Brevet FR3012173A1 — publié le 20150424

- 1 - PROCEDE DE DIAGNOSTIC D'UN PIEGE A OXYDES D'AZOTE ET DISPOSITIF ASSOCIE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote. Elle concerne également un dispositif de diagnostic apte à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Elle trouve une application avantageuse sous la forme d'un diagnostic embarqué dans un véhicule automobile équipé d'un moteur diesel associé à un piège à oxydes d'azotes. ETAT DE LA TECHNIQUE De nombreux moteurs modernes à combustion interne, en particulier les moteurs diesel des véhicules automobiles, sont équipés d'un piège à oxydes d'azote (N0x) pour respecter les normes légales qui limitent les émissions à l'échappement de polluants par ces véhicules. Un piège à oxydes d'azote est généralement placé dans la ligne d'échappement d'un véhicule et fonctionne de manière discontinue, selon deux modes distincts. Pendant le fonctionnement habituel du moteur en mélange pauvre, le piège retient une partie des molécules de NOx émises par le moteur sur différents compartiments catalytiques de stockage, le reste étant rejeté dans l'atmosphère après avoir traversé le piège. Le pourcentage de molécules de NOx du moteur qui est retenu par le piège est appelé efficacité de stockage. Quand la masse de NOx stockée dans le piège atteint un seuil prédéterminé en fonction de la capacité maximale de stockage, un basculement provoqué du fonctionnement du moteur en mélange riche, c'est-à-dire avec un défaut d'oxygène par rapport à la stoechiométrie, permet de régénérer le piège. La phase de régénération consiste à purger le piège des NOx accumulés lors de la phase de fonctionnement de stockage. Au cours de cette phase de fonctionnement en mélange riche, des réducteurs (hydrocarbures imbrûlés HC et monoxyde de carbone CO) provenant du moteur passent dans le piège et réduisent les molécules de NOx en molécules d'azote N2 et de dioxyde de carbone CO2. Pendant la phase de purge, on règle la richesse à une valeur moyenne qui est - 2 - généralement à peine supérieure à 1, plus précisément une valeur comprise entre 1,03 et 1,05, par exemple 1,04. Une telle valeur de richesse représente un bon compromis entre la durée de la régénération et la quantité de carburant consommée. Sous l'effet du vieillissement, et parfois d'événements accidentels tels que des chocs thermiques ou mécaniques, l'efficacité de stockage d'un piège à oxydes d'azote diminue, à cause de la baisse du nombre de compartiments catalytiques disponibles dans le piège pour stocker les molécules de NON. Pour s'assurer que les rejets dans l'atmosphère des gaz d'échappement d'un véhicule automobile sont en permanence conformes aux normes légales, il est courant de surveiller l'état de fonctionnement de son piège à oxydes d'azote, c'est-à-dire de tester son efficacité de stockage, grâce à un diagnostic embarqué. On connaît plusieurs procédés qui visent à surveiller l'état de fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote. En particulier, la publication FR 2 940 356-B1 divulgue un procédé de diagnostic dans lequel on détermine un critère de diagnostic égal à la masse de réducteurs utilisée pendant la régénération en mode riche d'un piège à oxydes d'azote, et on compare ce rapport avec un seuil. La masse de réducteurs consommée est égale à l'intégrale temporelle de la différence entre le débit massique de réducteurs entrant dans le piège, diminué du débit massique de réducteurs sortant du piège. Le débit de réducteurs entrant peut être calculé comme le produit du débit des gaz d'échappement, multiplié par la valeur de la richesse des gaz entrant dans le piège, mesurée par exemple par une sonde à oxygène implantée en amont du piège. De la même manière, le débit de réducteurs sortant peut être calculé comme le produit du débit des gaz d'échappement, multiplié par la valeur de la richesse des gaz sortant du piège, mesurée par exemple par une autre sonde à oxygène implantée en aval du piège. Comme le montrent les figures 1 et 2 annexées, un tel procédé permet de détecter correctement des pièges qui ont perdu toute leur efficacité de stockage et de distinguer sans ambigüité un piège en bon état d'un piège défectueux. Sur chacune de ces figures, on a représenté en abscisse le temps t pendant lequel la régénération d'un piège à oxydes d'azote se déroule, et en ordonnée, la richesse des gaz d'échappement à l'entrée ou à la sortie d'un piège. La courbe 1 en trait plein représente la valeur de la richesse mesurée par une sonde à oxygène placée en amont du piège, et la courbe 2 en trait mixte représente la valeur de la richesse mesurée par une sonde à oxygène placée en aval du piège. - 3 - Pour un débit de gaz d'échappement constant, la masse de réducteurs consommée lors de la purge, qui est l'objet de la publication FR 2 940 356-B1, est représentée par la surface hachurée 3 située entre les deux courbes de richesse précédentes, entre l'instant du début de la régénération et l'instant de la fin de la régénération. La régénération commence lorsque la richesse des gaz est augmentée à une valeur supérieure à 1,04, et elle se termine à l'instant où le stock d'oxydes d'azote dans le piège est entièrement réduit, c'est-à-dire lorsqu'on peut constater qu'il n'y a plus de consommation de réducteurs à l'intérieur du piège. En d'autres termes, la régénération est stoppée au moment où la richesse des gaz à la sortie du piège rejoint la valeur de la richesse des gaz à l'entrée du piège, ici 1,04. Le fonctionnement du moteur est alors basculé à nouveau en mélange pauvre, ce qui est matérialisé sur les figures 1 et 2 par la brutale chute de richesse à une valeur inférieure à 0,9. La surface hachurée 3 sur la figure 1 représente la quantité de réducteurs consommée pendant une phase de régénération d'un piège en bon état, par exemple un piège dont l'efficacité est de 70%. La surface hachurée sur la figure 2 représente la quantité de réducteurs consommée pendant une phase de régénération d'un piège complètement dégradé, par exemple un piège dont l'efficacité résiduelle est de 0%. Malgré un certain manque de répétabilité de la mesure et une certaine dispersion liée aux tolérances de fabrication des différentes pièces du moteur et des conditions de roulage dans lesquelles se déroule la régénération, on a constaté que la quantité de réducteurs consommée pour un piège d'efficacité nulle est toujours inférieure à celle d'un piège dont l'efficacité est bonne (70%). Le diagnostic est donc fiable lorsqu'on répète la régénération et le calcul du débit de réducteurs. En revanche, avec la sévérité toujours accrue des normes OBD, il devient nécessaire de distinguer un piège bon (par exemple ayant une efficacité de 70%) d'un piège dont l'efficacité n'est pas tout à fait nulle, par exemple un piège dont l'efficacité résiduelle est encore de 12%. De la même manière que les figures 1 et 2, la surface hachurée sur la figure 3 représente la quantité de réducteurs consommée qui a été mesurée lors d'une purge d'un piège dont l'efficacité résiduelle est de 12%. On observe sur cette figure que la quantité de réducteurs est très voisine de celle qui est représentée sur la figure 1. A cause de la répétabilité de la mesure et de la dispersion des composants et des conditions de roulage, il n'est pas toujours possible de distinguer les deux pièges. En d'autres termes, le procédé comporte un risque statistique de non-détection (piège - 4 - défaillant déclaré bon) et de fausse détection (piège bon déclaré défaillant). RESUME DE L'INVENTION L'invention propose de remédier au manque de précision et aux risques de diagnostics erronés des procédés de diagnostics connus dans lesquels on détermine un critère de diagnostic à partir de la masse de réducteurs consommée pendant la phase de régénération du piège. Elle propose pour cela un procédé de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote associé à un moteur à combustion interne, ledit piège étant apte à décomposer les oxydes d'azote stockés en son sein par réaction avec des réducteurs, pendant une étape de régénération du piège provoquée par basculement du mode de fonctionnement du moteur en mélange riche, ledit procédé comprenant : - Une étape de détermination de la masse de réducteurs consommée au cours d'une étape de régénération ; - Une étape de comparaison de ladite masse avec un seuil en dessous duquel on détermine que le piège est défaillant ; et, - Une étape d'émission d'un signal indiquant l'état de défaillance du piège, caractérisé en ce qu'on détermine ladite masse de réducteurs au cours d'une étape de régénération prolongée après l'épuisement des oxydes d'azote stockés dans ledit piège. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 4 illustre un dispositif de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote ; la figure 5 est un organigramme des étapes d'un procédé de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote conforme à l'invention ; et, les figures 6 et 7 sont une illustration du critère de diagnostic selon l'invention, respectivement pour un piège dont l'efficacité est égale à 70% et pour un piège dont l'efficacité est égale à 12%.35 - 5 - DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES Sur la figure 4, on a représenté un moteur 4 à combustion interne, par exemple un moteur diesel de véhicule automobile, pourvu d'un dispositif de diagnostic selon l'invention. Le moteur 4 est alimenté en air par un collecteur d'admission 5 et en carburant, par exemple du gazole, par une pluralité d'injecteurs 6 montés sur une rampe commune 7 d'alimentation en carburant. Le moteur 4 est équipé d'un circuit d'échappement des gaz brûlés, comprenant un collecteur d'échappement 8, une conduite d'échappement 9, un dispositif de traitement 10 des émissions polluantes du moteur 4 et un pot d'échappement 11 sur lequel est monté un débitmètre 12, par lequel les gaz d'échappement sont évacués dans l'atmosphère. Le moteur peut être du type suralimenté et/ou associé à au moins un circuit de recirculation des gaz d'échappement sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Le dispositif de traitement 10 des émissions polluantes se présente sous la forme d'une enveloppe métallique (ou « canning ») de forme sensiblement cylindrique terminée à ses deux extrémités par deux cônes de liaison respectivement avec la conduite d'échappement 9 et le pot d'échappement 11. Cette enveloppe métallique contient un piège à oxydes d'azote 13. De manière non limitative, elle peut comprendre aussi un autre dispositif 14 de traitement des gaz d'échappement, par exemple un filtre à particules 14 ou un catalyseur d'oxydation 14, qui est disposé ici en aval du piège 13 (dans le sens de circulation des gaz d'échappement figuré par les flèches représentées sur la figure 4). Le piège à oxydes d'azote 13 stocke une partie des émissions de NOx du moteur 4 quand celui-ci fonctionne en mélange pauvre. Périodiquement, lorsqu'une phase de fonctionnement du moteur 4 en mélange riche (dite : phase de régénération, ou phase de purge) est déclenchée, le piège 13 réduit les NOx en molécules d'azote N2 et de dioxyde de carbone CO2 sous l'action de réducteurs, c'est-à-dire de molécules de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés émises par le moteur 4. Le piège à oxydes d'azote 13 est associé à des moyens de détermination de la richesse des gaz d'échappement du moteur 4 respectivement à l'entrée et à la sortie du piège 13, par exemple respectivement une sonde à oxygène amont 15, disposée sur la conduite d'échappement 9 en amont du piège 13, et une sonde à oxygène aval 16, disposée sur le pot d'échappement 11 en aval du piège 13. - 6 - Un calculateur électronique 17 est reliée au moteur 4 par une connexion 18, à la sonde à oxygène amont 15 par une connexion 19 et à la sonde à oxygène aval 16 par une connexion 20. Le calculateur 17 comprend également un dispositif de diagnostic embarqué 21 et un moyen de commande 22 du moteur qui permet notamment de déclencher : - Une régénération standard du piège à oxydes d'azote 13, quand il n'est pas prévu de procéder à un diagnostic du piège, par basculement du mode de fonctionnement du moteur 4 en mélange riche, qui débute quand la masse d'oxydes d'azote stockée dans le piège 13 atteint un seuil, et qui s'achève au moment où le stock d'oxydes d'azote est consommé, c'est-à-dire entièrement réduit ; - Une régénération prolongée du piège 13 à des fins de diagnostic, mise en oeuvre quand on prévoit de diagnostiquer le piège, qui se distingue de la régénération standard en ce que le fonctionnement du moteur en mélange riche (par exemple à richesse 1,04) est prolongée pendant une brève durée de prolongation tp de la régénération après que le stock d'oxydes d'azote a été consommé ; et, - Un fonctionnement du moteur 4 en mode normal, qui est un mode de stockage des oxydes d'azote, par basculement du mode de fonctionnement du moteur 4 en mélange pauvre. La durée de prolongation tp de la régénération est fixe et prédéterminée. Par exemple, elle est inférieure à 10 secondes. De préférence, elle est sensiblement égale à 5 secondes. Pour déterminer si un diagnostic doit être fait, c'est-à-dire si on doit procéder à une régénération standard ou à une régénération prolongée, le calculateur 17 peut par exemple déterminer le kilométrage parcouru par le véhicule depuis le précédent diagnostic et le comparer avec un seuil. Si ledit kilométrage est supérieur au seuil, alors le calculateur 17 lance une régénération prolongée. Pour déterminer l'instant où le stock d'oxydes d'azote dans le piège 13 est consommé, le calculateur peut considérer le moment où la richesse mesurée par la sonde aval 16 rejoint la valeur de richesse moyenne de fonctionnement du moteur pour la régénération, par exemple 1,04. Le dispositif de diagnostic 21 comprend : un moyen de détermination 23 du débit massique de réducteurs (monoxyde de carbone et hydrocarbures imbrûlés) contenus dans les - 7 - gaz d'échappement en amont Qa, du piège 13 ; un moyen de détermination 24 du débit massique de réducteurs contenus dans les gaz d'échappement en aval Q' du piège 13 ; un moyen d'estimation 25 de la durée At d'une régénération prolongée du piège, qui est la durée d'une régénération standard à laquelle on ajoute la durée de prolongation tp ; un moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs Mred consommée pendant ladite régénération prolongée ; un moyen de de détermination 27 de l'état de défaillance du piège à oxydes d'azote 13. Le moyen de détermination 23 du débit massique Qam de réducteurs mesuré en amont du piège 13 est relié en entrée : par la connexion 19, à la sonde à oxygène amont 15 ; et par une connexion 28, au moyen de commande 22 du moteur. Il est également relié en entrée au débitmètre 12 par une connexion non représentée. En sortie, il est relié par une connexion 29 au moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs Mred consommée pendant la régénération prolongée. Le moyen de détermination 24 du débit massique de réducteurs mesuré en aval Q' du piège 13 est relié en entrée : par la connexion 20, à la sonde à oxygène aval 16 ; et par une connexion 30, au moyen de commande 22 du moteur. Il est également relié en entrée au débitmètre 12 par une connexion non représentée. En sortie, il est relié par une connexion 31 au moyen de commande 22, et par une connexion 32 au moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs Mred - Le moyen d'estimation 25 de la durée At de la phase de régénération prolongée est relié en entrée au moyen de commande 22 du moteur par une connexion 33. En sortie, il est relié au moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs Mred consommée, par une connexion 34. En sortie, le moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs Mred est relié par une connexion 35 au moyen de détermination 27 de l'état de défaillance du piège à oxydes d'azote 13, dont la sortie est elle-même reliée par une connexion 36 à d'autres éléments (non représentés sur la figure 4) du calculateur 17 aptes à utiliser le résultat du diagnostic, par exemple des moyens d'allumage d'une lampe témoin au tableau de bord du véhicule. Selon l'invention, le moyen de commande 22 est apte à commander une - 8 - régénération prolongée du piège 13 à des fins de diagnostic, quand la masse d'oxydes d'azote atteint un seuil, et qu'un diagnostic doit être fait. Au début de la régénération, le calculateur 17 émet un signal permettant de déclencher le calcul des débits massiques de réducteurs Qam, Qav en amont et en aval 5 du piège 13 pendant la régénération du piège. Ces débits sont calculés respectivement par les équations suivantes : (Eq.1) Qam = Qech * Ram (Eq.2) Qav = Qech * Rav ,dans lesquelles - 10 Qech désigne le débit des gaz d'échappement, mesuré par le débitmètre 12 ; Ram désigne la richesse des gaz d'échappement en amont du piège 13, mesurée par la sonde à oxygène amont 15 ; et Rav désigne la richesse des gaz d'échappement en aval du 15 piège 13, mesurée par la sonde à oxygène aval 16. Ce signal sert également de déclencheur à l'intégration temporelle des débits massiques Qam , Qav de réducteurs, dans le moyen d'estimation 26. La masse de réducteurs Mred consommée dans le piège 13 est obtenue par l'équation suivante : (Eq.3) Mred = SAt I Qam Qav I * dt 20 ,dans laquelle At désigne la durée de la régénération prolongée. Lorsque la richesse Rav mesurée par la sonde aval 16 a rejoint la valeur de richesse moyenne de la régénération, par exemple 1,04, et qu'à la suite de cet événement la durée de prolongation tp est écoulée, le moyen de commande 22 stoppe l'émission du signal temporel d'intégration dans le moyen d'estimation 26 de la masse 25 de réducteurs. La figure 5 est un organigramme des étapes d'un procédé de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote 13 selon l'invention. Pendant le fonctionnement du moteur 4 en mélange pauvre, un procédé de commande 100 du moteur surveille l'accumulation de NOx dans le piège à oxydes 30 d'azote 13. Lorsque le piège 13 atteint une valeur prédéterminée de stockage, qui peut être voisine de sa capacité maximale de stockage, le procédé de commande 100 déclenche une première étape de test 110 du piège 13, qui consiste à vérifier si un diagnostic du piège 13 doit être lancé. Par exemple, le calculateur 17 peut déterminer le kilométrage parcouru par le 35 véhicule depuis le précédent diagnostic et le comparer avec un seuil. Si ledit - 9 - kilométrage est inférieur au seuil, alors le calculateur 17 détermine qu'il n'est pas nécessaire de procéder à un diagnostic, et le procédé oriente vers une étape de régénération standard 120 du piège à oxydes d'azote 13 par basculement du mode de fonctionnement du moteur 4 en mélange riche, et qui consiste à purger le piège jusqu'à épuisement du stock d'oxydes d'azote. Dans le cas contraire, le procédé oriente vers une étape de régénération prolongée 130 du piège à des fins de diagnostic, qui se distingue de l'étape de régénération standard 120 précédente en ce que la régénération est prolongée, après l'épuisement du stock d'oxydes d'azote, d'une durée de prolongation tp. La durée de prolongation tp de la régénération est une durée fixe et prédéterminée. Avantageusement, elle est inférieure à 10 secondes. De préférence, elle est sensiblement égale à 5 secondes. Le procédé de diagnostic proprement dit 200 du piège à oxydes d'azote 13 peut alors être déclenché. Ce procédé 200 commence par une étape de détermination 210 du débit massique de réducteurs Qam en amont du piège 13, obtenu selon l'équation 1, simultanément avec une étape de détermination 220 du débit massique de réducteurs Q' en aval du piège 13, obtenu selon l'équation 2. Le procédé de diagnostic 200 se poursuit par une étape 230 de détermination de la masse de réducteurs M'd consommée pendant la phase de régénération prolongée. Cette masse est obtenue par intégration temporelle de la valeur absolue de l'écart des débits de réducteurs -am, -av en amont et en aval du piège 13, entre l'instant de la réception du signal de démarrage de la phase de régénération 130 et l'instant de l'arrêt de la réception de ce signal (selon l'équation 3). Le procédé 200 se poursuit par une étape 240 de la masse de réducteurs M -red consommée pendant la phase de régénération prolongée 130 avec un seuil de défaillance S en dessous duquel on détermine que le piège à oxydes d'azote 13 est défaillant. Le seuil de défaillance S peut être déterminé au banc moteur par des essais statistiques. Le procédé 200 se termine par une étape 250 au cours de laquelle un signal d'état est émis vers le procédé de commande 100 du moteur 1. Ce signal peut prendre deux états, soit un état défaillant, soit un état non défaillant. Lorsque l'état est défaillant, une alerte peut être remontée au conducteur, par exemple par l'allumage d'un voyant lumineux. Les figures 6 et 7 illustrent, d'une manière similaire aux figures 1, 2 et 3, l'évolution temporelle de la richesse des gaz à l'entrée et à la sortie d'un piège 13 à -10- oxydes d'azote pendant une phase de régénération prolongée 130 telle qu'exposé plus haut. Les courbes en trait plein 1 représentent la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15 et les courbes en trait mixte 2 représentent la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16. La figure 6 représente le comportement d'un piège 13 en bon état, par exemple un piège dont l'efficacité a une valeur égale à 70%. La régénération 130 se déroule ici sensiblement entre les instants t = 908 s et t = 926 s. La surface totale hachurée 3 représente la masse de réducteurs Mred consommée pendant la phase de régénération prolongée 130. La figure 7 représente le comportement d'un piège 13 dégradé, par exemple un piège dont l'efficacité a une valeur égale à 12%. La phase de régénération prolongée se déroule ici sensiblement entre les instants t = 951 s et t = 971 s. On observe dans ce cas que la surface totale hachurée 3, représentant la masse de réducteurs Mred consommée est de très loin moins élevée que sur la figure 6, essentiellement du fait de la faiblesse de la masse de réducteurs utilisée pendant la durée de prolongation tp. Ainsi, contrairement à une régénération standard 120 qui prend fin dès que le stock d'oxydes d'azote dans le piège est consommé, une régénération prolongée 130, qui se poursuit après l'épuisement dudit stock, permet de distinguer clairement un piège en bon état d'un piège défectueux. REVENDICATIONS1. Procédé de diagnostic (200) d'un piège à oxydes d'azote (13) associé à un moteur (4) à combustion interne, ledit piège (13) étant apte à décomposer les oxydes d'azoté stockés en son sein par réaction avec des réducteurs, pendant une étape de régénération (120,130) du piège (13) provoquée par un basculement du mode de fonctionnement du moteur (4) en mélange riche, ledit procédé comprenant : une étape de détermination (230) de la masse de réducteurs (Mred) consommée au cours d'une étape de régénération ; une étape (240) de comparaison de ladite masse (Mred) avec un seuil de défaillance (S) en dessous duquel on détermine que le piège (13) est défaillant ; et une étape (250) d'émission d'un signal indiquant l'état de défaillance du piège (13), CARACTERISE EN CE QU' on détermine la masse de réducteurs (M 1 au cours d'une étape de (Mred) régénération prolongée (130) après l'épuisement des oxydes d'azote stockés dans ledit piège (13). 2. Procédé de diagnostic (200) selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de régénération (130) est prolongée d'une durée de prolongation (tp) fixe et prédéterminée après l'épuisement des oxydes d'azote stockés dans le piège (13). 3. Procédé de diagnostic (200) selon la revendication 2, dans lequel la durée de prolongation (tu) est inférieure à 10 secondes. 4. Procédé de diagnostic (200) selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel la durée de prolongation (tp) est sensiblement égale à 5 secondes. 5. Procédé de diagnostic (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la masse de réducteurs (Mred) est calculée comme l'intégrale temporelle, pendant la durée de la durée (nt) de la phase de régénération prolongée (130, de la valeur absolue de la différence entre un débit massique de réducteurs en amont (Qam) du piège (13) et un débit massique de réducteurs en aval (Qav) du piège (13).