en liaison avec l'alimentation secondaire en air provoque l'augmentation de la température des gaz d'échappement et/ou la teneur en énergie chimique des gaz d'échappement, et la température d'amorçage d'au moins un pré-catalyseur est ainsi rapidement atteinte. A la fin de la phase de chauffe, aucune mesure d'augmentation de la température n'est habituellement mise en place pour améliorer la transformation des 2 0 substances nocives (polluants). Des pré-catalyseurs à faible volume sont souvent utilisés dans une position proche du moteur de l'installation d'échappement des gaz. Les pré-catalyseurs atteignent relativement rapidement leur température d'amorçage du fait de leur faible inertie thermique et de leur position proche du moteur et couvrent ainsi un intervalle de temps jusqu'à ce qu'un catalyseur principal à gros volume situé en aval ait atteint sa température de service. Cependant, les phases de fonctionnement à faible charge constituent un problème, notamment les phases de ralenti, pendant lesquelles, pour tous les procédés de combustion, mais particulièrement dans les moteurs diesel et les moteurs à étincelles à injection directe aptes à une charge stratifiée, les gaz d'échappement ont des très faibles températures. Si cette situation persiste dans ce domaine de fonctionnement, le système de catalyseur se refroidit, notamment le premier catalyseur. Pour le ralenti et le fonctionnement à faible charge, ce n'est pas un problème grave car les flux massiques et concentrations de substances nocives sont faibles et celles-ci séjournent longtemps dans le catalyseur, de telle sorte que, à de faibles températures, au moins une certaine transformation des substances nocives est assurée. Dans une phase d'accélération suivante, le système de catalyseur ne chauffe cependant pas assez rapidement, du fait de son inertie thermique, jusqu'à son domaine de température de fonctionnement. Pour 2 0 ces flux massiques de substances nocives et de gaz d'échappement considérablement plus élevés, des quantités considérables de substances nocives peuvent passer au travers. Ce problème s'aggrave avec la durée de fonctionnement croissante du système de catalyseur, car le vieillissement les catalyseurs provoque un déplacement de la fenêtre de température de 2 5 fonctionnement vers de plus hautes températures. Les véhicules munis de moteurs à étincelles à mélange appauvri ou à injection directe, à charge stratifiée peuvent, dans le domaine de charge inférieur (ou de faible charge), être utilisés dans différents modes de fonctionnement. Le fonctionnement en charge stratifiée en constitue généralement le mode de 3 0 fonctionnement le plus favorable en ce qui concerne la consommation. On obtient ainsi une température de gaz d'échappement particulièrement faible qui, dans des phases de fonctionnement stratifié, dans le domaine de charge le plus bas (n et permettre une utilisation efficace du fonctionnement stratifié. Ce but est atteint grâce à un procédé de chauffage d'un système de catalyseur d'un moteur à combustion interne dans le domaine de faible charge, dans lequel le système de catalyseur se trouve dans un système de traitement ultérieur des gaz d'échappement branché en aval du moteur à combustion interne avec au moins un catalyseur, comprenant une commande électronique de moteur avec de préférence une unité de commande intégrée, dans lequel une température 3 0 de gaz d'échappement et/ou de catalyseur est augmentée au moins temporairement par au moins une mesure liée au moteur, caractérisé en ce qu'au moins une première mesure d'augmentation de la température est réalisée lorsque le domaine de charge du moteur au ralenti présente, dans la phase de fonctionnement stratifié, une vitesse de rotation ou un régime n pression moyenne effective pme Selon ce mode de réalisation avantageux de l'invention, le contrôle de la température du catalyseur et la réalisation de la mesure d'augmentation de la 2 0 température peut être limitée aux phases de fonctionnement du moteur à combustion interne, dans lesquelles les gaz d'échappement ont des températures particulièrement basses. Ce sont en particulier des phases de faible charge, avec une vitesse de rotation du moteur inférieure à environ 2000 min-1 et une pression moyenne effective (pme) inférieure à 1 bar, plus particulièrement inférieure à 1000 min-' et inférieure à 0,5 bar, ou également des phases de ralenti. Ainsi, le système de catalyseur est maintenu, en particulier dans des situations de fonctionnement critiques en ce qui concerne la température, à une température minimale qui assure une performance de transformation suffisante du système de catalyseur pour les flux massiques de substances nocives élevés lors des phases 3 0 suivantes de charge partielle ou de pleine charge. Le seuil de température est de préférence déterminé de façon à ce qu'un taux de conversion d'au moins 30%, de préférence au moins 50% (cela correspond à la température d'amorçage ou d'allumage d'au moins un catalyseur), soit assuré. Lorsque le moteur à combustion interne produit des quantités importantes de substances nocives brutes, ou lorsque les exigences relatives à la performance de la conversion des substances nocives sont particulièrement élevées, l'activité minimale qui peut être préalablement fixée, ou le seuil de température correspondant peut également être supérieur. Le seuil de température devrait, de préférence, être inférieur à une température au-dessus de laquelle une 1 0 augmentation significative de l'activité ne peut être atteinte, plus particulièrement l'activité minimale exigée ne devrait pas dépasser un taux de conversion de 98%. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du procédé, dans le cas o le système de traitement des gaz d'échappement comprend plusieurs catalyseurs, un seuil de température prédéterminable correspondant à une activité minimale est déterminée pour chaque catalyseur. Pour le contrôle, la température actuelle du catalyseur peut être soit mesurée directement à l'aide de capteurs de températures disposés de manière appropriée soit déterminée en fonction de la température actuelle des gaz d'échappement. La température des gaz d'échappement peut à son tour être mesurée à l'aide de sondes de température disposées dans la conduite des gaz d'échappement ou calculée en fonction des paramètres actuels de fonctionnement du moteur à combustion interne ou du véhicule. Pour cela, une charge de moteur, une vitesse de rotation du moteur et/ou une vitesse du véhicule peuvent être pris en compte. Si la température du catalyseur est déterminée à l'aide de la 2 5 température des gaz d'échappement, il peut être avantageux, au lieu de déterminer la température minimale du catalyseur, de déterminer un seuil de température correspondant pour la température des gaz d'échappement et de surveiller celle-ci conformément à l'invention. Pour chaque seuil de température prédéterminé, un intervalle de temps maximal approprié peut être prédéterminé, pendant lequel la température peut descendre en dessous du seuil de température avant qu'une mesure d'augmentation de la température des gaz d'échappement et/ou du catalyseur soit réalisé. Ainsi, par exemple, pour une température des gaz d'échappement déterminée avant un pré-catalyseur, la température peut descendre en dessous du seuil de température, au ralenti, pour une durée maximum de 5 à s, car, du fait de l'inertie thermique des catalyseurs branchés en aval, ceux-ci ne refroidissent qu'après un décalage de temps considérable. En outre, il est envisageable, comme condition pour la réalisation d'une mesure d'augmentation de la température, de prédéterminer un passage en dessous du seuil de température correspondant à différents endroits pertinents de l'installation d'échappement des gaz. Les mesures d'augmentation de la température peuvent de préférence être des mesures liées au moteur qui provoquent soit une augmentation de la température des gaz d'échappement et/ou une augmentation de la teneur en substances nocives du gaz d'échappement. Selon la seconde variante, la chaleur de réaction libérée par la conversion oxydante de substances nocives au niveau du catalyseur provoque le réchauffement souhaité du catalyseur. Les mesures d'augmentation de la température en question dépendent du type moteur à combustion interne. Il est assuré que l'activité prédéterminable ne descend pas en dessous de l'activité minimale d'au moins un catalyseur du système de catalyseur. Ainsi, pendant chaque phase de fonctionnement du moteur à combustion interne, notamment à la fin d'une phase de chauffe suivant le démarrage du moteur, un passage au travers (percée) des substances nocives d à un refroidissement du catalyseur est évité de manière efficace. En outre, le procédé assure une adaptation constante du contrôle de la température à un vieillissement du catalyseur, car le seuil de température inférieur en dessous duquel la température ne doit pas descendre, est redéterminée constamment en fonction du vieillissement du catalyseur. Lorsqu'une température d'amorçage du catalyseur se décale, du fait de son vieillissement, vers des températures plus élevées, le seuil de température est décalé en conséquence. Dans le cas des moteurs à combustion interne à allumage commandé 3 0 (moteurs à étincelles) la mesure d'augmentation de température peut comprendre un décalage d'un angle d'allumage vers la position " retardé " (allumage retardé) et/ou une modification d'un taux de retour des gaz d'échappement et/ou une modification du temps de commande des soupapes d'admission et/ou de sortie et/ou le réglage d'un clapet de déplacement de charge disposé dans le canal d'admission et/ou le réglage d'un clapet d'étranglement disposé dans une conduite d'aspiration d'air. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le procédé de l'invention prévoit, pour les moteurs à étincelles à injection directe et à charge stratifiée, comme première mesure d'augmentation de la température des gaz d'échappement et/ou du catalyseur, d'effectuer un étranglement dans la marche au 1 0 ralenti, ce qui est utilisé habituellement en mode de fonctionnement stratifié, le fonctionnement stratifié étant conservé. Selon l'invention, au ralenti, la pression du tube d'aspiration est abaissée jusqu'à une valeur de 600 à 700 mnbar, de préférence de 640 à 660 mbar, plus particulièrement de 650 mbar. Il a été constaté avec étonnement que cette mesure provoque une 1 5 alimentation d'énergie dans l'installation d'échappement des gaz à l'état stationnaire, pour une température du catalyseur qui dévie de 10 K à 100 K du seuil de température prédétermninable, de préférence à des températures qui sont de 1 0 K à 5 0 K, de préférence environ 1 0 K à 3 0 K inférieures (supérieures) à un seuil de température prédéterminable. 2 0 Si le moteur à allumage commandé dispose d'une injection directe de carburant, une des mesures d'augmentation de la température peut être une modification de l'instant de l'injection, une division de la quantité d'injection en plusieurs quantités de carburant injectées pendant un cycle de fonctionnement, une diminution d'une valeur lambda dans un fonctionnement à charge stratifiée 2 5 (" enrichissement "), une inhibition du fonctionnement à charge stratifiée au profit d'un fonctionnement homogène à mélange appauvri ou stoechiométrique et/ou une inhibition du fonctionnement homogène à mélange appauvri au profit du fonctionnement homogène stoechiométrique. Si, par contre, il s'agit pour le moteur à combustion interne d'un moteur diesel (à auto-allumage), les mesures 3 0 réalisées sont un décalage de l'instant d'injection, une modification du taux de retour des gaz d'échappement, un étranglement de l'air aspiré et/ou une modification des temps de commande des soupapes d'admission et de sortie pour l'augmentation de la température du catalyseur ou des gaz d'échappement. L'intensité de la mesure d'augmentation de la température, en ce qui concerne son action chauffante, est régulée de préférence en fonction d'un écart entre la température déterminée du catalyseur et/ou des gaz d'échappement et le(s) seuil(s) de température prédéterminé(s). Cela est possible grâce à des mesures pouvant être contrôlées sans problème et de manière progressive ou par petits pas, comme le réglage de l'instant d'injection ou du taux de retour des gaz d'échappement, à l'aide d'une régulation appropriée. Par contre, pour les mesures qui consistent à choisir entre deux états de commutation, par exemple l'inhibition d'un mode de fonctionnement pour les moteurs à étincelles à injection directe, le réglage de l'intensité de la mesure d'augmentation de la température est réalisé grâce au réglage du temps et de la fréquence de la mesure arrêtée et réalisée par intervalles. Cela provoque, par exemple pour le fonctionnement avec un mélange appauvri, à un aller et retour entre le fonctionnement stratifié (avec des températures de gaz d'échappement habituellement basses) et le fonctionnement homogène (avec des températures de gaz d'échappement bien plus élevées). Afin d'éviter un aller et retour constant, il peut, en outre être prévu, pour de telles mesures à deux états, de déterminer une durée minimale pour chaque état de commutation, par exemple au moins de 5 à 60 s, plus particulièrement au moins de 10 à 15 s. En ce qui concerne le moteur à combustion interne, il s'agit, selon un mode de réalisation avantageux, d'un moteur à allumage commandé à injection directe (moteur à étincelles) qui est, de préférence, apte à un fonctionnement stratifié. L'invention peut également être utilisée pour le traitement ultérieur de gaz d'échappement de moteurs diesel. Pour le présent procédé, un moteur à combustion interne à injection à fonctionnement stratifié et à allumage commandé peut être utilisé, qui comporte des catalyseurs dont la teneur en métaux précieux d'au moins un catalyseur, plus particulièrement d'au moins un pré-catalyseur, de préférence de tous les catalyseurs, est au maximum de 3,59 g/dm3 volume du catalyseur (100 g/ft3), de préférence au maximum de 2,87 g/dm3 (80 g/fi3). Les systèmes connus de catalyseurs de moteurs à étincelles à injection directe et à fonctionnement stratifié présentent des teneurs en métaux précieux considérablement plus élevées, soit au moins 3,95 g/dm3 (110 g/ft3), typiquement au moins 4, 67 g/dm3 (130 g/ft3) afin de respecter, dans le Cycle de Conduite Européen (NFZ) avec des catalyseurs non thermiquement endommagés et sans soufre et pour un temps de fonctionnement stratifié d'au moins 250 s, une émission de HC inférieure à 0,07 g/km et une émission de NOx inférieure à 0,05 g/km. (On désigne ici par catalyseur sans soufre un catalyseur qui présente une masse de soufre accumulée inférieure à 0,2 g/dm3). Ces fortes teneurs en métaux précieux des revêtements de l'état de la technique ralentissent l'augmentation de la température d'allumage due au vieillissement. Grâce au procédé de l'invention décrit précédemment, une limitation de la fenêtre de température de fonctionnement au domaine de travail hautement efficace peut en particulier être obtenue pour de vieux systèmes de purification des gaz d'échappement. Ainsi, lors de l'utilisation d'un système de catalyseur avec un pré-catalyseur à teneur en métaux précieux réduite de l'invention, qui a été soumis à un vieillissement artificiel dans un four à I 1000C pendant 4 heures dans une atmosphère avec 2% 02 et 10% H20 et avec l'utilisation du procédé de l'invention dans NEFZ une émission de HC de 0,1 g/km et une émission de NOx de 0,08 g/km n'ont pas été dépassées. Grâce à la diminution de la teneur en métaux précieux en combinaison avec l'utilisation du procédé de l'invention, les valeurs limites réglementaires fixées par les gaz d'échappement peuvent ainsi être respectées de manière plus économique. D'autres modes de réalisation de l'invention sont caractérisés en ce que: - le système de traitement ultérieur des gaz d'échappement comprend au moins un pré-catalyseur et au moins un catalyseur principal disposé en aval; - le moteur à combustion interne est un moteur à allumage commandé (moteur à étincelles); - le moteur à combustion interne est un moteur à étincelles à mélange appauvri ou à injection directe apte à un fonctionnement stratifié; - au moins une mesure d'augmentation de la température est réalisée au moins pour un pré-catalyseur après une phase de chauffe suivant le démarrage du moteur; - au moins une mesure d'augmentation de la température est réalisée dans une phase de ralenti; au moins une mesure d'augmentation de la température est réalisée pour une vitesse de rotation du moteur n de 2000 mini- maximum à une pression moyenne effective pme de 1 bar maximum, plus particulièrement pour une vitesse de rotation du moteur n de 1000 min-' à une pression moyenne effective Pme de 0,5 bar maximum; - la au moins une mesure d'augmentation de température comprend un décalage d'un angle d'allumage vers la position " retardé " (allumage retardé), une modification d'un taux de retour des gaz d'échappement, une modification du temps de commande des soupapes d'admission et/ou de sortie, le réglage d'un clapet de déplacement de charge et/ou le réglage d'un clapet d'étranglement; - au moins une mesure d'augmentation de la température comprend un étranglement de l'air aspiré dans le fonctionnement stratifié; - pour l'étranglement de l'air aspiré dans le fonctionnement stratifié, la pression du tube d'aspiration est abaissée, au ralenti, jusqu'à une valeur de 600 à 700 mbar, de préférence de 640 à 660 mbar. L'invention est décrite dans la suite plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation et d'une figure correspondante qui représente la courbe caractéristique du refroidissement du pré-catalyseur selon le procédé de l'invention en comparaison avec le procédé de l'état de la technique. Dans cette figure " vfzg " représente la vitesse du véhicule. Le tableau 1 montre le résultat d'une mesure d'augmentation de température par un fonctionnement stratifié étranglé SCH-gedr à 650 mbar pour un moteur à étincelles à injection directe et à fonctionnement stratifié de 1,6 litres en comparaison avec le procédé de l'état de la technique (fonctionnement homogène HOM et fonctionnement stratifié non étranglé SCH). Tableau 1 Paramètres de fonctionnement au ralenti pour différents modes de fonctionnement (mesures sur un moteur à étincelles DI 1,6 1 sur banc d'essai) n = 750/mn, Pme = 0,25 bar Fonctionnement Fonctionnement Fonctionnement homogène HOM stratifié non étranglé stratifié étranglé SCH SCH-gedr 650 mbar Consommation 0,616 0,519 0,548 (1/h) Emissions HC 25,03 56,45 42,98 brutes (g/h) Emissions CO 69 29,72 36,75 brutes (g/h) Emissions NOx 2,94 0,36 3,45 brutes (g/h) Degré de O 0,01 0,04 noircissement (-) Température des 250 168 201 gaz d'échappement (0C) avant pré-cat. Lambda (-) 1,00 2,08 2,09 Position de laO 25,2 20,4 soupape AGR (%) Grâce à l'utilisation du procédé de l'invention, lors d'un fonctionnement sans ratés, la différence de température entre le fonctionnement stratifié non étranglé SCH et le fonctionnement homogène HOM est divisée environ par deux. Le surplus de consommation du fonctionnement homogène par rapport au fonctionnement stratifié est également divisé par deux. Lors de l'utilisation du fonctionnement stratifié étranglé au ralenti selon la présente invention, l'intervalle de temps jusqu'à la commutation dans le fonctionnement homogène HOM est à peu près doublé rapport à un fonctionnement stratifié non étranglé au ralenti. Si, dans cet intervalle, il y a une exigence de charge plus élevée par exemple lors d'un processus de démarrage, on peut renoncer complètement au fonctionnement homogène HOM, avec un avantage correspondant en ce qui concerne la consommation. La figure montre la courbe caractéristique de refroidissement du précatalyseur lors de la transition d'un fonctionnement homogène HOM vers une phase de ralenti d'une durée d'environ 50 secondes selon le procédé de l'invention par rapport au procédé de l'état de la technique. Dans le fonctionnement stratifié non étranglé SCH, le pré-catalyseur est refroidi très rapidement. On a donc une transition plus précoce vers le fonctionnement homogène HOM pour garantir une activité suffisante du catalyseur lors du processus de démarrage suivant. Dans le fonctionnement stratifié étranglé SCHgedr (selon l'invention) le refroidissement est essentiellement plus lent et la " température stationnaire " tombe en dessous de la température d'allumage, 300'C dans cet exemple, à un instant beaucoup plus tardif (après 26 s de ralenti au lieu de 9 s). Lorsqu'un processus de démarrage est réalisé avant que la température descende en dessous du seuil des 300'C, aucune commutation vers le fonctionnement homogène n'est nécessaire. Du carburant peut ainsi être 2 0 économisé. REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'un système de catalyseur d'un moteur à combustion interne dans le domaine de faible charge, dans lequel le système de catalyseur se trouve dans un système de traitement ultérieur des gaz d'échappement branché en aval du moteur à combustion interne avec au moins un catalyseur, comprenant une commande électronique de moteur avec de préférence une unité de commande intégrée, dans lequel une température de gaz d'échappement et/ou de catalyseur est augmentée au moins temporairement par au moins une mesure liée au moteur, caractérisé en ce qu'au moins une première mesure d'augmentation de la température est réalisée lorsque le domaine de charge du moteur au ralenti présente, dans la phase de fonctionnement stratifié, une vitesse de rotation ou un régime n effective pme 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de traitement ultérieur des gaz d'échappement comprend au moins un précatalyseur et au moins un catalyseur principal disposé en aval. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur à allumage commandé (moteur à étincelles) . 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur à étincelles à mélange appauvri ou à injection directe apte à un fonctionnement stratifié. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une mesure d'augmentation de la température est réalisée au moins pour un pré-catalyseur après une phase de chauffe suivant le démarrage du moteur. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une mesure d'augmentation de la température est réalisée dans une phase de ralenti. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins une mesure d'augmentation de la température est réalisée pour une vitesse de rotation du moteur (n) de 2000 min-' maximum à une pression moyenne effective (pm.) de 1 bar maximum, plus particulièrement pour une vitesse de rotation du moteur (n) de 1000 min-' à une pression moyenne effective (pme) de 0,5 bar maximum. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la au moins une mesure d'augmentation de température comprend un décalage d'un angle d'allumage vers la position " retardé " (allumage retardé), une modification d'un taux de retour des gaz d'échappement, une modification du temps de commande des soupapes d'admission et/ou de sortie, le réglage d'un clapet de déplacement de charge et/ou le réglage d'un clapet d'étranglement. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins une mesure d'augmentation de la température comprend un étranglement de l'air aspiré dans le fonctionnement stratifié. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, pour l'étranglement de l'air aspiré dans le fonctionnement stratifié, la pression du tube d'aspiration est abaissée, au ralenti, jusqu'à une valeur de 600 à 700 mbar, de préférence de 640 à 660 mbar.