Brevet FR2926518A1 — publié le 20090724

PROCEDE DE COMMANDE D'UN MOTEUR HYBRIDE ET MOTEUR CORRESPONDANT [0001] L'invention concerne les moteurs de véhicules automobiles, et en particulier les moteurs hybrides accouplant un moteur à combustion interne à un moteur électrique. [0002] Du fait d'une hausse continue des prix des carburants et de la nécessité environnementale de réduire les émissions de polluants, la réduction de consommation des véhicules automobiles est un enjeu majeur. Des moteurs hybrides, combinant un moteur à combustion interne et un moteur électrique, ont été développés et constituent une solution prometteuse en vue de la réduction de consommation de carburant. Ces véhicules sont alimentés alternativement ou simultanément par le moteur électrique et le moteur à combustion interne. Lorsque le moteur à combustion interne est stoppé, le véhicule est entraîné par le moteur électrique alimenté en énergie par une batterie. La batterie est rechargée par de l'énergie fournie par le moteur électrique en mode générateur, entraîné par le moteur à combustion interne. [0003] Bien que les moteurs à combustion interne diesel présentent un meilleur rendement énergétique que les moteurs à combustion interne à allumage commandé, des contraintes techniques limitent l'utilisation des moteurs diesel dans les motorisations hybrides. [0004] La plage optimale de régime d'utilisation d'un moteur diesel est typiquement comprise entre 2000 et 4000 tours/minute, tout en s'étendant pour les faibles régimes jusqu'à environ 1500 tours/minute. Le couple lui s'adapte au besoin du client (ou du cycle d'homologation). A la différence d'un moteur à allumage commandé qui fonctionne normalement avec un mélange air/carburant proche du rapport stoechiométrique de la réaction de combustion, un moteur diesel, en particulier en utilisation urbaine ou en vitesse stabilisée, fonctionne avec des quantités carburant très inférieures au maximum admissible par le moteur, maximum qui sera rencontré dans des conditions dites de pleine charge comme expliqué par la suite de ce mémoire. Dans ces conditions, la combustion doit se faire en excès d'air également û autrement dit avec une richesse de mélange très inférieure à 1 - ceci si on ne veut pas pénaliser la consommation de façon rédhibitoire (même avec la présence de moyens pour réinjecter une partie des gaz d'échappement à l'admission). Fonctionner ainsi en mélange pauvre est néanmoins très pénalisant pour ce qui concerne la génération d'oxydes d'azote d'autant qu'on ne sait pas les éliminer à l'échappement de façon simple. [0005] Les catalyseurs 3 voies, généralement utilisés pour des moteurs à allumage commandé, sont inopérants avec un moteur diesel, du fait d'un excès d'oxygène induit par la richesse du mélange inférieure à 1. Pour réduire les rejets d'oxydes d'azote, il est notamment connu de réduire la quantité générée par des réglages appropriés de l'injection ou en utilisant un dispositif de recyclage des gaz d'échappement. Pour améliorer la dégradation des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, une solution consiste à effectuer un traitement par réduction catalytique sélective. [0006] Une autre solution consiste à munir le moteur à combustion interne d'un piège à NOx et de régénérer ce piège en faisant fonctionner ponctuellement le moteur à combustion interne à une richesse de 1. Le moteur à combustion interne ne peut être maintenu que transitoirement à ce niveau de richesse sans dépasser les seuils tolérés d'émission de particules et sans induire une température excessive des gaz d'échappement. Le document JP2004197703 décrit un moteur diesel muni d'un échappement incluant un dispositif d'épuration. Le dispositif d'épuration comprend un catalyseur d'oxydation d'oxydes d'azotes, suivi d'un filtre à particules et d'un piège à oxydes d'azotes. Le moteur est épisodiquement et ponctuellement commandé à un point de fonctionnement augmentant la température des gaz d'échappement et accroissant la richesse du moteur à 1, de sorte que le piège réduise les oxydes d'azote qu'il stocke. [0007] Toutes ces solutions aboutissent à une augmentation de la consommation du moteur 20 diesel, augmentant la quantité des polluants autres que les oxydes d'azote et rendant cette technologie moins compétitive par rapport à un moteur à allumage commandé. [0008] L'invention vise à fournir un moteur hybride électrique/combustion interne diesel permettant de réduire la consommation et le coût de fabrication du moteur. L'invention porte ainsi sur un procédé de commande d'un moteur hybride comprenant un moteur électrique 25 accouplé à un moteur à combustion interne diesel muni d'un catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes, le procédé comprenant le maintien continu du moteur à combustion interne à des points de fonctionnement avec un mélange combustible (carburant/comburant) à richesse est sensiblement égale à 1. [0009] De préférence, pour ces points on fonctionne à pleine charge, ce qui permet de ne pas 30 trop pénaliser la consommation. A noter que ceci n'est possible que sur un véhicule hybride, pour lequel il est possible de découpler au moins pour partie la charge du moteur des conditions de roulage. [0010] Selon une variante, le moteur à combustion interne est maintenu aux dits points de fonctionnement pendant toute une phase de recharge d'une batterie par le moteur électrique 5 entraîné par le moteur à combustion interne. [0011] Selon encore une variante, le procédé comprend le maintien du moteur à combustion interne dans une plage de régime comprise entre 1000 et 2000 tours par minute, et de préférence dans une plage de régime comprise entre 1250 et 1750 tours par minute. [0012] Selon une autre variante, le moteur à combustion interne est maintenu à un régime 10 stabilisé compris exclusivement dans une desdites plages aux dits points de fonctionnement. [0013] Selon encore une autre variante, le couple délivré par le moteur à combustion interne est modifié en modifiant une pression de suralimentation appliquée à l'admission du moteur à combustion interne. [0014] Selon une variante, le moteur à combustion interne est maintenu à pleine charge en 15 maintenant un papillon de contrôle d'air d'admission dudit moteur à combustion interne à un degré d'ouverture supérieur à 80% et de préférence supérieur à 90%. [0015] Selon encore une variante, le moteur à combustion interne est ponctuellement commandé à un point de fonctionnement dans lequel il subit une injection tardive ou une injection divisée. 20 [0016] Selon une autre variante, le procédé comprend une phase de démarrage et une phase d'arrêt du moteur à combustion interne, le moteur à combustion interne étant maintenu en continu aux dits points de fonctionnement entre les phases de démarrage et d' arrêt. [0017] Selon encore une autre variante, le mélange combustible présente une richesse supérieure à 0,96 aux dits points de fonctionnement, ou plus précisément une richesse dans une 25 plage de valeur permettant le bon fonctionnement d'un catalyseur réducteur de NOx. [0018] Selon une variante, le moteur à combustion interne est accouplé à un dispositif de transmission réducteur de vitesse, le rapport de réduction du dispositif de transmission étant adapté automatiquement en fonction du niveau de sollicitation d'une pédale d'accélérateur connectée au moteur hybride. [0019] L'invention porte également sur un moteur hybride pour véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne diesel muni d'un circuit d'échappement ; un moteur électrique accouplé au moteur à combustion interne ; un catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes monté dans le circuit d'échappement et une commande du moteur à combustion interne configurée pour le maintenir à des points de fonctionnement et dans lesquels le mélange combustible présente une richesse sensiblement égale à 1, et de préférence pour lesquels, le moteur est il est sensiblement à pleine charge. [0020] Selon une variante, le moteur comprend un catalyseur trois voies monté dans le circuit d'échappement et incluant ledit catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes. [0021 ] Selon une variante, le circuit d'échappement est exempt de piège à oxydes d'azotes. [0022] Selon encore une variante, le moteur comprend en outre une pédale d'accélérateur connectée au moteur hybride, et un dispositif de transmission réducteur de vitesse dont le rapport de réduction est adapté automatiquement en fonction du niveau de sollicitation de la pédale d'accélérateur. [0023] Selon une autre variante, la commande est configurée pour commander le moteur à combustion interne avec un procédé de commande tel que décrit ci-dessus. [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique un véhicule automobile muni d'un moteur hybride à moteur à combustion interne diesel ; - la figure 2 illustre un moteur à combustion interne et son circuit d'échappement ; - la figure 3 compare des points de fonctionnement d'homologation d'un moteur à combustion interne utilisé dans l'invention et ceux d'un moteur à combustion interne selon l'art antérieur. [0025] La richesse du mélange combustible désigne le rapport entre la quantité de combustible mélangée au comburant et la quantité de combustible nécessaire pour réaliser sa combustion stoechiométrique avec le comburant. [0026] Pour un moteur à allumage commandé, la charge du moteur peut être assimilée au niveau de perte de charge de l'air traversant l'admission, correspondant par exemple au niveau d'ouverture du papillon de contrôle d'air d'admission. Une charge maximale correspondra par exemple à l'ouverture maximale du papillon de contrôle d'air d'admission. Par contre pour un moteur diesel pour lequel l'utilisation du papillon à l'admission en se fait que de façon marginale sur des points à très faible couple, la pleine charge sera définie par rapport à la quantité carburant maximale calibrée sous contrainte. Ces contraintes sont les fumées sur les faibles régimes sur la génération précédente de moteurs, ou la richesse 1 sur ces même faibles régimes, la configuration de la chambre de combustion ne produisant que peu de particules, et n'ayant pas d'intérêt à aller au delà. La contrainte devient la température à l'échappement pour les régimes plus élevés, ce qui explique pourquoi, même sur une chambre de combustion moderne, un moteur diesel opère avec une combustion en excès d'air au delà de 2000 tr/min environ. [0027] L'invention propose de modifier le mode de commande d'un moteur à combustion interne diesel d'un moteur hybride de véhicule automobile. Le moteur diesel est maintenu en continu à des points de fonctionnement dans lesquels le mélange combustible présente une richesse sensiblement égale à 1. Autrement dit, on préconise de fonctionner avec régime faible et la quantité carburant maximale pour ce régime et la pression de suralimentation utilisée ce qui correspond à un couple important, de préférence voisin de celui correspondant à une pleine charge. [0028] L'invention permet de notablement réduire la consommation de carburant tout en respectant les seuils de rejet d'oxydes d'azote et de particules. L'invention permet également de munir le moteur à combustion interne diesel d'un catalyseur à 3 voies incluant un catalyseur réducteur d'oxydes d'azote, du type utilisé avec les moteurs à allumage commandé, le moteur étant alors commandé à des points de fonctionnement où il est compatible avec un tel catalyseur. [0029] La figure 1 représente schématique une architecture possible pour une chaîne de traction hybride. Le moteur hybride comprend notamment un moteur à combustion interne diesel 1 présentant un arbre de sortie la. L'arbre de sortie la est sélectivement accouplable à un arbre d'entrée d'un moteur électrique 5 par l'intermédiaire d'un embrayage 6. Le moteur électrique 5 est connecté électriquement à une batterie 8. Un arbre de sortie 4 du moteur électrique 5 est connecté à un arbre d'entrée 3a d'un dispositif de transmission réducteur de vitesse 3. Le dispositif de transmission réducteur de vitesse 3 présente un arbre de sortie 3b sélectivement accouplable à des roues 2 par l'intermédiaire d'un embrayage 7. Le véhicule comprend en outre un dispositif de commande 9 intervenant sur le fonctionnement du moteur à combustion interne 1, de l'embrayage 6, du moteur électrique 5, du dispositif de transmission réducteur de vitesse 3 et de l'embrayage. Il doit être noté que les architectures de chaînes de traction hybride sont multiples, et que d'une façon générale, la chaîne de fraction hybride correspond à toute association d'un mode de traction électrique au moteur thermique permettant de dé-corréler la puissance délivrée par le moteur thermique de la puissance absorbée par le véhicule (allant jusqu'à un véhicule se déplaçant avec un moteur thermique arrêté, ce qui correspond à une définition d'une chaine de traction dite � Full Hybride �) [0030] Le dispositif de commande 9 commande notamment la richesse du mélange combustible admis dans les chambres de combustion du moteur 1. A cet effet, le moteur 1 est avantageusement muni de capteurs permettant de déterminer la quantité d'air admise dans les chambres de combustion. Par ailleurs, la quantité de carburant injectée dans les chambres de combustion peut être régulée par la commande des injecteurs. On peut également prévoir une sonde de mesure de la richesse afin de contrôler précisément ce niveau de richesse et afin de corriger les dispersions et les dérives des injecteurs. Le dispositif de commande 9 commande également l'angle d'ouverture d'un papillon de contrôle d'air d'admission et l'injection dans les chambres de combustion du moteur à combustion interne. [0031] Le dispositif de commande 9 commande l'injection dans les chambres de combustion et l'ouverture du papillon de contrôle de gaz d'admission de sorte que le moteur à combustion interne est maintenu en continu à des points de fonctionnement avec une richesse sensiblement égale à 1, avec pour conséquence comme indiqué précédemment une charge sensiblement maximale, c'est à dire être à faible régime et avec un couple important. Le moteur 1 sera maintenu par exemple maintenu à pleine charge en maintenant le papillon de contrôle d'air d'admission à un degré d'ouverture supérieur à 80%, de préférence supérieur à 90%. [0032] Dans ces conditions de fonctionnement, les oxydes d'azote générés dans la chambre de combustion peuvent être effectivement traitées par un simple catalyseur réducteur d'oxyde d'azote, une richesse typiquement à un niveau supérieur à 0,96 pour permettant de se placer dans la plage de fonctionnement optimal du catalyseur. [0033] De plus, avec une telle richesse de mélange combustible, le moteur à combustion interne diesel peut être accouplé à un catalyseur à 3 voies sans perturber le fonctionnement de son catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes, en l'absence d'oxygène en excès. Un catalyseur 3 voies du type utilisé avec les moteurs à allumage commandé peut ainsi être accouplé au moteur diesel 1. [0034] Le maintien du moteur à combustion interne 1 à de tels points de fonctionnement est avantageusement réalisé dans une plage de régime comprise entre 1000 et 2000 tours par minute, de préférence dans une plage de régime comprise entre 1250 et 1750 tours par minute. Pour ces points de fonctionnement et dans ces plages de régime, le moteur à combustion interne ne génère pas des gaz d'échappement ayant une température excessive. Autant que possible, le moteur à combustion interne 1 sera maintenu à un régime stabilisé dans ces plages de régime et pour ces points de fonctionnement. [0035] Le moteur 1 appartenant à un moteur hybride, il subira de fréquents démarrages et arrêts durant le fonctionnement du véhicule. Le moteur 1 sera avantageusement maintenu en continu à ces points de fonctionnement en dehors de ses phases de démarrage et d'arrêt. [0036] Le moteur hybride est connecté à une pédale d'accélérateur dont le niveau d'enfoncement définit le couple moteur requis par l'utilisateur. Lorsque le couple requis par le conducteur sera inférieur au couple délivré par le moteur à combustion interne 1 à son point de fonctionnement, la commande 9 pourra avantageusement placer le moteur 5 en mode générateur de courant pour charger la batterie 8 et créer un couple résistant pour le moteur à combustion interne 1. Lorsque le moteur est utilisé à des points de fonctionnement sur une plage de régime réduite, il est avantageusement accouplé au dispositif de transmission réducteur de vitesse 3 commandé pour adapter automatiquement son rapport de réduction en fonction du niveau de sollicitation de la pédale d'accélérateur. Une plage de régime réduite ne nuit ainsi pas à l'agrément d'utilisation du moteur hybride. [0037] Le couple délivré par le moteur à combustion interne 1 pourra être modifié en modifiant une pression de suralimentation appliquée à l'admission. Ainsi, la position du papillon de contrôle de l'air d'admission pourra être maintenue à pleine ouverture pour garantir un point de fonctionnement à pleine charge, tout en variant le couple généré par le moteur 1. La pression de suralimentation pourra être modifiée en variant le seuil d'ouverture d'une soupape de décharge d'un turbocompresseur, en particulier dans le cas d'une turbine à géométrie fixe. La pression de suralimentation pourra également être modifiée par réglage de la géométrie d'une turbine à géométrie variable de turbocompresseur. [0038] Afin de maintenir une richesse de 1, tout en pouvant élargir et moduler la plage de fonctionnement du moteur, le moteur 1 pourra transitoirement être commandé à un point de fonctionnement dans lequel il subit une injection tardive ou une injection divisée. [0039] La figure 2 illustre le moteur 1 et son circuit d'échappement 11. Un catalyseur trois voies 12 est disposé dans le circuit d'échappement 11. Le catalyseur 12 comprend un catalyseur destiné à réaliser la réduction des oxydes d'azote, un catalyseur pour réaliser l'oxydation des monoxydes de carbone et un catalyseur pour réaliser l'oxydation des hydrocarbures imbrulés. [0040] Un filtre à particule 13 est avantageusement placé dans le circuit d'échappement 1l, pour compenser une légère augmentation de la quantité de particule émise par le moteur à combustion interne aux dits points de fonctionnement. La régénération du filtre à particule 13 pourrait être effectuée aisément, pour les niveaux de charge et de température d'échappements atteints pour ces points de fonctionnement. Le filtre à particule 13 est disposé en aval du catalyseur 12. [0041] Avantageusement, le circuit d'échappement est exempt de piège à oxydes d'azote, ce 20 qui permet de réduire la consommation du moteur à combustion interne 1 et d'en réduire le prix de revient. [0042] Le circuit d'échappement 11 présentera un dimensionnement adéquat permettant d'assurer un temps raccourci de mise en température du catalyseur 12. Ainsi, l'efficacité de la conversion des polluants NOx, CO et HC sera obtenue peu de temps après le démarrage du 25 moteur à combustion interne. Avec un dimensionnement approprié, on pourra envisager de ne pas munir le moteur 1 de dispositif de recyclage de gaz d'échappement (et par conséquent de refroidisseurs et de doseurs associés). La complexité du moteur 1 et de son contrôle seraient alors sensiblement réduite. [0043] La figure 3 compare les zones de fonctionnement d'homologation respectives d'un 30 moteur à combustion interne classique (zone en trait discontinu) et de ce même moteur à combustion interne placé dans un moteur hybride selon l'invention (zone grisée en pointillé). La courbe continue illustre le couple maximal du moteur. Le régime moteur en tours par minute est illustré en abscisse, le couple moteur étant illustré en ordonnée. Le moteur à combustion interne commandé selon l'invention fonctionnant sensiblement à pleine charge, il délivre un couple proche du couple maximal dans toute sa zone de fonctionnement. Sa zone de fonctionnement est sensiblement incluse dans une plage de régime allant de 1000 à 2000 tours par minute, avec une richesse sensiblement égale à 1. Le régime maximal de la zone de fonctionnement pourra par exemple être sensiblement égal à la moitié du régime pour lequel le moteur délivre sa puissance maximale. Par comparaison, le moteur à combustion interne classique dispose d'une zone de fonctionnement s'étendant sensiblement entre 1000 et 5000 tours par minute. En dehors de la zone de fonctionnement proposée pour l'invention (faible régime / forte charge), le fonctionnement du moteur se fait en excès d'air, donc interdisant toute réduction de NOx par un catalyseur réducteur et nécessitant donc un système beaucoup plus couteux de type piège à NOx. [0044] Contrairement à un moteur à combustion interne classique, un moteur hybride n'a pas à subir un cycle d'homologation dans lequel ses émissions polluantes seraient mesurées sur toute sa plage de régime. Dans un véhicule à moteur hybride, le cycle d'homologation est décorrélé du régime et du point de fonctionnement de son moteur à combustion interne. Ainsi, malgré que le moteur à combustion interne puisse présenter un niveau d'émission inadapté sur une partie de sa plage de régime, cela ne nuirait pas à l'homologation du véhicule hybride puisque cette partie de la plage de régime ne serait en pratique pas utilisée. Ainsi, de futures normes d'émission de polluants pourraient plus facilement être respectées et le moteur hybride serait plus facile à homologuer. [0045] Un dimensionnement adéquat du moteur 1, du moteur 5 et de la batterie 8 permet de 25 délivrer transitoirement une puissance suffisante pour satisfaire aux exigences d'accélération édictées dans les cycles d'homologation. [0046] Bien que le dispositif de commande 9 soit illustré sous la forme d'un même composant, différents composants pourront être utilisés pour réaliser des fonctions identiques. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un moteur hybride comprenant un moteur électrique (5) accouplé à un moteur à combustion interne diesel (1) muni d'un catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes, le procédé comprenant le maintien continu du moteur à combustion interne (1) à des points de fonctionnement avec un mélange combustible à richesse est sensiblement égale à 1. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits points de fonctionnement sont sensiblement à pleine charge. 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le moteur à combustion interne (1) est maintenu aux dits points de fonctionnement pendant toute une phase de recharge d'une batterie (8) par le moteur électrique (5) entraîné par le moteur à combustion interne (1). 4. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant le maintien du moteur à combustion interne (1) dans une plage de régime comprise entre 1000 et 2000 tours par minute, et de préférence dans une plage de régime comprise entre 1250 et 1750 tours par minute. 5. Procédé de commande selon la revendication 4, dans lequel le moteur à combustion interne (1) est maintenu à un régime stabilisé compris exclusivement dans une desdites plages aux dits points de fonctionnement. 6. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le couple délivré par le moteur à combustion interne (1) est modifié en modifiant une pression de suralimentation appliquée à l'admission du moteur à combustion interne. 7. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur à combustion interne (1) est maintenu à pleine charge en maintenant un papillon de contrôle d'air d'admission dudit moteur à combustion interne à un degré d'ouverture supérieur à 80% et de préférence supérieur à 90%. 8. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur à combustion interne (1) est ponctuellement commandé à un point de fonctionnement dans lequel il subit une injection tardive ou une injection divisée. 9. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une phase de démarrage et une phase d'arrêt du moteur à combustion interne (1), le moteur à combustion interne étant maintenu en continu aux dits points de fonctionnement entre les phases de démarrage et d'arrêt. 10. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélange combustible présente une richesse supérieure à 0,96 aux dits points de fonctionnement. 11. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur à combustion interne est accouplé à un dispositif de transmission réducteur de vitesse (3), le rapport de réduction du dispositif de transmission étant adapté automatiquement en fonction du niveau de sollicitation d'une pédale d'accélérateur connectée au moteur hybride. 12. Moteur hybride pour véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne diesel (1) muni d'un circuit d'échappement (11) ; un moteur électrique (5) accouplé au moteur à combustion interne ; un catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes (12) monté dans le circuit d'échappement (11), le moteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une commande (9) du moteur à combustion interne (1) configurée pour le maintenir à des points de fonctionnement dans lesquels le mélange combustible présente une richesse sensiblement égale à 1. 13. Moteur hybride selon la revendication 12, comprenant un catalyseur trois voies (12) monté dans le circuit d'échappement (11) et incluant ledit catalyseur réducteur d'oxydes d'azotes. 14. Moteur hybride selon la revendication 12 ou la revendication 13, dans lequel le circuit d'échappement est exempt de piège à oxydes d'azotes. 15. Moteur hybride selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, comprenant en outre une pédale d'accélérateur connectée au moteur hybride, et un dispositif de transmission réducteur de vitesse dont le rapport de réduction est adapté automatiquement en fonction du niveau de sollicitation de la pédale d'accélérateur.