Brevet FR2887589A1 — publié le 20061229

PROCEDE DE CONTRâLE D'UN MOTEUR A INJECTION DIRECTE LORS DU DEMARRAGE A FROID ET MOTEUR CORRESPONDANT La présente invention concerne un procédé de contrôle d'un moteur à injection directe, en particulier de type diesel, lors du démarrage à froid, et un moteur à injection directe correspondant. Les moteurs à injection directe comprennent classiquement une ou plusieurs chambres de combustion, des moyens d'injection de carburant dans lesdites chambres de combustion, au moins une conduite d'admission pour l'admission dans les chambres de combustion d'un comburant gazeux comprenant de l'air, au moins une conduite d'échappement pour l'échappement des gaz brûlés hors de la chambre. Pour réduire les émissions de polluants et pour contrôler le déroulement de la combustion, ces moteurs sont généralement équipés d'un dispositif de recyclage des gaz brûlés, appelé dispositif EGR , (de l'anglais Exhaust Gas recirculation ), comprenant au moins une conduite de recyclage faisant communiquer une sortie de dérivation de gaz brûlés ménagée dans la conduite d'échappement avec une entrée de gaz recyclés ménagée dans la conduite d'admission, et un système de contrôle de débit aptes à contrôler le débit de gaz brûlés recyclés admis dans les chambres de combustion. L'application de forts taux de gaz brûlés recyclés permet de contrôler la vitesse de combustion. Ce fort taux d'EGR est combiné à de faible taux de compression pour contrôler le début de la combustion et augmenter les niveaux de puissances spécifiques. Cette combinaison d'un faible taux de compression et d'un fort taux d'EGR assure une réduction du bruit moteur et des émissions de polluants sur les points chargés du cycle normalisé. La montée en pression et en température de la chambre de combustion lors de la phase de compression étant directement reliée aux taux de compression, ce faible taux de compression rend difficile le démarrage à froid du moteur. Pour résoudre ce problème de démarrage à froid, une première solution peut consister à augmenter le régime démarreur et/ou adapter les stratégies d'injection, notamment en augmentant l'avance à l'injection et/ou le débit de surcharge sous démarreur. L'augmentation du régime démarreur nécessite des démarreurs plus puissants et des capacités batteries plus élevées, ce qui implique une augmentation sensible de la consommation électrique pendant le démarrage. La modification des stratégies d'injection est dommageable pour la dilution du film d'huile sur les parois des cylindres et les niveaux d'imbrûlés (HC) et de fumées. Dans le cas d'une augmentation de l'avance à l'injection, le niveau de pression dans la chambre diminue avec l'avance, ce qui entraîne des mouillages de parois plus importants. Dans le cas d'une augmentation du débit de carburant, le mouillage des parois est également plus important. Le rendement de combustion lors du démarrage est médiocre et entraîne des niveaux de fumées et des émissions d'imbrûlés importants qui augmentent avec le débit injecté. Il a également été proposé d'ajouter une résistance chauffante dans le conduit d'admission pour réchauffer le comburant lors du démarrage à froid. Toutefois, l'introduction d'une résistance électrique assez puissante pour répondre à la problématique de démarrage à froid entraîne en plus du surcoût, une augmentation de la consommation électrique. Le but de la présente invention est de proposer une 30 solution visant à pallier les inconvénients précités, qui permet de faciliter le démarrage à froid d'un moteur à injection directe. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de contrôle d'un moteur à injection directe lors du démarrage à froid, ledit moteur comprenant au moins une chambre de combustion, des moyens d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion, au moins une conduite d'admission pour l'admission dans la chambre de combustion d'un comburant gazeux comprenant de l'air, au moins une conduite d'échappement pour l'échappement de gaz hors de la chambre de combustion, un dispositif de recyclage des gaz d'échappement comprenant au moins une conduite de recyclage faisant communiquer une sortie de dérivation de gaz d'échappement ménagée dans la conduite d'échappement avec une entrée de gaz recyclés ménagée dans la conduite d'admission de comburant, et un système de régulation de débit aptes à contrôler le débit de gaz recyclés admis dans la chambre de combustion, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend - une étape de recirculation en boucle fermée, via le dispositif de recyclage et par commande du système de régulation, des gaz d'échappement sur plusieurs cycles de compression/détente, avant toute injection de carburant, et de chauffage desdits gaz recirculés par des moyens de chauffage disposés sur ladite boucle fermée, - et, lorsque la température des gaz recirculés atteint une valeur seuil, assurant une évaporation puis une combustion correcte du carburant, une étape d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion par commande des moyens d'injection, et - une étape d'admission de comburant frais par commande dudit système de régulation de débit. La présente invention propose d'utiliser un dispositif de recyclage en boucle fermée avant l'injection de carburant, avec une mise en température des gaz recirculés beaucoup plus rapide par effet de bouclage avec des moyens de chauffage. Selon une particularité, ladite étape de recirculation est précédée d'une étape de remplissage de la 35 chambre de combustion en comburant frais via la conduite d'admission, ladite étape d'admission étant déclenchée sous l'effet du démarreur du moteur. Avantageusement, ladite étape de remplissage est réalisée sur un nombre de cycles de compression/détente compris entre 1 et 3. Avantageusement, lesdits moyens de chauffage sont activés dès la mise sous tension du moteur. Selon une autre particularité, l'étape d'admission de comburant consiste dans un premier temps à admettre dans la chambre de combustion le comburant frais avec des gaz d'échappement recyclés via la conduite de recyclage, puis à diminuer progressivement le taux de gaz d'échappement admis dans la chambre de combustion. La présente invention a également pour objet un moteur à injection directe, comprenant au moins une chambre de combustion, des moyens d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion, au moins une conduite d'admission pour l'admission dans la chambre de combustion d'un comburant gazeux comprenant de l'air, au moins une conduite d'échappement pour l'échappement de gaz hors de la chambre de combustion, un dispositif de recyclage des gaz d'échappement comprenant au moins une conduite de recyclage faisant communiquer une sortie de dérivation de gaz brûlés ménagée dans la conduite d'échappement avec une entrée de gaz recyclés ménagée dans la conduite d'admission de comburant et un système de régulation de débit apte à contrôler le débit de gaz recyclés admis dans la chambre de combustion via ledit conduit de recyclage, et une unité de contrôle apte à commander ledit système de régulation de débit et les moyens d'injection, caractérisé en ce que - ledit système de régulation de débit comprend un premier moyen de contrôle apte à obturer la sortie de dérivation dans une position ouverte et à obturer la conduite d'échappement en aval de ladite sortie de dérivation dans une position fermée, pour orienter à la totalité des gaz d'échappement dans la conduite de recyclage, et un second moyen de contrôle apte à obturer l'entrée de gaz recyclés dans une position ouverte pour permettre l'admission de comburant dans la chambre de combustion, et à obturer la conduite d'admission en amont de ladite sortie de dérivation dans une position fermée, ladite unité de contrôle étant apte à commander les premier et second moyens de régulation dans leur position fermée de manière à constituer un circuit de re-circulation en boucle fermée, ledit moteur comprenant sur ledit circuit en boucle fermée des moyens de chauffage pour chauffer les gaz admis dans la chambre de combustion et au moins un capteur de température reliés à ladite unité de contrôle, ladite unité de commande étant apte, lors du démarrage à froid du moteur, - à commander la mise en marche des moyens de chauffage, de préférence dès la mise sous contact du moteur, - éventuellement à actionner lesdits moyens de régulation dans leur position ouverte sous l'effet du démarreur pour remplir la chambre de combustion de comburant frais, - à actionner lesdits moyens de régulation dans leur position fermée, de préférence le premier moyen de régulation puis le second moyen de régulation, pour une recirculation en boucle fermée des gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion sur plusieurs cycles de compression/détente, - à commander les moyens d'injection de carburant lorsque la température des gaz recirculés détectée par le capteur de température atteint une valeur seuil, et - à ramener lesdits moyens de régulation vers leur position ouverte, de préférence progressivement, de manière à maintenir des taux de gaz recyclés importants jusqu'à ce que la stabilité du moteur soit établie. Selon un mode de réalisation, les moyens de régulation sont formés par des clapets pilotés en position par l'unité de contrôle. Selon un mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent au moins une résistance électrique disposée sur le conduit d'admission et/ou sur le conduit d'échappement. Le moteur comprend avantageusement au moins une résistance électrique sur le conduit d'échappement combinée à un catalyseur d'oxydation disposé sur le conduit d'échappement en aval de ladite résistance électrique, de préférence en aval de la sortie de dérivation. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particuliers actuellement préféré de l'invention, en référence au dessin schématique annexé, sur lequel: - la figure 1 représente une vue schématique d'un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de recyclage de gaz et de moyens de chauffage selon l'invention; - la figure 2 représente une première variante de réalisation du moteur à injection de la figure 1; et, - la figure 3 représente une deuxième variante de 25 réalisation du moteur à injection de la figure 1. La figure 1 représente un moteur à combustion interne M doté d'une conduite d'admission 1 de comburant, en particulier d'air, et d'une conduite d'échappement 2. Le moteur est équipé d'un dispositif de recyclage des gaz d'échappement comprenant une conduite de recyclage 3 et des moyens de contrôle de débit. La conduite de recyclage fait communiquer une entrée 11 de gaz recyclé ménagée dans la conduite d'admission de comburant, en amont du moteur, et une sortie 31 de dérivation de gaz ménagée dans la conduite d'échappement, en aval du moteur. Les moyens de contrôle de débit comprennent un volet dit d'échappement 4 et un volet dit d'admission 5. Le volet d'échappement 4 est monté au niveau de la sortie 21 de dérivation de gaz d'échappement, et est déplaçable entre une position ouverte, dans laquelle ladite sortie 21 est obturée, au moins partiellement obturée, de préférence totalement, et une position fermée dans laquelle la conduite d'échappement est obturée, de préférence totalement, en aval de ladite entrée de gaz pour diriger la totalité des gaz d'échappement dans la conduite de recyclage. Le volet d'admission 5 est monté au niveau de l'entrée 11 de gaz recyclés, et est déplaçable entre une position ouverte, dans laquelle l'entrée 11 est obturée, au moins partiellement obturée, de préférence totalement obturée, pour permettre l'admission de comburant, et une position fermée dans laquelle la conduite d'admission est obturée, de préférence totalement, en amont de ladite entrée. Les volets 4, 5 sont commandés en position par une unité de contrôle, constituée par l'unité électronique de contrôle moteur 6. L'unité électronique peut commander les deux volets dans leur position de fermeture, tel qu'illustré sur la figure 1, de manière à constituer un circuit de re-circulation en boucle fermée, formé par le tronçon 22 de conduit d'échappement situé en amont de la sortie 21 du conduit de recyclage, ledit conduit de recyclage, et le tronçon 12 de conduit d'admission situé en aval de l'entrée 11 du conduit de recyclage. L'unité électronique est reliée à un capteur de température 8 monté sur le tronçon 12 de la conduite d'admission, en aval de l'entrée 11, l'unité électronique étant apte à piloter en position les volets en fonction de la température détectée. L'unité électronique peut commander indépendamment les volets d'admission et d'échappement entre leur position de fermeture et leur position d'ouverture représentée en traits discontinus sur la figure 1, pour faire varier le débit de gaz recyclés admis dans les chambres de combustion du moteur. Le tronçon 12 de conduite d'admission est équipé de moyens de chauffage, disposés par exemple en amont du capteur de température, et commandé par l'unité électronique. Ces moyens de chauffage sont constitués d'une résistance électrique 7 montée dans le conduit d'admission de manière à être traversé par les gaz admis dans les chambres de combustion. Dès la mise sous contact du moteur M, l'unité électronique commande la mise sous tension de la résistance électrique 7 afin d'activer au plus vite sa montée en température. Lors des premiers cycles de compression/décompression des cylindres sous l'effet du démarreur, entre 1 et 3 cycles, le volet d'admission 5 et le volet d'échappement 4 sont totalement ouverts, dans leur position ouverte, afin de remplir en air frais les chambres de combustion des cylindres. Après ce cours laps de temps, l'unité électronique commande le volet d'échappement 4 et le volet d'admission 5 vers leur position de fermeture. Le volet d'échappement 4 est de préférence fermé avant le volet d'admission 5 afin d'assurer un remplissage moteur non dégradé. Les volets d'admission et d'échappement 4 et 5 étant en position fermée, le conduit d'échappement est entièrement relié au conduit d'admission via le conduit de recyclage 3, ce qui instaure un fonctionnement en circuit fermé. L'air fait ainsi plusieurs cycles complets et voit à chaque cycle sa température monter sous l'effet de la résistance électrique et de l'échauffement lors de la compression. La combinaison du fonctionnement en circuit fermé du 35 dispositif de recyclage associé à l'apport de calories par la résistance électrique permet une montée en température bien plus rapide qu'avec l'une ou l'autre solution prise séparément. En effet, si l'on prend le dispositif de recyclage en circuit fermé seul, sans résistance électrique, l'air subit plusieurs cycles de compression/détente ce qui entraîne un échauffement des gaz du fait de la non quasi-staticité du phénomène. L'échauffement reste toutefois faible, surtout pour des moteurs où le taux de compression (RVC) est réduit, par exemple pour des taux RVC 60 kW/l. De même l'utilisation d'une résistance électrique seule, sans boucle fermée n'est pas optimum du point de vue calories échangées puisque le gaz ne voit qu'une seule fois la résistance électrique. Pour obtenir un échauffement correct des gaz la puissance électrique dissipée doit être importante. Une fois que la température des gaz recirculés mesurée par le capteur de température est suffisante pour assurer une évaporation puis une combustion correcte du carburant, l'unité électronique commande l'injection du carburant dans des proportions classiques d'avance et de débit, sans débit de surcharge. Cette injection de type classique en avance et en débit rend la combustion correcte en terme de rendement et permet alors de limiter très sensiblement les émissions d'imbrûlés et de fumées. Le volet d'admission s'ouvre progressivement pour laisser le moteur se remplir en air frais et le volet d'échappement 4 s'ouvre progressivement pour garder dans un premier temps des taux de gaz brûlés recyclés EGR importants. Les combustions suivantes sont initiées grâce aux parois des de chambres de combustion réchauffées via les cycles précédents et aux taux importants de gaz EGR chauds. Lorsque la stabilité du moteur est établie, les volets sont amenés dans leur position ouverte. La figure 2 illustre une variante de réalisation dans laquelle la résistance électrique 70 est montée dans le conduit d'échappement 2, au niveau du tronçon 22 en amont de la conduite de recyclage 3. Pour le démarrage à froid du moteur M, l'effet d'augmentation de température obtenu par la résistance électrique 70 est identique à celui décrit précédemment. Dans cette configuration, la résistance électrique permet en outre de chauffer le conduit d'échappement lorsque le volet d'échappement 4 est en position ouverte, pour atteindre les températures nécessaires à la régénération d'un filtre à particule ou d'un piège à oxydes d'azote (NOx) par exemple. La résistance électrique peut également être associée à un catalyseur d'oxydation 9, classiquement utilisé sur les moteurs diesel, intercalé entre la sortie de dérivation et ladite résistance électrique. En plus de la prestation démarrage à froid, la résistance électrique permet alors de rendre actif le catalyseur d'oxydation très rapidement et réduit ainsi les émissions d'imbrûlés (HC) et d'oxydes de carbone (CO). La figure 3 illustre une deuxième variante de réalisation dans laquelle le moteur M comprend une résistance électrique 701 sur le conduit d'admission 1 et une résistance électrique 702 sur le conduit d'échappement 2. La présence de ces deux résistances électriques permet d'améliorer la montée en température des gaz lors du démarrage à froid. La résistance électrique 702 à l'échappement pourra être activée indépendamment de la résistance électrique 701 à l'admission, pour chauffer la conduite d'échappement après la phase de démarrage et/ou activer un catalyseur d'oxydation. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec 35 différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle d'un moteur à injection directe lors du démarrage à froid, ledit moteur comprenant - au moins une chambre de combustion, - des moyens d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion, - au moins une conduite d'admission pour l'admission dans la chambre de combustion d'un comburant gazeux 10 comprenant de l'air, - au moins une conduite d'échappement pour l'échappement de gaz hors de la chambre de combustion, - un dispositif de recyclage des gaz d'échappement comprenant au moins une conduite de recyclage faisant communiquer une sortie de dérivation de gaz d'échappement ménagée dans la conduite d'échappement avec une entrée de gaz recyclés ménagée dans la conduite d'admission de comburant, et un système de régulation de débit aptes à contrôler le débit de gaz recyclés admis dans la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend - une étape de recirculation en boucle fermée, via le dispositif de recyclage (11, 21, 3), des gaz d'échappement sur plusieurs cycles de compression/détente, et de chauffage desdits gaz recirculés par des moyens de chauffage (7; 70; 701, 702) disposés sur ladite boucle fermée, - et, lorsque la température des gaz recirculés atteint une valeur seuil, une étape d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion, et - une étape d'admission de comburant frais. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de recirculation est précédée d'une étape de remplissage de la chambre de combustion en comburant frais via la conduite d'admission (1), ladite étape d'admission étant déclenchée sous l'effet du démarreur du moteur (M) . 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de remplissage est réalisée sur un nombre de cycles de compression/détente compris entre 1 et 3. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage (7; 70; 701, 702) sont activés dès la mise sous tension du moteur (M). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape d'admission de comburant consiste dans un premier temps à admettre dans la chambre de combustion le comburant frais avec des gaz d'échappement recyclés via la conduite de recyclage (3), puis à diminuer progressivement le taux de gaz d'échappement admis dans la chambre de combustion. 6. Moteur à injection directe, comprenant - au moins une chambre de combustion, - des moyens d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion, - au moins une conduite d'admission pour l'admission dans la chambre de combustion d'un comburant gazeux comprenant de l'air, - au moins une conduite d'échappement pour l'échappement de gaz hors de la chambre de combustion, - un dispositif de recyclage des gaz d'échappement comprenant au moins une conduite de recyclage faisant communiquer une sortie de dérivation de gaz brûlés ménagée dans la conduite d'échappement avec une entrée de gaz recyclés ménagée dans la conduite d'admission de comburant et un système de régulation de débit apte à contrôler le débit de gaz recyclés admis dans la chambre de combustion via ledit conduit de recyclage, et - une unité de contrôle apte à commander ledit système de régulation de débit et les moyens d'injection, caractérisé en ce que ledit système de régulation de débit comprend un premier moyen de contrôle (4) apte à obturer la sortie de dérivation (21) dans une position ouverte et à obturer la conduite d'échappement (2) en aval de ladite sortie de dérivation dans une position fermée, et un second moyen de contrôle (5) apte à obturer l'entrée de gaz recyclés (11) dans une position ouverte pour permettre l'admission de comburant dans la chambre de combustion, et à obturer la conduite d'admission (1) en amont de ladite sortie de dérivation dans une position fermée, ladite unité de contrôle (6) étant apte à commander les premier et second moyens de régulation dans leur position fermée de manière à constituer un circuit de re-circulation en boucle fermée, ledit moteur comprenant sur ledit circuit en boucle fermée des moyens de chauffage (7; 70; 701, 702) pour chauffer les gaz admis dans la chambre de combustion et au moins un capteur de température (8), ladite unité de commande étant apte, lors du démarrage à froid du moteur, - à commander la mise en marche des moyens de chauffage, - à actionner lesdits moyens de régulation dans leur position fermée pour une recirculation en boucle fermée des gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion sur plusieurs cycles de compression/détente, - à commander les moyens d'injection de carburant lorsque la température des gaz recirculés détectée par le capteur de température atteint une valeur seuil, et - à ramener lesdits moyens de régulation vers leur position ouverte. 7. Moteur (M) à injection directe selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite unité de contrôle (6) est apte - à commander la mise en marche des moyens de chauffage (7; 70; 701, 702) dès la mise sous contact du moteur, - à actionner lesdits moyens de régulation (4, 5) dans leur position ouverte sous l'effet du démarreur pour remplir la chambre de combustion de comburant frais, - à actionner lesdits moyens de régulation dans leur position fermée, pour une recirculation en boucle fermée dudit comburant sur plusieurs cycles de compression/détente, - à commander les moyens d'injection de carburant lorsque la température du comburant recirculé atteint ladite valeur seuil, - et à ramener progressivement lesdits moyens de 15 régulation vers leur position ouverte. 8. Moteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de régulation sont formés par des clapets (4, 5) pilotés en position par l'unité de contrôle (6). 9. Moteur (M) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent au moins une résistance électrique (7; 70 701, 702) disposée sur le conduit d'admission (1) et/ou sur le conduit d'échappement (2). 10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résistance électrique (70) sur le conduit d'échappement (2) combinée à un catalyseur d'oxydation (9) disposé sur le conduit d'échappement en aval de ladite résistance électrique.