Brevet FR3033832A1 — publié le 20160923

PROCÉDÉ DE PURGE OU DE CHARGE D'OXYGENE D'UN CATALYSEUR INSTALLÉ DANS LE FLUX D'UN MOTEUR [0001] La présente invention concerne un procédé de diagnostic d'un catalyseur installé dans le flux d'un moteur à combustion interne, et concerne plus précisément la mesure de la capacité de stockage d'oxygène d'un tel catalyseur. Ce procédé fait partie du domaine de la surveillance et de la régulation des gaz d'échappement afin d'optimiser leur composition pour une purification de ces gaz. [0002] Dans ce domaine, la composition optimale des gaz d'échappement d'un véhicule automobile est généralement obtenue par une surveillance en continu de l'oxygène et des espèces réductrices comme les hydrocarbures et le monoxyde de carbone émis. En effet, les gaz d'échappement nocifs à éliminer sont les hydrocarbures restants, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote. Or les réactions d'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone nécessitent la présence d'espèces oxydantes, en particulier de l'oxygène, alors que la réaction de réduction des oxydes d'azote nécessite la présence d'espèces réductrices comme les hydrocarbures ou le monoxyde de carbone. [0003] L'épuration catalytique des gaz d'échappement nocifs se réalise en général avec un catalyseur « trois-voies » (en abrégé TWC, initiales de « Three- Way-Catalyst » en terminologie anglaise), qui transforme à la fois les trois polluants, à savoir les hydrocarbures et le monoxyde de carbone par oxydation, ainsi que les oxydes d'azote par réduction. Le rendement de ces réactions est maximal lorsque le catalyseur dispose d'autant d'espèces oxydantes que d'espèces réductrices. On parle alors de conditions stoechiométriques ou de richesse du mélange air - carburant injecté égale à 1. Dans la pratique, Il existe une fenêtre de richesse de ce catalyseur TWC autour de la valeur 1 où le rendement des réactions est optimal. [0004] Des conditions stoechiométriques de richesse (ci-après également dénommée « R ») égale à 1 correspondent également à une valeur de 1 pour un coefficient lambda «A», inverse de « R ». C'est pourquoi les sondes généralement utilisées pour ce type de mesures sont dites « sondes lambda ». La grandeur « richesse » et la grandeur « lambda » sont ainsi toutes deux 3033832 2 représentatives des proportions relatives de l'oxygène et des espèces réductrices comme les hydrocarbures dans les gaz d'échappement, leurs valeurs évoluant en sens inverse. Plus précisément, la formule de la richesse « R » se présente comme le rapport entre les proportions de carburant injecté et de carburant en 5 mélange stoechiométrique (par exemple il faut 14,5 g d'air pour brûler 1g d'essence) rapporté à la masse d'air correspondante, à savoir: Mc/ MAi 10 Mcs MAs Avec : Mc; = masse de carburant effectivement injectée, MAi = masse d'air effectivement injectée, Mcs = masse de carburant en mélange stoechiométrique, et MAS = masse d'air en mélange stoechiométrique. [0005] La richesse autour de la stoechiométrie dans le temps est régulée 15 avec une fréquence pouvant varier de 1 à 4 Hz environ, et avec une amplitude de ± 3% de richesse environ. Cette régulation est assurée par une sonde lambda positionnée en amont du catalyseur, qui envoie un signal au contrôle moteur pour lui indiquer s'il doit augmenter ou réduire la durée d'injection afin d'augmenter ou baisser la richesse. Une autre sonde lambda, placée en aval du catalyseur, vérifie 20 ensuite son efficacité notamment pour le diagnostic embarqué (par exemple, l'EOBD, selon la norme « European On Board Diagnostics » en terminologie anglaise). [0006] Après avoir défini les grandeurs qui interviennent dans les gaz d'échappement, il est à noter que l'évolution de l'efficacité d'un catalyseur - c'est- 25 à-dire sa capacité à transformer les gaz nocifs - est appréciée par sa capacité de stockage en oxygène, appelée OSC (initiales de « Oxygen Storage Capacity » selon la terminologie anglaise). Il est donc recommandé de mesurer l'OSC du catalyseur avec précision et d'ajuster la valeur de « R ». 30 [0007] Différentes méthodes sont utilisées pour mesurer l'OSC d'un catalyseur. Un procédé de base de cette mesure, présenté en référence au diagramme de la figure 1, fait intervenir une sonde amont et une sonde aval disposées aux extrémités du catalyseur testé. Le diagramme de la figure 1 3033832 3 présente l'évolution simultanée de trois grandeurs au cours du temps « t » concernant ces sondes et le catalyseur : la courbe de variation 1 de la tension fournie par la sonde placée en amont du catalyseur, la courbe 2 de variation de la tension fournie par la sonde placée en aval du catalyseur, et les variations 3 de la 5 richesse « R» du mélange injecté dans le moteur. [0008] Le procédé consiste à purger le catalyseur de son oxygène (grâce à une phase de purge) puis à le charger de nouveau en oxygène (grâce à une phase de stockage) par deux injections successives de teneur respectivement plus riche puis plus pauvre en carburant que dans le mélange stoechiométrique. 10 Le calcul de l'OSC est conduit durant cette phase de stockage. La capacité de stockage en oxygène, OSC est déterminée par l'intégrale sur la durée de stockage soit du débit d'oxygène : [0009] OSC = f rho2 dt [0010] Avec rh02 le débit d'oxygène ou par l'intégrale sur la durée de 15 stockage d'une fonction dépendante de la richesse R et du débit de gaz d'échappement : [0011] OSC =1(1- R). K - rfigazéchappe ment dt [0012] Avec R la richesse, ril g az éc h ap pe ment le débit de gaz d'échappement, et K un coefficient de correction. 20 [0013] Dans l'exemple, l'axe vertical représente la grandeur « V» en Volt des tensions des sondes et la valeur sans dimension de la richesse « R ». L'intersection de cet axe « V » et de l'axe de l'échelle de temps « t» correspond à la fois à une richesse « R » égale à 1 (rapport stoechiométrique entre l'oxygène et les espèces réductrices comme les hydrocarbures) et à une valeur de base des 25 tensions ici égale à 0,6 V. [0014] Dans le régime de base, illustré par une première période de temps « A» de richesse « R» de base égale à 1 à l'entrée du catalyseur, le signal 1 de la sonde amont oscille autour de la stoechiométrie et le signal 2 de la sonde aval est lissé. En effet, les composants du catalyseur, oxydes mixtes de Cérium et 30 de Zirconium, tamponnent les oscillations de richesse détectées en amont grâce à 3033 832 4 des réactions d'oxydation et de réduction très rapides. Par exemple, pour le Cérium, les formules d'oxydo-réduction rapides sont du type : Ce203 + Y2 02 2 Ce02 et 5 2 Ce02 Ce203 + 1/2 02 [0015] La deuxième période de temps « B» dite phase de purge débute avec une injection de gaz d'un niveau de richesse, que l'on désignera par richesse dite de purge, plus élevé que la richesse de base. L'injection de gaz est par exemple plus riche en carburant d'environ 5% (et donc appauvri en oxygène), ce 10 qui se traduit par un créneau montant de la courbe 3 de richesse passant de 1 à 1,05. Cette phase B permet au catalyseur d'être purgé de l'oxygène qu'il pourrait éventuellement contenir. Cette purge engendre la libération de l'oxygène contenu dans les oxydes mixtes du catalyseur engendrant leur réduction. L'oxygène ainsi libéré sert alors à oxyder les espèces réductrices comme les hydrocarbures. Le 15 signal 1 de la sonde amont passe sensiblement à son maximum dans le créneau montant. Et le signal 2 de la sonde aval croît faiblement en fin de phase « B ». [0016] A la fin de cette phase de purge « B », où il est supposé que le catalyseur a entièrement purgé son oxygène, une phase de charge « C » (encore appelée phase de stockage), est déclenchée par l'injection d'un excès d'oxygène. 20 La mesure de l'OSC du catalyseur est réalisée durant cette phase de charge REVENDICATIONS1. Procédé de purge ou de charge d'oxygène d'un catalyseur (8) agencé dans le flux d'une installation d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur comprenant le catalyseur (8), une sonde à gaz apte à fournir un signal permettant de déterminer la teneur en oxygène des gaz d'échappement ou la richesse des gaz d'échappement, en aval (7B) du catalyseur (8), le procédé comportant : une étape de purge (B' ; B") - respectivement de charge (B2) - d'oxygène dans le catalyseur (8), caractérisé en ce que l'instant de fin de l'étape (B' ; B"; B2) est validé par une réponse attendue du signal (20; 22 ; 25) de la sonde aval (7B) du catalyseur (8) provoquée par une impulsion (30) à la hausse - respectivement à la baisse - de richesse pendant la première étape (B' ; B" ; B2). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel plusieurs impulsions à la hausse - respectivement à la baisse - de richesse sont successivement (31 ; 32) injectées jusqu'à ce qu'une impulsion provoque la réponse attendue (22) du signal de la sonde aval (7B). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les impulsions à la hausse - respectivement à la baisse - de richesse successives (31 ; 32) se succèdent avec une fréquence variable et/ou une amplitude variable. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le catalyseur (8) est un catalyseur « trois-voies ». 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la sonde à gaz en aval (7B) du catalyseur (8) est choisie entre une sonde 25 lambda ou une sonde d'oxyde d'azote. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de purge (B' ; B") - respectivement de charge (B2) - d'oxygène dans le catalyseur (8) est suivie d'une deuxième étape de stockage (C' ; C") - respectivement de purge (C2) d'oxygène dans le catalyseur (8). 30 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on détermine la capacité de stockage en oxygène partielle et/ou totale pendant la deuxième étape. 3033832 15 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel, l'installation d'épuration comporte plusieurs catalyseurs (8) en série, l'application de l'étape de détermination de l'OSC est choisie entre une détermination individualisée dédiée à chacun des catalyseurs (8), une détermination groupée dédiée à un groupe de 5 catalyseurs (8) et une détermination globale dédiée à l'ensemble des catalyseurs (8). 9. Unité de commande (5) comprenant les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à la mise en oeuvre du procédé selon l'une 10 quelconque des revendications précédentes. 10. Moteur comprenant une installation d'épuration du flux des gaz d'échappement produits par ledit moteur dans laquelle est agencé un catalyseur, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande selon la revendication 9 pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 8.