Brevet FR2918113A1 — publié le 20090102

La présente invention est relative à un procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. Il s'agit donc plus particulièrement de surveiller l'efficacité catalytique d'un organe de purification des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Un tel organe est généralement appelé "convertisseur catalytique" ou "catalyseur". Les moteurs à combustion interne produisent des gaz d'échappement qui contiennent des substances polluantes tels que des oxydes d'azote, des hydrocarbures imbrûlés ou du monoxyde de carbone, qu'il est nécessaire de traiter avant de les évacuer dans l'atmosphère. Pour ce faire, les véhicules sont pourvus d'un convertisseur catalytique installé dans la ligne d'échappement du moteur qui permet d'oxyder les molécules réductrices constituées par le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC). Afin de contrôler le bon fonctionnement du convertisseur, ces véhicules sont pourvus d'un dispositif de contrôle de son état, apte à signaler tout dysfonctionnement au conducteur. Dans le document EP-B-1 323 905 au nom du présent demandeur, il est proposé, pour le contrôle de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, d'exciter le convertisseur par injection de carburant dans la ligne d'échappement et de contrôler la valeur d'une variable représentative de la quantité de chaleur dégagée par une réaction d'oxydation au sein du convertisseur catalytique. Selon cette invention, on surveille la température de fonctionnement du convertisseur catalytique et on procède à l'injection de carburant à une température correspondant à une température d'amorçage d'un convertisseur ayant un fonctionnement correct. On décrit par ailleurs dans le document US-A-6,363,713 un procédé de diagnostic embarqué pour détecter si un système de contrôle des émissions d'un moteur diesel fonctionne normalement. Ce procédé consiste à surveiller en continu l'augmentation de température générée par un catalyseur, ainsi que sa température de conversion, en référence à des valeurs théoriques stockées dans un ordinateur. Si l'une de ces valeurs tombe en dessous des valeurs de référence prédéterminées, les émissions polluantes du véhicule peuvent excéder des taux standards et, si c'est le cas, le système pilote l'allumage d'un voyant pour avertir le conducteur que le catalyseur nécessite un entretien. Par ailleurs, le document US-6,408,716 décrit un procédé pour surveiller l'activité d'un catalyseur qui inclut le fait d'injecter des hydrocarbures dans la ligne d'échappement à un taux suffisant pour maintenir une concentration constante en réducteurs dans le catalyseur quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur, ceci de manière à permettre un calcul en continu du taux de conversion des hydrocarbures imbrûlés par le catalyseur et, au final, de déterminer si le catalyseur répond aux normes d'émission de polluants en vigueur. De cet état de la technique, il ressort que la surveillance d'une fonction oxydante intégrée à un organe de dépollution placé dans la ligne d'échappement repose sur l'utilisation d'une injection tardive chargée d'envoyer les hydrocarbures réducteurs sur la phase catalytique oxydante. La réaction d'oxydation qui s'opère génère alors une réaction exothermique, qui est l'image de l'activité catalytique. Cette activité catalytique est elle-même fonction de l'imprégnation catalytique du convertisseur, de sorte qu'une corrélation entre l'exotherme observé 20 et l'état du vieillissement du système peut être établie. Toutefois, la mise en oeuvre d'une injection avec un phasage tardif induit un risque de dilution de l'huile de lubrification par le carburant injecté dans la chambre. Par ailleurs, l'efficacité de la réaction d'oxydation des hydrocarbures n'est jamais totale et une quantité de réducteurs peut traverser le dispositif (ce qui est 25 appelé "pénalité HC"), sans être traitée, ce qui induit un risque de pollution. La présente invention vise à proposer un procédé de surveillance de l'efficacité catalytique d'un organe intégrant une fonction d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés, qui permet de minimiser l'impact des deux inconvénients exposés ci-dessus. 30 Ainsi, la présente invention propose un procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant l'excitation du convertisseur par injection de carburant dans la ligne d'échappement et contrôle de la valeur d'une variable représentative de la quantité de chaleur dégagée par une réaction 35 d'oxydation au sein du convertisseur catalytique, selon lequel on surveille la température de fonctionnement dudit convertisseur, ce procédé se caractérisant essentiellement par le fait qu'on procède à ladite injection de carburant dans un intervalle de températures compris entre la température d'amorçage d'un convertisseur neuf de référence et la température d'amorçage d'un convertisseur usagé de référence. Selon cette invention, le critère de base du diagnostic est la réponse exothermique du système à une injection de réducteurs. Le pouvoir discriminant de ce critère sera donc défini par l'écart de réponse exothermique entre une pièce "bonne" et une pièce "mauvaise" de référence. Dans un mode de réalisation préféré, les températures d'amorçage 10 des convertisseurs neuf et usagé de référence sont préalablement déterminées, notamment sur banc d'essai. Avantageusement, les températures sont stockées dans une mémoire associée audit moteur. Selon une forme de réalisation avantageuse, la température de 15 fonctionnement du convertisseur est déterminée en amont de celui-ci. Un autre critère important de ce procédé de diagnostic est d'injecter le minimum requis de réducteurs, ceci afin de réduire le risque de rejet à l'extérieur d'hydrocarbures imbrûlés. Ainsi, selon des caractéristiques avantageuses qui permettent de 20 remplir cet objectif : - on procède à ladite injection seulement lorsque des paramètres prédéterminés de fonctionnement du moteur sont stables pendant une durée prédéfinie ; - la quantité de carburant injectée est fonction du régime du moteur 25 et est comparée à une valeur de consigne elle-même fonction du régime du moteur, et, dans l'hypothèse où cette quantité est inférieure à la valeur de consigne pour le régime considéré, on décrète un échec de diagnostic ; - on calcule une température moyenne Taval en aval du convertisseur sur une courte durée avant ladite injection de carburant, puis les 30 critères suivants : Max (Taval(t) - Taval ) et (Taval(t)û Taval)dt. T0 où TO est la durée d'observation de la température en aval du 35 convertisseur. - on modélise la température Tmod en aval d'une ligne d'échappement de référence dépourvue de convertisseur, puis on calcule les critères suivants : Max (Taval(t) û Tmod (t)) et J(Taval (t) û T mod(t))dt. 7'o où TO est la durée d'observation de la température en aval du convertisseur. - on diagnostique un bon fonctionnement du convertisseur, 10 respectivement un mauvais fonctionnement du convertisseur, en comparant l'un au moins desdits critères à un seuil de décision calibré ; - on diagnostique un bon fonctionnement du convertisseur, respectivement un mauvais fonctionnement du convertisseur, sur la base de plusieurs mesures successives. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on surveille la température de fonctionnement du convertisseur, via la mesure de la concentration en hydrocarbures réducteurs des gaz d'échappement. De préférence, cette mesure est réalisée au moyen de sondes proportionnelles au taux d'oxygène dans lesdits gaz. Enfin, on injecte le carburant dans la ligne d'échappement, c'est-à-dire en un emplacement situé en aval du moteur et en amont du convertisseur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. 25 Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre des courbes illustrant la variation de l'efficacité de conversion des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone, en fonction de la température d'entrée du convertisseur, respectivement pour un catalyseur neuf 30 et pour un catalyseur usagé ; - la figure 2 montre des courbes illustrant l'exotherme généré par l'activité catalytique de convertisseurs neuf et usagé pour une quantité de réducteurs donnée, en fonction de la température d'entrée dans le système d'oxydation, ainsi que l'écart entre les exothermes des convertisseurs ; 15 20 - la figure 3 est un schéma d'un moteur à combustion interne, équipé d'une ligne d'échappement pourvue d'un convertisseur catalytique, permettant la mise en oeuvre du procédé de contrôle conforme à l'invention. A la figure 1 est représenté schématiquement l'impact du vieillissement d'un convertisseur catalytique sur l'efficacité de conversion du monoxyde de carbone CO et des hydrocarbures imbrûlés HC. Sur cette figure, sont donc tracées en fonction de la température en entrée du convertisseur catalytique, les courbes de conversion pour un convertisseur de référence, tel qu'un convertisseur neuf (courbe PN) et la courbe relative à un convertisseur vieilli, par exemple usagé (courbe PU). A l'examen de ces courbes, on constate que l'impact du vieillissement du convertisseur catalytique sur l'efficacité de conversion du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés est double. En effet, on constate un décalage de la température d'amorçage du 15 convertisseur vers des températures plus élevées. Par ailleurs, quand le convertisseur est amorcé, l'efficacité de conversion instantanée est plus faible, quand la phase catalytique vieillit. Ces écarts sont visualisés sur la figure par les deux zones nommées DE. 20 Toujours en référence à cette figure, et en considérant la température d'entrée du système d'oxydation, on peut alors définir trois zones de températures référencées A, B et C. La première zone A est celle dans laquelle les deux convertisseurs ne sont pas amorcés, de sorte qu'aucune conversion n'est réalisée. 25 La zone B correspond à une zone d'amorçage où la conversion est partielle, de sorte que la capacité de traitement des convertisseurs n'est pas encore totalement opérationnelle. Quant à la zone C, elle correspond à la zone de température dans laquelle les pièces sont amorcées et la conversion est optimale (mais non totale). 30 Dans cette zone, la capacité de traitement du système catalytique est 100 % opérationnelle. Comme déjà dit plus haut, le principe à la base du présent procédé de diagnostic est la réponse exothermique du système catalytique à une injection de réducteurs. Le pouvoir discriminant de ce critère est donc défini par l'écart de 35 réponse exothermique entre une pièce "bonne" et une pièce "mauvaise". Par ces deux dernières expressions, on entend un catalyseur neuf de référence et un catalyseur usagé de référence. En se reportant à la figure 2, on a tracé les courbes exothermiques de deux catalyseurs, l'un neuf (courbe EPN) et l'autre usagé (courbe EPU), en fonction de la température d'entrée du système d'oxydation et on a représenté sous la forme d'une courbe additionnelle EE, l'écart entre les exothermes de ces systèmes neuf et usagé. Ceci permet de définir trois zones de températures. Une première zone F est celle dans laquelle la conversion n'est pas amorcée et où il n'est pas possible de faire la moindre discrimination entre la pièce neuve et la pièce usagée. Dans la zone intermédiaire G, qui correspond au pic de la courbe EE, le convertisseur neuf est amorcé tandis que le convertisseur usagé ne l'est pas. Dans cette zone, la discrimination est optimale. Enfin, dans la zone H, les deux convertisseurs sont amorcés. La 15 discrimination est encore possible, mais avec une perte de fiabilité. On a représenté à la figure 3 un moteur à combustion interne équipé d'une ligne d'échappement 1, elle-même pourvue d'un convertisseur catalytique 13 associé à un dispositif de contrôle, qui permet de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. 20 Sur cette figure, on a représenté, de manière schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile désigné par la référence générale 2. Ce moteur est par exemple à quatre cylindres en ligne. Les cylindres sont alimentés en air par l'intermédiaire d'un répartiteur d'admission, lui-même alimenté par une conduite pourvue d'un filtre à air non 25 représenté et d'un turbocompresseur 11 de suralimentation du moteur en air. Un collecteur d'échappement récupère les gaz issus de la combustion et évacue ces derniers vers l'extérieur, en passant par le turbocompresseur 11 et par une ligne d'échappement 1. La ligne d'échappement 1 comporte un filtre à particules non 30 représenté ainsi qu'un convertisseur catalytique 13 qui assure essentiellement une oxydation des molécules réductrices constituées par le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HC. Ce convertisseur est constitué par un élément de type classique, à la portée d'un homme du métier. Il ne sera donc pas décrit en détail par la suite. 35 Le moteur 2 est par ailleurs associé à un calculateur embarqué 3 (ordinateur) qui assure essentiellement le contrôle du fonctionnement du moteur, notamment le réglage de ses paramètres de fonctionnement, ainsi que celui du convertisseur catalytique 13. Pour procéder au contrôle du moteur et du convertisseur, des capteurs sont prévus. Ils permettent notamment d'accéder à certaines variables du moteur tels que le régime, le couple, la vitesse du véhicule, les paramètres de l'injection, etc. Par ailleurs, sont disposés à l'entrée et à la sortie du convertisseur catalytique 13, deux capteurs de température de gaz d'échappement, référencés 12 et 14. Selon un premier aspect, le procédé selon l'invention consiste à injecter du carburant dans la ligne d'échappement dans un intervalle de températures compris entre la température d'amorçage d'un convertisseur neuf de référence et la température d'amorçage d'un convertisseur usagé de référence. Cela détermine ce que l'on peut nommer la fenêtre thermique du procédé de diagnostic. Ces températures d'amorçage de référence sont préalablement déterminées, par exemple sur banc d'essai. Lesdites températures sont avantageusement stockées dans la mémoire du calculateur 3 associé au moteur 2. Pour autoriser l'injection de carburant, on surveille la température de 20 fonctionnement du convertisseur 13. Pour ce faire, on procède à une mesure de la température de fonctionnement en amont de celui-ci, grâce au capteur 12. Toutefois, pour éviter d'initier une séquence de diagnostic dans une période de régime transitoire du moteur, on procède à l'injection seulement lorsque les paramètres prédéterminés de 25 fonctionnement du moteur 2 sont stables pendant une durée prédéfinie. Par ailleurs, la quantité de carburant injectée est fonction du régime du moteur et est comparée à une valeur de consigne elle-même fonction du régime de ce moteur. Ainsi, dans l'hypothèse où cette quantité est inférieure à la valeur de consigne pour un régime considéré, on décrète un échec de diagnostic. 30 Une autre étape du procédé consiste à surveiller le fonctionnement du moteur pour la mesure de la réponse exothermique. Pour ce faire, plusieurs critères peuvent être employés. Dans une première forme de réalisation, on calcule une température moyenne Taval en aval du convertisseur sur une courte durée avant l'injection de 35 carburant, puis les critères suivants : Max (Taval(t) - Taval ) et f (raval (t) û Taval)dt. TO où TO est la durée d'observation de la température en aval du 5 convertisseur. Une autre méthode consiste à modéliser la température Tmod en aval d'une ligne d'échappement de référence dépourvue de convertisseur, puis à calculer les critères suivants : Max (Taval(t) ù Tmod (t)) 10 et f (raval (t) û T mod(t))dt. TO Où "f0 est telle que définie ci-dessus. On diagnostique alors un bon fonctionnement du convertisseur, ou respectivement un mauvais fonctionnement du convertisseur, en comparant à l'un au 15 moins de ces critères à un seuil de décision calibré. Ceci permet de garantir la fiabilité de la décision. Avantageusement, le diagnostic du bon fonctionnement du convertisseur ou son mauvais fonctionnement est fait sur la base de plusieurs mesures successives. 20 Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, on injecte le carburant dans la ligne d'échappement 1 en un emplacement situé en aval du moteur 2 et en amont du convertisseur catalytique 13. Ainsi, on injecte des hydrocarbures imbrûlés directement en entrée du convertisseur 13. Cela permet de réduire le taux de carburant dilué dans l'huile moteur. La commande d'injection est 25 alors spécifique au procédé de diagnostic et permet d'éviter d'éventuels problèmes de génération de couples dus à la recirculation des gaz porteurs d'hydrocarbures imbrûlés par le biais du turbocompresseur. Dans une variante de réalisation, on peut remplacer les capteurs de températures 12 et 14 par des sondes proportionnelles au taux d'oxygène. Ces 30 sondes permettent de mesurer directement le taux d'hydrocarbures imbrûlés du mélange gazeux. Par ce biais, on évite l'étape décrite précédemment consistant à retranscrire l'exotherme en quantité d'hydrocarbures imbrûlés traités. En effet, la mesure et la comparaison directe de la concentration de ces hydrocarbures dans les 8 gaz d'échappement en amont et en aval permettent de calculer la capacité de traitement du système. Un tel mode de réalisation présente un certain nombre d'avantages. En premier lieu, un avantage est la vitesse de prise de décision. En effet, le temps de réponse de ces sondes est très court. D'autre part, il permet de raccourcir considérablement la durée du plateau d'injection des hydrocarbures imbrûlés. En effet, le phénomène de montée en température progressive en sortie du système (qui dépend directement de l'inertie thermique du matériau et du temps de réponse du capteur de température en aval du système) n'existant plus, on peut réduire la quantité d'hydrocarbures à injecter (dans sa durée) pour prendre une décision. Un autre avantage résulte de la robustesse aux dispersions d'injection. Etant donné le fait qu'on mesure la concentration d'hydrocarbures en entrée du système, une dérive ou une dispersion d'injection de ces hydrocarbures sera vue et corrigée par une régulation de boucle ouverture afin d'atteindre une consigne. Ceci permet donc de décontraindre la consigne d'hydrocarbures à injecter. REVENDICATIONS 1. Procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique (13) d'une ligne d'échappement (1) d'un moteur à combustion interne (2), comprenant l'excitation du convertisseur par injection de carburant dans la ligne d'échappement (1) et contrôle de la valeur d'une variable représentative de la quantité de chaleur dégagée par une réaction d'oxydation au sein du convertisseur catalytique (13), selon lequel on surveille la température de fonctionnement dudit convertisseur (13), caractérisé par le fait que l'on procède à ladite injection de carburant dans un intervalle de températures compris entre la température d'amorçage d'un convertisseur neuf de référence et la température d'amorçage d'un convertisseur usagé de référence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites températures d'amorçage des convertisseurs neuf et usagé de référence sont préalablement déterminées, notamment sur banc d'essai. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites températures sont stockées dans une mémoire associée (3) audit moteur (2). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la température de fonctionnement dudit convertisseur (13) est déterminée en amont de celui-ci. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on procède à ladite injection seulement lorsque des paramètres prédéterminés de fonctionnement du moteur (2) sont stables pendant une durée prédéfinie. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite quantité de carburant injectée est fonction du régime du moteur (2) et est comparée à une valeur de consigne elle-même fonction du régime du moteur (2), et que, dans l'hypothèse où cette quantité est inférieure à la valeur de consigne pour le régime considéré, on décrète un échec de diagnostic. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on calcule une température moyenne Taval en aval du convertisseur (13) sur une courte durée avant ladite injection de carburant, puis les critères suivants :Max (Taval(t) - Taval ) et .f (Taval(t)ù Taval)dt. TO où TO est la durée d'observation de la température en aval du 5 convertisseur. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on modélise la température Tmod en aval d'une ligne d'échappement (1) de référence dépourvue de convertisseur, puis que l'on calcule les critères suivants : Max (Taval(t) ù Tmod (t)) 10 et f (Taval(t) ù T mod(t))dt. ro où TO est la durée d'observation de la température en aval du convertisseur. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé par le 15 fait que l'on diagnostique un bon fonctionnement du convertisseur (13), respectivement un mauvais fonctionnement, en comparant l'un au moins desdits critères à un seuil de décision calibré. 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'on diagnostique un bon fonctionnement du convertisseur (13), respectivement 20 un mauvais fonctionnement, sur la base de plusieurs mesures successives. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on surveille la température de fonctionnement dudit convertisseur (13), via la mesure de la concentration en hydrocarbures réducteurs des gaz d'échappement. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que 25 ladite mesure est réalisée au moyen de sondes proportionnelles au taux d'oxygène dans lesdits gaz. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on injecte ledit carburant dans la ligne d'échappement, c'est à dire en un emplacement situé en aval du moteur (2) et en amont dudit convertisseur (13).