Brevet FR2877048A1 — publié le 20060428

L'invention concerne un procédé de commande des moteurs de véhicule. Dans les moteurs à combustion interne de véhicules, il est classique de mettre en oeuvre une recirculation des gaz d'échappement ou EGR. C'est le cas par exemple dans les moteurs diesel à allumage par compression pour lesquels, à certains points de fonctionnement, on effectue une recirculation des gaz imbrûlés. L'utilisation des gaz d'EGR en quantité plus ou moins importante dans les moteurs diesel permet de réduire de façon significative les oxydes d'azote, ou NOx, émis dans l'atmosphère. La température des gaz d'échappement recirculés a également une forte influence sur les émissions de polluants, et plus particulièrement sur les imbrûlés aux faibles charges du moteur. On cherche notamment à réduire les émissions d'imbrûlés aux faibles charges. Ainsi, les moteurs diesel font de plus en plus souvent appel à un système de refroidissement des gaz d'EGR afin de limiter les émissions de NOx. Toutefois, ce refroidissement a pour effet d'accroître les émissions d'imbrûlés aux faibles charges du moteur lorsque le moteur est froid et que le catalyseur d'oxydation n'est pas amorcé. Afin de limiter les émissions d'imbrûlés aux points de faible charge ou lorsque le moteur est froid, il est possible de prévoir une dérivation de l'échangeur thermique des gaz d'échappement recirculés. Cela permet d'avoir des gaz d'EGR plus chaud, ce qui est favorable à la réduction des émissions d'imbrûlés. Cette solution compatible avec la norme Euro 4 est toutefois limitée. La future norme Euro 5 (ou Sulev) sera beaucoup plus sévère en termes d'émissions de fumée, de NOx et d'imbrûlés. Afin d'atteindre les objectifs sur les émissions de NOx, on prévoit notamment d'introduire dans les moteurs une quantité beaucoup plus importante de gaz d'EGR, ce qui aura pour effet d'accroître fortement les émissions d'imbrûlés. Dans ces conditions, la dérivation du refroidisseur des gaz d'EGR ne sera plus suffisante pour atteindre des quantités d'émissions d'imbrûlés en sortie de moteur compatibles avec la future norme Euro 5. Un but de l'invention est d'améliorer encore les performances des moteurs à l'égard des normes anti-pollution. A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé de commande d'un moteur de véhicule dans lequel: - on commande une fermeture d'au moins une soupape d'échappement de sorte que la fermeture soit achevée avant qu'un piston associé à la soupape ait atteint un point mort haut; et - on débute une ouverture d'au moins une soupape d'admission associée au piston après l'atteinte du point mort haut. L'invention s'applique à tous types de moteur et non pas seulement aux moteurs diesel. Le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - on commande lesdites fermeture et ouverture seulement lorsque la charge 15 du moteur est inférieure à une valeur prédéterminée; - on débute une ouverture de la soupape d'échappement à un instant du cycle du piston antérieur à un instant auquel on débute, sinon, son ouverture pour que la fermeture s'achève lorsque le piston atteint le point mort haut; - on achève une fermeture de la soupape d'admission à un instant du cycle du piston auquel on achève sa fermeture si on a débuté son ouverture quand le piston atteint le point mort haut; - on débute la fermeture de la soupape d'échappement à un point d'une trajectoire de la soupape situé en-deçà d'un point auquel on débute, sinon, sa fermeture pour que la fermeture s'achève lorsque le piston atteint le point mort haut; et - on débute une fermeture de la soupape d'admission à un point d'une trajectoire de la soupape situé en-deça d'un point auquel on débute, sinon, sa fermeture lorsqu'on a débuté son ouverture quand le piston atteint le point mort haut. On prévoit également selon l'invention un moteur de véhicule comprenant: au moins un piston; et - des soupapes d'échappement et d'admission associées au piston, le moteur comprenant des moyens de commande agencés pour: - commander une fermeture de la soupape d'échappement de sorte que la fermeture est achevée avant que le piston ait atteint un point mort haut; et - débuter une ouverture de la soupape d'admission après l'atteinte du point mort haut par le piston. Le moteur selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une 1 o quelconque des caractéristiques suivantes: - il comprend un circuit de recirculation des gaz d'échappement; et - il s'agit d'un moteur diesel à injection directe et allumage par compression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur selon un mode préféré de réalisation de l'invention; - la figure 2 présente deux courbes illustrant des lois de levée de soupape dans deux moteurs dont le deuxième constitue un mode préféré de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 correspondant à deux autres moteurs dont le deuxième correspond à un autre mode préféré de réalisation de l'invention; - les figures 4A et 4B sont des diagrammes illustrant l'évolution de la pression dans les cylindres des moteurs de la figure 2 en fonction du volume, le diagramme de la figure 4B étant une vue à plus grande échelle d'une partie du diagramme de la figure 4A; - la figure 5 est un diagramme montrant les performances des moteurs correspondant aux figures 2 et 3 en matière d'émission d'hydrocarbures et de consommation de carburant; et - la figure 6 est un diagramme analogue à la figure 5 présentant les performances en matière d'émission d'hydrocarbures et de température des gaz d'échappement. On a illustré à la figure 1 sous forme schématique un moteur 2 selon un mode préféré de réalisation de l'invention. Ce moteur comprend un filtre à air 4 communicant avec un compresseur 6 d'un turbocompresseur 8. Une conduite 10 met indirectement en communication le compresseur avec un distributeur d'admission 12 commandant l'admission de gaz dans des cylindres ménagés dans une culasse 14 du moteur. Dans chaque cylindre se trouve un piston non illustré. De plus, à chaque cylindre sont associées au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement, et de préférence deux de chaque. Le mouvement des soupapes d'échappement est commandé par un distributeur d'échappement 16. Le moteur comprend un circuit externe 18 de recirculation des gaz d'échappement prélevant une fraction des gaz d'échappement en sortie de la culasse pour les réinjecter dans le circuit d'admission en amont du distributeur 12. La quantité de gaz d'échappement recirculés par ce circuit 18 peut être commandée au moyen d'une vanne 20 d'une façon connue en elle-même. Le circuit 18 comprend notamment un refroidisseur et une dérivation de ce dernier qui n'ont pas été illustrés. La fraction des gaz d'échappement non recirculés fait tourner une turbine 22 du turbocompresseur 8 et est acheminée jusqu'à un dispositif d'échappement 24 comprenant notamment un catalyseur d'oxydation 26. Aux points de fonctionnement correspondant aux charges moyennes et fortes du moteur, c'est le circuit d'EGR externe 18 qui alimente le circuit d'admission en gaz brûlés fortement refroidis. En effet, à ces points de fonctionnement, c'est principalement les émissions de NOx qu'il faut réduire. Les émissions d'imbrûlés sont relativement faibles et le catalyseur d'oxydation est déjà amorcé. On cherche en l'espèce à augmenter la quantité de gaz d'échappement recirculés sans accroître de façon trop importante la consommation de carburant aux points de fonctionnement du moteur correspondant aux faibles charges ou à ceux auxquels le moteur est froid. On met en oeuvre pour cela une recirculation interne des gaz d'échappement sans passer par le circuit 18 et grâce à une commande adaptée des soupapes d'admission et d'échappement au moyen des distributeurs 12 et 16. Ainsi, pour accroître la quantité de gaz d'EGR internes, on modifie les lois de levée de soupape grâce aux distributeurs 12 et 16. Afin d'augmenter la quantité de gaz d'EGR internes, on ferme lo prématurément les soupapes d'échappement afin de piéger une partie des gaz brûlés dans chacun des cylindres. Cette fermeture prématurée de chaque soupape d'échappement de chaque cylindre a pour effet d'entraîner une compression des gaz brûlés dans le cylindre lors de la fin de la remontée du piston. Ce travail négatif a pour effet d'accroître la consommation de carburant. Afin de bénéficier du travail positif de détente des gaz brûlés présents dans le cylindre, on retarde par ailleurs l'ouverture de la ou chaque soupape d'admission du cylindre. Cette récupération du travail positif de détente a pour effet de réduire la consommation de carburant. On a illustré à ce sujet sur les figures 4A et 4B l'évolution de la pression dans le cylindre en fonction du volume de la chambre. On voit sur ce diagramme PV que l'ouverture plus tardive de l'admission permet de réduire la surface de la boucle négative correspondant au travail négatif. Cette réduction du travail négatif se traduit directement par une surconsommation de plus de 10% de carburant. Cette fermeture prématurée de l'échappement permet de réduire les émissions d'hydrocarbures d'environ 50% dans le présent exemple comme on le verra plus loin. Différentes solutions techniques sont envisageables pour combiner la fermeture prématurée de l'échappement et l'ouverture retardée de l'admission. Deux de ces solutions sont présentées en référence aux figures 2 et 3. Dans une configuration de moteur 1, comme illustré à la figure 2, on obtient une fermeture prématurée de la soupape d'échappement en introduisant un simple déphasage correspondant à une avance dans la loi de commande de la soupape. Ainsi, on débute l'ouverture de la soupape d'échappement suivant la courbe (2) en traits pointillés à un instant du cycle du piston antérieur à un instant auquel on débute sinon son ouverture pour que la fermeture s'achève lorsque le piston atteint le point mort haut comme indiqué par la courbe (1) en traits pleins. Par conséquent, on débute une fermeture de la soupape d'échappement de sorte que la fermeture soit 1 o achevée avant que le piston ait atteint le point mort haut. Dans cet exemple, seule la soupape d'échappement présente une avance de phase par rapport aux autres circonstances de fonctionnement du moteur. En particulier, la loi de levée de soupape concernant l'admission est inchangée. Dans la configuration 2, on conserve le même déphasage en avance pour la loi de commande des soupapes d'échappement et on introduit un déphasage de retard pour la loi de commande des soupapes d'admission. Autrement dit, on débute l'ouverture de chaque soupape d'admission après l'atteinte du point mort haut, c'est-à-dire à l'issue d'une période prédéterminée. II s'ensuit qu'on débute la fermeture de la soupape d'admission à un instant du cycle du piston postérieur à un instant auquel on débute sinon sa fermeture lorsqu'on a débuté son ouverture quand le piston atteint le point mort haut. Le moteur selon cette configuration 2 constitue un mode préféré de réalisation de l'invention. En référence au diagramme de la figure 3, l'avance à l'échappement et le retard à l'admission sont obtenus cette fois non plus par un simple décalage de phase dans les lois de levée de soupape mais par un simple étalement dans ces lois de levée, ce qui revient en fait à réduire la trajectoire de la soupape par rapport aux circonstances normales, sans modifier sa vitesse. Ainsi, dans la configuration 3, on débute l'ouverture de la soupape d'échappement (courbe 5) au même instant que dans les autres circonstances (courbe 4). De plus, on débute la fermeture de la soupape d'échappement à un point de sa trajectoire (courbe 5) situé en-deçà d'un point auquel on débuterait sinon sa fermeture (courbe 4) pour que la fermeture s'achève lorsque le piston atteint le point mort haut. II s'ensuit que cette fermeture est obtenue ici encore avant que le piston ait atteint le point mort haut. Dans cette configuration, seule la loi de la soupape d'échappement a été modifiée par rapport aux circonstances normales, la loi de levée de la soupape d'admission étant inchangée. Enfin, dans la configuration 4, on réalise le même étalement à l'échappement que dans la configuration 3 et on ajoute un étalement similaire pour la soupape d'admission. Plus précisément, on débute l'ouverture de la soupape d'admission (courbe 6) à l'issue d'une période prédéterminée après que le piston a atteint le point mort haut. On débute la fermeture de la soupape d'admission à un point de sa trajectoire situé en- deça du point auquel on débuterait sinon sa fermeture (courbe 4) lorsqu'on a débuté son ouverture quand le piston atteint le point mort haut. Par conséquent, la trajectoire de la soupape est réduite. De plus, la fermeture s'achève au même moment que si elle s'achevait en circonstances normales, à savoir si l'ouverture avait été commandée alors que le piston était au point mort haut. La configuration 4 est elle aussi un mode préféré de réalisation de l'invention. Dans les configurations 1 à 4, l'avance de la fermeture à l'échappement sera par exemple égale à une valeur située entre 30 et 40 d'angle de vilebrequin. Dans les configurations 2 et 4, le retard à l'ouverture de l'admission sera par exemple situé entre 20 et 30 . Dans les configurations 1 et 2, les vitesses et les amplitudes des déplacements des soupapes sont inchangées par rapport aux cas de fonctionnement en charge moyenne ou forte. Dans les configurations 3 et 4, les vitesses des soupapes sont inchangées par rapport aux circonstances normales. s Des distributeurs 12 et 16 permettant de mettre en oeuvre ces lois de commande pourront être facilement réalisés à partir de distributeurs de l'art antérieur. On présente dans la suite pour les configurations 1 à 4 et pour un moteur classique des résultats d'essai au point de fonctionnement correspondant à 1 500 tours par minute et à 105 Pa de PME. On a illustré à la figure 5 l'influence de la distribution variable sur les émissions d'hydrocarbures (HCI) et sur la consommation de carburant (CSI) dans ces circonstances de fonctionnement. Les quantités d'hydrocarbures 1 o émises correspondent aux colonnes et doivent être lues en référence à l'axe des ordonnées de gauche. La consommation de carburant figure sur la courbe et doit être lue en référence à l'axe des ordonnées de droite. On a pareillement illustré sur la figure 6 l'influence de la distribution variable sur les émissions d'hydrocarbures ainsi que sur la température à l'échappement (TAVT). On remarque que, dans la configuration 2, le réglage retenu permet de réduire de 50% les émissions d'hydrocarbures et d'obtenir un gain de température à l'échappement de 45 C (fig. 6) pour une surconsommation de 10% (fig. 5). Dans la configuration 4, le réglage retenu permet de réduire les émissions d'hydrocarbures de 55% comme illustré à la figure 5 et d'obtenir un gain de température à l'échappement de 30 C comme le montre la figure 6 pour une surconsommation de 4% comme illustré à la figure 5. On note également que, quelle que soit la solution technique retenue parmi les configurations 2 et 4, l'ouverture retardée de l'admission permet de limiter la surconsommation de carburant comme illustré à la figure 5. Lorsqu'on ne retarde pas l'ouverture de l'admission comme dans les configurations 1 et 3, la température à l'échappement est plus importante. Ces configurations peuvent néanmoins être retenues dans des cas où l'on veut amorcer très rapidement le catalyseur d'oxydation même si la surconsommation s'avère importante. On note également que la solution technique constituée par les configurations 3 et 4 permet de limiter fortement la surconsommation. Cette solution est toutefois plus complexe et plus onéreuse mais pourra être retenue dans des cas où la consommation est la priorité numéro 1. La solution technique des configurations 1 et 2 a pour avantage d'être simple et bon marché. Elle permet une réduction des émissions d'imbrûlés à peu près aussi importante que dans la solution des configurations 3 et 4. En revanche, la surconsommation est plus élevée. Cette solution pourra être retenue dans des cas où le prix de revient est 1 o prioritaire. Il est important de noter que ces deux modes de réalisation ne sont que deux exemples parmi d'autres. Les résultats obtenus ne sont indiqués qu'à titre d'exemples. On peut mettre en oeuvre cette invention sur tous types de moteurs à combustion interne quel que soit le nombre de soupapes par cylindre. Les avantages de l'invention, notamment tels qu'illustrés par ces modes préférés de réalisation, sont nombreux à l'égard des moteurs de l'art antérieur. Ainsi, le document GB-2 327 711 divulgue d'introduire un retard à l'échappement au moyen d'un système de distribution variable. Cette solution paraît proposée en remplacement d'un circuit d'EGR externe. Toutefois, cette solution a pour défaut de ne pas permettre de refroidir les gaz d'EGR sur les points de forte charge. En l'absence de ce refroidissement, il est impossible d'atteindre de faibles niveaux d'émission de NOx. De plus, le moteur sera pénalisé en remplissage d'air car les gaz d'EGR internes chauds prendront beaucoup plus de place dans le cylindre. Contrairement à ce document, l'avance a l'échappement et le retard à l'ouverture mis en oeuvre dans le cadre de l'invention ne le sont que pour les faibles charges du moteur. Sur les points de fonctionnement moyennement et fortement chargés, c'est un circuit de gaz d'EGR externes classique avec un refroidisseur performant qui alimente le moteur en gaz brûlés fortement io refroidis. En effet sur ces points de fonctionnement, c'est principalement les émissions de NOx qu'il faut réduire. Les émissions d'imbrûlés sont plus faibles et le catalyseur d'oxydation est amorcé. Dans le document EP-0 560 476, on prévoit notamment de déphaser à la fois la loi d'échappement et la loi d'admission vers la droite, c'est-à-dire d'ouvrir et de fermer plus tard l'échappement et l'admission. Le décalage à l'échappement est de 40 de vilebrequin et le décalage à l'admission est de 24 . Cette différence de décalage permet d'augmenter le croisement et ainsi d'accroître le flux de gaz brûlés de l'échappement vers l'admission. Cette lo augmentation des gaz d'EGR internes peut permettre de réduire les émissions d'hydrocarbures. Toutefois, cette solution n'est pas du tout adaptée à un moteur diesel à injection directe. Retarder la fermeture de l'échappement risque d'entraîner le contact entre les soupapes et le piston. En effet, dans un moteur diesel, la distance entre le haut du piston au point mort haut et les soupapes est très faible, de sorte que sont généralement prévus des embraisements dans le piston pour éviter le contact. Il est donc impossible d'achever la fermeture de l'échappement après le point mort haut. Contrairement au contenu de ce document, l'invention prévoit une fermeture prématurée des soupapes d'échappement (30 à 40 de vilebrequin avant le point mort haut) pour piéger les gaz brûlés dans le cylindre. Cette solution, en plus de pouvoir être utilisée sur un moteur diesel car elle évite le contact soupape/piston, permet également d'obtenir des EGR internes plus chauds. De plus, dans ce document, les gaz d'EGR internes sont obtenus par transvasement de gaz brûlés dans l'admission pendant le croisement des soupapes (ouverture simultanée échappement et admission). Cette solution engendre plus de transfert thermique et donc des gaz d'EGR internes plus froids. Enfin, dans le document EP-1 387 074, qui est dédié au moteur essence à injection directe, on prévoit de fermer l'échappement plus tôt en déphasant la loi d'échappement afin d'augmenter la quantité d'EGR internes et ainsi de réduire les émissions de NOx et d'hydrocarbures. Contrairement 2877048 il au contenu de ce document, l'invention est applicable au moteur diesel à injection directe pour lequel la problématique de réduction des émissions d'imbrûlés est très liée à l'atteinte des futures normes de dépollution. D'autre part, ce document divulgue de fermer uniquement de façon prématurée l'échappement en le déphasant. Le déphasage du seul échappement sans modifier l'admission entraîne une surconsommation importante à cause de la compression des gaz imbrûlés (fermeture prématurée de l'échappement). Contrairement au contenu de ce document, en plus de la fermeture prématurée de l'échappement, l'invention prévoit une ouverture retardée de l'admission, qui permet de récupérer une partie du travail de compression des gaz brûlés. En effet, en retardant l'ouverture de l'admission, on permet la détente des gaz brûlés piégés dans le cylindre. La récupération du travail de détente permet de réduire de façon importante la surconsommation. Le second intérêt du retard à cette ouverture est de limiter le back-flow des gaz imbrûlés vers l'admission: La pression dans le cylindre étant plus faible au moment de l'ouverture de l'admission, une quantité plus faible de gaz brûlés s'engouffre dans l'admission. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. L'invention est applicable aux moteurs dont chaque cylindre comprend une unique soupape d'admission et une unique soupape d'échappement. Elle est également applicable aux moteurs dont chaque cylindre comprend deux soupapes de chaque espèce. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un moteur (2) de véhicule caractérisé en ce que: - on commande une fermeture d'au moins une soupape d'échappement de sorte que la fermeture soit achevée avant qu'un piston associé à la soupape ait atteint un point mort haut; et - on débute une ouverture d'au moins une soupape d'admission associée au piston après l'atteinte du point mort haut. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on commande lesdites fermeture et ouverture seulement lorsque la charge du moteur est inférieure à une valeur prédéterminée. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en qu'on débute une ouverture de la soupape d'échappement à un instant du cycle du piston antérieur à un instant auquel on débute, sinon, son ouverture pour que la fermeture s'achève lorsque le piston atteint le point mort haut. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on achève une fermeture de la soupape d'admission à un instant du cycle du piston auquel on achève sa fermeture si on a débuté son ouverture quand le piston atteint le point mort haut. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on débute la fermeture de la soupape d'échappement à un point d'une trajectoire de la soupape situé en-deçà d'un point auquel on débute, sinon, sa fermeture pour que la fermeture s'achève lorsque le piston atteint le point mort haut. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on débute une fermeture de la soupape d'admission à un point d'une trajectoire de la soupape situé en-deça d'un point auquel on débute, sinon, sa fermeture lorsqu'on a débuté son ouverture quand le piston atteint le point mort haut. 7. Moteur (2) de véhicule comprenant: - au moins un piston; et - des soupapes d'échappement et d'admission associées au piston, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande agencés pour: - commander une fermeture de la soupape d'échappement de sorte que la fermeture est achevée avant que le piston ait atteint un point mort haut; et - débuter une ouverture de la soupape d'admission après l'atteinte du point mort haut par le piston. 8. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (18) de recirculation des gaz d'échappement. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un moteur diesel à injection directe et allumage par compression.