Brevet FR3027963A1 — publié le 20160506

PROCEDE DE TRAI TEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR THERMI QUE DANS UN VEHI CULE HYBRIDE Le domaine technique de l'invention est celui des véhicules hybrides comportant un moteur thermique et un moteur électrique, et dont l'entraînement est réalisé essentiellement en mode électrique. L'invention se rapporte à un procédé de traitement des gaz d'échappement issus de ce moteur thermique, ledit traitement étant réalisé par un dispositif de dépollution comprenant un catalyseur. La plus grande partie des émissions de particules polluantes par un moteur thermique est produite pendant l'amorçage du catalyseur, c'est-à-dire pendant la montée en température du catalyseur à partir d'un démarrage à froid du moteur, car l'efficacité de traitement du catalyseur est faible à basse température. Pour un véhicule dépourvu de moteur électrique et fonctionnant en permanence en mode thermique sur chaque trajet, l'amorçage du catalyseur n'est effectué qu'une seule fois, lors du premier démarrage du véhicule. La montée en température peut être obtenue par un mode de combustion particulier, dans lequel l'injection de carburant dans les cylindres est retardée, de façon à dégrader le rendement de combustion et à augmenter les rejets de calories à l'échappement. Par la suite, les pertes thermiques du moteur dans son mode de combustion normal suffisent à maintenir le catalyseur largement au-dessus de sa température d'amorçage. Sur les motorisations hybrides, le moteur thermique du véhicule peut être amené à être arrêté après son premier démarrage à froid, pendant la durée d'un trajet. . Il est alors avantageux de maintenir le catalyseur amorcé pendant la durée d'arrêt, pour que le traitement des émissions de particules polluantes soit efficace lors du redémarrage. Pour les motorisations hybrides légères (connues sous l'acronyme 30 anglais « mild hybrid ») fonctionnant essentiellement en mode thermique, notamment celles du type comprenant un moteur thermique et un alternodémarreur apte à assurer une fonction d'arrêt et de redémarrage automatique (connue sous l'acronyme anglais : « start and stop »), les arrêts du moteur thermique sont généralement de très courte durée et ne sont donc pas de nature à désamorcer le catalyseurn. Par désamorçage, on entend le fait que la température du catalyseur descende en dessous de la température d'amorçage. Aucune mesure particulière n'est donc nécessaire. En revanche, des études portant sur les motorisations hybrides fonctionnant essentiellement en mode électrique, c'est-à-dire de type dit PHEV (de l'anglais Plug-in Hybrid Electric Vehicle) montrent que les arrêts du moteur thermique sont statistiquement plus longs, avec un risque certain de désamorçage du catalyseur. En effet, dans ces motorisations, le moteur thermique n'est utilisé pour produire un couple utile à l'entraînement du véhicule que lorsque le besoin total en couple d'entraînement dépasse la capacité maximale du moteur électrique. Il peut donc être arrêté durablement. Les conséquences d'un tel arrêt se déduisent de la figure 1, qui est un graphique montrant l'évolution temporelle de la température dans un catalyseur. En abscisse, on a représenté le temps, et en ordonnée, respectivement le régime du moteur thermique (échelle de droite) et la température (échelle de gauche). La courbe en traits pleins représente le régime et la courbe en pointillés la température. L'instant t = Os correspond au premier démarrage à froid du moteur thermique, à partir duquel on démarre l'amorçage du catalyseur. Le régime du moteur est stabilisé à une valeur de l'ordre de 1500 tour/min. A l'instant t= 200s, le moteur thermique est arrêté, son régime descendant presque instantanément à 0 tour/min, alors que la température du catalyseur est voisine de 500°C. Après une courte phase d'augmentation de la température, due à la coupure de l'arrivée d'air et de carburant dans le moteur, la température du catalyseur commence à descendre. Environ 400 secondes après l'arrêt du moteur, la température est descendue à 400°C, et environ 1000 secondes après l'arrêt, elle n'est plus que de 250°C, entraînant le désamorçage du catalyseur. Selon la durée de l'arrêt et la température d'amorçage du catalyseur, qui dépend notamment de la nature du catalyseur et de son état, il existe un risque qu'au redémarrage du moteur thermique, le traitement des émissions de particules polluantes soit inefficace. Il convient donc de prendre des mesures pour éliminer ce risque. De manière connue, on peut limiter le risque de désamorçage en retardant la perte de température dans le catalyseur, par exemple en l'encapsulant dans des matériaux isolants pour limiter les pertes thermiques. On peut aussi abaisser la température de désamorçage du catalyseur en enrichissant sa charge en métaux précieux, mais ces mesures palliatives ont une efficacité limitée et sont coûteuses. Elles sont en particulier inefficaces en cas d'arrêt de longue durée du moteur thermique. On peut aussi prévoir un chauffage continu du catalyseur, par exemple par une résistance thermique, mais cette mesure consomme beaucoup 15 d'énergie en entraîne une surconsommation de carburant. Dans d'autres procédés connus, on vise à modifier et/ou à optimiser l'amorçage du catalyseur. Par exemple, on connaît de U56057605, pour un moteur hybride, un procédé de réchauffage d'un catalyseur dans lequel on augmente le couple 20 fourni par le moteur thermique au-delà du besoin de couple d'entraînement du véhicule. Le moteur électrique, fonctionnant en mode alternateur, absorbe l'écart de couple. Le surcroît de couple thermique permet d'accélérer le réchauffage du catalyseur et donc son amorçage. Toutefois, dans ce document, il est toujours nécessaire d'amorcer le catalyseur au démarrage du 25 moteur thermique, ce qui n'est pas instantané. Par conséquent le traitement des émissions polluantes peut rester inefficace à chaque redémarrage du moteur. Un procédé de traitement des gaz d'échappement selon l'invention permet d'éliminer les défauts des procédés connus, en maintenant en 30 permanence la température du catalyseur au-dessus de sa température d'amorçage. L'invention propose pour cela de provoquer un redémarrage du moteur thermique lorsque la température du catalyseur descend jusqu'à la température d'amorçage. Contrairement à un premier démarrage à froid, pour lequel la montée en température est obtenue par un mode de combustion particulier, dans 5 lequel l'injection de carburant dans les cylindres est retardée, de façon à dégrader le rendement de combustion et à augmenter les rejets de calories à l'échappement, un mode de combustion normal suffit ici à produire assez de pertes thermiques pour empêcher la température du catalyseur de descendre en dessous de la température d'amorçage et de l'augmenter progressivement. 10 On peut ensuite arrêter le moteur thermique dès que la température est remontée jusqu'à une température d'efficacité maximale du catalyseur, qui est supérieure à la température d'amorçage. De manière particulièrement avantageuse, l'invention propose de limiter au juste nécessaire le nombre de redémarrages du moteur thermique 15 d'un véhicule hybride nécessaires au maintien de l'amorçage du catalyseur de dépollution. De cette manière, un tel procédé permet d'éviter une usure prématurée du moteur thermique, et de limiter à la fois les émissions de dioxyde de carbone (CO2)et la consommation de carburant. Pour cela, elle tient compte de l'état du catalyseur, plus précisément de 20 son vieillissement. Par exemple, un catalyseur neuf et en parfait état de fonctionnement peut présenter une température d'amorçage de l'ordre de 250°C, tandis qu'un catalyseur vieilli, par exemple après 160.000 kilomètres parcourus par le véhicule, peut présenter une température d'amorçage de l'ordre de 400°C. 25 Le vieillissement du catalyseur est déterminé par sa capacité à stocker de l'oxygène, connue également sous l'abréviation OSC (acronyme anglais pour : Oxygen Storage Capacity). La connaissance de la température d'amorçage liée au vieillissement permet d'ajuster le seuil de température du catalyseur auquel on déclenche le 30 redémarrage du moteur thermique. En référence à la figure 1, on comprend que le moteur doit être redémarré 400 secondes après son arrêt pour que la température du catalyseur ne descende pas en dessous de 400°C, mais seulement 1000 secondes après son arrêt pour que la température ne descende pas en dessous de 250°C. Le procédé selon l'invention permet donc de gagner 600 secondes sur le délai de redémarrage du moteur thermique pour un catalyseur neuf par rapport à un catalyseur vieilli. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule hybride, le traitement étant réalisé au moyen d'un dispositif comprenant un catalyseur. La principale caractéristique d'un procédé selon l'invention, est qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de détermination de la capacité du catalyseur à stocker de l'oxygène OSC, permettant d'évaluer son état de vieillissement, - une étape de détermination de la température du catalyseur en temps réel, - une étape de comparaison de ladite température avec la température d'amorçage du catalyseur correspondant à sa capacité à stocker de l'oxygène OSC, - une étape de redémarrage du moteur thermique, lorsque la température du catalyseur descend jusqu'à la température d'amorçage. Avantageusement, un procédé de traitement selon l'invention, est piloté par un calculateur embarqué dans le véhicule. De façon préférentielle, l'étape de détermination de la capacité du catalyseur à stocker l'oxygène (OSC) comprend des étapes de mesure de richesse réalisées au moyen d'une sonde de richesse amont placée à l'entrée du catalyseur et d'une sonde de richesse aval placée à la sortie dudit catalyseur, ladite capacité (OSC) étant fonction de la différence entre les amplitudes des signaux de richesse mesurées par lesdites sondes. Préférentiellement, chaque sonde émet un signal électrique qui est 30 représentatif de la richesse mesurée. De façon avantageuse, l'étape de détermination de la température du catalyseur est réalisée au moyen d'un capteur de température placé dans ledit catalyseur. Avantageusement, la température d'amorçage du catalyseur en 5 fonction de son état de vieillissement est issue d'au moins un point de mesure réalisé préalablement sur un banc d'essai. De façon préférentielle, un procédé de traitement selon l'invention, comprend en outre une étape d'arrêt du moteur thermique lorsque la température du catalyseur remonte jusqu'à une température d'efficacité 10 maximale du catalyseur, qui est supérieure à sa température d'amorçage. On donne ci-après, une description détaillée d'un procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule hybride selon l'invention, en se référant aux figures 2 à 3 et à la figure 1 qui a déjà été décrite plus haut. 15 La figure 2 est une vue schématique d'une architecture d'un véhicule hybride permettant de mettre en oeuvre un procédé de traitement des gaz d'échappement selon l'invention, et La figure 3 est un diagramme illustrant une méthode de détermination de la capacité du catalyseur à stocker de l'oxygène 20 OSC, au moyen de sondes de richesse amont et aval. En se référant à la figure 2, une architecture 1 d'un véhicule hybride apte à mettre en oeuvre un procédé de traitement des gaz d'échappement selon l'invention, comprend schématiquement un moteur électrique 2, un moteur thermique 3 et une ligne d'échappement 4 pour l'évacuation des gaz 25 de combustion issus du moteur thermique 3. Le moteur électrique 2 est en prise avec la transmission 9 aux roues du véhicule via un réducteur 10. Le moteur thermique 3peut soit être en prise avec le moteur électrique 2 et la transmission 9, soit tourner à vide. Un calculateur hybride 11 reçoit une requête de couple de la part du conducteur, par exemple provenant de 30 l'enfoncement de la pédale d'accélération du véhicule. Cette requête correspond au couple nécessaire à l'entraînement du véhicule. Le véhicule hybride fonctionne essentiellement en mode électrique, c'est-à-dire que le couple est de préférence entièrement fourni par le moteur électrique 3. Si cette requête ne peut pas être satisfaite par le moteur électrique 2, le calculateur 11 sollicite le moteur thermique 3, via un calculateur 13 du moteur 5 thermique, pour venir en appoint du moteur électrique 2, c'est-à-dire pour fournir la différence entre le couple d'entraînement et le couple maximal que peut fournir le moteur électrique 2. Inversement, si le moteur électrique 2 peut satisfaire à cette requête et assurer à lui seul la traction du véhicule, le calculateur 11 sollicite la coupure du moteur thermique 3 afin d'émettre le 10 moins de gaz polluants possible et de limiter au maximum la consommation de carburant. La ligne d'échappement 4 comprend un catalyseur 5 de traitement des émissions polluantes, dit catalyseur amont. Elle peut comprendre en outre au moins un catalyseur additionnel 6, dit catalyseur aval 6.La ligne 15 d'échappement comprend en outre deux sondes de richesse 7, 8. La première sonde 7, dite sonde de richesse amont, est placée dans la ligne d'échappement 4 à l'entrée du catalyseur amont 5, et la deuxième sonde 8, dite sonde aval, est placée dans ladite ligne 4, à la sortie dudit catalyseur amont 5. Ces deux sondes 7, 8 sont destinées à déterminer la capacité dudit catalyseur amont 5 à 20 stocker de l'oxygène OSC, par un procédé qui est expliqué plus bas en référence à la figure 3. Un capteur de température 12 est inséré dans le catalyseur amont 5, afin de connaitre en temps réel et en permanence, lors d'une phase de roulage du véhicule, la température dudit catalyseur amont 5. Il est rappelé que, dans le cas d'un moteur thermique qui se présente 25 sous la forme d'un moteur à allumage commandé (fonctionnant à l'essence), un catalyseur 5 permet de réduire les molécules d'oxyde d'azote (NO) et d'oxyder les molécules d'hydrocarbures imbrûlés (HO) et de monoxyde de carbone (CO) émises par le moteur thermique 3 au cours de son fonctionnement. 30 Un procédé de traitement des gaz d'échappement du moteur thermique 3 d'un véhicule hybride, est piloté par le calculateur hybride 11 embarqué et comprend les étapes suivantes, une étape de détermination de la capacité du catalyseur amont 5 à stocker de l'oxygène OSC, en utilisant les deux sondes 7, 8 de richesse, afin d'évaluer l'état de vieillissement dudit catalyseur 5.En se référant à la figure 3, la courbe en trait plein 14 représente la variation de richesse dans les gaz de combustion du moteur thermique à l'entrée d'un catalyseur 5. De manière connue en soi, un moteur à allumage commandé (du type fonctionnant à l'essence) est réglé autour de la richesse 1, c'est-à-dire dans des proportions stoechiométriques en moyenne. Néanmoins, la richesse instantanée fluctue alternativement au- dessus et en-dessous de la richesse 1 avec une amplitude donnée. Ainsi, le catalyseur est apte alternativement à réduire les oxydes d'azote ou à oxyder les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone. La courbe en pointillés 15 représente les fluctuations de la richesse à la sortie d'un catalyseur 5, dont la capacité à stocker de l'oxygène est élevée, l'amortissement des fluctuations de richesse entre l'entrée et la sortie du catalyseur étant important. Pour cette configuration, la capacité à stocker de l'oxygène est représentée par OSC1 et le catalyseur 5 peut être considéré comme neuf. La capacité à stocker de l'oxygène OSC est égale à la différence entre l'amplitude du signal de richesse à l'entrée du catalyseur et l'amplitude du signal de richesse à la sortie du catalyseur, lesdites amplitudes étant mesurées respectivement par les sondes de richesse amont 7 et aval 8. A l'inverse, la courbe en trait mixte 16 représente la variation de richesse à la sortie d'un catalyseur 5, dont la capacité à stocker de l'oxygène est faible, puisque la différence d'amplitude entre les deux courbes 14, 15 est faible. Pour cette configuration, la capacité à stocker de l'oxygène est représentée par OSC2 et le catalyseur 5 peut être considéré comme vieux. Il ne parvient plus à amortir les fluctuations de richesse à l'entrée du catalyseur 5. En d'autres termes, il se comporte pratiquement comme un passe-travers, étant devenu chimiquement inactif. Chaque sonde 7,8 d'entrée et de sortie envoie au calculateur hybride 11 un signal électrique (tension en volts), qui est représentatif du taux d'oxygène mesuré, c'est-à-dire de la richesse une étape de détermination de la température du catalyseur amont 5 en temps réel. Cette étape peut être réalisée au moyen du capteur de température 12 inséré dans le catalyseur amont 5. une étape de comparaison de ladite température avec la température d'amorçage du catalyseur 5 correspondant à son état de vieillissement, c'est-à-dire ici de sa capacité à stocker de l'oxygène OSC. Cette température de désamorçage en fonction de l'état de vieillissement, c'est-à-dire de la capacité à stocker de l'oxygène OSC du catalyseur 5, peut par exemple être connue à travers des mesures préalables réalisées sur un banc d'essai approprié. une étape de redémarrage du moteur thermique 3 lorsque la température du catalyseur 5 descend jusqu'à la température d'amorçage. En effet, lorsque le moteur 3 thermique est arrêté, la température du catalyseur 5 décroit progressivement, comme le montre la figure 1, et peut parfois atteindre la température d'amorçage. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique (3) d'un véhicule hybride (1), le traitement étant réalisé au moyen d'un dispositif comprenant un catalyseur (5), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, une étape de détermination de la capacité du catalyseur (5) à stocker de l'oxygène (OSC), permettant d'évaluer son état de vieillissem ent, une étape de détermination de la température du catalyseur (5) en temps réel, une étape de comparaison de ladite température avec la température d'amorçage du catalyseur (5) correspondant à sa capacité à stocker de l'oxygène (OSC), une étape de redémarrage du moteur thermique (3) lorsque la température du catalyseur (5) descend jusqu'à la température d'am orçage. 2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est piloté par un calculateur (11) embarqué dans le véhicule. 3. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la capacité du catalyseur à stocker l'oxygène (OSC) comprend des étapes de mesure de richesse réalisées au moyen d'une sonde de richesse amont (7) placée à l'entrée du catalyseur (5) et d'une sonde de richesse aval (8) placée à la sortie dudit catalyseur (5), et en ce que ladite capacité (OSC) est fonction de la différence entre les amplitudes des signaux de richesse mesurées par lesdites sondes (7, 8). 4. Procédé de traitement selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque sonde (7, 8) émet un signal électrique qui est représentatif de la richesse mesurée. 5. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la température du catalyseur (5) est réalisée au moyen d'un capteur de température (12) placé dans ledit catalyseur (5). 6. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température d'amorçage du catalyseur (5) en fonction de son état de vieillissement est issue d'au moins un point de mesure réalisé préalablement sur un banc d'essai. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'arrêt du moteur thermique lorsque la température du catalyseur (5) remonte jusqu'à une température d'efficacité maximale du catalyseur (5), qui est supérieure à sa température d'amorçage.