Brevet FR2862085A1 — publié le 20050513

L'invention concerne le contrôle de l'état de colmatage d'un convertisseur catalytique implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur de véhicule automobile. L'invention s'inscrit dans le cadre des innovations qui conduisent actuellement au développement des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement, notamment pour les moteurs fonctionnant en mélange pauvre, et au diagnostic embarqué associé. Elle concerne aussi bien les moteurs diesel que les moteurs à essence. On sait que les moteurs à combustion interne produisent des gaz d'échappement qui contiennent des substances polluantes, telles que les oxydes d'azote ou NOx, les hydrocarbures imbrûlés ou HC, et le monoxyde de carbone ou CO et des particules solides, qu'il est nécessaire de traiter. Les seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles sont régulièrement revus à la baisse dans le cadre de l'évolution des réglementations sur la dépollution. De plus, afin de répondre à la réglementation européenne E-OBD sur la pollution, un système de diagnostic embarqué, intégré à la gestion moteur, est mis en place sur les véhicules. Ce système de surveillance a deux fonctions: il doit détecter des défaillances des composants de l'équipement anti-pollution utilisés sur le véhicule, et il doit signaler au conducteur toute défaillance entraînant un dépassement des seuils d'émissions admis en vue d'une réparation rapide. Ce système de surveillance peut en effet activer l'allumage d'un voyant au tableau de bord pour prévenir le conducteur et stocker un code d'erreur spécifique sur la mémoire du calculateur, ceci afin de rendre la réparation plus aisée. Les dispositifs connus pour diminuer les émissions polluantes comprennent les convertisseurs catalytiques disposés dans la ligne d'échappement du moteur qui permettent d'oxyder les molécules réductrices que sont le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HC. Le convertisseur catalytique est un des composants du post-traitement des gaz d'échappement qui doivent être surveillés par le système de diagnostic embarqué. Un tel convertisseur est obtenu en imprégnant une phase catalytique dans les canaux d'un monolithe qui est une structure poreuse présentant une grande surface de contact avec les gaz d'échappement. Ce monolithe peut également être un filtre à particules ou un pièges à NOx encore appelé NOx trap , ceci afin de coupler le post-traitement par oxydation du CO et des HC au post-traitement des particules et des NOx. La phase catalytique est constituée de diverses substances chimiques (métaux précieux: platine, rhodium palladium) présentant des propriétés catalytiques. Ces substances ont pour but d'accélérer la cinétique d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés HC et de l'oxyde de carbone CO présents dans les gaz d'échappement, en vapeur d'eau H2O et en dioxyde de carbone CO2. Si le convertisseur catalytique filtre les particules carbonées, la phase catalytique accélère quand à elle la cinétique d'oxydation des suies stockées en oxyde de carbone CO, lui-même aussitôt oxydé en dioxyde de carbone 002. La phase catalytique à base de métaux précieux peut être couplée à des zéolithes pour piéger les HC à froid lorsque les températures d'amorçage des réactions d'oxydation ne sont pas encore atteintes. Les HC se condensent dans le piège avant d'être oxydés lorsque les réactions d'oxydation s'amorcent. La phase catalytique permet également d'oxyder les hydrocarbures usuellement appelées les SOF (soluble oit fractions ou fractions d'essence solubles) qui sont collées au noyau de carbone des suies, ce qui a pour effet de réduire la taille des particules. Dans une certaine plage de températures déterminée, les oxydes d'azote sont également convertis. Ainsi, pour répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules, un ou plusieurs convertisseurs catalytiques sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs diesel pour: oxyder le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HC; filtrer les particules et les stocker afin de les 20 oxyder lors d'une régénération; et - stocker les NOx afin de les réduire lors d'une purge. Les convertisseurs catalytiques utilisés à cette fin peuvent être constitués par un catalyseur d'oxydation, un filtre à particules catalysé ou bien un piège à NOx, lesquels peuvent être combinés dans une seule ligne (moteur à 4 cylindres) ou dans plusieurs lignes d'échappement (moteur V6) d'un moteur à combustion interne. Mais il apparaît que le fonctionnement d'un 30 convertisseur peut être mise à mal par un colmatage progressif par des suies ou toute autre substance telle que des résidus provenant du carburant et du lubrifiant. Par conséquent, le système de diagnostic se doit de surveiller, afin que le véhicule soit réparé, la bonne efficacité du traitement du contenu des convertisseurs catalytiques et de détecter un dysfonctionnement qui augmenterait les émissions de gaz polluants jusqu'au seuil qui ferait tout simplement diminuer l'efficacité du système, qui se traduirait aussi par une augmentation de la contre pression échappement (CPE) et qui serait préjudiciable à la tenue thermique du turbo compresseur. Afin de ne pas indisposer le conducteur, il importe que la stratégie de diagnostic du convertisseur catalytique soit robuste et fiable afin de ne l'avertir qu'en cas de certitude d'un dysfonctionnement persistant du système de post-traitement. Dans ce cadre, le colmatage d'un composant lié au post-traitement est un dysfonctionnement qu'il faut savoir diagnostiquer, l'effet ressenti par le conducteur pouvant être un manque de performance, ou pire une casse du turbo compresseur. Un but de l'invention est donc d'améliorer la surveillance du colmatage d'un convertisseur catalytique qui peut être un simple catalyseur d'oxydation comme un filtre à particules catalysé ou un piège à NOx. A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé de contrôle de l'état d'un convertisseur catalytique d'un véhicule, comprenant les étapes consistant à : - modifier la richesse des gaz d'échappement d'un moteur pour que la richesse se situe dans une plage 30 de valeurs prédéterminée; puis - analyser pendant au moins une période prédéterminée une tension électrique en sortie d'une sonde de mesure de la richesse des gaz d'échappement, disposée en amont du convertisseur. Ainsi l'invention propose de surveiller le colmatage d'un convertisseur catalytique à l'aide d'une sonde de richesse disposée en amont de ce dernier. Ce type de sonde est déjà utilisé dans les moteurs à allumage commandé pour le bouclage en richesse nécessaire au fonctionnement optimal de la catalyse à trois voies. Le principe de l'utilisation réside dans la surveillance du signal de la sonde lors d'une augmentation de la richesse afin de détecter un éventuel colmatage de ce dernier par des suies ou toute autre substance (telle que des résidus provenant du carburant et du lubrifiant). En effet, le couplage du traitement de l'information provenant d'une sonde de richesse disposée en amont du convertisseur avec une augmentation de la richesse (fonctionnement un peu moins pauvre ou transition à richesse proche de 1) permet de surveiller le colmatage du composant concerné. Comme on le verra ci-après, le principe de diagnostic exposé ici est basé sur la comparaison de la tension de la sonde avec au moins un seuil lorsque la richesse se situe dans une certaine plage où les sondes de richesse sont particulièrement précises. L'augmentation de richesse mise en oeuvre dans le cadre de l'invention, qu'elle soit normale ou provoquée (purge NOx trap ou régénération FAP) permet de détecter que le convertisseur est colmaté. Il convient alors de mémoriser un défaut dans la mémoire du calculateur associé au moteur. Le saut de richesse peut directement être déclenché par la séquence de diagnostic. En cas d'effet perceptible auprès du conducteur du véhicule tel que par exemple un manque de performance du véhicule, ou en cas de risque de casse du turbo compresseur, un voyant d'alerte peut être activé ou tout système analogue. On peut aussi prévoir de déclencher un mode de fonctionnement dégradé du moteur. On pourra enfin prévoir de limiter le régime et/ou le couple du moteur. Le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - l'étape de modification est commandée en raison de la réception d'une information concernant l'état du véhicule; - l'étape de modification est commandée indépendamment de l'état. du véhicule; - la plage est la plage [0,8-1,1], la richesse étant le rapport entre: -une masse d'air théorique à fournir au moteur pendant une durée prédéterminée en quantité stoechiométrique pour la combustion d'un carburant; et -une masse d'air théorique effectivement fournie au moteur pendant la même durée; - on effectue l'analyse pendant deux périodes prédéterminées; - la ou au moins l'une des périodes débute lorsqu'une mesure de la richesse se situe pour la première fois dans la plage prédéterminée après la modification; - la ou au moins l'une des périodes débute postérieurement à l'instant où une mesure de la richesse se situe pour la première fois dans la plage prédéterminée après la modification; - la sonde est de type LAMBDA; - on détermine si, entre des instants Tx et Ti prédéterminés, la tension est au moins une fois inférieure à un seuil U1 prédéterminé, et si, entre des instants TO et T2 prédéterminés, la tension demeure inférieure à un seuil U2 prédéterminé ; - on détermine si, entre des instants TO et Tl prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U1 prédéterminé, et si, entre des instants TO et T2 prédéterminés, la tension demeure inférieure à un seuil U2 prédéterminé ; - la sonde est une sonde proportionnelle; - on détermine si, entre des instants TO et T3 20 prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U3 prédéterminé ; - on détermine en outre si, entre des instants Ty et T4 prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U4 prédéterminé ; - il comprend l'étape consistant à avertir un conducteur du véhicule de l'état du convertisseur; - le convertisseur étant un premier convertisseur, le véhicule comprend un deuxième convertisseur catalytique disposé en amont de la sonde; et - le moteur est un moteur à allumage par compression. On prévoit également selon l'invention un système de contrôle de l'état d'un convertisseur catalytique d'un véhicule, comprenant: - des moyens pour modifier la richesse des gaz d'échappement d'un moteur pour que la richesse se situe dans une plage de valeurs prédéterminée; et - des moyens pour analyser pendant au moins une période prédéterminée une tension électrique en sortie d'une sonde de mesure de la richesse des gaz d'échappement, disposée en amont du convertisseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation et d'une variante donnés à titre d'exemples non limitatifs en références aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention; - les figures 2 et 3 montrent chacune dans deux cas l'évolution de la tension de la sonde dans le cadre de cette mise en oeuvre; - la figure 4 illustre une variante de constitution du moteur de la figure 1. On a illustré à la figure 1 un moteur 2 avec son environnement permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le moteur est piloté par un calculateur de contrôle 4. Il comprend dans sa ligne d'échappement un composant de post-traitement 6 sous la forme d'un convertisseur catalytique. Il comprend dans cette même ligne une sonde de richesse 8 disposée par référence à l'écoulement des gaz d'échappement en amont du composant 6 à diagnostiquer et permettant de mesurer la richesse en air dans les gaz d'échappement du moteur 2. Le moteur comprend un capteur 10 du régime du moteur, un capteur de pression 12 dans le circuit d'admission d'air du moteur, un débitmètre et un capteur de température 14 disposés dans le circuit d'admission d'air du moteur, et un circuit 16 de recirculation des gaz d'échappement refroidis. Dans le cas d'espèce, ce moteur est agencé pour permettre la réalisation de plusieurs injections (au moins trois) dans le même cylindre 20 et durant le même cycle, le moteur comprenant 4 cylindres 20 dans le présent exemple. Le moteur comprend un échangeur de suralimentation 22 ainsi qu'un volet d'admission 24 tous les deux disposés dans le circuit d'admission en amont du capteur de pression et de température d'admission 12. Le circuit de recirculation des gaz d'échappement est associé à un échangeur thermique 26. Le moteur comprend un turbo compresseur 28 à la jonction entre les circuits d'admission et d'échappement. Le calculateur électronique 4 est associé d'une façon connue en elle-même à des cartographies et des stratégies adaptées pour la commande du moteur et en particulier pour les réglages de la richesse en air du mélange air carburant. Ce réglage est effectué en particulier au moyen de la sonde de richesse 8. Le colmatage d'un convertisseur tel que le convertisseur 6 se traduit en pratique par une modification des niveaux de pression dans la ligne d'échappement 30. Une telle modification va influencer le signal de la sonde 8 disposée en amont du convertisseur lorsqu'une augmentation de richesse est commandée. Cette augmentation de richesse peut par 2862085 10 exemple être un passage à richesse 1 pour purger un convertisseur de type NOx trap. Dans le présent exemple, la sonde de richesse 8 est du type à saut de tension ou sonde LAMBDA ou alternativement du type proportionnel (sonde UEGO). Le diagnostic de l'état du convertisseur 6 a lieu lors du roulage du véhicule. A cette fin, le calculateur 4 reçoit en permanence une information de tension provenant de la sonde. On va tout d'abord présenter la mise en oeuvre du procédé au moyen d'une sonde LAMBDA. On suppose que le calculateur commande la modification de la richesse en air des gaz d'échappement afin que cette richesse se situe dans une plage de 15 valeur prédéterminée. On définit ici la richesse comme le rapport entre: une masse d'air théorique à fournir au moteur pendant une durée prédéterminée en quantité stoechiométrique pour la combustion d'un carburant;et une masse d'air effectivement fournie au moteur pendant la même durée. Il s'agira par exemple de la plage située entre 0,8 et 1, 1. Cette étape de modification peut être commandée en raison de la réception par le calculateur d'une information concernant l'état du véhicule. Il s'agira par exemple du franchissement d'une valeur de seuil par un paramètre de fonctionnement du moteur ou plus généralement du véhicule. Alternativement, il est envisageable que cette étape de modification soit commandée par le calculateur de façon indépendante de l'état du véhicule, c'est-à-dire qu'elle soit provoquée. Le calculateur surveille ensuite à quel instant la tension aux bornes de la sonde 8 va se situer pour la première fois dans la plage prédéterminée précitée. Le calculateur détermine alors si, entre des instants Tx et Ti prédéterminés, la tension U aux bornes de la sonde est au moins une fois inférieure à un seuil Ul prédéterminé. L'instant Tx correspond en l'espèce à un instant se situant plusieurs secondes après l'instant au cours duquel la richesse s'est située pour la première fois dans la plage prédéterminée. Cet instant a été indiqué comme TO + X sur la figure 2. Le nombre de secondes séparant ces deux instants peut être paramétré. Le calculateur surveille également si, entre l'instant TO et un instant T2 prédéterminé, la tension demeure inférieure à un seuil U2 prédéterminé. L'instant T2 est postérieur à l'instant Tl. Le seuil U2 est supérieur au seuil Ul. Si les deux conditions précitées sont remplies, alors on en déduit que le convertisseur 6 est colmaté. Pareillement, le calculateur 4 détermine si entre les instants TO et Tl, la tension demeure supérieure au seuil Ul et si, entre les instants TO et T2, la tension demeure inférieure au seuil U2. Si c'est le cas, on en déduit que le convertisseur 6 est en cours de colmatage. Ces différentes valeurs ont été illustrées sur la figure 2 qui montre l'évolution au cours du temps de la tension U aux bornes de la sonde 8 et illustre ces différentes périodes et ces différentes fenêtres. Sur celleci, l'une des courbes illustre le comportement de la tension U pour un convertisseur non colmaté tandis que l'autre courbe illustre son comportement pour un convertisseur colmaté. On pourra également choisir la valeur TO en fonction d'un seuil de tension UO propre à la sonde et résultant d'un calibrage préalable. Si le calculateur détermine que le convertisseur est colmaté, on pourra prévoir une étape d'information du conducteur, par exemple au moyen d'un voyant lumineux. On prévoira également l'enregistrement du dysfonctionnement dans la mémoire du calculateur. Si la sonde 8 est une sonde proportionnelle, le fonctionnement est le suivant. Le calculateur détermine si, entre des instants TO et T3 prédéterminés, la sonde demeure supérieure à un seuil de tension U3 prédéterminé. L'instant TO est celui au cours duquel pour la première fois la richesse mesurée par la sonde se trouve dans la plage prédéterminée. Si la condition précitée est remplie, alors le calculateur détermine que le convertisseur en aval de la sonde est en cours de colmatage. Le calculateur détermine en outre si, entre des instants Ty et T4 prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U4 prédéterminé. Le seuil U4 est supérieur au seuil U3. L'instant T4 est postérieur à l'instant T3. L'instant Ty est postérieur d'une ou plusieurs secondes à l'instant TO et a été représenté par TO + YS sur la figure 3. Cette dernière illustre le comportement de la tension en fonction du temps respectivement dans le cas d'un convertisseur peu chargé et d'un convertisseur colmaté. Si les deux conditions précitées sont remplies, alors le calculateur 4 détermine que le convertisseur en aval de la sonde est colmaté. Et ici encore, le nombre de secondes séparant les instants TO et Ty peut être choisi par le concepteur. Une variante de réalisation de l'invention a été illustrée à la figure 4. Sur celle-ci, le moteur est en tout point semblable à celui de la figure 1 à l'exception du fait qu'il comporte un deuxième convertisseur catalytique 40 se trouvant en amont de la sonde 8 dans la ligne d'échappement 30. Par conséquent, la sonde 8 se trouve interposée dans le circuit des gaz d'échappement entre le convertisseur 40 et le convertisseur 6 qui demeure celui à diagnostiquer. Les seuils et les instants prédéterminés précités pourront être choisis expérimentalement sans difficultés par l'homme du métier. Le moteur qui vient d'être décrit est un moteur à allumage par compression. Il peut s'agir d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-20 ci. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de l'état de colmatage d'un 5 convertisseur catalytique (6) d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : modifier la richesse des gaz d'échappement d'un moteur pour que la richesse se situe dans une plage de valeurs prédéterminée; puis analyser pendant au moins une période prédéterminée une tension électrique en sortie d'une sonde (8) de mesure de la richesse des gaz d'échappement disposée en amont du convertisseur. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de modification est commandée en raison de la réception d'une information concernant l'état du véhicule. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de modification est commandée indépendamment de l'état du véhicule. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 25 3 caractérisé en ce que la plage est la plage [0,8-1,1], la richesse étant le rapport entre: une masse d'air théorique à fournir au moteur pendant une durée prédéterminée en quantité stoechiométrique pour la combustion d'un carburant; et une masse d'air effectivement fournie au moteur pendant la même durée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes caractérisé en ce que l'on effectue l'analyse pendant deux périodes prédéterminées. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la ou au moins l'une des périodes débute lorsqu'une mesure de la richesse se situe pour la première fois dans la plage prédéterminée après la modification. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la ou au moins l'une des périodes débute postérieurement à l'instant où une mesure de la richesse se situe pour la première fois dans la plage prédéterminée après la modification. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la sonde (6) est de type LAMBDA. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on détermine si, entre des instants Tx et Tl prédéterminés, la tension est au moins une fois inférieure à un seuil U1 prédéterminé, et si, entre des instants TO et T2 prédéterminés, la tension demeure inférieure à un seuil U2 prédéterminé. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on détermine si, entre des instants TO et Tl prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U1 prédéterminé, et si, entre des instants TO et T2 prédéterminés, la tension demeure inférieure à un seuil U2 prédéterminé. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la sonde est une sonde 10 proportionnelle. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou 11 caractérisé en ce que l'on détermine si, entre des instants TO et T3 prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U3 prédéterminé. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou 11 ou 12 caractérisé en ce qu'on détermine en outre si entre des instants Ty et T4 prédéterminés, la tension demeure supérieure à un seuil U4 prédéterminé. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à avertir un conducteur du véhicule de l'état du convertisseur. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, le convertisseur (6) étant un premier convertisseur, le véhicule comprend un deuxième convertisseur catalytique (40) disposé en amont de la sonde (8). 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moteur est un moteur à allumage par compression. 17. Système de contrôle de l'état d'un convertisseur catalytique (6) d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens pour modifier la richesse des gaz d'échappement d'un moteur (2) pour que la richesse 10 se situe dans une plage de valeurs prédéterminée; et O - des moyens pour analyser pendant au moins une période prédéterminée une tension électrique en sortie d'une sonde (8) de mesure de la richesse des gaz d'échappement, disposée en amont du convertisseur.