Brevet FR2876736A1 — publié le 20060421

L'invention concerne les circuits d'échappement de véhicule automobile, et en particulier la commande des pièges catalytiques à oxydes d'azote situés dans ces circuits. Pour répondre aux exigences réglementaires concernant les émissions de composés tels que HC, CO, NOx et de particules, il est connu de placer, dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion interne, des systèmes de traitement en continu tels que des catalyseurs d'oxydation pour traiter les composés HC et CO ou des filtres à particules ou des pièges à NOx. Ces derniers systèmes alternent les phases de stockage des polluants et de régénération du piège, c'est-à- dire de conversion des polluants stockés en substances non polluantes. Le piège catalytique à oxydes d'azote placé dans la ligne d'échappement du moteur à combustion interne est chargé de stocker les oxydes d'azote lors du fonctionnement nominal du moteur en mélange pauvre. Pendant la phase de régénération du piège, le moteur fonctionne en mélange riche et le piège est chargé de réduire ces oxydes d'azote par les composés HC, CO et H2 émis pendant cette phase. Plus précisément, le piège catalytique à oxydes d'azote, ou plus simplement catalyseur, est un monolithe percé de canaux ouverts à leurs deux extrémités afin de permettre le passage des gaz d'échappement. Les canaux sont couverts par une structure poreuse appelée washcoat qui présente une grande surface de contact avec les gaz. Sur ce washcoat sont déposés des métaux précieux (ex: platine, rhodium) et des métaux alcalins (ex: césium) ou alcalinoterreux (ex: baryum) qui présentent des propriétés d'adsorption. Le piège effectue non seulement une adsorption des oxydes d'azote mais aussi un post-traitement par oxydation du CO et des HC, voire un filtrage des particules dans le cas d'un catalyseur à quatre voies. En cas d'excès d'air dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire lorsque le moteur fonctionne en mélange pauvre, les oxydes d'azote émis sont oxydés sous l'action catalytique du platine puis fixés sur les sites actifs du piège, tels que les oxydes de baryum où ils sont retenus sous forme de nitrate de baryum. La phase catalytique permet également d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés de type HC et le monoxyde de carbone. A l'inverse, lorsque le moteur fonctionne en mélange riche, les gaz d'échappement comprennent des réducteurs, de sorte que les oxydes d'azote présents dans le piège se trouvent libérés des sites de baryum et réduits sous l'action catalytique du rhodium. Ces conditions de fonctionnement du moteur en mélange riche permettent de réaliser une réduction et supposent l'absence d'oxygène et une forte concentration de réducteurs. Par ailleurs, l'efficacité du stockage des oxydes d'azote dans le piège est fonction de plusieurs paramètres. Ainsi, la capacité maximale de piégeage du catalyseur, notée NSC (mesurée en g / I de catalyseur), représente la quantité maximale d'oxydes d'azote admissible pour obtenir une efficacité de stockage cumulée prédéfinie. Cette capacité de stockage maximale présente une forte dépendance à la température, comme illustré à la figure 1. On voit ainsi que la courbe montrant l'évolution de cette capacité entre 150 C et 400 C a une allure en cloche et présente un maximum aux alentours de 310 C. L'efficacité instantanée du piège pour stocker les oxydes d'azote est une fonction de la température du substrat mais également de la quantité d'oxydes d'azote arrivants, de la quantité d'oxydes d'azote déjà stockés dans le piège (valeur NS) et du débit des gaz d'échappement qui est représenté par la vitesse volumétrique horaire mesurée en h-1 qui représente l'inverse du temps de séjour des gaz dans le piège. On sait que la connaissance de l'efficacité de stockage instantanée permet de calculer la quantité d'oxydes d'azote totale stockés (NS) en effectuant la somme des quantités d'oxydes d'azote stockés à chaque instant. On peut enfin rapporter la quantité d'oxydes d'azote stockés (NS) à la capacité maximale de piégeage du catalyseur (NSC). Ce rapport permet d'obtenir un coefficient qui caractérise le remplissage effectif en fonction du remplissage maximum possible à l'efficacité voulue. L'efficacité instantanée du stockage en fonction de ce rapport peut être représentée au moyen de la courbe illustrée à la figure 2, cette dernière montrant également l'efficacité cumulée. Ces deux mesures sont faites à une température donnée du piège, ici de 250 C. Les phases de régénération du piège étant commandées en fonction de la quantité d'oxydes d'azote stockés, la connaissance de l'état de chargement du piège est nécessaire à la gestion optimale de la régénération. Elle permet en effet d'une part d'optimiser l'efficacité du stockage et la quantité d'oxydes d'azote piégés lors du fonctionnement nominal du moteur, et d'autre part d'optimiser la quantité d'oxydes d'azote réduits pendant la phase de régénération en mélange riche. Il est connu à cet égard de disposer d'un compteur des oxydes d'azote stockés qui permet de savoir à quel moment déclencher la régénération du piège. Un but de l'invention est de disposer d'une information particulièrement fiable concernant l'état de chargement du piège en oxydes d'azote. A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé de commande d'un piège à oxydes d'azote d'un moteur, dans lequel, lorsque l'on détecte une variation prédéterminée d'un signal d'une sonde à oxygène durant une purge du piège, on associe à l'instant de la détection une valeur prédéterminée dans un calcul d'une quantité d'oxydes d'azote stockés dans le piège. On connaît en effet du document FR-2 843 044 au nom de la demanderesse un procédé de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote dans lequel on utilise une sonde à oxygène pour détecter la fin de l'activité de réduction des oxydes d'azote adsorbés sur le catalyseur lors d'une purge. Ce document expose de détecter la fin de la purge des oxydes d'azote adsorbés par la détection d'un deuxième saut du signal électrique de la sonde placée en aval du piège. Ce deuxième saut suit en effet une première variation du signal correspondant à l'augmentation de la richesse des gaz nécessaire à la réduction des oxydes d'azote dans le piège. Cette deuxième augmentation intervient dès lors que les réducteurs envoyés en amont du piège sont moins utilisés pour la réduction des oxydes d'azote adsorbés dans le piège, et lors de la formation d'hydrogène au sein du piège en fin de purge. Cette seconde augmentation de la concentration de réducteurs, dont l'hydrogène en aval du piège, correspond à la fin de la purge et se traduit par une variation du signal de sortie du capteur placé en aval du piège. On prévoit selon l'invention d'utiliser cette connaissance de l'instant de la fin de la purge pour associer cette donnée à une valeur prédéterminée permettant de réinitialiser un calcul d'une quantité d'oxydes d'azote stockés dans le piège. Le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - la variation est une inflexion du signal lors d'une croissance faisant suite à un plateau; - le calcul comprend une estimation de la quantité d'oxydes d'azote par discrétisation de la géométrie du piège; et - l'estimation met en oeuvre: - un calcul d'une variation d'une température du piège; - un calcul d'une quantité instantanée d'oxydes d'azote stockés dans le piège. On prévoit également selon l'invention un circuit d'échappement d'un moteur, comprenant: - un piège à oxydes d'azote; - une sonde à oxygène; et - un organe de commande agencé pour détecter une variation prédéterminée d'un signal de la sonde durant une purge du piège, l'organe étant agencé pour associer à l'instant correspondant à cette détection une valeur prédéterminée dans un calcul d'une quantité d'oxydes d'azote stockés dans le piège. La sonde pourra être une sonde à oxygène binaire ou proportionnelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures 1 et 2 illustrent des courbes relatives à la capacité et à l'efficacité d'un piège à oxydes d'azote de l'art antérieur; - la figure 3 est une vue schématique du moteur et du circuit d'échappement selon l'invention dans un mode préféré de réalisation; et les figures 4 et 5 sont des courbes illustrant l'exploitation du signal de la deuxième sonde dans le moteur de la figure 3. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, le circuit d'échappement 2 est associé à un moteur 4 à combustion interne de véhicule automobile. Il s'agit en l'espèce d'un moteur diesel. Le circuit d'admission 6 de ce moteur comprend un débitmètre d'air 8, un volet d'air 10, un compresseur 12 de turbocompresseur 14, un échangeur d'air de suralimentation 16 et un collecteur 18. Ces éléments on été énumérés dans l'ordre correspondant à leur succession depuis l'amont jusqu'à l'aval par référence au sens de circulation des gaz dans le circuit d'admission 6. Ils communiquent les uns avec les autres en série dans cet ordre. Le collecteur débouche dans la culasse du moteur 20. Ce dernier débouche à l'entrée du circuit d'échappement 2 qui comprend une turbine 22 du turbocompresseur 14 puis une sonde à oxygène 24 (qui est en l'espèce de type proportionnel), un piège à oxydes d'azote 26, une sonde à oxygène 28 (qui est en l'espèce de type binaire mais pourra sinon être du type proportionnel), un capteur de température 30, un filtre à particules 32 et un capteur de température 34. Ces différents éléments ont eux aussi été énumérés dans l'ordre de leur succession d'amont en aval dans le circuit d'échappement 2. Ils sont tous disposés en série les uns des autres. En particulier, le piège 26 est encadré par les deux sondes 24 et 28 disposées respectivement en amont et en aval du piège. Un capteur de pression différentielle 40 est disposé dans une dérivation 42 du filtre à particules 32. Le moteur comprend un circuit de recirculation des gaz d'échappement comprenant un conduit 44 mettant en communication une section amont du circuit d'échappement 2 avec le collecteur 18. Ce conduit comprend une vanne d'EGR 46 et en amont de celle-ci deux branches 48,50 s'étendant en parallèle l'une de l'autre. La branche 50 porte un échangeur thermique 52 des gaz d'EGR. Un poumon 54 est relié à chacune des branches et est lui-même commandé par une électrovanne 56. Ces deux éléments permettent de commander et de régler le refroidissement des gaz d'EGR. On a rappelé à la figure 4 l'évolution du signal 61 de la sonde aval 28 en fonction du temps lors d'une purge du piège 26. L'évolution de ce signal est déjà divulguée dans le document FR-2 843 044 précité et on se référera à ce dernier pour de plus amples détails. Le signal présente une phase de croissance 60 correspondant au début de la purge à l'augmentation de la richesse des gaz nécessaire à la réduction des oxydes d'azote dans le piège. Durant le traitement des oxydes d'azote qui constitue la purge, le signal de la sonde connaît un premier plateau correspondant à la partie 62 du signal. Par plateau, on entend une portion du signal pour laquelle la teneur en oxygène est sensiblement constante durant un intervalle de temps. A l'issue de ce premier plateau, apparaît une deuxième phase de croissance 64 du signal qui comprend notamment un point d'inflexion 66 en raison du fait que le signal présente ensuite un deuxième plateau 68. Celui-ci survient lorsque les réducteurs envoyés en amont du piège sont moins utilisés pour la réduction des oxydes d'azote adsorbés. La croissance 64 caractérise par conséquent la fin du processus de purge. Il est expérimentalement possible de mesurer la quantité d'oxydes d'azote stockés sur un piège catalytique en envoyant un flux d'azote à haute température (supérieur par exemple à 650 C) en amont du piège et en mesurant en aval du piège la désorption totale des oxydes d'azote. Le résultat de cette expérimentation est illustré à la figure 5 sur laquelle la courbe 70 illustre le signal de tension d'une sonde d'oxygène disposée en aval du piège et la courbe 72 illustre la quantité d'oxydes d'azote restants dans le piège. Ces deux grandeurs sont respectivement mesurées sur l'axe des ordonnées à gauche et à droite. L'axe des abscisses correspond à l'échelle temporelle comme dans la figure 4. Cette expérimentation permet de mesurer la quantité d'oxydes d'azote restant dans le catalyseur à différents instants de la purge. Ces différents instants sont reliés à la même base temps que le signal de la sonde placée en aval. On observe que la quantité d'oxydes d'azote résiduels décroît de façon quasi linéaire lorsque le signal de la sonde se situe sur le premier plateau. Lorsque le signal de la sonde atteint le deuxième plateau, la quantité résiduelle d'oxydes d'azote atteint la valeur 0 ou une valeur proche de O. Cette expérimentation confirme donc que la fin de la purge a lieu au point 66 et se caractérise par une quantité minimale voire nulle d'oxydes d'azote dans le piège. Le moteur illustré à la figure 3 comprend de façon classique un organe de commande et de pilotage du moteur comprenant notamment une unité centrale. Cet organe déclenche et pilote en particulier la purge du piège 26. Il est doté de programmes permettant d'effectuer soit le comptage de la quantité d'oxydes d'azote dans le piège, soit une estimation de cette quantité, voire les deux. Dans le cadre de ces calculs de la quantité d'oxydes dans le piège, il est possible d'utiliser la détection du point d'inflexion 66, c'est-à- dire l'arrivée imminente du deuxième plateau 68. Pour cela, lors de cette détection de la fin de la purge, l'organe de commande met à jour le compteur de la quantité d'oxydes d'azote à une valeur de réinitialisation égale à 0 ou proche de 0. Il peut fournir également cette même valeur comme donnée d'initialisation dans l'algorithme d'estimation de la quantité d'oxydes d'azote stockés. Ainsi, comme illustré à la figure 5, la détection de la fin de la purge se caractérise par un bit formant un saut dans la courbe de détection 74. II s'ensuit une remise à une valeur initiale, par exemple à 0, du compteur des oxydes d'azote stockés comme indiqué sur la courbe 76 qui représente la quantité d'oxydes d'azote. On utilise ainsi le fait que l'arrivée imminente du deuxième plateau du signal de la sonde en aval du piège signifie que tous les oxydes d'azote stockés sur le piège ont été réduits. En d'autres termes, la détection de l'imminence de ce deuxième plateau au moyen d'une stratégie de contrôle permet de lever une information au moyen d'un bit de détection qui donne l'ordre de réinitialiser à 0 le compteur des oxydes d'azote stockés. Ainsi, l'utilisation de cette information obtenue en boucle fermée, qui est elle-même corrélée à une mesure effectuée en laboratoire de la quantité d'oxydes d'azote restant dans le piège catalytique, permet une réinitialisation fiable du calculateur des oxydes d'azote stockés. L'invention permet par conséquent d'éviter les erreurs cumulées lors de la comptabilisation par modèle ou par mesure (au moyen d'un capteur de type capteur d'oxydes d'azote) de la quantité d'oxydes d'azote stockés. La connaissance de cette information permet également de connaître de façon plus fiable la quantité instantanée d'oxydes d'azote restant sur le piège à tout moment. Le procédé d'estimation précité de la quantité d'oxydes d'azote stockés sur le piège pourra par exemple mettre en oeuvre les étapes suivantes: on discrétise la géométrie du piège en plusieurs réacteurs individuels successifs parfaitement agités; et - on combine un modèle thermique, permettant de calculer la variation de la température de la phase catalytique du piège lors de la traversée des gaz d'échappement, et un modèle d'adsorption permettant de calculer la masse instantanée d'oxydes d'azote stockés dans le piège en fonction des caractéristiques du piège, de la température issue du modèle thermique pour chaque réacteur individuel et du débit massique de gaz d'échappement du moteur. La connaissance de la quantité d'oxydes d'azote stockés étant importante pour optimiser le fonctionnement du piège, on aura soin de rendre robuste la stratégie de détection de la variation donnant l'information de fin de purge. De plus, la variation des signaux des sondes servant d'information, on traitera tout bruit dans la mesure. Pour prévenir le cas de l'arrêt d'une purge avant la détection du double basculement de la sonde, un deuxième procédé d'estimation de la quantité des oxydes d'azote réduits sera de préférence mis en place. Par ailleurs, dans le cas de l'absence du double basculement de la sonde aval, on pourra prévoir qu'un niveau de seuil haut pour le signal de la sonde donnera l'information de purge complète. L'invention prévoit ainsi un procédé de réinitialisation du compteur d'oxydes d'azote stockés lors de la purge du piège à oxydes d'azote à partir d'informations physiques indicatrices de la fin de purge. Grâce à l'invention, cette réinitialisation s'effectue de manière fiable. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. io REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un piège (26) à oxydes d'azote d'un moteur, caractérisé en ce que, lorsque l'on détecte une variation prédéterminée (66) d'un signal (61) d'une sonde à oxygène (28) durant une purge du piège, on associe à l'instant de la détection une valeur prédéterminée dans un calcul d'une quantité d'oxydes d'azote stockés dans le piège. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la variation (66) est une inflexion du signal lors d'une croissance (64) faisant suite à un plateau (62). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul comprend une estimation de la quantité d'oxydes d'azote par discrétisation de la géométrie du piège. 4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'estimation met en oeuvre: - un calcul d'une variation d'une température du piège; - un calcul d'une quantité instantanée d'oxydes d'azote stockés dans le piège. 5. Circuit d'échappement (2) d'un moteur (4), comprenant: - un piège à oxydes d'azote (26) ; - une sonde à oxygène (28) ; et - un organe de commande agencé pour détecter une variation prédéterminée (66) d'un signal (61) de la sonde durant une purge du piège, caractérisé en ce que l'organe est agencé pour associer à l'instant correspondant à cette détection une valeur prédéterminée dans un calcul d'une quantité d'oxydes d'azote stockés dans le piège. 2876736 Il 6. Circuit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la sonde (28) est une sonde à oxygène de type binaire ou proportionnelle.