Brevet FR2933737A1 — publié le 20100115

DEMANDE DE BREVET B08-0365FR - AxC/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Procédé de détection de soufre dans un carburant et moteur à combustion interne utilisant ce procédé Invention de : TEYSSEYRE Nicolas GIRODON Alain Procédé de détection de soufre dans un carburant et moteur à combustion interne utilisant ce procédé La présente invention est relative d'une manière générale à la détection de la quantité de soufre contenue dans le carburant alimentant un moteur à combustion interne. Afin de satisfaire la réglementation concernant les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, on dispose généralement des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion interne. On utilise notamment de plus en plus souvent des systèmes de post-traitement fonctionnant de manière discontinue. Lors du fonctionnement normal du moteur, le système agissant comme un piège retient les éléments polluants des gaz d'échappement qui le traversent. L'élimination des polluants ainsi piégés se fait ensuite au moyen d'un traitement de purge consistant à élever la température d'un niveau suffisant et/ou à modifier la richesse du mélange admis dans le moteur à combustion. Ces traitements de purge sont effectués lors de phases dites � de régénération � qui nécessitent de commander le moteur afin d'augmenter la richesse du mélange admis dans le moteur. Parmi les systèmes de post-traitement, on peut citer en particulier les dispositifs de pièges à oxydes d'azote. Un tel piège à oxydes d'azote permet de stocker les différents oxydes d'azote (NOx) produits par le moteur à combustion interne, en particulier les moteurs de types Diesel. Lorsqu'un seuil de chargement en oxydes d'azote est atteint, une unité de commande est capable de déclencher une phase de régénération consistant à purger le piège en réduisant les oxydes d'azote qui sont alors convertis en azote gazeux et en dioxyde de carbone. On constate que la capacité de stockage d'un tel piège à oxydes d'azote s'altère au cours du temps en raison de la présence de soufre dans le carburant alimentant le moteur et dans l'huile de lubrification du moteur. En effet, ce soufre se dépose sur les sites catalytiques de stockage des oxydes d'azote prévus dans le piège, diminuant ainsi la masse maximum de stockage des oxydes d'azote. L'efficacité d'un tel piège à oxydes d'azote décroît donc au fur et à mesure de l'accumulation du soufre dans le piège. Pour pallier cette difficulté et redonner au piège à oxydes d'azote sa capacité initiale de stockage, on peut procéder à des opérations périodiques de désulfuration destinées à éliminer les produits soufrés qui se sont accumulés dans le piège. Une telle étape de désulfuration nécessite une température élevée au sein du piège à oxydes d'azote (généralement supérieure à environ 650°C), ainsi qu'un milieu gazeux réducteur pendant plusieurs dizaines de secondes. On obtient ces conditions par une modification du fonctionnement du moteur en injectant une quantité plus importante de carburant, éventuellement à des moments spécifiques. Généralement, la stratégie de désulfuration d'un tel piège à oxydes d'azote est élaborée à partir d'une teneur en soufre déterminée dans le carburant et l'huile utilisés. L'empoisonnement en soufre du piège peut être ainsi estimé afin de déclencher une opération de désulfuration lorsque la masse de soufre contenue dans le piège à oxydes d'azote dépasse un seuil déterminé. Une telle procédure se heurte à une difficulté lorsque la teneur en soufre du carburant varie. Or, on constate que le carburant utilisé, en particulier dans les moteurs à combustion interne de type Diesel, présente dans chaque pays une teneur en soufre différente en fonction des normes locales. C'est ainsi par exemple, qu'en Europe le carburant comporte une teneur maximale de 50 ppm en soufre tandis qu'en Russie la teneur en soufre du carburant est souvent supérieure à 1000 ppm et que dans d'autres pays tels que l'Algérie, la teneur en soufre est de l'ordre de 600 ppm. Ainsi, un conducteur voyageant dans différents pays pourrait être amené à alimenter le moteur de son véhicule avec des carburants différents. I1 pourrait en résulter un empoisonnement plus ou moins rapide du piège à oxydes d'azote dont le moteur à combustion interne est équipé, entraînant alors une détérioration de ce piège. On comprend en effet que la durée des étapes successives de désulfuration ainsi que leur efficacité dépendent de l'empoisonnement en soufre qui a été préalablement estimé. L'utilisation d'un carburant contenant une teneur en soufre différente de celle qui était prévue à l'origine entraîne donc des désulfurations incomplètes et une perte d'efficacité du piège à oxydes d'azote. On connaît déjà des procédés et dispositifs de mesure ou de détermination par estimation de la teneur en soufre du carburant alimentant un moteur à combustion interne. C'est ainsi que la demande de brevet japonais JP 2004-232576 (Toyota) propose d'évaluer la teneur en soufre du carburant en comparant la durée effective d'une étape de désulfuration réalisée avec un mélange riche à la durée d'une même étape de régénération estimée. La fiabilité d'une telle stratégie dépend donc de la précision de l'estimation de la durée normale d'une étape de désulfuration. La demande de brevet japonais JP 2001-280179 (Mazda) a pour objet d'augmenter la précision de la quantité estimée de soufre dans un piège à oxydes d'azote malgré les variations du taux de soufre contenu dans le carburant. Dans ce document, il est prévu d'utiliser une sonde de richesse montée en aval du piège à oxydes d'azote pour en déduire l'empoisonnement réel du piège. Cette donnée est ensuite comparée à une valeur estimée pour en déduire le taux de soufre dans le carburant. La demande de brevet WO 01/49988 (Robert Bosch) propose de déterminer le taux de soufre contenu dans le carburant en utilisant la notion de vieillissement d'un piège à oxydes d'azote, le vieillissement étant défini comme la capacité de stockage du piège en oxydes d'azote. L'évolution du vieillissement dans le temps est surveillée au moyen d'une mesure des oxydes d'azote présents en aval du piège. Un dispositif de commande détermine la quantité de carburant nécessaire pour une désulfuration ainsi que la quantité de soufre éliminée pour une quantité déterminée de carburant. Le taux de soufre dans le carburant est déduit de ces deux valeurs. Une corrélation est ensuite établie entre l'augmentation du vieillissement en fonction du temps et le taux de soufre dans un carburant déterminé. Un tel procédé est complexe à mettre en oeuvre et nécessite une pluralité de mesures dont la précision n'est pas garantie. La présente invention a pour objet de faciliter la détermination du taux de soufre contenu dans un carburant déterminé alimentant un moteur à combustion interne, et ce d'une manière plus simple que dans l'état de la technique et également plus robuste et plus fiable. La présente invention a également pour objet de détecter un empoisonnement anormal en soufre d'un piège à oxydes d'azote et d'alerter le conducteur du véhicule d'une telle situation anormale susceptible de rendre le système de post-traitement inefficace. Dans un mode de mise en oeuvre, il est proposé un procédé de détection de la quantité de soufre contenue dans le carburant alimentant un moteur à combustion interne équipé d'un piège à oxydes d'azote monté dans sa ligne d'échappement, dans lequel on détermine la durée de plusieurs purges successives des oxydes d'azote accumulés dans le piège à oxydes d'azote et on compare la diminution de la durée desdites purges dans le temps avec un seuil. L'évolution des purges successives du piège à oxydes d'azote est ainsi utilisée pour apprécier la contamination du piège par le soufre. On peut en déduire par exemple que le carburant utilisé est anormalement soufré. De préférence, la détermination de la durée des purges est faite en mesurant la richesse des gaz en aval du piège à oxydes d'azote. Une telle détection est particulièrement robuste puisqu'elle se base sur une mesure effective de richesse et non pas sur une estimation. On peut avantageusement mémoriser la durée des purges successives afin de faciliter l'étape de comparaison. On peut envisager de déclencher une alarme lorsque la diminution de la durée desdites purges dans le temps dépasse ledit seuil. Le conducteur du véhicule équipé du moteur à combustion interne est ainsi averti d'une contamination par le soufre du système de dépollution du véhicule et du risque de mauvais fonctionnement qui peut en résulter. On peut également modifier automatiquement la stratégie de désulfuration du piège à oxydes d'azote lorsque la diminution de la durée desdites purges dans le temps dépasse ledit seuil. De cette manière, la stratégie de désulfuration du piège à oxydes d'azote peut être automatiquement adaptée à la quantité de soufre contenue dans le piège ou au taux de soufre contenu dans un carburant spécifique. Dans un mode de réalisation, un moteur à combustion interne de véhicule automobile est équipé d'un système de commande d'injection de carburant piloté par une unité de commande électronique et comporte un piège à oxydes d'azote monté dans sa ligne d'échappement. L'unité de commande électronique comporte des moyens pour déclencher et arrêter des phases d'injection de quantités de carburant adaptées à la purge des oxydes d'azote dans le piège à oxydes d'azote. L'unité de commande électronique comprend en outre des moyens pour déterminer la durée de plusieurs purges successives du piège à oxydes d'azote et des moyens pour comparer la diminution de la durée desdites purges dans le temps avec un seuil. Un moyen de détection de la fin d'une purge des oxydes d'azote est avantageusement disposé en aval du piège à oxydes d'azote et connecté à l'entrée de l'unité de commande électronique. De préférence, une sonde de mesure de la richesse des gaz est montée dans la ligne d'échappement, en aval du piège à oxydes d'azote. La sonde est connectée à l'entrée de l'unité de commande électronique de façon à fournir un signal de mesure de richesse et à permettre la détection de la fin d'une purge des oxydes d'azote. L'unité de commande électronique comprend avantageusement des moyens pour mémoriser la durée des purges successives. Un dispositif d'alarme peut être connecté à l'unité de commande électronique de façon à alerter le conducteur du véhicule d'un risque de défaillance du piège à oxydes d'azote en raison d'une accumulation de soufre dans le piège. Des moyens peuvent également être prévus dans l'unité de commande électronique pour modifier la stratégie de désulfuration du piège à oxydes d'azote lorsque la diminution de la durée desdites purges dans le temps dépasse ledit seuil. La stratégie de purge peut ainsi être adaptée au carburant utilisé. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif, et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion interne avec son système de post-traitement des gaz d'échappement ; - la figure 2 illustre des courbes de variation de durée des phases de régénération ou de purge du piège à oxydes d'azote en fonction du temps ; et - la figure 3 illustre les principales étapes d'un procédé de détection selon l'invention. L'exemple illustré sur la figure 1 porte sur un moteur à combustion interne référencé 1 dans son ensemble, qui est, dans l'exemple, un moteur à combustion de type Diesel suralimenté. On comprendra bien entendu que l'invention puisse également s'appliquer à des moteurs à essence et en particulier des moteurs à essence à injection directe. De même, l'invention pourrait s'appliquer à des moteurs ne comportant pas de turbocompresseur de suralimentation. Le moteur 1 illustré sur la figure 1 comprend quatre cylindres 2 qui reçoivent, par un collecteur d'admission 3, de l'air comprimé par un compresseur 4 mécaniquement couplé à une turbine 5. Les gaz d'échappement issus des cylindres 2 du moteur 1 parviennent à la turbine 5 par le collecteur d'échappement 6. Dans l'exemple illustré, une partie des gaz d'échappement est également recyclée par une boucle de recirculation 7 comportant une vanne de recirculation 8 (dite vanne � EGR �). Les gaz d'échappement, après avoir cédé une partie de leur énergie dans la turbine 5 afin d'entraîner le compresseur 4, sont dirigés vers l'extérieur par la ligne d'échappement 9 dans laquelle sont successivement montés, un piège à oxydes d'azote 10 (NOx) et un filtre à particules 11 (FAP). Le calculateur embarqué, également appelé unité de contrôle électronique 12 (UCE) permet, par des moyens logiciels mémorisés, de commander le fonctionnement du moteur à combustion 1, et en particulier l'injection du carburant dans les cylindres 2 par une rampe d'injection commune 13. Le signal de commande émis par l'unité de contrôle électronique 12 à cet effet est transmis par la connexion 14. L'unité de contrôle électronique 12 reçoit différents signaux provenant de capteurs de mesure afin de lui permettre d'assurer ses fonctions de commande. Sur la figure 1, on a représenté en particulier un capteur 15 mesurant la température des gaz d'échappement en amont de la turbine 5. Le capteur 15 est relié par la connexion 16 à l'unité de contrôle électronique 12. Une première sonde à oxygène 17 montée en amont du piège à oxydes d'azote 10 est reliée à l'unité de contrôle électronique 12 par la connexion 18. Une deuxième sonde à oxygène 19 est montée en aval du piège à oxydes d'azote 10 entre celui-ci et le filtre à particules 11. La sonde à oxygène 19 permet de mesurer la richesse des gaz s'écoulant dans la ligne d'échappement 9 en aval du piège à oxydes d'azote 10. La sonde à oxygène 19 est reliée à l'unité de contrôle électronique 12 par la connexion 20. On a également représenté sur la figure 1 un capteur de température 21, monté dans la ligne d'échappement 9 entre le piège à oxydes d'azote 10 et le filtre à particules 11, et relié à l'unité de contrôle électronique 12 par une connexion 22. La sonde 19 est décrite ici à titre d'exemple uniquement. Elle pourrait être remplacée par tout autre moyen de mesure, ou tout capteur capable de déterminer la fin d'une opération de purge du filtre à oxydes d'azote 10. Selon l'invention, il est proposé de détecter la teneur en soufre du carburant injecté dans le moteur à combustion 1 par l'observation de la durée des phases de régénération du piège à oxydes d'azote 10. Ces phases de régénération ont pour but d'éliminer les oxydes d'azote accumulés dans le piège 10 au cours d'une période de fonctionnement normal du moteur 1. Elles seront appelées dans la présente description, des � purges � du piège 10. En effet, en fonctionnement normal du moteur à combustion interne 1, les gaz d'échappement qui s'écoulent par la ligne d'échappement 9 chargent progressivement en oxydes d'azote des sites catalytiques se trouvant à l'intérieur du piège 10. Lorsque la quantité d'oxydes d'azote NOx accumulés dans le piège 10 atteint une limite déterminée, l'unité de contrôle électronique 12 modifie le signal de commande véhiculé par la connexion 14 de façon à modifier les conditions d'injection du carburant. En particulier, une quantité plus importante de carburant est alors injectée, de sorte que la richesse des gaz d'échappement devient supérieure à 1, jusqu'à ce que les oxydes d'azote stockés pendant le fonctionnement précédent aient été éliminés par réduction à haute température. Cette phase de régénération ou de purge des oxydes d'azote du piège à oxydes d'azote se termine alors, et le fonctionnement normal du moteur à combustion 1 est à nouveau commandé par l'unité de contrôle électronique 12. La durée de la purge dépend de la quantité d'oxydes d'azote qui a été accumulée dans le piège 10. Plus cette quantité est importante, plus la purge est longue. Or la capacité de stockage du piège à oxydes d'azote 10 peut subir une diminution dans le temps en raison de deux phénomènes distincts. On constate en effet tout d'abord un vieillissement thermique du piège à oxydes d'azote 10, qui entraîne une diminution lente de la capacité de stockage. A côté de cette diminution lente, on constate une diminution rapide qui est due à l'empoisonnement par le soufre du piège à oxydes d'azote 10, c'est-à-dire l'occupation des sites catalytiques du piège 10 par des atomes de soufre. Ainsi, le soufre contenu dans les gaz d'échappement et provenant du soufre contenu dans le carburant et dans l'huile de lubrification du moteur 1 vient progressivement s'accumuler dans le piège à oxydes d'azote 10, en occupant les sites chimiques normalement prévus pour stocker les oxydes d'azote. Un excès de soufre entraîne une diminution rapide de la capacité de stockage des oxydes d'azote du piège 10. Le temps de traitement des oxydes d'azote lors de la phase de régénération ou de purge des oxydes d'azote diminue sensiblement lorsque la masse de soufre contenue dans le piège à oxydes d'azote 10 augmente. L'utilisation d'un carburant fortement soufré entraîne ainsi une brusque réduction de la durée de purge du piège à oxydes d'azote 10 dans un intervalle de temps relativement faible. Dans l'exemple illustré, la sonde à oxygène 19 permet de mesurer directement la richesse des gaz d'échappement en aval du piège à oxydes d'azote 10. Cette mesure de richesse permet de déterminer aisément la durée d'une opération de purge du piège à oxydes d'azote 10. En effet, il suffit par quelques essais de fonctionnement, de déterminer la richesse des gaz d'échappement à la sortie du piège à oxydes d'azote 10 selon le point de fonctionnement du moteur, pour détecter la phase de purge dans laquelle la richesse est supérieure à 1, et les phases de fonctionnement normal dans lesquelles le moteur fonctionne avec un mélange pauvre de richesse inférieure à 1. La figure 2 illustre les variations de durée (en secondes) des phases de purge en fonction de la distance parcourue par le véhicule en kilomètres. La courbe en tirets référencée 23 montre une évolution lente de la durée des purges. La droite horizontale correspondant à la durée D1 est atteinte lorsque le véhicule a parcouru 2500 kilomètres. A ce stade, dans l'exemple illustré, la capacité de stockage du piège à oxydes d'azote 10 a atteint sa limite inférieure, qui correspond à la limite inférieure D1 de la durée d'une purge. La courbe en trait plein 24 montre par contraste une diminution très rapide de la durée des purges et donc de la capacité de stockage en oxydes d'azote du piège 10. C'est ainsi que dans l'exemple illustré, la limite de durée D1 est atteinte après que le véhicule ait parcouru une distance de 250 kilomètres. La présente invention se propose de mettre à profit cette variation rapide de la durée des purges pour en déduire le taux de soufre contenu dans le carburant utilisé, et alerter éventuellement le conducteur du véhicule de l'utilisation d'un carburant contenant une quantité importante de soufre. La figure 3 illustre un mode de mise en oeuvre d'un procédé de détection selon l'invention. Le procédé peut être mis en oeuvre par des moyens logiciels contenus dans l'unité de contrôle électronique 12 ou par des dispositifs analogiques appropriés. La durée d'une purge du piège à oxydes d'azote 10 est déterminée au cours de l'étape 25, comme il a été dit précédemment au moyen du signal de mesure délivré par la sonde à oxygène 19, qui détermine la richesse des gaz d'échappement en aval du piège à oxydes d'azote 10. Comme il a été dit précédemment, la purge dont il est question ici est une opération périodique de régénération du piège à oxydes d'azote déclenchée par l'unité de contrôle électronique 12 qui modifie le mode de fonctionnement du moteur, en particulier en augmentant la quantité de carburant injecté, de façon à augmenter la température et/ou la richesse des gaz d'échappement traversant le piège 10. I1 en résulte que les oxydes d'azote, qui ont été préalablement stockés dans le piège 10, se trouvent progressivement éliminés au cours de l'opération de purge. Lorsque les oxydes d'azote ont ainsi été éliminés, l'unité de contrôle électronique 12 commande la fin de l'opération de régénération ou de purge. Au cours de l'étape 26, on mémorise ensuite la durée d'un certain nombre de purges successives en réalisant par exemple un historique en fonction de la distance parcourue par le véhicule. Le nombre de purges mémorisées peut être compris entre 10 et 50 et de préférence entre 30 et 50. Cette mémorisation de la durée des purges du piège 10 peut être réalisée par stockage de valeurs dans la mémoire interne non représentée du calculateur d'injection contenu dans l'unité de contrôle électronique 12. Au cours d'une étape ultérieure 27, on compare les durées successives des purges mémorisées afin de détecter la variation de durée des purges successives. L'étape suivante 28 consiste à comparer la vitesse de variation ainsi détectée à un seuil. Si par exemple on note une diminution de la durée de purge dans un temps court, c'est-à-dire que la vitesse de diminution de la durée des purges dépasse le seuil, on en déduit une perte d'efficacité inadmissible du piège à oxydes d'azote 10 due à un empoisonnement par le soufre. En effet, on se situe alors dans l'hypothèse de la courbe 24 illustrée sur la figure 2, et non pas dans celle de la courbe 23 qui correspond à un vieillissement thermique lent. On peut donc considérer dans ce cas, que les durées des purges successives se sont anormalement réduites dans un intervalle de temps faible en raison d'une dégradation de l'efficacité du piège 10 par un empoisonnement au soufre. Un message d'alerte peut alors être envoyé au conducteur au cours de l'étape 29, afin de le prévenir, par exemple que le carburant utilisé n'est pas adapté ou que le système de post-traitement du véhicule n'est plus efficace. En variante, il est possible, au cours de l'étape 30, qui peut également être mise en oeuvre simultanément, de lancer une opération de désulfuration pour éliminer le soufre contenu dans le piège à oxydes d'azote 10. Cette opération de désulfuration peut également être suivie d'une adaptation de la stratégie de gestion des désulfurations par une modification de la durée des étapes de désulfuration ou une diminution de l'intervalle entre deux étapes de désulfuration successives, le tout pour tenir compte de l'augmentation du taux de soufre dans le carburant tel que détectée, comme il a été dit précédemment. Si l'adaptation de la stratégie de gestion des désulfurations ne permet pas de retrouver une bonne efficacité du piège, un message d'alerte pourra également être envoyé au conducteur. La présente invention permet ainsi une détection aisée de l'utilisation d'un carburant contenant une quantité de soufre plus importante. La méthode de détection de la quantité de soufre contenue dans le carburant ne repose pas sur une comparaison entre une valeur estimée et une valeur mesurée, mais au contraire sur une mesure directe de richesse, augmentant ainsi la robustesse et la fiabilité de la méthode. REVENDICATIONS1. Procédé de détection de la quantité de soufre contenue dans le carburant alimentant un moteur à combustion interne équipé d'un piège à oxydes d'azote monté dans sa ligne d'échappement, caractérisé par le fait qu'on détermine la durée de plusieurs purges successives des oxydes d'azote accumulés dans le piège à oxydes d'azote et qu'on compare la diminution de la durée desdites purges dans le temps avec un seuil. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détermination de la durée des purges est faite en mesurant la richesse des gaz en aval du piège à oxydes d'azote. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on mémorise la durée des purges successives. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on déclenche une alarme lorsque la diminution de la durée desdites purges dans le temps dépasse ledit seuil. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on modifie la stratégie de désulfuration du piège à oxydes d'azote lorsque la diminution de la durée desdites purges dans le temps dépasse ledit seuil 6. Moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un système de commande d'injection de carburant piloté par une unité de commande électronique (12) et d'un piège à oxydes d'azote (10) monté dans sa ligne d'échappement (9), l'unité de commande électronique comportant des moyens pour déclencher et arrêter des phases d'injection de quantités de carburant adaptées à la purge des oxydes d'azote accumulés dans le piège à oxydes d'azote, caractérisé par le fait que l'unité de commande électronique comprend des moyens pour déterminer la durée de plusieurs purges successives du piège à oxydes d'azote et des moyens pour comparer la diminution de la durée desdites purges dans le temps avec un seuil. 7. Moteur selon la revendication 6 comportant un moyen de détection de la fin d'une purge des oxydes d'azote, disposé en aval dupiège à oxydes d'azote (10) et connecté à l'entrée de l'unité de commande électronique. 8. Moteur selon la revendication 7 comportant une sonde de mesure (19) de la richesse des gaz disposée en aval du piège à oxydes d'azote, la sonde étant connectée à l'entrée de l'unité de commande électronique. 9. Moteur selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel l'unité de commande électronique comprend des moyens pour mémoriser la durée des purges successives. 10. Moteur selon l'une des revendications 6 à 9, comportant un dispositif d'alarme connecté à l'unité de commande électronique de façon à alerter le conducteur du véhicule d'un risque de défaillance du piège à oxydes d'azote en raison d'une accumulation de soufre dans le piège. 11. Moteur selon l'une des revendications 6 à 10, dans lequel l'unité de commande électronique comprend des moyens pour modifier la stratégie de désulfuration du piège à oxydes d'azote lorsque la diminution de la durée desdites purges dan le temps dépasse ledit seuil.