Brevet FR3082564A1 — publié le 20191220

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif de commande d'un moteur à combustion interne Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de commande d'un moteur à combustion interne selon lequel on fait passer les gaz d'échappement du moteur, générés par la combustion dans les temps du cycle de fonctionnement du moteur à combustion interne à travers un système de gaz d'échappement équipé d'un catalyseur à trois voies et d'un filtre à particules ou à travers un catalyseur à quatre voies. Technique antérieure [0002] Selon le document DE 10 2013 221 598 Al. on connaît déjà un procédé et un dispositif de commande d'un moteur à combustion interne selon lesquels on fait passer les gaz d'échappement du moteur générés par les temps de cycle du moteur à combustion interne à travers un catalyseur à trois voies et un filtre à particules. [0003] On connaît également un procédé de régénération du filtre à particules selon lequel, on brûle les particules de suie retenues dans le filtre à particules pour vider de nouveau le filtre à particules. Pour effectuer une telle régénération du filtre à particules, il est nécessaire d'ajouter aux gaz d'échappements une quantité suffisante d'oxygène pour permettre la combustion des particules de suie. [0004] EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION [0005] L'invention a pour objet un procédé de commande d'un moteur à combustion interne du type défini ci-dessus caractérisé en ce que pour régénérer le système de gaz d'échappement, on effectue une partie des temps de cycle du moteur à combustion interne sans injecter du carburant et une partie des temps de cycle du moteur à combustion interne avec une combustion avec un défaut d'air. [0006] L'invention a également pour objet un dispositif pour l'application du procédé de commande d'un moteur à combustion interne tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour régénérer le filtre à particules qui effectuent une partie des temps de cycle du moteur à combustion interne sans injecter de carburant et une partie des temps de cycle du moteur à combustion interne avec combustion faite en manque d'air. [0007] En d'autres termes le procédé et le dispositif selon l'invention de commande d'un moteur à combustion interne ont l'avantage de disposer d'une offre en oxygène, suffisante pour la régénération et en même temps de réduire au minimum les produits nocifs expulsés avec les gaz d'échappement, au cours de la phase de régénération. En 2 particulier on évite une émission excessive d'oxydes d'azote (NOx). Cela permet de réeénérer un filtre à particules ou un catalyseur à quatre voies, sans dépasser la valeur limite imposée aux gaz d'échappements du moteur à combustion interne. [0008] Le choix des temps de cycle sans injecter de carburant par rapport aux temps de cycle avec manque d'air, permet de contrôler la quantité d'oxygène introduite dans le système de gaz d'échappement. Cela permet une combustion contrôlée des particules de suie chargées dans le système de gaz d'échappement. De façon particulièrement simple, on pourra associer les temps de cycle sans injection de carburant à un ou plusieurs cylindres déterminés du moteur à combustion interne. En variante on peut également prévoir de répartir entre les cylindres, les temps de cycle sans injection de carburant selon un motif prédéfini. En particulier on peut ainsi introduire une quantité quelconque prédéfinic d'oxygène dans le système de gaz d'échappement. Les temps de cycle avec manque d'air doivent être effectués avec un coefficient lambda inférieur à 0,8. Cela permet ainsi de maintenir à un niveau minimum, l'émission des oxydes d'azote NOx. Un tel fonctionnement avec régénération doit en outre dépendre de la température régnant dans le système de gaz d'échappement. On peut surveiller la température du système de gaz d'échappement en cours de régénération pour détecter à temps une réaction exothermique excessive dans le système de gaz d'échappement. Cela permet de prendre des mesures appropriées pour éviter une surchauffe particulièrement importante du système de gaz d'échappement en cours de régénération et d'éviter par conséquent d'endommager le système des gaz d'échappements. Brève description des dessins [0009] La présente invention sera décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : [0010] [fig.1] montre schématiquement un moteur à combustion interne dont les gaz d'échappement traversent un catalyseur à trois voies et un filtre à particules, [0011] [fig.2] montre la relation entre les émissions brutes de produits nocifs par un moteur à combustion interne selon la figure 1 en fonction du coefficient lambda, et [0012] [fig.3] montre la teneur en matières nocives, en aval du catalyseur à trois voies, en fonction du coefficient lambda. [0013] DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION [0014] La figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion interne 1 dans lequel se produisent des combustions dans les temps de cycle du moteur à combustion interne 1. Il s'agit par exemple d'un moteur à combustion interne à essence qui est par exemple un moteur à combustion interne à quatre temps, un temps d'admission, un temps de compression, un temps d'explosion et un temps d'échappement. L'un de ces quatre temps de cycle du moteur à combustion interne sera appelé "temps actif" car 3 dans ce temps de cycle on allume le mélange d'air et de carburant introduit dans la chambre à combustion du moteur. [0015] Cette combustion génère des gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1 qui sont tout d'abord dirigés à travers un catalyseur à trois voies 3 par une conduite d'échappement 2. En aval du catalyseur 3, les gaz d'échappements passent par une autre conduite d'échappement 4 pour traverser un filtre à particules 5. En aval du filtre à particules 5, les gaz d'échappement du moteur 1 arrivent par une conduite de gaz d'échappement 6 à l'environnement. Grâce à ce système de gaz d'échappement équipé du catalyseur 3 et du filtre à particules 5, les gaz d'échappements émis à l'atmosphère sont très largement nettoyés des matières polluantes. [0016] En variante, on utilise un système de gaz d'échappement équipé d'un catalyseur à quatre voies. Il s'agit d'un composant réunissant dans un seul élément, le catalyseur à trois voies et le filtre à particules. Ce fonctionnement correspond à celui d'un catalyseur à trois voies et d'un filtre à particules. Bien que la description suivante de l'invention soit faite dans le cas d'un système de gaz d'échappement équipé d'un filtre à particules 5 séparé et d'un catalyseur 3, cette description s'applique également, de façon correspondante, à un système de gaz d'échappement équipé d'un catalyseur à quatre voies. [0017] Le catalyseur 3 permet de réduire trois composants principaux des gaz d'échappements. Le catalyseur 3 élimine les produits de combustion nocifs HC (hydrocarbures), CO (monoxyde de carbone) et NOx (Oxydes d'azote) des gaz d'échappements. Comme pour cela le catalyseur 3 effectue trois réactions chimiques différentes, ce catalyseur est également appelé "catalyseur à trois voies". Pour que le catalyseur 3 puisse assurer cette fonction, il faut que le rapport entre l'oxygène et le carburant pendant la combustion, soit réglé sur une valeur stoechiométrique c'est-à-dire il faut avoir exactement la quantité d'oxygène nécessaire pour la combustion du carburant. Ce rapport entre l'oxygène et le carburant est également exprimé par le coefficient lambda ; un coefficient lambda égal à 1 représente le rapport stoechiométrique de l'air par rapport au carburant ; un coefficient lambda inférieur à I correspond à un excédent de carburant, c'est-à-dire un manque d'oxygène ; un coefficient lambda supérieur à 1 correspond à un excédent d'oxygène. Le coefficient lambda doit être maintenu autour de la valeur 1 avec des tolérances étroites et ne doit s'en écarter au plus ou du moins que d'un demi pour cent (+- 0,005). [0018] Le catalyseur 3 est suivi du filtre à particules 5 servant à éliminer les particules de suie du gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1. De telles particules de suie sont éliminées des gaz d'échappement en faisant passer les gaz d'échappement à travers une structure de paroi poreuse du filtre à particules 5. La structure poreuse de la paroi du filtre à particules 5 sépare les particules de suie (noir de fumées) des gaz d'échappement grâce à leur dimension physique. Ainsi au cours du temps, des quantités significatives de suie s'accumulent dans le filtre à particules 5 ce qui détériore l'effet de filtrage ou le débit des gaz d'échappements à travers le filtre à particules 5. [0019] Pour cela, il est nécessaire d'éliminer de temps en temps, les particules de suie déposées dans le filtre à particules 5 du système de gaz d'échappement ; pour cela on commande le moteur à combustion interne 1 dans un état de fonctionnement dans lequel, d'une part le filtre à particules 5 est à une température suffisamment élevée et d'autre part les gaz d'échappements introduits dans le système de gaz d'échappement contiennent encore de l'oxygène. Grâce à la température élevée régnant dans le filtre à particules 5 et à l'offre d'oxygène disponible dans les gaz d'échappements, les particules de suie ou noir de fumées déposées dans le filtre à particules seront brulécs. Ce procédé rétablit de nouveau le comportement d'origine du filtre à particules 5 et c'est pourquoi il est également appelé procédé de régénération. Pendant la régénération, le catalyseur 3 ne peut plus fonctionner dans sa plage de fonctionnement optimale pour éliminer les différents composés nocifs contenus dans les gaz d'échappements. Pendant la régénération, la conduite des gaz d'échappements 6 émettra une quantité plus élevée de matières polluantes. L'invention permet, selon son procédé et son dispositif, de réduire ou d'éviter complètement l'émission de matière polluante en cours de régénération du filtre à particules 5. [0020] Pour comprendre l'invention il faut une compréhension précise du fonctionnement du catalyseur 3. Pour cela la figure 2 montre les émissions brutes d'une combustion c'est-à-dire la composition des gaz d'échappements passant dans le catalyseur 3 à travers la conduite de gaz d'échappements 2. A la figure 3, on conduit les gaz d'échappements en aval du catalyseur 3 c'est-à-dire les gaz d'échappements qui ont traversé le catalyseur 3 par la conduite de gaz d'échappement 4 sur le filtre à particules 5. En outre les figures 2 et 3 montrent la composition des matières polluantes qui varient du fait de la modification du coefficient lambda. [0021] La figure 2 montre les émissions brutes du moteur à combustion interne 1. Pour les oxydes NOx, pour une valeur lambda inférieure à 0,8, on aura tout d'abord seulement une faible génération d'oxydes NOx qui augmente néanmoins de manière significative avec la valeur du coefficient lambda ; pour un coefficient lambda d'environ 1,1 on atteint le maximum. Si la teneur en oxygène continue d'augmenter, la teneur en oxydes d'azote NOx diminue de nouveau. Pour le comportement de CO on remarque qu'en cas de manque d'oxygène, on aura beaucoup de gaz CO ; la teneur en CO diminue avec l'augmentation du coefficient lambda et pour un coefficient égal ou supérieur à 1, on ne génère plus que très peu de CO. Pour les hydrocarbures HC, on remarque qu'approximativement pour un coefficient lambda égal 1, on génère peu d'hydrocarbures HC et pour un écart important à la fois dans le sens positif et dans le sens négatif, la teneur en hydrocarbures HC augmente significativement. La figure 2 montre en outre la fenêtre de fonctionnement 21 pour un coefficient lamhda égal à 1+/à un demi pour cent près. [0022] La figure 3 montre l'effet du catalyseur 3 sur les gaz d'échappements en fonction du coefficient lambda. Comme cela parait clairement, autour de la valeur lambda 1, on est au minimum des matières polluantes. Pour une teneur en oxygène moindre, c'est-à-dire un coefficient lamhda égal à 0,975, les gaz d'échappements contiennent encore des fractions significatives de CO, HC et NOx. Mais si l'on fait fonctionner le moteur à combustion pour dégager un excédent d'oxygène, les produits polluants CO et HC seront réduits fortement comme cela a déjà été vu ci-dessus. La teneur en oxydes d'azote nocifs augmente de manière significative. [0023] Si l'on fait fonctionner le moteur à combustion interne 1 pour que les gaz d'échappements contiennent un excédent d'air, nécessaire à la régénération du filtre à particules 5, cela se traduira notamment par de plus fortes missions d'oxydes d'azote NOx. En particulier lors de la régénération les émissions d'oxydes d'azote peuvent détériorer de façon significatives les gaz d'échappements notamment dépasser les valeurs limites autorisées. [0024] L'invention propose de ne pas effectuer chaque combustion de façon identique niais d'effectuer une partie des combustions avec un manque d'air et une partie des temps de cycle avec une combustion normale sans injection, c'est-à-dire sans combustion. S'il n'y a pas de combustion dans le temps actif, les gaz d'échappements ne contiendront aucune matière nocive mais uniquement l'air ambiant pompé par le moteur 1 dans le système des gaz d'échappements. Comme il n'y a pas de combustion, l'air ambiant contient naturellement une très forte fraction d'oxygène. Pour les phases de combustion dans les autres temps actifs, les combustions s'effectuent en ne générant qu'une faible quantité d'oxydes NOx. Pour cela on réduit le manque d'air dans les temps actifs pendant lesquels il y a une combustion, jusqu'à ce que ces combustions se font avec un coefficient lambda inférieur à 0,8 et mieux encore inférieur à 0,75. Pour un tel coefficient lambda, on aura comme cela parait à la figure 2, seulement une très faible quantité d'oxydes NOx et c'est pourquoi il n'y a aucun inconvénient à ce que le catalyseur 3 ne soit pas en mesure de réduire de façon significative une éventuelle émission d'oxydes NOx. Le mélange des gaz d'échappements provenant des temps actifs avec défaut d'air et des temps actifs sans injection de carburant, c'est-à-dire sans combustion, se traduit globalement pour les gaz d'échappements par un excédent d'air c'est-à-dire que le catalyseur 3 fonctionnera dans une plage dans laquelle la quantité de CO et de HC en aval du catalyseur 3 est faible. Comme les temps actifs pour lesquels il y a combustion avec défaut d'air, se font dans une plage dans laquelle on ne créée 6 qu'une faible quantité d'oxydes NOx, ce gaz d'échappement ne contient qu'une très faible quantité d'oxydes NOx et la faible possibilité du catalyseur 3 de réduire les oxydes NOx dans cette plage du coefficient lambda n'importe pas. Un tel fonctionnement permet ainsi de générer comme précédemment un gaz d'échappement ayant une forte teneur en oxygène et pour lequel en même temps la teneur en C3 produits nocifs HC, CO et NOx est faible. [0025] Pour introduire une quantité définie d'air dans le filtre à particules 5 on peut in- fluencer les temps actifs sans injection de carburant par rapport aux temps actifs avec combustion et manque d'air. Le carburant, on introduira une partie plus importante, correspondante, d'air dans le filtre à particules. Cela est particulièrement simple si le moteur à combustion interne 1 comporte plusieurs cylindres dans lesquels il y a des temps actifs. Par exemple dans le cas d'un moteur à six cylindres, on pourra au choix faire fonctionner seulement un cylindre ou aussi deux cylindres sans injection de carburant pour introduire la quantité souhaitée d'air dans le filtre à particules 5. En variante il est également possible de réaliser un tel rapport entre les temps actifs sans injection de carburant par rapport aux temps actifs avec combustion et manque d'air en ce que sélectivement, on coupe l'injection de carburant dans certains cylindres. Par exemple dans le cas d'un moteur à combustion interne à quatre cylindres on peut avoir chaque cinquième temps actif sans injection de carburant. Il faut pour cela choisir toujours un autre cylindre pour cc temps actif sans injection. [0026] Comme cela parait à la figure 2 le dégagement d'oxydes NOx est particulièrement faible si la combustion se fait avec un coefficient lambda significativement inférieur à 0,8 c'est-à-dire un manque d'air de plus de 20% par rapport à la valeur stoechiométrique. De façon préférentielle, on peut prévoir notamment une plage de fonctionnement avec un coefficient lambda inférieur à 0,75. [0027] Un tel fonctionnement du moteur à combustion interne pour introduire de l'oxygène dans le filtre à particules pour sa régénération, est naturellement seulement intéressante si la température du filtre à particules est supérieure à un seuil. De façon caractéristique, la régénération dans le filtre à particules ne pourra se faire que si la température dans le filtre à particules 5 dépasse 600°C. En outre il peut également être intéressant de surveiller la température du filtre à particules. Cela est notamment utile si la charge en particules de suie du filtre à particules 5 n'est pas connue et dans la mesure où le degré d'augmentation de la température dans le filtre à particules 5 n'est pas prévisible. Pour un tel état de fonctionnement il peut être nécessaire d'exploiter la température du filtre à particules 5 et le cas échéant d'an-êter le fonctionnement qui introduit de l'oxygène dans le filtre à particules 5. En aucun cas le filtre à particules ne doit subir de surchauffe par la combustion des suies car les températures qui se produisent peuvent endommager mécaniquement le filtre à particules 5. [0028] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0029] 1 Moteur à combustion interne [0030] 2 Conduite de gaz d'échappement [0031] 3 Catalyseur [0032] 4 Conduite de gaz d'échappement [0033] 5 Filtre à particules [0034] 6 Conduite d'échappement [0035] 21 Fenêtre de fonctionnement 8