Brevet FR3029972A1 — publié le 20160617

- 1 - PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UN CATALYSEUR DANS UN DISPOSITIF DE MOTORISATION HYBRIDE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de chauffage d'un catalyseur intégré à la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. Il concerne aussi un dispositif de motorisation hybride apte à la mise en oeuvre d'un tel procédé. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le cadre de la réduction des émissions polluantes liées au fonctionnement des moteurs thermiques des véhicules automobiles, les normes légales (par exemple la norme européenne « euro6 ») ont amené les constructeurs à intégrer dans la ligne d'échappement de ces moteurs plusieurs sortes de dispositifs catalytiques de dépollution des gaz de combustion desdits moteurs. On connaît plus particulièrement les catalyseurs trois voies des moteurs à allumage commandé (fonctionnant à l'essence) qui permettent d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde d'azote, et de réduire les oxydes d'azote (NOx) émis par le moteur. On connaît aussi les catalyseurs d'oxydation des moteurs à allumage par compression (du type diesel) qui permettent d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde d'azote émis par le moteur fonctionnant en mélange pauvre. De manière connue, un tel catalyseur fonctionne de manière continue. Son efficacité de traitement, qui est définie pour chaque type de polluant (HC, CO ou NON) comme le taux de conversion de la quantité de polluant qui entre dans le catalyseur, dépend en premier lieu de la température du catalyseur. On sait, comme le montre la figure 1, que le taux de conversion commence à atteindre des valeurs acceptables, par exemple comprises par exemple entre 50% et 90%, lorsque la température du catalyseur est par exemple comprise entre environ 250°C et 300°C. Ces températures sont couramment atteintes et dépassées lors du fonctionnement en continu d'un moteur thermique. En revanche, lors d'un démarrage à froid du moteur thermique, la température du catalyseur n'excède généralement pas la température ambiante, par exemple 20°C, sauf si il s'agit d'un redémarrage après un arrêt de très courte durée, pendant lequel le catalyseur n'a pas le temps de refroidir. A la température ambiante, le catalyseur n'est pas amorcé, c'est-à-dire que 3029972 - 2 - son efficacité est nulle. Il ressort d'ailleurs de la figure 1 que l'efficacité du catalyseur est nulle tant que la température n'a pas atteint une valeur de l'ordre de 150°C. Au démarrage d'un moteur thermique, il est donc nécessaire de prendre des mesures pour éviter que le véhicule ne rejette trop d'émissions polluantes dans l'atmosphère 5 extérieure. De manière classique, on peut par exemple prévoir une résistance électrique pour réchauffer l'enveloppe métallique du catalyseur, ou procéder à des combustions retardées à l'intérieur des cylindres du moteur, par rapport au fonctionnement normal du moteur, notamment en injectant le carburant plus tard dans les cylindres du moteur, de manière à dégrader le rendement de combustion et 10 augmenter les pertes thermiques du moteur. Ces procédés permettent d'amorcer rapidement un catalyseur, c'est-à-dire d'élever sa température depuis la température à froid jusqu'à un seuil de température de l'ordre de 250°C, dite température d'amorçage Ta' , à laquelle il possède une efficacité minimale donnée, par exemple 50%. Mais ils entraînent une 15 surconsommation importante de carburant. On sait également que les moteurs thermiques de certains véhicules automobiles peuvent être associés à des machines électriques réversibles pouvant fonctionner en mode « moteur » ou en mode « génératrice ». En mode « génératrice », la machine électrique est un alternateur qui fournit un courant électrique destiné à être 20 stockée dans une batterie d'accumulateurs ; en mode « moteur », elle est au contraire alimentée par du courant précédemment stocké dans la batterie d'accumulateurs et elle fournit un couple moteur qui s'ajoute à celui du moteur thermique pour être transmis aux roues du véhicule. Plusieurs procédés de réglage de la température d'un catalyseur de moteur 25 thermique associé à une telle machine électrique ont été proposés. Par exemple, on connaît de la publication US6057605-A1 un procédé dans lequel, pour augmenter la température d'un tel catalyseur, on fait fonctionner le moteur thermique à un couple plus élevé que le couple requis pour l'entraînement du véhicule. La machine électrique fonctionne en mode génératrice en absorbant le surplus de couple thermique non 30 nécessaire au véhicule. Un tel procédé, applicable à l'amorçage d'un catalyseur, permet de ne pas dégrader le rendement de combustion du moteur thermique sur son point de fonctionnement, contrairement aux procédés dans lesquels la combustion est retardée. Néanmoins les pertes thermiques additionnelles provoquées pour réchauffer le catalyseur entraînent un surcroît de consommation de carburant. 35 3029972 - 3 - RESUME DE L'INVENTION L'invention propose de remédier aux défauts des procédés connus d'amorçage d'un catalyseur de moteur thermique dans un dispositif de motorisation hybride, c'est- 5 à-dire dans le cas où le moteur thermique est associé à une machine électrique. Elle propose pour cela un procédé de chauffage d'un catalyseur monté à l'échappement d'un moteur thermique apte à entraîner au moins une roue motrice d'un véhicule automobile, ledit moteur étant associé à une machine électrique réversible pouvant fonctionner selon un mode génératrice ou selon un mode moteur dans 10 lesquels ladite machine électrique participe au couple d'entraînement du véhicule, le procédé comprenant : une étape de démarrage du véhicule dans laquelle un couple d'entraînement du véhicule est requis ; et, une étape de chauffage du catalyseur jusqu'à une température d'amorçage 15 d'efficacité minimale du catalyseur. La principale caractéristique du procédé selon l'invention est qu'il comprend en outre une étape de préchauffage du catalyseur, dans laquelle le couple d'entraînement du véhicule est entièrement produit par la machine électrique fonctionnant en mode moteur, le moteur thermique étant entraîné en rotation, à l'état non démarré et sans 20 injection de carburant, par la machine électrique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture 25 d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1, décrite plus haut, est un graphique représentant l'efficacité d'un catalyseur en fonction de sa température de fonctionnement ; la figure 2 est une vue schématique illustrant un dispositif de motorisation 30 selon l'invention ; la figure 3 est un organigramme illustrant les différentes étapes d'un procédé de chauffage d'un catalyseur selon un mode de réalisation de l'invention ; et, la figure 4 est un graphique qui illustre l'évolution de la température d'un catalyseur depuis une température à froid jusqu'à une température de 35 préchauffage au cours d'une étape de préchauffage du procédé selon 3029972 - 4 - l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES 5 Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de motorisation 1 selon l'invention peut équiper un véhicule, notamment un véhicule automobile. Il comprend un moteur thermique 2, c'est-à-dire un moteur à combustion interne, par exemple un moteur à essence ou un moteur diesel, qui se présente ici de manière non limitative sous la forme d'un moteur à quatre cylindres en ligne suralimenté. Bien entendu, le 10 moteur peut aussi être du type à aspiration naturelle sans sortir du cadre de l'invention. Pour son fonctionnement, un tel moteur thermique 2 aspire de l'air dans le sens de la flèche F1 par l'intermédiaire d'une conduite d'admission 3, et rejette ses gaz d'échappement par une conduite d'échappement 4 afin de les diriger vers un dispositif de dépollution 5. Le dispositif de dépollution 5 comporte un catalyseur 6, par 15 exemple un catalyseur trois voies 6 si le moteur est du type à essence ou un catalyseur d'oxydation 6 si le moteur est du type diesel. Il peut comporter en outre un ou plusieurs autres systèmes de dépollution 7 des gaz, par exemple un deuxième catalyseur 7, un piège à oxydes d'azote 7, un filtre à particules 7, etc. A la sortie du dispositif de dépollution 7, les gaz d'échappement sont évacués dans l'atmosphère 20 extérieure dans le sens de la flèche F2. Le moteur consomme également du carburant, par exemple de l'essence ou gazole, qui est amené au moteur grâce à un système d'injection (non représenté), par exemple un système d'injection directe qui comporte une rampe d'alimentation commune aux cylindres et au moins un injecteur de carburant par cylindre apte à 25 injecter le carburant directement dans chacun des cylindres. Dans la conduite d'admission d'air 3, de manière non limitative, on peut trouver un filtre à air 8 qui permet d'éliminer les poussières contenues dans l'air, un débitmètre 9 qui permet de déterminer le débit massique d'air frais admis dans le moteur 2, et un volet d'admission 10 d'air, ou boîtier-papillon 10, qui permet de réguler le débit admis 30 dans le moteur 2 en obstruant plus ou moins la conduite d'admission 3. S'agissant sur la figure 1, d'un moteur 2 suralimenté, le moteur thermique 2 comporte par ailleurs un turbocompresseur 11 dont le compresseur 12 est interposé dans la conduite d'admission 3 entre le compresseur 12 et le volet d'admission 10. De plus, il est possible qu'un échangeur de température 13 soit disposé dans la conduite 35 d'admission 3, entre le compresseur 12 et le volet d'admission 10, de manière à 3029972 - 5 - refroidir l'air comprimé par le compresseur 12. Le compresseur 12 est entraîné par la turbine 14 du turbocompresseur, qui est interposée dans la conduite d'échappement 4 entre le moteur 2 et le dispositif de dépollution 5. De plus, le moteur thermique 2 peut comporter un ou plusieurs circuits 5 de recirculation de gaz d'échappement à l'admission (non représentés), plus particulièrement un circuit dit EGR haute pression et/ou un circuit EGR basse pression (EGR : acronyme anglais pour « Exhaust Gas Recycling », ou recyclage des gaz d'échappement), sans nuire à la généralité de l'invention. De manière connue en soi, le moteur thermique 2 produit un couple moteur, dit 10 couple thermique Ct , qui résulte de la combustion d'un mélange d'air frais (auquel peuvent s'ajouter des gaz recyclés d'échappement recyclés à l'admission) et de carburant dans des quantités bien définies par un calculateur du moteur 2. Le dispositif de motorisation 1 selon l'invention comprend aussi une machine électrique réversible 15, tel qu'illustré à la figure 1. 15 La machine électrique 15, par exemple un alterno-démarreur 15 séparé du volant d'inertie du moteur thermique 2, et dont un arbre rotatif 16 est accouplé via des moyens de transmission 17 à un arbre rotatif 18 du moteur thermique 2, par exemple un vilebrequin, est apte à fonctionner en mode « moteur » ou en mode « génératrice », sous la supervision d'un boîtier de commande 19. 20 En mode « génératrice », la machine électrique 15 est un alternateur qui fournit un courant électrique destiné à être stockée dans une batterie 20 d'accumulateurs en prélevant un couple électrique Ce résistant ; en mode « moteur », elle est au contraire alimentée par du courant précédemment stocké dans la batterie 20 et elle fournit un couple électrique Ce moteur qui s'ajoute à celui Ct du moteur thermique pour être 25 transmis aux roues du véhicule. Le mode de fonctionnement du dispositif de motorisation 1 est le suivant : L'enfoncement de la pédale d'accélérateur (non représentée) du véhicule par le conducteur est traduite par un calculateur (non représenté) en une consigne de couple C à transmettre aux roues du véhicule. Le couple C peut alors être obtenu soit sous la 30 forme de couple thermique, soit sous la forme de couple électrique, soit sous la forme d'une combinaison des deux. Dans tous les cas, la valeur du couple C est égale à la somme algébrique des valeurs du couple thermique Ct et du couple électrique Ce, ce dernier prenant une valeur positive en mode « moteur » et une valeur négative en mode « génératrice » de la machine électrique 15, le calculateur effectuant la 35 répartition en fonction de différents paramètres du véhicule et/ou du dispositif de 3029972 - 6 - motorisation 1. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le catalyseur peut être équipé de moyens de détermination d'un paramètre représentatif de la température 0 des gaz d'échappement qui le traversent, par exemple la température 0 du catalyseur 5 lui-même, mesurée par un capteur de température 21. La figure 2 illustre les différentes étapes d'un procédé de chauffage du catalyseur 6 selon un mode de réalisation de l'invention, utilisant un dispositif de motorisation 1 tel qu'il vient d'être exposé, dans lequel on amène la température e du catalyseur du piège 6 jusqu'à une température d'amorçage 0,' à laquelle il possède 10 une efficacité de traitement minimale prédéfinie. Par exemple, l'efficacité visée peut être de l'ordre de 50%, et la température d'amorçage correspondante peut être voisine de 250°C comme on l'a vu sur la figure 1. Le procédé débute par une étape 100 de démarrage du véhicule. Elle peut se matérialiser par le fait que le conducteur met le contact et requiert un couple C pour 15 l'entraînement du véhicule, par exemple en appuyant sur la pédale d'accélérateur. Le procédé se poursuit, de manière itérative, par une étape 200 de détermination de la température 0 du catalyseur 6, puis par une étape 300 de comparaison de ladite température avec un seuil de température es , dit température de préchauffage, inférieure à la température d'amorçage 0,' . Par exemple, la 20 température de préchauffage est comprise entre 60°C et 100°C. Tant que la température 0 du catalyseur 6 est inférieure à la température de préchauffage 0, , le procédé oriente vers une étape de préchauffage du catalyseur 400 dans laquelle le couple C nécessaire à l'entraînement du véhicule est entièrement fourni par la machine électrique 15. Tel est généralement le cas pendant plusieurs 25 secondes après le démarrage du véhicule quand ce dernier a été à l'arrêt pendant une durée assez longue. En revanche, il se peut qu'après un arrêt de courte durée, la température du catalyseur au redémarrage du véhicule n'ait pas eu le temps de descendre en dessous de la température de préchauffage en raison de l'inertie thermique. Dans ce cas, l'étape 400 de préchauffage du catalyseur ne se déroule pas. 30 A cette étape 400, le moteur thermique 2 n'est pas démarré. Il ne produit pas de couple thermique. Aucune injection de carburant n'est réalisée dans les cylindres. Le moteur thermique 2 est entraîné en rotation par la machine électrique 15, et les cycles successifs de compression de l'air dans les cylindres permettent d'augmenter la température à l'échappement et de réchauffer ainsi le catalyseur 6, jusqu'à l'atteinte 35 de la température de préchauffage 0, . 3029972 - 7 - De manière particulièrement avantageuse, cette étape 400 peut être réalisée en fermant complètement le volet d'admission d'air 10. Il en résulte une accélération de la montée en température du catalyseur 6. Ainsi, en se référant à la figure 4, des essais réalisés par la demanderesse ont montré qu'à partir d'une température à froid 5 du catalyseur de 20°C, on peut atteindre une température de préchauffage de 60°C en environ 30 secondes de fonctionnement du véhicule en mode électrique, boîtier-papillon 10 fermé, une température de 80°C en environ 120 secondes et une température de 100°C en environ 210 secondes. On comprend de ce qui précède qu'en fonction de la charge de la batterie 20, 10 on peut ajuster la valeur de la température de préchauffage pour tenir compte de l'autonomie de fonctionnement du véhicule en mode purement électrique. Lorsque la température 0 du catalyseur 6 atteint la température de préchauffage 0, , le procédé oriente vers une étape 500 d'autorisation du démarrage du moteur thermique 2. En d'autres termes, le couple C nécessaire à l'entraînement 15 du véhicule peut alors être produit par le moteur thermique 2, par la machine électrique 15, ou par une combinaison des deux, sous la supervision du boîtier de commande 19. Le procédé se poursuit par une étape 600 de fin de chauffage du catalyseur, apte à élever la température 0 du catalyseur 6 depuis la température de préchauffage 20 es jusqu'à sa température d'amorçage 0,' . Par exemple, cette étape 600 peut consister classiquement à réaliser des combustions retardées de carburant, par rapport aux combustions réalisées du fonctionnement normal du moteur. De manière connue en soi, on peut par exemple procéder à des injections tardives de carburant dans les cylindres du moteur. 25 En se référant à nouveau à la figure 1, on voit que l'étape 400 de préchauffage du catalyseur ne permet pas à elle seule d'augmenter l'efficacité du catalyseur. L'efficacité étant nulle jusqu'à une température 0 de l'ordre de 150°C, elle reste nulle jusqu'à la fin de l'étape de préchauffage 400 car la température 0, n'atteint pas une telle valeur, même en prolongeant la durée du préchauffage. 30 En revanche, cette étape de préchauffage permet avantageusement de raccourcir la durée du chauffage du catalyseur jusqu'à sa température d'amorçage 0,' par les procédés connus utilisés à l'étape 600, donc de réduire la consommation en carburant nécessaire à l'amorçage du catalyseur à cette étape. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient 35 d'être décrit. En variante, on pourrait par exemple se passer de mesurer la 3029972 - 8 - température 0 du catalyseur 6 et maintenir le fonctionnement du véhicule en mode purement électrique pendant une durée fixe prédéterminée, par exemple 30 secondes. Il conviendrait alors que l'étape 600 de fin de chauffage soit maintenue pendant une durée prédéfinie assez longue pour s'assurer que dans tous les cas, la température 5 d'amorçage 0,' soit atteinte. En variante également, le procédé pourrait s'appliquer à tout autre système de dépollution des gaz d'échappement nécessitant une température minimale de fonctionnement pour traiter ou stocker des polluants, comme par exemple un piège à oxydes d'azote 7 ou un filtre à particules 7, sans sortir du cadre de l'invention. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de chauffage d'un catalyseur (6) monté à l'échappement d'un moteur (2) thermique apte à entraîner au moins une roue motrice d'un véhicule automobile, ledit moteur étant associé à une machine électrique (15) réversible pouvant fonctionner selon un mode génératrice ou selon un mode moteur dans lesquels ladite machine électrique (15) participe au couple (C) d'entraînement du véhicule, comprenant : une étape de démarrage (100) du véhicule dans laquelle un couple d'entraînement (C) du véhicule est requis ; et, une étape de chauffage (600) du catalyseur (6) jusqu'à une température d'amorçage (eamo) d'efficacité minimale du catalyseur ; CARACTERISE EN CE QU' il comprend en outre une étape (400) de préchauffage du catalyseur (6), dans laquelle le couple d'entraînement (C) du véhicule est entièrement produit par la machine électrique (15) fonctionnant en mode moteur, le moteur thermique (2) étant entraîné en rotation, à l'état non démarré et sans injection de carburant, par la machine électrique (15). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'étape de préchauffage (400) du catalyseur, un volet d'admission (10) d'air du moteur (2) est en position fermée. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de préchauffage (400) se déroule tant que la température (0) du catalyseur (6) est inférieure à une température de préchauffage (es) du catalyseur (6). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température de préchauffage (0,) du catalyseur est inférieure à sa température d'amorçage 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la température de préchauffage (es) est comprise entre 60°C et 100°C. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de préchauffage (400) se déroule pendant une durée fixe prédéterminée. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de chauffage (600) du catalyseur est réalisée par injection 3029972 -10- retardée de carburant, dans les cylindres du moteur, par rapport au fonctionnement normal du moteur (2). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur thermique (2) est un moteur du type à allumage commandé, et le catalyseur (6) est un catalyseur trois voies. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le moteur thermique (2) est un moteur du type,41 allumage par compression, et le catalyseur (6) est un catalyseur d'oxydation.