Brevet FR2761732A1 — publié le 19981009

La présente invention concerne un procédé de vérification ou de surveillance de la capacité de conversion d'un catalyseur destiné à un moteur à combustion interne, du type dans lequel la température d'entrée des gaz d'échappement est mesurée avant le catalyseur, la première température de sortie des gaz d'échappement est mesurée après le catalyseur, une deuxième température de sortie est calculée, à partir de la température d'entrée d'après un modèle de températures, puis la première température de sortie et la deuxième température de sortie sont comparées et on détermine la capacité de conversion du catalyseur à partir de cette comparaison. Des prescriptions légales exigent que la capacité de conversion du catalyseur d'un moteur à combustion interne soit surveillée, à bord du véhicule automobile pendant le fonctionnement, par un diagnostic approprié correspondant. Par le document "Concept pour la surveillance d'un catalyseur par détermination de la chaleur de réaction", Grigorios C.Koltsakis et autres..., MTZ, 58, 1997, pages 178-184, il est connu d'utiliser la chaleur de réaction produite par la réaction catalytique dans le catalyseur, comme mesure pour diagnostiquer la capacité de conversion du catalyseur. A cet effet, on mesure la température avant le catalyseur et la température après le catalyseur, et on calcule, à partir d'elles, la chaleur de réaction dans le catalyseur, cette chaleur représentant une mesure pour la capacité de conversion du catalyseur. Le document DE 41 22 787 Al décrit un dispositif de surveillance de la capacité de conversion d'un catalyseur de gaz d'échappement, même dans le cas de conditions de fonctionnement instables. Au moyen d'un détecteur de température, on détermine la température des gaz d'échappement en un point situé derrière le catalyseur, dans le sens d'écoulement, et on l'envoie à une unité d'interprétation. Cette unité d'interprétation se trouve, de plus, reliée à la sortie d'un calculateur qui, en fonction de signaux d'un détecteur de température avant le catalyseur et d'un détecteur du courant massique à cet endroit, ainsi qu'en fonction de la géométrie du catalyseur, calcule la température qui s'établirait à l'endroit du détecteur de température situé après le catalyseur, en cas de non-fonctionnement du catalyseur. A partir de la différence des deux signaux de température, l'unité d'interprétation fournit un signal représentant le degré de conversion concerné. Le but de l'invention consiste à mettre à disposition un procédé précis pour surveiller la capacité de conversion du catalyseur. Le problème de l'invention est résolu en faisant appel à la deuxième température de sortie pour déterminer la capacité de conversion d'un catalyseur d'émission étalon, sans revêtement catalytique, qui fonctionne essentiellement dans les mêmes conditions que le catalyseur à surveiller. Le problème de l'invention peut également être résolu par un procédé de surveillance de la capacité de conversion d'un catalyseur consistant à déterminer l'énergie produite dans ce catalyseur pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne, et qui est caractérisé en ce qu'on détermine l'énergie produite, dans des conditions de fonctionnement identiques, dans un catalyseur d'émission étalon sans revêtement catalytique, et en ce que par une comparaison entre l'énergie produite dans le catalyseur à surveiller et l'énergie produite dans le catalyseur d'émission étalon, ou tire des conclusions sur la capacité de conversion du catalyseur à surveiller. Une détermination précise de la capacité de conversion du catalyseur est obtenue en comparant la première température de sortie des gaz d'échappement à une deuxième température de sortie. La deuxième température de sortie est celle existant, dans des conditions de fonctionnement identiques, après un catalyseur d'émission étalon, qui est un catalyseur dépourvu de revêtement catalytique. On calcule la température de sortie après ce catalyseur d'émission étalon à partir de la température d'entrée mesurée avant le catalyseur, d'après un modèle de températures. A partir de la différence entre la première et la deuxième température de sortie, on tire des conclusions sur la capacité de conversion du catalyseur. Une idée essentielle de l'invention consiste à utiliser, comme mesure de la capacité de conversion, l'énergie produite dans le catalyseur, comparée à celle d'un catalyseur d'émission étalon. L'invention peut également impliquer l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - l'énergie catalytique produite dans le catalyseur à surveiller est calculée à partir de la première et de la deuxième température de sortie et est utilisée comme mesure pour juger de la capacité de conversion; - l'énergie calculée est intégrée pour une gamme de températures prédéfinie et l'énergie intégrée est utilisée comme mesure pour la détermination de la capacité de conversion du catalyseur; on prend en compte, pour le calcul de la deuxième température de sortie, le courant massique des gaz d'échappement, qui se compose de la masse d'air secondaire, de la masse d'air aspiré du moteur et de la quantité de carburant absorbée. - pour le calcul de la deuxième température de sortie, on prend en compte l'énergie dégagée par convection et/ou par rayonnement, par le catalyseur d'émission étalon. - pour juger de la capacité de conversion du catalyseur à surveiller, on porte un jugement sur une première partie située à l'entrée de ce catalyseur, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, en particulier sur un pré-catalyseur; - l'intégration est exécutée seulement à partir d'une température de début au-dessus de 50 C, en particulier à partir de 100 C; - l'intégration est exécutée jusqu'à une température maximale de 350 C, de préférence jusqu'à C; - l'énergie exothermique d'un catalyseur de comparaison est calculée d'après le procédé et le même modèle de températures que dans le cas du catalyseur à surveiller, le catalyseur de comparaison étant tout juste conforme à une norme de pollution prédéfinie, et le catalyseur à surveiller est jugé comme comportant une20 capacité de conversion suffisante si son énergie exothermique est plus grande que l'énergie exothermique du catalyseur de comparaison. On décrira ci-après plus en détail l'invention, en référence aux dessins, sur lesquels: la figure 1 représente une installation de purification des gaz d'échappement; la figure 2 représente le modèle théorique pour calculer la température de sortie après le catalyseur à émission étalon; la figure 3 représente la courbe des températures avant et après le catalyseur à émission étalon; et la figure 4 représente, en fonction de la température du catalyseur la puissance thermique produite. La figure 1 représente un moteur à combustion interne 2 qui comporte un dispositif d'injection 7 et qui est raccordé à un collecteur d'admission 1 et à un collecteur des gaz d'échappement 3. Dans le collecteur des gaz d'échappement 3, il est prévu un pré-catalyseur 4 et, séparé de lui et le suivant dans le sens du courant, un catalyseur principal 5. Dans le collecteur des gaz d'échappement 3, un premier détecteur de température 11 est installé avant le pré-catalyseur 4, et un deuxième détecteur de température 12 est installé entre le pré-catalyseur 4 et le catalyseur principal 5. Une sonde lambda 13 est disposée dans le collecteur des gaz d'échappement 3, après le catalyseur principal 5. Entre le moteur à combustion interne 2 et le pré- catalyseur 4, un conduit d'air secondaire 16 débouche dans le collecteur des gaz d'échappement 3. Dans le conduit d'air secondaire 16, sont disposés une soupape 8, une pompe d'air secondaire 9 et un deuxième appareil de mesure de la masse d'air 10. Dans le collecteur d'admission 1, est installé un premier appareil de mesure de la masse d'air 6 qui est relié par un conducteur à un appareil de commande 15 qui comporte une mémoire de données 14. L'appareil de commande 15 est relié par un bus de données 17, au moteur à combustion interne 2 et au dispositif d'injection 7. De plus, l'appareil de commande 15 est relié par des conducteurs au deuxième appareil de mesure de la masse d'air 10, au premier détecteur de température 11, au deuxième détecteur de température 12 et à la sonde lambda 13. La pompe d'air secondaire 9 et la soupape 8 sont raccordées par des conducteurs de commande, à l'appareil de commande 15. L'appareil de commande 15 commande l'injection du moteur à combustion interne 2 et l'arrivée d'air secondaire dans le collecteur des gaz d'échappement 3, en fonction de l'arrivée de la masse d'air pour le moteur et de la composition des gaz d'échappement après le catalyseur principal 5. L'appareil de commande 15 mesure la température d'entrée avant le précatalyseur 4 et la température de sortie après le pré-catalyseur 4. Puis, à partir de la température d'entrée, l'appareil de commande 15 calcule, d'après un modèle de températures, une deuxième température de sortie qui existerait après un catalyseur d'émission étalon, au travers duquel s'écoulerait le même courant massique de gaz d'échappement et à la même température d'entrée que dans le cas du pré- catalyseur 4. Le catalyseur d'émission étalon représente le catalyseur de référence, construit pour correspondre au pré-catalyseur 4, mais ne présentant pas de couche de catalyse et ne produisant ainsi aucune énergie exothermique par catalyse. A partir des première et deuxième températures de sortie, l'appareil de commande 15 calcule ensuite l'énergie thermique produite exothermiquement. L'énergie exothermique est une mesure de l'efficacité de la capacité de conversion du pré-catalyseur 4. La figure 2 représente schématiquement le modèle d'après lequel est calculée la température de sortie du catalyseur d'émission étalon. Le bilan énergétique d'un catalyseur est donné par la puissance thermique E, arrivant au catalyseur par le courant massique MA des gaz d'échappement présentant la température d'entrée TV. Dans le catalyseur, il se produit un transfert d'énergie des gaz d'échappement vers le catalyseur. Le catalyseur s'échauffe alors à la température TK. Cela est représenté symboliquement sur la figure 2 par le transfert de température EGasKat De plus, le catalyseur cède à l'environnement une puissance de convection EK et une puissance de rayonnement ER- En même temps, de l'énergie EA provenant du catalyseur est évacuée avec les gaz d'échappement. On calcule, d'après ce modèle de températures, la température de sortie TNR des gaz d'échappement régnant après le catalyseur d'émission étalon. Le catalyseur d'émission étalon correspond, par sa construction, au précatalyseur 4, mais, au contraire du pré-catalyseur 4, ne présente pas de revêtement catalytique. En partant de l'équation du bilan d'énergie du catalyseur d'émission étalon sans revêtement catalytique, on calcule, à partir de la température d'entrée TV et du courant massique des gaz d'échappement MA, la température de sortie TNR présentée par le courant de gaz d'échappement après le catalyseur d'émission étalon. La température d'entrée Tv est mesurée avec le premier détecteur de température 11 avant le pré-catalyseur 4. Le courant massique MAA des gaz d'échappement est déterminé à l'aide de l'air aspiré pour le moteur et à l'aide de l'air secondaire aspiré, qui sont mesurés respectivement avec le premier appareil de mesure de la masse d'air 6 et avec le deuxième appareil de mesure de la masse d'air 10. Le courant d'énergie Ern envoyé au pré-catalyseur 4 se calcule comme suit par la relation (1): E,, =AA TV'óCA o on désigne par MA le courant massique des gaz d'échappement, par TVK la température d'entrée mesurée des gaz d'échappement en amont du pré-catalyseur 4, et par cA la capacité énergétique spécifique des gaz d'échappement à pression constante. Le courant massique MA des gaz d'échappement se calcule comme suit par la relation (2): MA = (1 + 1/Cs). M/ + Msu, le courant d'air secondaire étant désigné par M>, le courant massique de l'air du moteur par /, et un coefficient représentant la quantité de carburant absorbée étant désigné par cS. Pour X = 1, cS présente la valeur 14,3. Le transfert de puissance EAb des gaz d'échappement vers le monolithe du catalyseur est donné par la relation (3): EAb = MA k,. AM (K.- T) (3) o on désigne par k1 le coefficient de transfert de chaleur des gaz d'échappement vers le monolithe du catalyseur, par AM la surface du monolithe du catalyseur balayée par les gaz d'échappement, et par TK la température du monolithe du catalyseur. Suivant la loi de rayonnement de Bolzmann, le courant d'énergie thermique ER rayonné à partir du catalyseur d'émission étalon est donné par la relation (4): R = Ao. k (IK4 - ru) (4) o on désigne par AO la surface extérieure du catalyseur, par kB la constante de Bolzmann, par TU la température ambiante et par TK la température du catalyseur. Un courant de convection émis par le catalyseur d'émission étalon par convection est donné par la relation (5): EK = Ao.k2(V).(T - TU) (5) o EK désigne la puissance de convection, Ao désigne la surface externe du catalyseur et la constante k2(v) désigne le coefficient de transfert de chaleur de la surface du catalyseur vers l'air ambiant en fonction de la vitesse de déplacement v du véhicule automobile. La constante k2 est appliquée en fonction de la vitesse du véhicule automobile. A partir de l'équation du bilan de puissance, on obtient une équation différentielle de premier ordre pour la température TK du catalyseur d'émission étalon suivant la relation (6): 1 úA--ú)(6) K = (EAb -ER -) (6) mK'K o mK désigne la masse du monolithe du catalyseur et cK désigne la capacité calorifique spécifique du monolithe du catalyseur. A partir des relations (6) et (3), on calcule finalement la température de sortie TNR au catalyseur d'émission étalon, suivant la relation (7): TNR =El - EAb (7) CA -MA c.Mg La figure 3 représente la température d'entrée TVR, mesurée avant le catalyseur d'émission étalon, et la deuxième température de sortie TNR, calculée à partir de cette dernière, après le catalyseur d'émission étalon, en fonction du temps t, et donc l'évolution du transfert de température du catalyseur d'émission étalon. Pour avoir un modèle de températures qui soit optimal pour calculer la deuxième température de sortie TNR du catalyseur d'émission étalon, on mesure, sur le banc d'essai du moteur, l'évolution de la température du catalyseur d'émission étalon, et on l'utilise pour ajuster en conséquence les paramètres k1, k2, kB et cK de façon que les écarts qui apparaissent entre le modèle de températures et l'échauffement réel du catalyseur d'émission étalon soient minimum. En utilisant la deuxième température de sortie TNR calculée après le catalyseur d'émission étalon, et la première température de sortie TNK mesurée par le second détecteur de température 12 après le pré- catalyseur 4, on calcule de la façon suivante, suivant la relation (8), la puissance exothermique EE produite dans le pré- catalyseur: EE t)-(T TNR)MA CA, (8) o on désigne par cA la capacité calorifique spécifique des gaz d'échappement. La puissance exothermique EE est une mesure de la capacité de conversion du pré-catalyseur, car la puissance exothermique est d'autant plus grande que le pré-catalyseur a une plus grande activité de catalyse. A la place de la puissance exothermique, on peut également utiliser l'énergie calorifique EE produite dans le pré- catalyseur 4. La figure 4 représente la puissance exothermique EE en fonction de la deuxième température de sortie qui a été calculée suivant le modèle de températures. La courbe caractéristique A représente la puissance exothermique du pré-catalyseur 4 et sur la courbe caractéristique B, la puissance exothermique d'un catalyseur de comparaison. Le catalyseur de comparaison est, par exemple, un pré- catalyseur, qui répond tout juste à un test prédéfini pour les gaz d'échappement. Egalement pour le catalyseur de comparaison, la puissance exothermique a été calculée d'après la relation 8, en référence à un catalyseur d'émission étalon correspondant, sans revêtement catalytique. La puissance exothermique est considérée dans une gamme de températures comprise entre une première température T1, qui est, par exemple, de 200 C, et une deuxième température T2 qui est, par exemple, de 350 C. La surface hachurée sur la figure 4 entre les courbes caractéristiques A et B représente une mesure de la capacité de conversion du pré- catalyseur 4. Dans le cas d'un pré-catalyseur neuf, la surface hachurée est particulièrement grande et dans le cas d'un pré- catalyseur déjà fortement vieilli, la surface hachurée de la figure 4 est petite ou la courbe caractéristique A se trouve en-dessous de la courbe caractéristique B, de sorte que le pré-catalyseur 4 déjà fortement vieilli est plus mauvais que le catalyseur de comparaison et, de ce fait, on n'atteint plus les valeurs limites prédéfinies pour les gaz d'échappement. Pour calculer exactement la puissance exothermique, il est avantageux de prendre en compte la dépendance de la deuxième température de sortie TNR du courant massique de l'air du moteur par,M, après le catalyseur d'émission étalon. On détermine, par exemple, cette dépendance expérimentalement. De plus, il faut prendre en compte l'influence du courant massique d'air secondaire Ms qui agit en modifiant. le rapport air/carburant avant le pré- catalyseur 4. On obtient ainsi une énergie exothermique de référence corrigée EE* d'après la relation (9) suivante: EE(TfMm, ,,)RBf = EE(TNm)p,' a(ML/m,2v) o la variable a est déterminée expérimentalement en fonction du courant massique de l'air du moteur MU et de la valeur lambda Xv avant le pré-catalyseur 4. A partir de la différence de température intégrée dans l'intervalle de températures entre la première température T1 et la deuxième température T2, on obtient une valeur de diagnostic KD du catalyseur, d'après la relation 10 suivante: T2 KD = fÉE(TIR)Kat - E;(Ti, MLMi5V)ReJ dTNR T'I La première température est d'environ 50 C, de préférence d'environ 100 C, et la deuxième température d'environ 350 C, de préférence d'environ 200 C. Pour comparer, on détermine, suivant la relation , la valeur de diagnostic KD de catalyseur correspondant à un catalyseur de comparaison qui, par exemple, remplit juste encore les prescriptions propres au véhicule ULEV pour les émissions de HC, dans le test FTP. L'acronyme ULEV signifie Ultra Low Emission Vehicle (Véhicule à très faibles émissions polluantes) et l'acronyme FTP désigne un test de vérification des catalyseurs en vigueur aux Etats-Unis et connus des spécialistes. Ainsi un pré-catalyseur 4 dont la valeur de diagnostic KD est au-dessus de la valeur de diagnostic KD du catalyseur de comparaison est considéré comme suffisant selon les prescriptions ULEV. Comme valeur initiale pour le modèle de température du catalyseur sans revêtement, on utilise la deuxième température de sortie TNK, qui est plus grande que 50 C, de préférence que 100 C. Comme température finale pour le modèle de températures, on utilise, pour la deuxième température de sortie, 350 C, de préférence 200 C. A cet instant le pré-catalyseur n'a pas encore démarré, c'est- à-dire que le revêtement catalytique n'a pas encore produit d'énergie exothermique, de telle façon que le pré-catalyseur 4 présente encore le même comportement d'échauffement que le catalyseur d'émission étalon sans revêtement, n'ayant pas d'action catalytique. REVEND I CATIONS 1. Procédé de surveillance de la capacité de conversion d'un catalyseur (4) destiné à un moteur à combustion interne (2), dans le cas duquel - la température d'entrée (Tv) des gaz d'échappement est mesurée avant le catalyseur (4), - la première température de sortie (TN) des gaz d'échappement est mesurée après le catalyseur (4), - une deuxième température de sortie (TNR) est calculée, à partir de la température d'entrée (Tv), d'après un modèle de températures, - la première température de sortie (TN) et la deuxième température de sortie (TNR) sont comparées et on porte un jugement sur la capacité de conversion du catalyseur (4) à partir de cette comparaison, caractérisé en ce qu'on a recours à la deuxième température de sortie (TNR) pour déterminer la capacité de conversion d'un catalyseur d'émission étalon, sans revêtement catalytique, qui fonctionne essentiellement dans les mêmes conditions que le catalyseur à surveiller (4). 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie produite catalytiquement dans le catalyseur à surveiller (4) est calculée à partir de la première et de la deuxième température de sortie (TN, TNR), et est utilisée comme mesure pour juger de la capacité de conversion. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'énergie calculée est intégrée sur une gamme de températures prédéfinie et en ce que l'énergie intégrée est utilisée comme mesure pour la détermination de la capacité de conversion du catalyseur. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour le calcul de la deuxième température de sortie (TNR), on prend en compte le courant massique des gaz d'échappement, qui se compose de la masse d'air secondaire, de la masse d'air aspiré du moteur et de la quantité de carburant absorbée. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour le calcul de la deuxième température de sortie (TNR), on prend en compte l'énergie dégagée par convection et/ou par rayonnement, par le catalyseur d'émission étalon. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour juger de la capacité de conversion du catalyseur à surveiller (4), on porte un jugement sur une première partie, située à l'entrée de ce catalyseur (4) dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, en particulier sur un pré-catalyseur. 7. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'intégration est exécutée seulement à partir d'une température de début au-dessus de 50 C, en particulier à partir de 100 C. 8. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'intégration est exécutée jusqu'à une température maximale de 350 C, de préférence jusqu'à C. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'énergie exothermique d'un catalyseur de comparaison est calculée d'après le procédé et le même modèle de températures que dans le cas du catalyseur à surveiller (4), en ce que le catalyseur de comparaison est tout juste conforme à une norme de pollution prédéfinie, et en ce que le catalyseur à surveiller (4) est jugé comme comportant une capacité de conversion suffisante si son énergie exothermique est plus grande que l'énergie exothermique du catalyseur de comparaison. 10. Procédé de surveillance de la capacité de conversion d'un catalyseur (4), consistant à déterminer l'énergie produite dans ce catalyseur (4) pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'on détermine l'énergie produite dans un catalyseur d'émission étalon dans des conditions de fonctionnement identiques, le catalyseur d'émission étalon ne présentant pas de revêtement catalytique, et en ce que par comparaison entre l'énergie produite dans le catalyseur à surveiller (4) et l'énergie produite dans le catalyseur d'émission étalon on tire des conclusions sur la capacité de conversion du catalyseur à surveiller (4).