Brevet FR2764984A1 — publié le 19981224

Procédé et dispositif de détermination de la teneur massique en agents polluants, des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique. L'invention concerne la détermination de la teneur massique en agents polluants, des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, applicable en particulier aux bancs de tests et de mise au point des moteurs. Les normes antipollution règlementant les teneurs admissibles en gaz toxiques des gaz d'échappement des véhicules, définissent des valeurs maximales admissibles en masse pour ces gaz toxiques rejetés par les véhicules automobiles. Or, toute la difficulté réside dans les moyens disponibles permettant de mesurer les agents polluants en masse. On connaît une méthode, dite de dilution, permettant d'effectuer la mesure des agents polluants dans les gaz d'échappement. Avec une telle méthode, les gaz d'échappement à analyser sont dilués avec de l'air ambiant. Le débit total des gaz (air + échappement) est maintenu constant. Le taux de dilution varie continuellement en fonction des conditions moteur. Le débit constant est réalisé grâce à l'utilisation d'un venturi dans des conditions d'écoulement critique (col sonique). On mesure en permanence la température et la pression en amont du col afin de corriger le débit en fonction des conditions amont. Le débit critique est réalisé par une pompe dont les caractéristiques de débit permettent d'assurer un débit sonique du col du ventun. Par un traitement informatique, on peut connaître précisément le volume qui a transité par le venturi. Connaissant ce volume, on peut arriver aux émissions massiques de polluants en connaissant la concentration des gaz après dilution, et la masse volumique du gaz considéré. Ce principe, mis en oeuvre lors de l'application des premières normes antipollution, est maintenant généralisé dans le monde. La mise au point des moteurs de véhicules est facilitée grâce à la connaissance plus fine de la composition des émissions de polluants tout le long d'un cycle antipollution, généralement découpé en modes simples tels que ralentis, accélérations, régimes stabilisés, et décélérations. Ce type d'analyse est connu sous la dénomination d'analyse modale. Actuellement, la mesure de la masse de polluant émise pendant un échantillon temporel nécessite l'échantillonnage du volume de gaz émis ainsi que de la concentration du gaz. Ceci nécessite donc des moyens informatiques importants afin d'effectuer dans les délais les plus brefs, une somme non négligeable de calculs. En outre, pour connaître la masse réelle de polluant émise par le moteur, il faut tenir compte du facteur de dilution qui est constamment variable. Par ailleurs, le calcul de la masse précise de polluant émise nécessite la connaissance d'un rapport DF entre le volume total des gaz émis (volume des gaz d'échappement + volume d'air de dilution) et le volume des gaz d'échappement. Or, il n'est pas possible de calculer ce rapport DF. Certes, une norme américaine permet d'en obtenir une formule empirique mais qui ne peut pas être utilisée lors d'une analyse modale, car elle suppose que le mélange est à la richesse 1. De ce fait, pour connaître ce rapport, on utilise une méthode connue par l'homme du métier sous la dénomination "CO2 Traceur". La mesure du rapport DF est alors effectuée sur le dioxyde de carbone, qui est le gaz qui présente les concentrations les plus élevées, donc les plus faciles à mesurer. Ceci étant, en pratique, pour que l'analyse modale soit correctement effectuée, et ce, pour chaque agent polluant, il faut tenir compte de tous les temps de réponse qui existent et qui proviennent des différents éléments du dispositif de mesure, tels que la ligne d'échappement et les analyseurs. Ceci est très important pour la mesure du dioxyde de carbone "échappement" et du dioxyde de carbone dilué, puisque ces mesures permettent de déterminer le rapport DF. En conséquence, il est nécessaire que les prélèvements des gaz d'échappement et ceux des gaz dilués soient les plus près possibles. De même, il est nécessaire d'optimiser les temps de réponse des analyseurs. Par ailleurs, lorsqu'un véhicule est équipé d'un pot catalytique, il est nécessaire de connaître l'efficacité du catalyseur sur différents modes du cycle et en particulier au moment de son amorçage. Or, la présence d'un catalyseur pose des difficultés supplémentaires pour la mesure correcte des émissions d'agents polluants, en raison notamment des phénomènes de temps de transfert dans le catalyseur et la ligne d'échappement, ce qui crée, dans de nombreux cas, un déphasage entre les modes avant catalyseur et avant dilution rendant ainsi erronées les valeurs d'efficacité du catalyseur. Pour améliorer les résultats concernant les mesures d'efficacité du catalyseur, on minimise alors le temps de transfert de l'échappement au catalyseur seul. Cependant, il faut également prendre en compte la contraction moléculaire introduite par les réactions chimiques dans le catalyseur. En outre, il faut toujours caler avec beaucoup de précision l'analyse du dioxyde de carbone "Traceur" et le phasage des émissions après catalyseur. Enfin, pour toutes ces installations actuelles, l'étanchéité de la ligne d'échappement du véhicule doit être parfaite ainsi que l'étanchéité entre le véhicule et le point de piquage d'analyse du dioxyde de carbone "Traceur". Par ailleurs, il faut vérifier que la valeur du rapport DF est une constante quel que soit le gaz considéré (CO2, HC, NOx, CO) et ce, pour des régimes stabilisés. Enfin, les temps de réponse et de transfert doivent être mesurés et connus par famille de véhicule. En bref, les baies de test actuelles mettent en oeuvre une méthode qui s'avère relativement lourde et compliquée, et nécessite de ce fait des équipements sophistiqués et, par conséquent, coûteux. L'invention vise à remédier à tous ces inconvénients. Un but de l'invention est de proposer une méthode d'analyse des gaz d'échappement particulièrement simple à mettre en oeuvre et nécessitant par conséquent une baie d'analyse moins lourde en investissement, et qui en outre fournit un temps de réponse qui ne dépend que de celui des analyseurs de gaz, et cela dès le démarrage moteur. L'invention propose donc un procédé de détermination de la teneur massique en agents polluants, des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique. Selon une caractéristique générale de l'invention, pour chaque agent polluant considéré, la détermination de la teneur massique correspondante est obtenue à partir d'une mesure d'une information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule, d'une mesure de la concentration instantanée dudit agent dans les gaz d'échappement, et de la concentration instantanée de carbone dans les gaz d'échappement. En d'autres termes, l'invention propose une nouvelle analyse modale utilisant essentiellement la consommation de carburant et le "bilan carbone". Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, pour chaque agent polluant considéré, la détermination de la teneur massique correspondante comprend la détermination d'une information de masse instantanée de l'agent polluant dans les gaz d'échappement, information de masse instantanée obtenue par le produit de la masse molaire dudit agent, du rapport entre ladite concentration instantanée de l'agent et ladite concentration instantanée en carbone, et du rapport entre ladite information de masse instantanée de carburant consommé et la masse molaire réduite du carburant. On peut obtenir l'information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule à partir d'une mesure du débit instantané de carburant introduit dans le moteur, de façon à déterminer ainsi le débit massique instantané de l'agent polluant considéré. Ce débit instantané de carburant introduit dans le moteur peut être mesuré par un débitmètre ou à partir des indications fournies par le calculateur d'injection du véhicule si ce dernier en est équipé. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on mesure la concentration instantanée dudit agent dans les gaz d'échappement avec un analyseur de gaz et on détermine la concentration instantanée de carbone à partir de toutes les mesures, effectuées avec un analyseur de gaz, des concentrations instantanées de tous les agents polluants contenant du carbone. L'invention a également pour objet un dispositif de détermination de la teneur massique en agents polluants, des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique. Selon une caractéristique générale de l'invention, ce dispositif comprend des premiers moyens de mesure d'une information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule, des deuxièmes moyens de mesure de la concentration instantanée dudit agent dans les gaz d'échappement, et des moyens de traitement aptes à déterminer, pour chaque agent polluant considéré, la détermination de la teneur massique correspondante, à partir des valeurs de mesure délivrées par les premiers et deuxièmes moyens de mesure, et de la concentration instantanée de carbone dans les gaz d'échappement. Les premiers moyens de mesure peuvent comprendre un débitmètre ou le calculateur d'injection du véhicule. Les deuxièmes moyens de mesure comportent avantageusement un analyseur de gaz connecté sur la ligne d'échappement du véhicule. Les moyens de traitement sont alors aptes à déterminer la concentration instantanée de carbone à partir de toutes les valeurs de mesure, délivrées par les deuxièmes moyens de mesure, et relatives aux concentrations instantanées de tous les agents polluants contenant du carbone. Lorsque le véhicule est équipé d'un catalyseur, les deuxièmes moyens de mesure comportent avantageusement deux analyseurs de gaz respectivement connectés sur la ligne d'échappement du véhicule avant et après le catalyseur, de façon à déterminer une teneur massique avant et après catalyse. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention, nullement limitatif, et du dessin annexé, sur lequel la figure unique représente très schématiquement un banc de test selon l'invention, permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure unique, la référence BT désigne un banc de test comportant deux analyseurs de gaz AN1 et AN2, respectivement raccordés en deux points de piquage 1 et 2 localisés en amont et en aval d'un catalyseur CT situé sur la ligne d'échappement LCH du véhicule. Par ailleurs, le banc de test comporte un moyen de mesure DB d'une information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule. Ce moyen de mesure est directement raccordé sur le moteur MT du véhicule. Bien que ce moyen de mesure DB ait été représenté sur la figure à des fins de simplification, à l'intérieur du banc de test BT, il peut en pratique se situer directement au niveau du moteur du véhicule et consister par exemple en un débitmètre ou en le calculateur d'injection du véhicule si ce dernier en est équipé. Ainsi, le moyen de mesure DB permet de déterminer, après étalonnage sur le véhicule, le débit instantané de carburant injecté dans le moteur. Les informations délivrées par les analyseurs de gaz AN 1 et AN2 ainsi que par le débitmètre DB sont échantillonnées de façon classique et délivrées à une unité de traitement UT architecturée autour d'un processeur. Les agents polluants contenus dans les gaz d'échappement sont généralement du monoxyde de carbone (CO) du dioxyde de carbone (CO2), des hydrocarbures (HC) ramenés à l'état méthane (CH4) et des oxydes d'azote (NOx). I1 a été observé que, pour un agent polluant considéré P, son débit massique instantané en grammes par seconde est fourni par la formule suivante Cc (P) Q (CB) Q (P) = M (P) x x Cc (CO) + Cc (CO2) + C2 (CHy) MR (CB) dans laquelle Q (P) désigne le débit massique de l'agent polluant considéré, M (P) désigne la masse molaire de l'agent polluant, Cc (P) désigne la concentration instantanée d'agent polluant dans les gaz d'échappement, Cc (CO), Cc (CO2) et Cc (CHy) désignent respectivement les concentrations instantanées de tous les agents polluants contenant du carbone, Q (CB) désigne le débit instantané de carburant consommé, et MR (CB) désigne la masse molaire réduite du carburant. L'homme du métier sait que pour un carburant de formule C nHm, la masse molaire réduite M (CHy) est égale à 12 + y où y est égal à m/n. De même, pour un carburant oxygène de formule CnHmOr, sa masse molaire réduite M (CHyOz) est égale à 12 + y + 16 z où y est égal à m/n et z est égal à r/n. Cette masse molaire réduite du carburant, ainsi que la masse molaire de l'agent polluant considéré, sont stockées dans la mémoire associée au processeur. A titre indicatif, si l'agent polluant considéré est du dioxyde d'azote NO2, sa masse molaire est égale à 46 (14 + 32). La concentration instantanée d'agent polluant Cc (P), ainsi que les concentrations instantanées de tous les agents polluants contenant du carbone (CO, CO2, CHy), sont fournies par les analyseurs de gaz AN1 et AN2 pour des mesures en amont et en aval du catalyseur. Le bilan carbone, c'est-à-dire la somme des concentrations de tous les agents polluants contenant du carbone, est effectué dans l'unité de traitement UT à partir des mesures délivrées par les analyseurs. L'unité de traitement UT délivre alors les débits massiques instantanés, en amont du catalyseur Q1 (P), et en aval du catalyseur Q2 (P), pour l'agent polluant considéré. Bien entendu, à partir de ces débits massiques instantanés, il est aisément possible de déterminer les masses instantanées d'agents polluants dans les gaz d'échappement. L'invention permet donc de mesurer en masse les polluants émis par les gaz d'échappement à l'aide d'un banc d'analyse particulièrement simplifié. L'invention est ainsi particulièrement adaptée aux bancs de tests haute dynamique et allie fiabilité et robustesse. Par ailleurs, elle fournit un temps de réponse qui ne dépend que de celui des analyseurs, et cela dès le démarrage du moteur. Le procédé selon l'invention accroît donc l'exactitude des mesures, ce qui est particulièrement adapté pour des véhicules équipés d'un catalyseur. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la teneur massique en agents polluants, des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, caractérisé par le fait que, pour chaque agent polluant considéré (P), la détermination de la teneur massique correspondante (Ql (P), Q2(P)), est obtenue à partir d'une mesure d'une information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule (Q(CB)), d'une mesure de la concentration instantanée dudit agent dans les gaz d'échappement (Cc(P)), et de la concentration instantanée de carbone dans les gaz d'échappement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour chaque agent polluant considéré, la détermination de la teneur massique correspondante, comprend la détermination d'une information de masse instantanée de l'agent polluant dans les gaz d'échappement (Q(P)), obtenue par le produit de la masse molaire dudit agent (M(P)), du rapport entre ladite concentration instantanée de l'agent et ladite concentration instantanée en carbone, et du rapport entre ladite information de masse instantanée de carburant consommé et la masse molaire réduite du carburant (MR(CB)). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on obtient l'information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule à partir d'une mesure du débit instantané de carburant introduit dans le moteur (Q(CB)), de façon à déterminer le débit massique instantané de l'agent polluant considéré. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on mesure le débit instantané de carburant introduit dans le moteur par un débitmètre (DB) ou à partir des indications fournies par le calculateur d'injection du véhicule. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on mesure la concentration instantanée dudit agent dans les gaz d'échappement avec un analyseur de gaz (AN1, AN2) et par le fait qu'on détermine la concentration instantanée de carbone à partir de toutes les mesures, effectuées avec un analyseur de gaz, des concentrations instantanées de tous les agents polluants contenant du carbone. 6. Dispositif de détermination de la teneur massique en agents polluants, des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, caractérisé par le fait qu'il comprend des premiers moyens de mesure (DB) d'une information de masse instantanée de carburant consommé par le véhicule, des deuxièmes moyens de mesure (AN1, AN2) de la concentration instantanée dudit agent dans les gaz d'échappement, et des moyens de traitement (UT) aptes à déterminer, pour chaque agent polluant considéré, la détennination de la teneur massique correspondante, à partir des valeurs de mesures délivrées par les premiers et deuxièmes moyens de mesure, et de la concentration instantanée de carbone dans les gaz d'échappement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les premiers moyens de mesure (DB) comprennent un débitmètre ou le calculateur d'injection du véhicule. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que les deuxièmes moyens de mesure comportent un analyseur de gaz (AN1, AN2) connecté sur la ligne d'échappement du véhicule, et par le fait que les moyens de traitement (UT) sont aptes à déterminer la concentration instantanée de carbone à partir de toutes les valeurs de mesures, délivrées par les deuxièmes moyens de mesure, et relatives aux concentrations instantanées de tous les agents polluants contenant du carbone. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, pour un véhicule équipé d'un catalyseur (CT), caractérisé par le fait que les deuxièmes moyens de mesure comportent deux analyseurs de gaz (AN 1, AN2) respectivement connectés sur la ligne d'échappement (LCH) du véhicule avant et après le catalyseur, de façon à déterminer une teneur massique avant et après catalyse.