Brevet FR2924159A1 — publié le 20090529

L'invention concerne un procédé pour piloter un moteur thermique afin d'augmenter la température des gaz d'échappement produits par ce moteur. Elle s'applique aux moteurs à essence équipés d'un catalyseur et/ou d'un tur- bocompresseur, ainsi qu'aux moteurs Diesel équipés d'un filtre à particules et/ou d'un filtre dit DeNOx, c'est-à-dire apte à piéger les oxydes d'azote. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Sur un véhicule ayant un moteur à essence équipé d'un catalyseur, ou pot catalytique, le moteur est fréquemment piloté pour augmenter temporairement la température des gaz d'échappement qu'il génère. Un fonctionnement correct du pot catalytique est ainsi assuré dans toute situation de vie du véhicule, en particulier durant les petits déplacements, c'est-à-dire dans les phases où le moteur n'a pas atteint sa température nominale de fonctionnement. Durant ces phases, l'augmentation de la température des gaz d'échappement assure que le catalyseur tra- versé par ces gaz fonctionne à une température suffisante pour les dépolluer efficacement. Ceci est obtenu par exemple en modifiant l'avance d'allumage (cas des moteurs essence) et/ou la quantité de carburant injecté, pour enrichir le mélange de combus- tion, et en prévoyant éventuellement une injection supplémentaire. Additionnellement, une pompe électrique peut être prévue pour injecter un surplus d'air en sortie du moteur, afin de prolonger la combustion du mélange enrichi dans la tubulure d'échappement. Ce pilotage est avantageusement assuré par un logiciel implémenté dans une unité de commande ou calculateur associé au moteur thermique. Un moteur diesel équipé d'un filtre à particules est aussi régulièrement piloté pour augmenter la tempéra- 2 ture de ses gaz d'échappement, à chaque phase de régénération de ce filtre. En effet, cette régénération qui consiste principalement à brûler les particules emprisonnées dans le filtre est précédée par une réaction de catalyse nécessitant que les gaz d'échappements aient une température supérieure à leur température nominale, c'est-à-dire à la température qu'ont ces gaz lorsque le moteur a atteint un régime thermique stabilisé. L'augmentation de température est également déclenchée régulièrement si le moteur Diesel est équipé d'un filtre DeNOx qui lui aussi fait intervenir une catalyse nécessitant que les gaz d'échappement aient une température suffisamment élevée. Il est donc là aussi nécessaire d'augmenter la température des gaz d'échappement durant les petits trajets afin d'assurer un fonctionnement normal du catalyseur et/ou du filtre DeNOx lorsque le moteur n'a pas encore atteint sa température nominale. L'augmentation de température est alors provoquée en décalant le ou les angles d'injection du moteur, en court-circuitant éventuellement le circuit de refroidissement liquide du moteur pour augmenter sa température de fonctionnement. Il est aussi possible de piloter le sys- tème de suralimentation pour augmenter le débit d'air dans le moteur. L'augmentation de température peut également être nécessaire si le moteur, qu'il soit à essence ou Diesel, est équipé d'un turbocompresseur dont, par exemple, le fonctionnement optimal requiert que les gaz d'échappement aient atteint une certaine température minimale. D'une manière générale, dans ces solutions connues, l'augmentation de température est obtenue en mo- difiant le profil de combustion au moyen de l'avance 35 d'allumage, l'injection et la quantité d'air. 3 Il s'avère que ces solutions connues se traduisent par une augmentation très importante de la consommation de carburant. OBJET DE L'INVENTION Le but de l'invention est de proposer une solution pour augmenter la température des gaz d'échappement sans accroître la consommation de carburant de façon trop importante. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pilotage d'un moteur thermique comportant des chambres de combustion pourvues de soupapes d'échappement et reliées à un circuit d'évacuation de gaz d'échappement comportant au moins un composant traversé par ces gaz, ce composant ayant un fonctionnement optimal lorsque ces gaz ont une température supérieure à un seuil prédéterminé, chaque soupape d'échappement étant assujettie à un cycle d'ouverture/fermeture, et dans lequel on modifie temporairement le cycle d'ouverture/fermeture d'au moins une des soupapes d'échappement en fonction d'un paramètre de fonctionnement du moteur représentatif de la température des gaz d'échappement, pour augmenter la température de ces gaz jusqu'au seuil prédéterminé. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la modification du cycle d'ouverture et/ou de fermeture des soupapes d'échappement est assurée en pilotant des actionneurs du moteur qui peuvent être commandés pour ouvrir ou fermer chaque sou-pape d'échappement indépendamment de la position du vile-brequin du moteur. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la modification du cycle des soupapes est une anticipation dans le cycle moteur, de l'ouverture d'une ou plusieurs soupapes d'échappement de ce moteur afin d'augmenter la température par réduc- 4 tion de l'intervalle de temps séparant la combustion de l'échappement. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel les phases d'injection du moteur sont maintenues à leurs calages nominaux lorsque l'ouverture des soupapes d'échappement est anticipée. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel les angles d'allumage du moteur sont maintenus à leurs valeurs nominales lorsque l'ouverture des soupapes d'échappement est anticipée. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel on maintient fermées les soupapes d'échappement et d'admission associées à un ou plusieurs cylindres, durant plusieurs cycles moteurs corn- plets, afin de désactiver ce ou ces cylindres, pour augmenter la température des gaz d'échappement par accroissement de la charge appliquée aux autres cylindres. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel durant la désactivation d'un ou plusieurs cylindres, on arrête l'injection de carburant dans chaque cylindre désactivé. Chaque cylindre actif fonctionne alors avec un meilleur rendement : pour assurer le même couple global, la quantité de carburant nécessaire est alors moindre. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel on augmente la quantité de carburant injecté dans chaque cylindre actif durant la désactivation. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur thermique dans lequel est implémenté le pro-cédé selon l'invention ; - La figure 2 est un diagramme de cycle d'un cylindre de moteur thermique dans lequel le volume est re-présenté en abscisse et la pression en ordonnée ; - La figure 3 est un diagramme représentatif de l'évolution de la température dans un cylindre de moteur thermique en fonction de la position angulaire du vilebrequin du moteur. 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'idée à la base de l'invention est de maintenir une combustion nominale. Ceci est obtenu en modifiant non pas les paramètres d'injection et/ou d'allumage, mais en modifiant au contraire les lois de commande d'une ou plu- sieurs soupape d'échappement du moteur. Dans le cas d'un moteur à soupapes électromagnétiques, c'est-à-dire ayant un actionneur commandable associé à chaque soupape pour l'ouvrir ou la fermer, c'est simplement la loi de commande de levée d'une ou plusieurs soupapes d'échappement, c'est-à-dire de leurs actionneurs, qui est modifiée pour provoquer l'augmentation temporaire de la température des gaz d'échappement. Un tel moteur repéré par 1 dans la figure 1, comprend des chambres de combustion, ou cylindres, dont une est représentée schématiquement en étant repérée par 2. Elle est délimitée par une chemise 3, par une culasse 4, et par un piston 6 apte à coulisser dans la chemise. Le piston 6 est relié à un vilebrequin 7 par une bielle 8. La culasse 4 porte une soupape d'admission 9 et une soupape d'échappement 11 pilotée par un actionneur 12. La soupape d'échappement 11 est reliée à un circuit d'évacuation des gaz d'échappement 13 connecté à un composant 14 traversé par ces gaz. Ce composant 14 peut être selon le cas une turbine de turbo compresseur, un filtre à particule ou bien un pot catalytique. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les lois de commande des soupapes sont modifiées pour anticiper l'ouverture des soupapes d'échappement 11, afin de débuter l'évacuation des gaz brûlés plus tôt dans le cycle moteur. La température des 6 gaz est alors plus élevée du fait que l'intervalle de temps séparant la combustion de l'échappement est diminué. Comme représenté schématiquement par la courbe repérée par Cpv dans le diagramme de la figure 1, la pression et le volume d'un cylindre 2 de moteur thermique à quatre temps essence ou Diesel évoluent tout au long du cycle, le volume étant conditionné simplement par la position du piston 6. Le piston 6 étant initialement à son point mort haut, correspondant à un volume minimal, la ou les soupapes d'admission d'air frais 9 sont d'abord ouvertes, ce qui est repéré par OA sur la courbe Cpv. Le piston 6 descend ensuite pour aspirer de l'air dit frais, après quoi lorsqu'il atteint son point mort bas correspondant à un volume maximal, ces soupapes 9 sont fermées, ce qui est repéré par FA. Durant cette étape la pression correspond sensiblement à la pression du répartiteur d'admission, et le volume augmente. Le piston 6 remonte ensuite pour comprimer le contenu du cylindre 2, ce qui se traduit par une diminution du volume et une augmentation de la pression. Une fois le point mort haut atteint, la combustion du contenu du cylindre 2 provoque la descente du piston 6, ce qui se traduit par une augmentation de la pression suivie d'une diminution de celle-ci et d'une augmentation du volume correspondant à la descente du piston 6. L'échappement a lieu durant une dernière phase débutant par l'ouverture de la ou les soupapes d'échappement 11, ce qui est repéré par OE sur la courbe Cpv. Cette ouverture peut être provoquée légèrement avant que le piston 6 n'ait atteint son point mort bas, de sorte que la phase d'échappement débute par une pé- 7 riode coïncidant avec la fin de la combustion, et durant laquelle le volume du cylindre 2 continue d'augmenter. Une fois que le piston 6 a atteint son point mort bas, il remonte, de sorte que le volume du cylindre 2 di- minue, ce qui assure l'expulsion des gaz brûlés. La fermeture de ces soupapes d'échappement il, repérée par FE a lieu sensiblement lorsque le piston 6 a atteint son point mort haut, à peu près en même temps que l'ouverture OA des soupapes d'admission 9, pour débuter un nouveau cycle. Le cycle de fonctionnement du moteur qui est décrit ci-dessus correspond à un fonctionnement nominal du moteur thermique, c'est à dire à une situation dans la-quelle les gaz d'échappement n'ont pas à être réchauffés. Selon l'invention, le réchauffement des gaz d'échappements est obtenu en modifiant temporairement le cycle ci-dessus de manière à anticiper l'ouverture OE des soupapes d'échappement 11 par rapport à celui-ci. L'intervalle de temps séparant la combustion du début de l'échappement est ainsi diminué. En d'autres termes, cette anticipation qui est représentée par la flèche repérée par A dans les figures 1 et 2 permet de débuter l'expulsion des gaz brûlés à un instant où ils sont plus chauds, de manière à accroître la température des gaz ex- pulsés. Le décalage du point OE permet d'augmenter la température des gaz d'échappement, sans devoir modifier le calage de l'injection ou de l'allumage qui reste avantageusement à sa valeur nominale. Dans l'exemple des figures, au lieu d'être déclenchée en fin de phase de détente, l'ouverture OE est déclenchée plus tôt. Comme visible sur le graphe de la figure 2, la combustion du mélange contenu dans le cylindre se traduit par un pic de température. 8 La température décroît ensuite durant les phases de descente du piston 6, d'échappement, et d'aspiration d'air frais, et elle augmente ensuite lors de la compression de l'air frais. Comme le montre ce second graphe, si l'ouverture OE est déclenchée lorsque le volume vaut 5.10-4 m3, la température est alors 1750 °K environ, alors qu'en l'anticipant pour la provoquer dès que le volume du cylindre a atteint 2.10-6 m3 environ, la température dans le cylindre vaut alors 2100 °K (valeurs indicatives). Ainsi, l'invention permet d'augmenter significativement la température des gaz, sans qu'il soit nécessaire de dégrader la combustion. L'anticipation de l'ouverture OE peut être provo-quée en surveillant plusieurs paramètres de fonctionne-ment du moteur 1. Elle peut être déclenchée lorsqu'une évaluation ou une mesure de la température des gaz d'échappement révèle que celle-ci est insuffisante. Elle peut être déclenchée lors de la mise en ac- tion du moteur pour augmenter plus rapidement la température du catalyseur, ou dans certaines phases plus spécifiques. Elle peut aussi être déclenchée lors du besoin de régénération du filtre à particules ou du piège à Nox. Elle peut également être déclenchée lors de tran- sitoires d'accélération pour diminuer le temps de réponse du turbocompresseur. Le fait d'anticiper l'ouverture des soupapes d'échappement 11 présente une incidence d'ordre secondaire sur le couple délivré par le moteur, car l'essentiel de l'énergie est délivré en début de combustion, c'est-à-dire en début de descente du piston 6 après l'explosion, lorsque la soupape d'échappement 11 est encore fermée. Avantageusement, la légère diminution du couple 35 moteur provoquée par l'anticipation A de l'ouverture OE 9 peut être compensée en augmentant la quantité de carburant injecté dans les cylindres. Mais cette augmentation est très faible, de sorte que son incidence sur la consommation de carburant reste réduite, voire négligea- ble. Le pilotage des actionneurs de soupapes 12 et de l'injection est avantageusement assuré depuis un logiciel implémenté dans une unité de commande du moteur et éventuellement du système d'injection. Lorsque la température des gaz d'échappements doit être augmentée, c'est cette unité qui pilote automatiquement l'anticipation A de l'ouverture OE des soupapes d'échappement, ainsi que la faible augmentation de la quantité de carburant injecté dans les cylindres pour maintenir le couple moteur inchangé. Avantageusement, cette unité reçoit en entrée une température effective des gaz d'échappement, résultant par exemple d'un capteur monté dans la tubulure d'échappement, dans le filtre à particules ou le cataly- seur, et elle ajuste l'anticipation A de l'ouverture OE de manière à atteindre une valeur cible de température des gaz d'échappement. Dans un second mode de réalisation de l'invention, on agit sur certaines des soupapes d'échappement 11 pour désactiver un ou plusieurs cylindres du moteur thermique. Dans ce cas, les autres cylindres, c'est à dire les cylindres actifs, sont pilotés pour délivrer un couple moteur supérieur de manière à maintenir le couple dé- livré globalement par le moteur à son niveau nominal. En d'autres termes, la charge des autres cylindres est alors accrue, ce qui induit une augmentation de leur température de fonctionnement, et donc une augmentation de la température des gaz d'échappement. 10 Chaque cylindre peut être désactivé en maintenant ses soupapes d'échappement 11 et d'admission 9 fermées durant plusieurs cycles moteurs complets, et en coupant avantageusement l'injection de carburant dans chaque cy- lindre désactivé. Cette solution consistant à désactiver un cylindre 2 en maintenant ses soupapes d'admission et d'échappement 9 et 11 fermées permet de limiter la chute de température de chaque cylindre désactivé, pour facili- ter sa réactivation ultérieure. Le fait de couper l'injection dans chaque cylindre désactivé permet de limiter la consommation de carburant durant la phase d'augmentation de la température des gaz d'échappement. Parallèlement à la désactivation d'un ou plu-sieurs cylindres, la quantité de carburant injecté dans les cylindres actifs est augmentée pour maintenir un couple moteur inchangé, c'est à dire pour faire face à la surcharge mécanique subie par chaque cylindre restant ac- tif. Le fait de couper l'injection de chaque cylindre inactif et d'augmenter sensiblement la quantité de carburant injecté dans chaque cylindre actif se traduit par une diminution globale de la consommation, car les cylin- dres actifs fonctionnent alors avec un meilleur rende-ment. La désactivation d'un ou plusieurs cylindres et l'augmentation de carburant injecté dans les cylindres actifs sont pilotés automatiquement, tout comme dans le mode de réalisation précédent, depuis une unité de commande ou calculateur qui est associé au moteur. Dans les exemples décrits ci-dessus, l'invention est mise en oeuvre sur un moteur pourvu d'actionneurs de soupapes individuels tels que des actionneurs électroma- gnétiques. Mais l'invention s'applique aussi à d'autres 11 moteurs thermiques, pour lesquels l'ouverture et la fermeture des soupapes ne sont pas conditionnées exclusive-ment par la position angulaire du vilebrequin mais égale-ment par une commande hydraulique. Il s'agit par exemple des moteurs équipés du système VCM commercialisé par Honda, comprenant un arbre à came, mais dans lequel chaque paire de soupape est mue par un culbuteur commun ayant un linguet débrayable hydrauliquement. Il s'agit également des moteurs équipés du système MDS de Daimler Chrysler comprenant aussi un arbre à came, mais dans lequel un poussoir hydraulique débrayable est interposé entre chaque soupape et l'arbre à came. L'invention apporte notamment les avantages sui-15 vants : Elle permet de réduire significativement la sur-consommation de carburant apparaissant lorsque la température des gaz d'échappement doit être augmentée. Il n'est plus nécessaire de modifier l'angle 20 d'avance à l'allumage dans le cas d'un moteur à essence, et il n'est pas non plus nécessaire de modifier le calage de la ou les injections dans le cas d'un moteur Diesel ou essence. Ces grandeurs restent ainsi à leurs valeurs nomi-25 nales lorsque la température des gaz d'échappement est augmentée temporairement, ce qui contribue à diminuer si- gnificativement la surconsommation. 10 REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage d'un moteur thermique (1) comportant des chambres de combustion (2) pourvues de soupapes d'échappement (11) et reliées à un circuit d'évacuation de gaz d'échappement (13) comportant au moins un composant (14) traversé par ces gaz, ce composant ayant un fonctionnement optimal lorsque ces gaz ont une température supérieure à un seuil prédéterminé, cha- que soupape d'échappement (11) étant assujettie à un cycle d'ouverture/fermeture, et dans lequel on modifie temporairement le cycle d'ouverture/fermeture d'au moins une des soupapes d'échappement (11) en fonction d'un paramètre de fonctionnement du moteur représentatif de la tem- pérature des gaz d'échappement, pour augmenter la température de ces gaz jusqu'au seuil prédéterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la modification du cycle d'ouverture et/ou de fermeture des soupapes d'échappement (11) est assurée en pilotant des actionneurs (12) du moteur (1) qui peuvent être commandés pour ouvrir ou fermer chaque soupape d'échappement (11) indépendamment de la position du vilebrequin du moteur (7). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la modification du cycle des soupapes (11) est une anticipation dans le cycle moteur, de l'ouverture (0E) d'une ou plusieurs soupapes d'échappement (11) de ce moteur afin d'augmenter la température par réduction de l'intervalle de temps séparant l'explosion de l'échappement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les phases d'injection du moteur sont maintenues à leurs calages nominaux lorsque l'ouverture (0E) des soupapes d'échappement (11) est anticipée. 13 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les angles d'allumage du moteur sont maintenus à leurs valeurs nominales lorsque l'ouverture (0E) des sou-papes d'échappement (11) est anticipée. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on maintient fermées les soupapes d'échappement (11) et d'admission (9) associées à un ou plusieurs cylindres (2), durant plusieurs cycles moteurs complets, afin de désactiver ce ou ces cylindres (2), pour augmen- ter la température des gaz d'échappement par accroisse-ment de la charge appliquée aux autres cylindres. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel durant la désactivation d'un ou plusieurs cylindres (2), on arrête l'injection de carburant dans chaque cylindre désactivé. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel on augmente la quantité de carburant injecté dans chaque cylindre actif durant la désactivation.