Brevet FR2918412A1 — publié le 20090109

Le domaine de l'invention est celui de la dépollution d'un moteur à combustion interne. L'invention concerne plus précisément le contrôle de l'efficacité des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement, comme par 5 exemple un catalyseur d'oxydation ou un filtre à particules catalytique. L'invention concerne donc un procédé de diagnostic du fonctionnement de ces dispositifs de post-traitement. L'invention s'applique plus particulièrement à un moteur à combustion interne comprenant un circuit de recirculation des gaz 10 d'échappement, prélevés en aval du dispositif de post-traitement à diagnostiquer. Les dispositifs de post-traitement des gaz permettent notamment de réduire les émissions des oxydes d'azote, en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés, mais aussi, dans le cas d'un 15 moteur Diesel, de réduire les émissions de particules. Toutefois, ces dispositifs de post-traitement sont parfois défaillants ou bien leur performance diminue. Les causes connues de la perte d'efficacité sont le vieillissement chimique, les sollicitations thermiques successives et éventuellement les sollicitations 20 mécaniques. Les solutions existantes pour diagnostiquer l'état de ces dispositifs sont le plus souvent basées sur la mesure de l'augmentation de température du dispositif, générée par l'activité catalytique du dispositif à diagnostiquer, et consécutive à une injection de carburant 25 additionnelle (injection tardive au niveau du moteur ou injection de carburant à partir d'un injecteur disposé dans la ligne d'échappement en amont du dispositif de post-traitement). Un objectif de l'invention est de proposer une solution alternative, pouvant être mise en oeuvre dans un moteur comprenant un circuit de 30 recirculation des gaz d'échappement. Un avantage identifié de l'invention est de multiplier les diagnostics élémentaires et donc d'augmenter la fiabilité du diagnostic par rapport à celle que nous aurions en utilisant la même quantité d'hydrocarbures injectée avec les procédés et dispositifs de l'état de l'art actuel. De même, pour un objectif de fiabilité donné, il est possible de diminuer la quantité d'hydrocarbures injectée et l'ensemble des effets néfastes associés (dilution dans le cas d'une injection tardive, surconsommation,...) A cet effet, il est prévu dans le cadre de la présente invention un procédé de diagnostic d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur comprenant une boucle de recirculation des gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce qu'on calcule le travail fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur, on effectue une injection supplémentaire de carburant dans le moteur par rapport à une injection nominale, on calcule le travail fourni au piston à l'issue d'une durée d'injection supplémentaire prédéterminée, et on compare l'écart ou le rapport des travaux ainsi calculés entre eux par rapport à une valeur prédéterminée. Le procédé selon l'invention pourra en outre présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes - l'étape d'injection supplémentaire de carburant dans le moteur consiste à injecter du carburant dans la ligne d'échappement en amont du dispositif de post-traitement ou à effectuer une post-injection dans le cylindre, pendant une durée prédéterminée correspondant au temps de réponse de la boucle de recirculation des gaz d'échappement ; - on calcule le travail fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur, préalablement à l'injection supplémentaire de carburant dans celui-ci ; - on calcule le travail fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur, à l'issue d'une durée prédéterminée à compter de l'arrêt de l'injection supplémentaire de carburant dans celui-ci. Le procédé selon l'invention pourra encore prévoir les caractéristiques suivantes : - on compare l'écart ou le rapport entre le travail fourni à un ou plusieurs pistons du moteur, entre deux angles vilebrequin prédéfinis à l'issue d'une durée d'injection supplémentaire prédéterminée de carburant dans le moteur et le travail fourni à un ou plusieurs pistons du moteur, entre deux angles vilebrequin prédéfinis, dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur préalablement à l'injection supplémentaire de carburant dans le moteur, avec une première valeur prédéterminée ; on compare l'écart ou le rapport entre le travail fourni par le piston du moteur à l'issue d'une durée d'injection supplémentaire de carburant dans le moteur et le travail fourni à un ou plusieurs pistons du moteur, entre deux angles vilebrequin prédéfinis, dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur à l'issue d'une durée prédéterminée à compter de l'arrêt de cette injection supplémentaire, avec une deuxième valeur prédéterminée ; et si dans l'un des deux cas, ou bien si dans les deux cas à la fois, l'écart ou le rapport respectif est supérieur à la valeur prédéterminée respective, on identifie le dispositif comme défaillant ; - on diminue ou on coupe la quantité de carburant pré-injecté dans le moteur, au début du calcul du travail fourni au piston ; - on diminue ou on coupe la quantité de carburant pré-injecté dans le moteur au plus tard au commencement de l'étape d'injection supplémentaire de carburant dans le moteur. Pour atteindre cet objectif, il est également prévu dans le cadre de la présente invention un moteur à combustion interne comprenant un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement et un circuit de recirculation des gaz d'échappement en aval du dispositif de post-traitement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Le moteur selon l'invention pourra en outre présenter la caractéristique suivante : - les moyens de mise en oeuvre du procédé comprennent l'un, au choix, parmi un capteur de pression, un couple-mètre, un accéléromètre ou encore un moyen de mesure de la température régnant dans le cylindre. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: la figure 1 illustre un moteur à combustion interne pour lequel le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre ; la figure 2 illustre un moteur à combustion interne pour lequel le procédé selon l'invention peut également être mis en oeuvre ; la figure 3 est un schéma explicatif de la re-circulation des gaz d'échappement pour la réalisation de la figure 2 ; - la figure 4 illustre l'évolution de la pression P dans un cylindre du moteur en fonction de l'angle de vilebrequin V, ainsi que les différentes courbes permettant de décomposer la contribution de différents facteurs à la production de la puissance totale ; - la figure 5 illustre un diagramme de fonctionnement du procédé selon l'invention. Dans la description qui suit, on prend le cas d'un moteur à combustion interne 1 muni d'un filtre à particule catalytique 2 sous turbocompresseur 3 (compresseur 31 et turbine 32) et circuit de recirculation du type EGR 4 où, dans les exemples illustrés sur les figures 1 et 2, les gaz d'échappements re-circulés sont prélevés en aval du filtre à particule 2 comme illustré sur les figures 1 et 2. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le moyen choisi pour augmenter la concentration des hydrocarbures imbrûlés à l'admission est l'injecteur 5 supplémentaire placé en aval de la turbine. Dans le mode de réalisation de la figure 2 (et figure 3), l'augmentation de la concentration des hydrocarbures est effectuée par une post-injection au niveau de l'injecteur 6 disposé dans le cylindre 7. Le circuit de type EGR illustré sur les figures 1, 2 et 3, dans lequel s les gaz d'échappements re-circulés sont prélevés en aval du filtre à particule est un circuit dit boucle froide ou basse pression . Lorsque du carburant (hydrocarbures) est injecté pour effectuer le diagnostic, et ce qu'il s'agisse d'une post-injection ou de tout autre moyen d'augmenter la concentration d'hydrocarbures en dehors du 10 cycle de combustion, la concentration d'hydrocarbures dans le circuit de recirculation est élevée si le dispositif de post-traitement est défaillant et faible si celui-ci fonctionne correctement. Ainsi, la concentration d'hydrocarbures dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement (EGR) est représentatif de 15 l'efficacité du dispositif de post-traitement. Plus précisément, les hydrocarbures imbrûlés arrivant en entrée du moteur produisent l'effet d'une pré-injection dans le moteur. La quantité d'énergie libérée par la combustion entre l'air frais, les hydrocarbures imbrûlés et, éventuellement, le carburant pré-injecté est 20 donc en conséquence fonction de l'efficacité de fonctionnement du dispositif de post-traitement des gaz d'échappement. Il peut s'avérer nécessaire dans certains cas de réduire et/ou couper la pré-injection, habituellement activée dans des conditions de roulages normales, ceci dans le but de maximiser l'effet visible 25 (estimation de l'énergie supplémentaire ) dû à la re-circulation éventuelle d'hydrocarbures imbrûlés. Le procédé selon l'invention, que nous allons maintenant détailler, est basé sur la mesure de cette quantité d'énergie libérée, et plus précisément sur la mesure de l'énergie supplémentaire liée à la 30 présence, en entrée du moteur, d'hydrocarbures imbrûlés. Le moyen de mesure physique associé pourra être par exemple un capteur de pression 8 qui mesure la pression qui règne dans la chambre de combustion 7, placé à proximité de l'injecteur 6, hors du cône d'épanouissement du jet de carburant issu de l'injecteur 6. L'ouverture de l'injecteur 5 à l'échappement dans le cas de la réalisation de la figure 1 ou la post injection sur au moins un cylindre du moteur dans le cas des modes de réalisation des figures 2 et 3, est actionnée pendant un temps donné dont l'ordre de grandeur correspond au temps de réponse du circuit EGR 4. Si cela s'avère nécessaire et en fonction des exigences sur le bruit de combustion, la pré-injection est diminuée voire coupée sur le io cylindre. On comprend que cette réduction et/ou arrêt de la pré-injection sera effectuée au plus tard au moment de l'injection supplémentaire, et quoiqu'il en soit avant le début du diagnostic. On comprend donc, dans le cas de l'implantation illustrés sur les figures 2 et 3, qu'une post-injection aura lieu pour certains cylindres, 15 alors que la pré-injection sera coupée dans le même temps sur d'autres cylindres. L'information issue du capteur de pression 8 est enregistrée dans la mémoire d'un calculateur (non illustré) sur une période couvrant plusieurs cycles de combustion avant, pendant et après l'arrivée des 20 hydrocarbures imbrûlés en entrée du moteur. Plusieurs points sont comparés deux à deux cycle après cycle et constituent autant de diagnostics élémentaires. Ce diagnostic peut être calibré indifféremment sur plusieurs points de fonctionnement moteur. 25 Le critère de diagnostic est, par exemple, le travail fourni au piston 7 aux alentours et avant le Point Mort Haut (PMH), et ce comme illustré sur la figure 4. Sur cette figure 4, il est représenté les contributions respectives de l'effet de compression/détente 201 dans le cylindre, celui de l'injection 30 principale 202 de carburant dans le cylindre, et celui d'une pré-injection ou d'une recirculation d'hydrocarbures vers l'entrée moteur 203, sur la pression totale régnant dans le cylindre, elle-même référencée 200. Comme on peut le constater, l'écart entre cette pression, en l'absence de pré-injection ou de recirculation d'hydrocarbures, et la pression, en présence de pré-injection ou de recirculation d'hydrocarbures, est défini par la zone hachurée, aux alentours du PMH. Le calcul de ce travail est séquencé (début du calcul) entre deux événements, tels que par exemple l'ouverture de la soupape 10 d'admission et le début de l'injection principale. Les principales étapes du procédé de diagnostic selon l'invention sont schématisées sur la figure 5. Il s'agit en fait ici d'un diagnostic élémentaire qui peut être répété plusieurs fois, pour effectuer un diagnostic plus fiable (l'augmentation des diagnostics élémentaires 15 permet également de diminuer le coût dilution ). Lorsqu'une requête de diagnostic 10 est lancée, on vérifie si un certain nombre de conditions de diagnostic 20 sont remplies (détaillées ci-après). Si ces conditions de diagnostic 20 ne sont pas remplies, le 20 diagnostic ne peut pas démarrer. Dans le cas contraire, le diagnostic commence. Celui-ci consiste en un premier temps à calculer le travail à proximité du PMH 30, en conditions de fonctionnement nominal, ce qui fournit un travail W1. 25 Puis on active 40 l'injecteur à l'échappement (ou pour la réalisation de la figure 2, on active la post-injection 40 d'au moins un injecteur disposé dans le cylindre). On fournit donc une injection de carburant supplémentaire dans le moteur. A l'issue d'une durée d'injection supplémentaire prédéterminée 30 (retard 1), on effectue alors un nouveau calcul 50 du travail à proximité du PMH, lequel fournit un travail W2. Il apparaît nécessaire d'attendre un certain délai pour que les effets de l'injection supplémentaire soient perceptibles sur le travail W2. Puis, on arrête 60 l'injection de carburant au niveau de l'injecteur à l'échappement (ou pour la variante de réalisation de la figure 2, on 5 coupe la post-injection). A l'issue d'une durée prédéterminée à compter de l'arrêt de l'injection supplémentaire (retard 2), on calcule 70 alors à nouveau le travail à proximité du PMH, lequel fournit un travail W3. Les différents calculs sont alors comparés à l'étape 80. 10 Plus précisément, on détermine la différence W2-W1 et on regarde si cette différence est supérieure à une valeur prédéterminée (S1). A la place de cette comparaison, ou bien en plus de cette comparaison, on détermine également la différence W2-W3 et on regarde si cette différence est supérieure à une valeur prédéterminée (S2). 15 Le critère peut donc se résumer ainsi : W2-W1 > S1 et/ou W2-W3 > S Si le critère est observé (Oui), alors on conclut à la défaillance 90 du dispositif de post-traitement, et le diagnostic est terminé 91. Dans le cas contraire (Non), alors on conclut au bon 20 fonctionnement 100 du dispositif de post-traitement, et le diagnostic est terminé 101. Il est à noter que d'autres moyens que le capteur de pression 8 disposé dans le cylindre, pourraient être employés pour le diagnostic, comme la mesure du couple instantané (couple-mètre) ou la mesure 25 effectuée par un accéléromètre placé dans la culasse du moteur ou encore par tout moyen permettant d'acquérir une information exploitable de la température régnant dans le cylindre. Ces données permettent en effet de fournir également l'énergie supplémentaire libérée par les gaz d'échappement recirculés. 30 On notera que le procédé selon l'invention qui vient d'être détaillé ne pourra être mis en oeuvre que sous l'une au moins des conditions de diagnostic 20 (figure 4) suivantes : - la requête de séquençage d'injection doit être faite, - aucun défaut électrique ne doit être détecté sur le capteur de pression 8 disposé dans le cylindre 7 ou, le cas échéant, sur tout autre moyen de mesurer la grandeur physique permettant le 5 diagnostic (couple mètre, accéléromètre ou autre), - aucun défaut électrique ne doit être détecté sur l'injecteur 6 et le cas échéant sur l'injecteur supplémentaire 5, - aucun défaut ne doit être détecté sur la pompe d'alimentation en carburant (non représentée), lo L'objectif principal de ce diagnostic est de répondre aux exigences réglementaires des normes EOBD, OBDII (Etats-Unis d'Amérique) ou OBD (Japon), en particulier pour des applications pour moteur diesel. Ce procédé de diagnostic revient à utiliser le moteur à combustion interne comme un capteur d'hydrocarbures, dont la réponse physique 15 mesurable associée est inversement proportionnelle à l'efficacité de la phase catalytique du dispositif de post-traitement diagnostiqué. Ce procédé de diagnostic est avantageux par rapport aux procédés connus, car contrairement à ces procédés connus utilisant un capteur de température, il n'est pas pénalisé par l'inertie thermique de 20 l'ensemble formé par le dispositif de post-traitement/ligne d'échappement sur laquelle il est monté, ensemble qui se trouve entre les capteurs de température. Compte tenu de cet avantage, le procédé de diagnostic permet de réduire considérablement la durée de post-injection tardive au niveau 25 de l'injecteur 6 ou, le cas échéant, la durée d'injection de l'injecteur supplémentaire 5, ainsi que la durée totale du diagnostic. 30 REVENDICATIONS 1. Procédé de diagnostic d'un dispositif de post-traitement (2) des gaz d'échappement d'un moteur (1) comprenant une boucle de recirculation des gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce qu'on calcule le travail (W1, W3) fourni au piston (7) dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur, on effectue une injection supplémentaire de carburant dans le moteur par rapport à une injection nominale, on calcule le travail (W2) fourni au piston (7) à l'issue d'une durée d'injection supplémentaire prédéterminée, et on compare l'écart ou le rapport des travaux ainsi calculés entre eux par rapport à une valeur prédéterminée (S1, S2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (40) d'injection supplémentaire de carburant dans le moteur consiste à injecter du carburant dans la ligne d'échappement en amont du dispositif de post-traitement ou à effectuer une post-injection dans le cylindre, pendant une durée prédéterminée correspondant au temps de réponse de la boucle de recirculation des gaz d'échappement. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on calcule le travail (W1) fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur, préalablement à l'injection supplémentaire de carburant dans celui-ci. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 30 en ce qu'on calcule le travail (W3) fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur, à l'issued'une durée prédéterminée à compter de l'arrêt de l'injection supplémentaire de carburant dans celui-ci. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce que: - on compare l'écart ou le rapport entre le travail (W2) fourni au piston du moteur à l'issue d'une durée d'injection supplémentaire prédéterminée (40) de carburant dans le moteur et le travail (W1) fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales 10 du moteur préalablement à l'injection supplémentaire de carburant dans le moteur, avec une première valeur prédéterminée (S1) ; - on compare l'écart ou le rapport entre le travail (W2) fourni par le piston du moteur à l'issue d'une durée d'injection supplémentaire 15 (40) de carburant dans le moteur et le travail (W3) fourni au piston dans des conditions de fonctionnement nominales du moteur à l'issue d'une durée prédéterminée à compter de l'arrêt de cette injection supplémentaire (W3), avec une deuxième valeur prédéterminée (S2) ; et 20 - si dans l'un des deux cas, ou bien si dans les deux cas à la fois, l'écart ou le rapport respectif est supérieur à la valeur prédéterminée respective (S1, S2), on identifie le dispositif comme défaillant. 25 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on diminue ou on coupe la quantité de carburant pré-injecté dans le moteur, au début du calcul du travail (W1) fourni au piston (7). 30 7. procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on diminue ou on coupe la quantité de carburant pré-injectédans le moteur, au plus tard au commencement de l'étape d'injection supplémentaire (40) de carburant dans le moteur. 8. Moteur (1) à combustion interne comprenant un dispositif (2) de post-traitement des gaz d'échappement et un circuit (4) de recirculation des gaz d'échappement en aval du dispositif de post-traitement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. 9. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de mise en oeuvre du procédé comprennent l'un, au choix, parmi un capteur de pression, un couple-mètre, un accéléromètre ou encore un moyen de mesure de la température régnant dans le cylindre.