Brevet FR2937373A1 — publié le 20100423

-1- Procédé d'estimation du vieillissement d'un lubrifiant [0001 La présente invention se rapporte à un procédé d'estimation du vieillissement du lubrifiant, visant essentiellement à recommander une vidange à bon escient. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les véhicules de type Diesel. [0002] La sévérité des normes de dépollution pour les moteurs Diesel ont conduit au développement de nouveaux systèmes de post-traitement tels que le filtre à particules (FAP) ou le piège à oxydes d'azote (NOx). Ces systèmes se caractérisent par l'adsorption d'espèces chimiques polluantes présentes à l'échappement (éléments organométalliques des huiles et suies pour le FAP, NOx et SOx pour le piège à NOx) sur une matrice disposée dans la ligne d'échappement du moteur. Afin de maintenir une efficacité satisfaisante de ces systèmes il est nécessaire de procéder à des régénérations afin de désorber ces espèces sous une forme acceptable pour l'atmosphère. Ces régénérations se caractérisent toutes par le recours à la post-injection : une injection tardive est effectuée pendant la détente après la combustion principale afin de maintenir les gaz chauds ou une richesse suffisamment élevée. Pour les phases de purge des dépôts présents dans le FAP, la post-injection est également requise pour chauffer les gaz d'échappement à un niveau de température suffisant permettant d'atteindre la combustion de tous les dépôts et des suies carbonées retenues sur le FAP. Pour les phases de purge des NOx, il s'agit de procéder à une injection tardive afin de provoquer une quasi totale consommation de l'oxygène des gaz d'échappement permettant de porter la richesse des gaz d'échappement traversant le catalyseur au-delà de 1. Pour les phases de purge des SOx, les niveaux de post-injection doivent à la fois permettre de monter les gaz d'échappement à de hautes températures, typiquement supérieures 650°C, et à une richesse supérieure à 1. [0003] Le moteur est alors associé à des moyens de contrôle de son fonctionnement 30 pour basculer d'un mode pauvre standard à un mode riche de régénération, selon différents paramètres. [0004 En mode pauvre standard, un piège à NOx stocke ceux-ci et lorsqu'il est saturé, on déclenche sa régénération en basculant le moteur en mode riche de déstockage des NOx dans lequel le moteur produit des réducteurs, tels que par exemple CO et HC. [0005i Ce basculement est assuré de façon classique en modifiant au moins un paramètre de contrôle de fonctionnement du moteur, i.e. un paramètre relatif à l'injection de carburant dans le moteur (quantité, phasage, pression...) et /ou au moins un paramètre de la boucle d'air d'alimentation du moteur (débit d'air, recyclage, pression du turbocompresseur...) [0006] Ces post-injections sont en fait des injections de carburant après le point mort haut (PMH). Il en résulte une dilution de carburant dans l'huile de lubrification du moteur. En effet, cette dilution d'huile est due au fait que la post-injection se fait tardivement au cours du cycle moteur et que le carburant est alors en grande partie post-injecté sur les parois de la chambre de combustion. Une partie infime de carburant va alors passer dans le carter moteur via les segments du piston, ce qui aura pour conséquence de diluer l'huile de lubrification par le carburant. Or une dilution de carburant peut avoir plusieurs effets néfastes, variables en fonction de la qualité de l'huile. Nous pouvons avoir une chute de viscosité et donc de la pression de l'huile moteur, un vieillissement prématuré ou encore une dilution des additifs du lubrifiant pouvant entraîner une baisse de ses performances. [0007] Néanmoins, si ces post-injections permettent de régénérer les systèmes de post-traitement, elles présentent l'inconvénient important de provoquer une dilution de carburant dans l'huile. En effet ces injections tardives provoquent une introduction de gazole dans le film d'huile soit par impact liquide direct du spray d'injecteur, soit par condensation d'espèces de carburant vaporisées lors de la post-injection à l'extinction de la combustion principale. Le film d'huile présent sur le cylindre étant partiellement ramené par raclage vers le bac à huile à chaque cycle, il en résulte une montée progressive du taux de dilution du gazole dans l'huile lors de ces phases de régénération. [000si Pour l'application FAP, dont la régénération a lieu tous les 600 à 800 -2- 2937373 -3- kilomètres, le taux de dilution mesuré au bout de 20 000 kilomètres est généralement compris entre 4 et 6%. Une motorisation de véhicule comportant un FAP et un système de post-traitement des NOx est encore plus fortement soumise au phénomène de dilution de son huile de lubrification, du fait de la grande fréquence de 5 purge de NOx qu'il est nécessaire de mettre en oeuvre, par rapport aux fréquences de régénération du FAP, pour maintenir l'efficacité de conversion de NOx du catalyseur, qui est en moyenne d'une purge toutes les 1 à 3 minutes, et du besoin d'ajouter des phases de purge des sulfates. Pour ces dernières, les fréquences de purges sont moins importantes que celles des régénérations du FAP. La résultante des effets des 10 purges de NOx, de SOx, et des régénérations du FAP, conduit à une dilution de l'huile de lubrification par du gazole qui dépasse généralement 30% en masse sur 30 000 kilomètres si aucune correction n'est apportée pour la corriger au cours du fonctionnement du moteur, alors que la limite acceptable pour les huiles Diesel actuelles se situe en dessous de 8%. 15 [0009] Or, un niveau élevé de dilution de carburant peut impliquer pour le moteur une baisse de la viscosité de l'huile provoquant une chute de pression d'huile avec un risque de sous alimentation et donc de grippage d'éléments lubrifiés, un amincissement des films d'huile pouvant provoquer une usure prématurée d'organes de lubrification, une accélération du vieillissement d'huile (oxydation), une corrosion 20 des matériaux qui impacte l'étanchéité du circuit huile, et une dilution des concentrations d'additifs dans l'huile de lubrification avec un risque de réduction des performances de l'huile. [0010 De plus, selon l'utilisation des clients et/ou le type de carburant utilisé, la teneur en suies dans l'huile peut être au dessus du seuil acceptable de 5% maximum, 25 teneur aggravée entre autre par l'utilisation du recyclage des gaz d'échappement (EGR). Des nanoparticules de suie, produits secondaires du processus de combustion, sont principalement constituées de carbone. Ces nanoparticules sont très petites, dures et abrasives. Leur taille est inférieure au micron. Elles conduisent à une augmentation de l'usure des pièces mécaniques du moteur telles que, par exemple, 30 les bielles et/ou la distribution. Après destruction des propriétés dispersives de l'huile, elles ont tendance à s'agglomérer pour former des suies remplies aux interstices de composés organiques, ce qui entraîne alors des agglomérats considérés comme mous. [0011] Les agglomérations de suie peuvent s'accroitre jusqu'à ce qu'elles forment des dépôts au fond du bac à huile, dans les parties étroites du circuit de lubrification ou dans les filtres de moteurs (filtre à huile, crépines turbo). Les niveaux élevés de suie ont comme conséquence entre autre d'altérer les propriétés de certains additifs du lubrifiant. Ceci mène à un changement des propriétés chimiques et physiques d'huile ayant pour résultat des températures de fonctionnement plus élevées et une usure accélérée du moteur. [0012] La présence d'une teneur en suie et donc en SOF (Soluble Oil Fraction) importante dans l'huile moteur entraîne une accélération du vieillissement de ces derniers par neutralisation rapide de ces bases et changement de la formulation en additifs résiduels. [0013] La longévité d'un moteur dépend en grande partie de la qualité de sa lubrification. Cette qualité peut s'avérer être dégradée si l'utilisation client est déclarée comme sévère en terme de génération de dilution et/ou de suies. [0014] La durée de vie du moteur dépend alors surtout du type d'intervalle de maintenance huile moteur à appliquer et du type d'huile moteur à utiliser. [0015] Par ailleurs, les carburants commerciaux européens évoluent, et contiennent généralement une fraction volumique de biodiesel. Ces biodiesel se présentent essentiellement sous la forme d'esters méthyliques voire d'esters éthyliques d'huiles végétales. L'objectif de certains pays européens est d'incorporer 7%v de biodiesel dès janvier 2008 et 10%v en 2010. Les autres pays européens suivront l'objectif de 10%v de biodiesel en 2010. Ces biocarburants ont la particularité d'avoir un impact sur les performances du lubrifiant du moteur du fait des effets de dilution ci-dessus décrit. Le fait d'avoir une présence de biodiesel dans le lubrifiant engendrera des effets sur les caractéristiques physico-chimiques du lubrifiant et donc sur la durabilité de celui-ci. Ces effets se traduisent par une altération de la tenue à l'oxydation du lubrifiant moteur et la formation de sédiments issus de la dégradation thermique du biodiesel contenu dans le lubrifiant. [0016] L'effet de la dilution du carburant sur le lubrifiant est variable en fonction du -4- -5- type de lubrifiant et peut impacter notablement la viscosité, le niveau d'oxydation et le taux de dilution résiduel du lubrifiant. Il est donc important d'évaluer cette dilution pour adapter la fréquence de vidange de. Pour ce faire, dans l'état de la technique, on connaît l'enseignement des documents WO/2008/050034 et FR 2 866 957 - Al qui divulguent des méthodes d'estimation de la dilution d'huile moteur. Ces méthodes sont basées sur des cartographies préétablies encombrantes et sur des calculs lourds pouvant engendrer des imprécisions. [0017] L'invention a donc pour objet un procédé d'estimation du vieillissement d'une huile de lubrification d'un moteur alimenté par un carburant, dans lequel l'estimation du vieillissement est fonction du cumul des périodes de fonctionnement du moteur depuis la dernière vidange, caractérisé en ce que l'on ajuste l'estimation du vieillissement en tenant compte de la qualité du carburant utilisé lors de chaque période de fonctionnement du moteur. [0018] Dans une variante, ladite qualité de carburant est déterminée par une mesure dans le circuit d'alimentation en carburant du moteur. [0019] Avantageusement, cette mesure est une mesure spectroscopique dans le proche infrarouge, par exemple effectuée selon un mode dit de transmission dans lequel on mesure la lumière traversant un échantillon fin ou selon un mode dit de réflexion selon lequel on mesure la lumière réfléchie par un échantillon épais. [0020] Dans une variante, le procédé comprend, au préalable, l'établissement, par expérimentation, d'un classement de différents types de carburant en fonction de la dégradation de l'huile qu'ils entrainent, l'étalonnage du dispositif de mesure de la qualité de carburant en fonction de ce classement et l'établissement de modèles de vieillissement fonction de ce classement. [0021] Avantageusement, on contrôle l'étalonnage du spectromètre à chaque vidange d'huile moteur. [0022] Dans une variante, on détermine la qualité du carburant après chaque appoint de carburant dans le réservoir. [0023] L'invention s'applique tout particulièrement à l'estimation du vieillissement de -6- l'huile de lubrification d'un moteur de type diesel, alimenté avec du carburant susceptible de contenir des diesters. [0024] Ainsi, on a eu l'idée de déterminer le taux de biodiesel (ou diester) du carburant utilisé par le véhicule pour en déduire une estimation précise de la dilution de l'huile moteur par le carburant. [0025] Le taux (la concentration) de biodiesel dans le gazole affecte la bonne tenue des propriétés du lubrifiant dans le temps et donc sa maintenance. Dans l'invention, on a eu l'idée d'adapter le pas de maintenance, la fréquence de maintenance, du lubrifiant en utilisant la teneur en biodiesel dans le carburant. Ce taux de biodiesel sera évalué, par exemple à chaque plein réservoir réalisé par le conducteur du véhicule, via l'utilisation d'un capteur carburant. [0026] Ce capteur, basé sur une technologie permettant de réaliser des mesures dans le proche infra rouge, est capable de quantifier le taux de biodiesel dans le gazole. [0027] L'invention vise à définir une stratégie de contrôle de maintenance préventive du lubrifiant du moteur en fonction d'une estimation de la teneur en biodiesel du carburant utilisé. Cette stratégie peut ou non être adaptée en fonction des stratégies déjà existantes de contrôle de maintenance préventive du lubrifiant moteur. [0028] A cet effet, on positionne un simple capteur de mesure dans le réservoir du véhicule. Dans un exemple préféré de réalisation de l'invention, ce capteur se présente sous la forme d'un spectromètre à infrarouge. La spectroscopie dans le proche infrarouge (SPIR) est une technique analytique basée sur le principe d'absorption des rayonnements (infrarouges) par la matière organique. Cette absorption étant liée à la composition chimique des échantillons, on peut estimer cette dernière par la simple mesure de l'absorption de lumière par l'échantillon. [0029] La SPIR nécessite une phase d'étalonnage (ou calibration) basée sur des mesures de référence telles que, par exemple, des mesures de composition chimique obtenues en laboratoire, et l'établissement des modèles mathématiques qui permettront de relier le spectre infrarouge au résultat de ces mesures. Etant basée sur l'absorption du rayonnement par les molécules organiques, elle permet d'estimer un -7- taux de matière organique dans un fluide comportant une substance minérale. [0030] Cette méthode de mesure présente de nombreux intérêts techniques. Elle est rapide : quelques minutes suffisent pour recueillir le spectre d'absorption d'un échantillon, qui servira à la prédiction de sa composition. En comparaison, une analyse de composition chimique peut présenter une très longue durée allant jusqu'à plusieurs jours. De plus, la SPIR est non destructive : l'échantillon est récupéré intact après analyse. Aussi, elle ne nécessite pas une grande quantité d'échantillon : classiquement quelques grammes suffisent. Enfin, la SPIR est peu onéreuse : il faut simplement prévoir quelques analyses de référence au laboratoire pour vérifier que la calibration reste correcte au cours du temps et bien adaptée aux nouveaux échantillons. [0031] En résumé, l'invention, par rapport aux solutions antérieures connues, permet de limiter les défaillances en après-vente induisant des coûts garantie, de diminuer les insatisfactions des clients, de gérer l'impact du biodiesel sur le lubrifiant, de prévoir la conservation des propriétés des huiles de lubrification jusqu'à vidange (viscosité, pouvoir lubrifiant, oxydation, résistance au cisaillement, ...), d'accroître la durée de vie des motorisations Diesel, et de ne pas fixer arbitrairement le pas de maintenance du lubrifiant en prenant en compte le taux de biodiesel dans le carburant. [0032] L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen de la figure qui l'accompagne. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. [0033] La figure 1 représente graphiquement un ensemble moteur mettant en oeuvre le procédé de contrôle du vieillissement de l'huile de lubrification selon l'invention. [0034] L'ensemble moteur est celui d'un véhicule de type automobile. L'ensemble moteur comporte une entrée 1 d'air frais dans un moteur 2. Le moteur 2 comporte un ensemble de pistons 3 coulissant au sein de cylindres 4. Les pistons 3 sont chacun entraînés par une bielle 5 montée pivotante sur un vilebrequin 6. Le vilebrequin 6 coopère avec un embrayage et une boîte de vitesses non représentés. Les bielles 5, le vilebrequin 6, et un arbre à cames non représenté, baignent dans de l'huile 7 de lubrification, ou dans de la vapeur d'huile 7 de lubrification, contenue dans un bac 8 à huile ou carter inférieur. -8- [0035] Un réservoir 9 de carburant C est relié au moteur 2 par un circuit 10 d'alimentation en carburant C. Une pompe 11 de haute pression est positionnée dans le circuit 10 à l'entrée 12 du carburant C dans le moteur 2. [0036] Dans un exemple préféré de réalisation du dispositif selon l'invention, un capteur 13 de biodiesel est positionné dans le circuit 10, en amont de la pompe 11. Dans une variante, un capteur 27 est placé dans le réservoir 9 ou dans une entrée 14 de carburant C dans le réservoir 9. [0037] Dans un exemple préféré, le capteur 13 est un spectromètre qui réalise des mesures spectroscopiques dans le proche infrarouge. Le capteur peut indifféremment fonctionner suivant un mode dit de transmission (capteur 13) selon lequel il mesure la lumière traversant un échantillon fin de carburant C ou suivant une mode dit de réflexion (capteur 27) selon lequel il mesure la lumière réfléchie par un échantillon épais. Il est envisageable d'utiliser d'autres capteurs, électrochimique ou électronique. [0038] Le moteur 2, la pompe 11, et le capteur 13 sont connectés à un bus 15 de données et de commandes. Le bus 15 est relié à un calculateur électronique 16 de contrôle du moteur 2. Le calculateur 16 comporte une interface 17, un microprocesseur 18, une mémoire 19 de données, une mémoire 20 de programmes, et un moyen 21 d'affichage d'une alerte de vidange de l'huile. [0039] Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, il a été nécessaire de réaliser, avant et/ou pendant la fabrication d'un véhicule, des étapes dans lesquelles on a mesuré expérimentalement des dégradations d'huile en fonction de différents taux et types de biodiesel, et on a obtenu des dégradations de référence, on a déterminé des relations entre les spectres infrarouges captés par un spectromètre de test et des taux de biodiesel, et on a établi des modèles mathématiques 22, 23 permettant de relier les différents spectres infrarouges possibles aux dégradations de référence. [0040] Pour ces modèles, au cours de campagnes de mesure, pour un moteur donné, on a pu, d'une part mesurer des spectres proche-infrarouge, et d'autre part mesurer par études chimiques la dégradation des huiles. Par corrélation, on a ensuite établi les modèles permettant d'affecter à un taux de biodiesel donné et à une durée d'utilisation donnée (ou un équivalent kilométrique) une dégradation donnée. A cet -9- égard, la durée d'utilisation ou le kilométrage parcouru est mesuré par un compteur 28 en relation avec les roues du véhicule et ou son moteur. [0041] Ensuite, on étalonne régulièrement le spectromètre 13 en fonction des modèles mathématiques 22, 23. [0042] On entend par modèle mathématique 22 ou 23, un algorithme qui fournit une quantification de la dégradation de l'huile en fonction du temps, pour un taux de biodiesel donné, ce dernier étant mesuré par le spectromètre 13. Chaque modèle est stocké dans la mémoire 19 de données. Dans un exemple, on établit un modèle pour chaque tranche de 5% de biodiesel, et on obtient ainsi 20 modèles distincts correspondant à l'ensemble des carburants disponibles sur le marché. [0043] La quantification de la dégradation de l'huile 7 dépend directement de sa viscosité, de son niveau d'oxydation et de son taux de dilution, ces types de dégradations prenant en compte également le taux de suies. [0044] Typiquement, on contrôle l'étalonnage du spectromètre 13 à chaque vidange d'huile 7 du moteur. On peut également réduire cette fréquence par mesure de précaution. L'étalonnage comporte l'utilisation d'un volume de carburant C connu et le calage de la mesure du capteur 13 pour qu'elle corresponde à une mesure attendue. [0045] Dans l'état de la technique, on détermine des conditions de vidange de l'huile 7 en fonction du nombre de kilomètres parcourus. [0046] Selon l'invention, on mesure à l'aide d'un premier programme 24 de mesure de biocarburant, au moyen du capteur 13, le taux de biodiesel du carburant C. On déduit, à l'aide d'un deuxième programme 25, une dégradation des propriétés chimiques de l'huile 7 en fonction des modèles 22, 23, ou autres. On modifie, à l'aide d'un troisième programme stratégique 26, les conditions de vidange en fonction de cette dégradation. Le conducteur est informé de ces conditions à l'aide d'un moyen 21d'affichage. Cet affichage peut aussi bien être constant, en utilisant une jauge, ou ponctuel en disposant un voyant lumineux s'allumant en cas d'alerte de vidange. Plus le taux de biodiesel est important dans le carburant C, plus la fréquence de maintenance de l'huile 7 de moteur 2 est réduite. On passe par exemple, d'une fréquence nominale de vidange de 30 000 kilomètres à une fréquence de 10.000 -10- kilomètres pour un taux de 10% de carburant et/ou de biocarburant. [0047] Dans un exemple préféré de réalisation du procédé selon l'invention, on mesure 24 le taux de biodiesel à chaque plein de carburant C réalisé par le conducteur. Dans une variante, cette mesure 24 est effectuée à la demande du conducteur ou du garagiste. Dans une autre variante, on mesure 24 le taux de biodiesel après un nombre donné de kilomètres parcourus. [0048] Schématiquement, l'indicateur 21 montre par ses incrémentations successives 29-31 les accumulations de mesure de dégradation jusqu'au temps présent. Une plage 32 indique à l'utilisateur l'alerte de vidange. Les incrémentations peuvent être simplement proportionnelles aux kilomètres parcourus, chacune multipliées par un coefficient dépendant du taux mesuré. Par exemple, l'incrémentation 29 est plus grande que les incrémentations 30 et 31 car le carburant utilisé était plus dégradant. REVENDICATIONS1 - Procédé d'estimation du vieillissement d'un lubrifiant d'un moteur (2) alimenté par un carburant (C), dans lequel l'estimation du vieillissement est fonction du cumul des périodes de fonctionnement du moteur depuis la dernière vidange, caractérisé en ce que l'on ajuste l'estimation du vieillissement en tenant compte de la qualité du carburant utilisé lors de chaque période de fonctionnement du moteur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite qualité de carburant est déterminée par une mesure dans le circuit d'alimentation en carburant du moteur (2). 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite mesure est par une mesure spectroscopique dans le proche infrarouge. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite mesure est par une mesure spectroscopique est effectuée selon un mode dit de transmission dans lequel on mesure la lumière traversant un échantillon fin. 5 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite mesure est par une mesure spectroscopique est effectuée selon un mode dit de réflexion selon lequel on mesure la lumière réfléchie par un échantillon épais. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, au préalable, on établit expérimentalement un classement de différents types de carburant en fonction de la dégradation de l'huile qu'ils entrainent, on étalonne le dispositif de mesure de la qualité de carburant en fonction de ce classement et on établit des modèles de vieillissement en fonction de ce classement. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on contrôle l'étalonnage du spectromètre à chaque vidange d'huile moteur. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine la qualité du carburant après chaque appoint de carburant dans le réservoir du véhicule. 2937373 -12- 9 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'estimation du vieillissement du lubrifiant d'un moteur de type diesel, alimenté avec du carburant susceptible de contenir des diesters. 5