Brevet FR2821390A1 — publié le 20020830

La présente invention concerne un procédé de réglage de la concentration d'oxygène d'un système catalyseur trifonctionnel constitué d'un précatalyseur et d'un catalyseur principal et disposé dans un trajet de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à réqulation lambda. 11 est connu que des catalyseurs trifonctionnels ont la capacité, dans un régime de moteur à excès d'oxygène (régime pauvre), d'accumuler de l'oxygène à partir des gaz d'échappement et, dans un régime de moteur à manque d'oxygène (régime riche), d'apporter de l'oxygène aux gaz d'échappement. La concentration relative d'oxygène du catalyseur peut varier entre les valeurs extrêmes de 0% et 100%. En tout état de cause, un catalyseur trifonctionnel n'a des propriétés de conversion trifonctionnelle optimales que dans un domaine moyen de la concentration d'oxygène, par exemple entre 30 et 70%. Dans des moteurs à combustion interne à réqulation lambda, la concentration moyenne d'oxygène du système catalyseur ne varie pas tant que le moteur travaille avec un mélange stoechiométrique (lambda - 1). Dans le cas d'écarts vis-à-vis du régime stoechiométrique, comme par exemple dans un régime pauvre dans une phase de coupure d'alimentation en décélération, la concentration de matières nocives du système catalyseur cro^'t jusqu'à des valeurs situées à l'extérieur du domaine optimal. C'est pourquoi, lorsqu'on passe de nouveau en régime stoechiométrique, la concentration d'oxygène dans le système catalyseur doit de nouveau être réglée. A cet effet, après un régime pauvre et avant le passage au régime stoechiométrique, le système catalyseur est soumis à l'action d'un mélange riche, jusqu'à ce qu'une concentration d'oxygène voulue se soit présentée dans le système catalyseur. Dans un système catalyseur comportant un pré-catalyseur et un catalyseur principal, cela peut s'effectuer d'une manière telle qu'après un régime pauvre, la concentration d'oxygène dans chacun des deux catalyseurs est réduite d'une manière commandée au moyen, pour chacun, d'une sonde à oxygène respective montée en aval du catalyseur concerné. Toutefois, à cet effet, ce sont, avec le détecteur d'oxygène disposé en amont du pré-catalyseur, en tout trois détecteurs d'oxygène qui sont nécessaires, ce qui exige des moyens de fabrication et de réqulation d'une complexité correspondante. Si on renonce au détecteur d'oxygène supplémentaire disposé en aval du catalyseur principal, il n'est alors jusqu'à présent possible qu'un simple réglage commandé de la concentration relative d'oxygène du catalyseur principal après des phases pauvres, procédé qui n'autorise pas une précision élevée de réglage. La présente invention a pour but de fournir un procédé de réglage de la concentration d'oxygène d'un système catalyseur, constitué d'un précatalyseur et d'un catalyseur principal et situé dans un trajet de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à régulation lambda, qui, d'une manière simple et avec une précision la plus élevée possible, permette une optimisation des propriétés de conversion trifonctionnelle du système catalyseur après le passage d'un régime à mélange carburant- air pauvre ou riche à un régime stoechiométrique ou pendant un régime stoechiométrique permanent. A cet effet, I'invention a pour objet, suivant deux applications particulières de I'invention (dont les particularités différentes sont indiquées ci-après entre parenthèses), un procédé de réglage de la concentration d'oxygène d'un système catalyseur dans un trajet de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à réqulation lambda, en vue de l'optimisation des propriétés de conversion trifonctionnelle du système catalyseur après le passage d'un régime à mélange carburant-air pauvre (riche) ou régime pauvre (riche) à un régime stoechiométrique ou pendant un régime stoechiométrique permanent, lequel système catalyseur comprend un pré-catalyseur et un catalyseur principal disposé en aval de celui-ci, lesquels sont réalisés chacun sous forme d'un catalyseur trifonctionnel respectif, tandis qu'il est prévu, disposé en amont du pré- catalyseur, un détecteur d'oxygène de pré catalyseur, puis, disposé entre le pré-catalyseur et le catalyseur principal, un détecteur d'oxypène intercatalyseurs à caractéristique continue et enfin, disposé dans le trajet d'admission du moteur à combustion interne, un débitmètre de débit massique d'air, dont les signaux de mesure sont envoyés à un appareil de commande de régime, procédé selon lequel à la suite du régime pauvre (riche) ou du régime stoechiométrique permanent, on passe à un régime à mélange carburant-air riche (pauvre) préfixé, à l'aide du signal de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs, on détermine l'instant auquel le pré-catalyseur est entièrement vidé (chargé) par apport de son oxygène accumulé aux gaz d'échappement (par prélèvement de l'oxygène à partir des gaz d'échappement), la quantité d'oxygène qui est. à partir de cet instant, apportée aux gaz d'échappement (prélevée à partir des gaz d'échappement) par le catalyseur principal est calculée d'une manière continue à l'aide des signaux de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs et du débitmètre de débit massique d'air et comparée à une valeur de consigne devant être respectée en conformité avec une concentration voulue d'oxygène du catalyseur principal, il est mis fin au régime à mélange carburant-air riche tpauvre) dès que la quantité d'oxygène apportée aux gaz d'échappement (prélevée à partir des gaz d'échappement) par le catalyseur principal a atteint la valeur de consigne devant être respectée, et à la fin du procédé, on passe à un régime à mélange carburant-air stoechiométrique. En ce qui concerne le détecteur d'oxygène à caractéristique continue, il s'agit d'une sonde lambda à large bande. Un détecteur d'oxygène en aval du catalyseur principal, donc un troisième détecteur d'oxygène, n'est pas nécessaire. La première opération indiquée ci-dessus permet de soumettre d'abord le pré-catalyseur, puis le catalyseur principai à un mélange riche (pauvre). En ce qui concerne, dans la troisième opération ci-dessus, la concentration d'oxygène voulue, il s'agit d'une concentration d'oxygène exigée. C'est parce que les signaux de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs et du débitmètre de débit massique d'air permettent un calcul de la réduction de la concentration d'oxygène du catalyseur principal pendant le régime riche, qu'un autre détecteur d'oxygène en aval du catalyseur principal n'est pas nécessaire. Le procédé conforme à la mention permet néanmoins une précision de réglage relativement élevée. Le procédé conforme à l'invention permettant le calcul de la concentration d'oxygène dans le catalyseur principal peut être utilisé d'une manière analogue pour le régime et stoechiométrique permanent, ainsi que pour le passage du régime riche au régime stoechiométrique. Le procédé conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes (dans le cas des deux applications possibles de l'invention indiquées plus haut, les caractéristiques différentes concernant la seconde application sont également portées entre parenthèses): - après qu'il ait été mis fin au régime riche (pauvre) et avant l'entrée en service du régime stoechiométrique, il se présente brièvement un régime à mélange carburant-air pauvre (riche), jusqu'à ce que la concentration d'oxygène du pré catalyseur ait atteint une valeur préfixée, moyennant quoi les concentrations d'oxygène des deux catalyseurs seraient alors situées chacune dans une fourchette respective dans laquelle ils manifestent des propriétés de conversion trifonctionnelle optimales; - la valeur de consigne devant être respectée pour la quantité d'oxygène devant être apportée (prélevée) par le catalyseur principal est détermince à l'aide d'une table caractéristique en fonction de la quantité d'air, de la température et d'autres grandeurs caractéristiques du catalyseur principal, - à partir d'un diagnostic du pré-catalyseur et du besoin en mélange carburant- air riche (pauvre) pour atteindre une concentration voulue d'oxygène dans le pré catalyseur, il est formé des valeurs caractéristiques dont il est tenu compte lors de la détermination de la valeur de consigne préfixée pour le débit d'oxygène apporté (prélevé) par le catalyseur principal. En ce qui concerne la première des trois caractéristiques ci-dessus, la valeur préfixée est une valeur voulue. Une forme de réalisation de l'invention est exposée en détail en regard de la figure unique qui représente d'une manière schématique un système catalyseur d'un moteur à combustion interne. Le moteur à combustion interne 1 indiqué au dessin comporte un trajet d'admission 2, dans lequel un débitmètre de débit massique d'air 3 est disposé, et un trajet de gaz d'échappement 4 dans lequel sont disposés, d'une manière proche en écoulement du moteur 1, un pré-catalyseur 5 et, en aval de celui-ci, un catalyseur principal 6. Les deux catalyseurs sont réalisés sous forme de catalyseurs trifonctionnels. Le trajet de gaz d'échappement 4 contient, en amont du pré-catalyseur , un détecteur d'oxygène pré-catalyseur 7 et, entre les deux catalyseurs 5, 6, un détecteur d'oxygène intercatalyseurs 8. Les deux détecteurs d'oxygène sont réalisés sous forme de détecteurs à caractéristique continue (c'està-dire sous forme de sondes lambda à large bande), mais le détecteur d'oxygène pré-catalyseur 7 pourrait toutefois également être réalisé sous forme d'un détecteur à caractéristique à deux points. Les signaux de mesure du débitmètre de débit massique 3 et des détecteurs d'oxygène 7, 8 sont envoyés, en commun avec d'autres signaux de mesure, à un appareil de commande de régime 9 qui commande le régime du moteur 1 en fonction de ces signaux de mesure. L'appareil de commande de régime 9 comprend une régulation lambda classique, afin d'alimenter le moteur 1 avec un mélange carburant air stoechiométrique (lambda = 1) dans des conditions de régime normal. Si, dans le fonctionnement du moteur, il se présente un écart vis-à-vis du régime stoechiométrique, par exemple un régime à mélange carburant-air pauvre (lambda > 1), I'oxygène en excès contenu dans les gaz d'échappement est alors accumulé dans les catalyseurs 5, 6, jusqu'à ce que leur concentration relative d'oxygène atteigne 100%. C'est pourquoi, lors du passage du régime pauvre au régime stoechiométrique, la concentration d'oxygène des catalyseurs 5, 6 doit de nouveau être réglée à une valeur moyenne comprise entre par exemple 30 et 70%, afin que les catalyseurs 5, 6 aient des propriétés de conversion trifonctionnelle optimales lors du régime stoechiométrique. C'est à cet effet qu'a lieu, après le régime pauvre, d'abord une phase de fonctionnement à mélange carburant-air riche préfixé, afin de réduire la concentration d'oxygène des catalyseurs 5, 6 par oxydation de l'oxygène, accumulé dans les catalyseurs, au moyen de composants appropriés (HC, CO) des gaz d'échappement. Il est d'abord déterminé, au moyen du signal de mesure du détécteur d'oxygène intercatalyseurs 8, I'instant auquel le pré-catalyseur 5 a apporté aux gaz d'échappement tout son oxygène accumulé. Cet instant de la vidange complète du pré-catalyseur 5 est atteint lorsque le détecteur d'oxygène intercatalyseurs 8 détecte un mélange riche. C'est ensuite que commence la réduction de la concentration d'oxygène dans le catalyseur principal 6. Au moyen du signal de mesure continu du détecteur d'oxygène intercatalyseurs 8 et du signal de mesure du débitmètre 23, il est maintenant possible de calculer la quantité d'oxygène qui, à partir de cet instant, est apportée par le catalyseur principal 6 aux gaz d'échappement. Le flux massique d'oxygène se calcuie par 21% (1 - 1/) x flux massique d'air. Par intégration, on obtient la quantité d'oxygène. La valeur de cette quantité d'oxygène qui devient de plus en plus grande est comparée, dans l'appareil de commande de régime 9, à une valeur de consigne devant être respectée en conformité avec une concentration voulue d'oxygène du catalyseur principal 6. Lorsque la quantité d'oxygène calculée atteint cette valeur de consigne, c'est-àdire lorsque le catalyseur principal 6 a apporté une quantité d'oxygène préfixée, il est mis fin au régime à mélange riche. La valeur de consigne prévue pour la quantité d'oxygène devant être apportée par le catalyseur principal 6 est préfixée par l'appareil de commande de régime 9 à partir d'une table caractéristique en fonction du flux massique d'air, de la température et d'autres grandeurs caractéristiques du catalyseur principal 6. De cette manière, il est possible de régler avec une précision relativement élevée une concentration voulue d'oxygène du catalyseur principal 6. On peut alors passer en régime stoechiométrique. Etant donné que, dans ce procédé, le pré-catalyseur 5 a été totalement vidé en ce qui concerne sa concentration d'oxygène, il serait possible encore une fois de soumettre brièvement le pré-catalyseur 5 à un mélange pauvre, afin de régler également une concentration voulue d'oxygène dans ce pré-catalyseur 5, avant que I'on ne passa en régime stoechiométrique. Afin d'accro'^tre le maintien dans le temps du procédé décrit et notamment de tenir compte de phénomènes de vieillissement des catalyseurs lors la prescription de la valeur de consigne pour la quantité d'oxygène devant être apportée par le catalyseur principal 6, il est possible, à partir d'un diagnostic du pré-catalyseur 5 et du besoin en mélange riche pour le réglage d'une concentration voulue d'oxygène dans le pré- catalyseur, de former des valeurs caractéristiques dont il est tenu compte lors de la détermination de la valeur de consigne pour la quantité d'oxygène devant être apportée par le catalyseur principal. Il convient encore de souligner le fait que le procédé décrit fournit le résultat voulu sans détecteur d'oxygène en aval du catalyseur principal 6. On comprend que, dans un moteur à combustion interne comprenant plusieurs lignes et un nombre correspondant de trajets de gaz d'échappement comportant un pré-catalyseur et un catalyseur principal, le procédé décrit doit être mis en oeuvre séparément pour chaque ligne respective Le procédé décrit permettant de calculer la concentration d'oxygène dans le catalyseur principal peut également être appliqué d'une manière analogue au régime stoechiométrique permanent et au passage d'un régime de moteur riche à un régime stoechiométrique. REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage de la concentration d'oxygène d'un système catalyseur dans un trajet de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à régulation lambda, en vue de l'optimisation des propriétés de conversion trifonctionnelle du système catalyseur après le passage d'un régime à mélange carburant-air pauvre ou régime pauvre à un régime stoechiométrique ou pendant un régime stoechiométrique permanent, lequel système catalyseur comprend un pré-catalyseur (5) et un catalyseur principal (6) disposé en aval de celui-ci, lesquels sont réalisés chacun sous forme d'un catalyseur trifonctionnel respectif, tandis qu'il est prévu, disposé en amont du pré-catalyseur (5), un détecteur d'oxygène de pré-catalyseur (7), puis, disposé entre ie pré-catalyseur et le catalyseur principal, un détecteur d'oxygène intercatalyseurs (8) à caractéristique continue et enfin, disposé dans Je trajet d'admission (2) du moteur à combustion interne, un débitmètre de débit massique d'air (3), dont les signaux de mesure sont envoyés à un appareil de commande de régime (9), caractérisé en ce que, à la suite du régime pauvre ou du régime stoechiométrique permanent, on passe à un régime à mélange carburant-air riche préfixé, à l'aide du signal de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs (8), on détermine l'instant auquel le pré- catalyseur (5) est entièrement vidé par apport de son oxygène accumulé aux gaz d'échappement, la quantité d'oxygène qui est. à partir de cet instant, apportée aux gaz d'échappement par le catalyseur principal (6) est calculée d'une manière continue à l'aide des signaux de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs (8) et du débitmètre de débit massique d'air (3) et comparée à une valeur de consigne devant être respectée en conformité avec une concentration voulue d'oxygène du catalyseur principal (6), il est mis fin au régime à mélange carburantair riche dès que la quantité d'oxygène apportée aux gaz d'échappement par le catalyseur principal (6) a atteint la valeur de consigne devant être respectée, et à la fin du procédé, on passe à un régime à mélange carburant-air stoechiométrique. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, après qu'il ait été mis fin au régime riche et avant l'entrée en service du régime stoechiométrique, il se présente brièvement un régime à mélange carburant-air pauvre, jusqu'à ce que la concentration d'oxygène du pré-catalyseur () ait atteint une valeur préfixée. 3. Procédé suivant l'une queiconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la valeur de consigne devant être respectée pour la quantité d'oxygène devant être apportée par le catalyseur principal (6), est déterminée à l'aide d'une table caractéristique en fonction de la quantité d'air, de la température et d'autres grandeurs caractéristiques du catalyseur principal (6). 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à partir d'un diagnostic du pré-catalyseur et du besoin en mélange carburant- air riche pour atteindre une concentration voulue d'oxygène dans le précatalyseur, il est formé des valeurs caractéristiques dont il est tenu compte lors de la détermination de la valeur de consigne préfixée pour le débit d'oxygène apporté par le catalyseur principal (6). 5. Procédé de réglage de la concentration d'oxygène d'un système catalyseur dans un trajet de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à régulation lambda, en vue de l'optimisation des propriétés de conversion trifonctionnelle du système catalyseur après le passage d'un régime à mélange carburant-air riche ou régime riche à un régime stoechiométrique ou pendant un régime stoechiométrique permanent, lequel système catalyseur comprend un pré-catalyseur (5) et un catalyseur principal (6) disposé en aval de celui-ci, lesquels sont réalisés chacun sous forme d'un catalyseur trifonctionnel respectif, tandis qu'il est prévu, disposé en amont du pré-catalyseur (5), un détecteur d'oxygène de pré-catalyseur (7), puis, disposé entre le pré-catalyseur et le catalyseur principal, un détecteur d'oxygène intercatalyseurs (8) à caractéristique continue et enfin, disposé dans le trajet d'admission (2) du moteur à combustion interne, un débitmètre de débit massique d'air (3), dont les signaux de mesure sont envoyés à un appareil de commande de régime (9), caractérisé en ce que, à la suite du régime riche ou du régime stoechiométrique permanent, on passe à un régime à mélange carburant-air pauvre préfixé, à l'aide du signal de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs (8), on détermine l'instant auquel le pré- catalyseur (5) est entièrement chargé par prélèvement de l'oxygène à partir des gaz d'échappement, la quantité d'oxygène qui est. à partir de cet instant, prélevée à partir des gaz d'échappement par le catalyseur principal (6) est calculée d'une manière continue à l'aide des signaux de mesure du détecteur d'oxygène intercatalyseurs (8) et du débitmètre de débit massique d'air (3) et comparée à une valeur de consigne devant être respectée en conformité avec une concentration voulue d'oxygène du catalyseur principal (6), il est mis fin au régime à mélange carburantair pauvre dès que la quantité d'oxygène prélevée à partir des gaz d'échappement par le catalyseur principal (6) a atteint la valeur de consigne devant être respectée, et à la fin du procédé, on passe à un régime à mélange carburant-air stoechiométrique. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que, après qu'il ait été mis fin au régime pauvre et avant l'entrée en service du régime stoechiométrique, il se présente brièvement un régime à mélange carburant-air riche, jusqu'à ce que la concentration d'oxygène du pré-catalyseur (5) ait atteint une valeur préfixée. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la valeur de consigne devant étre respectée pour la quantité d'oxygène devant être prélevée par le catalyseur principal (6), est déterminée à l'aide d'une table caractéristique en fonction de la quantité d'air, de la température et d'autres grandeurs caractéristiques du catalyseur principal (6). 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que, à partir d'un diagnostic du pré-catalyseur et du besoin en mélange carburant-air pauvre pour atteindre une concentration voulue d'oxygène dans le précatalyseur, il est formé des valeurs caractéristiques dont il est tenu compte lors de la détermination de la valeur