Brevet FR2843044A1 — publié le 20040206

Procédé et dispositif de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote pour un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote pour un moteur à combustion fonctionnant en mélange pauvre. Elle s'adresse plus particulièrement aux moteurs diesels, ou, de manière générale, aux moteurs dont le fonctionnement se fait avec un régime d'émission de gaz d'échappement ayant une richesse relativement faible. L'utilisation de catalyseurs du type piège à oxyde d'azote, appelés aussi couramment "Nox Trap", sur des moteurs diesels est déjà connue. Elle correspond au souhait d'éviter le rejet d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, l'émission d'oxydes d'azote en sortie du moteur étant d'autant plus importante que l'on cherche actuellement à faire fonctionner les moteurs en mélange pauvre, c'est à dire dans des conditions d'excès d'oxygène par rapport au carburant et donc en excès d'air. En d'autres termes, dans ce type de fonctionnement en mélange pauvre, la richesse à l'admission est inférieure à 1, valeur correspondant au mélange stoechiométrique. Au cours du fonctionnement du moteur, un piège à oxydes d'azote capte en continu les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement produits par le dit moteur. Il est donc nécessaire de régénérer périodiquement le piège à oxydes d'azote pour le décharger, ce qui s'effectue par une opération dite de purge, au cours de laquelle les oxydes d'azote sont réduits. Il est connu d'effectuer cette purge de manière périodique, en commandant temporairement une augmentation de la richesse du moteur, telle que la richesse des gaz d'échappement en amont du piège à oxydes d'azote soit supérieure à l et la concentration en oxygène faible, c'est à dire que le moteur génère des réducteurs, tels que HC, CO et H2, susceptibles de réduire les oxydes d'azote stockés sur le substrat du piège, selon les réactions suivantes: N02 + 2 H2 -> M N2 + 2 H20 N02 + 2 CO -> M N2 + 2 C02 (m/4+n) N02 + CnHm -> (m/8 + n/2) N2 + n C02 + m/2 H20 La fin de la purge peut être commandée par exemple au bout d'un temps prédéterminé à partir du passage du moteur en fonctionnement en mélange riche. Mais cela ne tient pas alors compte de l'état de charge réel du piège à oxydes d'azote, et on risque soit d'avoir une purge incomplète, soit une phase de fonctionnement en mélange riche inutilement longue. La présente invention a pour but de résoudre ce problème et vise en particulier à fournir un procédé et des moyens permettant de commander de manière optimale l'arrêt des purges d'un catalyseur de type piège à oxydes d'azote placé sur la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne fonctionnant normalement en mélange pauvre. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote pour un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, selon lequel on commande périodiquement une purge du dit piège à oxydes d'azote. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on dispose une première sonde à oxygène sur le conduit d'échappement en aval du piège à oxydes d'azote, et on observe l'évolution d'un signal significatif représentatif du signal fourni par cette sonde, une augmentation sensible de ce signal significatif à partir d'un premier plateau de niveau sensiblement constant, obtenu suite à une variation consécutive à un passage du moteur d'un fonctionnement en mélange pauvre à un fonctionnement en mélange riche, étant utilisée comme indicateur pour commander la fin de la purge. Dans le procédé selon l'invention, la commande de fin de purge du piège à oxyde d'azote est donc réalisée en réponse à une évolution notable du signal significatif représentatif de l'état de la sonde à oxygène placée en aval du piège, cette évolution consistant en une augmentation marquée du signal au30 delà d'un premier plateau atteint pratiquement dès le début de la purge et o le signal s'était précédemment sensiblement stabilisé. Les inventeurs ont en effet constaté que, à conditions sensiblement constantes en amont du piège à oxydes d'azote au cours de la purge, le signal fourni par la sonde à oxygène placée en aval du piège à oxydes d'azote subissait encore une évolution significative au moment ou la réduction de tous les oxydes d'azotes stockés était suffisamment achevée. Une difficulté qui se posait était en effet que, dans le cas des moteurs fonctionnant en mélange pauvre, tels que les moteurs diesels, le signal d'une sonde à oxygène placée en aval du piège à oxydes d'azote bascule quasi immédiatement dès le début de la purge et que ce basculement précoce ne pouvait donc bien évidemment pas être exploité pour signifier la fin de la réduction des oxydes d'azote stockés dans le piège à oxydes d'azote. Il est ici rappelé que les sondes lambda fournissent normalement un signal pratiquement binaire en fonction de la détection ou non d'oxygène. Les sondes proportionnelles sont certes plus aptes à mesurer des concentrations échelonnées ou des variations progressives mais le signal qu'elles peuvent fournir varie quand même brusquement si l'évolution de la teneur en oxygène est forte et rapide. Pour des moteurs fonctionnant en mélange pauvre, le déclenchement d'une purge, qui se concrétise par le passage en un mode de fonctionnement sensiblement plus riche pour fournir des éléments réducteurs aptes à réagir avec les oxydes d'azote stockés, conduit à un fort excès de HC dans les gaz qui traversent le piège à oxydes d'azote et arrivent immédiatement sur la sonde aval, qui elle-même réagit quasi immédiatement en arrivant à saturation. On savait auparavant, dans le cas d'un moteur essence fonctionnant en mélange pauvre, que le basculement du signal de la sonde signalait la disparition d'oxygène à la sortie du piège à oxydes d'azote, ce qui pouvait donc s'interpréter comme la fin de purge, c'est à dire encore l'arrivée sur la sonde d'un mélange réducteur, alors qu'auparavant, pendant la purge, les réducteurs provenant du moteur étaient consommés par les réactions de réduction utilisées pour la purge. En fait, dans ce cas, la proportion de CO par rapport à HC dans les gaz d'échappement est relativement forte mais le pouvoir réducteur de CO étant plus fort que celui de HC, il s'établit une sorte d'équilibre entre les réactions de réduction précitées, conduisant à une participation sensiblement équivalente de tous les réducteurs fournis par le moteur à la purge du piège à oxydes d'azote. Il en résulte alors que le mélange gazeux en sortie du piège à oxydes d'azote reste sans effet sur la sonde tant que se produisent ces réactions, et ce n'est qu'à la fin des réactions de réduction que les réducteurs se retrouvent alors en excès en sortie du piège à oxydes d'azote, faisant basculer le signal de la sonde, réellement représentatif alors de la fin de purge. Contrairement à cela, il est apparu aux inventeurs que, dans le cas des moteurs visés par la présente invention, fonctionnant avec une richesse de l'ordre de 1 à 1,1, le basculement du signal se produit pratiquement dès le début de la purge suite à l'arrivée relativement massive de HC sur la sonde placée en aval du piège à oxydes d'azote. Une explication de ce phénomène, qui ne se produit pas dans le cas d'un fonctionnement avec une richesse plus forte, de 1,2 à 1,4 par exemple, paraît résider dans le fait que le ratio HC / CO est plus élevé dans les gaz d'échappement en cas de fonctionnement avec une richesse plus faible. En fait, l'évolution de la teneur en CO en fonction de la richesse est exponentielle, alors qu'elle est linéaire pour les HC. Or comme le pouvoir réducteur de H2 et de CO est plus fort que celui de HC, les réactions de purge vont donc s'effectuer préférentiellement avec ces réducteurs H2 et CO, mais, du fait de l'excès relatif de HC, l'équilibre de réactions mentionné ci- dessus ne se réalise plus, ce qui conduit à la présence de HC, qui n'a pas réagit, en sortie du piège à oxydes d'azote pratiquement dès le début de la purge. La variation du signal fourni par la sonde ne se trouve donc plus être significative de la réduction totale des oxydes d'azotes contenus dans le piège à oxydes d'azote, mais apparaît au contraire dès le début de la purge. Les inventeurs ont alors cherché un autre moyen de détecter cette fin de purge. Ils ont découvert que, de manière étonnante puisqu'en particulier les sondes lambda sont considérées comme fournissant un signal quasibinaire, ce signal fourni par une sonde à oxygène subissait une nouvelle variation à partir du plateau sensiblement constant o l'arrivée des HC avait fait basculer le signal dès le début de la purge. Une analyse de ce phénomène a permis de constater que, après que le signal soit ainsi arrivé au niveau du premier plateau, et qu'il s'y soit maintenu au cours de la purge tant que les réactions de réductions précitées n'ont pas traité la majorité des oxydes d'azote stockés sur le substrat catalyseur du piège à oxydes d'azote, ce signal passait à un second plateau, de niveau supérieur, sensiblement au moment de la fin des dites réactions de réduction, et restait ensuite à ce niveau tant que l'on continuait à faire fonctionner le moteur en mélange riche. Les inventeurs ont alors imaginé se servir de cette évolution de passage du signal du premier au second plateau comme indicateur de fin de purge, et donc pour commander automatiquement le retour à un fonctionnement du moteur en mélange normal, c'est à dire en mélange pauvre. Une explication de ce phénomène est que, lors de la phase de purge, la quantité d'hydrogène en aval du piège à oxydes d'azote est proche de zéro car l'hydrogène en amont est quasi totalement consommé par les réactions catalytiques, le pouvoir réducteur de H2 étant prépondérant comme déjà indiqué ci25 dessus. Lorsque les réactions de réduction se termineront en raison de la faible quantité résiduelle d'oxydes d'azote stockés dans le piège à oxydes d'azote, les réducteurs HC, CO et H2 vont se retrouver en concentration croissante en aval du piège à oxydes d'azote et favoriseront par la même occasion la formation d'H2 au sein du piège à oxydes d'azote suivant divers mécanismes dont en particulier: H20 + CO - > H2 + C 2 Cette formation d'H2 a été mesurée par chromatographie gazeuse et spectrométrie de masse en continu. Cette modification de la concentration de réducteurs en aval du piège à oxydes d'azote influence le signal des sondes à oxygène du type tout ou rien, telles que les sondes lambda, ou du type sonde proportionnelle, telles que les sondes connues sous le nom de sonde UEGO , qui présentent alors un signal sous la forme du dit deuxième plateau situé à un niveau supérieur au premier plateau. Les sondes à oxygène du type lambda et les sondes à oxygène du type proportionnelle sont particulièrement sensibles à l'hydrogène présent dans les gaz d'échappement et présentent une évolution importante de leur signal lorsque la concentration en H2 dans les gaz d'échappement change et donc lors du passage du premier au second plateau. Cette particularité a donc permis de se servir de la variation du signal à partir de son premier plateau pour détecter la fin de purge et commander en conséquence le retour du fonctionnement moteur en mélange pauvre, éventuellement avec une certaine temporisation après la détection de la variation proprement dite. Selon une disposition particulière de l'invention, on utilise en complément une deuxième sonde à oxygène placée en amont du piège à oxydes d'azote, pour fournir un signal de référence par rapport auquel l'évolution du signal fourni par la première sonde est comparée pour fournir le dit signal significatif. L'utilisation de ce signal de référence, qui peut être influencé par des variations des conditions de fonctionnement du moteur indépendantes de celles programmées pour l'opération de purge proprement dite, permet donc par comparaison de détecter fiablement la variation significative de fin des réactions de réduction dans le piège à oxydes d'azote. Par ailleurs, avec en amont et en aval du piège à oxydes d'azote des sondes à oxygène de même type, par exemple deux sondes lambda ou deux sondes proportionnelles, dont l'élément sensible est régulé en température ou bien dont le signal est corrigé en fonction de la température de l'élément sensible, la concentration de H2 plus élevée dans les gaz en aval que dans les gaz en amont du piège à oxydes d'azote se traduit par un signal plus élevé pour la sonde située en aval que pour la sonde située en amont lorsque la réduction des oxydes d'azote stockés est suffisamment avancée. En fonction de la concentration de H2 en amont, et dans le cas o deux sondes lambda sont utilisées, le signal de la sonde lambda en amont peut être au même niveau que signal de la sonde lambda en aval sur le deuxième plateau. La ou les sonde(s) à oxygène seront classiquement choisies parmi les sondes de type suivant: sonde de type lambda, sonde proportionnelle à oxygène, capteur d'oxyde d'azote dont on utilise la fonction de mesure de la concentration en oxygène. Dans le cas de l'utilisation d'une sonde en amont et d'une sonde en aval du piège à oxydes d'azote, les deux sondes pourront aussi être de types différents, et en particulier on pourra ainsi utiliser aux fins de l'invention des sondes éventuellement déjà implantées sur la ligne d'échappement pour assurer d'autres fonctions. On pourra en particulier utiliser les différentes combinaisons apparaissant sur le tableau suivant. Sonde amont Sonde aval Sonde proportionnelle Sonde Lambda Sonde proportionnelle Fonction 02 du capteur Nox Sonde Lambda Sonde proportionnelle Sonde Lambda Fonction 02 du capteur Nox Fonction 02 du capteur Nox Sonde Lambda Fonction 02 du capteur Nox Sonde proportionnelle o "fonction 02 du capteur Nox" l'utilisation de la fonction de mesure concentration en oxygène d'un capteur d'azote, comme indiqué préalablement. signifie de la d' oxyde Lorsqu'on utilise deux sondes à oxygène de nature différentes, il faut introduire soit une fonction de transfert entre les signaux des sondes (avec prise en compte éventuelle des temps de réponse différents) soit utiliser des cellules équivalentes à celle de la sonde lambda. Selon un premier mode de réalisation, l'augmentation du signal significatif est détectée en il effectuant un filtrage de la dérivée première du signal significatif et en comparant la dérivée première filtrée à un seuil prédéterminé. Selon un deuxième mode de réalisation, l'augmentation du signal significatif est détectée en effectuant un filtrage de la dérivée seconde du signal significatif et observant le passage à zéro en seuil décroissant de la dérivée seconde filtrée. Selon un troisième mode de réalisation, l'augmentation du signal significatif est détectée en effectuant la différence entre la valeur instantanée du signal significatif et une moyenne glissante du dit signal, et en comparant cette différence à un seuil. Selon un quatrième mode de réalisation, l'augmentation du signal significatif, pour une sonde lambda, est détectée en comparant la valeur en tension délivrée par la sonde à un seuil prédéterminé. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention sur un moteur diesel. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique et partielle du circuit des gaz du dit moteur, - la figure 2 est un graphique montrant les courbes représentatives du signal de différentes sondes placées en amont et en aval du piège à oxydes d'azote, et illustrant la variation de signal utilisée comme indicateur de fin de purge. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement les éléments du moteur traversés par les gaz, et on y voit, successivement selon le sens de circulation des gaz: - l'entrée d'air 11, en provenance du filtre à air, la partie aspiration 12 d'un turbocompresseur, - le collecteur d'admission 13, - le haut de cylindre 14 équipé d'un injecteur , - les tubulures d'échappement 16 et la partie échappement 17 du turbocompresseur, - le piège à oxydes d'azote 18, - la ligne d'échappement, équipée d'un filtre à particule 19. Une première sonde à oxygène 21 est montée en aval du piège à oxydes d'azote, et une seconde sonde à oxygène 22 est montée en amont du piège à oxydes d'azote, les deux sondes étant reliées à une unité de calcul 23, elle-même reliée à une unité de pilotage du moteur 24. Les sondes 21 et 22 sont par exemple des sondes proportionnelles, ou lambda. Le graphique de la figure 2 montre les résultats de mesures d'essai effectuées avec différents types de sondes, en fonction du temps à partir du déclenchement d'une purge. En ordonnée, l'échelle de gauche représente la valeur du signal fourni par une sonde, et celle de droite la quantité de CO en aval du piège à oxydes d'azote (pour le tracé 6) Le tracé 3 représente le signal fourni par une sonde de type lambda placée en aval du piège à oxydes d'azote. On voit bien sur le tracé le basculement 31 de la sonde dès le début de la purge, et le premier plateau 32 qui reste sensiblement stable au cours de la purge, puis la variation marquée du signal 34, représentative de l'arrivée de H2 sur la sonde, et donc significative de la fin de purge, avant que le signal se stabilise à nouveau sur un deuxième plateau 33. Le tracé 4 représente le signal fourni par une sonde de type proportionnelle placée en aval du piège à oxydes d'azote. On voit bien sur le tracé le basculement 41 de la sonde dès le début de la purge, et le premier plateau 42 qui reste sensiblement stable au cours de la purge, puis la variation marquée du signal 44, représentative de l'arrivée de H2 sur la sonde, et donc significative de la fin de purge, avant que le signal se stabilise à nouveau sur un deuxième plateau 43. En comparaison, le tracé 5 représente le signal fourni par une sonde de type proportionnelle placée en amont du piège à oxydes d'azote. On voit bien que ce signal subit également une brusque montée 51, au moment du déclenchement de la purge, d à l'afflux de réducteurs dans les gaz d'échappement. Par contre, le signal reste ensuite constant sur un palier 52, tant que le moteur est maintenu dans un régime constant de fonctionnement en mélange riche. En cas de perturbations quelconques de ce régime au cours de la purge, cette perturbation affectera de manière correspondante autant la sonde amont que la sonde située en aval du piège à oxydes d'azote, et ce signal fourni par la sonde amont pourra constituer une référence pour évaluer par comparaison les variations du signal de la sonde aval réellement significatives de la fin de purge. On notera aussi que le niveau du plateau 42 est situé en dessous du plateau 52, la différence correspondant à la part de réducteurs utilisés pour réduire les oxydes d'azote stockés dans le filtre. Par contre, lorsque la purge est terminée, le signal de la sonde aval passe au-dessus de celui de la sonde amont, ce qui illustre bien l'arrivée sur la sonde de l'hydrogène formé dans le piège à oxydes d'azote selon le mécanisme de réactions prémentionné. On a également représenté sur ce graphique un tracé 6 représentant l'évolution de la teneur en CO en aval du piège à oxydes d'azote, mesuré de manière expérimentale, et dont l'évolution, marquée par la forte augmentation 61 au moment du passage des signaux des sondes du premier au deuxième palier, corrobore bien la fin de l'utilisation du dit CO pour réduire les oxydes d'azotes stockés dans le piège à oxydes d'azote, donc la disparition avancée de ceuxci. A titre d'exemple sur le traitement du signal issu des sondes, on a également représenté sur le graphique le tracé 7 représentant la dérivée première filtrée du signal, et illustrant la possibilité de détection de fin de purge par comparaison de ce signal avec un seuil prédéterminé, dépassé par la dite dérivée lors de sa croissance brusque 71 correspondant à la croissance de la pente du signal issu de la sonde. De même on a représenté aussi le tracé 8 représentant la dérivée seconde, dont le passage à zéro en seuil décroissant 81 peut aussi être utilisé comme information de signalisation de fin de purge. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus. Elle s'adresse plus particulièrement aux moteurs diesels mais pourrait aussi s'appliquer de manière générale à tous moteurs fonctionnant normalement en mélange pauvre. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote (18) pour un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, selon lequel on commande périodiquement une purge du dit piège à oxydes d'azote, caractérisé en ce qu'on dispose une première sonde à oxygène (21) sur le conduit d'échappement en aval du piège à oxydes d'azote (18), et on observe l'évolution d'un signal significatif représentatif du signal (3, 4) fourni par cette sonde, une augmentation sensible (34, 44) de ce signal significatif à partir d'un premier plateau (32, 42) de niveau sensiblement constant, obtenu suite à une variation (31, 41) consécutive à un passage du moteur d'un fonctionnement en mélange pauvre à un fonctionnement en mélange riche, étant utilisé comme indicateur pour commander la fin de la purge. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise en complément une deuxième sonde à oxygène (22) placée en amont du piège à oxydes d'azote (18), pour fournir un signal de référence (5) par rapport auquel l'évolution du signal fourni par la première sonde est comparée pour fournir le dit signal significatif. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'augmentation du signal significatif est détectée en effectuant un filtrage de la dérivée première (7) du signal significatif et en comparant la dérivée première filtrée à un seuil prédéterminé. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'augmentation du signal significatif est détectée en effectuant un filtrage de la dérivée seconde (8) du signal significatif et observant le passage à zéro en seuil décroissant de la dérivée seconde filtrée. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'augmentation du signal significatif est détectée en effectuant la différence entre la valeur instantanée du signal significatif et une moyenne glissante du dit signal, et en comparant cette différence à un seuil. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'augmentation du signal significatif pour une sonde lambda est détectée en comparant la valeur en tension délivrée par la sonde à un seuil prédéterminé. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les sonde(s) à oxygène (21, 22) sont choisies parmi les sondes de type suivant: sonde de type lambda, sonde proportionnelle à oxygène, capteur d'oxyde d'azote dont on utilise la fonction de mesure de la concentration en oxygène. 8. Procédé selon la revendication 7 en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que les deux sondes ( 21, 22) sont de types différents. 9. Dispositif de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote (18) pour un moteur à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, le moteur étant équipé d'une ligne d'échappement (16) pourvue d'un piège à oxydes d'azote (18), caractérisé en ce qu'il comporte une sonde à oxygène (21) placée sur la ligne d'échappement en aval du piège à oxyde d'azote, et des moyens de calcul (23) pour déterminer une augmentation sensible d'un signal significatif représentatif du signal (3, 4) fourni par la dite sonde à partir d'un premier plateau (32, 42) de niveau sensiblement constant, obtenu suite au déclenchement d'une opération de purge, et s'en servir comme indicateur pour commander la fin de la purge. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième sonde à oxygène (22) placée en amont du piège à oxyde d'azote (18) et reliée aux dits moyens de calcul (23) pour leur fournir un signal de référence.