Brevet FR2584818A1 — publié le 19870116

Procédé pour contrôler l'efficacité des réacteurs cataly- tiques et dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. L'invention concerne un procédé pour contrôler l'efficacité des réacteurs catalytiques dans le système d'échappement de moteurs à combustion interne avec un système asservi comportant un circuit de réglage PI (proportionnel et intégral), au moyen d'une première sonde de mesure des gaz d'échappement placée à l'entrée du réacteur catalyti- que pour mesurer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappe- ment du moteur à combustion interne, et une seconde sonde de mesure pour mesurer la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement du moteur, placée à la sortie du réacteur catalytique, ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Pour respecter les valeurs limites imposées par la loi pour les trois composants nuisibles présents dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, à savoir CO, NO et HC, les réacteurs catalytiques doivent présenter un taux de conversion minimal. Pour un réacteur catalytique donné, les taux de conversion sont influencés principalement par la température, la vitesse spatiale des gaz d'échappement et la proportion d'air. En raison du vieillissement thermique - calamine et recris- tallisation de la couche active - ainsi que de l'empoisonne- ment, par exemple par S, Pb, P, Zn, Mg, les taux de conver- sion se détériorent avec le temps, de même que la capacité d'emmagasiner l'oxygène. La durée de vie d'un réacteur catalytique dépend donc de façon déterminante du mode de fonctionnement du moteur à combustion interne. Pour vérifier que les valeurs limites des substances nuisi- bles dans les gaz d'échappement sont bien respectées, il était nécessaire jusqu'à maintenant de contrôler le véhicule concerné sur un banc d'essai à rouleaux. On connait déjà plusieurs procédés indirects pour contrôler l'activité des réacteurs catalytiques. Il s'agit ici a) du test CVS, qui sert de base légale pour l'homologation des véhicules à catalyseurs; b) d'un test abrégé, qui est une méthode de contrôle utili- sée aux Etats-Unis, pour des véhicules en visite d'entretien, méthodes coûteuses qui ne peuvent pas être appliquées dans tous les ateliers. Une autre possibilité consiste à contrôler les composants, par exemple le fonctionnement du système asservi et du réacteur catalytique démonté, son taux de conversion étant mesuré lors de ce contrôle. La corrélation entre les taux de conversion lors du contrôle des composants et le résultat de l'essai d'homologation n'est pas satisfaisante parce que, par exemple, on ne tient pas compte du comportement lors du démarrage à froid. On connaît enfin, par exemple d'après DE-OS 23 28 459, desprocédés pour contrôler le réacteur catalytique qui reposent sur la mesure de la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement en aval du réacteur catalytique au moyen d'une seconde sonde de mesure des gaz d'échappement. _ Selon ces procédés connus, on ne peut toutefois en déduire les taux de conversion dans tous les états de fonctionnement parce que ces procédés dépendent de la vitesse spatiale dans le réacteur catalytique. Le but de l'invention est, pour cette raison, de développer un procédé permettant, par des moyens simples et économiques, de contrôler l'efficacité d'un réacteur catalytique monté sur un véhicule. - Ce but est atteint conformément à l'invention par le fait qu'on augmente volontairement l'amplitude des variations cycliques de la composition des gaz d'échappement, condi- tionnées par la caractéristique du système asservi et du circuit de réglage associé, autour d'une valeur moyenne déterminée, en fonctionnement normal, pour contrôler l'effi- cacité des réacteurs catalytiques, jusqu'à ce qu'on ait atteint une valeur de seuil correspondant à une teneur résiduelle en oxygène déterminée dans les gaz d'échappe- ment en aval du réacteur catalytique, teneur mesurée avec la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement, l'ampli- tude constituant une mesure de la capacité à emmagasiner de l'oxygène du réacteur catalytique utilisé. L'invention repose sur l'idée de base que la capacité à emmagasiner l'oxygène du réacteur catalytique doit être déterminée sous la forme d'un nombre mesuré et que ce nombre doit être comparé avec le nombre mesuré, de la capacité à emmagasiner l'oxygène du réacteur catalytique neuf. Le procédé peut être mis en oeuvre avec un dispositif dans lequel on prévoit un dispositif de contrôle monté en amont du circuit de réglage, lequel dispositif de contrôle augmente l'amplitude des variations cycliques de la compo- sition des gaz d'échappement, conditionnées par la carac- téristique du système asservi, autour d'une valeur moyenne déterminée, en fonctionnement normal, pour contrôler l'effi- cacité de réacteurs catalytiques, jusqu'à ce qu'on ait atteint une valeur de seuil correspondant à une teneur résiduelle en oxygène déterminée dans les gaz d'échappement en aval du réacteur catalytique, teneur mesurée avec la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement. Un avantage considérable de cette combinaison consiste en ce qu'on peut supprimer la coûteuse dilution des gaz d'échappement de même que leur analyse, nécessaires dans l'état actuel de la technique. Il suffit simplement, pour le contr8le, de monter une seconde sonde et de raccorder le dispositif au véhicule. L'invention sera bien comprise à la lecture de la descrip- tion suivante, donnée à titre d'exemple seulement, de formes de réalisation représentées schématiquement sur le dessin, sur lequel: - la. figure 1 est une représentation schématique de l'agen- cement général d'un dispositif utilisé en corrélation avec le procédé de l'invention; - la figure 2 montre des diagrammes en fonction du temps, qui montrent la relation dans le temps entre le signal de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappe- ment, le signal de sortie du circuit de réglage utilisé, le signal représentant les variations cycliques de la composition des gaz d'échappement, ainsi que le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échap- pement placée en aval du réacteur catalytique; - la figure 3 montre des diagrammes d'impulsions analogues aux diagrammes en fonction du temps de la figure 2, pour expliquer le mode de fonctionnement du procédé de l'invention; - la figure 4 montre d'autres diagrammes d'impulsions pour expliquer le mode de fonctionnement du procédé de l'invention; et - la figure 5 est une représentation avec corrélation dans le temps de tracés de signaux du circuit de réglage qui représentent une intervention dans le réglage du dosage du carburant et servent à expliquer le mode de fonctionne- ment du dispositif de l'invention. La figure 1 représente schématiquement l'agencement général d'un dispositif pouvant être utilisé en corrélation avec le procédé de l'invention et dont le mode de fonctionne- ment est expliqué en liaison avec un moteur à combustion interne 5. Le moteur 5 est équipé d'un réglage-A qui utilise une (première) sonde de mesure des gaz d'échappement 2, dont le signal de sortie est amené en tant que grandeur d'entrée de réglage à l'entrée d'un circuit de réglage PI (proportionnel et intégral) 1. La sonde de mesure des gaz d'échappement 2, placée dans le système de gaz d'échappe- ment 6 du moteur à combustion interne 5 en amont d'un réacteur catalytique 4, est prévue pour déterminer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 5. L'agencement représenté sur la figure 1 comprend une seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3 qui est disposée dans le système de gaz d'échappement 6 en aval du réacteur catalytique 4 et sert à déterminer la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 5, ainsi qu'un dispositif de contrôle qui porte le numéro de réfé- rence 10 et va être décrit plus en détail ci-après. Un élément important du dispositif de contrôle 10 est constitué par un dispositif de commande qui fournit un signal de sortie périodique dont la fréquence est sensible- ment plus basse que celle du signal de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2 travaillant en fonctionnement normal. Le signal de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2 est remplacé par ce signal périodique dont la fréquence est, par exemple, 0,5 Hz, lors du contrôle de l'efficacité du réacteur cataly- tique 4 utilisé. Parmi les nombreuses possibilités de montage pour produire un signal périodique approprié, on va ci-après en mentionner deux qui sont représentés schématiquement sur la figure 1. La première possibilité réside dans l'utilisation d'un générateur d'impulsions externe 11 qui peut produire des signaux de sortie de fréquence variable qui sont amenés à l'entrée du circuit de réglage 1. Les éléments 12, 13 et 14 de la figure 1 sont ici supprimés. La seconde solution consiste en un filtre passe-bas électro- nique 12 auquel sont amenés, en tant que signaux d'entrée, les signaux de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2. Ce filtre réduit la fréquence des signaux d'entrée de sorte qu'à sa sortie apparait le signal périodique souhaité. Les éléments 11, 13, 14 sont ici supprimés. Aussi bien au générateur d'impulsions 11 qu'au filtre électronique 12 est amené, en tant que grandeur de référence, le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3, qui est représenté sur la figure 1 par une ligne en tirets. Le rôle de la grandeur de référence va être expliqué plus en détail ultérieure- ment en liaison avec la figure 3. Le dispositif de contrôle 10 comporte en outre un dispositif référencé en 13 qui permet d'amener le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3 à l'entrée du circuit de réglage 1, en tant que grandeur d'entrée de référence. Le dispositif 13, dont le mode de fonctionnement va être expliqué en liaison avec la figure 4, peut être constitué par exemple par un simple interrupteur également électronique. Les éléments 11, 12, 14 de la figure 1 sont ici supprimés. En variante, un composant du dispositif de contrôle 10 consiste en un montage 14 qui permet une intervention dans le réglage du dosage de carburant du moteur à combustion interne 5. Le signal de sortie du montage 14, lequel provoque un élargissement de la section P et/ou de la section I du circuit de réglage 1, est représenté sur la figure 1 par une ligne en traits mixtes. A ce montage 14 est également amené en tant que grandeur de guidage le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappe- ment 3. L'influence de l'élargissement de la section P et/ou de la section I du circuit de réglage 1 sur les variations cycliques de la composition des gaz d'échappement se produisant sur le système asservi, sera expliquée ulté- rieurement en liaison avec la figure 5. Les éléments 11, 12, 13 de la figure 1 sont ici supprimés. La figure 2 représente des diagrammes en fonction du temps qui montrent la corrélation dans le temps entre les signaux apparaissant sur le système asservi d'un véhicule équipé d'un système de réglage X = 1 et de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement. Le temps est porté en abscis- ses, tandis que les tensions des signaux sont portés en ordonnées. XIK désigne le signal de sortie d'un comparateur se trouvant dans l'étage d'entrée du circuit de réglage 1 auquel est amené le signal de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2 (sonde de réglage) placée dans le système d'échappement 6 du moteur à combustion interne en amont du réacteur catalytique 4. Le tracé de signaux référencé en R représente le signal de sortie du circuit de réglage 1 proportionnel et intégral et faisant partie du système asservi, tandis que le signal représenté sous forme d'onde sinusoïdale pour des raisons de simplification, représente des variations cycliques AX de la composition des gaz d'échappement autour de la valeur moyenneX M = 1 en fonctionnement normal, qui se produisent avec une ampli- tude déterminée A, ainsi qu'avec une fréquence non réfé- rencée. Comme on le voit également sur la figure 2, ces deux grandeurs dépendent du signal de sortie R du circuit de réglage 1. X2 désigne finalement le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3 placée en aval du réacteur catalytique 4. Etant donné que dans un système réglé à = 1, on recherche une combustion totale des gaz d'échappement dans le réacteur catalytique, la sonde de mesure 3 placée à la sortie du réacteur catalytique ne détecte plus d'oxygène, dans un cas idéal, de sorte que son signal de sortie se trouve dans la zone "riche" et a un tracé rectiligne parallèle à l'abscisse. Les expres- sions "riche" et "pauvre" se réfèrent à la composition stoechiométrique du mélange combustible air/carburant avant le moteur. C'est elle qui détermine la composition des gaz d'échappement. La sonde d'oxygène a la propriété physique qu'il se produit un saut de tension lors du dépasse- ment du mélange stoechiométrique À = 1 lorsqu'il y a de l'oxygène résiduel dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire lorsque toutes les fractions d'oxygène n'ont pas été utili- sées pour la combustion dans le moteur et que de ce fait il manque une quantité correspondante de fractions de carburant. La figure 3 représente un premier diagramme d'impulsions analogue au diagramme en fonction du temps de la figure 2 pour expliquer le mode de fonctionnement du procédé de l'invention, les mêmes tracés de signaux portant les mêmes références. La référence le est utilisée pour un signal externe pério- dique dont la fréquence est notablement plus basse que celle du signal de sortie de la sonde de mesure des gaz d'échappement 2 travaillant en service normal. Ce signal peut, par exemple, être produit par le générateur d'impul- sions 11 représenté sur la figure 1, dont la fréquence de sortie peut être réduite en continu en fonction d'une grandeur de référence qui lui est amenée. A la place du signal de sortie Xe du générateur d'impulsions 11, on peut également utiliser le signal de sortie x1F filtré électroniquement de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2, dont la fréquence a été réduite au moyen d'un filtre passe-bas 12 travaillant à une fréquence de base qu'on peut faire varier en continu. R, AI et 12 dési- gnent à nouveau le signal de sortie du circuit de réglage 1, les variations cycliques de la composition des gaz d'échappement se produisant sur le système asservi en amont du réacteur catalytique 4 ainsi que le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3. Le procédé de l'invention repose sur le principe suivant: lors du contrôle de l'efficacité du réacteur catalytique 4, on amène à l'entrée du circuit de réglage, à la place du signal de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2, un des signaux périodiques précités Xe ou XlF. Du fait de la réduction de fréquence de ce signal, il résulte un temps d'intégration plus long du circuit de réglage 1 proportionnel et intégral qui a pour conséquence un accroissement continu de l'amplitude A des variations cycliques AI de la composition des gaz d'échappement autour de la valeur moyenne XM = 1. L'accrois- sement de l'amplitude A fait passer à l'instant X le réac- teur catalytique 4 dans un état dans lequel il n'est plus en mesure d'emmagasiner davantage d'oxygène de sorte qu'il se produit un surplus de l'oxygène et le réacteur 4 laisse passer de l'oxygène. Cet excès d'oxygène dans les gaz d'échappement est indiqué par la seconde sonde de mesure 3 sous forme de demi-onde se dirigeant dans le sens "pauvre" avec un retard dans le temps dû à la saturation nécessaire en oxygène, une valeur de seuil A pouvant être affectée à une déviation déterminée. Etant donné que le signal de sortie k2 de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappe- ment 3 est amené au générateur d'impulsions 11, et/ou au filtre passe-bas électronique 12 en tant que grandeur de référence, la fréquence du signal Xe ou X1F n'est réduite en continu que jusqu'à l'instant o la valeur de seuil A est atteinte. La valeur de fréquence ou l'amplitude A des variations cycliques de la composition des gaz d'échap- pement déterminée à cet instant constitue la mesure de la capacité du réacteur catalytique 4 à emmagasiner l'oxy- gène. A l'instant Y, o les variations cycliques AI de la composition des gaz d'échappement atteignent leur valeur moyenne XM = 1, se termine également la demi-onde "pauvre" du signal 12 qui continue dans la zone "riche", étant donné qu'en raison de la totale combustion des gaz d'échap- pement dans le réacteur catalytique 4, on ne peut plus détecter d'oxygène dans les gaz d'échappement. La figure 4 montre un autre diagramme en fonction du temps dans lequel sont représentées les relations entre les signaux 12, R et AI apparaissant sur le système asservi. Dans ce cas, on utilise comme signal périodique amené à l'entrée du circuit de réglage 1 le signal de sortie de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3 placée en aval du réacteur catalytique 4. Au moyen de ce signal dont la fréquence, du fait de l'effet d'emmagasi- nage de l'oxygène du réacteur catalytique 4, est nettement plus basse que celle du signal de sortie de la première sonde de mesure des gaz d'échappement 2 travaillant en service normal, le. circuit de réglage 1 est équilibré de telle sorte qu'il en résulte à nouveau des temps d'inté- gration plus longs lors de l'opération de réglage. L'allon- gement du temps d'intégration qui correspond au laps de temps XY du tracé du signal À2, provoque à nouveau, comme il a été expliqué en liaison avec la figure 3, un accroisse- ment de l'amplitude A des variations cycliques AR de la composition des gaz d'échappement avant le réacteur cataly- tique 4. Cette amplitude A est à nouveau utilisée comme mesure de la capacité du réacteur catalytique 4 à emmagasiner de l'oxygène. En comparant les tracés de signaux AI portés sur les figures 2, 3 et 4, on voit que la valeur moyenne AM des variations cycliques AI de la composition des gaz d'échappement repré- sentées sur la figure 4 correspond à une valeur qui est supérieure à X = 1. Ce décalage de Ak dans le cas représenté sur la figure 4 est à imputer à la postcombustion des gaz d'échappement dans le réacteur catalytique 4. La signifi- cation des instants X, Y est identique à celle mentionnée dans la description de la figure 3. La figure 5 représente enfin une corrélation dans le temps de signaux qui représentent une intervention dans le régla- ge du dosage du carburant en un point de fonctionnement déterminé du moteur à combustion interne 5. R1 désigne le signal de sortie du circuit de réglage 1 dont les sec- tions P et I correspondent à celles représentées sur les figures 2, 3 et 4 et ici le signal 1Ax est utilisé pour les variations cycliques de la composition des gaz d'é'chap- pement correspondant à ce signal de sortie. La référence R2 est affectée à un autre signal de sortie du circuit de réglage 1, dont la section P a été élargie par l'action du montage 14, tandis que la section I reste inchangée. Le tracé de signaux référencé en R3 résulte de l'accroisse- ment de la section I du circuit de réglage 1, alors que la section P reste inchangée, et enfin R4 désigne le signal de sortie du circuit de réglage 1 dans lequel aussi bien la section P que la section I ont été élargies. On voit sans difficulté sur la figure 5 que du fait de l'élargissement des sections P et/ou I du circuit de réglage 1 l'amplitude 2A des variations cycliques 2Ax de la compo- sition des gaz d'échappement est également accrue. Lors du contrôle de l'efficacité du réacteur catalytique 4, il se produit un élargissement continu des sections P et/ou I du circuit de réglage 1, à nouveau en fonction de la grandeur de référence amenée au circuit 14 (signal de sortie X2 de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappe- ment 3), à savoir jusqu'à ce que soit atteinte la valeur de seuil A mentionnée en relation avec la figure 3. Le tracé du signal de sortie X2 de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement 3 correspond à celui de la figure 3; on utilise ici comme valeur de mesure pour la capacité du réacteur catalytique 4 à emmagasiner l'oxygène que l'on doit contrôler la grandeur de la section P et/ou de la section I à l'instant o est atteinte la valeur de seuil A, ou l'amplitude 2A des variations cycliques 2A1 grâce auxquelles on fait varier l'amplitude A servant de mesure à la capacité d'emmagasinage. L'affectation dans le temps des différents signaux l'un par rapport à l'autre est déterminée, dans tous les cas mentionnés, en tenant compte du temps mort se produisant sur le système asservi. Revendications. 1. Procédé pour contrôler l'efficacité des réacteurs cataly- tiques dans le système d'échappement de moteurs à combus- tion interne, avec un système asservi comportant un circuit de réglage PI (proportionnel et intégral) au moyen d'une première sonde de mesure des gaz d'échappement placée à l'entrée du réacteur catalytique pour mesurer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement du moteur à combus- tion interne, et une seconde sonde de mesure pour mesurer la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement du moteur, placée à la sortie du réacteur catalytique, caractérisé en ce qu'on augmente volontairement l'amplitude (X) des variations cycliques (AX) de la composition des gaz d'échappement, conditionnées par la caractéristique du système asservi et du circuit de réglage associé (1), autour d'une valeur moyenne déterminée (AM), en fonctionnement normal, pour contrôler l'efficacité des réacteurs cataly- tiques, jusqu'à ce que soit atteinte une valeur de seuil (A) correspondant à une teneur résiduelle en oxygène détermi- née dans les gaz d'échappement en aval du réacteur cataly- tique, teneur mesurée avec la seconde sonde (3) de mesure des gaz d'échappement, l'amplitude (A) constituant une mesure de la capacité à emmagasiner l'oxygène du réacteur catalytique (4) utilisé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude (A) des variations cycliques (Ai) est accrue par le fait qu'on amène au circuit de réglage (1) en tant que grandeur d'entrée un signal périodique dont la fréquence est sensiblement plus basse que celle du signal de sortie (X1) de la première sonde de mesure (2) travaillant en service normal. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal périodique est un signal (xe) produit exté- rieurement. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal périodique est le signal de sortie (X1p) filtré électroniquement de la première sonde de mesure des gaz d'échappement (2). 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal périodique est le signal de sortie (X2) de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement (3). 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude (A) des variations cycliques (AX) est accrue par le fait qu'on augmente la section P et/ou la section I du circuit de réglage (1). 7. Dispositif pour contrôler l'efficacité de réacteurs catalytiques dans le système d'échappement de moteurs à combustion interne, avec un système asservi, comportant un circuit de réglage PI (proportionnel et intégral), au moyen d'une première sonde de mesure des gaz d'échappement placée à l'entrée du réacteur catalytique pour mesurer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, et une seconde sonde de mesure pour mesurer la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échap- pement du moteur, placée à la sortie du réacteur catalytique, caractérisé en ce qu'on prévoit un dispositif de contrôle (10) monté en amont du circuit de réglage (1), lequel dispositif de contrôle augmente l'amplitude (A) des varia- tions cycliques (AX) de la composition des gaz d'échappe- ment conditionnées par la caractéristique du système asservi, autour d'une valeur moyenne déterminée (XM), en fonctionne- ment normal, pour contrôler l'efficacité de réacteurs catalytiques, jusqu'à ce que soit atteinte une valeur de seuil (A) correspondant à une teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement en aval du réacteur catalytique (4), teneur mesurée avec la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement (3). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (10) comporte un disposi- tif de commande qui produit un signal dont la fréquence est notablement plus basse que celle du signal de sortie (XI) de la première sonde de mesure des gaz d'échappement (2) travaillant en service normal. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de commande est constitué par un générateur d'impulsions (11). 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de commande est constitué par un filtre passe-bas (12) électronique travaillant avec une fréquence limite variant en continu. 11. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (10) comporte un dispositif (13) qui permet d'amener le signal de sortie (X2) de la seconde sonde de mesure des gaz d'échappement (3) du circuit de réglage (1). 12. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (10) comporte un montage (14) qui élargit la section P et/ou la section I du circuit- de réglage (1).