Brevet FR2783872A1 — publié le 20000331

Etat de la technique L'invention concerne le diagnostic d'un cataly- seur à trois voies ou d'un catalyseur à accumulation de NOx. On connait déjà un diagnostic d'un catalyseur à trois voies dans les gaz d'échappement d'un moteur à combus- tion interne par exemple par le document DE-24 44 334. Le problème, lors du diagnostic, est qu'il se produit des dommages réversibles comme aussi des dommages ir- réversibles dans l'aptitude des catalyseurs à fonctionner. C'est ainsi qu'on a observé que l'introduction de soufre dans le catalyseur réduisait sa capacité de conversion. Ces intro- ductions de soufre sont fonction de la température et peuvent être à nouveau libérées pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne (SAE 750697). Les prescriptions légales s'orientent vers un contrôle avec les moyens du bord de l'aptitude à fonctionner des composants d'un véhicule automobile qui sont concernés par les émissions polluantes, tels que les catalyseurs. Il faut indiquer au conducteur les fonctionnements défectueux qui ont été constatés. Jusqu'à présent il n'était pas possi- ble de faire une différence entre une puissance de conversion qui décroissait à cause de l'âge (décroissance irréversible) et celle causée par un empoisonnement par le soufre (décrois- sance réversible). Dans les deux cas la lampe d'avertissement du défaut MIL s'allume. Il y a un intérêt à distinguer si la puissance de conversion décroît du fait du soufre ou du fait du vieillissement du catalyseur et dans le premier cas à ne pas laisser la lampe s'allumer, indiquant le défaut. A cet égard l'invention a pour objet d'indiquer un procédé qui sert à distinguer entre des dommages réversi- bles et des dommages irréversibles en ce qui concerne l'apti- tude des catalyseurs à fonctionner. D'une manière avantageuse on n'indique que les défauts irréversibles. On fait reculer les endommagements réversibles le cas échéant en régénérant le catalyseur quand le moteur à combustion interne est en marche. On résout ce problème par un procédé servant à évaluer l'aptitude d'un catalyseur à fonctionner, catalyseur qui est parcouru par les gaz d'échappement d'un processus de combustion, caractérisé par les séquences suivantes: - réalisation d'un essai de régénération pour éliminer les endommagements réversibles de l'aptitude du catalyseur à fonctionner, - examen de l'aptitude du catalyseur à fonctionner et estima- tion de cette aptitude en fonction de l'examen mentionné. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - un premier examen de l'aptitude du catalyseur à fonctionner a tout d'abord lieu, - après l'exécution de l'essai de régénération, un nouvel examen de l'aptitude du catalyseur à fonctionner a lieu, et - l'estimation de l'aptitude du catalyseur à fonctionner a lieu en fonction de l'examen, renouvelé, - pour réaliser l'essai de régénération on augmente la quan- tité des composants des gaz d'échappement qui ont une ac- tion réductrice avant le catalyseur, - en complément on augmente la température des gaz d'échappe- ment avant le catalyseur, - pour augmenter la quantité des composants des gaz d'échap- pement qui ont un effet réducteur, on modifie la composi- tion du mélange de carburant et d'air pour le processus de combustion, l'augmentation de la température des gaz d'échappement est obtenue dans le cas d'un moteur à combustion interne en re- tardant le début de la combustion, - lors de la détermination de l'aptitude du catalyseur à fonctionner avec un détecteur des gaz d'échappement, qui est disposé derrière le catalyseur, on déclenche une varia- tion du signal du détecteur des gaz d'échappement en exer- çant une influence sur les gaz d'échappement avant le catalyseur, et - on exploite l'intervalle de temps qui s'écoule entre le dé- but de l'influence exercée et la variation du signal ser- vant au diagnostic, - le début de l'influence exercée sur la composition des gaz d'échappement est détectée avant le catalyseur par la va- riation du signal d'un détecteur de gaz d'échappement dis- posé avant le catalyseur, - lors de la commande des proportions de carburant et d'air dans le mélange d'un moteur à combustion interne on change périodiquement le mélange entre une première phase avec un mélange plus pauvre en carburant par rapport à un mélange ayant une composition stoechiométrique, et une deuxième phase avec un mélange stoechiométrique ou plus riche en car- burant, de telle sorte que l'on détecte la durée qui con- duit à une réaction du signal du détecteur postérieur des gaz d'échappement, et - on utilise cette durée comme critère d'évaluation de l'ap- titude du catalyseur à fonctionner, - pour tester l'aptitude du catalyseur à fonctionner on uti- lise le signal d'un détecteur de NOx disposé derrière le catalyseur, - le temps qui s'écoule entre la régénération du soufre et le deuxième diagnostic ou une autre mesure de l'introduction de soufre dans le catalyseur ne dépasse pas un seuil prédé- terminé, autrement on ne réalise pas le deuxième diagnos- tic. On peut établir une corrélation entre la force des endommagements réversibles et la teneur en soufre dans le carburant. Celle-ci peut fortement varier en fonction de la société distributrice d'huile minérale (par exemple l'état fédéral aux USA), une étendue de variation allant de 15 ppm à 1000 ppm étant réaliste en ce moment. Quand le moteur est en marche avec du carburant contenant beaucoup de soufre le catalyseur est empoisonné d'une telle manière que sa puissance de conversion décroît. L'effet d'empoisonnement disparaît après le fonctionnement avec du carburant à faible teneur en soufre ou lors du fonc- tionnement du catalyseur avec un mélange riche et à tempéra- ture élevée. Les avantages de l'invention résident dans le fait que le diagnostic est affiné par rapport au procédé em- ployé jusqu'ici, et qu'il ne se produit pas de fausses infor- mations (MIL) du fait de l'influence du soufre, car l'évaluation du catalyseur opère une distinction entre des endommagements irréversibles et des empoisonnements réversi- bles. De cette façon la durée d'utilisation du catalyseur s'allonge, car le diagnostic ne délivre une information si- gnalant un défaut qu'en cas d'endommagement irréversible. Dessins La présente invention va être décrite ci-après plus en détail à partir de modes de réalisation, représenté sur les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 montre l'environnement technique de l'inven- tion, - les figures 2 et 3 montrent des exemples de réalisation du procédé selon l'invention sous la forme de diagrammes sché- matiques. - la figure 4 montre des signaux en liaison avec l'examen de l'aptitude du catalyseur à bien fonctionner. Description de l'exemple de réalisation En détail la figure 1 montre un moteur à combus- tion interne 1 avec un catalyseur 2, des sondes à gaz d'échappement 3 et 4, un appareil de commande 5, un moyen de dosage du carburant 6, ainsi que différents détecteurs 7, 8, 9 de la charge L et de la vitesse de rotation n, ainsi que le cas échéant d'autres paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne, tels que la température, la position du clapet d'étranglement, ou autres. Le catalyseur présente une première partie 2a et une deuxième partie 2b. La partie 2a constitue le catalyseur à accumulation de NOx. La partie 2b représente un réservoir d'oxygène intégré ou monté en aval. L'invention peut toutefois s'appliquer aussi dans le cas d'un catalyseur à trois voies, dans lequel aussi bien la zone 2a que la zone 2b aussi représente respectivement un réservoir d'oxygène. A partir des signaux mentionnés et d'autres si- gnaux d'entrée l'appareil de commande forme entre autres des signaux de dosage du carburant, avec lesquels est commandé le moyen de dosage du carburant. Le moyen de dosage du carburant peut être constitué aussi bien pour ce qu'on appelle une in- jection dans le collecteur d'admission que pour une injection directe d'essence dans les chambres de combustion la des dif- férents cylindres. La variation de la composition du mélange peut être obtenue au moyen d'une variation des largeurs des impulsions d'injection, par lesquels est commandé le moyen de dosage du carburant. Le coeur du procédé selon l'invention concerne dans ce contexte en premier lieu l'appareil de com- mande 5, la sonde des gaz d'échappement 4 disposée derrière le catalyseur ainsi que le moyen 10 qui sert à indiquer ou à mettre en mémoire une information relative à la capacité d'accumulation. La figure 2 montre un premier exemple de réalisa- tion du procédé selon l'invention. Ensuite on entreprend au cours d'une séquence 2.1 un essai de régénération, qui doit procurer l'élimination du soufre qui s'est déposé. Le soufre qui s'est accumulé occupe les places de réserve, dans lesquelles est sans cela stocké de l'oxygène. Avec un mélange stoéchiométrique ou avec un mélange riche (X pose la question d'un décalage dans le sens du retard du dé- but de l'injection. Lors de la séquence 2.2 a lieu un contrôle de l'aptitude du catalyseur à fonctionner. Des contrôles de ce type sont décrits dans les demandes de brevet DE 1 98 01 625 et DE 198 01 626. Leur divulgation doit être incorporée en ce qui concerne le contrôle de l'aptitude du catalyseur à fonc- tionner. Un exemple d'un tel contrôle est représenté à la fi- gure 4. La figure 4 représente sur la figure 4a le chan- gement dans la composition du mélange avant le catalyseur en liaison avec le signal US de la sonde postérieure des gaz d'échappement 4 (figure 4b) dans le cas d'un exemple de réa- lisation de l'invention. Dans une première phase Phl on fait fonctionner le moteur avec un coefficient X supérieur à 1, c'est-à-dire avec un excès d'air. Le bas niveau du signal de la sonde pos- térieure à la figure 4b indique qu'il règne aussi derrière le catalyseur un excès d'air ou d'oxygène. A l'instant tl la composition du mélange passe de lambda supérieur à 1 à lambda inférieur à 1, donc à un manque d'oxygène. A l'instant t2 le détecteur postérieur 4 réagit au manque d'oxygène par une montée de son signal du niveau bas au niveau élevé. Pour les raisons présentées ci-dessus la durée T = montant(t2 - tl) constitue une mesure de la somme de la capacité du système catalytique à stocker le NOx et l'oxygène. En d'autres ter- mes: Le temps T est une grandeur appropriée pour une estima- tion quantitative. Comme on peut le voir à partir de la figure 4, l'instant t2 peut être déterminé par exemple par un dépassement de la valeur de seuil du signal de la sonde pos- térieure. Le temps tl peut être directement détecté dans l'appareil de commande. Dans le cas d'un brusque renversement de la valeur de lambda, tl est l'instant à partir duquel les largeurs des impulsions d'injection grandissent. Dans ce cas tl est encore affecté par l'imprécision du temps d'écoulement des gaz entre le début de l'injection et l'instant auxquels les produits de la combustion atteignent le catalyseur. Ce temps est toutefois petit par rapport au temps T et peut être par conséquent négligé en première approximation. Si l'on souhaite avoir une précision plus élevée de la détermination de l'instant tl, on peut utiliser l'instant du changement du niveau du signal de la sonde antérieure des gaz d'échappement 3. La variation représentée de la composition du mélange con- duit à ce que le moteur à combustion interne émet des hydro- carbures et du monoxyde de carbone comme agent réducteur. En variante à l'émission de composants des gaz d'échappement agissant comme réducteurs l'agent de réduction peut aussi être amené à partir d'un réservoir, par l'intermédiaire d'une vanne commandée par l'appareil de commande, aux gaz d'échap- pement avant le catalyseur. On peut alors faire fonctionner le moteur de façon continue avec un mélange pauvre. A la séquence 2.3 a lieu une comparaison de l'ap- titude au fonctionnement, constatée, avec une valeur de seuil. Une aptitude insuffisante à fonctionner est indiquée en tant que défaut, à la séquence 2.4, ou est mise en mé- moire, par exemple pour une protection statistique des annon- ces de défauts. Le procédé selon la figure 2 commence par un es- sai de régénération. De cette façon on produit dans une cer- taine mesure un état de départ défini pour le diagnostic suivant: le résultat du diagnostic obtenu selon la figure 2 n'est pas affecté par des endommagements réversibles de l'ap- titude au fonctionnement. On a représenté un autre exemple sur la figure 3. La figure 3 se différencie de la figure 2 essentiellement par des séquences préenclenchées 3.1 et 3.2 du procédé. Le dérou- lement des séquences 3.1 et 3.2 a pour effet que l'on ne pro- cède à un essai de régénération que seulement quand l'aptitude à fonctionner déterminée auparavant est évaluée comme n'étant plus suffisante. D'après cet exemple de réali- sation on introduit lors d'un prélèvement identifié de la ca- pacité de conversion du catalyseur par un diagnostic du catalyseur tout d'abord une régénération technique d'un pos- sible empoisonnement par le soufre. Au cas o lors d'un deuxième diagnostic suivant le catalyseur présente une meilleure conversion, on en con- clut qu'un empoisonnement par le soufre était bien responsa- ble de l'annonce de défaut du premier diagnostic, et le catalyseur est alors jugé comme bon. Au cas o au cours du deuxième diagnostic, suivant, le catalyseur présente avant comme après une conversion réduite, il est jugé comme mau- vais, et il allume la lampe indicatrice de défaut (MIL). Lors du diagnostic on peut avoir dans certains cas à faire la différence entre a) des moteurs qui fonction- nent avec X = 1, et b) des moteurs qui fonctionnent avec un mélange pauvre, en particulier des moteurs à injection di- recte d'essence. a) Pour les véhicules équipés d'un système conventionnel avec = 1, on a la méthode facile de surveillance, qui con- siste à déterminer le taux de conversion du catalyseur à trois voies au moyen de son pouvoir de stockage d'oxygène. On a la corrélation selon laquelle le taux de conversion et le pouvoir d'accumulation d'oxygène décroissent ensem- ble lors du processus de vieillissement du catalyseur. Selon un premier diagnostic, qui indique une ap- titude à fonctionner qui n'est pas suffisante, on introduit, comme on l'a décrit ci-dessus, une phase de régénération du soufre. Ensuite on effectue un renouvellement du diagnostic. b) Pour les véhicules qui fonctionnent avec un mélange pauvre X > 1 (mélange maigre, injection directe d'essence) le ca- talyseur à 3 voies ne satisfait plus aux exigences de qua- lité voulues pour les gaz d'échappement. Les catalyseurs à accumulation utilisés emmagasinent les émissions de NOx pendant le fonctionnement à mélange pauvre. Dans le cas de fonctionnements du moteur avec des mélanges "riches", les nitrates emmagasinés sont libérés et réduit en N2. Ensuite l'accumulateur de NOx est de nouveau prêt à fonctionner. D'une manière analogue à celle du catalyseur à 3 voies, on peut exploiter un raccourcissement de la durée T servant à régénérer le catalyseur à accumulation, car en cas de vieillissement le catalyseur peut emmagasiner moins d'émissions de NOx et de cette façon le besoin de place pour des agents de réduction est plus faible. On peut toutefois aussi relier ici le pouvoir ré- duit d'accumuler du NOx à un empoisonnement par le soufre, réversible, qui est identifié et doit être éliminé par des mesures appropriées. Le pouvoir d'accumuler du NOx est déterminé par l'état du vieillissement et l'état d'empoisonnement du cata- lyseur à accumulation. Quand le catalyseur a vieilli la ma- tière active de l'accumulateur est endommagée et on peut emmagasiner moins d'émissions de NOx (L'augmentation du dé- roulement de l'émission de NOx vers le catalyseur est plus grande). On peut schématiquement représenter l'emmagasinage selon l'équation suivante de la réaction: BaO + 2 NO2 + 0.5 02 -> Ba(NO3)2 (1) Dans ce cas l'oxyde de baryum est représentatif de la matière de l'accumulateur. La teneur en soufre qui existe dans le carburant se produira dans les gaz d'échappement sous la forme de SO2 et lors de l'accumulation dans le catalyseur de NOx, NO2 y sera remplacé. Ceci signifie, qu'en plus des nitrates des sulfates garnissent également les places d'accumulation dans le catalyseur de NOx. Les sulfates emmagasinés sont sensible- ment plus stables et ne sont pas libérés dans le cas de la génération standard et garnissent en outre les places d'accu- mulation. Le diagnostic décrit ci-dessus pour le catalyseur détecte cette apparition de son empoisonnement (T devient plus petit). L'agent de réduction nécessaire devient plus faible, car il y a moins de NOx qui peut être emmagasiné (voir annexe 2). Si on identifie par le diagnostic du cataly- seur que celui-ci est défectueux, on doit tout d'abord véri- fier si le défaut est dû à son empoisonnement par du soufre. Cela signifie qu'on doit mettre le moteur, après avoir pla- cardé le fonctionnement du diagnostic, dans un état de marche qui extrait de manière fiable le soufre. Ensuite les endroits de l'accumulateur qui sont garnis de soufre sont de nouveau libérés et en faisant fonctionner le diagnostic on constate que le catalyseur à accumulation est bon (pouvoir d'accumuler du NOx suffisant). Il est apparu comme particulièrement avantageux de choisir l'état de fonctionnement du moteur pour régénérer le soufre de telle sorte que l'on soit assuré d'avoir une température dans le catalyseur de Tcat > 650 C et un coeffi- cient X = 0,98 pendant une durée de 60 à 120 secondes, par exemple, par exemple en déplaçant dans le sens du retard l'angle d'allumage en enrichissant en même temps le mélange. On oriente la durée de la régénération du soufre cas par cas de façon que le catalyseur soit débarrassé de façon fiable du soufre. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Procédé servant à évaluer l'aptitude d'un catalyseur à fonctionner, catalyseur qui est parcouru par les gaz d'échap- pement d'un processus de combustion, caractérisé par les séquences suivantes: - réalisation d'un essai de régénération pour éliminer les endommagements réversibles de l'aptitude du catalyseur à fonctionner, - examen de l'aptitude du catalyseur à fonctionner et estima- tion de cette aptitude en fonction de l'examen mentionné. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' - un premier examen de l'aptitude du catalyseur à fonctionner a tout d'abord lieu, après l'exécution de l'essai de régénération, un nouvel examen de l'aptitude du catalyseur à fonctionner a lieu, et - l'estimation de l'aptitude du catalyseur à fonctionner a lieu en fonction de l'examen, renouvelé. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que pour réaliser l'essai de régénération on augmente la quantité des composants des gaz d'échappement qui ont une action ré- ductrice avant le catalyseur. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' en complément on augmente la température des gaz d'échappe- ment avant le catalyseur. ) Procédé selon la revendication 3 ou selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que pour augmenter la quantité des composants des gaz d'échappe- ment qui ont un effet réducteur, on modifie la composition du mélange de carburant et d'air pour le processus de combus- tion. 6 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'augmentation de la température des gaz d'échappement est obtenue dans le cas d'un moteur à combustion interne en re- tardant le début de la combustion. 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - lors de la détermination de l'aptitude du catalyseur à fonctionner avec un détecteur des gaz d'échappement, qui est disposé derrière le catalyseur, on déclenche une varia- tion du signal du détecteur des gaz d'échappement en exer- çant une influence sur les gaz d'échappement avant le catalyseur, et - on exploite l'intervalle de temps qui s'écoule entre le dé- but de l'influence exercée et la variation du signal ser- vant au diagnostic. 8 ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le début de l'influence exercée sur la composition des gaz d'échappement est détectée avant le catalyseur par la varia- tion du signal d'un détecteur de gaz d'échappement disposé avant le catalyseur. 9 ) Procédé selon la revendication 7 ou selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que - lors de la commande des proportions de carburant et d'air dans le mélange d'un moteur à combustion interne on change périodiquement le mélange entre une première phase avec un mélange plus pauvre en carburant par rapport à un mélange ayant une composition stoéchiométrique, et une deuxième phase avec un mélange stoéchiométrique ou plus riche en carburant, de telle sorte que l'on détecte la durée qui conduit à une réaction du signal du détecteur postérieur des gaz d'échappement, et - on utilise cette durée comme critère d'évaluation de l'ap- titude du catalyseur à fonctionner. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour tester l'aptitude du catalyseur à fonctionner on utilise le signal d'un détecteur de NOx disposé derrière le cataly- seur. 11 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps qui s'écoule entre la régénération du soufre et le deuxième diagnostic ou une autre mesure de l'introduction de soufre dans le catalyseur ne dépasse pas un seuil prédétermi- né, autrement on ne réalise pas le deuxième diagnostic.