FR2807100A1 - Procede de montee en temperature d'un catalyseur de gaz d'echappement pour moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
Pour un moteur à combustion interne (10) qui comprend un démarreur-génératrice (28) associé au vilebrequin, le catalyseur étant disposé dans le trajet de gaz d'échappement (16) du moteur à combustion interne (10), le procédé prévoit que, en fonction des exigences, des dispositions de montée en température servant à élever la température du catalyseur de gaz d'échappement sont activées, que le couple indiqué (MQ-BKM) du moteur à combustion interne (10) est augmenté, et que le couple (MQ-KSG) du démarreur-génératrice (28) associé au vilebrequin est abaissé et la commande du démarreur-génératrice (28) associé au vilebrequin passe du fonctionnement en moteur au fonctionnement en génératrice, de sorte que, à couple sur l'embrayage restant constant, la charge du moteur à combustion interne (10) est augmentée.
Description
L'invention concerne un procédé de montée en température d'un catalyseur
de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qui comprend un démarreur-génératrice associé au vilebrequin, le catalyseur étant
disposé dans le trajet de gaz d'échappement du moteur à combustion interne.
Il est possible de réduire efficacement les émissions de substances nocives d'un moteur à combustion interne au moyen d'un traitement postérieur catalytique en utilisant un catalyseur trifonctionnel en combinaison avec un dispositif de régulation lambda. Toutefois une condition importante pour ce faire est que, à côté de la sonde lambda du dispositif de régulation, le catalyseur de gaz d'échappement ait également atteint sa température de fonctionnement. Au-dessous de cette température, environ 300 C dans le cas des catalyseurs typiques pour véhicule automobile, le catalyseur de gaz d'échappement est de peu actif à inactif et la réaction n'a lieu qu'avec de faibles taux de conversion (<< 10%) qui sont insuffisants. On connaît différentes stratégies de montée en température pour avoir l'assurance que la température d'amorçage soit atteinte rapidement et, avec cela, que néanmoins soient réduites les émissions de substances nocives pendant la phase de démarrage à froid du moteur lors de laquelle, dans les 10 à 15 premières secondes, environ 70 à 90% du total des substances nocives HC et
CO sont émis.
Une montée rapide en température du catalyseur de gaz d'échappement peut s'obtenir au moyen d'un réglage de l'angle d'allumage vers le retard, d'une élévation de la vitesse de rotation de ralenti, d'un appauvrissement du mélange, d'un enrichissement du mélange en combinaison avec une insufflation d'air secondaire dans le trajet de gaz
d'échappement du moteur.
Pour élever rapidement la température du catalyseur de gaz d'échappement à sa température de fonctionnement, on prend donc actuellement des dispositions qui entraînent une dépréciation du rendement du processus de combustion et donc un accroissement de la température des gaz d'échappement. Il est en outre procédé à une élévation de la vitesse de rotation de ralenti du moteur afin d'obtenir une augmentation du débit massique des gaz d'échappement. Les deux dispositions prises sont liées à une consommation plus élevée de carburant. Par ailleurs, lorsqu'on intervient trop fortement dans le déroulement de la combustion, les irrégularités de régime du moteur augmentent. L'élévation de la vitesse de rotation de ralenti et l'augmentation des irrégularités de régime rendent l'une et l'autre moins bon
le confort d'un véhicule.
L'invention a pour but de fournir un procédé grâce auquel le catalyseur de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne puisse monter efficacement en température. Ce but est atteint au moyen d'un procédé, du type générique défini en introduction, dans lequel, en fonction des exigences, des dispositions de montée en température servant à élever la température du catalyseur de gaz d'échappement sont activées, le couple indiqué du moteur à combustion interne est augmenté, et le couple du démarreur-génératrice associé au vilebrequin est abaissé et la commande du démarreur-génératrice associé au vilebrequin passe du fonctionnement en moteur au fonctionnement en génératrice, de sorte que, à couple sur l'embrayage restant constant, la charge
du moteur à combustion interne est augmentée.
Le procédé conforme à l'invention peut aussi présenter l'une ou l'autre des particularités suivantes: - le couple indiqué du moteur à combustion interne s'obtient par ouverture d'un papillon des gaz disposé dans le trajet d'admission du moteur à combustion interne, - I'ouverture du papillon des gaz a lieu d'une manière progressive, - I'ouverture du papillon des gaz a lieu d'une manière brusque, - dans le fonctionnement en génératrice du démarreur-génératrice associé au vilebrequin, le couple du moteur à combustion interne est augmenté jusqu'à une valeur appliquée et le couple de freinage développé par le démarreur-génératrice associé au vilebrequin présente la même valeur, de sorte que le couple sur l'embrayage qui est exigé reste constant, - avant l'augmentation du couple du moteur à combustion interne jusqu'à la valeur appliquée, I'état de charge de la batterie de véhicule fait l'objet d'une interrogation et, en cas de batterie de véhicule totalement chargée, le couple du moteur à combustion interne est réduit et le couple
négatif du démarreur-génératrice associé au vilebrequin est ramené à zéro.
L'invention est basée sur l'idée d'utiliser le démarreur-génératrice
associé au vilebrequin, ci-après appelé plus succinctement "démarreur-
génératrice de vilebrequin", de façon qu'il assiste les dispositions de montée
en températures prévues pour le catalyseur de gaz d'échappement.
Juste après le démarrage du moteur à combustion interne, celui-ci ne contribue que peu, en présence de la faible pression du collecteur d'admission, au couple total du système. Le couple du moteur est alors augmenté et, simultanément, le couple du démarreur-génératrice de vilebrequin est réduit dans une même mesure. Pour la montée en température du catalyseur de gaz d'échappement, le couple indiqué du moteur est augmenté au-delà de son couple dissipé, de sorte que le démarreurgénératrice de vilebrequin doit produire un couple négatif (fonctionnement en
génératrice) pour que l'on obtienne le couple sur l'embrayage qui est exigé.
Du seul fait de l'augmentation de couple du moteur, la température des gaz d'échappement et le débit massique de ceux-ci s'élèvent, de sorte qu'on obtient déjà une montée rapide en température du catalyseur de gaz d'échappement. En outre, pour des charges assez élevées du moteur, les dispositions indiquées prises pour la montée en température du catalyseur peuvent être mieux utilisées, étant donné que, pour des charges assez élevées, le moteur tourne d'une manière plus stable et qu'ainsi, des interventions plus poussées sur le déroulement de combustion sont possibles sans accroître d'une manière très importante les irrégularités de régime du moteur. Une telle disposition de montée en température du catalyseur de gaz d'échappement assistée par le démarreur-génératrice de vilebrequin a I'avantage qu'une amélioration de la consommation peut être obtenue grâce à une plus faible dépréciation du rendement de l'ensemble du système, étant donné qu'une partie de l'excès d'énergie produit par le démarreur-génératrice est stockée dans la batterie du véhicule et qu'ainsi, la consommation d'énergie
électrique due au démarrage est compensée.
On obtient par ailleurs une amélioration du confort du fait d'un régime plus régulier du moteur, ainsi qu'une amélioration de l'efficacité de montée en
température des dispositions connues à cet effet.
L'invention est exposée ci-après en détail en regard des dessins. On voit: à la figure 1, le schéma-bloc d'un moteur à combustion interne, comportant un dispositif de traitement postérieur des gaz d'échappement, dans lequel le procédé conforme à l'invention est appliqué, à la figure 2, un ordinogramme correspondant à un procédé de montée en température du catalyseur assisté au moyen du démarreur-génératrice de vilebrequin et, à la figure 3, les variations dans le temps de paramètres sélectionnés
du moteur avant, pendant et après la montée en température du catalyseur.
La figure 1 représente d'une manière très simplifiée, sous forme d'un schéma-bloc, un moteur à combustion interne comportant un dispositif de traitement postérieur des gaz d'échappement qui lui est associé. Seuls sont représentés les éléments constitutifs qui sont nécessaires pour la compréhension de l'invention. On a renoncé notamment à représenter le
circuit de carburant.
L'air nécessaire à la combustion est envoyé au moteur à combustion interne 10 par l'intermédiaire d'un trajet d'admission 11. Dans le trajet d'admission 11, il est prévu, disposés l'un après l'autre suivant la direction d'écoulement de l'air d'admission, un débitmètre de débit massique d'air 12, un bloc de papillon des gaz 13 et, en fonction du nombre des cylindres, un groupe d'injecteurs 15 dont un seul est représenté. Toutefois, le procédé conforme à l'invention est également utilisable dans le cas d'un système qui ne comporte qu'un seul injecteur pour tous les cylindres (système d'injection centrale, système d'injection à point unique ou "single point") ou dans lequel le carburant est injecté directement dans le cylindre du moteur ou dans les
cylindres dans le cas d'un moteur multicylindres (injection directe).
Le bloc de papillon des gaz 13 contient un papillon des gaz 14 et un capteur de papillon des gaz, non représenté, qui envoie à un dispositif de commande 21 un signal correspondant à l'angle d'ouverture du papillon 14. En ce qui concerne le papillon des gaz 14, il s'agit par exemple d'un organe d'étranglement à commande par moteur électrique (gaz-E) dont la section d'ouverture peut être réglée, en sus de l'actionnement par le conducteur (souhait de conducteur), en fonction du domaine de régime du moteur et au
moyen de signaux du dispositif de commande.
Dans le cas de ce qu'il est convenu d'appeler une commande de moteur pilotée par le débit massique d'air, le débitmètre de débit massique d'air 12 sert de capteur de charge. En variante au débitmètre 12, il est possible d'utiliser, également en tant que capteur de charge, un capteur de pression 27 qui est disposé dans un collecteur 26 du trajet d'admission du moteur 10
(commande du moteur pilotée par pression de collecteur d'admission).
Le moteur 10 est équipé d'un démarreur-génératrice (KSG) 28 associé au vilebrequin. Le démarreur-génératrice de vilebrequin 28 a d'une part la fonction d'un démarreur classique et d'autre part la fonction d'une dynamo (génératrice) combinée à celui-ci, servant à la charge de la batterie du véhicule. Habituellement, les démarreurs-génératrices de vilebrequin sont disposés, entre le moteur d'une part et la boîte de vitesses ou boîte automatique d'autre part, d'une manière coaxiale au vilebrequin et raccordés directement à celui-ci, ou raccordés à celui-ci d'une manière pouvant faire l'objet d'un accouplement. Un tel démarreur- génératrice de vilebrequin est par exemple connu par les comptes-rendus VDI n 14/15, 1998, B. Hoffmann, "L'énergie électrique pour l'automobile de 3 litres", pages 39 à 53. Du côté sortie, le moteur 10 est raccordé à un trajet de gaz d'échappement 16 dans lequel un catalyseur de gaz d'échappement 17 est disposé. Il peut s'agir d'un type quelconque de catalyseur de gaz d'échappement et on peut notamment prévoir un catalyseur trifonctionnel ou
un catalyseur de stockage des NOx.
Le dispositif capteur prévu pour le traitement postérieur des gaz d'échappement contient, entre autres, un capteur de mesure de gaz d'échappement, disposé en amont du catalyseur de gaz d'échappement 17 et se présentant sous forme d'une sonde lambda 18, et un capteur de mesure de gaz d'échappement 19 disposé en aval du catalyseur 17. Au moyen du signal de la sonde lambda 18, le mélange est réglé en fonction des conditions prescrites de valeur de consigne. Ce rôle est joué par un dispositif de régulation lambda 20, en lui-même connu, qui est de préférence intégré dans un dispositif de commande 21 assurant la commande ou la régulation du fonctionnement du moteur. De tels dispositifs de commande électronique 21, qui contiennent en général un ou plusieurs microprocesseurs et qui, outre l'injection de carburant et la régulation d'allumage, remplissent encore de multiples autres tâches de commande et de régulation, sont en eux-mêmes connus, de sorte qu'on entre ci-après dans le détail uniquement en ce qui concerne la structure pertinente liée à l'invention et son fonctionnement. En particulier, le dispositif de commande 21 est relié à un dispositif de mémoire 22 dans lequel sont rangées, entre autres, différentes tables caractéristiques
et valeurs de seuil.
Le capteur de mesure de gaz d'échappement 19 sert de sonde de surveillance pour la sonde lambda 18 disposée en amont du catalyseur de gaz d'échappement 17 et il peut également être utilisé pour la commande et le
contrôle du catalyseur 17.
Un capteur de température 29, situé en amont du catalyseur 17, détecte la température des gaz d'échappement. A partir de ce signal du capteur de température 29, il est formé, dans le dispositif de commande 21, un critère indiquant si des dispositions de montée en température de catalyseur sont ou non nécessaires. Cela peut par exemple s'effectuer au moyen d'un modèle connu de température de gaz d'échappement. Le capteur de température 29 peut également être intégré directement dans le bloc du catalyseur 17. Dans ce cas, il fournit directement une valeur correspondant à la température du
catalyseur 17.
La vitesse de rotation N du moteur 10 est détectée au moyen d'un capteur de vitesse de rotation 23 et la température du moteur 10 est détectée, par l'intermédiaire de la température du fluide réfrigérant TKW, au moyen d'un capteur de température 25. Ces signaux sont envoyés également au dispositif de commande 21 en vue d'un traitement ultérieur, de même que le signal de sortie MAF du débitmètre de débit massique d'air 12 ou, en variante à celui-ci, le signal de sortie MAP du capteur de pression de collecteur d'admission 27 et
les signaux des deux capteurs de mesure de gaz d'échappement 18, 19.
Pour la commande et la régulation du moteur 10, le dispositif de commande 21 est encore raccordé, par l'intermédiaire d'une ligne de données et de commande 24, à d'autres capteurs et actionneurs non représentés d'une
manière explicite.
Le procédé de montée en température du catalyseur de gaz d'échappement va être exposé en détail à l'aide de l'ordinogramme de la
figure 2 et du graphe fonction du temps de la figure 3.
A l'instant tO (figure 3), le démarreur-génératrice de vilebrequin 28 est mis sous tension, de sorte que la vitesse de rotation N du moteur 10 s'élève
très rapidement à partir de la valeur initiale zéro. L'utilisation d'un démarreur-
génératrice de vilebrequin en tant que démarreur pour le moteur 10 permet de pousser le moteur 10 jusqu'à une vitesse de rotation élevée (> 800 tours/minute) et, lors d'un franchissement vers le bas d'une valeur de seuil préfixée pour la pression de collecteur d'admission, d'autoriser l'injection de carburant et l'allumage (instant tl à la figure 3). Cela permet de réduire les émissions de démarrage à froid du moteur. Toutefois, il est également
possible d'utiliser un démarreur classique pour démarrer le moteur.
A l'instant tl, le moteur 10 a déjà atteint sa vitesse de rotation de consigne NSOLL et, à un premier pas de procédé S1, la question est posée de savoir si des dispositions permettant la montée en température du catalyseur de gaz d'échappement 17 sont ou non exigées. Des dispositions de montée en température de catalyseur peuvent non seulement être nécessaires après un démarrage à froid du moteur 10, mais il peut également se présenter, pendant le fonctionnement du moteur, des situations dans lesquelles la température des gaz d'échappement est si faible que le catalyseur 17 n'atteint pas sa température nécessaire pour une conversion optimale des substances nocives. Cela peut notamment être le cas lorsqu'on fait fonctionner le moteur au ralenti et que le véhicule se trouve par exemple dans un bouchon de circulation. Si, après analyse du signal fourni par le capteur de température de gaz d'échappement 29, il est établi au pas de procédé S1 qu'aucune disposition de montée en température de catalyseur n'est exigée, il est alors procédé, à un pas de procédé S2, si les dispositions de montée en température sont encore activées, à une désactivation de celles-ci et le programme passe à une
stratégie de fonctionnement normal du moteur, c'est-à-dire dans des sous-
programmes de commande habituels, adaptés en fonction du domaine de régime du moteur. Si le moteur 10 est équipé d'un démarreur-génératrice de vilebrequin 28 qui offre, entre autres, la possibilité d'extraire de l'énergie à partir du vilebrequin du moteur ou de lui en fournir et, de cette manière, de réduire ou d'augmenter la vitesse de rotation, ce démarreur-génératrice peut par exemple être utilisé pour optimiser les opérations de changement de vitesse, pour conduire d'une manière optimale en ce qui concerne la consommation ou pour surveiller et charger la batterie du véhicule (pas de
procédé S3).
Si l'interrogation du pas de procédé S1 a pour réponse qu'il convient de faire monter en température le catalyseur de gaz d'échappement 17, des dispositions connues servant à la montée en température du catalyseur 17 sont activées à un pas de procédé S4. A cet effet, il est par exemple possible de faire appel, individuellement ou en combinaison, aux dispositions suivantes: - réglage de l'angle d'allumage vers le retard, augmentation de la vitesse de rotation au ralenti, - mélange de combustion riche avec insufflation d'air secondaire,
- chauffage électrique du catalyseur de gaz d'échappement.
Etant donné que certaines limites sont posées aux dispositions indiquées, notamment que l'angle d'allumage ne peut pas être décalé à volonté vers le retard sans nuire à l'aptitude du moteur à tourner convenablement, que l'augmentation de la vitesse de rotation à vide entraîne une consommation plus élevée de carburant et qu'à un chauffage électrique du catalyseur de gaz d'échappement s'oppose une consommation très élevée d'énergie qui "tire" considérablement sur la batterie du véhicule, on fait appel, en plus du démarreur-génératrice de vilebrequin, à une montée en
température plus efficace du catalyseur de gaz d'échappement.
C'est pourquoi, à un pas de procédé S5, le couple MQ_BKM du moteur est augmenté, par exemple à l'aide d'une commande du papillon des gaz 14 suivant une fonction croissante et, simultanément, le couple MQ_KSG du démarreur-génératrice de vilebrequin 28 est réduit dans la même mesure afin de maintenir le couple sur l'embrayage qui est exigé. Si le moteur 10 est équipé d'un dispositif de commande basé sur le couple, le degré d'ouverture du papillon des gaz est alors déduit d'une
condition prescrite de couple.
A un pas de procédé S6, I'interrogation est posée de savoir si le couple du démarreur-génératrice de vilebrequin 28 est ou non inférieur ou égal à zéro, donc si le démarreur-génératrice 28 fournit ou non un couple négatif et délivre ou non du courant (instant t2). En fonctionnement en génératrice, au moyen du démarreur-génératrice de vilebrequin 28, il est développé un couple de freinage qui s'oppose au couple du moteur 10. La batterie du véhicule est
chargée par le démarreur-génératrice 28.
Si le couple est encore positif, le programme suit une boucle de retour vers le pas de procédé S5 et, dans le cas contraire, il est vérifié, à un pas de procédé S7, si la batterie du véhicule est déjà complètement chargée. Si tel n'est pas encore le cas, à un pas de procédé S8, le couple MQBKM du moteur 10 est augmenté jusqu'à une valeur appliquée MQ_BKM_APPL et la
même valeur est réglée pour le couple de freinage MQKSG (instant t2 à t3).
La valeur MQ_BKM_APPL est déterminée expérimentalement au moyen d'essais et est rangée dans le dispositif de mémoire 22. Le couple positif du moteur 10 doit être compensé d'une manière telle que, grâce au couple négatif (couple de freinage) du démarreur-génératrice de vilebrequin 28, le couple effectif est juste suffisamment élevé pour que les pertes par frottement puissent être couvertes et que la vitesse de rotation de ralenti ou le couple sur l'embrayage exigé puisse être maintenu. Le programme suit alors une boucle
de retour vers le pas de procédé S1.
Si l'interrogation du pas de procédé S7 fournit un résultat positif, donc si la batterie du véhicule est déjà totalement chargée, le fonctionnement du démarreur-génératrice de vilebrequin 28 pour assister la montée en température du catalyseur de gaz d'échappement 17 n'est plus possible et, à un pas de procédé S9, le couple MQBKM du moteur 10 est réduit et le couple MQ_KSG est ramené à zéro (instant t3). Le programme suit ensuite une
boucle de retour vers le pas de procédé S1.
Claims (6)
1. Procédé de montée en température d'un catalyseur de gaz d'échappement (17) d'un moteur à combustion interne (10) qui comprend un démarreurgénératrice (28) associé au vilebrequin, le catalyseur étant disposé dans le trajet de gaz d'échappement (16) du moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce que, - en fonction des exigences, des dispositions de montée en température servant à élever la température du catalyseur de gaz d'échappement sont activées, - le couple indiqué (MQ BKM) du moteur à combustion interne (10) est augmenté, - le couple (MQKSG) du démarreurgénératrice (28) associé au vilebrequin est abaissé et la commande du démarreur-génératrice (28) associé au vilebrequin passe du fonctionnement en moteur au fonctionnement en génératrice, de sorte que, à couple sur l'embrayage restant constant, la charge du
moteur à combustion interne (10) est augmentée.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le couple indiqué (MQ_BKM) du moteur à combustion interne (10) s'obtient par ouverture d'un papillon des gaz (14) disposé dans le trajet d'admission (11) du
moteur à combustion interne (10).
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'ouverture
du papillon des gaz (14) a lieu d'une manière progressive.
4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'ouverture
du papillon des gaz (14) a lieu d'une manière brusque.
5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le fonctionnement en génératrice (MQ_KSG < 0) du démarreur-génératrice (28) associé au vilebrequin, le couple du moteur à combustion intemrne (10) est augmenté jusqu'à une valeur appliquée (MQ_BKM_APPL) et le couple de freinage (MQ_KSG) développé par le démarreur-génératrice (28) associé au vilebrequin présente la même valeur, de sorte
que le couple sur l'embrayage qui est exigé reste constant.
6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'avant l'augmentation du couple du moteur à combustion interne (10) jusqu'à la valeur appliquée (MQ_BKM_APPL), l'état de charge de la batterie de véhicule fait l'objet d'une interrogation et, en cas de batterie de véhicule totalement chargée, le couple (TQBKM) du moteur à combustion interne (10) est réduit et le couple négatif (TQKSG) du démarreurgénératrice (28) associé au
vilebrequin est ramené à zéro.
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