TITRE : Procédé de réduction des émissions polluantes d’ un dispositif de motorisation hybride

Domaine technique

L’invention concerne un procédé de réduction des émissions polluantes d’un moteur à combustion interne.

Elle trouve une application avantageuse dans un véhicule automobile équipé d’un moteur à allumage commandé associé à au moins une machine électrique.

Techniques antérieures

Un véhicule automobile muni d’un moteur à combustion est généralement doté d’un système de post-traitement des espèces polluantes des gaz d’ échappement du véhicule afin de réduire les émissions de ces espèces polluantes.

Le système de post-traitement d’un moteur à allumage commandé (du type fonctionnant notamment à l ’ essence) comprend généralement un catalyseur trois voies qui effectue un traitement catalytique des gaz d’ échappement, tels que par exemple des oxydations du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés, et des réductions des oxydes d’ azote. L’ efficacité de traitement des différentes espèces polluantes dépend de la quantité d’ oxygène stockée dans le catalyseur.

Lorsque la quantité d’ oxygène stocké dans le catalyseur est proche de zéro, l ’ efficacité d’ oxydation de certaines espèces polluantes diminue. Tel est en particulier le cas des hydrocarbures imbrulés et du monoxyde de carbone.

Lorsque la quantité d’ oxygène stocké est proche de la capacité de stockage maximal en oxygène du catalyseur, l’ efficacité de réduction des espèces polluantes, par exemple pour des oxydes d’ azote, diminue. La quantité d’ oxygène stocké dans le catalyseur dépend de l ’ inj ection d’un mélange air-carburant.

Lors de certaines situations de conduite, par exemple lors d’un changement de rapport d’une boîte de vitesse ou d’une phase dite de lever de pied, l ’ inj ection de carburant est coupée automatiquement pour diminuer la consommation de carburant et de l ’ air est envoyé dans le système de post-traitement. La quantité d’ oxygène stocké dans le catalyseur augmente alors, par exemple jusqu’ à la valeur de capacité maximale de stockage du catalyseur, et des espèces polluantes ne sont plus traitées efficacement, plus particulièrement les oxydes d’ azote (NOx) comprenant essentiellement du monoxyde d’ azote et du dioxyde d’ azote.

Lors de la reprise de l ’ inj ection de carburant, alors que la quantité d’ oxygène stockée dans le catalyseur a atteint la capacité maximale de stockage en oxygène signifiant que le catalyseur est saturé en oxygène, une stratégie de purge ou de baisse de charge d’ oxygène du catalyseur est généralement effectuée. La stratégie de purge du catalyseur comprend une augmentation de la richesse du mélange air- carburant inj ecté jusqu’ à une richesse supérieure à 1 , c’ est-à-dire une augmentation de la proportion de carburant dans le mélange air- carburant inj ecté de sorte que la proportion de carburant est supérieure à celle présente dans le mélange air-carburant stœchiométrique, de manière à diminuer rapidement la quantité d’ oxygène stockée dans le catalyseur. Cependant, la stratégie de purge du catalyseur augmente considérablement la consommation en carburant du véhicule et engendre une augmentation temporaire mais importante des émissions de NOx. En effet, durant la période pendant laquelle le catalyseur est saturé en oxygène l ’ efficacité de traitement des NOx du catalyseur est très faible, voire nulle.

Il est connu que la richesse du mélange air-carburant inj ecté influe sur la quantité d’ oxygène stockée dans le catalyseur. Ainsi, une solution pour limiter l ’ augmentation de la quantité d’ oxygène stockée dans le catalyseur, par exemple lors du changement de rapport de la boîte de vitesse, est de maintenir dans des proportions stœchiométriques la richesse du mélange air-carburant inj ecté en retardant la coupure d’ inj ection du carburant précédemment évoquée pour ne pas saturer le catalyseur en oxygène. Le retard avant la coupure de l ’ inj ection de carburant est généralement fixé à une durée prédéterminée et constante tel que décrit dans la demande de brevet non publiée FR 21 01 953.

Une amélioration proposée dans la demande de brevet non publiée FR 22 02 809 fixe le retard avant la coupure de l ’ inj ection de carburant à une durée dépendant de la capacité maximale de stockage en oxygène courante du catalyseur.

Néanmoins, ces stratégies consistant à retarder la coupure de l ’ inj ection ne tiennent pas compte de la dispersion possible des temps de passage des rapports de boîte de vitesses. Par exemple, un passage lent conduit à maximiser le chargement en oxygène du catalyseur.

La solution décrite dans la demande de brevet non publiée FR 22 07 721 propose d’ abord de couper l ’ inj ection de carburant pour ensuite anticiper la reprise de l ’ inj ection de carburant lorsque le catalyseur se rapproche de la saturation en oxygène.

Cependant, ces procédés consistant à couper l ’ inj ection restent approximatifs quant au moment de l’ arrêt ou de la reprise de l ’inj ection, car le contenu d’ oxygène du catalyseur n’ est pas connu avec précision. Cette imprécision engendre en particulier un risque de pollution aux NOx, ainsi qu’un risque de couple moteur résiduel parasite.

Exposé de l’ invention

Au vu de ce qui précède, l ’ invention vise à renforcer la robustesse du traitement des émissions polluantes, notamment des NOx.

L’ invention a pour obj et un procédé de réduction des émissions polluantes d’un moteur à combustion interne à allumage commandé associé à au moins une machine électrique pouvant fonctionner au moins selon un mode générateur, apte à entraîner au moins une roue motrice d’un véhicule automobile par l ’ intermédiaire d’un système de transmission d’un couple d’ entraînement du véhicule. Le procédé comprend :

- une étape de changement d’un rapport d’une boîte de vitesses dudit système de transmission par un rapport supérieur, ladite étape de changement de rapport comprenant une étape préalable de détection d’une commande de changement dudit rapport par le rapport supérieur et une étape d’ enclenchement dudit rapport supérieur correspondant à la fin du changement de rapport;

- une étape de réglage du moteur réalisée après la détection de ladite commande de changement et comprenant une étape d’ inj ection de carburant et une étape d’ allumage du carburant avec une avance à l ’ allumage prédéterminée qui maximise un couple thermique produit par le moteur;

- une étape de pilotage de ladite machine électrique réalisée de manière concomitante à l ’ étape de réglage du moteur, ladite machine électrique fonctionnant selon un mode générateur qui engendre un couple résistant (C_el) pendant toute la durée du changement de rapport.

Selon une caractéristique, la quantité de carburant inj ectée correspond à une valeur cible de richesse unitaire.

Selon une autre caractéristique, la quantité de carburant inj ectée correspond à une valeur cible prédéterminée d’ oxygène stocké dans un catalyseur trois voies monté à l ’ échappement du moteur.

Selon une autre caractéristique, l ’ étape de réglage du moteur comprend une étape de réduction de la quantité d’ air admise dans le moteur jusqu’ à une quantité d’ air minimale correspondant à une pression minimale prédéterminée dans un collecteur d’ admission du moteur.

Avantageusement, le couple résistant est représentatif du travail effectué par la machine électrique pour charger une batterie.

De préférence, le couple effectif total égal par définition à la somme du couple thermique produit par le moteur et du couple résistant engendré par la machine électrique est légèrement négatif. Par exemple, la valeur du couple effectif total permet de baisser le régime du moteur jusqu’ à une valeur cible de régime (Ncibie) calculée en fonction de la vitesse du véhicule (Vvéhicuie) et d’un ratio de démultiplication de la boîte de vitesse (VIOOO), selon l ’ équation suivante :

, dans laquelle le ratio de démultiplication (Viooo) est exprimé en km/h pour 1000 tours/min.

De préférence, l ’ étape d’ enclenchement du rapport supérieur est réalisée lorsque le régime du moteur atteint la valeur cible de régime (Ncibie) •

Selon un autre aspect, l ’ invention a aussi pour obj et un dispositif de motorisation d’un véhicule automobile comprenant une unité électronique de commande, un moteur à combustion interne à allumage commandé et au moins une machine électrique pouvant fonctionner au moins selon un mode générateur, ledit dispositif de motorisation étant associé à une boîte de vitesses manuelle d’un système de transmission dudit véhicule et mettant en œuvre un procédé tel que décrit ci-dessus.

Brève description des dessins

D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l ’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquel s :

[Fig 1 ] est une vue schématique illustrant un dispositif de motorisation selon l ’ invention ;

[Fig 2] est un organigramme illustrant les différentes étapes d’un procédé de réduction des émissions polluantes selon un mode de réalisation de l ’ invention ;

[Fig 3 ] illustre l ’ évolution de différents paramètres du dispositif de motorisation au cours des étapes du procédé selon l ’ invention ; Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

La figure 1 illustre de manière schématique un dispositif de motorisation 1 selon l’invention pouvant équiper un véhicule, notamment un véhicule automobile. Il comprend un moteur thermique 2, à combustion interne et à allumage commandé, qui se présente ici de manière non limitative sous la forme d’un moteur à quatre cylindres en ligne suralimenté. Bien entendu, le moteur peut aussi être du type à aspiration naturelle sans sortir du cadre de l’invention.

Pour son fonctionnement, un tel moteur thermique 2 aspire de l’air dans le sens de la flèche Fl par l’intermédiaire d’une conduite d’admission 3, et rejette ses gaz d’échappement par une conduite d’échappement 4 afin de les diriger vers un dispositif de dépollution 5. Le dispositif de dépollution 5 comporte un catalyseur 6 de type trois voies.

A la sortie du dispositif de dépollution 12, les gaz d’échappement sont évacués dans l’atmosphère extérieure dans le sens de la flèche F2.

Le moteur 2 consomme également du carburant, par exemple de l’essence, un mélange d’essence et d’éthanol, voire de l’éthanol pur, qui est amené au moteur grâce à un système d’injection (non représenté), par exemple un système d’injection directe qui comporte une rampe d’alimentation commune aux cylindres et au moins un injecteur de carburant par cylindre apte à injecter le carburant directement dans chacun des cylindres.

Dans la conduite d’admission d’air 3, on peut trouver un filtre à air 8 qui permet d’éliminer les poussières contenues dans l’air, un débitmètre 9 qui permet de déterminer le débit massique d’air frais admis dans le moteur 2, et un volet d’admission 10 d’air, ou boîtier- papillon 10 qui permet de réguler le débit admis dans le moteur 2 en obstruant plus ou moins la conduite d’admission 3.

S’agissant d’un moteur 2 suralimenté, le moteur thermique 2 comporte par ailleurs un turbocompresseur 11 dont le compresseur 12 est interposé dans la conduite d’admission 3 entre le filtre à air 8 et le boîtier-papillon 10. De plus, il est possible qu’un échangeur de température 13 soit disposé dans la conduite d’ admission 3 , entre le compresseur 12 et le boîtier-papillon 10, de manière à refroidir l ’ air comprimé par le compresseur 12.

Le compresseur 12 est entraîné par la turbine 14 du turbocompresseur 1 1 , qui est interposée dans la conduite d’ échappement 4 entre le moteur 2 et le dispositif de dépollution 5. De plus, le moteur thermique 2 peut comporter un ou plusieurs circuits de recirculation de gaz d’ échappement à l ’ admission (non représentés), plus particulièrement un circuit dit EGR haute pression et/ou un circuit EGR basse pression, EGR étant l ’ acronyme anglais pour « Exhaust Gas Recycling » ou recyclage des gaz d’ échappement. Le moteur thermique 2 peut également disposer d’une distribution variable d’ acronyme VVT pour « Variable Valve Timing » en langue anglaise.

De manière connue en soi, le moteur thermique 2 produit un couple moteur, dit couple thermique C comb, qui résulte de la combustion d’un mélange d’ air frais et de carburant dans des quantités bien définies par un calculateur du moteur 2. Des gaz recyclés d’ échappement recyclés à l ’ admission peuvent également s’ aj outer à l ’ air frais.

Le dispositif de motorisation 1 selon l’ invention comprend aussi une machine électrique 15 pouvant fonctionner au moins selon un mode générateur. En mode générateur, la machine électrique 15 est un alternateur qui fournit un courant électrique destiné à être stocké dans une batterie d’ accumulateurs non représentée. En mode moteur, elle est au contraire alimentée par du courant précédemment stocké dans la batterie d’ accumulateurs et fournit un couple moteur qui peut être transmis aux roues du véhicule, en complément ou en remplacement du couple fourni par le moteur thermique 2.

La machine électrique 15 , par exemple un alterno-démarreur 15 séparé du volant d’ inertie du moteur thermique 2, et dont un arbre rotatif 16 est accouplé via des moyens de transmission 17 à un arbre rotatif 18 du moteur thermique 2, par exemple un vilebrequin, est apte à fonctionner en mode moteur ou en mode générateur sous la supervision d’un boîtier de commande 19. En mode générateur, la machine électrique 15 est un alternateur qui fournit un courant électrique destiné à être stocké dans une batterie 20 d’ accumulateurs en prélevant un couple électrique résistant C_el .

En mode moteur, la machine électrique 15 est au contraire alimentée par du courant précédemment stocké dans la batterie 20 et elle fournit un couple électrique qui s’ aj oute à celui C comb du moteur thermique 2 pour être transmis aux roues du véhicule.

Le dispositif de motorisation 1 est associé à un système de transmission (non représenté) comprenant notamment une boîte de vitesses manuelle, un pont différentiel et un arbre de transmission permettant de transmettre aux roues du véhicule le couple fourni par le dispositif de motorisation 1. Une boîte de vitesses manuelle est une boîte de vitesses dans laquelle le passage des vitesses est réalisé à l ’ initiative du conducteur.

Par ailleurs, le dispositif de motorisation 1 comprend une unité électronique de commande 22 configurée pour commander les différents éléments du moteur 2 à partir de données recueillies par des capteurs à différents endroits du moteur.

L’unité électronique de commande 22 comporte un module de calcul 23 , un module de mesure 24 et un module de commande 25.

Le module de commande 25 est par exemple apte à piloter le couple électrique de la machine électrique 15, le système d’ inj ection de carburant du moteur 2 et l ’ ouverture et la fermeture du boîtier-papillon 10.

Le mode de fonctionnement du dispositif de motorisation 1 est le suivant : l ’ enfoncement de la pédale d’ accélérateur (non représentée) du véhicule par le conducteur est traduite par une unité électronique de commande 21 en une consigne de couple C à transmettre aux roues du véhicule. Le couple C peut alors être obtenu soit sous la forme de couple thermique, soit sous la forme de couple électrique, soit sous la forme d’une combinaison des deux. Dans tous les cas, la valeur du couple C est égale à la somme algébrique des valeurs du couple thermique C comb et du couple électrique C_el, ce dernier prenant une valeur positive en mode moteur et une valeur négative en mode générateur de la machine électrique 15, l ’unité électronique de commande 21 effectuant la répartition en fonction de différents paramètres du véhicule et/ou du dispositif de motorisation 1.

On va maintenant décrire en référence aux figures 2 et 3 un procédé de réduction des émissions polluantes selon l ’ invention.

La figure 2 illustre les différentes étapes d’un procédé de réduction des émi ssions polluantes selon un mode de réalisation de l ’ invention, utilisant un dispositif de motorisation 1 tel que décrit précédemment.

Le procédé de réduction commence par une étape 30 de changement d’un rapport d’une boîte de vitesses du système de transmission du véhicule vers un rapport supérieur, c’ est-à-dire un passage de rapport montant. L’ étape 30 comprend une étape 3 1 préalable de détection d’une commande de changement dudit rapport vers un rapport supérieur et une étape 38 d’ enclenchement du rapport supérieur correspondant à la fin du changement de rapport. La commande de changement de rapport se matérialise généralement par l ’ actionnement de la pédale de l ’ embrayage que l ’unité électronique de commande est apte à détecter. Il est à noter que dans le cas des boîtes à vitesses manuelles, l ’ embrayage reste ouvert pendant toute la durée du changement de rapport. De manière connue, l ’unité électronique de commande 22 est apte à détecter qu’il s’ agit d’une phase d’ accélération à partir de plusieurs paramètres tels que la dérivée de la vitesse et l ’ enfoncement de la pédale d’ accélérateur.

Lorsque la commande de passage de rapport montant est détectée, le procédé se poursuit par une étape 32 de pilotage de la machine électrique et par une étape 33 de réglage du moteur concomitante.

Dans l ’ étape 32 de pilotage de la machine électrique 15, l ’unité électronique de commande 22 règle le fonctionnement de la machine électrique 15 selon un mode générateur qui engendre un couple résistant C_el pendant toute la durée du changement de rapport.

L’ étape 33 de réglage du moteur 2 comprend une étape 34 d’ inj ection de carburant suivie par une étape d’ allumage du carburant inj ecté avec une avance à l ’ allumage prédéterminée qui maximise le couple thermique C comb produit par le moteur à partir de la masse d’ air admise dans celui-ci .

L’ inj ection de carburant est maintenue lors du changement de rapport à l ’ instar du mode classique de fonctionnement nominal du moteur utilisé en dehors des phases de changement de rapport.

De préférence, la régulation de richesse ajuste en permanence la quantité de carburant inj ecté pour réaliser, quelle que soit la masse d’ air admise dans le moteur 2, un mélange d’ air et de carburant selon les proportions stœchiométriques, c’ est-à-dire à richesse unitaire. La régulation de richesse se fait classiquement en boucle fermée sur une valeur de consigne unitaire en ajustant l ’ inj ection de carburant à partir des indications d’une sonde à oxygène montée en amont du catalyseur. En variante, il est possible de prévoir que la quantité de carburant inj ecté corresponde à une valeur cible prédéterminée d’ oxygène stocké dans un catalyseur trois voies monté à l ’ échappement du moteur, tel que décrit par exemple dans le document FR - Al - 30 33 364.

L’ avance à l ’ allumage n’ est pas dégradée et reste constamment sur des valeurs optimales. Ainsi, le moteur 2 fournit le maximum de couple possible pour la masse d’ air admise.

De préférence, la masse d’ air admise dans le moteur 2 est réduite par la fermeture du boîtier-papillon 10 de manière que la pression dans le collecteur d’ admission 3 atteigne une valeur de pression minimale prédéterminée (étape 36). Dans tous les cas, la pression dans le collecteur d’ admission 3 ne devrait pas être inférieure à ladite valeur de pression minimale prédéterminée, car cela engendrerait une forte augmentation de la consommation d’huile.

Il reste donc un débit d’ air résiduel qui génère avec une avance optimale un couple thermique positif C comb, par exemple égal à +20 Nm.

En l ’ absence du couple électrique résistant C_el, le couple thermique C comb conduirait à une augmentation rapide et incontrôlée du régime, alors que le conducteur souhaite passer le rapport supérieur qui nécessite que le régime du moteur baisse jusqu’ à une valeur cible de régime N_cible calculée en fonction de la vitesse du véhicule Vvéhicuie et d’un ratio de démultiplication de la boîte de vitesse Viooo, selon l ’ équation suivante :

(Eq. l )

, dans laquelle le ratio de démultiplication (Viooo) est exprimé en km/h pour 1000 tours/min.

Le couple effectif total C égal à la somme du couple thermique C comb produit par le moteur et du couple résistant C_el engendré par la machine électrique est légèrement négatif, afin d’ assurer la décroissance maîtrisée de régime attendue jusqu’ à l ’ atteinte du régime cible N cible (étape 37) qui permet d’ enclencher le rapport supérieur dans les meilleures conditions. Ainsi, l’unité électronique de commande pilote la machine électrique 15 de manière à générer un couple résistant C_el supérieur en valeur absolue au couple thermique C comb produit par le moteur 2. Par exemple, C_el est égal à -25Nm et le couple effectif total C est égal à -5 Nm.

Le couple électrique résistant C_el est représentatif du travail effectué par la machine électrique pour charger la batterie 20. L’ énergie chimique du carburant inj ecté pour la production du couple thermique C comb est donc transformée en énergie électrique et stockée dans la batterie 20. Ainsi, la consommation de carburant peut être diminuée sur d’ autres points de fonctionnement, où le couple thermique du moteur 2 peut être réduit grâce à l ’ apport d’un couple électrique positif généré par la machine électrique 15 à partir de l ’ énergie électrique stockée dans la batterie 20.

Lorsque le régime du moteur atteint le régime cible N cible, le procédé se poursuit par une étape 38 de d’ enclenchement du rapport supérieur R+ l , dans laquelle l ’unité électronique de commande 22 pilote le fonctionnement du moteur 2 selon un réglage nominal classique. L’ étape 38 correspond à la fin du changement de rapport et s’ accompagne par l ’ enclenchement de l ’ embrayage par le conducteur.

La figure 3 illustre l ’ évolution dans le temps de différents paramètres du dispositif de motorisation 1 lors d’un changement de rapport montant de R à R+ l selon l ’ invention. Le procédé proposé permet de réduire les émissions polluantes et la consommation par rapport aux procédés classiques évoqués précédemment, car en gardant l ’ inj ection activée pendant le changement de rapport de boîte de vitesses le niveau de l ’ oxygène stocké dans le catalyseur reste constant et éloigné du seuil de saturation. Il n’ est donc pas nécessaire de le faire baisser lors de la reprise d’ accélération. En évitant la purge du catalyseur 6, le procédé proposé évite les augmentations de NOx, de particules et de la consommation de carburant.