Brevet FR3069278A1 — publié le 20190125

PROCEDE DE DETERMINATION DU PASSAGE DU POINT DE ROSEE A LA SORTIE D'UN ORGANE DE DEPOLLUTION La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement la détermination du moment où il n'y a plus d'eau liquide dans une partie de la ligne d'échappement comprise entre l'entrée des gaz d'échappement et la sortie d'un organe de dépollution des gaz d'échappement. Les véhicules automobiles, équipés d'un moteur à combustion interne, sont pourvus de dispositifs de dépollution des gaz d'échappement. On a constaté, au cours des années, un durcissement des normes anti-pollution auxquelles sont soumis tous les nouveaux véhicules. Dès lors, les dispositifs de dépollution des véhicules sont devenus plus sophistiqués, requérant différentes sondes, générant des problèmes de fiabilité, et engendrant des frais d'entretien importants pour les propriétaires des véhicules. A l'exemple du document FR2986263, ces dispositifs de dépollution peuvent comprendre une sonde par exemple pour mesurer le taux de d'oxyde d'azote et d'oxygène. Ces sondes sont des composants fragiles qui, pour fournir une mesure précise, ont besoin d'être chauffé à une température de fonctionnement (aux alentours de 800°C) et il convient de la protéger de certains éléments, notamment de l'eau sous forme liquide. La combustion, dans le moteur, d'un mélange air/carburant, provoque la création de vapeurs d'eau qui, en se refroidissant, se condense et forme de l'eau dans la ligne d'échappement. L'eau ainsi générée est expulsée de la ligne d'échappement par les gaz d'échappement et peut, sur son parcours, entrer en contact avec la sonde. Lorsque la sonde est chauffée à 800°C, le contact local de l'eau avec la sonde pro \oque un choc thermique par refroidissement local de la sonde et, par conséquent, une dégradation de la sonde, voire une casse de celle-ci. Il en résulte une mise en défaut du dispositif de dépollution. Ces sondes doivent donc être amenées à leur température de fonctionnement après évaporation de toute eau sous forme liquide dans la ligne d'échappement. 2 Le document FR2986263 vise un chauffage de la sonde, mais est muet sur la détermination passage du point de rosée, autrement dit du moment où il n'y a plus d'eau liquide dans la ligne d'échappement. 5 II existe donc un besoin pour déterminer ce moment où il n'y a plus d'eau liquide dans la ligne d'échappement, entre la sortie moteur et un point déterminé en aval de cette sortie moteur, surtout lorsque cette partie de ligne d'échappement comprend des organes de dépollution susceptibles de retenir de l'eau. 10 Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de détermination du passage à l'état sans présence d'eau liquide, encore désigné passage du point de rosée, dans une partie de ligne d'échappement reliée à un moteur combustion interne, comprise entre l'entrée des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement et la sortie d'un organe de dépollution disposé dans cette ligne d'échappement, caractérisé en ce que : 15 -on détermine la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution depuis le début du fonctionnement du moteur en cours, -on détermine l'énergie requise pour évaporer cette masse d'eau stockée, -on détermine une première énergie des gaz d'échappement en entrée de la ligne d'échappement depuis le début du fonctionnement du moteur en cours, 20 -on détermine une seconde énergie des gaz d'échappement en sortie de l'organe de dépollution, -on détermine l'écart entre ces deux énergies, et lorsque cet écart est supérieur à l'énergie requise pour évaporer la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution, on considère alors que le point de rosée est passé. 25 L'effet technique est d'avoir un suivi en continu de l'évolution de la présence d'eau dans l'organe de dépollution et ainsi de pouvoir déterminer précisément le moment où tout eau liquide est absente de la partie de ligne d'échappement dotée de l'organe de dépollution. 30 Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : Dans un mode de réalisation où la ligne d'échappement comprend une sonde à chauffage piloté en aval de la sortie de l'organe de dépollution, la seconde énergie est déterminée au niveau de la sonde. 3 Dans un mode de réalisation, la détermination de la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution depuis le démarrage du moteur est fonction de l'eau produite par la combustion pendant le fonctionnement en cours du moteur et de l'eau apportée par l'humidité ambiante lors de l'arrêt du moteur qui a précédé le fonctionnement en cours du 5 moteur. Dans un mode de réalisation, la masse d'eau apportée par humidité ambiante est une masse forfaitaire par unité de temps de moteur arrêté lors de l'arrêt du moteur qui a précédé le fonctionnement en cours du moteur. 10 Dans un mode de réalisation, la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution est obtenue à partir de la relation : (PH20 in)] 2 (RTcata(t) [1n(wo PH2.9 lig) [ln p satH2 0 I3H2 0 )2 Apore WO (PH2 tp(t) = Avec : 14,0 : le taux de remplissage maximal par volume de l'organe de dépollution, 15 igH20 : l'affinité de l'organe de dépollution avec l'eau, (pH2ohq : la densité de l'eau liquide, PH2oin : La pression partielle d'eau entrant dans l'organe de dépollution, PsatH20 : La pression de vapeur saturante de l'eau, qui est fonction de la température des gaz d'échappement, 20 R: la constante des gaz parfaits, Tcata(t) : la température interne de l'organe de dépollution, Ap'e : une constante caractéristique de la taille des pores de la phase active de l'organe de dépollution. 25 Dans un mode de réalisation, l'étape de détermination de la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution depuis le début du fonctionnement du moteur en cours est remplacée par une étape de détermination de la masse d'eau maximum stockable dans l'organe de dépollution et en ce que l'on considère alors que le point de rosée est passé lorsque l'écart d'énergie est supérieur à l'énergie requise pour évaporer la masse d'eau 30 maximum stockable dans l'organe de dépollution. L'invention a aussi pour objet un calculateur, caractérisé en ce qu'il comprend les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi 4 que les moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. L'invention a aussi pour objet un ensemble moteur comprenant un moteur à combustion 5 interne relié à une ligne d'échappement, cette ligne d'échappement comportant un organe de dépollution, caractérisé en ce qu'il comprend un tel calculateur. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un tel ensemble moteur pour son déplacement. 10 D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : 15 -La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne équipé d'une ligne d'échappement permettant la dépollution des gaz d'échappement en sortie du moteur associé à un calculateur pour mise en oeuvre du procédé de l'invention. - Les figures 2 à 4 illustrent l'évolution en fonction du temps respectivement des quantités 20 d'eau, des températures et des énergies des gaz dans le cas d'un démarrage à froid, pour un capteur situé après deux catalyseurs en sortie du moteur, sur un point de fonctionnement stabilisé. La figure 1 présente un moteur 1 à combustion interne, par exemple un moteur à 25 allumage par compression, fonctionnant par exemple au gazole. Ce moteur 1 est relié à une ligne 2 d'échappement des gaz brûlés pour former un ensemble moteur. Un tel ensemble moteur peut équiper un véhicule automobile pour son déplacement. La ligne d'échappement 2 dispose d'un premier organe 3 de dépollution, dans ce mode 30 de réalisation, par exemple un catalyseur d'oxydation pour l'oxydation du monoxyde de carbone et l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés. La ligne d'échappement 2 peut comprendre un second organe 3' de dépollution dans ce mode de réalisation, immédiatement en aval du premier organe 3 de dépollution, par exemple un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. 35 La ligne d'échappement 2 dispose encore d'un premier capteur de température 4 en amont du premier catalyseur 3 d'oxydation et un second capteur de température 5 en aval 5 du second catalyseur 3'. L'amont et l'aval sont ici définis relativement au sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne 2 d'échappement. Au niveau du second capteur de température 5, la ligne d'échappement 2 comprend 5 encore une sonde par exemple une sonde à oxygène. Les capteurs de température 4 et 5 ainsi que la sonde 6 sont reliées à un calculateur 7. Ce calculateur 7 comprenant les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise 10 en oeuvre du procédé de l'invention détaillé après. Comme déjà expliqué, afin d'obtenir une mesure précise, certains capteurs comme la sonde à oxygène 6 reposent sur une cellule d'analyse dont le chauffage est piloté de sorte à démarrer le chauffage de cellule au moment opportun et l'amener à sa 15 température de fonctionnement optimale. Cependant, cette montée en température doit être faite après évaporation de toute eau sous forme liquide dans la ligne d'échappement, en amont de ce capteur, car le contact de l'eau liquide et de cette cellule peut entraîner la détérioration voire la destruction de celle-ci en raison du choc thermique et rendre le capteur inopérant. 20 En effet, de l'eau est susceptible d'être stockée dans la ligne d'échappement lorsque la ligne d'échappement est froide, soit dans les situations de vie suivantes : -pendant les phases de démarrage : la combustion du carburant dans le moteur génère de grandes quantités d'eau qui sont envoyées à l'échappement, 25 -pendant les phases d'arrêt du véhicule : l'humidité de l'air entraine un stockage d'eau par diffusion depuis l'aval de la ligne d'échappement. Deux types de phénomènes sont à l'origine du stockage d'eau : La chimisorption : interaction chimique avec le substrat poreux présent dans l'organe de 30 dépollution, La physisorption : interaction physique qui conduit à la condensation d'eau sur les parois froides des tubes métalliques de la ligne d'échappement et en surface des substrats. Ainsi, la détermination du passage de ce moment où il n'y a plus d'eau liquide dans la 35 ligne d'échappement en amont du capteur, appelé encore passage du point de rosée, est requise pour savoir si la chauffe du capteur peut ensuite être lancée. A cet effet, on doit s'assurer de l'absence d'eau dans l'organe de dépollution en amont du capteur. Si 6 l'organe de dépollution contient de l'eau, et même si les gaz arrivant au capteur n'en contiennent plus, on sait qu'a terme l'eau de l'organe de dépollution sera libérée et va arriver sur le capteur. 5 Afin de déterminer à quel moment la chauffe du capteur 6 peut être lancée on doit s'assurer de l'absence d'eau dans l'ensemble des organes de dépollution 3, 3' en amont de la sonde 6. En effet, si l'organe de dépollution contient de l'eau, et même si les gaz arrivant à la sonde n'en contiennent plus, on sait qu'a terme l'eau de l'organe de dépollution sera libérée et va arriver sur la sonde. 10 A cet effet, on calcule l'énergie ayant été consommée pour vaporiser l'eau stockée dans la ligne d'échappement 2 comme l'écart entre l'énergie entrant dans la ligne et celle sortant au niveau de la sonde 6 dont le chauffage est à lancer. Quand l'énergie consommée pour la vaporisation est supérieure à un seuil déterminé en fonction de la 15 quantité d'eau stockée dans la ligne d'échappement, la chauffe de la sonde peut être amorcée sans risque de la détériorer. La réaction de vaporisation de l'eau stockée est endothermique. Ainsi, tant que de l'eau est stockée dans l'organe de dépollution, l'énergie en aval de celui-ci est inférieure à celle 20 en amont. On peut calculer l'énergie entrant dans la ligne d'échappement et celle en sortant par bilan thermique en se basant sur des mesures de température et le débit de gaz. La puissance thermique d'un gaz circulant vaut : 25 'gaz - QmCpTgaz Avec Pg az : la puissance thermique du gaz (W) Qm : le débit du gaz (kg/s) 30 Cp : la capacité thermique du gaz (J/kg/K) Tgaz : la température du gaz (K) Ainsi les puissances thermiques du gaz en entrée et en sortie de la ligne d'échappement valent respectivement : Pentrée - Qm Cp Tentrée 7 Psortie = Qm Cp Tsortie D'après l'équation du transfert thermique à un corps, à chaque instant, la puissance transférée par les gaz à la ligne d'échappement vaut 3,P, avec : AP = Pentrée - Psortie = Qm Cp (Tentrée - Tsortie) 5 En supposant que lors d'un démarrage à froid la puissance thermique du gaz entrant est transférée intégralement à la ligne, on a alors pendant la phase de chauffe de la ligne Tsortie = Tamb tante 10 L'énergie totale transférée à la ligne d'échappement à un instant t depuis un démarrage vaut alors : t t E(t) = f 3,P(t) = f Qm(t) Cp (Tentrée(t) - Tamb) o o Ainsi, dans notre cas, en référence à la figure 1, l'énergie totale des gaz transférée dans la partie de ligne d'échappement 2 comprenant les organes de dépollution 3 et 3' est 15 donnée par l'écart d'énergie 3,E : LIE = El(t) - E2(t) Avec El(t), l'énergie totale des gaz transférée dans la partie de la ligne d'échappement comprise entre le point de mesure de température Il des gaz en entrée de la ligne 20 obtenue par le capteur de température 4 et la sortie de la ligne d'échappement 2, depuis le début du fonctionnement en cours du moteur 1 : t El(t) = 1Qm(t)Cp (Ti(t) - Tamb) o Et E2(t), l'énergie totale des gaz transférée dans la partie de la ligne d'échappement comprise entre le point de mesure de 12 par le capteur de température 5, donc au niveau 25 du capteur 6, et la sortie de la ligne d'échappement 2, depuis le début du fonctionnement en cours du moteur 1 : t E2(t) = (.t )Cp (T2(t) - Tamb) o 8 Cet écart d'énergie 3.E va servir à chauffer les catalyseurs 3, 3', à chauffer puis à vaporiser l'eau stockée dans ces catalyseurs. L'eau est stockée dans les briques des catalyseurs 3, 3' de la ligne d'échappement 2 par 5 phénomène de physisorption sur les filtres et de chimisorption sur les catalyseurs, et peut avoir deux sources : la combustion et l'humidité ambiante. La réaction de combustion dans le moteur : la combustion du carburant dans un moteur thermique peut être approchée par l'équation : 10 Y Y CxHy+ + -4)02 XCO2 + -2 H20 Ainsi, la masse d'eau apportée par la réaction de combustion depuis le début du trajet peut être calculée grâce à la formule : 2 MH20 n n'eau = ii carb Y CxHy Avec : 15 MH20 : masse molaire de l'eau (g.mo1-1) Mc, REVENDICATIONS1. Procédé de détermination du passage à l'état d'absence d'eau liquide, encore désigné passage du point de rosée, dans une partie de ligne d'échappement (2) reliée à un moteur (1) à combustion interne, comprise entre l'entrée des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement (2) et la sortie d'un organe de dépollution (3, 3') disposé dans cette ligne d'échappement (2), caractérisé en ce que : -on détermine la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution (3,3') depuis le début du fonctionnement du moteur (1) en cours, -on détermine l'énergie requise pour évaporer cette masse d'eau stockée, -on détermine une première énergie (El (t)) des gaz d'échappement en entrée de la ligne d'échappement (2) depuis le début du fonctionnement du moteur (1) en cours, -on détermine une seconde énergie (E2(t)) des gaz d'échappement en sortie de l'organe de dépollution (3, 3'), -on détermine l'écart (LE) entre ces deux énergies, et lorsque cet écart est supérieur à l'énergie requise pour évaporer la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution (3, 3'), on considère alors que le point de rosée est passé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la ligne d'échappement (2) comprenant une sonde (6) à chauffage piloté en aval de la sortie de l'organe de dépollution (3, 3'), la seconde énergie (E2(t)) est déterminée au niveau de la sonde (6). 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la détermination de la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution (3, 3') depuis le démarrage du moteur (1) est fonction de l'eau produite par la combustion pendant le fonctionnement en cours du moteur (1) et de l'eau apportée par l'humidité ambiante lors de l'arrêt du moteur qui a précédé le fonctionnement en cours du moteur (1). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la masse d'eau apportée par humidité ambiante est une masse forfaitaire par unité de temps de moteur arrêté lors de l'arrêt du moteur qui a précédé le fonctionnement en cours du moteur (1). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution (3, 3') est obtenue à partir de la relation : 15 (RTcata(t) PPslia: H° n 0)] 2 [1n(Wo pH 2 oi ln H2O/3 )2 [ r'porel tp(t) = IVO (PH2 Avec : 14,0 : le taux de remplissage maximal par volume de l'organe de dépollution, igH20 : l'affinité de l'organe de dépollution avec l'eau, (pH20,,q : la densité de l'eau liquide, 5 PH2oin : La pression partielle d'eau entrant dans l'organe de dépollution, PsatH20 : La pression de vapeur saturante de l'eau, qui est fonction de la température des gaz d'échappement, R: la constante des gaz parfaits, Tcata(t) : la température interne de l'organe de dépollution, 10 Ap'e : une constante caractéristique de la taille des pores de la phase active de l'organe de dépollution. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la masse d'eau stockée dans l'organe de dépollution (3, 3') depuis le début du fonctionnement du moteur (1) en cours est remplacée par une 15 étape de détermination de la masse d'eau maximum stockable dans l'organe de dépollution (3, 3') et en ce que l'on considère alors que le point de rosée est passé lorsque l'écart d'énergie (LE) est supérieur à l'énergie requise pour évaporer la masse d'eau maximum stockable dans l'organe de dépollution (3, 3'). 7. Calculateur (7), caractérisé en ce qu'il comprend les moyens d'acquisition, de 20 traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Ensemble moteur comprenant un moteur (1) à combustion interne relié à une ligne (2) d'échappement, cette ligne (2) d'échappement comportant un organe (3) de 25 dépollution, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur (7) selon la revendication 7. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble moteur selon la revendication précédente pour son déplacement.