Brevet FR3021069A1 — publié le 20151120

Procédé de diagnostic de l'efficacité d'un catalyseur trois voies La présente invention concerne un procédé de diagnostic d'un catalyseur d'un système de traitement des gaz d'échappement équipant une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne à allumage commandé, ledit système étant du type comprenant une première et une seconde sonde à oxygène implantées respectivement en amont et en aval dudit catalyseur dans ladite ligne d'échappement. Comme illustré schématiquement à la figure 1, un moteur à combustion interne 1 d'un véhicule automobile est pourvu d'une ligne d'échappement 2 pour évacuer vers l'extérieur des gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne 1. Pour réduire la pollution de l'atmosphère par les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne des véhicules automobiles, il est courant d'équiper la ligne d'échappement d'un système 3 de traitement des gaz d'échappement dont la fonction est de transformer les composants chimiques nocifs émis par la combustion en substances non polluantes au moyen d'un procédé de catalyse. Pour ce faire, le système 3 de traitement des gaz d'échappement comprend classiquement un catalyseur 4, dit à trois-voies, qui assure une triple fonction d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HC), d'oxydation du monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO2) et de réduction des oxydes d'azote (N0x) en azote gazeux (N2). Une sonde à oxygène (ou lambda) 5 est généralement placée en amont du catalyseur trois voies 4, selon un sens d'écoulement des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 2 et délivre une tension en fonction de la richesse du mélange, le signal ainsi fourni donnant la possibilité à une unité de commande 6, assurant la régulation électronique du moteur, de contrôler la proportion du mélange air-carburant pour laquelle l'efficacité du moteur 1 sera optimale, par une commande appropriée des moyens d'injection 7 du moteur 1. Cela permet un faible niveau de rejets polluants et éventuellement une consommation réduite. Sur les systèmes de traitement des gaz d'échappement compatibles avec les normes antipollution en vigueur applicables aux véhicules automobiles en Europe, en plus de cette première sonde 5, dite sonde amont, une seconde sonde lambda 8 est placée en aval du catalyseur. Cette seconde sonde 8, dite sonde aval, est également reliée à l'unité de commande 6 et permet d'évaluer l'efficacité du catalyseur 4 en permanence. En effet, un catalyseur défaillant ne contrôle plus les émissions de gaz d'échappement et rend le véhicule plus polluant. Il risque donc de ne plus respecter les normes en cas de contrôle routier ou du contrôle technique. Aussi, il est nécessaire de pouvoir diagnostiquer l'efficacité de conversion d'un catalyseur trois voies monté en aval d'un moteur à allumage commandé et ainsi permettre d'avertir le conducteur que son véhicule ne permet plus de respecter les seuils d'émissions polluantes fixées par les normes. On connaît notamment des systèmes de diagnostics basés sur le comportement de la sonde aval pour différents profils de richesse du mélange en amont du catalyseur. Ainsi, le document de brevet FR 2 910 052 propose d'enrichir le mélange nominal de quelques dixièmes de richesse et de constater l'amplitude de la sur-oscillation de tension (variation dynamique de la sonde aval) et l'écart de tension pouvant être observé par rapport à la tension obtenue avec un bon catalyseur sur le même type d'enrichissement (variation statique de la sonde aval). On connaît également du document de brevet US 8 011 173 une méthode de diagnostic utilisant le signal de tension de la sonde sonde aval, dans laquelle on établit une première valeur de capacité de stockage en oxygène OSC du catalyseur en surveillant la variation du signal quand on enrichit le mélange, on établit une deuxième valeur d'OSC quand on appauvrit le mélange, on établit une troisième valeur d'OSC quand on module la richesse du mélange entre « plus ou moins riche », et on établit enfin un diagnostic du catalyseur à partir du rapport de deux de ces valeurs d'OSC parmi les trois. On connaît encore du document de brevet EP 0 823 546 un dispositif de diagnostic comprenant une sonde amont et aval, et des moyens grâce auxquels on calcule le rapport de la longueur de la courbe de réponse de sortie de la sonde aval par rapport à la longueur de la courbe de réponse de sortie de la sonde amont, dit autrement les longueurs des créneaux de richesse, on calcule le rapport des fréquences de ces mêmes courbes de réponse, et on établit un diagnostic positif quand le rapport des longueurs est supérieur à un premier seuil et que le rapport des fréquences est supérieur à un troisième seuil, et quand le rapport des longueurs est supérieur à un deuxième seuil inférieur au premier seuil et que le rapport des fréquences et supérieur au troisième seuil. Or, ces solutions nécessitent de solliciter des demandes de modifications d'état de richesse du mélange lors du déroulement du diagnostic. Les consignes d'injections sont donc changées lors de ces sollicitations, ce qui a un impact défavorable sur le fonctionnel, sur les émissions polluantes, ainsi que sur l'agrément client. Il existe un besoin pour pouvoir diagnostiquer le fonctionnement du catalyseur de façon non intrusive et, en particulier, pour pouvoir discriminer 10 efficacement des états de fonctionnement du catalyseur sans imposer de changement de consigne de richesse lors du diagnostic. Ce but est atteint grâce à un procédé de diagnostic d'un catalyseur d'un système de traitement des gaz d'échappement équipant une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne à allumage commandé, ledit 15 système étant du type comprenant une première et une seconde sonde à oxygène implantées respectivement en amont et en aval dudit catalyseur dans ladite ligne d'échappement, dans lequel on fournit une consigne de régulation de richesse apte à ajuster la richesse du moteur en fonction du signal fourni par la sonde amont de façon à maintenir un mélange stoechiométrique à l'entrée du 20 catalyseur, ledit procédé étant caractérisé en ce que pendant le diagnostic : - on applique une oscillation de régulation à ladite consigne de régulation apte à imposer alternativement un mélange riche et un mélange pauvre en amont du catalyseur et dont l'amplitude est calibrée de façon à maintenir la valeur du mélange dans l'intervalle de valeur de la fenêtre catalytique pendant 25 laquelle l'efficacité du catalyseur est maximale ; - on analyse une variation du signal fourni par la sonde aval pendant l'application de ladite oscillation de régulation pour diagnostiquer un état de fonctionnement du catalyseur. Ainsi, la régulation de richesse en amont du catalyseur permet de réguler 30 la richesse sur la richesse idéale grâce à la consigne de régulation de richesse permettant de garder un mélange stoechiométrique en moyenne, de sorte que la mise en oeuvre du diagnostic est sans impact sur les émissions polluantes, tandis que l'oscillation de régulation permet de moduler ladite consigne de façon à faire travailler le catalyseur dans toute sa fenêtre catalytique, en imposant alternativement un mélange riche puis pauvre en amont du catalyseur, sans pour autant sortir de cette fenêtre catalytique. Par conséquent, le catalyseur est censé agir comme un filtre sur la richesse en absorbant toutes les modulations de richesse résultant de l'oscillation de régulation appliquée à la consigne de régulation et en laissant donc la richesse en aval du catalyseur quasiment constante. L'invention tire alors avantageusement partie du fait que, plus le catalyseur vieillit, plus sa fenêtre catalytique s'amenuise du fait de la perte en capacité de stockage en oxygène. Dans ces conditions, les oscillations de régulations ne peuvent plus être totalement absorbées par le catalyseur et des oscillations de la richesse en aval peuvent donc être observées au moyen de l'analyse du signal fourni par la sonde aval, révélatrices d'un niveau de dégradation du fonctionnement du catalyseur. Selon un mode de réalisation, le diagnostic comprend des étapes dans lesquelles : - on établit un nombre prédéterminé de fenêtres temporelles de diagnostic d'une durée équivalente à la période de ladite oscillation de régulation appliquée à la consigne de régulation ; - à chaque incrémentation du nombre prédéterminé de fenêtres temporelles de diagnostic, on détermine un critère de détection d'état à partir de la variation du signal fourni par la sonde aval pendant ladite fenêtre temporelle de diagnostic ; - on calcule une moyenne des critères de détection d'état sur toutes les fenêtres temporelles de diagnostic, - on compare ladite moyenne à un seuil de détection pour diagnostiquer l'état de fonctionnement du catalyseur. Avantageusement, on mesure l'amplitude maximale du signal fourni par la sonde aval sur chaque fenêtre temporelle de diagnostic pour déterminer le critère de détection d'état sur ladite fenêtre temporelle de diagnostic. De préférence, on filtre passe-bas le signal fourni par la sonde aval, on détermine les valeurs maximale et minimale du signal filtré passe-bas pour chaque fenêtre temporelle de diagnostic, et on détermine le critère de détection d'état sur chaque fenêtre temporelle de diagnostic comme la différence entre lesdites valeurs maximale et minimale du signal filtré passe-bas de la sonde aval. Avantageusement, la fréquence de coupure du filtre passe-bas appliqué au signal fourni par la sonde aval est égale à la fréquence de ladite oscillation de régulation appliquée à la consigne de régulation. De préférence, on réalise au moins une itération du diagnostic. Avantageusement, on maintient un point de fonctionnement constant du moteur pendant le diagnostic. Le procédé de diagnostic décrit ci-dessus peut être mis en oeuvre par des moyens numériques de traitement, par exemple un microprocesseur, un microcontrôleur ou autre. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 illustre de façon schématique une architecture d'un moteur à 15 combustion interne à allumage commandé avec son système de traitement des gaz d'échappement ; - la Figure 2 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement du diagnostic du catalyseur par mesure de l'activité de la sonde aval ; - la Figure 3 est un organigramme illustrant la mise en oeuvre de la 20 stratégie de diagnostic du catalyseur selon un mode de réalisation de l'invention. La stratégie de diagnostic selon la présente invention s'applique à l'architecture déjà décrite en référence à la figure 1 et cherche à définir des conditions optimales d'observation de l'activité de la sonde aval 8 permettant 25 de discriminer efficacement des états de fonctionnement bon ou mauvais du catalyseur sans imposer de changement de consigne de richesse lors du diagnostic. Pour ce faire, comme illustré en Figure 2, la régulation de richesse est basée sur une consigne de régulation de richesse Cl permettant de 30 commander une richesse amont optimale avec un coefficient lambda égal à 1, sur laquelle est appliquée une oscillation de régulation C2, définissant des créneaux de modulation apte à moduler la richesse du mélange air-carburant dans le faible intervalle de valeur de la fenêtre catalytique, typiquement ±2% de la valeur optimale, correspondant à la plage de richesse où l'efficacité du catalyseur est maximale. La consigne permet donc de garder un mélange stoechiométrique en moyenne tandis que l'oscillation de régulation sert à faire travailler le catalyseur dans toute sa fenêtre catalytique en imposant alternativement un mélange riche puis pauvre en amont du catalyseur. La période de l'oscillation de régulation appliquée à la consigne est fixe et son amplitude est fonction du débit de gaz à l'échappement. Plus précisément, conformément au principe exposé ci-dessus, la valeur de cette amplitude est calibrée de façon à utiliser toute la plage de valeurs de la fenêtre catalytique sans pour autant sortir de cette fenêtre catalytique. En effet, si le mélange était trop riche, tout l'oxygène stocké dans le catalyseur serait consommé, engendrant des émissions de HC et de CO plus importantes. Au contraire, un mélange trop pauvre saturerait le catalyseur en oxygène et les NOx ne seraient plus traités convenablement. En restant dans la fenêtre catalytique visée, le taux d'oxygène en aval reste constant. Un chronogramme du signal de tension fourni par la sonde aval est illustré à la figure 2, en regard du signal de régulation de la richesse amont. Une étude fréquentielle du signal de la sonde aval permet de montrer que l'harmonique prépondérante du signal est calée sur la fréquence d'oscillation de régulation de la richesse amont. Comme expliqué plus haut, plus un catalyseur vieillit, plus sa fenêtre catalytique s'amenuise du fait de la perte en capacité de stockage en oxygène. Les créneaux de modulation de richesse amont ne pouvant alors plus être totalement absorbés par le catalyseur, des oscillations de la richesse en aval peuvent donc être observées au travers du signal de la sonde aval. Le chronogramme du signal de la sonde aval illustré à la figure 2 montre ainsi la différence sur le signal de tension de la sonde aval pouvant être observée entre deux états de catalyseur, respectivement un état correspondant à un catalyseur peu dégradé et un état correspondant à un catalyseur très dégradé. Un diagnostic de l'efficacité du catalyseur peut donc être établi en se basant sur l'exploitation de la variation du signal fourni par la sonde aval, dans les conditions précises d'observation imposées par la régulation de richesse du moteur telle qu'elle a été exposée plus haut. Pour ce faire, une unité de diagnostic (non représenté à la figure 1) est couplée ou est intégrée à l'unité de commande 6 du moteur à laquelle est aussi reliée la sonde aval. Selon un mode de réalisation du diagnostic mis en oeuvre par l'unité de diagnostic, on définit des fenêtres temporelles de diagnostic, par exemple trois fenêtres Fi, F2 et F3 comme illustré à la figure 2, chacune d'une durée équivalente à la période de l'oscillation de régulation appliquée à la consigne de richesse amont, et on détermine un critère de détection d'état à partir de la variation du signal de la sonde aval sur chaque fenêtre temporelle de diagnostic, basé sur l'amplitude maximale du signal de la sonde aval sur chaque fenêtre temporelle de diagnostic. Ainsi, si la valeur de l'amplitude maximale dépasse un seuil de détection, la sonde aval est assez active pour déclarer le catalyseur comme mauvais, tandis que si la valeur de l'amplitude maximale ne dépasse pas ce même seuil, le signal de la sonde aval est quasiment plat et le catalyseur est bon. Il est toutefois préférable de filtrer le signal fourni par la sonde aval de toutes les fréquences supérieures à celle imposée par la régulation de richesse afin que l'activité de la sonde aval ne reflète que les conséquences de la consigne de richesse amont. Un filtre passe-bas du premier ordre dont la fréquence de coupure est égal à la fréquence de l'oscillation de régulation appliquée à la consigne de la richesse amont permet donc de soustraire au signal de la sonde aval toutes les composantes dues aux problèmes d'injection, d'allumage ou d'équilibrage, dont les fréquences d'apparition sont bien plus importantes et qui sinon, fausseraient le calcul de l'amplitude maximale. Le critère de détection d'état sera alors calculé de la façon suivante pour chaque fenêtre temporelle de diagnostic : critère = max(tension filtree) - Min(tenSiOn fii'ee) Soit comme étant la différence entre les valeurs maximale et minimale du signal de tension filtré fourni par la sonde aval. L'évolution temporelle de ce critère est illustrée à la figure 2 sur chacune des trois fenêtres temporelles de diagnostic Fi, F2 et F3, pour chaque signal de tension de la sonde aval illustré à titre d'exemple sur la figure 2 correspondant aux deux états de catalyseur, respectivement l'état peu dégradé et l'état très dégradé. La stratégie de diagnostic va être plus précisément décrite en référence à la figure 3. Après une première étape d'initialisation du diagnostic (étape El ), une détection des conditions de diagnostic est mise en oeuvre (étape E2). Les conditions de déroulement du diagnostic nécessitent en effet que le moteur soit sur un point de fonctionnement constant pour éviter les effets des transitoires. Cependant la durée du diagnostic est tel qu'il permet une fréquence suffisamment élevée pour répondre à l'objectif IUPR (acronyme anglais pour le rapport d'efficacité en service). Ainsi, si les conditions de diagnostic sont détectées, le diagnostic est autorisé (étape E3) et, à chaque incrémentation du nombre prédéterminé de fenêtres temporelles de diagnostic, on calcule le critère de détection d'état à partir de la variation du signal de la sonde aval pour chaque fenêtre temporelle de diagnostic (étape E4). Plus précisément, la première fenêtre temporelle de diagnostic débute et les valeurs maximale et minimale du signal de la sonde aval filtré sont conservées pour cette première fenêtre temporelle de diagnostic. Lorsque la première fenêtre temporelle de diagnostic se termine (étape E41), le critère de détection d'état est calculé pour cette première fenêtre temporelle de diagnostic et la deuxième fenêtre temporelle de diagnostic débute, où le processus de calcul du critère se répète. Une fois le nombre de fenêtres maximales atteint (étape E5), la moyenne du critère sur toutes les fenêtres est calculée et cette moyenne est ensuite comparée au seuil de détection pour prise de décision unitaire sur l'efficacité du catalyseur (étape E6). Selon la calibration choisie (étape E7), une ou plusieurs autres itérations du diagnostic tel qu'il vient d'être décrit sont effectuées afin de rendre le diagnostic plus robuste. Lorsque le nombre maximal de décisions unitaires est atteint, le diagnostic est terminé. REVENDICATIONS1. Procédé de diagnostic d'un catalyseur (4) d'un système de traitement (3) des gaz d'échappement équipant une ligne d'échappement (2) d'un moteur (1) à combustion interne à allumage commandé, ledit système étant du type comprenant une première (5) et une seconde (8) sonde à oxygène implantées respectivement en amont et en aval dudit catalyseur (4) dans ladite ligne d'échappement (2), dans lequel on fournit une consigne de régulation de richesse (Cl) apte à ajuster la richesse du moteur en fonction du signal fourni par la sonde amont (5) de façon à maintenir un mélange stoechiométrique à l'entrée du catalyseur (4), ledit procédé étant caractérisé en ce que pendant le diagnostic : - on applique une oscillation de régulation (C2) à ladite consigne de régulation (Cl) apte à imposer alternativement un mélange riche et un mélange pauvre en amont du catalyseur et dont l'amplitude est calibrée de façon à maintenir la valeur du mélange dans l'intervalle de valeur de la fenêtre catalytique pendant laquelle l'efficacité du catalyseur est maximale ; - on analyse une variation du signal fourni par la sonde aval (8) pendant l'application de ladite oscillation de régulation (C2) pour diagnostiquer un état de fonctionnement du catalyseur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diagnostic comprend des étapes dans lesquelles : - on établit un nombre prédéterminé de fenêtres temporelles de diagnostic (F1, F2, F3) d'une durée équivalente à la période de ladite oscillation de régulation appliquée à la consigne de régulation ; - à chaque incrémentation du nombre prédéterminé de fenêtres temporelles de diagnostic, on détermine un critère de détection d'état à partir de la variation du signal fourni par la sonde aval (8) pendant ladite fenêtre temporelle de diagnostic ; - on calcule une moyenne des critères de détection d'état sur toutes les fenêtres temporelles de diagnostic,- on compare ladite moyenne à un seuil de détection pour diagnostiquer l'état de fonctionnement du catalyseur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on mesure l'amplitude maximale du signal fourni par la sonde aval (8) sur chaque fenêtre temporelle de diagnostic pour déterminer le critère de détection d'état sur ladite fenêtre temporelle de diagnostic. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on filtre passe-bas le signal fourni par la sonde aval (8), on détermine les valeurs maximale et minimale du signal filtré passe-bas pour chaque fenêtre temporelle de diagnostic, et on détermine le critère de détection d'état sur chaque fenêtre temporelle de diagnostic comme la différence entre lesdites valeurs maximale et minimale du signal filtré passe-bas de la sonde aval (8). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence de coupure du filtre passe-bas appliqué au signal fourni par la sonde aval est égale à la fréquence de ladite oscillation de régulation appliquée à la consigne de régulation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise au moins une itération du diagnostic. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on maintient un point de fonctionnement constant du moteur pendant le diagnostic. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la période de ladite oscillation de régulation appliquée à la consigne de régulation est fixe.30