FR2959278A3 - Moteur a combustion interne de gazole et procede de commande - Google Patents

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Abstract

Un moteur thermique à combustion interne de gazole comportant un système de dépollution (13, 14) est commandé dans un premier mode de fonctionnement (180) dans lequel le taux d'émission des oxydes d'azote est inférieur à un seuil prédéterminé (S1). Le système de dépollution comporte un dispositif de traitement des oxydes d'azote (130), et on commande le moteur pour qu'il fonctionne dans un deuxième mode de fonctionnement (191) dans lequel les émissions d'oxydes d'azote par le moteur sont plus élevées que le seuil prédéterminé (S1) lorsque le dispositif de traitement des oxydes d'azote est en mesure de traiter les oxydes d'azote, et dans le premier mode de fonctionnement (180) sinon.

Description

Moteur à combustion interne de gazole et procédé de commande. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un moteur à combustion interne de gazole. Elle concerne également un procédé de commande de ce moteur.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE La combustion homogène de gazole dans les moteurs à combustion interne est connue aussi sous le sigle HCCI, pour Homogeneous Charge Compression Ignition en anglais. Elle consiste à remplir une chambre de combustion d'un moteur à pistons par un mélange homogène de carburant et de comburant, et de déclencher la combustion par une auto-inflammation du mélange lors de la phase de compression. Le contrôle de cette combustion est réalisé en particulier en contrôlant un taux de recyclage de gaz d'échappement admis avec de l'air dans la chambre de combustion. De préférence, le mélange est avec un excès d'oxygène par rapport à un mélange dans des proportions stoechiométriques. On appelle ce mélange un mélange pauvre. De ce fait, la température maximale atteinte dans la chambre de combustion est plus faible que dans une combustion classique de type Diesel. Ce type de combustion est connu pour générer un faible taux d'oxyde d'azote grâce à cette température plus faible, un faible taux de particules, mais avec une part de gaz imbrûlés qui nécessite un traitement des gaz d'échappement, avec par exemple un dispositif à catalyse d'oxydation. Un inconvénient dans ce mode de fonctionnement est que le rendement du moteur n'est pas optimal du fait de la faible température et de la combustion incomplète. Certains moteurs sont construits pour mettre en oeuvre soit le mode à combustion homogène, soit le mode Diesel classique, selon les conditions de fonctionnement. En particulier, le mode Diesel permet d'obtenir une plus forte puissance que le mode à combustion homogène. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention vise à fournir un procédé de contrôle d'un système de motorisation comportant un moteur à combustion interne, ainsi qu'un moteur mettant en oeuvre ce procédé. L'invention vise en particulier à obtenir un bon rendement tout en respectant les contraintes environnementales. EXPOSÉ DE L'INVENTION Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de commande d'un moteur à combustion interne de gazole comportant un système de dépollution qui comprend un dispositif de traitement des oxydes d'azote, caractérisé en ce que le procédé présente deux modes de fonctionnement suivants : - un premier mode de fonctionnement dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est inférieur à un seuil prédéterminé, et - un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est supérieur 2 au seuil prédéterminé, ce deuxième mode de fonctionnement étant adopté lorsque le dispositif de traitement des oxydes d'azote est en mesure de traiter les oxydes d'azote.
En adaptant un dispositif de traitement des oxydes d'azote, on peut choisir un deuxième mode de fonctionnement dans lequel on ne se préoccupe pas du taux d'émission d'oxyde d'azote, mais surtout du rendement de la combustion. Ce rendement plus élevé s'obtient en général avec une température de fonctionnement élevée, et donc en corrélation inverse avec le taux d'oxydes d'azote générés. Cependant, les oxydes d'azote générés sont captés ou transformés par le dispositif de traitement et ne sont pas rejetés dans l'atmosphère. La consommation spécifique du système de motorisation en est diminuée ainsi que le volume d'émission de gaz carbonique. Les incitations sur la qualité de l'air imposent maintenant des niveaux d'émissions qui distinguent le monoxyde d'azote et le dioxyde d'azote, en étant particulièrement strictes sur le dioxyde d'azote qui est considéré comme plus nocif. Celui-ci est particulièrement bien traité par les systèmes de dépollution des oxydes d'azote. Le premier mode de fonctionnement peut être un mode de fonctionnement à combustion homogène ou un mode de fonctionnement à combustion de type Diesel. Dans les deux cas, ce mode de fonctionnement a un rendement dégradé par rapport au deuxième mode de fonctionnement du fait de la nécessité de limiter le taux d'émission des oxydes d'azote en deçà du seuil prédéterminé. Le seuil prédéterminé est par exemple un seuil imposé par une norme environnementale réglementaire. Il peut concerner globalement la masse d'oxydes d'azote ou plus spécifiquement une ou plusieurs spécialités chimiques. Le deuxième mode de fonctionnement peut être un mode de fonctionnement à combustion homogène. Le rendement de ce mode de fonctionnement peut ainsi être particulièrement optimisé du fait de l'absence de contrainte sur le niveau d'émission d'oxydes d'azote. Le dispositif de traitement des oxydes d'azote est par exemple un piège à oxydes d'azote et le deuxième mode de fonctionnement est mis en oeuvre lorsque la température en amont du piège à oxydes d'azote est dans une plage de température prédéterminée. Il est connu que le piège à oxydes d'azote a une plage de fonctionnement bornée par une température minimale et une température maximale. En mesurant cette température on peut décider quel est le mode de fonctionnement à commander. En effet, lorsque le piège à oxydes d'azote n'est pas opérationnel, il est intéressant de limiter les émissions d'oxydes d'azote directement à la source. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne de gazole comportant un système de dépollution qui comprend un dispositif de traitement des oxydes d'azote. Le moteur comporte un premier mode de fonctionnement dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est inférieur à un 4 seuil prédéterminé, et en ce que le moteur comporte un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est supérieur au seuil prédéterminé, ce deuxième mode de fonctionnement étant adopté lorsque le dispositif de traitement des oxydes d'azote est en mesure de traiter les oxydes d'azote. Le dispositif de traitement des oxydes d'azote peut être un dispositif à injection d'urée. Un tel IO dispositif est connu sous l'acronyme SCR signifiant « selective catalytic reduction » en anglais et consiste à injecter de l'urée dans les gaz d'échappement. L'urée se décompose en ammoniac qui réagit avec les oxydes d'azote pour former de l'azote 15 gazeux. Le dispositif de traitement des oxydes d'azote peut aussi être un piège à oxydes d'azote. L'oxyde d'azote est adsorbé par le piège à oxydes d'azote et est réduit cycliquement par des gaz d'échappement 20 réducteurs. Selon une disposition particulière, le piège à oxydes d'azote est placé en aval d'un dispositif à catalyse d'oxydation. Il est alors dans un flux de gaz d'échappement qui sont déjà partiellement 25 refroidis, ce qui permet au piège à oxydes d'azote d'être efficace pour les hauts niveaux de puissance du moteur. L'invention a aussi pour objet un véhicule comportant un système de motorisation tel que décrit 30 précédemment, dans lequel le dispositif de traitement des oxydes d'azote comporte deux pièges à oxydes d'azote placés respectivement dans le compartiment moteur du véhicule et sous le plancher du véhicule. En prévoyant deux pièges à oxydes d'azote répartis le long du circuit des gaz d'échappement en deux endroits différents, on augmente la plage de fonctionnement du moteur sur laquelle les oxydes d'azote peuvent être traités. En effet, en des endroits différents du circuit, le niveau de température n'est pas le même, et quand le premier piège reçoit des gaz d'échappement trop chauds, ces gaz sont refroidis en arrivant sur le deuxième qui peut alors traiter ces gaz. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un diagramme représentant les émissions de gaz carbonique en fonction des émissions d'oxydes d'azote pour le moteur de la figure 1 ; - les figures 3 à 6 montrent des schémas similaires à ceux de la figure 1 pour d'autres modes de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLÉE En se référant à la figure 1, le système de motorisation selon un premier mode de réalisation de l'invention comporte un moteur 10 thermique, un
7 turbocompresseur 11 recevant une conduite d'échappement 12 en provenance du moteur 10, un premier dispositif de traitement des gaz d'échappement 13 comportant un piège à oxydes d'azote 130 suivi d'un filtre à particules 131. Le système de dépollution comporte en outre un piège à hydrogène sulfuré 14 en aval du filtre à particules 131. Le système de motorisation comporte en outre une conduite de recyclage 15 des gaz d'échappement connectée entre le filtre à particules 131 et le piège à hydrogène sulfuré 14 d'une part, et en amont du compresseur 110 d'autre part. Le moteur a un premier mode de fonctionnement 180 selon un cycle Diesel classique. Ce premier mode de fonctionnement 180 est représenté sur une première courbe 18 caractéristique sur la figure 2. Cette première courbe caractéristique représente l'évolution corrélée entre les émissions d'oxydes d'azote en sortie du moteur et celles des émissions de gaz carbonique, et ce pour les meilleurs réglages possibles. Ce premier mode de fonctionnement 180 est choisi pour émettre peu d'oxydes d'azote, directement conforme sans traitement aux exigences S1 des normes, mais au détriment de la consommation et des émissions de gaz carbonique. Le moteur a également un deuxième mode de fonctionnement 191 dans lequel la combustion est une combustion homogène de gazole, dite « HCCI ». Ce deuxième mode de fonctionnement est représenté sur une deuxième courbe caractéristique 19 sur la figure 2 correspondant au mode de fonctionnement en combustion homogène. Le deuxième mode de
8 fonctionnement 191 est choisi en admettant un niveau S2 important d'émission d'oxydes d'azote, supérieur à S1. On constate que le niveau d'émission de gaz carbonique est plus faible que dans le premier mode de fonctionnement 180. Pendant le fonctionnement selon ce mode, les oxydes d'azote sont piégés dans le piège à oxyde d'azote. Le moteur a en outre un troisième mode de fonctionnement 192 dans lequel il émet une quantité d'oxydes d'azote inférieure ou égale au seuil S1 et fonctionne en mode de combustion homogène. Dans ce troisième mode de fonctionnement 192, la quantité de gaz carbonique émise est supérieure à celle émise pendant le fonctionnement dans le deuxième mode 191.
Le choix entre le premier 180 et le troisième mode 192 est fait en fonction d'autres critères tels que le niveau de puissance demandé, par exemple. On pilote le premier 180 et le troisième mode de fonctionnement 192 lorsque le piège à oxydes d'azote 130 n'est pas en mesure d'adsorber les oxydes d'azote, soit parce que les gaz d'échappement ne sont pas dans la bonne plage de température, soit parce qu'on réalise une purge du piège à oxydes d'azote. Une mesure de température est effectuée par exemple en amont du piège à oxydes d'azote par un capteur 16 afin de déterminer si le piège à oxydes d'azote 130 est mesure d'absorber les oxydes d'azote. On constate qu'un moteur de 2 litres de cylindrée fonctionnant de cette manière sur le cycle normalisé NEDC émet 7g de gaz carbonique, soit 4 à 5% de moins que le même moteur fonctionnant en mode Diesel et équipé d'un piège à oxydes d'azote.
9 Dans un deuxième mode de réalisation du système de motorisation 2, représenté par la figure 3, le système de dépollution comporte un premier dispositif 23 comportant dans le sens du flux des gaz d'échappement un catalyseur d'oxydation 230 et un filtre à particules 231, puis un deuxième dispositif 24 comportant le piège à oxydes d'azote 240 puis le piège à sulfures d'hydrogène 241. Le piège à oxydes d'azote 240 est plus en aval que précédemment, et il reçoit des gaz généralement moins chauds que précédemment. Sa fenêtre de fonctionnement correspond à des régimes plus chargés du moteur, c'est-à-dire à plus forte puissance. Le troisième mode de réalisation 3 de la figure 4 se distingue du premier mode de réalisation 1 de la figure 1 en ce que le dispositif 34 comportant le piège à sulfure d'hydrogène 341 comporte en outre un deuxième piège à oxydes d'azote 340. Ce mode de réalisation permet d'étendre la plage d'utilisation du deuxième mode de fonctionnement. Le premier dispositif 33 est par exemple placé dans le compartiment moteur d'un véhicule, tandis que le deuxième dispositif 34 est placé sous le plancher du véhicule. Les gaz d'échappement qui arrivent dans le deuxième piège à oxydes d'azote 340 sont à une température plus faible que ceux qui arrivent au niveau du premier piège 330. Les oxydes d'azote qui ne seraient pas traités par le premier piège 330 parce que la température des gaz serait trop élevée pourraient être traités par le deuxième piège à oxydes d'azote 340 du fait d'une température dans la fenêtre de fonctionnement du deuxième piège 340.
10 Selon un quatrième mode de réalisation 4, représenté sur la figure 5, le système de dépollution comporte un premier dispositif 43 comportant dans le sens du flux des gaz d'échappement un catalyseur d'oxydation 430 et un filtre à particules 431, puis un dispositif à injection d'urée 44. Ce dispositif comporte un injecteur d'urée 441 et un dispositif à catalyse 440, d'une manière connue en soi.
Le cinquième mode de réalisation 5, représenté sur la figure 6, est similaire au premier mode de réalisation 1, hormis qu'un dispositif à catalyse d'oxydation 55 est prévu en amont de la turbine 511 du turbocompresseur 51.
Le sixième mode de réalisation 6, représenté sur la figure 7, comporte pour le système de dépollution un premier dispositif 63 comportant successivement un catalyseur d'oxydation 630, un filtre à particules 631 et un piège à oxydes d'azote 632. Le premier dispositif 63 est suivi par un piège à sulfures d'hydrogène 64. Le septième mode de réalisation 7, représenté sur la figure 8, comporte pour le système de dépollution un premier dispositif 73 comportant successivement un premier piège à oxydes d'azote 730, un filtre à particules 731 et un deuxième piège à oxydes d'azote 732. Le premier dispositif est suivi par un piège à sulfures d'hydrogène.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrit à titre d'exemples. Le système d'alimentation en air pourra comporter deux étages de suralimentation. Le circuit
11 de recyclage des gaz de combustion pourra être connecté en amont de la turbine. L'invention peut être mise en oeuvre sur des systèmes de motorisation avec hybridation tels que le système « Stop & Start », SSG ou « mild hybrid ». Elle peut aussi être mise en oeuvre en même temps que des systèmes de récupération d'énergie, par exemple ceux exploitant l'effet Seebeck.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur à combustion interne de gazole comportant un système de dépollution (13, 14) qui comprend un dispositif de traitement des oxydes d'azote (130), caractérisé en ce que le procédé présente deux modes de fonctionnement suivants : - un premier mode de fonctionnement (180) dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est inférieur à un seuil prédéterminé (Si), et - un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est supérieur au seuil prédéterminé (Si), ce deuxième mode de fonctionnement étant adopté lorsque le dispositif de traitement des oxydes d'azote est en mesure de traiter les oxydes d'azote.
  2. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel le deuxième mode de fonctionnement est un mode de fonctionnement à combustion homogène (191).
  3. 3. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel le premier mode de fonctionnement est un mode de fonctionnement à combustion homogène (192).
  4. 4. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel le premier mode de fonctionnement est un mode de fonctionnement à combustion de type Diesel (180).
  5. 5. Procédé de commande selon larevendication 1, selon lequel le dispositif de traitement des oxydes d'azote est un piège à oxydes d'azote (130), le deuxième mode de fonctionnement (191) étant mis en oeuvre lorsque la température en 5 amont du piège à oxydes d'azote {130) est dans une plage de température prédéterminée.
  6. 6. Moteur à combustion interne de gazole comportant un système de dépollution (13, 14) qui comprend un dispositif de traitement des oxydes 10 d'azote (130), caractérisé en ce que le moteur comporte un premier mode de fonctionnement (180) dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est inférieur à un seuil prédéterminé (Si), et en ce que le moteur comporte un deuxième mode de fonctionnement 15 dans lequel le taux d'émissions des oxydes d'azote est supérieur au seuil prédéterminé (Si), ce deuxième mode de fonctionnement étant adopté lorsque le dispositif de traitement des oxydes d'azote est en mesure de traiter les oxydes d'azote. 20
  7. 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de traitement des oxydes d'azote est un dispositif à injection d'urée.
  8. 8. Moteur à combustion interne selon la 25 revendication 6, dans lequel le dispositif de traitement des oxydes d'azote est un piège à oxydes d'azote (130).
  9. 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 8, dans lequel le piège à oxydes 30 d'azote {240) est placé en aval d'un dispositif à catalyse d'oxydation (230). 14
  10. 10. Véhicule comportant un moteur à combustion interne selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de traitement des oxydes d'azote comporte deux pièges à oxydes d'azote (330, 340) placés respectivement dans le compartiment moteur du véhicule et sous le plancher du véhicule.
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