FR2853348A1 - Systeme de motorisation comportant un moteur diesel et un catalyseur et procede de gestion de ce systeme - Google Patents

Abstract

Le système de motorisation comporte un moteur de type Diesel (1) et un catalyseur (2) recevant des gaz d'échappement issus du moteur, des moyens (4) de distribution variable à l'admission adaptés pour ajuster des lois d'ouverture des soupapes d'admission, et des moyens de commande (5) pour commander les dits moyens de distribution variable pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres lorsqu'on souhaite augmenter la température des gaz d'échappement, pour améliorer le fonctionnement du catalyseur.

Description

Système de motorisation comportant un moteur Diesel

et un catalyseur et procédé de gestion de ce système.

L'invention concerne un système de motorisation comportant un moteur à combustion interne de type Diesel et un catalyseur dont la température de fonctionnement est optimisée.

Le catalyseur équipant un moteur à combustion interne de type Diesel est prévu pour diminuer le taux d'imbrûlés dans les gaz d'échappement, que ce soit des hydrocarbures imbrûlés, regroupés sous la formule générique HC, ou du monoxyde de carbone CO. 10 Il nécessite pour remplir sa fonction d'avoir atteint une température suffisante, dite température d'amorçage. La mise en température du catalyseur est en général obtenue par la chaleur apportée par les gaz d'échappement eux même, grâce à leur température 15 à la sortie des chambres de combustion du moteur. Une fois la température d'amorçage atteinte, l'oxydation des imbrûlés produit également de la chaleur qui entretient la température du catalyseur.

Les contraintes normatives de dépollution 20 croissantes orientent vers une entrée en fonction du catalyseur plus rapide après le démarrage du moteur.

Pour cela, il est nécessaire d'atteindre rapidement la température d'amorçage. Par ailleurs, dans le cas d'un fonctionnement prolongé à faible charge, la 25 température du catalyseur diminue et risque de descendre au-dessous de la température d'amorçage.

Pour résoudre ces problèmes, il a été proposé d'isoler thermiquement la tubulure d'échappement reliant le moteur au catalyseur, pour que les gaz arrivant au pot n'aient pas eu la possibilité de se refroidir. Cependant, cette solution nécessite l'emploi de matériaux devant résister à des 5 températures élevées et qui sont plus chers que les matériaux classiques. De plus, la montée en température du catalyseur n'est pas suffisamment rapide au regard du résultat souhaité.

Il a également été proposé d'isoler 10 thermiquement la tubulure d'admission pour augmenter la température des gaz admis. Cependant, l'efficacité de cette méthode n'est pas suffisante.

Il a également été suggéré d'installer des systèmes chauffants électriques de type grille 15 métallique à l'admission ou à l'échappement pour augmenter la température des gaz d'échappement arrivant au catalyseur. Cette solution coûte cher également, et demande d'augmenter les capacités du réseau électrique dans le véhicule, pour pouvoir 20 fournir une puissance suffisante au démarrage du moteur.

On connaît par ailleurs un moteur Diesel comportant un système de recyclage de gaz d'échappement vers l'admission, classiquement appelé 25 EGR. Ce recyclage a pour objectif de diminuer la concentration en oxygène du mélange de gaz dans la chambre de combustion aux points de fonctionnement à faible charge. Par cette diminution d'azote, la production d'oxydes d'azote NOx, considérés comme des 30 gaz polluants, se trouve diminuée. Pour bénéficier plus efficacement de cet effet également à moyenne charge, un refroidisseur est installé sur le circuit de recyclage de gaz, pour augmenter la densité des gaz admis dans les chambres de combustion par diminution de leur température. Mais le refroidissement des gaz circulant dans le 5 refroidisseur a pour effet de diminuer l'apport de chaleur par les gaz d'échappement arrivant au catalyseur.

Un perfectionnement a été apporté en proposant un circuit de dérivation monté en parallèle avec le 10 refroidisseur, une vanne étant prévue pour sélectionner une circulation des gaz recyclés dans le circuit de dérivation ou dans le refroidisseur.

Ainsi, le refroidisseur n'est pas mis en service lorsque la température des gaz d'échappement a besoin 15 d'être maintenue à un niveau élevé. Cette solution n'est cependant pas suffisante en soi pour garantir le niveau de température du catalyseur.

D'autres solutions encore ont été proposées, telles que par exemple l'utilisation d'un pré20 catalyseur rapproché, ou aussi un système de dérivation du refroidisseur d'air d'admission qui équipe les moteurs suralimentés à turbocompresseurs, pour ne pas refroidir les gaz d'admission échauffés par le turbocompresseur de tels moteurs.

Les différentes techniques énumérées ci-dessus peuvent améliorer le fonctionnement du catalyseur par augmentation de sa température, mais elles présentent en général l'inconvénient d'un coût de mise en òuvre relativement important, car nécessitant l'utilisation 30 d'organes supplémentaires ou de pièces plus coûteuses.

C'est donc un objectif de l'invention de proposer un système de motorisation à moteur Diesel garantissant une montée rapide de la température du catalyseur ainsi que son maintien, même pendant un fonctionnement à faible charge.

Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un système de motorisation comportant un moteur de type Diesel et un catalyseur recevant des gaz d'échappement issus du moteur, caractérisé en ce 10 qu'il comporte en outre des moyens de distribution variable à l'admission adaptés pour ajuster des lois d'ouverture des soupapes d'admission, et des moyens de commande pour commander les dits moyens de distribution variable pour diminuer la quantité des 15 gaz admis dans les cylindres lorsqu'on souhaite augmenter la température des gaz d'échappement.

L'invention a aussi pour objet un procédé de gestion d'un système de motorisation comportant un moteur de type Diesel et un catalyseur recevant des 20 gaz d'échappement issus du moteur, caractérisé en ce qu'on commande des moyens de distribution variable à l'admission pour ajuster des lois d'ouverture des soupapes d'admission, pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres lorsqu'on souhaite 25 augmenter la température des gaz d'échappement.

Lorsqu'un moteur Diesel classique fonctionne à faible charge, l'air est en excès dans la chambre de combustion. La quantité de carburant injectée est directement liée au niveau de charge du moteur. La 30 chaleur libérée par la combustion du carburant est pour une part transformée en travail moteur, et pour une autre part permet de chauffer les gaz d' échappement, et en particulier l'air en excès dans la chambre de combustion. Selon l'invention, les moyens de commande des moyens de distribution variable, connectés par exemple à des moyens de 5 détermination de la température permettant de connaître l'état du catalyseur, agissent sur la quantité d'air admis dans les chambres de combustion.

En réduisant la quantité d'air admis, la même quantité de chaleur se répartit sur une quantité de 10 gaz plus faible, ce qui se traduit par une température plus élevée des gaz d'échappement. De plus, la densité des gaz dans la chambre de combustion étant moindre, les échanges thermiques avec le cylindre sont moindres. Ainsi, les gaz 15 d'échappement peuvent amener ou maintenir le catalyseur à une température plus importante. Grâce à l'invention, le catalyseur a une température de fonctionnement qui est maintenue au-dessus d'un seuil suffisant pour garantir son fonctionnement. De plus, 20 comme la combustion dans la chambre s'opère à plus forte température, la part de particules diminue, ce qui réduit une source de pollution.

Le besoin de réchauffer les gaz d'échappement apparaît essentiellement aux faibles régimes et à 25 faible charge du moteur. Aussi, les moyens de commande pilotent les moyens de distribution variable à l'admission pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres lorsque la vitesse de rotation du moteur est inférieure à 2000 tours par minute et une 30 pression moyenne effective dans les chambres de combustion est inférieure à 4 bars. La pression moyenne effective est la pression moyenne dans une chambre de combustion lors de la phase de détente.

Elle caractérise la charge du moteur, ou, autrement dit, le couple que peut fournir le moteur.

Dans un mode de réalisation particulier, les 5 moyens de distribution variable à l'admission comportent un déphaseur angulaire. Un tel déphaseur monté sur un arbre à cames, de manière connue en soi, permet de créer un décalage angulaire de l'arbre à came par rapport à une position d'origine 10 prédéterminée, et permet donc de décaler les lois d'admission en modifiant de manière identique l'avance à l'ouverture à l'admission AOA, et le retard à la fermeture à l'admission RFA.

Dans ce cas, on commande alors, en fonction par 15 exemple de la température du catalyseur, un déphasage de la loi d'ouverture des soupapes d'admission par rapport à une loi nominale prédéterminée, par exemple un retard de 0 à 500 en valeur d'angle de vilebrequin. Ce retard provoque une dégradation du 20 remplissage des cylindres, et donc une diminution de la quantité d'air admise, provoquant l'augmentation souhaitée de la température des gaz sortant du cylindre après combustion.

Lorsque le moteur comporte deux soupapes 25 d'admission, les deux lois d'admission peuvent être décalées simultanément, ou bien une seule loi peut être décalée, ou encore les deux lois peuvent être décalées mais de manière différente.

Selon un autre mode de réalisation, les moyens 30 de distribution variable à l'admission comportent des moyens de distribution adaptés pour modifier de manière indépendante l'avance à l'ouverture à l'admission AOA, et le retard à la fermeture à l'admission RFA, tels que par exemple un système de commande électromagnétique d'ouverture des soupapes.

Dans ce cas, on peut alors commander, comme avec un déphaseur, un déphasage identique ou différent des lois d'ouverture des deux soupapes d'admission par rapport à une loi nominale prédéterminée, en fonction par exemple de la 10 température du catalyseur.

On peut aussi commander des déphasages différents de l'avance à l'ouverture à l'admission AOA, et du retard à la fermeture à l'admission RFA, modifiant ainsi l'étalement des lois de commande de 15 soupapes, et donc en particulier réduisant la durée d'ouverture par rapport à une loi nominale, une telle durée d'ouverture réduite conduisant à un moindre remplissage du cylindre.

Mais on peut aussi commander une réduction de 20 l'une ou des deux lois d'admission des soupapes d'admission, c'est à dire réduire la levée des soupapes, sans ou avec un déphasage simultané des dites lois, de manière que le remplissage des cylindres soit aussi contrarié par la diminution de 25 perméabilité des conduits d'amenée d'air qui en découle.

Les avantages de l'invention et les résultats qui en découlent sur le plan de la diminution des émissions polluantes apparaîtront à la lecture de la 30 description qui va suivre, en références aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de motorisation conforme à l'invention, - la figure 2 est une représentation d'une loi 5 nominale de commande des soupapes, pour un moteur à deux soupapes d'admission par cylindre, - les figures 3 à 6 illustrent différentes possibilités de modification des lois de commande des soupapes d'admission, - les graphiques de la figure 7 montrent les résultats obtenus par la mise en oeuvre d'un simple déphasage des lois d'admission, sur l'évolution des polluants et sur la température des gaz d'échappement à la sortie du moteur, - les graphiques de la figure 8 montrent de manière similaire les résultats obtenus sur l'évolution des polluants et sur la température des gaz d'échappement à la sortie du moteur par la mise en oeuvre de variations de l'étalement des lois 20 d'admission.

Un système de motorisation selon l'invention, tel que représenté sur la figure 1, comporte un moteur 1 du type Diesel dont les gaz d'échappement sont traités par un catalyseur 2. Le moteur est 25 alimenté en air par un circuit d'air comprenant des tubulures d'admission 3 débouchant dans des chambres de combustion du moteur 1. Le moteur 1 comporte un système de distribution variable 4 représenté schématiquement, de type connu en soi, piloté par un 30 calculateur de commande 5, qui détermine une consigne en fonction d'informations reçues du système de motorisation, telles que la température du catalyseur, la vitesse de rotation du moteur, sa température, une valeur représentative de la charge 5 du moteur comme la quantité de carburant injectée ou le couple fourni par le moteur, etc. En fonction des informations reçues, le calculateur de commande 5 détermine s'il y a lieu de commander un réchauffement des gaz d'échappement. Si 10 les gaz d'échappement ont besoin d'être plus chauds, le calculateur délivre au système de distribution variable 4 une consigne pour modifier les lois d'ouverture des soupapes d'admission par rapport à une loi nominale de fonctionnement du moteur, et 15 ainsi diminuer le remplissage de la chambre de combustion, avec l'effet sur la température des gaz d'échappement qui a été décrit plus haut.

La figure 2 illustre une telle loi nominale de commande des soupapes. Les tracés représentent la 20 levée des soupapes en fonction de la position angulaire du vilebrequin.

ADM1 est la loi d'ouverture d'une première soupape d'admission.

ADM2 est la loi d'ouverture d'une deuxième 25 soupape d'admission.

ECHl est la loi d'ouverture d'une première soupape d'échappement.

ECH2 est la loi d'ouverture d'une deuxième soupape d'échappement.

Les lois ECHi et ECH2 des deux soupapes d'échappement sont identiques et confondues, et le restent dans les différents cas détaillés ci-après.

Dans le cas de la loi globale nominale, les 5 lois ADM1 et ADM2 sont identiques et simultanées, les courbes représentatives étant donc également confondues.

Dans le cas représenté figure 3, les lois des deux soupapes d'admission restent identiques et 10 confondues, mais sont toutes deux décalées, avec un retard d'environ 60 d'angle de vilebrequin par rapport à la loi nominale précédente. Un tel décalage peut être obtenu par un déphaseur d'arbre à came simple.

Dans le cas représenté figure 4, les lois des deux soupapes d'admission restent identiques, mais une seule est décalée par rapport à la loi nominale.

Dans les deux cas mentionnés ci-dessus, la dégradation du remplissage du cylindre résulte de ce 20 décalage des ouvertures de soupapes par rapport à la position du piston.

Dans le cas représenté figure 5, les lois des deux soupapes d'admission ne sont pas sensiblement décalées, mais leur amplitude et leur étalement sont 25 réduits, la dégradation du remplissage résultant alors de la limitation de perméabilité des conduits d'admission du fait de la levée réduite des soupapes.

Enfin, une variante possible est illustrée figure 6, o la loi d'une soupape est maintenue 30 identique et la loi de l'autre soupape est réduite en Il amplitude et en étalement.

La modification des lois de commande de soupapes dans ces derniers cas peut être obtenue par un système de distribution variable, tel que par 5 exemple un système de commande électromagnétique des soupapes.

La figure 7 montre différents graphiques illustrant les résultats d'essais obtenu en appliquant seulement un déphasage aux lois 10 d'ouverture des deux soupapes d'admission, et dans le cas théorique d'une seule injection de carburant débutée précisément au point mort haut. Les abscisses des différents graphes correspondent aux déphasages appliqués par rapport à la loi d'admission nominale.

On constate qu'on peut obtenir une augmentation sensible de la température T3 des gaz en sortie moteur, de l'ordre de 1200C, qui est générée par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention avec un bilan en polluants qui n'est pas sensiblement 20 modifié. On voit en effet que les valeurs représentatives des fumées, de CO et HC n'augmentent pas de manière sensible, malgré la dégradation de l'admission, et même les NOx diminuent. On constate cependant une légère augmentation de la consommation 25 par l'effet de pompage qui résulte du déphasage des ouvertures de soupapes d'admission.

Mais globalement, à la sortie de la ligne d'échappement, l'augmentation de température des gaz arrivant dans le catalyseur assure une amélioration 30 sensible du fonctionnement de celui-ci, en particulier un amorçage plus rapide et un fonctionnement prolongé à faible charge du moteur.

La figure 8 montre différents graphiques à barres illustrant les résultats d'essais obtenu en appliquant un étalement de la loi d'admission 5 correspondant à une augmentation du retard à la fermeture de la soupape d'admission de 80 d'angle de vilebrequin, c'est à dire à une fermeture des soupapes d'admission alors que le piston est déjà largement remonté, donc à un volume d'air réduit dans 10 le cylindre. Les barres de gauche correspondent à un fonctionnement sous la loi de commande de soupape nominale, et celles de droite correspondent au fonctionnement avec l'étalement précité.

On peut constater que le bilan en polluants des 15 gaz à la sortie du moteur reste tout à fait convenable par rapport à celui obtenu sous la loi nominale, avec en particulier une réduction sensible des NOx. Parallèlement, on obtient une augmentation de température T3 de l'ordre de 60'C, tout en n'ayant 20 qu'une faible augmentation de consommation CSE.

Comme dans l'exemple précédent, globalement, à la sortie de la ligne d'échappement, l'augmentation de température des gaz arrivant dans le catalyseur assure une amélioration sensible du fonctionnement de 25 celuici, qui compense largement les augmentations de polluants constatés avant le catalyseur.

L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus. En particulier, les moyens de variation de distribution utilisables ne sont pas 30 limités à ceux indiqués préalablement uniquement à titre d'exemple, et les modifications de lois de commande de soupapes pourront aussi être différentes de celles précédemment indiquées, dans la mesure o elles permettent d'obtenir la diminution requise de la quantité de gaz dans le cylindre après combustion.

5 Elle pourra s'appliquer tant aux moteurs atmosphériques qu'aux moteurs suralimentés à turbocompresseur, aux moteurs avec ou sans recyclage des gaz d'échappement et aux moteurs équipés de filtres à particules.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Système de motorisation comportant un moteur de type Diesel (1) et un catalyseur (2) recevant des gaz d'échappement issus du moteur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens 5 (4) de distribution variable à l'admission adaptés pour ajuster des lois d'ouverture des soupapes d'admission, et des moyens de commande (5) pour commander les dits moyens de distribution variable pour diminuer la quantité des gaz admis dans les 10 cylindres lorsqu'on souhaite augmenter la température des gaz d'échappement.

2. Système de motorisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de distribution variable à l'admission (4) comportent un 15 déphaseur angulaire.

3. Système de motorisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de distribution variable à l'admission (4) comportent des moyens de distribution adaptés pour modifier de 20 manière indépendante l'avance à l'ouverture à l'admission, et le retard à la fermeture à l'admission.

4. Système de motorisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de 25 distribution variable à l'admission (4) comportent un système de commande électromagnétique d'ouverture des soupapes

5. Procédé de commande d'un système de motorisation comportant un moteur de type Diesel (1) et un catalyseur (3) recevant des gaz d'échappement issus du moteur, caractérisé en ce qu'on commande des moyens (4) de distribution variable à l'admission 5 pour ajuster des lois d'ouverture des soupapes d'admission, pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres lorsqu'on souhaite augmenter la température des gaz d'échappement arrivant au catalyseur (3).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (5) pilotent les moyens (4) de distribution variable à l'admission pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres lorsque la vitesse de rotation du 15 moteur est inférieure à 2000 tours par minute et une pression moyenne effective dans les chambres de combustion est inférieure à 4 bars.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on ajuste les lois d'ouverture 20 des soupapes d'admission, pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres, en créant un déphasage de la loi d'ouverture d'au moins une soupape d'admission par rapport à une loi nominale prédéterminée.

8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on ajuste les lois d'ouverture des soupapes d'admission, pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres, en modifiant de manière indépendante l'avance à l'ouverture à 30 l'admission et le retard à la fermeture à l'admission.

9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on ajuste les lois d'ouverture des soupapes d'admission, pour diminuer la quantité des gaz admis dans les cylindres, en réduisant la levée des soupapes.