Brevet FR3153112A1 — publié le 20250321

Ce procédé de commande après démarrage d’un moteur (10) à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile muni d’un système de dépollution (40) des espèces polluantes comprenant au moins un catalyseur (42a) trois voies, comprend : - une étape de bicarburation réalisée lorsque la température du catalyseur est inférieure ou égale à une température d’amorçage d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée, dans laquelle on réalise une injection indirecte et précoce d’une quantité plus importante de carburant gazeux associée à une seule injection directe et tardive d’une quantité plus faible de carburant liquide et à un retrait de l’avance à l’allumage du moteur par rapport à une avance optimale maximisant le rendement du moteur, et - une étape de monocarburation réalisée lorsque le catalyseur (42a) dépasse la température d’amorçage, dans laquelle on apporte l’énergie nécessaire au fonctionnement du moteur par une injection indirecte de carburant gazeux. Figure pour l’abrégé : [Fig 1] Procédé de commande d’un moteur utilisant du carburant gazeux en phase de démarrage à froid L’invention a pour domaine technique la commande des moteurs à combustion interne à allumage commandé fonctionnant sélectivement en mode de monocarburation ou en mode de bicarburation de carburant gazeux et de carburant liquide, et plus particulièrement, la commande de tels moteurs en phase de démarrage à froid et en vue de réduire l’émission d’espèces polluantes. Techniques antérieures Les véhicules automobiles munis d’un moteur à combustion interne à allumage commandé sont munis d’un système de post-traitement des espèces polluantes comprises dans les gaz d’échappement afin de satisfaire aux normes antipollution. Le système de post-traitement comprend généralement un catalyseur à trois voies qui est apte à oxyder les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO), et à réduire les oxydes d’azote (NOx). 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 le 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. Juste après le démarrage d’un moteur thermique, il est donc nécessaire de prendre des mesures pour que le véhicule ne rejette trop d’émissions polluantes dans l’atmosphère extérieure quand il s’agit d’un démarrage à froid, c’est-à-dire, d’un démarrage effectué alors que le catalyseur n’a pas atteint un seuil de température suffisant. Classiquement, tant que le catalyseur est froid, on procède 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 de retarder l’avance à l’allumage. Cependant, la sous-avance à l’allumage reste limitée par les instabilités de combustion. 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, et des augmentations d’émissions polluantes particulièrement d’hydrocarbures imbrûlés (HC), de monoxyde de carbone (CO) et d’oxydes d’azote (NOx) lorsque lesdites instabilités mènent à une mauvaise combustion. Comme cela est connu de l’art antérieur, il existe des moteurs à combustion interne fonctionnant sélectivement en mode de monocarburation ou en mode de bicarburation de carburant gazeux et de carburant liquide. Dans la plupart des cas, un tel moteur est équipé d’un premier système d’injection indirecte de carburant gazeux associé à un deuxième système d’injection directe de carburant liquide. Le carburant gazeux est généralement du gaz pétrolier liquéfié, d’acronyme GPL, ou du gaz naturel pour véhicule, d’acronyme GNV. Le carburant liquide est généralement de l’essence. Une solution connue pour réduire les instabilités de combustion dans le cas des moteurs à allumage commandé et à injection directe consiste à réaliser une injection à charge stratifiée. Une telle injection consiste à obtenir dans la chambre de combustion un mélange carburé hétérogène dont les fractions riches sont localisées au voisinage du point d’allumage, typiquement une bougie d’allumage, afin de favoriser l’inflammation du mélange. Ainsi, le démarrage proprement dit du moteur puis sa phase de fonctionnement à froid sont généralement réalisées en mode de monocarburation, avec un injection directe et stratifiée de carburant liquide, typiquement de l’essence. Cependant, il est souhaitable d’augmenter l’utilisation des carburants gazeux. En effet, leurs caractéristiques leur permettent de moins dégrader la qualité de l'air et de réduire les émissions de gaz à effet de serre par rapport à un carburant liquide tel que l’essence. D’autre part, ces carburants gazeux sont généralement moins chers que les carburants liquides et permettent donc de diminuer le coût d’usage des véhicules automobiles. Il est ainsi souhaitable d’utiliser des carburants gazeux dans la phase de fonctionnement à froid du moteur qui suit son démarrage, c’est-à-dire pendant la phase de montée en température, dite aussi « mise en action », du catalyseur. Toutefois, il n’est pas possible de réaliser des injections à charge stratifiée avec des systèmes d’injection indirecte de carburant gazeux. En effet, dans les systèmes d’injection indirecte de carburant gazeux, l’injection est réalisée dans le collecteur d’admission, donc trop loin du point d’allumage pour pouvoir atteindre des fractions suffisamment riches qui favorisent l’inflammation. L’utilisation actuelle de carburants gazeux s’accompagne ainsi d’un retrait plus limité de l’avance à l’allumage à cause des instabilités de combustion et de l’impossibilité d’atteindre des charges stratifiées. Il résulte une vitesse de montée en température du catalyseur moins rapide que si on utilisait des carburants liquides et donc une moindre efficacité du catalyseur en phase transitoire et des émissions d’espèces polluantes moins maîtrisées. Au vu de ce qui précède, l’invention vise à utiliser du carburant gazeux en phase de fonctionnement à froid d’un moteur de véhicule automobile après son démarrage, tout en maîtrisant l’émission d’espèces polluantes. L’invention a pour objet un procédé de commande d’un moteur à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile muni d’un système de dépollution des espèces polluantes comprenant au moins un catalyseur trois voies. Le procédé comprend, après chaque démarrage du moteur : une étape de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation réalisée lorsque la température du catalyseur est inférieure ou égale à une température d’amorçage (Ta) d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée, dans laquelle on réalise pour chaque cycle du moteur, une injection indirecte et précoce d’une quantité plus importante de carburant gazeux associée à une seule injection directe et tardive d’une quantité plus faible de carburant liquide et à un retrait de l’avance à l’allumage du moteur par rapport à une avance optimale maximisant le rendement du moteur, et une étape de fonctionnement du moteur en mode de monocarburation réalisée lorsque la température du catalyseur dépasse la température d’amorçage ou lorsque la durée du fonctionnement du moteur en mode de bicarburation dépasse une durée maximale prédéterminée, dans laquelle on apporte l’énergie nécessaire au fonctionnement de chaque cycle du moteur par une injection indirecte de carburant gazeux. Un tel procédé permet d’utiliser un fonctionnement en mode de bicarburation qui maximise l’utilisation de carburant gazeux en phase de fonctionnement à froid du moteur après son démarrage, tout en maîtrisant l’émission d’espèces polluantes. En effet, une quantité réduite de carburant liquide est utilisée pour réaliser une charge stratifiée permettant de réaliser un fort retrait d’avance à l’allumage qui maximise la chaleur disponible pour le chauffage du catalyseur. Ainsi, le procédé améliore l’efficacité du catalyseur en phase transitoire, car il accélère sa montée en température. De préférence, pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, la quantité de carburant liquide injecté est régulée en boucle ouverte par rapport à une valeur de consigne prédéterminée dépendant du point de fonctionnement instantané du moteur, alors que la quantité de carburant gazeux injecté est régulée via une boucle de régulation de richesse. Par exemple, pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, la valeur du rapport entre la quantité de carburant liquide injecté et la quantité totale de carburant injecté dépend de la valeur du retrait de l’avance à l’allumage, de manière à préserver la stabilité de la combustion. Avantageusement, pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, l’injection indirecte de carburant gazeux est réalisée lors d’un temps de détente ou d’échappement du cycle, pendant une fermeture des soupapes d’admission du moteur, ce qui favorise l’homogénéité du mélange de carburant gazeux et d’air frais. En variante, pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, l’injection indirecte de carburant gazeux est réalisée lors d’un temps d’admission du cycle, pendant une ouverture des soupapes d’admission du moteur. Cependant, cela ne permet pas l’hétérogénéité de la charge carburée et d’obtenir un mélange stratifié. Selon une caractéristique de l’invention, pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, l’injection indirecte de carburant gazeux est associée à une injection directe de carburant liquide qui est réalisée lors d’un temps de compression du cycle, après la fermeture des soupapes d’admission du moteur, et de préférence juste avant l’allumage, de manière à permettre la réalisation de la charge stratifiée. Selon une autre caractéristique, pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de monocarburation, on utilise une consigne de richesse unitaire pour réguler la quantité de carburant gazeux injecté et une valeur optimale de l’avance à l’allumage maximisant le rendement du moteur. Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un moteur à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile muni d’un système d’injection directe de carburant liquide, d’un système d’injection indirecte de carburant gazeux, d’un système de commande et d’un système de dépollution des espèces polluantes comprenant au moins un catalyseur trois voies, mettant en œuvre un procédé tel que décrit ci-dessus. Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un véhicule automobile équipé d’un moteur 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 : FIG. 1 illustre, de manière schématique, la structure d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile équipé d’un système de commande du moteur selon l’invention ; et FIG. 2 illustre un organigramme d’un procédé de commande du moteur de la FIG. 1 selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation Dans l’exemple illustré sur la FIG. 1 , le moteur à combustion interne 10 est du type à allumage commandé et comprend, de manière non limitative, trois cylindres 12 en ligne, un collecteur d’admission d’air frais 14, un collecteur d’échappement 16 et un système de turbo-compression ou turbocompresseur 18. Les cylindres 12 sont alimentés en air par l’intermédiaire du collecteur d’admission 14, ou répartiteur, lui-même alimenté par une conduite 20 pourvue d’un filtre à air 22 et d’un compresseur 18a du turbocompresseur 18 du moteur 10. Le turbocompresseur 18 comporte essentiellement une turbine 18b entraînée par les gaz d’échappement et le compresseur 18a, monté sur le même arbre que la turbine 18b, et assurant une compression de l’air distribué par le filtre à air 22 ou boîte à air, dans le but d’augmenter la quantité (débit massique) d’air admise dans les cylindres 12 du moteur 10 pour un débit volumique identique. En variante, le moteur 10 peut être de type atmosphérique. Le moteur à combustion interne 10 comprend un circuit d’admission Ca et un circuit d’échappement Ce. Le circuit d’admission Ca comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation de l’air : - le filtre à air 22; - un débitmètre 26 disposé dans la conduite d’admission 20 en aval du filtre à air 22 pour mesurer la valeur réelle du débit massique d’air entrant dans le moteur 10 ; - une vanne d’admission d’air 9 ; - le compresseur 18a du turbocompresseur 18 ; - un boîtier papillon 30 ou une vanne d’admission des gaz dans le moteur ; - un échangeur thermique 32 configuré pour refroidir les gaz d’admission correspondant à un mélange d’air frais et de gaz recirculés après leur compression dans le compresseur 18a ; -des capteurs de pression et température 33 pour mesurer la pression et la température dans le collecteur d’admission 14 ; et - le collecteur d’admission 14. Le compresseur est associé à un circuit de contournement équipé d’une vanne de décharge à l’admission 39 qui s’ouvre en cas de fermeture brutale du boîtier papillon 30, pour éviter que l’air comprimé, se trouvant entre le compresseur 18a et le boîtier papillon 30, ne traverse le compresseur 18a à l’envers et ne le dégrade, lorsque par exemple, le conducteur du véhicule lève brutalement le pied de la pédale d’accélération. Le circuit d’échappement Ce comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz brûlés : - le collecteur d’échappement 16 ; - la turbine 18b du turbocompresseur 18 ; et - un système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur, comprenant notamment un catalyseur trois voies. En ce qui concerne le collecteur d’échappement 16, celui-ci récupère les gaz d’échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l’extérieur, par l’intermédiaire d’un conduit d’échappement des gaz 34 débouchant à l’entrée de la turbine 18b du turbocompresseur 18 et par une ligne d’échappement 36 montée en aval de la turbine 18b. Le moteur 10 peut être doté d’un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission, dit circuit « EGR » ou « exhaust gas recirculation » en anglais, sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Le système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur comprend un premier dispositif de post-traitement 42 comprenant au moins un catalyseur 42a trois voies qui peut être chauffé électriquement, avec au moins une première sonde à oxygène 43a montée en amont du premier dispositif de post-traitement 42. La première sonde à oxygène amont 43a sert généralement à réguler en boucle fermée la valeur de la richesse du mélange air-carburant dans le moteur autour d’une valeur de consigne, par exemple la valeur 1 correspondant à un mélange air-carburant dans les proportions stœchiométriques. En outre, une deuxième sonde à oxygène 43b optionnelle, par exemple de type binaire ou proportionnelle peut être montée en aval du premier dispositif de post-traitement 42 de manière à pouvoir corriger la valeur de consigne de la boucle de régulation de richesse, notamment dans le but d’ajuster la quantité d’oxygène stockée à l’intérieur du catalyseur 42a. Le système 40 de dépollution des gaz comprend en outre, dans le sens de circulation de l’air, un deuxième dispositif de post-traitement 44 et un troisième dispositif de post-traitement 45. Dans l’exemple de la FIG. 1 , le deuxième dispositif 44 est un filtre à particules fines et le troisième dispositif 45 est un catalyseur trois voies sous caisse. Le système 40 peut encore comprendre un capteur de concentration d’oxydes d’azote 43c. Le moteur 10 comprend également un système de calage variable 50 des soupapes d’admission 51 du moteur et éventuellement en outre un système de calage variable 52 des soupapes d’échappement 53 du moteur. Le système de calage variable 50 des soupapes d’admission est équipé d’un capteur 54 qui permet de connaître à chaque instant sa position angulaire, qui correspond à des instants déterminés d’ouverture et de fermeture des soupapes d’admission 51 dans le cycle de combustion du moteur. Le système de calage variable 52 des soupapes d’échappement, s’il est présent, est aussi équipé d’un capteur 55 qui permet de connaître à chaque instant sa position angulaire, qui correspond aussi à des instants déterminés d’ouverture et de fermeture des soupapes d’échappement 53 dans le cycle de combustion du moteur. Par ailleurs, le moteur est équipé d’un système de commande 60 comprenant une unité électronique de commande 61 configurée pour commander les différents éléments du moteur à combustion interne à partir de données recueillies par des capteurs à différents endroits du moteur. L’unité électronique de commande 61 comporte un module de calcul 62, un module de mesure 63 et un module de commande 64. Le moteur est associé à un circuit (non représenté) d’injection directe de carburant liquide comprenant, un réservoir de carburant tel que de l’essence, une pompe à basse pression qui prélève le carburant du réservoir, une pompe à haute pression qui permet d’injecter le carburant liquide à haute pression dans une rampe commune munie de trois injecteurs qui débouchent chacun dans un cylindre du moteur. Le carburant liquide est typiquement de l’essence. En variante, le carburant liquide peut être un mélange d’essence et d’éthanol, voire de l’éthanol pur. Le moteur est également associé à un circuit (non représenté) d’injection indirecte de carburant gazeux comprenant, un réservoir de gaz liquéfié sous pression, un détendeur, un rail commun d’injection muni d’injecteurs du gaz détendu dans le collecteur d’admission. Le carburant gazeux est typiquement du GPL ou du GNV. La FIG. 2 illustre un organigramme d’un procédé de commande selon l’invention. Le procédé est mis en œuvre par l’unité électronique de commande 61 à chaque démarrage du moteur 10. Par exemple, le démarrage proprement dit du moteur peut être réalisé en mode de monocarburation, par injection directe de carburant liquide selon des procédés de l’état de la technique qui ne seront pas détaillés ici. Quand le démarrage est effectué, le procédé commence par une étape 65 de mesure et de vérification de la température du catalyseur 42a. Si la température mesurée du catalyseur est inférieure ou égale à une température d’amorçage Ta d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée, le procédé se poursuit par l’étape 66 de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation. Si la température mesurée du catalyseur est supérieure à la température d’amorçage Ta, le procédé se poursuit par l’étape 67 de fonctionnement du moteur en mode de monocarburation. Lors de l’étape 66 de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation, on réalise pour chaque cycle du moteur 10, une injection indirecte et précoce d’une quantité plus importante de carburant gazeux associée à une seule injection directe et tardive d’une quantité plus faible de carburant liquide et à un retrait de l’avance à l’allumage du moteur 10 par rapport à une avance optimale maximisant le rendement du moteur 10. De préférence, la quantité de carburant liquide injecté est régulée en boucle ouverte par rapport à une valeur de consigne prédéterminée dépendant du point de fonctionnement instantané du moteur, alors que la quantité de carburant gazeux injecté est régulée via une boucle de régulation de richesse. Par exemple, les valeurs de consigne de la quantité de carburant liquide injecté sont stockées dans une mémoire de l’unité électronique de commande 61 sous la forme de cartographies. La valeur du rapport entre la quantité de carburant liquide injecté et la quantité totale de carburant injecté dépend de la valeur du retrait de l’avance à l’allumage de manière à préserver la stabilité de la combustion. Par exemple, plus on augmente le retrait par rapport à une avance optimale, plus on doit augmenter la fraction de carburant liquide injecté tardivement afin d’augmenter la richesse locale du mélange à proximité des bougies d’allumage et ainsi favoriser la stabilité de combustion. De préférence, l’injection indirecte de carburant gazeux est réalisée lors d’un temps de détente ou d’échappement du cycle du moteur 10, pendant une fermeture des soupapes d’admission du moteur. En variante, il reste possible de réaliser l’injection indirecte de carburant gazeux lors d’un temps d’admission du cycle du moteur 10, pendant une ouverture des soupapes d’admission du moteur. Lors de l’étape 68 suivante, on compare la température du catalyseur 42a avec la température d’amorçage Ta, et on vérifie que la durée de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation ne dépasse pas une durée maximale prédéterminée. Lorsque la température du catalyseur dépasse la température d’amorçage Ta ou lorsque la durée du fonctionnement du moteur en mode de bicarburation dépasse une durée maximale prédéterminée, le procédé se poursuit par l’étape 67 de fonctionnement du moteur en mode de monocarburation. Lors de l’étape 67 de fonctionnement du moteur en mode de monocarburation, on apporte l’énergie nécessaire au fonctionnement de chaque cycle du moteur 10 par une injection indirecte de carburant gazeux. De préférence, on utilise une consigne de richesse unitaire pour réguler la quantité de carburant gazeux injecté et une valeur optimale de l’avance à l’allumage maximisant le rendement du moteur. Dans le procédé décrit ci-dessus, l’étape 66 de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation est réalisée si la température mesurée du catalyseur est inférieure ou égale à une température d’amorçage Ta d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée (étape 65). En variante, il est possible d’ajouter à l’étape 65 une condition supplémentaire relative à la température du moteur. Par exemple, l’étape 66 de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation est réalisée seulement si la température du moteur (ou la température du liquide de refroidissement du moteur) est inférieure à une valeur de seuil prédéterminée. Procédé de commande d’un moteur (10) à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile muni d’un système de dépollution (40) des espèces polluantes comprenant au moins un catalyseur (42a) trois voies, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, après chaque démarrage du moteur : une étape de fonctionnement du moteur en mode de bicarburation réalisée lorsque la température du catalyseur est inférieure ou égale à une température d’amorçage (Ta) d’efficacité minimale du catalyseur prédéterminée, dans laquelle on réalise pour chaque cycle du moteur, une injection indirecte et précoce d’une quantité plus importante de carburant gazeux associée à une seule injection directe et tardive d’une quantité plus faible de carburant liquide et à un retrait de l’avance à l’allumage du moteur par rapport à une avance optimale maximisant le rendement du moteur, et une étape de fonctionnement du moteur en mode de monocarburation réalisée lorsque la température du catalyseur (42a) dépasse la température d’amorçage (Ta) ou lorsque la durée du fonctionnement du moteur en mode de bicarburation dépasse une durée maximale prédéterminée, dans laquelle on apporte l’énergie nécessaire au fonctionnement de chaque cycle du moteur par une injection indirecte de carburant gazeux. Procédé de commande selon la revendication 1 dans lequel pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, la quantité de carburant liquide injecté est régulée en boucle ouverte par rapport à une valeur de consigne prédéterminée dépendant du point de fonctionnement instantané du moteur, alors que la quantité de carburant gazeux injecté est régulée via une boucle de régulation de richesse. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, dans lequel pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, la valeur du rapport entre la quantité de carburant liquide injecté et la quantité totale de carburant injecté dépend de la valeur du retrait de l’avance à l’allumage, de manière à préserver la stabilité de la combustion. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, l’injection indirecte de carburant gazeux est réalisée lors d’un temps de détente ou d’échappement du cycle, pendant une fermeture des soupapes d’admission du moteur, et l’injection directe de carburant liquide est réalisée lors d’un temps de compression du cycle, après la fermeture des soupapes d’admission du moteur, de préférence juste avant l’allumage. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de bicarburation, l’injection indirecte de carburant gazeux est réalisée lors d’un temps d’admission du cycle, pendant une ouverture des soupapes d’admission du moteur, et l’injection directe de carburant liquide est réalisée lors d’un temps de compression du cycle, après la fermeture des soupapes d’admission du moteur, de préférence juste avant l’allumage. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel pour chaque cycle du moteur fonctionnant en mode de monocarburation, on utilise une consigne de richesse unitaire pour réguler la quantité de carburant gazeux injecté et une valeur optimale de l’avance à l’allumage maximisant le rendement du moteur. Moteur (10) à combustion interne à allumage commandé de véhicule automobile muni d’un système d’injection directe de carburant liquide, d’un système d’injection indirecte de carburant gazeux, d’un système de commande (60) et d’un système de dépollution (40) des espèces polluantes comprenant au moins un catalyseur (42a) trois voies, mettant en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Véhicule automobile équipé d’un moteur (10) selon la revendication 7.