Brevet FR2840017A1 — publié le 20031128

l' armature a l'autre position terminale. .r "Procede pour evaluer l'efficacite d'un convertisseur catalytique d'oxydation" L'invention concerne un procede pour evaluer l'efficacite d'un convertisseur catalytique. s L'invention concerne plus particulierement un procede pour evaluer l'efficacite d'un convertisseur catalytique du type qui est implante dans une ligne d'echappement d'un moteur a combustion interne a injection directe de vehicule automobile, notamment du type diesel, du type qui oxyde des elements reducteurs contenus o dans les gaz d'echappement avec une efficacite superieure a une valeur de performance determinee lorsque la temperature des gaz d'echappement excede une temperature determinee cite d'amor,cage du convertisseur catalytique, I'efficacite du convertisseur catalytique etant evaluee lorsque la temperature des gaz d'echappement est superieure a une temperature de reference. Les moteurs diesel et certains moteurs a essence fonctionnant a melange pauvre emettent des substances polluantes, telles que des hydrocarbures imbrules (HC) ou du o monoxyde de carbone (CO), qui vent rejetees dans ['atmosphere avec les gaz d'echappement. Pour des raisons de respect de ltenvironnement, il est necessaire de diminuer fortement, voire de supprimer ces substances polluantes. A cette fin, il est connu de disposer un convertisseur catalytique dans le circuit d'echappement du moteur pour oxyder le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrules (HC), qui vent des molecules reductrices, en dioxyde de carbone (CO2) et en vapeur d'eau (H2O). Le convertisseur catalytique comporte notamment un o monolithe, qui est une structure poreuse presentant une grande surface de contact avec les gaz d'echappement, et qui est impregne d'une phase catalytique possedant les proprietes oxydantes precedemment decrites. r Le convertisseur catalytique peut aussi etre un filtre a particules ou un piege a oxyde d'azote, dit >, dont les parois vent enduites de phase catalytique. Ces differents types de convertisseurs catalytiques peuvent etre combines dans une seule ou dans plusieurs lignes d'echappement. Pour la suite de la description, nous definissons le taux ou l'efficacite d'oxydation d'un element reducteur par le convertisseur catalytique, par exemple du monoxyde de carbone Eco, selon ['equation 1 qui suit: E = [C ]amon - [C ]ava *100 CO []amont dans laquelle [CO]amOn est la concentration de monoxyde de carbone contenu dans les gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique, et [CO]ava est la concentration de monoxyde de carbone contenu dans les gaz d'echappement en aval du convertisseur catalytique. Le convertisseur catalytique est dit > lorsque son efficacite depasse un seuil d'efficacite determine, qui est traditionnellement egal a 50%. L'efficacite d'un convertisseur catalytique est principalement proportionnelle a la temperature o des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique. Le convertisseur catalytique est done amorce lorsque la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique depasse une temperature cite d'amor,cage Ta. De plus, la temperature d'amor,cage d'un convertisseur catalytique depend aussi d'une vitesse volumique horaire (VVH) des gaz d'echappement a travers le convertisseur catalytique qui est definie dans ['equation 2 qui suit: VVH = Qv Vcc dans laquelle Qv est le debit volumique de gaz d'echappement o traversant le convertisseur catalytique, et vcc est le volume du convertisseur catalytique. ; En vieillissant, le convertisseur catalytique subit des modifications irreversibles causees notamment par des contraintes thermomecaniques ou par un > par des elements contenus dans le carburant ou le lubrifiant. s Les symptomes du vieillissement du convertisseur catalytique vent principalement une augmentation de la temperature d'amor,cage du convertisseur et, de maniere moins sensible, une baisse de l'efficacite d'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone pour des temperatures de gaz o d'echappement superieures a la temperature d'amor,cage. La norme europeenne E-OBD impose de surveiller la baisse d'efficacite du convertisseur catalytique et de detecter un dysfonctionnement qui augmenterait les emissions de substances polluantes au-dela d'un seuil de pollution autorise. Pour ce faire, un systeme de diagnostic doit etre embarque a bord du vehicule automobile et doit etre integre a la gestion du moteur. On connat plusieurs procede destines a surveiller le vieillissement d'un convertisseur catalytique. Les documents US-A-5.177.464, US-A-5.265.417 et o CA-A-2.077.152 decrivent un procede pour estimer l'efficacite d'un convertisseur catalytique grace a des moyens pour mesurer les concentrations en hydrocarbure HC en amont et en aval d'un convertisseur catalytique. Cette efficacite estimee est ensuite comparee a une efficacite de reference afin de determiner si le s convertisseur catalytique est trop polluant. Cependant ce procede ne prend pas en compte la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique. Or l'efficacite du convertisseur catalytique depend de cette temperature. L'evaluation du vieillissement du convertisseur o catalytique est done variable en fonction de fa,con dont roule le vehicule, c'est-a-dire de la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique. Le document EP-A-0.999.352 decrit un procede permettant de surveiller la temperature d'amor,cage d'un convertisseur i catalytique. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede comporte notamment un capteur de temperature pour mesurer la temperature du convertisseur catalytique, et il comporte aussi un capteur d'elements (et notamment d'oxygene 02, de dioxyde de carbone CO2 ou d'hydrocarbures HC) contenus dans les gaz d'echappement qui est dispose en aval du convertisseur cata Iytiq ue. Des mesures vent effectuees cycliquement par le capteur d'elements selon une frequence determinee. Lorsque la difference o entre deux mesures successives est superieure a un seuil precalibre, le convertisseur catalytique est considere comme amorce. La temperature d'amor,cage du convertisseur catalytique est alors mesuree par le capteur de temperature. Si la temperature d'amor,cage mesuree est superieure a une temperature de reference, le convertisseur catalytique est considere comme trop polluant. Cependant, la temperature de reference ne depend pas du debit des gaz d'echappement a travers le convertisseur catalytique. La precision de ['evaluation du vieillissement du o convertisseur catalytique est done dependante du debit des gaz d'echappement, c'est-a-dire des conditions d'utilisation du vehicule automobile. Afin de resoudre ces problemes la presente invention propose un procede du type decrit precedemment, caracterise en ce que caracterise en ce qu'il comporte: - une premiere etape de declenchement de ['evaluation au cours de laquelle la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique est determinee; - une seconde etape d'evaluation de l'efficacite du so convertisseur catalytique qui est declenchee lorsque ladite temperature des gaz d'echappement est egale a la temperature de reference, et qui comporte une operation d'estimation par calcul de l'efficacite du convertisseur catalytique a partir des concentrations en elements reducteurs en amont et en aval du i convertisseur catalytique, le convertisseur catalytique etant declare comme bon si son efficacite est superieure a un seuil d'efficacite minimum. Selon d'autres caracteristiques de ['invention: s - la temperature de reference varie en fonction du debit des gaz d'echappement et du volume du convertisseur catalytique; - le debit de gaz d'echappement est determine a partir de la pression des gaz d'echappement evaluee en amont du o convertisseur catalytique, ainsi qu'en fonction de parametres de fonctionnement du moteur, notamment du regime et du couple; - la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique est mesuree; - la temperature des gaz d'echappement en amont du s convertisseur catalytique est estimee a partir de parametres de fonctionnement du moteur; - la concentration en elements reducteurs, et notamment en monoxyde de carbone, en aval du convertisseur catalytique est mesuree; o - la concentration en elements reducteurs, et notamment en monoxyde de carbone, en amont du convertisseur catalytique est estimee en fonction de parametres de fonctionnement du moteur. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention s apparatront au cours de la lecture de la description detaillee qui suit, pour la comprehension de laquelle on se reportera aux figures annexees parmi lesquelles: - la figure 1 represente schematiquement un groupe motopropulseur dont le circuit d'echappement est equipe d'un o convertisseu r catalytiq ue; - la figure 2 est un graphe illustrant, en fonction de la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique, I'efficacite d'un convertisseur catalytique neuf et l'efficacite d'un convertisseur catalytique usage; - la figure 3 est un graphe illustrant, en fonction de la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique, l'efficacite du convertisseur catalytique soumis a trots debit de gaz d'echappement differents; s - la figure 4 est un schema-blocs qui explique un mode de realisation du procede selon ['invention. On a represente a la figure 1 un groupe motopropulseur 10 d'un vehicule automobile qui comprend principalement un circuit d'admission d'air 12, un moteur 14, un circuit d'echappement 16 o et un turbocompresseur 18. Le moteur 14 est un moteur diesel ou un moteur a essence fonctionnant en melange pauvre, tel qu'un moteur a essence a injection directe, comportant au moins une chambre de combustion 34 et un piston. Un filtre a air 20 qui est situe en amont du circuit d'admission 12 permet de retenir les particules presentes dans l'air frais provenant de ['atmosphere. Le turbocompresseur 18 comprend un compresseur 22 qui met sous pression de l'air frais atmospherique et une turbine 24 o qui fournit l'energie mecanique necessaire a l'entranement du compresseur 22. Le circuit d'admission 12 comporte un conduit d'entree 26 qui alimente en air frais le compresseur 22. L'air frais compresse est ensuite conduit, par l'intermediaire d'un conduit d'admission 28 qui comporte un systeme de refroidissement de l'air 30, jusqu'a un collecteur d'admission 32 qui repartit l'air dans des chambres de combustion 34 du moteur 14. Apres la combustion, les gaz d'echappement sous pression vent rejetes, par l'intermediaire d'un collecteur d'echappement 36, dans une conduite d'alimentation 38 de la turbine 24. Les gaz d'echappement vent ensuite rejetes dans l'atmos phere par une conduite d'echappement 40 du circuit d'echappement 16. t Un convertisseur catalytique d'oxydation 42 est intercale dans la conduite d'echappement 40. La conduite d'echappement est alors divisee en un tron,con amont 44 et un tron,con aval 46. Le convertisseur catalytique 42 permet notamment d'oxyder des molecules reductrices contenues dans les gaz d'echappement, telles que le monoxyde de carbone (CO) ou les hydrocarbures imbrOles (HC), en dioxyde de carbone (CO2) et en vapeur d'eau (H2O). L'efficacite de l'oxydation des elements reducteurs par le o convertisseur catalytique 42 depend principalement de la temperature des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique 42. Ainsi la courbe 48 de la figure 2 represente l'efficacite sCO du convertisseur catalytique 42 dans un etat neuf en fonction de la temperature des gaz d'echappement en amont TG Le convertisseur catalytique 42 est ici considere comme amorce lorsque son efficacite úco est egale a un seuil d'efficacite cSeUj precalibre. La temperature des gaz d'echappement TG en amont du convertisseur catalytique 42 correspondent a ce seuil o d'efficacite sseUj est appelee la temperature d'amor,cage du convertisseur Ta. La courbe 50 represente l'efficacite sCO du convertisseur catalytique 42 dans un etat usage en fonction de la temperature des gaz d'echappement TG La temperature d'amor,cage du convertisseur usage Ta reare est alors plus eleve que la temperature d'amor,cage du convertisseur neuf Ta. Pour un etat d'usage determine du convertisseur catalytique 42, la temperature d'amor,cage Ta varie en fonction de la vitesse volumique horaire VVH des gaz d'echappement a o travers le convertisseur catalytique 42. A titre d'exemple, le graphe de la figure 3 represente, en fonction de la temperature des gaz d'echappement TG, trots courbes 52, 54 et 56 de l'efficacite sCO du convertisseur J catalytique 42 pour trots vitesses volumiques horaires VVH, VVH2 et VVH3 respectivement. A chacune des trots vitesses volumiques horaires VVH,, VVH2 et VVH3 correspond une temperature d'amor,cage Ta, Ta2 et Ta3 respectivement. s Ainsi, le procede selon les enseignements de ['invention propose d'evaluer l'efficacite d'un convertisseur catalytique en comparant sa temperature d'amor,cage Ta avec une temperature de reference Tref qui est fonction de la vitesse volumique horaire VVH des gaz d'echappement. o Afin de mettre en osuvre le procede, le groupe motopropulseur 10 est equipe de differents types de capteurs, parmi lesquels: - un capteur de reducteur 58 qui mesure la concentration d'elements reducteurs contenus dans les gaz d'echappement, et qui est situe dans le tron,con aval 46 de la conduite d'echappement 40; - un capteur 60 de la temperature des gaz d'echappement qui est situe dans le troncon amont 46 de la conduite d'echappement 40; o - un capteur 64 de la pression dans le tron,con amont 44 du conduit d'echappement 40 du moteur 14; et - un debitmetre 66 pour mesurer le debit d'air admis dans le moteur 14. Tous ces capteurs vent relies electriquement a un calculateur electronique 68 embarque a bord du vehicule automobile. Le calculateur electronique 68 comporte en memoire une cartographic C d'une temperature de reference Tref qui varie en fonction de la vitesse volumique horaire VVH des gaz o d'echappement a travers le convertisseur catalytique 42. La temperature de reference Tref est definie de facon que, pour une vitesse volumique horaire VVH determinee, un convertisseur catalytique 42 dont l'amor,cage s'effectue a une temperature Ta superieur a la temperature de reference Tref soit evalue comme trop polluant. Ceci est illustre a la figure 2: - le convertisseur catalytique 42 represente par la courbe 48 n'est pas degrade puisque sa temperature d'amor,cage Ta est s inferieure a la temperature de reference Tref; - le convertisseur catalytique 42 represente par la courbe est degrade car sa temperature d'amor,cage Ta rearu est superieure a la temperature de reference Tref. Le procede d'evaluation de l'efficacite du convertisseur o catalytique 42 est illustre a la figure 4. II comporte principalement deux etapes: - une premiere etape S1 de declenchement de ['evaluation; et - une seconde etape S2 d'evaluation de l'efficacite du convertisseur catalytique 42. Le premier pas 70 de l'etape S1 consiste a prelever les mesures instantanees suivantes: - la temperature TG des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique 42 est mesuree par le capteur de o temperature 60; - la pression des gaz d'echappement PG est mesuree par le capteur de pression 64; - le debit massique Qair d'air admis dans le moteur 14 est mesure par le debitmetre 66; et - le debit massique Qcarb de carburant injecte dans les chambres de combustion 34 est determine par le calculateur electronique 68 qui pilote des injecteurs 62. Selon un autre mode de realisation, la temperature TG des gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique 42 est o estimee en fonction de parametres de fonctionnement du moteur. Lors du deuxieme pas 72, le debit des gaz d'echappement est estime par le calculateur electronique 68 selon ['equation 3 su ivante: : Q _ (Qair + Qcarb) * (TG + 273,15) * K V - 100 * PG dans laquelle K est une constante. Durant le troisieme pas 74 la vitesse volumique horaire instantanee VVH des gaz d'echappement dans le convertisseur s catalytique 42 est alors calculee selon ['equation 2. Cette vitesse volumique horaire instantanee VVH permet au calculateur electronique 68 de determiner la temperature de reference Tref correspondante a partir de la cartographic C. La premiere etape S1 s'acheve par un test 76 au cours o duquel la temperature des gaz d'echappement TG est comparee avec la temperature de reference Tref. La deuxieme etape S2 est activee lorsque ces deux temperatures vent sensiblement egales, sinon le procede est reitere au premier pas 70 de la premiere etape S1. Lorsque le test 76 est vrai, le premier pas 78 de la seconde etape S2 est enclenche. La concentration de monoxyde de carbone dans les gaz d'echappement en amont du convertisseur catalytique 42 [Co]amon est estimee par le calculateur electronique 68 en fonction de parametres de o fonctionnement du moteur 14. La concentration de monoxyde de carbone dans les gaz d'echappement dans les gaz d'echappement en aval du convertisseur catalytique 42 [Co]ava est mesuree par le capteur de red ucteur 58 pu is transmise au calcu lateu r electronique 68. s Lors du pas 80, I'efficacite instantanee du convertisseur catalytique 42 úCO est calculee par le calculateur electronique 68 selon ['equation 1 en fonction des deux valeurs [CO]amOn et [CO]avaR Le procede se termine par le test 82 au cours duquel o l'efficacite scO est comparee avec le seuil d'efficacite sseuj Le test est vrai si l'efficacite scO est superieu re ou eg ale au seu il d'efficacite sSeui Si le test 82 est vrai, cela signifie que le convertisseur catalytique 42 est amorce et done que la temperature d'amor,cage Ta du convertisseur catalytique 42 est inferieure a la temperature de reference Tref. Le convertisseur catalytique 42 est done s considere comme non polluant a l'egard des normes en vigueur. Si le test 82 est faux, cela signifie que le convertisseur catalytique 42 n'est pas amorce et que la temperature d'amor,cage Ta est done superieure a la temperature de reference Tref. Le convertisseur catalytique 42 est done considere comme trop o polluant a l'egard des normes en vigueur. Selon un autre mode de realisation, si le test 82 est faux, le procede est reitere avec une temperature de reference Tref qui est deduite d'une seconde cartographic C2 en fonction de la vitesse volumique horaire VVH, et qui est superieure a la temperature de reference Tref utilisee a ['iteration precedente du procede. Cela permet par exemple d'evaluer differents degree d'efficacite du convertisseur catalytique. lt i REVENDICATIONS 1. Procede pour evaluer l'efficacite d'un convertisseur catalytique (42) du type qui est implante dans une ligne d'echappement (16) d'un moteur (14) a combustion interne a injection directe de vehicule automobile, notamment du type diesel, du type qui oxyde des elements reducteurs contenus dans les gaz d'echappement avec une efficacite (sCO) superieure a une valeur de performance (sseui) determinee lorsque la temperature des gaz d'echappement (TG) excede une temperature determinee o (Ta) cite d'amor,cage du convertisseur catalytique (42), I'efficacite du convertisseur catalytique (42) etant evaluee lorsque la temperature des gaz d'echappement (TG) est superieure a une temperature de reference (Tref), caracterise en ce qu'il comporte: - une premiere etape (S1) de declenchement de ['evaluation au cours de laquelle la temperature des gaz d'echappement (TG) en amont du convertisseur catalytique (42) est determinee; - une seconde etape (S2) d'evaluation de l'efficacite du o convertisseur catalytique (42) qui est declenchee lorsque ladite temperature des gaz d'echappement (TG) est egale a la temperature de reference (Tref), et qui comporte une operation d'estimation par calcul de l'efficacite (úco) du convertisseur catalytique (42) a partir des concentrations en elements reducteurs en amont et en aval du convertisseur catalytique (42), le convertisseur catalytique (42) etant declare comme bon si son efficacite (úco) est superieure a un seuil d'efficacite minimum (úseuil) 2. Procede selon la revendication precedente, caracterise o en ce que la temperature de reference (Tref) varie en fonction du debit des gaz d'echappement (Qv) et du volume du convertisseur catalytique (42). l 3. Procede selon la revendication precedente, caracterise en ce que le debit de gaz d'echappement (Qv) est determine a partir de la pression des gaz d'echappement (PG) evaluee en amont du convertisseur catalytique (42), ainsi qu'en fonction de s parametres de fonctionnement du moteur (14), notamment du regime et du couple. 4. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la temperature des gaz d'echappement (TG) en amont du convertisseur catalytique (42) est mesuree. o 5. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la temperature des gaz d'echappement (TG) en amont du convertisseur catalytique (42) est estimee a partir de parametres de fonctionnement du moteur. 6. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que s la concentration en elements reducteurs, et notamment en monoxyde de carbone, en aval du convertisseur catalytique (42) est mesuree. 7. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la concentration en elements reducteurs, et notamment en o monoxyde de carbone, en amont du convertisseur catalytique (42) est estimee en fonction de parametres de fonctionnement du