Brevet FR2677122A1 — publié le 19921204

La présente invention est relative à un procédé d'essai d'un dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et, plus particulièrement, à un tel procédé permettant de vérifier le bon état mécanique de ce dispositif et la précision du réglage de la quantité d'air injecté, obtenue à l'aide de ce dispositif. Des normes antipollution de plus en plus sévères obligent à réduire les quantités de gaz nocifs rejetées dans l'atmosphère par les moteurs à combustion interne. A cet effet, on équipe aujourd'hui couramment les véhicules automobiles d'un pot "catalytique" disposé dans la ligne de sortie des gaz d'échappement du moteur pour oxyder ou réduire lesdits gaz nocifs, hydrocarbures imbrûlés, oxydes de carbone, oxydes d'azote, etc... Le bon fonctionnement d'un tel pot catalytique exige, comme il est bien connu, la présence de moyens de régulation du mélange air/carburant d'alimentation du moteur. Il faut en outre que le catalyseur contenu dans le pot soit porté à une certaine température de fonctionnement, 350"C environ par exemple. Au démarrage à froid du moteur, cependant, la température de celui-ci et du pot catalytique est sensiblement égale à la température ambiante et donc très en dessous de la température de fonctionnement correcte du pot catalytique. En outre, pendant un tel démarrage, le mélange air/carburant d'alimentation du moteur est classiquement fortement enrichi en carburant. I1 en résulte que les gaz d'échappement du moteur contiennent alors des quantités de gaz nocifs, notamment hydrocarbures imbrûlés et oxydes de carbone, considérées par certaines normes antipollution comme excessives. Pour réduire ces quantités de gaz nocifs qui ne peuvent alors être traitées par le catalyseur, on a pensé à injecter un gaz oxydant, de l'air par exemple, dans les gaz d'échappement du moteur pour oxyder les produits nocifs contenus dans ces gaz. On a représenté à la figure 1 du dessin annexé un dispositif d'injection d'air dans la ligne de sortie 1 des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne M. Le dispositif comprend un conduit 2 raccordé à un filtre 3 placé à l'entrée d'air de la tubulure d'admission 4 du moteur M, une pompe à air 5 et un conduit 6 raccordant, à travers une vanne de réglage 7, la sortie de la pompe à air à la ligne de sortie 1 des gaz d'échappement du moteur, en amont d'un pot 8 contenant un catalyseur d'oxydation des gaz nocifs contenus dans les gaz d'échappement. L'air est injecté pendant le démarrage du moteur pour suppléer à l'inefficacité actuelle du pot catalytique 8 en provoquant, grâce à l'oxygène contenu dans 1 1air, une oxydation des hydrocarbures et des oxydes de carbone propres à transformer au moins une partie de ceux-ci en espèces moins nocives (gaz carbonique, eau, etc...). La quantité d'air injectée doit être réglée avec précision. En effet, un défaut d'air injecté provoquerait des réactions d'oxydation incomplètes alors qu'un excès d'air provoquerait un trop fort refroidissement des gaz d'échappement, interdisant toute réaction chimique dans ceux-ci. Pour ce faire , la vanne 7 est pilotée par un calculateur 9 normalement associé au moteur pour commander la richesse en carburant du mélange air/carburant qui alimente le moteur, cette richesse étant réglée par l'ajustement du temps d'ouverture ti d'au moins un injecteur de carburant 10 placé dans la tubulure d'admission 4. Classiquement encore, une sonde à oxygène 11 est placée dans la ligne I de sortie des gaz d'échappement pour délivrer au calculateur 9 un signal représentatif de la richesse en oxygène de ces gaz d'échappement. Le calculateur est dûment programmé pour, d'une part, commander en boucle fermée la richesse en carburant du mélange air/carburant d'alimentation du moteur, à l'aide du signal délivré par la sonde à oxygène 11 et d'un réglage approprié du temps d'ouverture ti des injecteurs 10 et, d'autre part, commander le taux d'ouverture de la vanne 7 du dispositif d'injection d'air à l'échappement du moteur, en phase de démarrage du moteur. Classiquement, la loi de commande de la vanne 7 est de la forme taux d'ouverture vanne = k.f(N,P) (I) où N et P sont respectivement la vitesse de rotation du moteur et la pression d'admission, k étant un gain. Le bon fonctionnement du dispositif d'injection d'air à l'échappement conditionne évidemment le respect des normes antipollution pendant les phases de démarrage du moteur. Or ce fonctionnement peut être altéré par diverses causes, telles une rupture ou un détachement accidentel des conduits 2 et 6, une panne de la pompe à air 5 ou de la vanne 7 ou une dérive du taux d'ouverture de ladite vanne, notamment. Dans certains projets de normes antipollution actuels, on propose une présence obligatoire, dans le véhicule, de moyens d'essai systématique du fonctionnement du dispositif d'injection d'air, propres à détecter une panne ou un fonctionnent défectueux de ce dispositif. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé d'essai d'un dispositif d'injection d'air dans l'échappement d'un moteur à combustion interne, permettant de détecter l'apparition d'un éventuel défaut de fonctionnement de ce dispositif afin qu'il y soit porté remède. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la présente description, avec un procédé d'essai d'un dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, suivant lequel on commande une variation de la quantité d'air injectée dans ces gaz, on évalue la variation concomitante de la richesse en oxygène du mélange air/gaz d'échappement et on diagnostique l'état de fonctionnement du dispositif à partir de cette évaluation.Suivant une première mise en oeuvre de ce procédé, on mesure la richesse moyenne en oxygène des gaz d'échappement lors d'une première phase de fonctionnement du moteur pendant laquelle le dispositif d'injection d'air est inactif et la richesse moyenne en oxygène du mélange air/gaz d'échappement lors d'une deuxième phase consécutive pendant laquelle ce dispositif est activé et on diagnostique l'état de fonctionnement du dispositif en comparant la différence des richesses en oxygène mesurées pendant ces deux phases à une valeur escomptée de cette différence.Si la composition du mélange air/carburant d'alimentation du moteur est régulée en boucle fermée par une action sur le temps d'ouverture ti d'au moins un injecteur de carburant, on peut mesurer ladite différence des richesses en oxygène à partir de la différence des valeurs du temps d'injection ti établies par la régulation en boucle fermée pendant lesdites première et deuxième phases de fonctionnement, respectivement. Ces phases se succèdent alors pendant une période de fonctionnement du moteur à chaud, en régime stabilisé de préférence. Suivant une deuxième mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on mesure la richesse moyenne en oxygène des gaz d'échappement lors d'une première phase de fonctionnement du moteur pendant laquelle le dispositif d'injection d'air est actif et la richesse en oxygène du mélange air/gaz d'échappement lors d'une deuxième phase consécutive pendant laquelle ce dispositif est inactif et on diagnostique l'état de fonctionnement du dispositif en comparant la différence des richesses en oxygène mesurée pendant ces deux phases, à une valeur escomptée. Les première et deuxième phases de fonctionnement se succèdent pendant une période d'échauffement du moteur et d'un pot catalytique placé dans la ligne de sortie des gaz d'échappement. On mesure la différence des richesses en oxygène pendant ces deux phases à partir du signal délivré par une sonde à oxygène "linéaire" placée dans la ligne de sortie des gaz d'échappement du moteur, en aval du dispositif d'injection d'air. Le débit d'air injecté peut alors être commandé en boucle fermée à l'aide du signal délivré par cette sonde. D'autres caractéristiques et avantages du procédé suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement un moteur équipé de moyens de commande en boucle fermée du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur et d'un dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement du moteur, d'un type connu, - la figure 2 est un chronogramme du temps d'injection ti commandé par le calculateur, dans le cadre d'une première mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, et - la figure 3 est un chronogramme du signal délivré par une sonde à oxygène linéaire, dans le cadre d'une deuxième mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Suivant la présente invention, le calculateur 9 est dûment programmé pour tester, périodiquement par exemple, l'état de fonctionnement du dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement du moteur. Pour ce faire, le calculateur commande une brusque variation de la quantité d'air injectée dans les gaz d'échappement, et observe les conséquences de cette variation soit sur la valeur du temps d'injection ti qu'il calcule notamment à partir du signal fourni par une sonde à oxygène pour corriger la richesse en carburant du mélange qui alimente le moteur, soit sur le signal de sortie d'une sonde à oxygène linéaire comme on l'expliquera en détail dans la suite. Suivant une première mise en oeuvre du procédé selon l'invention, illustrée à la figure 2, on teste le fonctionnement du dispositif d'injection d'air en dehors des périodes pendant lesquelles celui-ci est actif, c'est-à-dire en dehors des périodes de démarrage à froid du moteur. Dans ces conditions on enregistre la valeur moyenne tio du temps d'ouverture d'injecteur fournie par le calculateur 9, pendant un intervalle de temps qui s'achève à l'instant T,. La forme d'onde en gradins du chronogramme de la figure 2 résulte de l'échantillonnage du signal ti, conditionné par les oscillations du signal fourni par la sonde à oxygène 11, d'un type classique, signal qui bascule périodiquement autour d'un seuil correspondant à un mélange air/carburant sensiblement stoechiométrique. A T0, on commande l'activation de la pompe à air 5 et l'ouverture de la vanne 7, avec un taux d'ouverture donné. L'injection d'air (à 20% d'oxygène) qui en résulte enrichit en oxygène les gaz d'échappement (contenant normalement de 1 à 2 % d'oxygène seulement). Cet enrichissement est détecté par la sonde à oxygène 11 qui transmet l'information au calculateur 7. Celui-ci corrige alors à la hausse le temps d'ouverture des injecteurs qui prend alors une valeur moyenne t11, jusqu a ce que le calculateur commande, à l'instant T1, la coupure de l'injection d'air, après quoi le temps d'ouverture retombe à un niveau voisin de celui qui est le sien avant la brusque injection, suivant l'invention, d'air dans les gaz d'échappement. La différence (ti,-tio) est ensuite comparée par le calculateur à une différence escomptée Atj qu'il calcule notamment à partir du temps d'ouverture de la vanne qu'il a demande. On peut tirer trois conclusions différentes de la comparaison de la différence (ti1-tio) par rapport à la valeur Ati escomptée, établie par le calculateur. Si (ti1-tio) est sensiblement égal à asti, il faut conclure que l'intégrité mécanique du dispositif d'injection d'air (pompe à air 5, vanne 7, conduits 2 et 6) est complète et que la précision de la commande de la vanne 7 est correcte puisque ce dispositif a convenablement transmis à la sonde à oxygène 11 la perturbation introduite dans la composition des gaz d'échappement par l'injection d'air. Aucune intervention visant à réparer le dispositif ou à corriger la réponse de la vanne 7 à sa commande par le calculateur 9 n'est alors à prévoir. Si (ti1-tio) s'écarte de Ati mais reste compris dans le domaine défini par l'expression + + x.Ati (Il) x représentant une précision prédéterminée en pourcentage, il faut conclure que l'intégrité mécanique du dispositif n'est pas affectée, que les conduits 2,6 sont correctement connectés, que la pompe à air 5 et la vanne 7 réagissent aux ordres de commande. C'est la précision de la réaction de cette vanne à ces ordres qui explique l'erreur relevée. Le calculateur 9 peut rétablir cette précision en corrigeant convenablement le gain k de la loi de commande (I) mentionnée ci-dessus. Enfin si (t,,-t,,) sort du domaine défini par la relation (II) ci-dessus, il faut conclure que le dispositif d'injection d'air souffre d'une panne mécanique ou d'un déréglage de la vanne 7 impossible à corriger par une adaptation du gain k de la loi de commande. Il faut alors prévoir une intervention pour contrôler et réparer éventuellement les conduits 2,6, la pompe 5 ou la vanne 7. Le procédé décrit ci-dessus en liaison avec le chronogramme de la figure 2 implique une injection d'air (brève il est vrai) dans les gaz d'échappement alors que le moteur et le catalyseur sont "chauds" et qu'une telle injection n'a donc pas d'autre objet que de tester le bon fonctionnement du dispositif d'injection d'air. On pallie ce léger inconvénient avec une autre mise en oeuvre du procédé d'essai selon l'invention, que l'on va décrire maintenant en liaison avec l'examen du chronogramme du signal de sortie d'une sonde à oxygène "linéaire" ou "proportionnelle", représentée à la figure 3. On connaît une telle sonde capable de fournir un signal sensiblement linéairement proportionnel à la teneur en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. A titre d'exemple d'une telle sonde, on peut citer la sonde vendue sous le nom NTK UEGO par la société japonaise NGK SPARK PLUG Co. Ltd. Suivant l'invention, on utilise une telle sonde pour constituer la sonde 11. Pendant une période de démarrage à froid du moteur, et alors que la régulation en boucle fermée du mélange air/carburant est temporairement hors service, on commande normalement le fonctionnement du dispositif d'injection d'air pour oxyder des gaz nocifs apparaissant à l'échappement du moteur. Le calculateur commande à cet effet la pompe à air 5 et la vanne 7 avec un taux d'ouverture prédéterminé, suivant la loi de commande (I) pendant une première phase s'achevant à l'instant T'0, légèrement antérieure à l'instant T2 où doit normalement être coupée l'injection d'air, le moteur et le catalyseur ayant alors atteint leur température de régime.On mesure la richesse moyenne en oxygène S0 du mélange jusqu'à l'instant T'o à l'aide du signal S délivré par la sonde à oxygène linéaire 9. Pendant une deuxième phase (T'1-T'o) s'achevant juste avant l'instant T2, on mesure la richesse moyenne en oxygène S1 des gaz d'échappement alors brusquement et prématurément privés de l'injection d'air antérieurement établie. La richesse moyenne en oxygène S1 alors mesurée par la sonde est normalement réduite par rapport à la richesse moyenne en oxygène S0 mesurée pendant la phase précédente avec injection d'air.On compare alors (Sl-S0) à une valeur prédéterminée AS escomptée, calculée par le calculateur, pour mettre en évidence comme on l'a fait ci-dessus avec (ti1-tio) et Asti les trois situations correspondant respectivement à un fonctionnement correct, à un fonctionnement exigeant un ajustement de la loi de commande de la vanne et à un fonctionnement défectueux exigeant une intervention sur le dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement. On remarquera que l'utilisation d'une sonde à oxygène linéaire autorise une commande en boucle fermée de la quantité d'air injectée dans les gaz d'échappement, pendant une période de démarrage à froid du moteur, grâce au signal proportionnel délivré au calculateur par la sonde à oxygène linéaire utilisée dans le deuxième mode de mise en oeuvre du procédé d'essai suivant l'invention. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux deux modes de mise en oeuvre decrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Ainsi, en variante, on pourrait utiliser une sonde à oxygène "linéaire" pour réaliser une mesure directe de la richesse en oxygène, le moteur et le catalyseur étant "chauds", en neutralisant la correction de temps d'injection établie alors par la boucle fermée. On pourrait aussi renverser l'ordre des phases pendant lesquelles de l'air est injecté ou non dans les gaz d'échappement. Egalement, plutôt que de comparer deux situations dans lesquelles il y a et il n'y a pas, respectivement, injection d'air dans les gaz d'échappement, on pourrait commander successivement deux taux d'injection d'air de niveaux différents. Plus généralement, l'invention est basée sur l'observation de la réaction du système entier (moteur, régulation, dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement) à une perturbation commandée de l'alimentation en air. REVENDICATIONS 1. Procédé d'essai d'un dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'on commande une variation de la quantité d'air injectée dans ces gaz, on évalue la variation concomitante de la richesse en oxygène du mélange air/gaz d'échappement et on diagnostique l'étant de fonctionnement du dispositif à partir de cette évaluation. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure la richesse moyenne en oxygène des gaz d'échappement lors d'une première phase de fonctionnement du moteur pendant laquelle le dispositif d'injection d'air est inactif et la richesse moyenne en oxygène du mélange air/gaz d'échappement lors d'une deuxième phase consécutive pendant laquelle ce dispositif est activé et on diagnostique l'état de fonctionnement du dispositif en comparant la différence des richesses en oxygène mesurées pendant ces deux phases à une valeur escomptée de cette différence. 3. Procédé conforme à la revendication 2, appliqué à un moteur dans lequel la composition du mélange air/carburant d'alimentation du moteur est régulée en boucle fermée par un réglage du temps d'ouverture (ti) d'au moins un injecteur de carburant, caractérisé en ce qu'on mesure ladite différence des richesses en oxygène à partir de la différence (ti1-tio) des valeurs du temps d'injection (ti) établies par la régulation en boucle fermée pendant lesdites première et deuxième phases de fonctionnement, respectivement. 4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites phases se succèdent pendant une période de fonctionnement du moteur à chaud, en régime stabilisé. 5. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure la richesse moyenne (S0) en oxygène des gaz d'échappement lors d'une première phase de fonctionnement du moteur pendant laquelle le dispositif d'injection d'air est actif et la richesse en oxygène (S1) du mélange air/gaz d'échappement lors d'une deuxième phase consécutive pendant laquelle ce dispositif est inactif et on diagnostique l'état de fonctionnement du dispositif en comparant la différence (S1-S0) ) des richesses en oxygène mesurées pendant ces deux phases, à une valeur escomptée (As). 6. Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième phases de fonctionnement se succèdent pendant une période d'échauffement du moteur et d'un pot catalytique placé dans la ligne de sortie des gaz d'échappement. 7. Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'on mesure la différence des richesses en oxygène pendant lesdites première et deuxième phases à partir du signal délivré par une sonde à oxygène linéaire placée dans la ligne (1) de sortie des gaz d'échappement du moteur, en aval du point d'injection d'air. 8. Procédé conforme à la revendication 6, appliqué à un dispositif comprenant une vanne (7) de réglage du débit d'air injecté dans les gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'on commande ce débit en boucle fermée à l'aide du signal délivré par la sonde à oxygène linéaire. 9. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'on compare la différence relevée (t,,-t,, ; S,-S,) à sa valeur escomptée (asti ; AS) dans le cas d'un fonctionnement correct du dispositif d'injection d'air et on constate un tel fonctionnement quand cette différence est sensiblement égale à la valeur escomptée. 10. Procédé conforme à la revendication 9, appliqué à un dispositif d'injection d'air comprenant une vanne (7) de réglage du débit d'air injecté dans l'échappement, caractérisé en ce qu'on corrige la loi de commande d'ouverture de cette vanne en fonction d'un écart de la différence relevée par rapport à la valeur escomptée quand cet écart reste inférieur à un écart prédéterminé. 11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'on diagnostique une panne du dispositif d'injection d'air dans les gaz d'échappement quand ledit écart dépasse ledit écart prédéterminé.