Brevet FR3072129A1 — publié le 20190412

PROCEDE DE GESTION DU FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE A INJECTION DIRECTE L'invention se rapporte à un procédé de contrôle de l'arrivée d'air dans 5 un moteur à combustion interne du type à allumage commandé à injection directe. Pour rappel, le balayage de chambre, connu aussi sous l'appellation « scavenging », consiste à injecter de l'air dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, lorsque les gaz d'échappement sont 10 évacués desdites chambres. Autrement dit, si l'admission d'air dans une chambre de combustion du moteur est gérée par au moins une soupape d'admission, et si l'évacuation des gaz d'échappement de ladite chambre est gérée par au moins une soupape d'échappement, le balayage se traduit par une ouverture simultanée desdites soupapes sur une courte période, afin de 15 permettre à l'air admis dans ladite chambre, de faciliter l'évacuation desdits gaz d'échappement. Cette invention concerne les moteurs à allumage commandé et injection directe où le compromis entre les émissions et les performances de la stratégie de balayage de chambre n'est aujourd'hui pas satisfaisant. Cela 20 conduit classiquement à inhiber la stratégie de balayage pour assurer la dépollution du moteur, avec à la clef une perte significative de performances (plus précisément du couple maximal) à bas et moyen régime du moteur, en régime stabilisé et transitoire. Les émissions concernées sont celles des oxydes d'azote (NOx) et de particules (PM). 25 La demande de brevet non examinée FR1754626 divulgue un procédé de contrôle d'un moteur à essence équipé d'un premier catalyseur, et équipé en outre d'un deuxième catalyseur qui se présente sous la forme d'un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote, dit aussi catalyseur SCR (Réduction Catalytique Sélective ou Selective Catalytic Reduction en anglais). 30 On fait fonctionner le moteur en excès de réducteurs (c'est-à-dire en mélange riche) lorsque cela est possible, de façon à produire de l'ammoniac qui est stocké dans le catalyseur SCR. Lors du balayage de chambre, à richesse 2 inférieure à 1, le moteur produit beaucoup de NOx, qui peuvent être traités par l'ammoniac dans le catalyseur SCR. Lors d'un balayage de chambre, le balayage des soupapes est présent à bas et/ou moyen régime quand la pression d'admission est proche de, ou 5 supérieure à, la pression atmosphérique. Il est donc plus important sur les moteurs suralimentés par turbocompresseur que sur les moteurs atmosphériques du fait d'un niveau de pression d'admission nettement supérieur à la pression à l'échappement (en amont de la turbine du turbocompresseur.). Ce balayage est favorable aux performances, car il 10 permet d'évacuer les gaz brûlés présents dans les chambres de combustion en fin de phase d'échappement (par maximisation du rendement volumétrique d'admission), et car il permet d'augmenter le débit des gaz traversant la turbine (ce qui est favorable à la génération de la pression de suralimentation). 15 Avec des moteurs équipés d'un système de décalage d'arbre à cames à l'admission et/ou à l'échappement, dit aussi VVT (selon l'acronyme anglais pour : Variable Valve Timing), on peut maximiser le croisement dans ces zones de fonctionnement (en régime stabilisé et/ou transitoire) et donc les performances du moteur. 20 Même si l'apport du balayage de chambre est clairement démontré en termes de performances, il se heurte à une problématique d'émissions d'oxydes d'azote et de particules sur les moteurs à allumage commandé à injection directe. En effet, pour ce type de moteur, seul de l'air est présent dans le circuit d'admission du moteur, car l'injection de carburant a lieu dans 25 les cylindres du moteur et non pas, comme c'est le cas pour un moteur à injection indirecte, dans le circuit d'admission du moteur, par exemple dans les pipes d'admission de la culasse du moteur. On balaye donc les chambres avec de l'air frais pur (non mélangé à du carburant), qui se retrouve ensuite dans le même état à l'échappement. On a donc une richesse à l'échappement 30 qui est toujours inférieure à la richesse de combustion, qui est la richesse enfermée dans les cylindres. Avec le balayage de chambre, si l'on adopte une richesse de combustion égale à 1 (c'est-à-dire à la stoechiométrie), la richesse à 3 l'échappement devient inférieure à 1, ce qui conduit à de fortes émissions de NOx, car le catalyseur trois voies qui équipe classiquement l'échappement du moteur ne peut pas traiter ce polluant quand le moteur fonctionne en mélange pauvre. Par ailleurs, si l'on adopte une richesse de combustion supérieure à 1, de manière à avoir une richesse échappement centrée sur lapte à optimiser l'efficacité du catalyseur, cela conduit à de fortes émissions de particules à la sortie du moteur, car une combustion riche dans les cylindre à hautes températures entraîne une cokéfaction du carburant. Ces particules se retrouvent à l'échappement car elles ne sont pas traitées par le catalyseur trois voies. Cette problématique d'émissions de particules est très présente sur les moteurs à allumage commandé à injection directe, et conduit à adopter un filtre à particules sur certaines versions, bien qu'il s'agisse de moteurs à allumage commandé (du type fonctionnant à l'essence) et non pas de moteurs de type diesel. Malgré cela, il faut quand même réduire au maximum les émissions de particules à la source pour limiter le chargement du filtre à particules et donc les phases de régénération. Un procédé selon l'invention permet de gérer le fonctionnement d'un moteur de véhicule, à allumage commandé et à injection directe, de manière à 20 assurer de bonnes performances dudit moteur à bas et à moyen régime, tout en limitant les émissions de polluants dans l'atmosphère. L'invention a pour objet un procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur de véhicule, à allumage commandé et à injection directe, ledit moteur comprenant au moins une chambre de combustion dotée d'au moins une 25 soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement ainsi que d'au moins un injecteur de carburant dans la chambre. La principale caractéristique d'un procédé selon l'invention est qu'au moins un cycle de fonctionnement du moteur comprend les étapes suivantes, - Une étape de fermeture de ladite soupape d'échappement, 30 - Une étape d'ouverture de ladite soupape d'admission, qui est postérieure à ladite étape de fermeture de ladite soupape 4 d'échappement, ladite étape d'ouverture commençant avant que ladite soupape d'échappement ne soit complétement fermée, engendrant une période de croisement au cours de laquelle lesdites soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes, 5 - Une étape d'injection d'une quantité principale de carburant lorsque ladite soupape d'admission est ouverte, - Une étape d'injection d'au moins une quantité secondaire de carburant durant la phase de fermeture de ladite soupape d'échappement, avant que celle-ci ne soit complètement fermée. 10 L'originalité d'un procédé selon l'invention repose essentiellement sur la combinaison de l'étape d'injection d'au moins une quantité secondaire de carburant durant la phase de fermeture de la soupape d'échappement, avant que celle-ci ne soit complètement fermée, et l'ouverture de la soupape d'admission avant que la soupape d'échappement ne soit complètement 15 fermée. En effet, l'injection d'une quantité secondaire de carburant avant ou pendant la période de croisement permet d'optimiser au mieux la qualité du mélange air/gaz d'échappement balayé. Deux configurations peuvent se présenter : - Si l'injection de la quantité de carburant secondaire est placée avant que ne se produise l'ouverture de ladite soupape d'admission, autrement dit avant la période de croisement, les gaz chauds encore présents dans la chambre maximisent l'évaporation du carburant, - Si l'injection de la quantité de carburant secondaire est placée au début de la période de croisement, la bouffée d'air frais initiale est propice à la qualité du mélange. Bien entendu, l'invention est applicable à un moteur du type précité dans lequel chaque chambre de combustion est équipée de plusieurs soupapes d'admission et/ou de plusieurs soupapes d'échappement, notamment de 5 manière non limitative deux ou trois soupapes d'admission et/ou deux soupapes d'échappement. Il est à noter que la quantité de carburant principale injectée dans chaque chambre représente la quantité de carburant habituellement injectée 5 dans la chambre pour un fonctionnement normal du moteur, c'est-à-dire correspondant à la production du couple requis pour l'entraînement du véhicule. Un procédé de gestion selon l'invention est particulièrement réservé aux moteurs à injection directe, pour lesquels l'injection de carburant s'effectue directement dans ladite chambre, et non pas en amont de celle-ci 10 dans le circuit d'alimentation en air du moteur. Avantageusement, chaque quantité secondaire de carburant injectée durant la phase de fermeture de la soupape d'échappement est inférieure à la quantité principale de carburant injectée lorsque la soupape d'admission est ouverte. Une quantité secondaire de carburant dans le cadre d'un procédé 15 selon l'invention est une quantité de carburant d'appoint servant non pas à faire fonctionner directement le moteur pour la production du couple, mais à faciliter l'évacuation des gaz d'échappement. Préférentiellement, chaque quantité secondaire de carburant injectée est comprise entre 5 et 10mg/cp (milligrammes par coup i.e. par cycle de 20 combustion), la quantité principale de carburant injectée étant comprise entre 30mg/cp et 70mg/cp. Les quantités secondaires de carburant sont infimes en regard de la quantité de carburant principale servant à faire fonctionner le moteur pour la production du couple requis. De façon préférentielle, au moins une quantité secondaire de carburant 25 est injectée avant la période de croisement. Dans ce cas, les gaz chauds encore présents dans la chambre maximisent l'évaporation du carburant. Préférentiellement, au moins une quantité secondaire de carburant est injectée pendant la période de croisement. Dans ce cas, la bouffée d'air frais initiale est propice à la qualité du mélange. 6 De façon avantageuse, une seule quantité secondaire de carburant est injectée avant la période de croisement et une seule quantité secondaire de carburant est injectée durant la période de croisement. Pour cette configuration, un procédé de gestion selon l'invention met en oeuvre une étape 5 d'injection de deux quantités secondaires de carburant successives, l'une située antérieurement à la période de croisement, et l'autre située pendant ladite période de croisement. De cette manière, le fonctionnement du moteur à injection directe bénéficie des deux avantages cités ci-avant. Avantageusement, les quantités secondaires de carburant à injecter 10 sont données par une cartographie fonction du point de fonctionnement régime/charge du moteur et des décalages des arbres à cames. Selon un autre mode de réalisation préféré d'un procédé selon l'invention, les quantités secondaires de carburant à injecter sont données par un modèle physique prenant en compte la masse d'air balayée durant la 15 période de croisement. De façon préférentielle, le moteur comprend plusieurs chambres de combustion, chacune desdites chambres comprenant entre une et trois soupapes d'admission et entre une et deux soupapes d'échappement. Un procédé de gestion selon l'invention présente l'avantage de pouvoir 20 assurer de bonnes performances du moteur à bas et à moyen régime tout en limitant la pollution dudit moteur, grâce à une utilisation judicieuse de l'injecteur de carburant qui est déjà présent dans chaque chambre de combustion et qui n'occasionne donc aucun coût supplémentaire. Il a de plus l'avantage de n'engendrer aucun encombrement additionnel, évitant ainsi 25 d'avoir à modifier la structure du véhicule dans lequel le moteur est monté. On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation non limitatif d'un procédé de gestion selon l'invention, en se référant aux figures suivantes : 7 - La figure 1 est une vue en coupe d'une chambre de combustion d'un moteur à allumage commandé à injection directe, illustrant une période de croisement entre une ouverture d'une soupape d'admission et une ouverture d'une soupape d'échappement, 5 - La figure 2 est un diagramme montrant un exemple de cinématique d'ouverture et de fermeture d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement illustrant une période de croisement entre celles-ci, en fonction d'un angle de vilebrequin, et une injection d'une quantité principale de 10 carburant, - La figure 3 est une vue en coupe d'une chambre de combustion d'un moteur à injection directe, illustrant une période de croisement entre une ouverture d'une soupape d'admission et une ouverture d'une soupape d'échappement et une injection 15 d'une quantité secondaire de carburant durant ladite période, - La figure 4 est un diagramme montrant un exemple de cinématique d'ouverture et de fermeture d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement illustrant une période de croisement entre celles-ci en fonction d'un angle 20 vilebrequin, et deux injections successives d'une quantité secondaire de carburant, En se référant à la figure 1, un moteur 1 de véhicule à injection directe, comprend au moins une chambre de combustion 2, délimitée par un corps 3 préférentiellement de forme cylindrique et par une culasse 4 coiffant 25 ledit corps 3. La culasse 4 au-dessus dudit corps 3 a une forme sensiblement tronconique dont la section transversale diminue en s'éloignant dudit corps 3. Un injecteur 5 de carburant de forme allongée, est solidarisé à la culasse 4, au niveau de sa partie de plus faible section transversale, et émerge dans la chambre 2 selon une direction parallèle à l'axe de révolution du corps 3. De cette manière, l'injecteur 5 se retrouve dans une position centrale à l'intérieur 8 de la chambre 2. Une soupape d'admission 6 est placée dans un conduit 7 d'admission d'air débouchant dans la chambre 2 au niveau de la culasse 4, ladite soupape 6 étant destinée à réguler le flux d'air incident pénétrant dans ladite chambre 2. Une soupape d'échappement 8 est placée dans un conduit 9 5 d'échappement débouchant dans la chambre 2 au niveau de la culasse 4, ladite soupape 8 étant destinée à réguler le flux de gaz d'échappement sortant de ladite chambre 2. Un piston 10 relié à un vilebrequin (non visible) par l'intermédiaire d'une bielle (non visible) est apte à coulisser dans le corps 3 de la chambre 2 entre une position PMH (Point Mort Haut) et une position PMB 10 (Point Mort Bas). Le mélange d'air admis dans la chambre 2 par la soupape d'admission 6 et de carburant injecté par l'injecteur 5, est brûlé dans la chambre 2. Le moteur étant du type à allumage commandé 1, la combustion est initiée par une étincelle jaillissant aux bornes d'une bougie d'allumage (non représentée 15 sur la figure 1) débouchant dans la chambre 2. S'agissant d'un moteur du type à allumage commandé (fonctionnant notamment à l'essence), le fonctionnement du moteur se fait assez généralement à richesse 1, c'est-à-dire dans des proportions stoechiométriques d'air et de carburant, la dépollution des gaz de combustion 20 émis par le moteur étant assurée de manière classique par un dispositif de traitement du type « catalyseur trois voies » (non représenté sur la figure 1) monté à l'échappement du moteur. En variante non représentée sur la figure 1, la chambre 2 peut être équipée de plusieurs soupapes d'admission et/ou de plusieurs soupapes 25 d'échappement. Les figures 1 et 2 illustrent le balayage de chambre (« scavenging »), qui matérialise un fonctionnement particulier du moteur 1, pour lequel l'ouverture progressive de la soupape d'admission 6 est déclenchée lors de la phase de fermeture de la soupape d'échappement 8, avant que ladite soupape 30 d'échappement 8 ne soit complètement fermée. Cette situation crée une période de croisement 11 pendant laquelle les deux soupapes 6, 8 sont 9 ouvertes, la soupape d'admission 6 étant en phase d'ouverture, tandis que la soupape d'échappement 8 étant en phase de fermeture. Le balayage permet ainsi, grâce à l'ouverture prématurée de la soupape d'admission 6, de faire affluer dans la chambre de combustion 2 de l'air frais alors que les gaz 5 d'échappement sont toujours présents dans ladite chambre 2. Cet air frais contribue ainsi à chasser plus facilement et plus rapidement de la chambre de combustion 2, les gaz d'échappement, augmentant les performances du moteur 1 à bas et à moyen régime. En revanche, le balayage se heurte à une problématique d'émissions 10 de polluants NOx et de particules polluantes sur les moteurs à injection directe. En effet, pour ce type de moteur 1, seul de l'air est présent dans le circuit d'admission du moteur 1, car l'injection de carburant a lieu directement dans la chambre 2. On balaye donc la chambre 2 avec de l'air frais pur non mélangé à du carburant, qui se retrouve ensuite dans le même état à l'échappement. 15 On a donc une richesse à l'échappement qui est toujours inférieure à la richesse de combustion, qui est la richesse enfermée dans la chambre de combustion 2. Avec le balayage, si l'on adopte une richesse de combustion à 1 (correspondant à la stoechiométrie), la richesse à l'échappement devient 20 inférieure à 1, ce qui conduit à de fortes émissions de NOx, car le catalyseur trois voies ne peut pas traiter ce polluant quand le moteur fonctionne en mélange pauvre. Par ailleurs, si l'on adopte une richesse de combustion supérieure à 1 de manière à avoir une richesse échappement centrée sur 1 apte à optimiser l'efficacité du catalyseur trois voies (ce qu'on réalise 25 classiquement grâce à une sonde à oxygène), cela conduit à de fortes émissions de particules à la sortie du moteur car une combustion riche dans le cylindre à hautes températures entraîne la cokéfaction du carburant. Ces particules se retrouvent à l'échappement car elles ne sont pas traitées par le catalyseur trois voies. Cette problématique d'émissions de particules est très 30 présente sur les moteurs à allumage commandé à injection directe, et conduit à adopter un filtre à particules sur certaines versions, comme il est bien connu pour les moteurs diesel. Toutefois, même dans ce cas, il convient de réduire 10 au maximum les émissions de particules à la source pour limiter le chargement du filtre à particules et donc les phases de régénération. La figure 1 illustre une configuration d'une chambre de combustion 2 d'un moteur 1 à injection directe pour laquelle la soupape d'admission 6 et la 5 soupape d'échappement sont momentanément ouvertes de façon à permettre à l'air frais ayant pénétré dans la chambre 2 de balayer les gaz d'échappement. Sur la figure 2, la courbe 12 illustre d'abord une phase d'ouverture de la soupape d'échappement 8 suivie d'une phase de fermeture de celle-ci. La 10 courbe 13 illustre d'abord une phase d'ouverture de la soupape d'admission 6 suivie d'une phase de fermeture de celle-ci, ladite phase d'ouverture commençant avant que la soupape d'échappement 8 ne soit complètement fermée. La zone 11 illustre la période de croisement entre les deux soupapes 6, 8 lorsque celles-ci sont momentanément ouvertes. La période de 15 croisement 11 s'effectue lorsque le piston 10 se situe autour du PMH. Une quantité principale 14 de carburant est directement injectée dans la chambre de combustion 2 via l'injecteur 5 lorsque le piston 10 se déplace vers le PMB, la soupape d'échappement 8 étant fermée et la soupape d'admission 6 étant ouverte. Cette quantité principale 14 sert directement au fonctionnement 20 normal du moteur 1. En se référant aux figures 3 et 4, afin de notamment résoudre le problème de pollution lié au balayage, un procédé de gestion du fonctionnement du moteur 1 selon l'invention met en oeuvre une étape d'injection d'au moins une quantité secondaire 15, 16 de carburant via 25 l'injecteur 5, avant que la soupape d'échappement 8 ne soit complètement fermée. Dans l'exemple illustré aux figures 3 et 4, ledit procédé met en oeuvre deux injections d'une quantité secondaire 15, 16 de carburant : une injection 15 avant la période de croisement 11, la soupape d'admission 6 étant fermée et la soupape d'échappement 8 étant 30 en phase de fermeture. Dans ce cas, les gaz chauds encore 11 présents dans la chambre 2 maximisent l'évaporation du carburant, une injection 16 au début de la période de croisement 11. Dans ce cas, la bouffée initiale d'air frais présente dans la chambre 2 5 accroit la qualité du mélange. Les quantités secondaires 15, 16 de carburant injectées dans la chambre 2 ne se substituent pas à la quantité principale 14 de carburant utilisée pour faire fonctionner le moteur 1, qui elle, demeure intangible et réalisée au même angle vilebrequin. Ces quantités secondaires 15, 16 de 10 carburant injectées aux moments opportuns, permettent d'homogénéiser le mélange balayé, et donc d'optimiser la qualité dudit mélange dans le but de limiter les émissions de NOx et de particules polluantes. A titre d'exemple, les quantités secondaires 15, 16 à injecter sont comprises entre 5 et 10 mg/cp (milligrammes par coup i.e. par cycle de 15 combustion) et la quantité principale 14 à injecter est comprise entre 30 mg/cp et 70 mg/cp. Les quantités secondaires 15, 16 à injecter sont issues soit d'une cartographie en fonction du point de fonctionnement régime/charge du moteur et des décalages spécifiques d'arbres à cames d'admission et d'échappement 20 du moteur, soit d'un modèle physique prenant en compte le taux de balayage, c'est-à-dire la quantité d'air balayée. La quantité secondaire de carburant 15, 16 de ces injections est gérée en boucle ouverte. Il n'y a pas de modification sur le bouclage à richesse 1 de la richesse à l'échappement (qui peut être réalisée, de manière connue en soi, 25 par exemple à l'aide de sondes de richesse en amont et en aval du catalyseur trois voies). Ce réglage en boucle fermée est assuré de manière classique en ajustant la quantité des injections principales 14 dans la chambre de combustion 2. 12 Ce procédé peut être activé dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur (stabilisé et transitoire) ou uniquement en transitoire afin de réduire le temps de montée de la pression de suralimentation (donc REVENDICATIONS1. Procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur (1) de véhicule, à allumage commandé et à injection directe, ledit moteur (1) comprenant au moins une chambre de combustion (2) dotée d'au moins une soupape d'admission (6) et d'au moins une soupape d'échappement (8) ainsi que d'au moins un injecteur (5) de carburant dans ladite chambre (2), caractérisé en ce qu'au moins un cycle de fonctionnement du moteur comprend les étapes suivantes, - Une étape de fermeture de ladite soupape d'échappement (8), - Une étape d'ouverture de ladite soupape d'admission (6), qui est postérieure à ladite étape de fermeture de ladite soupape d'échappement (8), ladite étape d'ouverture commençant avant que ladite soupape d'échappement (8) ne soit complétement fermée, engendrant une période de croisement (11) au cours de laquelle lesdites soupapes (6, 8) d'admission et d'échappement sont ouvertes, - Une étape d'injection d'une quantité principale (14) de carburant lorsque ladite soupape d'admission (6) est ouverte, - Une étape d'injection d'au moins une quantité secondaire (15, 16) de carburant durant la phase de fermeture de ladite soupape d'échappement (8), avant que celle-ci ne soit complètement fermée. 2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque quantité secondaire (15, 16) de carburant injectée durant la phase de fermeture de la soupape d'échappement (8) est inférieure à la quantité principale (14) de carburant injectée lorsque la soupape d'admission (6) est ouverte. 3. Procédé de gestion selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque quantité secondaire (15, 16) de carburant injectée est comprise 14 entre 5 et 10mg/cp, et en ce que la quantité principale (14) de carburant injectée est comprise entre 30mg/cp et 70mg/cp. 4. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une quantité secondaire (15) de 5 carburant est injectée avant la période de croisement (11). 5. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une quantité secondaire (16) de carburant est injectée pendant la période de croisement (11). 6. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, 10 caractérisé en ce qu'une seule quantité secondaire (15) de carburant est injectée avant la période de croisement (11) et une seule quantité secondaire (16) de carburant est injectée durant la période de croisement (11). 7. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 15 caractérisé en ce que les quantités secondaires (15, 16) de carburant à injecter sont données par une cartographie fonction du point de fonctionnement régime/charge du moteur et des décalages des arbres à cames. 8. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 20 caractérisé en ce que les quantités secondaires (15, 16) de carburant à injecter sont données par un modèle physique prenant en compte la masse d'air balayé durant la période de croisement (11). 9. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le moteur (1) comprend plusieurs chambres de 25 combustion (2), et en ce que chacune desdites chambres (2) comprend entre une et trois soupapes d'admission (6) et entre une et deux soupapes d'échappement (8).