Brevet FR2899277A1 — publié le 20071005

Etat de la technique La présente invention concerne un procédé de commande pilote d'un coefficient lambda au cours de la phase de chauffage de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur à corn-bustion interne comportant au moins un catalyseur et au moins une sonde lambda Pour respecter les normes strictes relatives aux gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, il faut non seulement réduire les émissions brutes mais également chauffer aussi rapidement que possible le catalyseur à la température de fonctionnement correcte avant son démarrage. Pour cela, on connaît différents moyens tels que par exemple l'augmentation de la température des gaz d'échappement par le retard à l'allumage, l'enrichissement du mélange combiné à l'injection d'air secondaire, l'utilisation d'une bougie de préchauffage dans la conduite des gaz d'échappement en amont du catalyseur. Dans le cas de moteurs à suralimentation par turbocompresseur de gaz d'échappement et soupape de régulation de la pression de charge, on peut ouvrir la soupape de régulation de la pression de charge pour chauffer rapidement le catalyseur. Toutes ces mesures dépendent d'une part du concept des gaz d'échappement (riches ou maigres) (par exemple le volet de déplacement de charge, l'injection d'air secondaire, le réglage de l'arbre à cames, etc...) et influencent la qualité des gaz d'échappement. La réglementation exige que l'on puisse vérifier l'efficacité de ces mesures dans les véhicule automobiles par des diag- nostics embarqués. Si pendant le démarrage à froid l'une de ces mesures ne pouvait se régler, il en résulterait que l'on ne respecterait pas les valeurs limites des gaz d'échappement. D'autre part, du point de vue de la conversion des composants des gaz d'échappement, la capacité d'accumulation de l'oxygène par le catalyseur OSC (Capacité de Stockage d'Oxygène) est particulièrement intéressante. La capacité d'accumulation d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement pour l'oxygène est utilisée pour prendre de l'oxygène dans les phases maigres et de restituer l'oxygène dans les phases riches. Cela permet de convertir les composants nocifs oxy- dables des gaz d'échappement. Mais la capacité d'accumulation d'oxygène diminue avec le vieillissement de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. Dans ces conditions, au cours des phases riches, on peut ne plus avoir suffisamment d'oxygène pour nettoyer les gaz d'échappement et en éliminer les composants nocifs ; la sonde lambda en aval de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement détecte ces composants à oxyder. De plus, cette sonde lambda détecte l'oxygène dans les phases maigres, prolongées, oxygène qui n'est plus stocké dans l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. De nombreux pays prescrivent par la réglementation le contrôle de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement pendant le fonctionnement par la commande du moteur (diagnostic embarqué). Un diagnostic de catalyseur actif a ainsi pour fonction de détecter une chute inacceptable de la conversion se traduisant par une augmentation inacceptable des coefficients de gaz d'échappement et d'afficher cette situation par un voyant de contrôle. Le diagnostic du catalyseur avec mesure de l'oxygène est effectué à l'aide d'une sonde à bande large procédant comme suit : On élimine tout d'abord l'oxygène du catalyseur par un mélange riche (X 1) et on intègre la quantité d'oxygène apportée. Si pendant cette phase maigre, la sonde en aval du catalyseur affiche un mélange maigre (c'est-à-dire contenant de l'oxygène), la quantité intégrée correspond à la capacité actuelle d'accumulation d'oxygène par le catalyseur ; cette capacité est une me- sure de la qualité. Ce procédé est appliqué plusieurs fois de façon successive. Le document DE 41 12 478 C2 décrit un procédé d'évaluation de l'état de vieillissement d'un catalyseur selon lequel on mesure le coefficient lambda en amont et en aval du catalyseur. On examine si dans le cas d'une oscillation de régulation en amont du catalyseur passant d'un mélange riche à un mélange pauvre ou inverse-ment, le coefficient lambda en aval du catalyseur présente une variation correspondante et si cela est le cas on détermine le débit massique des gaz traversant le catalyseur, on calcule l'intégrale en fonction du temps du produit du débit massique des gaz et du coefficient lambda en amont du catalyseur, on calcule l'intégrale en fonction du temps du produit du débit massique des gaz et du coefficient lambda en aval du catalyseur et, comme mesure de l'état de vieillissement du catalyseur, on utilise soit la différence entre les deux intégrales ou le quotient des deux intégrales ou encore le quotient de la différence par l'une des deux intégrales. L'inconvénient du procédé ainsi décrit est qu'il soit nécessaire de mesurer le coefficient lambda avant l'installation de nettoyage des gaz d'échappement à l'aide d'une sonde lambda à bande large, coûteuse, pour déterminer la quantité d'oxygène apportée ou prélevée en utilisant l'intégration du produit de la valeur actuelle du coefficient lambda par le débit massique des gaz. Le document EP 0546 318 B1 décrit un autre procédé pour déterminer la capacité d'accumulation d'oxygène dans une installation de nettoyage des gaz d'échappement. On applique une évolution du coefficient lambda au système, le manque d'oxygène au début étant alors supérieur à la capacité d'accumulation de l'oxygène du catalyseur. L'apport d'oxygène est choisi pour que dans les phases maigres, le catalyseur ne soit chaque fois rempli que jusqu'à sa limite de capacité. Pour déterminer la capacité en oxygène du catalyseur on déplace la valeur moyenne du coefficient lambda en amont du catalyseur pendant les oscillations du coefficient lambda du système, de manière commandée dans le sens d'un mélange pauvre pour diminuer ainsi le prélève-ment d'oxygène d'une phase à l'autre. En déterminant le nombre de transitions mélange riche/mélange pauvre affiché par la sonde lambda installée en aval du catalyseur, on peut déterminer la capacité d'accumulation en oxygène ; une augmentation du nombre de phases correspond à une diminution de la capacité d'accumulation. L'inconvénient de ce procédé est l'émission de gaz d'échappement non nettoyés au cours des phases maigres. Le document DE 10240977 Al décrit un procédé de gestion d'un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile, avec un système d'injection directe de carburant comportant un système de traitement des gaz d'échappement avec au moins un catalyseur. Pour chauffer au moins l'un des catalyseurs il est prévu de faire fonctionner le moteur à combustion interne de manière cyclique en mode maigre avec X > 1 pour remplir l'accumulateur d'oxygène d'au moins l'un des catalyseurs et en mode riche avec Selon l'état de la technique, pour favoriser le chauffage rapide du catalyseur, après le démarrage on commande un mélange légèrement maigre avec X > 1. Comme le point de rosée, notamment pour le démarrage à froid de la sonde lambda n'est pas encore dépassé vers le bas, on atteint l'état de fonctionnement de la sonde lambda seule- ment d'une manière nettement postérieure au démarrage. Le coefficient lambda est pour cela piloté directement après le démarrage sur une va-leur > 1 et qui en général se situe à environ 1,05. Cela assure que malgré les déviations liées aux dispersions des séries de fabrication, dans le dosage de carburant on respecte toujours un coefficient lambda légèrement maigre. Un dépassement vers le bas du coefficient = 1 se traduirait par une forte augmentation des émissions en CO et HC et le cas échéant au non respect des limites réglementaires d'émission. Toutefois, grâce à un coefficient lambda maigre, même après dépassement de la température dite d'allumage, température à partir de laquelle le catalyseur est à une température de fonctionnement optimale et est en principe apte à fonctionner comme catalyseur à trois voies, il ne serait pas possible de convertir les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement. But de l'invention C'est pourquoi la présente invention a pour but de développer un procédé permettant, dès la phase de chauffage du catalyseur, d'assurer au moins en partie une conversion des oxydes d'azote NOx sans que dans cette phase on dépasse les limites réglementaires des composants à oxyder. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on applique au chrono-gramme du coefficient lambda de la commande pilote lambda, pendant la phase de chauffage du catalyseur, au moins de temps en temps une modulation de fréquence plus élevée de façon à prédéfinir dans cette phase une valeur moyenne du coefficient lambda en fonction du temps telle que > 1, et que l'on arrive au moins brièvement à un coefficient 15 lambda tel que X 1, par 25 exemple = 1,05, on peut couvrir avec certitude la dispersion liée à la fabrication en série de sorte qu'il n'y a pas le risque de dépassement de la limite par les composants à oxyder comme cela a été indiqué ci-dessus. L'adjonction d'une modulation à fréquences élevées se 30 fait selon une variante préférentielle du procédé pour que le chrono-gramme du coefficient Lambda de la commande pilote Lambda soit commandé avec un rapport de travail asymétrique entre les phases correspondant à 2> 1 et celles correspondant à 2 1 relativement long- temps, pour garantir la conversion des composants à oxyder tels que des hydrocarbures HC et l'oxyde de carbone CO. En revanche un coefficient Lambda significativement inférieur à 1 accélère la conversion des oxydes d'azote. En outre, il est prévu de modifier la modulation à haute fréquence en amplitude et/ou en fréquence suivant le point de fonctionnement du moteur à combustion interne, ce qui permet une commande pilote stable du coefficient Lambda. Comme par exemple la capacité d'accumulation d'oxygène (OSC) du ou des catalyseurs subit un certain vieillissement, l'invention prévoit que l'amplitude de la modulation à fréquences élevées soit adaptée à la valeur actuelle de la capacité d'accumulation d'oxygène (OSC) du ou des catalyseurs. Par cette commande pilote du coefficient Lambda, on assure d'une part un taux de conversion aussi constant que possible des oxydes d'azote et d'autre part des hydrocarbures HC et de l'oxyde de carbone CO, ce qui garantit le respect des valeurs limites pour les composants nocifs même après un certain vieillissement. De manière générale, il est intéressant et avantageux d'augmenter la fréquence de la modulation à haute fréquence en fonc- tion de la diminution de la capacité d'accumulation d'oxygène (OSC) du ou des catalyseurs. Cela réduit le risque de dépassement par des pointes de mélange riche. Le procédé prévoit de déterminer la valeur actuelle de la capacité d'accumulation en oxygène (OSC) du ou des catalyseurs par un procédé de diagnostic de la capacité d'accumulation en oxygène (OSC) et d'enregistrer cette valeur. Cette valeur peut alors servir directement au calcul de la modulation optimale du point de vue de la fréquence et de l'amplitude et le cas échéant du rapport de travail entre les phases correspondant à un mélange riche 2> 1 et les phases correspondant à mélange pauvre 2 Selon le procédé décrit ci-dessus, l'amplitude de la modulation du chronogramme du coefficient Lambda du dispositif pilote Lambda peut être limitée. Cela est notamment intéressant pour la régularité du fonctionnement si l'on pilote surtout un coefficient Lambda maigre. Si l'on applique les mesures décrites ci-dessus pendant le chauffage du catalyseur et avant d'atteindre l'aptitude au fonctionne- ment de la sonde Lambda, on peut encore augmenter l'activité du ou des catalyseurs pour que cette mesure soit avantageuse même avant d'atteindre la phase de déclenchement, et il est connu d'augmenter l'activité du ou des catalyseurs pour la conversion des composants à oxyder (HC, CO) par une modulation du coefficient Lambda à partir du mode régulier 2,, = 1. Si les mesures sont appliquées à des moteurs à combustion interne à injection directe d'essence ou d'injection dans la conduite d'admission, il est intéressant notamment dans le cas des moteurs à injection directe d'essence, de combiner la stratégie de commande au mode de fonctionnement connu appelé mode homogène divisé car ici on améliore l'aptitude au fonctionnement en mode maigre par rapport au mode homogène pur. En principe, on peut également combiner une alternance de mode de fonctionnement. C'est ainsi que par exemple si le procédé de combustion le permet, on peut sélectionner le mode stratifié dans la partie maigre de l'amplitude alors que dans la partie riche de l'amplitude on utilise le mode homogène. Si pour une injection dans la conduite d'admission, la capacité de fonctionner en mode maigre est assurée dans les plages requises, cela permet d'appliquer également cette stratégie ici. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les 10 dessins annexés dans lesquels : - la figure la est une vue schématique d'une commande pilote symétrique du coefficient Lambda, - la figure lb est une représentation schématique d'une commande pilote asymétrique du coefficient Lambda, et 15 - la figure 2 est une vue schématique du chronogramme du coefficient Lambda, de la concentration en oxygène et de différentes concentrations de matière polluante. Description de modes de réalisation L'environnement technique dans lequel s'exécute le procédé de l'invention est par exemple un moteur à combustion interne formé d'un bloc-moteur et d'un canal d'alimentation en air alimentant le bloc-moteur avec l'air comburant. La quantité d'air dans le canal d'alimentation en air se détermine à l'aide d'une installation de mesure de l'air. Les gaz d'échappement du moteur à combustion interne passent dans une installation de nettoyage des gaz d'échappement dont le composant principal est un canal de gaz d'échappement ; selon le sens de passage des gaz d'échappement, le canal comporte une première sonde Lambda en amont d'un catalyseur et une seconde sonde Lambda en aval du catalyseur. L'installation de nettoyage des gaz 30 d'échappement peut également avoir un second catalyseur en aval de la seconde sonde Lambda. Les sondes Lambda sont reliées à une installation de commande calculant le mélange à partir des données fournies par les sondes lambda et les données de l'installation de mesure de l'air d'alimentation pour commander une installation de dosage de carbu- É rant pour doser le carburant avec des injecteurs correspondants dans le canal d'alimentation en air. La sonde Lambda installée dans le canal des gaz d'échappement en aval du bloc-moteur permet de régler un coefficient Lambda à l'aide de l'installation de commande, coefficient qui permet à l'installation de nettoyage des gaz d'échappement d'atteindre un effet de nettoyage optimum. La sonde Lambda peut être une simple sonde à variation brusque ou une sonde à bande large, compliquée qui permet de déterminer le coefficient Lambda dans une bande large. Si la sonde Lambda est une sonde à variation brusque, elle est plus économique mais ne permet qu'une régulation sur une valeur de consigne 2,, = 1. Ainsi, pendant la détermination de la capacité d'accumulation d'oxygène, on ne peut activer la régulation du coefficient Lambda. Dans cette phase de fonctionnement, il y a seulement une commande pilote du mélange de carburant avec un coefficient Lambda prédéfini par l'installation de commande. La seconde sonde Lambda installée dans le canal des gaz d'échappement en aval du premier catalyseur peut égale-ment être exploitée par l'installation de commande et sert à déterminer dans un procédé selon l'état de la technique, la capacité d'accumuler de l'oxygène par l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. L'installation de commande peut en outre être reliée à une unité de mémoire et d'affichage qui permet par exemple d'afficher un défaut de fonctionnement de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. De plus, cela indique également si par exemple dans le cas d'un diagnostic embarqué on a déterminé une capacité d'accumulation d'oxygène du catalyseur qui serait déjà classée comme limite pour respecter les prescriptions règlementaires relatives aux gaz d'échappement. Pour déterminer la capacité d'accumulation d'oxygène, de façon générale pendant le diagnostic embarqué, on fait fonctionner le moteur à combustion interne tout d'abord suffisamment longtemps avec un excédent de carburant (mélange riche) pour réduire tout l'oxygène contenu dans le catalyseur. Au cours du mode de fonctionnement avec mélange maigre, consécutif, l'oxygène s'accumule dans le catalyseur ; avec la sonde Lambda on détermine si en aval du catalyseur on cons- tate des gaz d'échappement riches en oxygène car alors la capacité d'accumulation d'oxygène OSC est dépassée. Selon l'état de la technique, on prédéfinit une variation brusque entre la valeur 2 1. Pour cette commande pilote on peut avoir des défauts engendrés par exemple par la dispersion de fabrication des différents injecteurs ou des défauts dans la saisie du remplissage. Ces défauts faussent la valeur du coefficient Lambda et se traduisent ainsi également par des erreurs dans la détermination de la capacité d'accumulation d'oxygène. Au cours de la phase de chauffage, directement après le démarrage du moteur à combustion interne, on prévoit en plus de l'assistance pour le chauffage rapide du catalyseur, de piloter un mélange légèrement maigre après le démarrage avec un coefficient 2> 1. Comme notamment au démarrage à froid de la sonde Lambda, on est encore en dessous du point de rosée, la sonde Lambda ne sera prête à fonctionner de façon significative qu'après le démarrage. Comme le montre schématiquement les figures la et lb, pendant la phase de chauffage de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement du moteur à combustion interne il est prévu d'appliquer un chronogramme du coefficient Lambda 11 de la commande pilote 10 du coefficient Lambda pendant la phase de chauffage du catalyseur, au moins de temps en temps avec une modulation de fréquence plus élevée pour que dans cette phase, on prédéfinisse une valeur moyenne du coefficient Lambda 12 dans le temps telle que 2> 1 ; dans l'exemple pré- senté, on a 2,, = 1,05, et qu'au moins brièvement, on arrive à une valeur Lambda telle que 2 1 et 2 Point de fonc- Phase Etat apte à fonc Température de Commande pilote tionnement tionner de la fonctionnement de du coefficient sonde Lambda la sonde Lambda Lambda selon atteinte ? l'invention Démarrage A Non, la fin du Non Inactif point de rosée n'est pas atteinte Chauffage du B Non, la fin du Non Actif ou inactif catalyseur point de rosée n'est pas atteinte Chauffage du C Non, la fin du Oui Actif, catalyseur point de rosée n'est pas atteinte Chauffage du D Oui Oui Inactif ; mode catalyseur régulé À = 1 Fonctionnement E Oui Oui Inactif, mode de régulier (pas de fonctionnement chauffage du À catalyseur) régulé = 1 Il peut être intéressant d'appliquer en phase B c'est-à-dire avant d'atteindre la température de fonctionnement du catalyseur (déclenchement) dans la mesure où à côté de l'amélioration de la con-version des oxydes d'azote NOx, on augmente l'activité du ou des cata- lyseurs pour convertir les composants à oxyder (HC ; CO). De plus, suivant la conception du système ou de l'application, on peut supprimer la phase D de sorte que l'on passe directement au fonctionnement régulier sans d'autres mesures de chauffage du catalyseur. Cela peut alors se faire dans la phase avec un coefficient Lambda régulé ou non régulé suivant que la sonde Lambda est prête à fonctionner ou non. Il est également possible de passer en phase D avec une sonde Lambda apte à fonctionner, pour transmettre la stratégie de commande à la stratégie de régulation. La valeur prédéfinie du coefficient Lambda ne peut être introduite directement dans la régulation du coefficient Lambda comme valeur de consigne. La figure 2 montre schématiquement le chronogramme Lambda 11, le chronogramme de la concentration en oxygène 40 ainsi que différentes concentrations de matière polluante 30, 60. Suivant le réglage de la fréquence et de l'amplitude 13, dans l'exemple présenté, par comparaison avec le mode piloté avec une constante 2,, = 1,04, on peut réaliser une conversion des oxydes d'azote NOx supérieure à 50 %. On remarque qu'avec l'augmentation de l'amplitude 13, la modulation de la commande pilote Lambda 10 dimi- nue successivement la concentration en oxyde d'azote NOx 30. Il apparaît à la figure 2 que pour une trop faible amplitude 13 pour laquelle le coefficient Lambda n'est plus piloté en dessous de l'unité, on constate une diminution de la concentration d'oxydes d'azote NOx 30. Ce n'est qu'avec l'augmentation des amplitudes 13 que la concentration d'oxydes d'azote NOx 30 diminue. La concentration d'oxygène 40 reste constante dans des plages étendues, par exemple à environ 0,6 %. L'accumulateur d'oxygène (OSC) qui équipe toujours un catalyseur à 3 voies permet de bien recevoir les pointes de mélange riche du coefficient Lambda piloté sur le mode riche de façon qu'avec une bonne détermination de la fréquence et de l'amplitude 13 on ne prévoit pas de passage significatif CO et HC, comme le montrent les chronogrammes de concentration en oxydes de carbone CO, 50 et celle des hydrocarbures imbrûlés HC, 60. Le procédé permet que même si la régulation du coeffi- cient Lambda n'est pas encore prête à fonctionner, après le démarrage du moteur à combustion interne, on réalise une commande pilote du coefficient Lambda qui permet dès la phase de chauffage du catalyseur d'assurer une conversion partielle des oxydes d'azote sans entraîner une détérioration significative des composants à oxyder. Un autre avantage de cette procédure est que l'on n'est pas lié précisément à une valeur fixe du coefficient Lambda comme cela est nécessaire par exemple pour 2,, = 1, pour lequel il faudrait une sonde Lambda prête pour la régulation.25 REVENDICATIONS 1 ) Procédé de commande pilote d'un coefficient lambda au cours de la phase de chauffage de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant au moins un catalyseur et au moins une sonde lambda, caractérisé en ce qu' on applique au chronogramme du coefficient lambda (11) de la commande pilote lambda (10), pendant la phase de chauffage du catalyseur, au moins de temps en temps une modulation de fréquence plus élevée de façon à prédéfinir dans cette phase une valeur moyenne du coefficient lambda en fonction du temps (12) telle que > 1 et que l'on arrive au moins brièvement à un coefficient lambda tel que X 1 et celles correspondant à