Brevet FR2848601A1 — publié le 20040618

L'invention concerne un procédé et un dispositif destinés à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ainsi que l'utilisation des grandeurs d'état 5 déterminées du catalyseur pour la surveillance et la commande du fonctionnement du catalyseur et du moteur, notamment pour un fonctionnement minimisant le carburant et les matières nocives. De nombreux algorithmes sont implémentés dans les 10 appareils de commande de moteurs à combustion interne actuels, qui servent à la régulation et à la surveillance du fonctionnement du moteur à combustion interne, ainsi que du catalyseur disposé en aval. Dans le cas de moteurs à combustion interne modernes susceptibles de fonctionner en 15 régime pauvre, l'appareil de commande ainsi que sa mémoire contiennent notamment de nombreuses courbes caractéristiques et champs caractéristiques, à l'aide desquels divers calculs de paramètres de fonctionnement, destinés à la commande du moteur et du catalyseur, peuvent être effectués 20 par des algorithmes appropriés ainsi que des mesures appropriées, afin d'obtenir un fonctionnement du moteur à combustion interne à consommation de carburant aussi faible que possible, et compatible avec l'environnement'. C'est ainsi que, pour le calcul de l'état d'un 25 catalyseur d'accumulation de NOx d'un moteur à combustion interne susceptible de fonctionner en régime pauvre, donc par exemple de l'état de remplissage, il est utile de connaître l'intervalle de régénération, l'activité du catalyseur, etc., et la répartition de la température le 30 long de l'axe du catalyseur. La température du catalyseur est par exemple déterminée actuellement par la mesure de la température des gaz d'échappement aussi bien en amont qu'en aval du catalyseur. Elle peut également être déterminée par la 35 mesure de la température des gaz d'échappement en amont du catalyseur, et par le calcul d'une température homogène du catalyseur, principalement par une analyse du transfert thermique entre le catalyseur et les gaz d'échappement. Avec la température moyenne du catalyseur ainsi déterminée, il n'est cependant pas possible de déceler des effets 5 pouvant intervenir dans le fonctionnement dynamique en raison d'une répartition non homogène de la température dans le catalyseur. C'est ainsi que, par une température moyenne déterminée du catalyseur d'accumulation de NOx proche de la limite de désorption thermique des NOx, il 10 n'est par exemple pas possible de déceler si, en cas de différences réelles de température très importantes entre la zone avant et la zone arrière du catalyseur, du NOx de la zone avant du catalyseur est déjà thermiquement désorbé, et si une traversée de NOx a de ce fait lieu. Afin 15 d'exclure de tels effets, le seuil de température calculé du catalyseur, auquel il est commuté sur un fonctionnement lambda = 1 dans le cas de moteurs à combustion interne susceptibles de fonctionner en régime pauvre afin d'éviter des traversées de NOx, comporte une grande marge de 20 sécurité par rapport au seuil réel de désorption thermique. Il en résulte un régime de fonctionnement à consommation plus défavorable pendant des intervalles de temps plus longs que nécessaire. A l'aide d'une détermination de l'évolution de la température dans le catalyseur 25 d'accumulation de NOx, il est par analogie également possible de constater un refroidissement suffisant audessous du seuil de désorption thermique après un fonctionnement à pleine charge à des températures très élevées du catalyseur, de sorte qu'il peut être commuté à 30 un moment aussi tôt que possible du fonctionnement avec lambda = 1 sur un régime pauvre. Il est par ailleurs possible de déterminer la répartition de la température à l'intérieur d'un catalyseur par un calcul approximatif de l'équation différentielle 35 correspondante de la conduction thermique à l'intérieur du catalyseur. De tels calculs, même approximatifs, dépassent cependant de loin la capacité du processeur d'un appareil de commande d'un moteur, et ne sont de ce fait pas praticables. L'objectif de l'invention consiste par conséquent à 5 proposer un procédé, ainsi qu'un dispositif, destiné à la surveillance d'un catalyseur, dans lequel les états physiques et chimiques du catalyseur en résolution dans l'espace et dans le temps sont calculés aussi efficacement que possible, et entrent dans la surveillance. Cet objectif est atteint par un procédé destiné à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, dans lequel la répartition axiale de la température à l'intérieur du catalyseur est calculée au moyen d'algorithmes rapides à 15 l'aide d'une pluralité de points de support, les algorithmes rapides étant basés sur le principe de la production minimale d'entropie, et le procédé tenant compte du transfert thermique entre le flux des gaz d'échappement et la paroi du catalyseur, du chauffage du catalyseur, 20 ainsi que des déperditions thermiques du catalyseur délivrées à l'environnement, et la répartition axiale calculée de la température étant utilisée pour la régulation du catalyseur, procédé caractérisé en ce que les processus de sorption et les processus de désorption des 25 différents composés des gaz d'échappement dans le catalyseur sont calculés pour le calcul de son état d'accumulation, et ce par des algorithmes qui sont basés sur le principe de la production minimale d'entropie, le calcul étant effectué en utilisant un champ caractéristique 30 d'émissions prédéterminé du moteur à combustion interne, et l'état d'accumulation ainsi calculé du catalyseur, relatif aux différents composés des gaz d'échappement, étant utilisé pour l'optimisation ou la régulation du régime du moteur à combustion interne en ce qui concerne sa 35 consommation, et un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé comportant un appareil de commande, une mémoire de données, une unité de calcul pour le calcul des algorithmes rapides PME, et un ou plusieurs détecteurs qui transmettent des valeurs de mesure à l'unité de calcul. En ce qui concerne le procédé selon l'invention 5 destiné à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, la répartition axiale de la température à l'intérieur du catalyseur est calculée au moyen d'algorithmes rapides à l'aide d'une pluralité de points de 10 support, les algorithmes rapides étant basés sur le principe de la production minimale d'entropie (PME) . Le procédé tient en l'occurrence compte du transfert thermique entre le flux des gaz d'échappement et la paroi du catalyseur, du chauffage du catalyseur, ainsi que des 15 déperditions thermiques du catalyseur délivrées à l'environnement, et la répartition axiale calculée de la température est utilisée pour la régulation du catalyseur. Le principe de la production minimale d'entropie, en abrégé PME, signifie que des processus se déroulent de 20 telle sorte que leur production d'entropie P atteint un minimum en ce qui concerne de dites "forces thermodynamiques libres", alors que le processus de "forces thermodynamiques fixes" est maintenu en cours. Il est en l'occurrence déterminant que lesdites forces thermodynamiques libres dépendent de paramètres de procédé a, de sorte que la formation de minimum selon la règle conjointe du calcul différentiel n'ait à être effectuée que selon ces paramètres de procédé. Exprimé en d'autres termes: P(a) = Minimum -> dP(a) / da = 0. La production d'entropie est en l'occurrence l'intégrale de la densité de production d'entropie P' rapportée au volume, qui est en principe dérivée du théorème fondamental de Gibbs connu en matière de 35 thermodynamique d'équilibre et d'équations de bilan. Dans la pratique, cela signifie que la PME est équivalente aux équations de bilan habituellement utilisées, mais offre dans de nombreux cas un accès plus facile à des solutions, ou est la seule à permettre la détermination de certains paramètres pour des raisons physiques, numériques ou 5 économiques. D'autres explications relatives à la PME sont données dans B. Reiser "Real Processing RP I: The Principle of Minimal Entropie Production PME of Irreversible Thermodynamics and the Principle of Minimal Deformation PMD of Hydrodynamics, their Dependence and 10 Applications", Physica A, 227 / 3-4, ler juin 1996. Les algorithmes PME comprennent de préférence le calcul des réactions catalytiques à l'intérieur du catalyseur, le moment de la coupure de mesures de chauffage du catalyseur pouvant notamment être dérivé de la 15 répartition axiale calculée de la température. Après la coupure du moteur à combustion interne, le calcul de la répartition axiale de la température peut en outre être poursuivi afin que, lors d'un nouveau démarrage, la chaleur résiduelle éventuellement subsistante du catalyseur puisse 20 être prise en considération. Au niveau d'un ou de plusieurs emplacements, la répartition axiale calculée de la température du catalyseur peut être comparée avec des valeurs de mesure, la différence étant un critère pour l'activité du catalyseur, 25 de sorte qu'une fonction OBD puisse être activée lorsqu'un seuil prédéterminé d'activité n'est pas atteint. A partir d'un champ caractéristique prédéterminé d'émissions et du profil axial de température, il est notamment possible de calculer un profil d'activité dans le 30 temps du catalyseur en tant que fonction de sa durée de marche, en utilisant une modélisation de processus d'accumulation et/ou de processus d'oxydation irréversibles de différents composés des gaz d'échappement dans le catalyseur, la modélisation étant basée sur le principe de 35 la production minimale d'entropie (PME). Le champ caractéristique d'émissions comporte de préférence aussi bien des transitions de la dynamique de marche que les émissions lors du démarrage à froid. La limite du catalyseur peut en outre être déterminée à partir du profil d'activité dans le temps calculé du catalyseur. Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, destiné à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, les processus de sorption et les processus de désorption des différents composés des gaz 10 d'échappement dans le catalyseur sont calculés pour le calcul de son état d'accumulation, et ce par des algorithmes qui sont basés sur le principe de la production minimale d'entropie (PME), le calcul étant effectué en utilisant un champ caractéristique d'émissions prédéterminé 15 du moteur à combustion interne, et l'état d'accumulation ainsi calculé du catalyseur, relatif aux différents composés des gaz d'échappement, étant utilisé pour l'optimisation ou la régulation du régime du moteur à combustion interne en ce qui concerne sa consommation. Les réactions exothermiques dans le catalyseur, dues à la répartition axiale de la température et/ou à l'état d'accumulation du catalyseur, peuvent notamment être commandées. Un dispositif selon l'invention, destiné à la mise en 25 oeuvre du procédé décrit ci-dessus, comporte un appareil de commande, une mémoire de données, une unité de calcul pour le calcul des algorithmes rapides PME et un ou plusieurs détecteurs, les détecteurs transmettant des valeurs de mesure à l'unité de calcul. La mémoire de données comporte notamment des données de temps du moteur, un ou plusieurs champs caractéristiques du moteur, un ou plusieurs champs caractéristiques d'émissions, des données caractéristiques du catalyseur et/ou des données de temps du catalyseur. Les détecteurs peuvent être situés dans le catalyseur ou en aval du catalyseur dans le sens de l'écoulement. Lorsqu'il n'est utilisé qu'un seul détecteur, celui-ci est disposé dans le catalyseur et mesure la température du catalyseur. Le détecteur - ou les détecteurs - disposé en aval du catalyseur peut être un détecteur de température, 5 et/ou un détecteur de 02 et/ou un détecteur de HC et/ou un détecteur de NOx. Un mode de réalisation préféré de l'invention est expliqué ci-après à l'aide d'une figure, qui est une représentation schématique d'un dispositif selon 10 l'invention, destiné à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne. La figure représente un dispositif 1 destiné à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur 2. Le dispositif comporte en l'occurrence un appareil de commande 15 3, une mémoire de données 4 et un dispositif 5 pour le calcul des algorithmes PME. L'appareil de commande 3 communique avec la mémoire de données 4 par l'intermédiaire d'une liaison bidirectionnelle 6, ainsi qu'avec le dispositif de calcul 5 par l'intermédiaire d'une autre 20 liaison bidirectionnelle 7. Le dispositif de calcul communique de son côté avec la mémoire de données 4, également par l'intermédiaire d'une liaison bidirectionnelle 8. La mémoire de données 4 contient notamment des données de temps 9 du moteur, un champ 25 caractéristique 10 du moteur, un champ caractéristique d'émissions 11, des données caractéristiques 12 du catalyseur et des données de temps 13 du catalyseur. Des données du EGR (recirculation des gaz d'échappement) 14, des données du moteur 15 et des données du KSM (dispositif 30 de départ à froid) 16 sont transmises à l'appareil de commande 3 en tant que données d'entrée. Des données du catalyseur d'un détecteur de température 17 disposé dans le catalyseur 2 et de détecteurs 18 disposés en aval du catalyseur 2, par exemple d'un détecteur de température 35 et/ou d'un détecteur de 02 et/ou d'un détecteur de HC et/ou d'un détecteur de NOx, sont en outre transmises à l'unité de calcul 5. L'appareil de commande 3 et/ou l'unité de calcul 5 émet en outre des données au moyen d'un affichage OBD 19. Les algorithmes PME sont basés sur des principes 5 thermodynamiques utilisant le principe de la production minimale d'entropie, en abrégé PME. La possibilité d'appliquer ce principe PME à des systèmes techniques conduit à un système d'équations non homogène, dont la résolution est effectuée avec des processeurs actuels à une 10 rapidité telle que ceuxci peuvent déjà être utilisés pour des calculs en ligne et pour des applications de hardwarein-the-loop. Il en résulte de multiples possibilités d'application pour des fonctions OED (diagnostic de bord), des stratégies de régulation, ainsi que pour une 15 surveillance continue de composants techniques qui sont soumis à un processus de vieillissement en fonction de grandeurs d'influence connues, notamment de paramètres d'un moteur. Cette méthode permet d'utiliser avantageusement des valeurs de la littérature, et des coefficients manquants 20 peuvent être transformés de telle sorte qu'ils deviennent accessibles à une technique de mesure. Un cas d'application concret pour les algorithmes PME est une description intégrale d'un catalyseur dans chaque point de fonctionnement, qui tient compte de sa capacité de 25 marche. Les températures locales dans le catalyseur sont en l'occurrence calculées en prenant en considération des processus thermodynamiques se déroulant dans le catalyseur. Pour la répartition axiale de la température, il est 30 en outre tenu compte du transfert thermique entre le flux des gaz d'échappement et la paroi du catalyseur, ainsi que du chauffage du catalyseur et des déperditions thermiques délivrées à l'environnement. Le comportement au démarrage de catalyseurs, au moins de catalyseur neufs, peut de ce 35 fait être déterminé avec précision. Toutes les mesures de chauffage du catalyseur, aussi bien les directes (par exemple catalyseur E) que les indirectes (par exemple avec de l'air secondaire), entrent forcément dans le calcul. Les mesures destinées au chauffage du catalyseur peuvent de ce fait être coupées au moment opportun. Après la coupure d'un moteur, le refroidissement du catalyseur continue à être calculé, de sorte que, lors d'un nouveau démarrage, de la chaleur résiduelle éventuellement subsistante puisse être prise en compte. La mémorisation de différents composés des gaz d'échappement est effectuée par chimisorption des atomes dispersés dans le washcoat. Si cette incrustation est irréversible dans les conditions régnant dans les gaz d'échappement d'un moteur, il se produit un enrichissement 15 de ce composé dans le washcoat, ce qui est en règle générale qualifié d'empoisonnement. Si la chimisorption peut à nouveau être inversée à un certain point de fonctionnement du moteur, le catalyseur peut être régénéré. Dès lors que de tels processus chimiques sont connus, ceux20 ci peuvent être décrits avec la méthode PME, le système d'équations existant ayant uniquement à être complété par d'autres équations. Avec des stratégies de régulation appropriées, il est de ce fait possible de commander les processus d'oxydo25 réduction et d'oxydation dans le catalyseur de telle sorte que le moteur puisse fonctionner avec un minimum de carburant pendant l'ensemble d'un cycle de la phase d'accumulation et de régénération. Pour une stratégie de régulation précise, il n'est pas 30 suffisant de ne tenir compte que d'un seul composé des gaz d'échappement. La connaissance relative à l'état d'accumulation de différents composés des gaz d'échappement implique un champ caractéristique d'émissions correspondant qui tient compte, non seulement de transitions dynamiques, 35 mais également des émissions lors d'un démarrage à froid. Ce champ caractéristique est mémorisé dans la mémoire de données de l'appareil de commande du moteur. Des mécanismes connus, qui décrivent la baisse de l'activité du catalyseur, sont le frittage thermique et les 5 processus d'oxydation irréversibles, ou des processus d'accumulation irréversibles de différents composés des gaz d'échappement dans le catalyseur. Ces mécanismes, et d'autres, peuvent être formulés avec la méthode PME. Avec la connaissance du champ caractéristique 10 d'émissions, du profil axial de température et des processus indésirables décrits ci-dessus se déroulant dans le catalyseur, il est possible de calculer un profil d'activité diminuant dans le temps (vieillissement du catalyseur sur la durée de marche). Avec ce profil 15 d'activité actualisé en permanence, il est possible de déterminer la limite du catalyseur. Il s'agit du moment auquel la fonction OBD devient active. Le comportement au démarrage se modifie aussi longtemps que la limite du catalyseur n'est pas atteinte. 20 Dans ce cas, les mesures de chauffage du catalyseur doivent par conséquent rester plus longtemps en service. De façon analogue aux processus de sorption et de désorption, cette méthode PME permet également de calculer les réactions catalytiques, ces calculs étant nécessaires 25 pour l'établissement d'un profil de température. Après le déclenchement de la réaction dans le catalyseur, et outre la chaleur perdue provenant des gaz d'échappement, celui-ci est également chauffé par les réactions exothermiques. D'autres processus se déroulant dans le catalyseur ne 30 peuvent être calculés au préalable qu'avec une connaissance précise du profil axial de température. Le calcul d'un profil de température comprend également son refroidissement, ainsi que les réactions catalytiques et des réactions postérieures en marche à 35 vide, et lors de temps d'arrêt du moteur (concepts hybrides, coupure d'alimentation en poussée, brèves coupures du moteur, par exemple aux feux de circulation). Des pics de HC, qui peuvent conduire à une destruction thermique, peuvent apparaître temporairement dans le régime 5 du moteur. S'il existe un champ caractéristique d'émissions, le catalyseur peut être protégé contre une surchauffe par une stratégie de régulation appropriée. Précisément dans le cas de concepts hybrides, la connaissance du profil d'activité et du profil de 10 température dans le catalyseur est nécessaire afin que le moteur puisse fonctionner avec des émissions optimisées. L'utilisation des algorithmes PME conduit à tout moment à une connaissance de l'état physique et chimique d'un catalyseur. Cette connaissance permet d'effectuer les 15 fonctions suivantes: - tous types de mesures de chauffage du catalyseur peuvent être arrêtés au moment opportun, ce qui permet d'économiser du carburant. - Compte tenu de la commande des réactions exothermiques 20 dans le catalyseur, celui-ci peut être dans une large mesure protégé vis-à-vis d'une détérioration thermique. Cela conduit à une capacité de marche plus élevée du catalyseur. - Dans le cas de catalyseur d'accumulation, le cycle de 25 la charge d'accumulation peut être optimisé. Cela conduit à une économie de carburant. - La limite du catalyseur est détectée sur la base du profil d'activité calculé. - Tous types de détecteurs peuvent être utilisés à titre 30 d'assistance. Des détecteurs de type nouveau peuvent être pris en considération à tout moment. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes 35 expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. LISTE DES REFERENCES NUMERIQUES 1 Dispositif de surveillance 2 Catalyseur 3 Appareil de commande 4 Mémoire de données Unité de calcul 6 Liaison bidirectionnelle 7 Liaison bidirectionnelle 10 8 Liaison bidirectionnelle 9 Données de temps du moteur Champ caractéristique du moteur il Champ caractéristique d'émissions 12 Données de temps du catalyseur 15 13 Données de temps du catalyseur 14 (EGR) Recirculation des gaz d'échappement Moteur 16 (KSM) Dispositif de départ à froid 17 Détecteur de température 20 18 Détecteur 19 (OBD) Diagnostic de bord REVENDICATIONS 1. Procédé destiné à la surveillance et à la régulation d'un catalyseur (2) d'un moteur à combustion 5 interne (15) d'un véhicule automobile, caractérisé en ce que les processus de sorption et les processus de désorption des différents composés des gaz d'échappement dans le catalyseur (2) sont calculés pour le calcul de son état d'accumulation par des algorithmes qui sont basés sur 10 le principe de la production minimale d'entropie (PME), le calcul étant effectué en utilisant un champ caractéristique d'émissions prédéterminé du moteur à combustion interne (15), et l'état d'accumulation ainsi calculé du catalyseur (2), relatif aux différents composés des gaz d'échappement, 15 étant utilisé pour l'optimisation ou la régulation du régime du moteur à combustion interne (15) en ce qui concerne sa consommation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réactions exothermiques se déroulant dans le 20 catalyseur (2), en raison de l'état d'accumulation du catalyseur (2), sont commandées. 3. Dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un appareil 25 de commande (3), une mémoire de données (4), une unité de calcul (5) pour le calcul des algorithmes rapides PME et un ou plusieurs détecteurs (17, 18) qui transmettent des valeurs de mesure à l'unité de calcul (5). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mémoire de données (4) comporte des données de temps (9) du moteur, des champs caractéristiques (10) du moteur, des champs caractéristiques d'émissions (11), des données caractéristiques (12) du catalyseur (2) et/ou des données 35 de temps (13) du catalyseur. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le ou les détecteurs (17, 18) est (sont) situé(s) dans le catalyseur (2) ou en aval du catalyseur (2) dans le sens de l'écoulement. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas d'un seul détecteur (17), celui-ci est disposé dans le catalyseur (2) et mesure sa température. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ou les détecteur(s) (18) 10 disposé(s) en aval du catalyseur (2) est (sont) un détecteur de température, et/ou un détecteur de 02 et/ou un détecteur de HC et/ou un détecteur de NOx.