FR2885389A1 - Procede de reduction des emissions d'hydrocarbures d'un moteur froid et dispositif et moteur mettant en oeuvre ce procede - Google Patents

Procede de reduction des emissions d'hydrocarbures d'un moteur froid et dispositif et moteur mettant en oeuvre ce procede Download PDF

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Abstract

L'invention est relative à un procédé de commande d'un moteur à combustion interne comportant au moins une soupape d'admission à commande électrique.Pour réduire les émissions d'hydrocarbures par le moteur froid, l'ouverture de la soupape est commandée en deux phases successives (32, 34), la première phase (32) correspondant principalement à l'admission du carburant et la seconde phase (34) principalement à l'admission d'air. L'ouverture de la soupape est sensiblement plus faible lors de la première phase que lors de la seconde phase afin que le carburant soit pulvérisé sous forme de fines gouttelettes lors de la première phase.

Description

B1163B
PROCEDE DE REDUCTION DES ENIISSIONS D'HYDROCARBURES D'UN MOTEUR FROID ET DISPOSITIF ET MOTEUR METTANT EN UVRE CE PROCEDE L'invention est relative à un procédé de réduction des émissions d'hydrocarbures d'un moteur froid. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et un moteur à combustion interne faisant appel au procédé et/ou au dispositif.
La pollution de l'environnement provoquée par les moteurs à combustion interne constitue une préoccupation qui a amené les autorités à prévoir des normes que doivent, ou devront, respecter les constructeurs automobiles. En particulier, le niveau de libération d'hydrocarbures dans l'atmosphère doit être sensiblement réduit.
A cet effet, il est courant, d'une part, de faire appel à la catalyse pour améliorer la combustion des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne et, d'autre part, d'améliorer la combustion dans les moteurs à combustion interne.
La majeure partie des émissions d'hydrocarbures intervient lorsque le moteur est froid, c'est-à-dire en général au démarrage, car, dans cette situation, les catalyseurs ne sont pas actifs, la qualité du mélange d'air et de carburant et les conditions thermodynamiques dans le cylindre ne sont pas optimales et, ainsi, la combustion ne s'effectue pas correctement.
Il a été constaté que les émissions d'hydrocarbures, à moteur froid sont plus importantes dans le cas où le moteur fait appel à des soupapes de type à commande électrique, notamment électromagnétique ou électrohydraulique, alors qu'elles sont moins importantes dans le cas où les soupapes sont commandées de façon classique par un arbre à cames.
Partant de cette constatation, les inventeurs ont découvert que l'émission supérieure d'hydrocarbures du moteur à froid dans le cas de soupapes à commande électrique, trouve une partie de son origine dans le fait que l'ouverture de la soupape d'admission s'effectue de façon plus rapide avec une telle commande électrique qu'avec une commande classique par came. Le diagramme de la figure 1 illustre cette différence de comportement. Sur ce diagramme, on a porté en abscisses l'angle de vilebrequin (ou le temps) et, en ordonnées, la levée de soupape en millimètres, c'est-à-dire l'éloignement de la soupape de son siège.
La courbe 10 correspond à une soupape à commande classique par arbre à cames et la courbe 12 correspond à une soupape à commande électrique.
Pour bien comprendre la différence de comportement entre les deux types de commande, on rappelle ici que le carburant est injecté sur la soupape préalablement à son ouverture; il en résulte que, dans le cas d'une ouverture progressive (courbe 10), le carburant est introduit dans le cylindre du moteur alors que la levée de la soupape est encore faible. Cette introduction du carburant à faible levée entraîne une pulvérisation en fines gouttelettes de ce carburant introduit dans le cylindre et, en conséquence, une meilleure combustion.
Par contre, lorsque la section d'ouverture est plus importante au début de cette phase d'ouverture de la soupape 35 (courbe 12), la vitesse d'introduction du mélange air-carburant est sensiblement moins importante et il en résulte une pulvérisation du carburant beaucoup moins fine, ce qui entraîne une plus mauvaise combustion dans le cylindre du moteur. Ces situations différentes sont illustrées par les figures 2 et 3.
La figure 2 correspond à une ouverture rapide (courbe 12) de la soupape d'injection 14, tandis que la figure 3 correspond à une ouverture plus lente de cette soupape 14 (courbe 10).
Dans les deux cas, la soupape d'injection 14 est fermée, c'est-à-dire appliquée contre son siège 16, quand le carburant est dirigé vers la face arrière de la soupape 14 grâce à un injecteur 18.
Lorsque la soupape 14 s'ouvre rapidement (figure 2), la grande section 20 de passage laissée au carburant entraîne une relativement faible vitesse d'entraînement par l'air et donc la formation de gouttelettes 22 de dimensions importantes. Par contre, lorsque la section de passage est plus faible, la vitesse d'entraînement par l'air est plus importante et la pulvérisation beaucoup plus efficace, les gouttelettes 26 introduites dans le cylindre 28 étant alors de dimensions beaucoup plus petites que dans le cas de la figure 2.
On observera qu'en général, avec une commande électrique, le temps de levée de la soupape est indépendant du régime du moteur. Il en résulte que, par rapport à la durée d'un cycle moteur, le temps pour que la soupape atteigne sa levée maximum est relativement plus faible à bas régime qu'à haut régime, ce qui augmente d'autant l'émission d'hydrocarbures non brûlés quand le moteur est au ralenti.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de réduction des émissions d'hydrocarbures par un moteur à combustion interne à froid comportant des soupapes d'admission à commande électrique qui est caractérisé en ce que l'ouverture de la soupape est commandée en deux phases, une première phase principalement pour l'admission du carburant et une seconde phase principalement pour l'admission d'air, l'ouverture de la soupape étant sensiblement plus faible lors de la première phase que lors de la seconde phase, afin que le carburant soit pulvérisé sous forme de fines gouttelettes lors de cette première phase.
Dans ces conditions, le fonctionnement du moteur à soupapes à commande électrique est analogue à celui du moteur à commande à arbre à cames au début de l'ouverture de la soupape, c'est-à-dire que le fonctionnement correspond à celui qui est représenté sur la figure 3.
La première phase, à faible levée, s'effectue par exemple sous forme d'un palier, la soupape s'ouvrant rapidement pour atteindre la première valeur de levée et restant à cette première valeur, relativement faible, pendant le reste de la première phase.
Dans une variante, au cours de la première phase la levée de la soupape augmente progressivement.
L'invention s'applique aussi dans le cas où la même soupape d'admission s'ouvre deux fois pendant la phase d'admission du moteur, c'est-à-dire avec une levée pilote et une levée principale, ces deux levées étant séparées par une étape de fermeture de la soupape.
Ainsi, la soupape ou les soupapes est (sont) fermé(es) alors que le piston est en phase descendante, ce qui crée une dépression dans le cylindre. Dans ces conditions, au moment de la seconde ouverture (levée principale), on augmente la turbulence des gaz dans la chambre. Ce niveau de turbulence est optimisé si l'ouverture de la soupape a lieu sensiblement à la mi-course du piston, c'est-à-dire au moment où la vitesse du piston est maximale.
Dans le cas d'une telle double levée, on prévoit une phase initiale de faible levée tant pour la levée pilote que pour la levée principale. La faible levée au début de la levée principale présente en outre l'avantage d'augmenter la turbulence des gaz dans la chambre.
L'augmentation de la turbulence dans le cylindre 10 15 permet de dégrader l'avance à l'allumage et ainsi de retarder la combustion au cours du cycle de fonctionnement du moteur. Il en résulte que les gaz d'échappement sont plus chauds, ce qui accélère l'échauffement du catalyseur et donc l'élimination des hydrocarbures.
Ainsi, dans une réalisation, par rapport à un moteur chaud, on retarde, au cours de la seconde ouverture (42), la combustion dans le cycle afin de vidanger des gaz plus chauds qui sont ensuite dirigés vers un système de catalyse de combustion.
Dans une réalisation, l'admission de carburant s'effectue tant au cours de la levée pilote qu'au cours de la levée principale.
Dans une autre réalisation, la levée pilote se produit alors que les soupapes d'échappement sont encore ouvertes. Dans ce cas, la levée pilote de la (ou des) soupape(s) d'admission, permet de refouler des gaz d'échappement dans le conduit d'admission. Dans cette situation, la levée de faible amplitude au début de la levée pilote a pour but de limiter la quantité de gaz d'échappement enfermés dans le cylindre et de contrôler cette quantité, c'est-à-dire de limiter ses variations en fonction du temps.
Ainsi, dans cette réalisation, à double levée et levée de faible amplitude au début de chaque levée, on obtient une optimisation de la combustion lors de la seconde levée (levée principale), et une mise en action du (ou des) catalyseur(s) plus rapide. En outre, on obtient, avec la levée de faible amplitude au début de la levée pilote, comme indiqué ci-dessus, que la réaspiration dans le cylindre, d'une partie des hydrocarbures imbrûlés, qui sont brûlés lors du cycle suivant, est bien contrôlée.
En variante, la levée de faible amplitude est prévue seulement pour la levée principale. Lorsque la recirculation des gaz brûlés est réalisée par le décalage de l'échappement, la fermeture des vannes d'échappement s'effectuant après le point mort haut (PMH) d'admission, on peut se passer de contrôler la quantité des gaz brûlés à l'aide d'une levée de faible amplitude de la levée pilote.
En variante, on prévoit deux soupapes d'admission par 5 cylindre et une soupape est utilisée pour réaliser la levée pilote et la seconde soupape est utilisée pour réaliser la levée principale.
Cependant, dans le cas où l'on prévoit deux soupapes d'admission, ces deux soupapes peuvent être actionnées en synchronisme, c'est-à-dire que les deux soupapes peuvent être utilisées tant pour réaliser la levée pilote que pour réaliser la levée principale.
L'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus qui comporte des moyens de commande des soupapes pour réaliser les ouvertures et au moins un système de catalyse pour la combustion des gaz d'échappement brûlés.
L'invention s'étend aussi à un moteur équipé d'un tel véhicule.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: La figure 1, déjà décrite, est un diagramme montrant 25 la variation d'une levée de soupape d'admission pour une soupape commandée par arbre à cames et pour une soupape commandée de façon classique par commande électrique; les figures 2 et 3, déjà décrites, sont des schémas illustrant l'injection et l'ouverture de soupape; les figures 4, 5 et 6 sont des diagrammes illustrant des commandes d'ouverture de soupape selon plusieurs modes de réalisation de l'invention; et la figure 7 est un diagramme illustrant la commande de soupapes d'échappement et d'admission.
Le mode de réalisation de l'invention que l'on va 35 décrire en référence aux dessins se rapporte à un moteur du type à quatre temps dont les soupapes sont commandées par électroaimant, notamment par électroaimant polarisé. Cependant, il entre aussi dans le cadre de l'invention, un pilotage des soupapes du type flexible , notamment par toute commande électrique.
Le moteur à essence est d'un type quelconque, c'est-à-dire qu'il est suralimenté ou non, à injection directe ou non. L'architecture du moteur est également quelconque. Elle peut être en ligne, en V ou à plat.
La commande de soupape selon l'invention se rapporte à des dispositions pour réduire les émissions de polluants hydrocarbures lorsque le moteur est froid, c'est-à-dire lorsqu'un dispositif à catalyse (non montré) n'est pas encore actif.
Pour maximiser la combustion des hydrocarbures, on prévoit un début de phase d'ouverture d'une soupape d'admission avec une levée (c'est-à-dire un degré d'ouverture) de soupape nettement inférieure à la levée de soupape intervenant ultérieurement au cours de l'admission dans un même cycle. Ainsi, comme montré sur la figure 4 qui est un diagramme sur lequel on a porté en abscisses les degrés vilebrequin (DV) et en ordonnées les valeurs de levée de soupape, au cours d'une première phase 32 la levée de soupape présente une valeur Lm sensiblement inférieure à la valeur LM au cours de la seconde phase 34 d'ouverture complète de la soupape.
Dans l'exemple représenté sur le diagramme de la figure 4, la première phase consiste à conférer la levée Lm selon un palier 30, c'est-à-dire que la levée Lm est pratiquement constante au cours de la phase 32.
La première phase d'ouverture correspond par exemple à une levée de soupape comprise entre 0,1 et 1 mm et le temps 32 est de 1 à 4 ms.
On rappelle que la première phase 32 permet de 35 pulvériser le carburant déposé sur le conduit d'admission et la soupape tandis qu'au cours de la deuxième phase 34, la levée maximale permet de réaliser un remplissage du cylindre en air.
Dans la variante représentée sur la figure 5, la première phase 321 de levée de soupape est du type à rampe, c'est-à-dire que la levée Lm est atteinte à la fin de la période 321r la variation 36 de levée étant régulière au cours de cette première phase 321. Dans cet exemple, la première phase de la levée s'étend sur un temps également compris entre 1 et 4 ms et à la fin de la première phase 321r l'ouverture ou levée est comprise entre 0,5 et 1 mm.
Le diagramme de la figure 6 se rapporte au cas où la soupape d'admission s'ouvre deux fois pendant la phase d'admission du moteur. La première levée 40 est une levée dite pilote et la seconde levée 42 est une levée dite principale.
Entre ces deux levées, la soupape d'admission est fermée, ce qui correspond à la zone 44 sur le diagramme de la figure 6.
La levée pilote et la levée principale comportent chacune une première phase au cours de laquelle l'ouverture de la soupape est réduite.
Au cours de la levée pilote 40, la levée réduite intervient au cours d'une première phase 46 avant le point mort haut (PMH) d'admission.
Au cours de la levée principale 42, la levée réduite 48 se produit autour de la mi-course du piston, et la fermeture de la soupape intervient au point mort bas (PMB) d'admission.
De façon plus précise, la phase 46 débute entre 60 DV et 0 DV avant le point mort haut, tandis que la fin de la phase 46 intervient entre 0 et 30 DV après le point mort haut d'admission.
Dans le cas où la fin de l'échappement intervient au début de l'admission, comme représenté sur la figure 7, la phase 46 de faible ouverture de la soupape d'admission permet de limiter la quantité de gaz de refoulement (échappement) enfermé dans le cylindre et de rendre cette quantité sensiblement constante.
Dans le diagramme représenté sur la figure 7, qui représente des levées de soupape en fonction du degré vilebrequin, OE signifie ouverture d'échappement, FE signifie fermeture d'échappement, 0A signifie ouverture d'admission et FA signifie fermeture d'admission. Il existe ainsi une zone de croisement 50 au cours de laquelle les soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes.
La fermeture 44 de la soupape d'admission entre la levée pilote et la levée principale permet de créer une dépression dans le cylindre alors que les soupapes sont toutes fermées et que le piston est en phase descendante. Dans ces conditions, au début de la levée principale, il se crée un mouvement des gaz qui augmente la turbulence dans le cylindre. Cette turbulence est maximisée si l'ouverture de la soupape a lieu autour de la position de mi-course du piston, c'est-à-dire au moment où la vitesse du piston est maximale.
Le début de la phase 48 (faible levée au début de la levée principale) intervient entre 30 DV et 0 DV avant la mi-course. La fin de cette période 48 de levée minimum a lieu entre 0 et 30 DV après la mi-course du piston.
Comme mentionné ci-dessus, une faible levée entraîne une vitesse de gaz traversant la soupape plus importante que lorsque la levée est maximum. En outre, comme dans le cas d'une seule levée, la pulvérisation du carburant est plus importante ce qui permet d'optimiser la préparation du mélange air-carburant, c'est-à-dire de diminuer la taille des gouttelettes.
Dans ces conditions, du fait de la turbulence et de la faible taille des gouttelettes, l'allumage peut être retardé, c'est-à-dire qu'on peut, dans ce cas, dégrader l'avance à l'allumage. Ainsi, les gaz d'échappement sont à une température élevée, ce qui augmente d'autant la température du (ou des) système(s) de catalyse.
Autrement dit, on atteint encore mieux le résultat recherché, à savoir diminuer la pollution lorsque le moteur est 35 froid.
La deuxième phase de la levée principale, à levée maximum, permet d'introduire l'air nécessaire à la combustion. Lorsque la levée de faible amplitude est courte et que le débit de carburant est élevé, la totalité du carburant ne peut pas pénétrer dans la chambre de combustion durant la levée de faible amplitude; dans ce cas, l'injection de carburant continue durant la levée principale.
On a représenté sur la figure 6 le cas où la première phase 46 de la levée 40 est sous forme d'une rampe et le cas où la première phase 48 de la levée principale 42 est sous forme d'un palier. Mais, il est possible de conférer une forme quelconque à la variation de la levée au cours de ces premières phases.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Procédé de commande d'un moteur à combustion interne comportant au moins une soupape d'admission à commande électrique, caractérisé en ce que, pour réduire les émissions d'hydrocarbures par le moteur à combustion interne froid, l'ouverture de la soupape est commandée en deux phases successives (32, 34), la première phase (22, 32, 46, 48) correspondant principalement à l'admission du carburant et la seconde phase principalement à l'admission d'air, l'ouverture de la soupape étant sensiblement plus faible lors de la première phase que lors de la seconde phase afin que le carburant soit pulvérisé sous forme de fines gouttelettes lors de cette première phase.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la soupape est ouverte deux fois (40, 42) pendant un cycle d'admission du moteur, au moins l'une des ouvertures étant commandée en deux phases.
3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la seconde ouverture, dite levée principale, comporte les deux phases, avec la première phase à faible ouverture principalement pour l'admission du carburant.
4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la (ou les) soupape(s) d'échappement est (sont) ouverte(s) lors du début de l'ouverture d'admission au cours de la première ouverture (40), dite levée pilote, cette première ouverture comportant une première phase (46), à faible ouverture, et une seconde phase à ouverture plus importante, la phase à faible ouverture permettant de contrôler l'admission des gaz d'échappement non brûlés dans le cylindre du moteur.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que: É le début de la première phase de la première ouverture se produit entre 60 DV et 0 DV avant le point mort haut d'admission (PMH), É la fin de cette première phase de la première ouverture se produit entre 0 et 30 DV après le point mort haut d' admission, É le début de la première phase de la seconde ouverture 5 de la soupape se produit entre 30 DV et 0 DV après la micourse du piston, et É la fin de la première phase de la seconde ouverture a lieu entre 0 et 30 DV après la mi-course du piston.
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5
caractérisé en ce que, par rapport à un moteur chaud, on retarde, au cours de la seconde ouverture (42), la combustion dans le cycle afin de vidanger des gaz plus chauds qui sont ensuite dirigés vers un système de catalyse de combustion.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au cours de la première phase d'ouverture de la soupape d'admission, la levée de cette dernière s'effectue soit de façon progressive (36), soit s'établit à une valeur restant pratiquement constante (30).
8. Dispositif pour la mise en uvre du procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande des soupapes pour réaliser les ouvertures et au moins un système de catalyse pour la combustion des gaz d'échappement brûlés.
9. Moteur équipé d'un dispositif selon la revendication 8.
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