Brevet FR2887292A1 — publié le 20061222

Procédé d'estimation d'une quantité d'oxydes d'azote présente dans un piège au cours d'une purge du dit piège L'invention concerne un procédé de gestion du fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote pour un moteur à combustion fonctionnant en mélange pauvre. Elle s'adresse de manière générale aux moteurs à combustion, essence ou Diesel, dont le fonctionnement se fait avec un régime d'émission des gaz d'échappement ayant une richesse relativement pauvre. L'utilisation de catalyseurs du type piège à oxydes d'azote, appelés couramment "NOx Trapu est 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 de 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 moteur. Bien que cela ne soit pas souhaité, le piège capte également des molécules d'oxygène également présentes dans les gaz d'échappement. Périodiquement, il est nécessaire de régénérer le piège pour le décharger, ce qui s'effectue par une opération dite de purge au cours de laquelle les oxydes d'azote et les oxygènes stockés sont désorbés puis réduits. A titre indicatif, lors du fonctionnement du moteur, on réalise une purge environ toutes les 3 à 10 minutes et une purge dure environ 10 à 15 secondes. 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 1 et la concentration en oxygène faible, c'est-à-dire que le moteur génère des gaz réducteurs tels que HC, CO ou H2, susceptibles de réduire les oxydes d'azote et les oxygènes stockés sur le substrat du piège, pour former des molécules d'eau et de gaz carbonique. Ces réactions de réduction sont accélérées par des catalyseurs imprégnant le substrat. Le fonctionnement du piège est piloté essentiellement à partir de mesures du point de fonctionnement du moteur (vitesse, couple), de la température du piège, de la richesse des gaz en amont et en aval du piège à oxydes d'azote. Ces mesures sont effectuées de manière connue par des sondes adéquates placées en des endroits appropriés du moteur et du piège. Le fonctionnement du piège est optimisé pour traiter la plus grande quantité possible d'oxydes d'azotes, considérés comme produits polluants. Pour piloter correctement les phases de purge, il est donc nécessaire de déterminer, à un instant donné au cours de la purge, la quantité d'oxydes d'azote encore présente dans le piège, ou la quantité d'oxydes d'azote ayant quitté le piège, c'est-à-dire ayant été réduite. Cette information est notamment intéressante 10 pour la gestion du déclenchement et de la durée des phases de purge du piège. Il est connu du document Dl (US2003/0172645) un procédé de détermination de la quantité d'oxydes d'azote ayant été réduite, prenant en compte notamment la température du piège, le point de fonctionnement du moteur, le débit des gaz d'échappement. Toutefois, des essais montrent que ce procédé donne des résultats approximatifs dans le temps. L'invention a pour but de proposer un procédé d'estimation de la quantité d'oxydes d'azote ayant quitté le piège, plus précis que le procédé connu. Selon l'invention, à un instant t, on détermine un ensemble de variables comprenant notamment: É une quantité de réducteurs traversant le piège, É une efficacité de réduction du piège, et É un rapport entre une quantité d'oxygène et une quantité d'oxydes d'azote présentes dans le piège, Pour déterminer l'ensemble de variables, on tient compte de l'évolution d'au moins une variable de l'ensemble des variables en fonction du vieillissement du piège et /ou du moteur associé. Prendre en compte le vieillissement du moteur, et / ou le vieillissement du piège et des éléments qui le composent (sondes de mesure, catalyseur, etc.) permet d'obtenir une estimation plus fiable au fil des cycles de chargement / purge du piège, comme on le verra mieux par la suite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence à l'unique figure annexée, qui est un organigramme illustrant un procédé conforme à l'invention. Au cours d'une purge, les réducteurs H2, CO, CnHm, produits par le moteurs sont consommés dans le piège pour réduire les oxydes d'azote NOx et les oxygènes 02 adsorbés sur le substrat. Comme toute réaction catalytique, une purge a une certaine efficacité ; en d'autres termes, seule une partie des gaz réducteurs est consommée lors de la purge, une autre partie traversant le piège sans réagir. L'efficacité de la purge dépend notamment du type et de la quantité de catalyseur utilisé. La quantité d'oxydes d'azote totale QNOx ayant quitté le piège entre le début d'une purge et un instant T au cours de la purge va donc dépendre notamment de la quantité Qred de réducteurs contenue dans les gaz traversant le piège, du rapport R entre la quantité QNOx d'oxydes d'azote et la quantité QO2 d'oxygènes présentes dans le piège, et de l'efficacité EFF de la purge. La quantité QNOx d'oxydes d'azote peut exprimer au choix une masse, un volume, un nombre de moles d'oxydes d'azote, sachant que l'on peut passer de l'un à l'autre en multipliant simplement par un coefficient approprié dépendant des caractéristiques physico-chimiques des oxydes d'azote. Il en est de même bien sûr pour les réducteurs et les oxygènes. La quantité dQred de réducteurs contenue dans les gaz d'échappement du moteur traversant le piège à un instant t donné dépend directement du point de fonctionnement PF (défini par un couple et une vitesse) du moteur, et de la variation Oro de richesse au moment du déclenchement de la purge. On rappelle qu'une purge est déclenchée en augmentant la richesse du moteur. La quantité dQred de réducteurs en fonction du point de fonctionnement du moteur et de la variation de richesse peut être cartographiée sous la forme d'une table à trois entrées. Des essais en laboratoire montrent de façon inattendue que, pendant toute la durée d'une purge, le rapport R = (QO2/QNOx) entre la quantité QNOx d'oxydes d'azote et la quantité QO2 d'oxygènes présentes dans le piège à un instant donné est constant, et que ce rapport est notamment indépendant des gaz traversant le piège et de l'état d'avancement des réactions de réduction. Le rapport R = (QO2/QNOx) est ainsi égal à sa valeur initiale RO = (QO2/QNOx)0 tout au long d'une purge. Le rapport RO = (QO2/QNOx)0 entre la quantité d'oxydes d'azote et la quantité d'oxygènes captées et présentes dans le piège au début de la purge est obtenu simplement en divisant la quantité d'oxygènes par la quantité d'oxydes d'azote captées et présentes dans le piège au début de la purge. La quantité QO20 d'oxygène captée dépend pour l'essentiel de la température TEMP du piège, de manière assez complexe. Il est possible de cartographier la quantité QO2 d'oxygènes en fonction de la température TEMP sous la forme d'une table à deux entrées. La quantité QNOx0 d'oxydes d'azote présente en début de purge peut par exemple être estimée selon un procédé connu, décrit dans le document FR 2 856 741. L'efficacité EFF = d(NOx+02)/dQred de la purge à un instant donné est la quantité d(QNOx+QO2) d'oxydes d'azote et d'oxygènes réagissant en fonction de la quantité dQred de réducteurs contenue dans les gaz traversant le piège. Des essais montrent que: É l'efficacité nominale EFFn (en régime optimisé stabilisé) du piège est fonction de la température TEMP et du temps de séjour moyen VVH des gaz dans le piège, et que É l'efficacité EFF du piège est fonction de l'efficacité nominale EFFn et de la quantité de réducteurs réagissant dans le piège, cette quantité étant proportionnelle à la différence Ar entre la richesse en amont du piège (proportionnelle à la quantité de réducteurs entrant dans le piège) et la richesse en aval du piège (proportionnelle à la quantité de réducteurs sortant du piège, n'ayant donc pas réagi). L'efficacité EFF de la purge peut ainsi être cartographiée par des essais en fonction de la température TEMP, du temps de séjour moyen VVH des gaz dans le piège et de la différence de richesse Ar entre l'amont et l'aval du piège. Cette cartographie peut être mémorisée sous la forme d'une table à quatre entrées. Du fait que le rapport R est constant au cours d'une 25 purge, il est possible d'estimer simplement la quantité QNOx d'oxydes d'azotes ayant réagi un temps T après le début de la purge par la relation: QNOx = QNOx / (QNOx+QO2) * (QNOx+QO2) = 1/(1+QO2/QNOx) * d(QNOx+QO2) = 1/(1+R) * f dQred* d(QNOx+QO2)/dQred Soit. QNOx = 1/(1+R) * f dQred*EFF Des essais en laboratoire ont montré que, si cette estimation de la quantité QNOx d'oxydes d'azote réduite est très proche de la réalité lors des premières purges du piège, il n'en est plus de même au fil des cycles de chargement / purge du piège. On constate au contraire que cette estimation est de moins en moins bonne lorsque le nombre de purges réalisées augmente. Ceci peut s'expliquer notamment par le vieillissement du moteur VM, le vieillissement du catalyseur VC et le vieillissement des sondes de mesure VS. En effet, on constate qu'au fil des cycles, la composition des gaz d'échappement varie pour un même point de fonctionnement PF couple / vitesse du moteur. Il s'ensuit que la quantité de réducteurs dQred présente dans les gaz traversant le piège au cours d'une purge va varier au fil des cycles de chargement / purge du piège. De la même façon, des essais montrent que la mesure de richesse par une même sonde est de moins en moins précise et correcte au fil du temps. Le catalyseur présent dans le piège et indispensable pour réaliser la purge vieillit également et devient de moins en moins performant, ce qui entraîne notamment une diminution de l'efficacité de la purge. Selon l'invention, on prend en compte ces effets de vieillissement du moteur VM et / ou des sondes VS et / ou du catalyseur VC pour l'estimation de la quantité QNOx d'oxydes d'azote ayant réagi un temps T après le début de la purge. Selon une variante, on prend en compte le vieillissement du moteur VM, en plus du point de fonctionnement du moteur, pour déterminer la quantité de réducteurs traversant le piège à un instant t. Ceci permet de prendre en compte une dérive constatée au fil des cycles de la composition des gaz d'échappement pour un même point de fonctionnement couple / vitesse du moteur. Selon une autre variante, on prend également en compte, en plus de la ou des valeurs richesse mesurées, une dérive des sondes VS au fil des cycles de chargement / purge du piège pour déterminer la quantité de réducteurs traversant le piège à un instant t. Selon une autre variante, on prend en compte le vieillissement du catalyseur VC au fil des cycles d'adsorption / réduction pour estimer l'efficacité de la purge. Selon une autre variante encore, on prend en compte le vieillissement du catalyseur VC pour estimer la quantité QO20 d'oxygènes présente dans le piège en début de purge. On a en effet constaté que le vieillissement du catalyseur favorise d'adsorption des oxygènes sur le substrat au détriment de l'adsorption des oxydes d'azote. Selon une autre variante encore, on prend en compte le vieillissement du catalyseur pour estimer le taux de réduction des oxydes d'azote. Ceci permet de prendre en compte le fait que le rapport QO2/QNOx, toujours constant sur la durée d'une purge (de l'ordre que quelques secondes) s'éloigne de sa valeur initiale (QO2/QNOx)0 au fil des cycles de chargement / purge du catalyseur. La prise en compte du vieillissement du moteur, des sondes et / ou du catalyseur peut se faire de différentes manières. Selon une variante, une variable à estimer (QNox, R, etc.) est cartographiée avec un paramètre supplémentaire par rapport à une cartographie connue de cette variable. Par exemple, la quantité de réducteurs Qred peut être cartographiée à partir d'essais sous la forme d'une table à quatre entrées: la quantité de réducteurs Qred, le point de fonctionnement du moteur, la variation de la richesse au moment du déclenchement de la purge et le nombre de purge déjà effectué. Selon une autre variante, on multiplie une variable à estimer par un terme correctif qui évolue en fonction du nombres de cycles de chargement / purge du pige à oxydes d'azote. Lorsque cela est possible, on cherche à exprimer l'évolution d'un terme correctif en fonction du nombre de cycles par une fonction mathématique, de préférence simple droite, exponentielle, etc. On peut aussi décrire l'évolution d'un terme correctif sous la forme d'une table à deux entrées. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on tient compte de l'influence du vieillissement du moteur, des sondes et / ou du catalyseur pour estimer toutes les variables en jeu. Ainsi, le procédé selon l'invention va comprendre les étapes suivantes, consistant à (cf la figure unique) . Initialisation en début de purge: É El: détermination de QO2 en fonction de la température TEMP et du vieillissement du catalyseur VC, É E2: détermination du rapport RO = QO2/QNOx, en 25 fonction de QO2 et de la quantité d'oxyde d'azote QNOx A un instant t: É E3 détermination de la quantité dQred de réducteurs présents dans le piège à l'instant t, en fonction du point de fonctionnement PF du moteur, de la richesse par rapport à la richesse nominale, et en fonction du vieillissement du moteur VM et des sondes VS É E4 détermination de l'efficacité EFF = d(QNOx+QO2)/dQred, en fonction de la température TEMP, du temps de séjour moyen VVH des gaz dans le piège et de la différence Ar de richesse entre l'amont et l'aval du piège. É E5: multiplication du résultat de l'étape E4 avec le résultat de l'étape E5, et intégration du résultat de la multiplication. É E6: multiplication du résultat de l'intégration par 1/(1+R) pour obtenir quantité d'oxydes d'azote ayant réagi au moment T. E7: répétition des étapes E3 à E6, à des instants tl, t2, t3, ... successifs jusqu'à la fin du procédé. NOMENCLATURE É T: température É OSC: Oxygen Storage Capacity quantité d'oxygène stockée dans le piège É NOx: oxydes d'azote NSC: NOx Storage Capacity: quantité de Nox stockée dans le piège REVENDICATIONS 1. Pour un piège à oxydes d'azote associé à un moteur à combustion, procédé d'estimation d'une quantité d'oxydes d'azote présents dans le piège à un instant donné au cours d'une purge du dit piège, procédé au cours duquel, à l'instant donné, on détermine un ensemble de variables comprenant notamment: É une quantité de réducteurs traversant le piège, É une efficacité de réduction du piège, et É un rapport entre une quantité d'oxygène et une 10 quantité d'oxydes d'azote présentes dans le piège, le procédé étant caractérisé en ce que on tient compte de l'évolution d'au moins une variable de l'ensemble des variables en fonction du vieillissement du piège et /ou du moteur associé. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape suivante, consistant à : É déterminer dans une table la quantité de réducteurs traversant le piège, en fonction d'un point de fonctionnement du moteur, de la richesse des gaz entrant dans le piège par rapport à une richesse nominale, et en fonction du vieillissement du moteur et / ou d'une sonde amont mesurant la richesse des gaz entrant dans le piège, 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, 25 comprenant l'étape suivante, consistant à : É déterminer l'efficacité de réduction du piège, en fonction d'une température du piège, du débit des gaz, et d'une quantité de réducteurs ayant réagi dans le piège, et en fonction d'un facteur de vieillissement d'un catalyseur présent dans le piège. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant l'étape suivante, consistant à : É déterminer dans une table un rapport entre la quantité d'oxygène et la quantité d'oxydes d'azote présentes dans le piège, en fonction d'une valeur initiale de ce rapport et du vieillissement du catalyseur présent dans le piège. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant l'étape d'initialisation suivante, réalisée en début de procédé et consistant à : É déterminer dans une table une quantité initiale d'oxygène présente dans le piège en début de purge, en fonction de la température du piège et du vieillissement du catalyseur, É déterminer une quantité initiale d'oxydes d'azote présente dans le piège en début de purge, en fonction de la température du piège, du vieillissement du catalyseur, et/ou de la quantité d'oxydes d'azote produite par le moteur depuis la précédente purge, É en déduire un rapport initial entre la quantité initiale d'oxydes d'azote et la quantité initiale d'oxygène.