FR3004754A3 - Procede d'amorcage d'un catalyseur - Google Patents

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Jacques Perot
Nicolas Quechon
Philippe Obernesser
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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé d'amorçage d'un catalyseur (5) d'un moteur à deux temps, ledit moteur comprenant au moins une chambre (9) de combustion comportant au moins un organe d'admission (10) et au moins un organe d'échappement (11), le cycle de fonctionnement du moteur comportant une première étape d'injection de carburant (17) pour assurer la phase de combustion dans chaque chambre (9), suivie d'une étape de balayage au cours de laquelle chaque organe d'admission (10) et chaque organe d'échappement (11) est en position d'ouverture. La principale caractéristique d'un procédé selon l'invention est qu'il comprend une étape d'injection de carburant (17) durant l'étape de balayage.

Description

- 1 - PROCEDE D'AMORCAGE D'UN CATALYSEUR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne les moteurs à deux temps. Plus particulièrement, elle a pour objet un procédé d'amorçage d'un catalyseur de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à deux temps. Elle trouve une application particulièrement avantageuse sur les véhicules équipés de tels moteurs. ETAT DE LA TECHNIQUE Généralement, un moteur à combustion interne de véhicule, par exemple un moteur à essence ou un moteur diesel, est équipé d'un catalyseur de traitement des 15 gaz d'échappement, implanté dans la ligne d'échappement du véhicule, et permettant de traiter les substances polluantes émises par le moteur pendant la combustion du mélange air-carburant. Il peut s'agir d'un catalyseur à trois voies qui réduit les émissions d'oxydes d'azote (NO) et qui oxyde les hydrocarbures imbrûlés (HC, CO) dans le cas d'un moteur à essence, ou d'un catalyseur à deux voies (catalyseur 20 d'oxydation) dans le cas d'un moteur diesel. Un tel catalyseur permet de diminuer notablement les rejets de substances polluantes dans l'atmosphère, selon la valeur de son efficacité, c'est-à-dire selon le taux de conversion dans le catalyseur des substances polluantes (NO, HC, CO) émises par le moteur en molécules inoffensives (CO2, N2, H20). 25 Or, au démarrage du moteur après un arrêt prolongé, le catalyseur est froid et n'a pas une efficacité élevée. Notamment, il ne permet pas d'oxyder le monoxyde de carbone (CO). Ainsi, entre le démarrage du moteur et l'instant auquel le catalyseur est amorcé, c'est-à-dire qu'il oxyde un pourcentage significatif du monoxyde de carbone qui le traverse, une grande quantité de substances polluantes, notamment le 30 monoxyde de carbone, est rejetée dans l'atmosphère. Le catalyseur est amorcé lorsque sa température est supérieure à un seuil de température, dit aussi température d'amorçage. La température d'amorçage est par exemple voisine de 300°C. On connaît plusieurs procédés qui visent à accélérer l'amorçage d'un 35 catalyseur. Par exemple, on peut augmenter le débit des gaz d'échappement traversant le catalyseur en élevant le régime de rotation du moteur pendant les phases 10 - 2 - de fonctionnement au ralenti, mais un tel ralenti accéléré n'est pas souhaité dans un véhicule, plus particulièrement un véhicule automobile, en raison d'un comportement vibratoire et acoustique dégradé. On peut aussi augmenter la température des gaz d'échappement traversant le catalyseur en modifiant le phasage de la combustion qui dégrade le rendement du moteur, mais les pertes thermiques sont très importantes et entraînent une forte surconsommation de carburant. On peut encore prévoir d'injecter de l'air à l'échappement à l'aide d'une pompe pendant les phases de montée en température du moteur, de façon à faire cohabiter à l'échappement des hydrocarbures imbrûlés et de l'oxygène, mais cette méthode est complexe et coûteuse à mettre en oeuvre car elle nécessite d'utiliser un injecteur supplémentaire. RESUME DE L'INVENTION L'invention propose de remédier aux défauts des procédés d'amorçage connus des moteurs à combustion interne. Les procédés selon l'invention ne nécessitent d'utiliser que des pièces déjà existantes et implantées à l'échappement du moteur, ces pièces étant utilisées de manière originale. Ils permettent d'amorcer un catalyseur de manière performante, en limitant la surconsommation de carburant nécessaire à l'élévation de température du catalyseur et en évitant tout impact perceptible par l'utilisateur du moteur (tel que : modification de la performance, dégradation de l'agrément d'utilisation). Ces procédés ne peuvent être appliqués qu'a un moteur à deux temps, car ils s'appuient sur une spécificité technique du fonctionnement de ces moteurs. L'invention propose un procédé d'amorçage d'un catalyseur d'un moteur à deux temps, ledit moteur comprenant au moins une chambre de combustion comportant au moins un organe d'admission et un organe d'échappement, le cycle de fonctionnement du moteur comportant une première étape d'injection de carburant pour assurer la phase de combustion dans chaque chambre, suivie d'une étape de balayage au cours de laquelle chaque organe d'admission et chaque organe échappement est en position ouverte. La principale caractéristique technique d'un procédé selon l'invention est qu'il comprend une étape d'injection de carburant durant l'étape de balayage.35 - 3 - BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne associé à une ligne d'admission et à une ligne d'échappement comprenant un catalyseur, apte à la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention ; la figure 2 est un graphique illustrant l'efficacité d'un catalyseur en fonction de sa température ; la figure 3 est une vue simplifiée d'une chambre de combustion d'un moteur selon la figure 1, lors d'une étape d'injection de carburant pendant l'étape de balayage ; et la figure 4 est une vue de la chambre de combustion de la figure 3, juste après l'injection de carburant. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES Sur la figure 1, on a représenté de manière simplifiée un moteur à combustion interne 1 à quatre cylindres, par exemple un moteur à allumage commandé fonctionnant à richesse 1, ou un moteur diesel fonctionnant habituellement en mélange pauvre. Une ligne d'admission 2 alimente le moteur en air (l'air pénétrant dans le sens indiqué par la flèche de gauche sur la figure 1). Une ligne d'échappement 3 est reliée à une de ses extrémités au moteur 1, et débouche à son autre extrémité dans l'atmosphère extérieure vers laquelle elle évacue les gaz brûlés par la combustion dans le moteur 1 (les gaz étant évacués dans le sens indiqué par la flèche de droite sur la figure 1).
La ligne d'échappement comporte une tubulure d'échappement 4, reliant le moteur à l'entrée d'un catalyseur 5 ; un catalyseur 5, comportant un monolithe 6 qui se présente généralement sous la forme d'un monolithe en céramique poreuse, revêtue de diverses substances chimiques ayant des propriétés catalytiques ; un tuyau d'échappement 7 monté à la sortie du catalyseur 5 et débouchant dans l'atmosphère extérieure. La tubulure d'échappement peut comporter au moins un capteur de - 4 - température 8 à l'entrée du catalyseur 5, pour mesurer la température 0 du catalyseur 5. De manière connue, le fonctionnement d'un tel moteur 1 peut être piloté par un calculateur d'injection (non représenté), selon une consigne de couple qui peut être une fonction de l'enfoncement de la pédale d'accélérateur (non-représentée) d'un véhicule (non-représenté) sur lequel est monté le moteur 1. Plus précisément, si le moteur 1 est un moteur à allumage commandé (moteur à essence), le calculateur détermine une quantité d'air et d'essence à introduire dans le moteur 1, généralement dans des proportions stoechiométriques, c'est-à-dire à richesse 1. Les gaz brûlés lors de la combustion sont évacués dans la tubulure d'échappement 4 vers le catalyseur 5. Le catalyseur 5, qui est un catalyseur de type « à trois voies », permet de réduire les oxydes d'azote (NO) et d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés (HO, CO) émis par le moteur 1. Si le moteur 1 est un moteur diesel, des quantités d'air et de gazole sont introduites dans le moteur 1 dans des proportions inférieures à la stoechiométrie, c'est- à-dire en mélange pauvre, lorsque le moteur 1 est dans son mode de fonctionnement habituel. Les gaz brûlés lors de la combustion sont évacués dans la tubulure d'échappement 4 vers le catalyseur 5. Celui-ci, qui est dans le cas d'un moteur diesel un catalyseur de type « à deux voies », permet d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés émis par le moteur 1. Les gaz traités dans le catalyseur 5 sont finalement rejetés dans l'atmosphère extérieure par le tuyau d'échappement 7. La figure 2 est un graphique qui illustre la variation de l'efficacité E (en ordonnée) du catalyseur 5 en fonction de sa température 0 (en abscisse). L'efficacité E représente le pourcentage de substances polluantes entrant dans le catalyseur 5 que celui-ci transforme en molécules inoffensives, le reste étant rejeté tel quel dans l'atmosphère extérieure. Notamment, ces substances polluantes sont le monoxyde de carbone (CO). Sur ce graphique, il apparaît que l'efficacité E du catalyseur est pratiquement nulle en dessous de 250°C et qu'elle est presque totale (proche de 100%) à partir de 450°C. Il existe une plage de température au dessus de 250°C où la variation de l'efficacité E du catalyseur 5 en fonction de la température est très rapide. On peut ainsi définir dans cette plage un seuil de température à atteindre, dite température d'amorçage 0, , par exemple environ 300°C, pour que le catalyseur 5 soit amorcé, c'est-à-dire qu'il atteigne une efficacité E significative, par exemple 50% - 5 - On décrit maintenant en référence aux figures 3 et 4 un procédé d'amorçage du catalyseur 5, c'est-à-dire un procédé par lequel un catalyseur 5 froid est porté à sa température d'amorçage 0, , selon l'invention. De manière connue en soi, le moteur 1 comprend au moins une chambre de combustion 9, dotée d'un organe d'admission 10 qui se présente ici sous la forme d'une soupape d'admission 10; d'un organe d'échappement 11 qui se présente ici sous la forme d'une soupape d'échappement 11 ; d'un piston 12 mû par une bielle 13 montée articulée sur un vilebrequin 14. Un dispositif d'injection 15 doté d'une buse d'injection 16, et placé dans chaque chambre 9 dans une position centrale, permet de diffuser du carburant 17 de façon homogène dans chacune desdites chambres 9. La soupape d'admission 10 peut être commandée pour ouvrir ou fermer une pipe d'admission 18 destinée à amener de l'air frais dans chaque chambre 9 selon le sens indiqué par la flèche 19, en provenance de la ligne d'admission 2 (visible sur la figure 1). La soupape d'échappement 20 peut être commandée pour ouvrir ou fermer une pipe d'admission 20 pour évacuer les gaz d'échappement, selon le sens indiqué par la flèche 21, vers la ligne d'échappement 3 (visible sur la figure 1). Le moteur 1 est un moteur à deux temps. Le cycle à deux temps d'un moteur 1 à combustion interne diffère d'un cycle à quatre temps car il s'effectue en seulement un tour de vilebrequin 14 au lieu de deux. Comme les phases d'un cycle à deux temps sont identiques à celle d'un cycle à quatre temps, à savoir, l'admission, l'échappement, la compression et la détente, les plages de temps pour effectuer respectivement les phases d'admission et d'échappement sont réduites et doivent être superposées. Il existe donc une plage temporelle de recouvrement importante entre les phases d'admission et d'échappement, pour lesquelles les organes d'admission et d'échappement 10,11 sont ouverts en même temps, cette plage de recouvrement correspondant à l'étape de balayage. Le principe de l'invention repose sur une injection de carburant 17 dans chaque chambre de combustion 9 pendant cette phase de balayage.
En se référant à la figure 3, un procédé d'amorçage d'un catalyseur 5 selon l'invention concerne un moteur 1 à deux temps, par exemple un moteur à allumage commandé ou un moteur diesel. Il comprend une étape d'injection de carburant 17, qui peut être par exemple constitué par de l'essence ou par du gazole, lors de l'étape de balayage pour laquelle chaque soupape d'admission 10 et chaque soupape d'échappement 11 ouvrent respectivement la pipe d'admission 18 et la pipe - 6 - d'échappement 20 de façon simultanée. Le temps d'injection est inférieur à la durée totale de balayage. Au moins une partie de ce carburant 17 est emportée par les gaz d'échappement et brûle dans lesdits gaz, ce qui a pour effet d'élever la température 0 du catalyseur 5 jusqu'à au moins sa température d'amorçage 0, . Quand le capteur de température 8 (visible sur la figure 1) mesure que la température d'amorçage 0, du catalyseur 5 est atteinte, l'injection de carburant 17 lors de l'étape de balayage peut être arrêtée. En se référant à la figure 4, une partie du carburant 17 injecté lors de l'étape de balayage est emportée par la pipe d'échappement 20, comme indiqué par la flèche 21, dans le flux de gaz d'échappement représenté par la flèche 22. Cette partie de carburant 17 brûle dans les gaz d'échappement et provoque une augmentation de la température 0 du catalyseur 5. Dans la plupart des cas, un reliquat de carburant 17 reste enfermé dans la chambre 9 et participe à la combustion du cycle suivant.
Avantageusement, chaque chambre de combustion 9 est munie d'un seul dispositif d'injection de carburant 17 pour réaliser l'injection de carburant lors de l'opération de balayage et lors de la première étape d'injection qui assure la phase de combustion dans chaque chambre 9. Ainsi, le procédé d'amorçage d'un catalyseur 5 selon l'invention tire bénéfice de la présence du dispositif d'injection 15 déjà présent dans chaque chambre 9 pour le fonctionnement du moteur 1 et ne nécessite aucune pièce additionnelle. De préférence, le dispositif d'injection 15 de carburant possède une buse 16 centrale permettant de diffuser le carburant 17 de façon homogène dans chaque chambre 9.
Avantageusement, l'étape d'injection de carburant 17 durant l'étape de balayage est séparée de la première étape d'injection. Les deux étapes d'injection, lors d'un cycle moteur, ne sont pas réalisées dans la continuité l'une de l'autre. Il n'existe aucune période de recouvrement entre ces deux phases d'injection. De préférence, l'étape d'injection de carburant 17 durant l'étape de balayage a une durée inférieure à celle de la première étape d'injection. Avantageusement, la quantité de carburant 17 injectée durant l'étape de balayage est inférieure à la quantité injectée lors de la première phase. L'étape d'injection de carburant 17 durant la phase de balayage n'est pas prévue pour participer à la production du couple moteur, et constitue une étape d'appoint uniquement prévue pour augmenter la température à l'échappement du moteur. - 7 - Selon un autre mode de réalisation non-représenté, chaque chambre 9 possède un premier dispositif d'injection 15 pour assurer la première phase d'injection, et un deuxième dispositif d'injection pour effectuer l'injection de carburant 17 pendant la phase de balayage. Dans ce cas, le deuxième dispositif d'injection peut être positionné de manière optimisée en soi, pour favoriser les conditions d'injection de carburant 17 dans les gaz d'échappement. Bien que cette configuration ne soit pas la plus simple à implanter ni la plus économique, elle peut apparaître un peu plus performante car chacun des deux dispositifs d'injection de carburant 17 peut être optimisé indépendamment de l'autre.
Préférentiellement, l'étape d'injection de carburant 17 pendant l'étape de balayage s'effectue à une fréquence moins élevée que celle de la première étape d'injection. Dans un souci d'économie, elle ne se produit que lorsque la température 0 du catalyseur est inférieure à la température d'amorçage 0,. C'est le cas essentiellement après une durée d'arrêt prolongé du moteur 1, pendant laquelle le catalyseur 5 a eu le temps de refroidir. A l'inverse, si la température 0 du catalyseur n'a pas eu le temps de refroidir en dessous de la température d'amorçage 0, lors d'un redémarrage après un bref arrêt du moteur, l'étape d'injection de carburant 17 pendant l'étape de balayage n'est pas mise en oeuvre du tout. L'invention est applicable très largement, notamment à tout type de véhicule équipé d'un moteur à deux temps. Elle n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. Par exemple, les organes d'admission et d'échappement 10,11 qui se présentent sur les figures 3 et 4 sous la forme de soupapes, peuvent être remplacés par des lumières sans nuire à la généralité de l'invention. 30

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé d'amorçage d'un catalyseur (5) d'un moteur à deux temps, ledit moteur comportant au moins une chambre (9) de combustion comportant au moins un organe d'admission (10) et un organe d'échappement (11), le cycle de fonctionnement du moteur comportant une première étape d'injection de carburant (17) pour assurer la phase de combustion dans chaque chambre (9), suivie d'une étape de balayage au cours de laquelle chaque organe d'admission (10) et chaque organe d'échappement (11) est en position ouverte, CARACTERISE EN CE QU' il comprend une étape d'injection de carburant (17) durant l'étape de balayage.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque chambre de combustion (9) est munie d'un seul dispositif d'injection (15) de carburant, pour réaliser l'injection de carburant (17) lors de l'étape de balayage et lors de la première étape d'injection.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le dispositif d'injection (15) de carburant possède une buse centrale (16) permettant de diffuser le carburant (17) de façon homogène dans chaque chambre (9).
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'étape d'injection de carburant (17) durant l'étape de balayage est séparée de la première étape d'injection.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape d'injection de carburant (17) durant l'étape de balayage a une durée inférieure à celle de la première étape d'injection.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la quantité de carburant (17) injectée durant l'étape de balayage est inférieure à la quantité injectée lors de la première étape.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le carburant (17) est du gazole.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le carburant (17) est de l'essence.
  9. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque chambre (9) possède un premier dispositif d'injection (15) pour assurer la première phase d'injection, et- 9 - un deuxième dispositif d'injection pour effectuer l'injection pour effectuer l'injection de carburant (17) pendant la phase de balayage.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'étape d'injection de carburant (17) pendant l'étape de balayage s'effectue à une fréquence moins élevée que celle de la première étape d'injection.
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