Brevet FR2928686A3 — publié le 20090918

FR 2928686 A3 20090918 FR 0801377 A 20080313 La présente invention concerne un procédé de régénération d'un dispositif de post-traitement d'un système d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier un moteur Diesel, et notamment un moteur à combustion interne d'entraînement d'un véhicule automobile. L'invention porte aussi sur un support de données comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre du procédé de régénération. L'invention porte encore sur un système de distribution mettant en oeuvre ce procédé et sur un moteur comprenant un tel système de distribution. Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans les lignes d'échappement des moteurs à mélange pauvre. Ceux-ci permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces systèmes appelés pièges fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est-à-dire qu'en fonctionnement normal ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors de phases de régénération. Ainsi, pour être régénérés, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques du moteur afin de garantir des niveaux de thermique et/ou de richesse nécessaires. Afin de répondre aux futures réglementations européennes (à commencer par la norme Euro 5), les moteurs Diesel doivent être mis au point de façon à produire le moins possible d'émissions polluantes à l'échappement, le reste devant être converti par des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. MS\REN076FR.dpt Les moteurs Diesel, par leur fonctionnement spécifique, émettent dans leurs gaz d'échappement des suies que l'on nomme également particules. Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un filtre à particules est implanté dans la ligne d'échappement, en aval des chambres de combustion du moteur. Ce filtre retient les particules qui s'accumulent en son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur. Les moteurs à combustion interne émettent également des réducteurs tels que des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO. En présence d'oxygène, de matériaux catalytiques (tel que le platine) et à température élevée, ils s'oxydent. Afin de diminuer ces émissions polluantes, on dispose également dans la ligne d'échappement, soit un catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, soit directement un matériau catalytique au sein du filtre (que l'on nomme alors filtre à particules catalytique). L'accumulation de particules finit par boucher le filtre, créant une forte contre-pression à l'échappement du moteur (c'est-à-dire que les gaz ont du mal à s'échapper du moteur), ce qui diminue considérablement ses performances. Afin de recouvrer les performances du moteur, on doit brûler les particules contenues dans le filtre à particules ; cette procédure s'appelle: la régénération du filtre à particules. L'initialisation et le maintien de la combustion des particules dans le filtre s'obtiennent par élévation de la température interne du filtre à particules. Cette élévation de température peut être obtenue par plusieurs moyens complémentaires : Réduction de la masse d'air admise permettant d'augmenter les richesses de fonctionnement et, par conséquent, les niveaux de température échappement. Ceci est obtenu par vannage du moteur à l'admission (boîtier papillon) et/ou baisse MS\REN076FR.dpt de la pression de suralimentation fournie par le turbocompresseur; Activation de consommateurs électriques du véhicule (thermoplongeurs, lunette chauffante arrière, ... ) qui augmentent la charge électrique sur l'alternateur. Pour obtenir le même couple aux roues motrices du véhicule, le moteur doit du coup générer plus de couple via une augmentation du débit de carburant injecté. Ceci conduit également à augmenter la température échappement; Modification du schéma d'injection. Cette modification est décrite ci-après. Comme représenté à la figure 1, en mode d'injection normale, le motif d'injection est constitué d'une préinjection 101 placée avant le point mort haut et d'une injection principale 102 phasée aux environs du point mort haut. En complément et suivant le domaine de fonctionnement relativement au régime et/ou à la charge, on peut ajouter une seconde préinjection 101' ainsi qu'une injection supplémentaire 103 appelée after-injection après le point mort haut. Cette dernière est placée juste après l'injection principale et permet de réduire les émissions de suies. Comme représenté à la figure 2, en mode d'injection de régénération aux charges modérées, le motif d'injection comprend une seule préinjection 201 qui est retardée par rapport à la préinjection du mode d'injection normal, tout comme l'injection principale 202. Ce transfert des deux injections vers la phase de détente permet d'augmenter la température des gaz d'échappement du fait de la dégradation du rendement. Cependant, aux charges moteur modérées où la température des gaz d'échappement est naturellement faible, ceci n'est pas suffisant pour obtenir le niveau de température nécessaire en entrée du filtre à particules (de l'ordre de 620°C). On ajoute dès lors deux post-injections: MS\REN076FR.dpt une post-injection 203 dite proche dont l'objectif est de brûler dans le cylindre pour accroître davantage la température à l'échappement (au niveau de la sortie de culasse) et une post-injection 204 dite tardive placée juste avant le point mort bas et dont l'objectif est de fournir du carburant imbrûlé qui ne va pas brûler dans le cylindre mais dans le catalyseur d'oxydation en produisant de la chaleur. Comme représenté à la figure 3, en mode d'injection de régénération aux charges élevées, le motif d'injection est identique au motif précédent mais la post-injection proche n'est plus nécessaire, la thermique naturelle du moteur étant plus élevée. Dans ce cas, on utilise une seule préinjection 301, une injection principale 302 et une post-injection tardive 304. La post-injection tardive génère un exotherme dans le catalyseur d'oxydation qui est suffisant pour atteindre la température d'entrée de filtre à particules nécessaire pour brûler les suies. Le problème principal associé à l'utilisation de post-injections est la dilution de l'huile moteur par le carburant injecté. Ceci est particulièrement le cas avec la post-injection tardive qui ne brûle pas car les conditions de pression et de température présentes dans le cylindre au moment de l'injection (c'est-à-dire en fin de détente) ne sont pas suffisantes pour assurer son auto-inflammation. Par conséquent, les jets de carburant pénètrent fortement au sein de la chambre et le gasoil s'évapore très peu. Hormis la partie de carburant évacuée sous forme vapeur vers l'échappement, le reste vient impacter le fût du cylindre avec à la clef une dilution de l'huile moteur par le gasoil. Ceci dégrade la tenue en fiabilité du moteur et nécessite des intervalles de vidange réduits et donc coûteux pour le client. MS\REN076FR.dpt Le principal problème concerne le fonctionnement aux faibles charges (où la pression moyenne effective est typiquement de l'ordre de 1 bar). Sur ce type de point de fonctionnement, en mode d'injection normale, les températures des gaz à l'échappement sont très faibles (de l'ordre de 150°C). Ces faibles charges (dans lesquelles les débits injectés sont faibles) se rencontrent couramment sur les roulages à faible vitesse (par exemple de type urbain). Sur ces points de fonctionnement, il est très difficile d'atteindre une température de 620°C en entrée du filtre à particules sans avoir recours à de très forts débits post-injectés (qui diluent fortement et conduisent souvent à des exothermes trop élevés dans le catalyseur) ou à des artifices permettant d'augmenter la charge du moteur (c'est-à-dire les débits injectés). On peut par exemple utiliser des thermoplongeurs qui permettent d'augmenter la charge électrique sur l'alternateur et donc la charge du moteur thermique. Ces thermoplongeurs (par exemple quatre bougies venant chauffer le liquide de refroidissement moteur) sont coûteux et ils ne sont désormais plus nécessaires pour chauffer l'habitacle (car on utilise maintenant des résistances chauffantes directement dans le circuit de conditionnement d'air de l'habitacle pour assurer cette fonction). Dans le brevet US 6,568,173, il est décrit une utilisation d'un turbocompresseur assisté électriquement pour augmenter la température des gaz d'échappement et ainsi régénérer plus facilement le filtre à particules. Ce type de turbocompresseur est classiquement utilisé pour améliorer la réponse en transitoire, c'est-à-dire améliorer l'augmentation de couple lors de phases d'accélération. Un moteur électrique alimenté par la batterie est relié à l'axe du turbocompresseur. Il vient entraîner ce dernier lors des phases d'accélération afin que le compresseur monte plus rapidement en régime et fournisse au plus tôt sa pression de MS\REN076FR. dpt suralimentation nominale. Pour la régénération du filtre à particules, il est proposé d'utiliser le moteur électrique en mode frein (récupération d'énergie électrique) afin de créer une contre-pression en amont de la turbine. Cette dernière conduit à un travail résistant au niveau du moteur thermique dans lequel on devra injecter plus de carburant pour conserver un même couple sur l'arbre. Cette augmentation du débit de carburant injecté permet d'augmenter les températures échappement et donc la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules. On connaît aussi du document US 2007/0062179 un procédé de régulation de la température d'un piège à NOx d'un système d'échappement d'un moteur thermique. Dans ce procédé, on agit sur le phasage du diagramme de distribution pour modifier la température des gaz d'échappement. Ainsi, on avance la période d'ouverture des soupapes d'échappement et on retarde la période d'ouverture des soupapes d'admission pour augmenter la température des gaz d'échappement. On effectue les opérations inverses pour réduire la température des gaz d'échappement. Ces actions simultanées sur les soupapes d'admission et d'échappement affectent très peu le rendement et le pompage du moteur. Le but de l'invention est de fournir un procédé de régénération d'un système de post-traitement des gaz d'échappement permettant d'obvier aux inconvénients identifiés précédemment et permettant d'améliorer les procédés de régénération connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé de régénération simple ne nécessitant pas de prévoir de système annexe au moteur pour assurer la régénération du système de post-traitement lors de fonctionnements du moteur à faibles charges. Le procédé objet de l'invention est un procédé qui est en outre alternatif à ceux connus de l'art antérieur. MS\REN076FR.dpt Le procédé de régénération selon l'invention permet de régénérer un dispositif de post-traitement d'un système d'échappement d'un moteur à combustion interne. Il est caractérisé en ce qu'il comprend une phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne, cette modification étant de nature à augmenter le travail de pompage du moteur. Pendant la phase de modification, le travail de pompage du moteur peut être augmenté d'au moins 100% par rapport à sa valeur hors phase de modification. La phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne peut comprendre un retardement de l'ouverture des soupapes d'admission. La phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne peut comprendre un retardement de la fermeture des soupapes d'admission, le retardement de l'ouverture étant éventuellement égal au retardement de la fermeture. Le retardement de l'ouverture des soupapes d'admission peut se faire à angle de fermeture des soupapes d'admission fixe. La phase de modification du diagramme de distribution du moteur à 25 combustion interne peut comprendre une diminution de la levée des soupapes d'admission. La phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne peut exclure toute modification du diagramme 30 d'ouverture des soupapes d'échappement. MS\REN076FR.dpt 20 Le procédé de régénération peut s'appliquer à un dispositif de post-traitement de moteur Diesel. Le procédé de régénération peut s'appliquer à un filtre à particules. Selon l'invention, un support de données comprend des moyens logiciels de mise en oeuvre du procédé de régénération défini précédemment. Selon l'invention, un système de distribution comprend des moyens 10 matériels et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de régénération défini précédemment. Les moyens matériels peuvent comprendre des moyens de modification du diagramme de distribution, notamment des moyens de modification du 15 diagramme d'ouverture des soupapes d'admission. Selon l'invention, un moteur à combustion interne, en particulier un moteur Diesel, comprend un système de distribution défini précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, des moyens de mise en oeuvre d'un procédé de régénération d'un dispositif de post-traitement selon l'invention. 25 Les figures 1 à 3 sont des schémas de motifs d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne connus de l'art antérieur. La figure 4 est un schéma montrant l'effet d'un déphasage de l'admission sur le pompage du moteur. MS\REN076FR.dpt 20 30 La figure 5 est un schéma montrant l'effet d'un déphasage de l'admission sur la température des gaz d'échappement. La figure 6 est un schéma d'un moteur auquel s'applique l'invention. La figure 7 est un schéma illustrant l'effet d'un dispositif déphaseur sur le diagramme de distribution d'un moteur. La figure 8 est un schéma d'un mode de réalisation d'un dispositif à 10 étalement et levée variable. La figure 9 est un schéma illustrant l'effet d'un dispositif à étalement et levée variable sur le diagramme de distribution d'un moteur. 15 Le principe de l'invention repose sur une augmentation du pompage du moteur (c'est-à-dire une augmentation du travail résistant dans le moteur) obtenue par modification du diagramme de distribution du moteur (c'est-à-dire une modification des caractéristiques d'état d'ouverture (calage, durée, levée) des soupapes d'admission et/ou des soupapes 20 d'échappement, notamment une modification des angles d'ouverture et/ou de fermeture des soupapes). Cette augmentation du pompage provoque une augmentation de la charge du moteur (définie comme la quantité de carburant injecté) pour permettre d'obtenir le même couple mécanique sur l'arbre de sortie du moteur. Ceci a pour conséquence une 25 augmentation de la température des gaz d'échappement. Ainsi, il est possible de réguler la température des gaz d'échappement en modifiant le diagramme de distribution du moteur. Cette régulation peut notamment permettre de mettre en oeuvre des procédés de régénération de dispositifs de post-traitement de systèmes d'échappement, notamment 30 un procédé de régénération d'un filtre à particules d'un moteur Diesel. MS\REN076FR. dpt5 Notamment, un tel procédé permet une régénération des dispositifs de post-traitement lorsque le moteur fonctionne à faible charge, par exemple lorsque le moteur entraîne un véhicule automobile à faible vitesse. Le procédé de régénération de dispositif de post-traitement s'applique à un moteur 1 à combustion interne représenté à la figure 6. Le moteur 1 comprend un bloc moteur 2, un système de distribution 3 définissant le diagramme d'ouverture des soupapes contrôlant les flux de gaz dans le bloc moteur et un système d'échappement 6 comprenant un dispositif 7 de post-traitement. Le moteur comprend encore un calculateur contrôlant le fonctionnement du moteur. Le calculateur comprend différents moyens et notamment des moyens matériels et/ou logiciels régissant le comportement du moteur en fonction de l'état dans lequel il se trouve et des sollicitations qu'il subit. Le système de distribution comprend une unité de commande contrôlant la modification du diagramme de distribution. Cette unité de commande comprend des moyens matériels et/ou logiciels permettant de commander un dispositif 20 de modification du diagramme de distribution, notamment de modification du diagramme d'admission. Les moyens logiciels comprennent par exemple des programmes informatiques. Par exemple, le système de distribution peut comprendre un dispositif déphaseur, notamment pour déphaser le diagramme d'ouverture des soupapes d'admission. Un dispositif déphaseur permet de décaler tout le diagramme d'ouverture : les angles d'ouvertures de soupapes sont modifiés de la même valeur que les angles de fermeture des soupapes. Ce dispositif déphaseur comprend par exemple des moyens pour décaler angulairement une poulie (ou une roue) d'entraînement d'un arbre à cames par rapport à cet arbre à cames. Ce décalage peut être obtenu par alimentation en huile sous pression de chambres constituées dans la poulie et présentant des parois mobiles constituées par des éléments de MS\REN076FR.dpt l'arbre à cames ou vice versa. L'alimentation des chambres est par exemple obtenue par une électrovanne pilotée par l'unité de commande 5. Le graphique de la figure 7 illustre la modification du diagramme d'admission permise par un dispositif de déphasage. La courbe de levée de soupape est décalée angulairement. Alternativement, le système de distribution peut comprendre un dispositif 20 à étalement et levée variable, notamment pour modifier le diagramme d'ouverture des soupapes d'admission. Un tel dispositif est décrit en référence à la figure 8. Il comprend principalement un levier 14 dont un point d'appui peut être modifié. Le levier est animé par l'action d'une came 15 de l'arbre à cames de distribution, il est rappelé dans une position de contact avec cette came grâce à un ressort 18. Dans son mouvement, le levier agit sur un linguet 16 agissant lui-même sur une soupape 17. Le dispositif à étalement et levée variable comprend aussi une came 13 de positionnement en contact avec le levier 14 pour définir un point d'appui de celui-ci. Cette came est excentrée sur une roue 12 pouvant être déplacée en rotation par une vis sans fin 11 entraînée en rotation par un moteur électrique 10. La rotation de la roue 12 modifie la position de la came 13 et donc celle du levier 14. Le diagramme de distribution s'en trouve modifié. Le moteur électrique est commandé par exemple par l'unité de commande 5. Le graphique de la figure 9 illustre la modification du diagramme d'admission permise par un dispositif de déphasage. L'angle d'ouverture de soupape est modifié sans que l'angle de fermeture de soupape soit modifié et la levée de soupape est également modifiée. MS\REN076FR.dpt30 Un mode d'exécution du procédé de régénération d'un dispositif de post-traitement d'un système d'échappement de moteur à combustion interne de véhicule automobile est décrit plus en détail ci-après. Le début du procédé de régénération est par exemple déclenché par le calculateur 4 qui peut détecter grâce à des capteurs un besoin de régénération du dispositif de post-traitement. Alternativement, le calculateur peut commander une nouvelle mise en oeuvre du procédé de post-traitement à l'issue d'un délai prédéterminé depuis la dernière mise en oeuvre du procédé de régénération. Dans ce procédé de régénération, on va rechercher des températures de gaz d'échappement élevées, par exemple de manière à ce que le dispositif de post-traitement soit porté à une température d'environ 620°C. A une telle température, les polluants stockés dans le dispositif de post-traitement sont brûlés ou oxydés. Par exemple, dans le cas d'un filtre à particules, les suies sont brûlées. Pour atteindre ces températures, on peut mener parallèlement plusieurs 20 actions : comme vu dans l'art antérieur, on peut notamment modifier les caractéristiques de l'injection et/ou augmenter la charge de l'alternateur, alternativement ou complémentairement, selon l'invention, on 25 modifie le diagramme de distribution du moteur. De préférence, cette modification du diagramme de distribution consiste exclusivement en une modification du diagramme d'admission. Comme vu précédemment, cette modification est commandée par l'unité de 30 commande agissant sur le dispositif déphaseur ou sur le dispositif à étalement et levée variables. Cette modification du diagramme MS\REN076FR.dpt d'admission a pour conséquence de retarder l'ouverture des soupapes d'admission par rapport à leur angle d'ouverture hors procédé de régénération. De préférence, cette modification du diagramme d'admission est maintenue pendant toute la durée du procédé de régénération. Une fois le dispositif de post-traitement régénéré les caractéristiques du diagramme de distribution reprennent leurs valeurs initiales. L'ampleur de la modification du diagramme de distribution est de préférence fonction du point de fonctionnement du moteur. En effet, plus le moteur fonctionne à faible charge et plus il est nécessaire d'agir fortement sur la distribution pour obtenir une température de gaz d'échappement suffisamment élevée pour garantir la régénération du dispositif. Selon l'invention, on modifie le diagramme de distribution de manière à augmenter significativement le pompage. De préférence, on augmente le travail de pompage du moteur d'au moins 100%. En effet, si l'on ouvre les soupapes admission tard après le point mort haut, on effectue une détente des gaz qui crée un travail résistant sur le piston. Pour fournir le même couple effectif sur l'arbre, on doit donc injecter plus de carburant avec à la clef une augmentation de la richesse et donc des températures échappement. Le graphique de la figure 4 met en évidence l'augmentation du travail de pompage suite à un retardement de 40° de l'angle d'ouverture des soupapes d'admission. Le graphique de la figure 5 met quant à lui en évidence l'augmentation de température des gaz d'échappement du fait d'un tel retardement. Le gain est d'environ 45°C. Ceci est valable à isodébit d'air, c'est-à-dire que l'on ne dégrade pas le taux d'oxygène à MS\REN076FR.dpt l'entrée du filtre à particules, qui, avec la température, est le second paramètre conditionnant la régénération efficace des suies contenues dans un filtre à particules. MS\REN076FR.dpt Revendications : 1. Procédé de régénération d'un dispositif (7) de post-traitement d'un système d'échappement (6) d'un moteur à combustion interne (1), caractérisé en ce qu'il comprend une phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne, cette modification étant de nature à augmenter le travail de pompage du moteur. 2. Procédé de régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant la phase de modification, le travail de pompage du moteur est augmenté d'au moins 100% par rapport à sa valeur hors phase de modification. 3. Procédé de régénération selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne comprend un retardement de l'ouverture des soupapes d'admission. 4. Procédé de régénération selon la revendication 3, caractérisé en ce que la phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne comprend un retardement de la fermeture des soupapes d'admission ou un retardement de la fermeture des soupapes d'admission égal au retardement de l'ouverture des soupapes d'admission. 5. Procédé de régénération selon la revendication 3, caractérisé en ce que le retardement de l'ouverture des soupapes d'admission se fait à angle de fermeture des soupapes d'admission fixe. MS\REN076FR.AM1 au propre.dpt30 6. Procédé de régénération selon la revendication 5, caractérisé en ce que la phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne comprend une diminution de la levée des soupapes d'admission. 7 Procédé de régénération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de modification du diagramme de distribution du moteur à combustion interne exclut toute modification du diagramme d'ouverture des soupapes d'échappement. 8. Procédé de régénération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique à un dispositif de post-traitement de moteur Diesel. 9. Procédé de régénération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique à un filtre à particules. 20 10. Support de données lisible par un ordinateur, comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre des étapes du procédé de régénération selon l'une des revendications précédentes. 11. Système de distribution (3) comprenant des moyens matériels (20, 25 5, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de régénération selon l'une des revendications 1 à 9. 12. Système de distribution selon la revendication 11, caractérisé en ce 30 que les moyens matériels comprennent des moyens (20, 5, 10, 11, 12, 13, 14, 18) de modification du diagramme de `distribution, MS\REN076FR.AM1 au propre.dpt15notamment des moyens de modification du diagramme d'ouverture des soupapes d'admission. 13. Moteur (1) à combustion interne, en particulier moteur Diesel, 5 comprenant un système de distribution (3) selon la revendication 11 ou 12. MS\REN076FR.AM1 au propre.dpt