Brevet FR3140910A1 — publié le 20240419

Ce procédé de chauffage d’un catalyseur (13) trois voies monté à l’échappement d’un moteur (2) thermique associé à une première machine électrique pouvant fonctionner selon un mode générateur ou selon un mode moteur dans lesquels ladite machine électrique participe au couple d’entraînement du véhicule, et associé à une deuxième machine électrique pouvant fonctionner au moins en mode générateur, comprend : - une étape de démarrage du véhicule dans laquelle un couple d’entraînement du véhicule est requis ; et - une étape de chauffage du catalyseur (13) jusqu’à une température d’amorçage, dans laquelle le couple d’entraînement du véhicule est entièrement produit par la première machine électrique. Ladite étape de chauffage comprend une étape de réglage de post-combustion du moteur (2) comprenant une étape d’injection de carburant dans au moins un cylindre du moteur (2) autour du point mort haut de combustion, suivie par une étape d’allumage aux alentours du point mort bas d’échappement. Figure pour l’abrégé : Figure 2 Procédé de chauffage d’un catalyseur dans un véhicule à motorisation hybride L’invention concerne un procédé de chauffage d’un catalyseur trois voies intégré à la ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne à allumage commandé. Il concerne aussi un dispositif de motorisation hybride apte à mettre en œuvre un tel procédé. Techniques antérieures Les moteurs à combustion modernes, plus particulièrement ceux des véhicules automobiles qui sont soumis à des normes anti-pollution de plus en plus sévères, sont équipés de divers systèmes de post-traitement des molécules polluantes émises dans les gaz de combustion desdits moteurs, afin de limiter les rejets d’espèces nocives dans l’atmosphère extérieure. Sur les moteurs du type à allumage commandé fonctionnant notamment à l’essence, on connaît notamment les catalyseurs trois voies qui sont aptes à traiter les hydrocarbures imbrûlés (HC), le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d’azote (NOx) émis dans les gaz de combustion du moteur. Il est connu que l’efficacité d’un système de post-traitement dépend de sa température. Par efficacité, on entend la proportion de molécules polluantes d’un type donné qui entrent dans le système, que ledit système parvient à traiter. L’efficacité commence à atteindre des valeurs acceptables, par exemple comprises entre 50% et 90%, lorsque la température du catalyseur est par exemple comprise entre environ 250°C et 300°C. L’efficacité d’un 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 que le véhicule ne rejette trop d’émissions polluantes dans l’atmosphère extérieure. On sait également que les moteurs thermiques de certains véhicules automobiles à motorisation dite « hybride » sont associés à des machines électriques réversibles pouvant fonctionner en mode « moteur » ou en mode « générateur ». Dans ces motorisations « hybrides », on procède classiquement à des combustions retardées à l’intérieur des cylindres du moteur pour réchauffer le catalyseur, de manière à dégrader le rendement de combustion et augmenter les pertes thermiques du moteur. Par exemple, il est courant d’utiliser une avance à l’allumage retardée et de procéder à une série d’injections de carburant avec une dernière injection proche de l’allumage. Cependant, la sous-avance à l’allumage reste limitée par les instabilités de combustion qui deviennent inacceptables au-delà d’environ 15 degrés de vilebrequin. En effet, les combustions de plus en plus erratiques génèrent d’importants écarts de couple d’un cycle à un autre et ont pour conséquence des fortes instabilités de régime qui engendrent des augmentations inacceptables de bruit et de vibrations. Bien que le procédé actuel permette de répondre aux normes anti-pollution actuelles, la future norme Euro7 s’avère extrêmement sévère. Ainsi, pour respecter les seuils d’émissions des futures normes, la stratégie actuelle de chauffe du catalyseur n’est pas suffisante et il est nécessaire de la coupler à des solutions techniques complexes et coûteuses comme un catalyseur chauffé électriquement (EHC) potentiellement additionné à un système d’injection d’air à l’échappement permettant de diffuser la chaleur produite en amont par l’EHC dans tout le système de post-traitement avant le démarrage effectif du moteur. 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-à-dire dans le cas où le moteur thermique est associé à au moins une machine électrique. Elle propose pour cela un procédé de chauffage d’un catalyseur trois voies monté à l’échappement d’un moteur à combustion interne à allumage commandé apte à entraîner au moins une roue motrice d’un véhicule automobile, ledit moteur étant associé à une première machine électrique réversible pouvant fonctionner selon un mode générateur ou selon un mode moteur dans lesquels ladite première machine électrique participe au couple d’entraînement du véhicule, ledit moteur étant associé en outre à une deuxième machine électrique pouvant fonctionner au moins selon un mode générateur, ledit 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 d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée, dans laquelle le couple d’entraînement du véhicule est entièrement produit par la première machine électrique fonctionnant en mode moteur. Ladite étape de chauffage comprend une étape de réglage de post-combustion du moteur comprenant une étape d’injection de carburant dans au moins un cylindre du moteur autour du point mort haut de combustion, suivie par une étape d’allumage dudit carburant injecté aux alentours du point mort bas d’échappement. Le réglage de post-combustion vise à améliorer le chauffage du catalyseur et correspond au réglage du fonctionnement d’au moins un cylindre du moteur thermique pour transférer toute l’énergie chimique contenue dans le carburant vers le catalyseur, en éliminant l’échange d’énergie mécanique avec le piston du cylindre lors de la phase de détente et aux pertes par frottement près. Avantageusement, l’étape d’injection de carburant comprend une séquence d’injections réalisées autour du point mort haut de combustion. Selon une caractéristique avantageuse, l’allumage dudit carburant injecté aux alentours du point mort bas d’échappement est réalisé avec plusieurs étincelles. De préférence, ladite étape de réglage de post-combustion du moteur est appliquée à une partie seulement des cylindres du moteur ou est appliquée sur une fraction sous-unitaire des cycles du moteur. Par exemple, l’étape de réglage de post-combustion est appliquée à tous les cylindres du moteur mais uniquement pour un cycle du moteur sur deux. Par exemple, l’étape de réglage de post-combustion est appliquée à un seul cylindre. Selon un autre aspect, l’invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile mettant en œuvre un procédé tel que décrit ci-dessus. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue en plan schématique d’un dispositif de motorisation hybride selon l’art antérieur ; est une vue schématique d’un moteur thermique selon l’art antérieur ; illustre les signaux d’injection et d’allumage dans les phases de compression et de détente d’un cycle du moteur selon l’art antérieur ; illustre les ouvertures des soupapes d’échappement et d’admission respectivement dans les phases d’échappement et d’admission d’un cycle du moteur selon l’art antérieur ; est un organigramme illustrant les différentes étapes d’un procédé de chauffage d’un catalyseur selon l’invention ; illustre les signaux d’injection et d’allumage dans les phases de compression et de détente d’un cycle du moteur selon l’invention ; illustre les ouvertures des soupapes d’échappement et d’admission respectivement dans les phases d’échappement et d’admission d’un cycle du moteur selon l’invention ; illustre un réglage de post-combustion du moteur selon un mode de réalisation ; et illustre un réglage de post-combustion du moteur selon un autre mode de réalisation. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation La illustre de manière schématique un dispositif de motorisation 1 hybride connu en lui-même, notamment monté sur un véhicule automobile. Le dispositif de motorisation 1 hybride comprend un moteur thermique 2 à combustion interne et à allumage commandé, une première machine électrique 3 et une deuxième machine électrique 4. Le moteur thermique 2 produit un couple moteur, qui résulte de la combustion d’un mélange d’air frais et de carburant dans des quantités définies par un calculateur du moteur thermique 2 non représenté. Les machines électriques 3, 4 sont aptes à fonctionner en mode « générateur » sous la supervision d’un boîtier de commande non représenté. En outre, au moins la première machine électrique 3 est apte à fonctionner en mode « moteur ». En d’autres termes, la première machine électrique est réversible. Cependant, il n’est pas indispensable à la mise en œuvre du procédé selon l’invention que la deuxième machine électrique 4 soit apte à pouvoir fonctionner en mode « moteur ». En mode « générateur », une machine électrique 3, 4 est un alternateur qui fournit un courant électrique destiné à être stocké dans une batterie d’accumulateurs non représentée. En mode « moteur », la première machine électrique 3 est au contraire alimentée par du courant précédemment stocké dans la batterie d’accumulateurs et fournit un couple moteur qui peut être transmis aux roues du véhicule, en complément ou en remplacement du couple fourni par le moteur thermique 2. Le dispositif de motorisation 1 est associé à un système de transmission 5 permettant de transmettre aux roues 6 le couple fourni par le dispositif de motorisation 1. Le dispositif de motorisation est réglé de telle façon que le couple qu’il fournit atteigne une valeur de couple de consigne, ou couple requis, correspondant à la « volonté du conducteur d’accélérer », matérialisée par exemple par une valeur de l’enfoncement d’une pédale d’accélérateur du véhicule ou de la pression exercée sur ladite pédale. Le système de transmission 5 comprend notamment une boîte de vitesses 7, un pont différentiel 8 et un arbre de transmission 9. La boîte de vitesses est reliée au moteur thermique 2 et aux machines électriques 3, 4 d’une part, et d’autre part aux roues 6 par l’intermédiaire du différentiel 8 et de l’arbre de transmission 9. La illustre le fonctionnement du moteur thermique 2 de la . Le moteur thermique 2 illustré est ici un moteur à trois cylindres en ligne suralimenté. Un tel moteur thermique 2 aspire de l’air dans le sens de la flèche E par l’intermédiaire d’une conduite d’admission 10, et rejette ses gaz d’échappement par une conduite d’échappement 11 afin de les diriger vers un dispositif de dépollution 12. Le dispositif de dépollution 12 comporte un catalyseur trois voies 13 et un filtre à particules 14. A la sortie du dispositif de dépollution 12, les gaz d’échappement sont évacués dans l’atmosphère extérieure dans le sens de la flèche S. Le moteur consomme également du carburant, par exemple de l’essence, un mélange d’essence et d’éthanol, voire de l’éthanol pur, 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 injecter le carburant directement dans chacun des cylindres. Dans la conduite d’admission d’air 10, de manière non limitative, on peut trouver un filtre à air 15 qui permet d’éliminer les poussières contenues dans l’air et un volet d’admission 16, ou boîtier-papillon 16 qui permet de réguler le débit admis dans le moteur 2 en obstruant plus ou moins la conduite d’admission 10. S’agissant d’un moteur 2 suralimenté, le moteur thermique 2 comporte par ailleurs un turbocompresseur 17 dont le compresseur 18 est interposé dans la conduite d’admission 10 entre le filtre à air 15 et le boîtier-papillon 16. De plus, il est possible qu’un échangeur de température 19 soit disposé dans la conduite d’admission 10, entre le compresseur 18 et le boîtier-papillon 16 de manière à refroidir l’air comprimé par le compresseur 18. Le compresseur 18 est entraîné par la turbine 20 du turbocompresseur 17, qui est interposée dans la conduite d’échappement 11 entre le moteur 2 et le dispositif de dépollution 12. De plus et sans nuire à la généralité de l’invention, le moteur thermique 2 peut comporter un ou plusieurs circuits 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 étant l’acronyme anglais pour « Exhaust Gas Recycling » ou recyclage des gaz d’échappement. Le moteur thermique 2 peut également disposer d’une distribution variable d’acronyme VVT pour « Variable Valve Timing » en langue anglaise. Le catalyseur peut être équipé de moyens de détermination d’un paramètre représentatif de la température T des gaz d’échappement qui le traversent, par exemple la température T du catalyseur lui-même, mesurée par un capteur de température 21. Par ailleurs, le moteur 2 comprend une unité électronique de commande 22 configurée pour commander les différents éléments du moteur 2 à partir de données recueillies par des capteurs à différents endroits du moteur. L’unité électronique de commande 22 comporte un module de calcul 23, un module de mesure 24 et un module de commande 25. Le module de mesure 24 est par exemple apte à recevoir les mesures de température issues du capteur de température 21. Le module de commande 25 est par exemple apte à piloter le système d’injection de carburant et l’ouverture et la fermeture du boîtier-papillon 16. Classiquement, les motorisations hybrides tel que décrites ci-dessus nécessitent une phase de chauffage du catalyseur lors d’un départ à froid du moteur thermique. Cette phase de chauffage du catalyseur dure environ 30 secondes et permet d’amener la température du catalyseur jusqu’à une température d’amorçage à laquelle il possède une efficacité de traitement minimale prédéfinie. Durant cette phase, le couple fourni par le moteur thermique 2 n’est pas transmis aux roues et l’avancement du véhicule est assuré uniquement par la première machine électrique 3. Le couple fourni par le moteur thermique 2 est transmis à la deuxième machine électrique 4 afin de recharger la batterie. Le point de fonctionnement classiquement utilisé correspond à un régime de 1300 tours/minute et un couple de 50 Nm, c’est-à-dire des valeurs relativement faibles. Le réglage du moteur utilisé dans la phase de chauffage du catalyseur est illustré sur les figures 3 et 4. Le réglage utilisé dans la phase de chauffage du catalyseur diffère du réglage nominal utilisé en dehors de la phase de chauffage du catalyseur. Les zones PMB et PMH correspondent respectivement au point mort bas et au point mort haut d’un moteur thermique 2. Il est à noter que le moteur 2 fonctionne selon un cycle à quatre temps. Le réglage du moteur consiste à utiliser une avance à l’allumage retardée et de procéder à une série d’injections 26 comprenant une dernière injection proche de l’allumage 27. Dans l’exemple illustré, on effectue trois injections 26 et l’allumage est réalisé à environ 15 degrés de vilebrequin avec une seule étincelle. A titre de comparaison, l’allumage selon le réglage nominal intervient quelques instants avant le PMH, afin de prendre en compte le délai nécessaire au développement de la combustion. La illustre les signaux d’injection et d’allumage dans les phases de compression et de détente, et la illustre les ouvertures des soupapes d’échappement 28 et des soupapes d’admission 29 respectivement dans les phases d’échappement et d’admission. On va maintenant décrire en référence aux figures 5 à 7 un procédé de chauffage d’un catalyseur selon l’invention. La illustre les différentes étapes d’un procédé 30 de chauffage du catalyseur 13 selon un mode de réalisation de l’invention, utilisant un dispositif de motorisation 1 tel que décrit précédemment, dans lequel on amène la température T du catalyseur 13 jusqu’à une température Ta d’amorçage à laquelle il possède 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. Le procédé est en particulier mis en œuvre au moyen d’un dispositif de motorisation 1 comprenant, tel que décrit précédemment un moteur thermique 2 associé à des machines électriques 3, 4 qui sont aptes à fonctionner en mode « générateur » et dont au moins la première machine électrique 3 est en outre apte à fonctionner en mode « moteur » sous la supervision d’un boîtier de commande. Le procédé 30 commence par une étape 31 de démarrage du véhicule. Elle peut se matérialiser par le fait que le conducteur met le contact et requiert un couple C pour l’entraînement du véhicule, par exemple en appuyant sur la pédale d’accélérateur. Le procédé se poursuit, de manière itérative, par une étape 32 de mesure de la température T du catalyseur 13, puis par une étape 33 de comparaison de ladite température T avec une température d’amorçage Ta prédéfinie. La mesure de la température T du catalyseur 13 peut être déterminée par l’unité électronique de commande 22 à l’aide d’un capteur de température 21 qui équipe le catalyseur 13. Tant que la température T du catalyseur est inférieure à la température d’amorçage Ta, le procédé se poursuit par une étape 34 de chauffage du catalyseur 13 dans laquelle le couple C nécessaire à l’entraînement du véhicule est entièrement fourni par la première machine électrique 3. Si la température T du catalyseur n’est pas inférieure à la température d’amorçage Ta, le procédé passe à l’étape 38 de réglage du moteur sur un fonctionnement nominal. A cette étape 34, l’unité électronique de commande 22 pilote le réglage d’au moins un cylindre du moteur thermique de manière à transférer toute l’énergie chimique contenue dans le carburant vers le catalyseur 13 en éliminant l’échange d’énergie mécanique avec le piston lors de la phase de détente. L’étape 34 comprend une étape 35 de réglage de post-combustion du moteur 2 comprenant une étape 36 d’injection de carburant dans au moins un cylindre du moteur 2 autour du PMH de combustion, suivie par une étape 37 d’allumage dudit carburant injecté aux alentours du PMB d’échappement. Le PMH de combustion est le moment de passage d’une phase de compression à une phase de détente et correspond au début du temps trois d’un cycle conventionnel à quatre temps. Le PMB d’échappement est le moment de passage d’une phase de détente à une phase d’échappement où le piston d’un moteur fonctionnant selon un cycle conventionnel à quatre temps commence à remonter juste après la phase de détente. Le réglage du moteur utilisé à l’étape 35 de réglage de post-combustion est illustré sur les figures 6 et 7. La illustre les signaux d’injection et d’allumage dans les phases de compression et de détente, et la illustre les ouvertures des soupapes d’échappement et des soupapes d’admission respectivement dans les phases d’échappement et d’admission. Ce réglage dit « de post-combustion » diffère du réglage utilisé dans l’art antérieur dans la phase de chauffage du catalyseur et illustré sur les figures 3 et 4. Le réglage de post-combustion du moteur consiste à brûler la charge air-carburant très tard dans le cycle du moteur avec un allumage réalisé en fin de phase de détente avant l’ouverture des soupapes d’échappement, soit aux alentours du PMB d’échappement. Les conditions de pression et de température d’un allumage effectué aux alentours du PMB d’échappement sont plutôt faibles en comparaison à un allumage réalisé autour du PMH de combustion. Il est donc nécessaire pour garantir une qualité suffisante de combustion de veiller à ce que le mélange air-carburant soit le plus homogène possible. Dans ce but, l’étape 36 d’injection de carburant comprend une séquence d’injections 40 effectuées autour du PMH de combustion ( ). En effet, c’est au PMH de combustion que les vitesses et intensités aérodynamiques sont les plus élevées, permettant d’obtenir une homogénéisation air-carburant idéale. Il est aussi nécessaire de fournir une énergie d’allumage la plus élevée possible. A cette fin, l’unité électronique de commande 22 réalise à l’étape 37 l’allumage du mélange air-carburant avec plusieurs étincelles 41 sous forme de train d’étincelles permettant d’accroître l’énergie d’allumage et assurer l’initiation de la combustion ( ). Dans le cas d’un moteur thermique 2 disposant d’une distribution variable et à l’instar du réglage classique en phase de chauffage du catalyseur, il n’y a pas de croisement des soupapes d’échappement 42 et des soupapes d’admission 43 dans le réglage de post-combustion pour éviter la présence de gaz brûlés dans les chambres de combustion après la combustion, afin de stabiliser au maximum la combustion ( ). De plus, en post-combustion tout croisement des soupapes d’échappement et des soupapes d’admission doit être supprimé au risque de voir remonter vers l’admission des gaz enflammés et donc de subir des problèmes de bruit d’admission, voire des problèmes de fiabilité. Avec le réglage de post-combustion, le moteur 2 ne fournit plus de couple et ne peut respecter sa consigne cible de régime si le réglage de post-combustion est appliqué sur tous les cylindres et tous les cycles du moteur 2. Il est donc préférable d’activer le réglage de post-combustion uniquement sur certains cylindres ou seulement dans certains cycles (soit une fraction sous-unitaire) du moteur 2, les autres cylindres ou cycles du moteur fonctionnant soit avec un réglage de chauffage du catalyseur de l’état de la technique tel que décrit précédemment, soit avec un réglage nominal utilisé classiquement en dehors de la phase de chauffage du catalyseur. Dans un mode de réalisation illustré sur la , le moteur 2 est à trois cylindres et la post-combustion est activée uniquement sur le deuxième cylindre. Les premier et troisième cylindres fournissent un couple constant, alors que le deuxième cylindre ne fournit pas de couple. Pour simplifier la présentation nous avons négligé les pertes par frottements et par pompage du deuxième cylindre. Ces pertes sont en réalité compensées par un couple fourni par la deuxième machine électrique 4. Dans un autre mode de réalisation illustré sur la , le moteur 2 est à trois cylindres et la post-combustion est activée sur tous les trois cylindres, à raison d’un cycle du moteur sur deux. D’autres combinaisons sont envisageables tout en restant dans le cadre de l’invention. Procédé de chauffage d’un catalyseur (13) trois voies monté à l’échappement d’un moteur (2) à combustion interne à allumage commandé apte à entraîner au moins une roue (6) motrice d’un véhicule automobile, ledit moteur (2) étant associé à une première machine électrique (3) réversible pouvant fonctionner selon un mode générateur ou selon un mode moteur dans lesquels ladite machine électrique (3) participe au couple (C) d’entraînement du véhicule, ledit moteur (2) étant en outre associé à une deuxième machine électrique (4) pouvant fonctionner au moins selon un mode générateur, ledit procédé comprenant : une étape de démarrage du véhicule dans laquelle un couple d’entraînement (C) du véhicule est requis ; et une étape de chauffage du catalyseur (13) jusqu’à une température d’amorçage (Ta) d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée, dans laquelle le couple d’entraînement (C) du véhicule est entièrement produit par la première machine électrique (3) fonctionnant en mode moteur ; caractérisé en ce que ladite étape de chauffage comprend une étape de réglage de post-combustion du moteur (2) comprenant une étape d’injection de carburant dans au moins un cylindre du moteur (2) autour du point mort haut de combustion, suivie par une étape d’allumage dudit carburant injecté aux alentours du point mort bas d’échappement. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape d’injection comprend une séquence d’injections réalisées autour du point mort haut de combustion. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’allumage dudit carburant injecté aux alentours du point mort bas d’échappement est réalisé avec plusieurs étincelles. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite étape de réglage de post-combustion du moteur (2) est appliquée à une partie seulement des cylindres du moteur (2) ou est appliquée sur une fraction sous-unitaire des cycles du moteur (2). Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’étape de réglage de post-combustion est appliquée à tous les cylindres du moteur (2) mais uniquement pour un cycle du moteur sur deux. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’étape de réglage de post-combustion est appliquée à un seul cylindre. Moteur (2) à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile mettant en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.