Brevet FR3080648A1 — publié le 20191101

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 provoque 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 Le document US20030172646A1 vise à déterminer la quantité d'eau produite par le moteur et stockée dans un catalyseur, mais est également 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. 10 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. 15 Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un 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 reliée à un moteur à combustion interne et s'étendant de l'entrée des gaz d'échappement dans cette ligne d'échappement à un point déterminé de la ligne d'échappement, procédé dans lequel : 20 -on détermine l'énergie calorifique libérée dans la ligne d'échappement depuis le démarrage du moteur, -on détermine le nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, -on détermine un seuil d'énergie calorifique pour lequel on considère que le point de rosée 25 est passé, ce seuil étant le produit d'un seuil de base prédéterminé d'énergie calorifique libérée dans la ligne d'échappement depuis le démarrage du moteur, d'un facteur dépendant du nombre déterminé d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, et d'un coefficient de sécurité, -on compare l'énergie calorifique libérée dans la ligne d'échappement à ce seuil et on 30 considère alors que le point de rosée est passé si l'énergie calorifique est supérieure au seuil d'énergie déterminé. 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. 3 Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : Selon une réalisation, le coefficient de sécurité est un facteur dépendant de la température 5 de l'air ambiant ou la température de liquide de refroidissement du moteur, au démarrage de celui-ci. Cela permet de tenir compte de situation où le mode de combustion est plus générateur d'eau. Selon une réalisation, le coefficient de sécurité est issu d'une cartographie mémorisée qui 10 établit ledit coefficient en fonction de la température d'air ambiant ou de liquide de refroidissement du moteur. Ceci permet d'avoir un résultat rapide et corrélé à la réalité. Selon une réalisation, le facteur est issu d'une cartographie mémorisée qui établit ledit facteur en fonction du nombre déterminé d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans 15 passage de point de rosée. Ceci permet de prendre en compte une éventuelle présence d'eau ai démarrage du moteur. Selon une réalisation, le procédé comprend un comptage du nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée qui est remis à zéro lorsque le point 20 de rosée est dépassé. Selon une réalisation, le seuil d'énergie de base est déterminé pour une condition initiale de démarrage à froid du moteur sans eau dans la ligne d'échappement. 25 L'invention concerne également un calculateur qui comprend les moyens d'acquisition, de 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 variantes précédemment décrites. 30 L'invention concerne également un ensemble moteur comprenant un moteur à combustion interne relié à une ligne d'échappement, cette ligne d'échappement comportant une sonde ayant besoin d'être chauffé à une température de fonctionnement, et qui comprend un tel calculateur. 35 L'invention concerne également un véhicule automobile qui comprend un tel ensemble moteur pour son déplacement. 4 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 : 5 -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 10 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 allumage 15 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 de 20 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. 25 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 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. 30 Au niveau du second capteur de température 5, la ligne d'échappement 2 comprend 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 35 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 en oeuvre du procédé de l'invention détaillé après. 5 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 température de 5 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. 10 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, -pendant les phases d'arrêt du véhicule : l'humidité de l'air entraine un stockage d'eau par 15 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 dépollution, 20 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 ligne d'échappement en amont du capteur, appelé encore passage du point de rosée, est requise 25 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 l'organe de dépollution contient de l'eau, et même si les gaz arrivant au capteur n'en contiennent plus, on sait qu'à terme l'eau de l'organe de dépollution sera libérée et va arriver sur le capteur. 30 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'à terme l'eau de l'organe de dépollution sera libérée et va arriver sur la sonde. 35 6 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 : 5 = Q C gaz m pT gaz Avec Pgaz : la puissance thermique du gaz (W) Qm : le débit du gaz (kg/s) 10 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 : 15 Pentrée = Qm Cp Tentrée Psortie = Qm Cp Tsortie D'après l'équation du transfert thermique à un corps, à chaque instant, la puissance 20 transférée par les gaz à la ligne d'échappement vaut 3,P, avec : 3,13 = Pentrée Psortie = Qm Cp (Tentrée Tsortie) Sur la figure 1, Tentrée correspond à T1 et Tsortie correspond à T2. En supposant que lors d'un démarrage à froid la puissance thermique du gaz entrant est 25 transférée intégralement à la ligne, on a alors pendant la phase de chauffe de la ligne Tsortie = Tambiante L'énergie totale transférée à la ligne d'échappement à un instant t depuis un démarrage du moteur vaut alors : 30 E(t) = f AP (t) = f Qm(t) Cp (Tentrée(t) - T amb) Cette énergie calorifique E(t) libérée dans la ligne d'échappement est comparée à un seuil déterminé d'énergie calorifique pour lequel on considère que le point de rosée est passé. On considère alors que le point de rosée est passé si l'énergie calorifique E(t) est supérieure 35 à ce seuil d'énergie déterminé. 7 Ce seuil déterminé d'énergie calorifique est construit comme le produit d'un seuil d'énergie de base prédéterminé, d'un facteur dépendant du nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, et d'un coefficient de sécurité. Concernant le seuil d'énergie de base, celui-ci est déterminé au cours d'essais de mise au point pour une condition initiale de démarrage à froid du moteur sans eau dans la ligne d'échappement. On entend par démarrage à froid, un véhicule dont le moteur est à la température de l'ambiance de l'essai, par exemple 20°C. Afin de vérifier que la partie de la ligne d'échappement ne comprend pas d'eau, on peut prévoir de visualiser la présence d'eau au point qui nous intéresse, par exemple au niveau du capteur 5, par endoscope. 15 Afin de prendre en compte le nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, on compte le nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée et connaissant ce nombre d'arrêt consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, on détermine le facteur correctif. Pour des raisons de simplicité de calcul, celui- ci est indépendant du temps de roulage. 20 Ce facteur correctif est issu d'essais lors de la phase de mise au point du véhicule. Ce facteur est mémorisé dans une cartographie qui établit ledit facteur en fonction du nombre déterminé d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée. 25 Le comptage du nombre d'arrêts est remis à zéro, si au cours du fonctionnement du moteur le passage du point de rosée est avéré. Le comptage du nombre d'arrêts est incrémenté si à la fin de la phase de fonctionnement du moteur le point de rosée n'est pas passé. Afin de prendre une marge de sécurité supplémentaire dans les cas où la température 30 ambiante de l'air ou du liquide de refroidissement moteur est faible, le coefficient de sécurité est défini comme un facteur dépendant de la température de l'air ambiant ou de la température de liquide de refroidissement du moteur, au démarrage de celui-ci. Ce facteur est déterminé préalablement par des essais et mémorisé dans une cartographie qui établit en fonction de la température d'air ambiant ou de liquide de refroidissement du moteur ce 35 facteur. En effet dans le cas d'une température ambiante de l'air ou du liquide de refroidissement moteur faible on active des modes de combustion moteur particuliers 5 10 8 susceptibles de générer plus d'eau. On entend par température faible, une température inférieure à -10°C. Le procédé de l'invention s'affranchit d'un calcul direct de la quantité d'eau dans la ligne 5 d'échappement et est donc plus aisé à mettre en oeuvre grâce à l'usage des deux cartographies. En référence aux figures 2, 3 et 4 est illustré l'évolution en fonction du temps, t, respectivement des quantités d'eau, Qm eau, des températures, T, et des énergies 10 thermiques des gaz, Eth g, dans le cas d'un démarrage à froid, pour un capteur 6 situé après deux catalyseurs 3, 3' en sortie du moteur 1, sur un point de fonctionnement stabilisé. Le démarrage est découpé en six phases notées de I à VI. Sur la figure 2, La courbe 20 indique la quantité d'eau produite par le moteur, la courbe 21 indique la quantité d'eau dans 15 le premier catalyseur (référence 3 sur la figure 1) et la courbe 22 indique la quantité d'eau dans le second catalyseur (référence 3' sur la figure 1). Sur la figure 3, la courbe 30 indique la température des gaz en sortie du moteur, la courbe 31 indique la température interne du premier catalyseur et la courbe 32 la température interne du second catalyseur. Sur la figure 4, la courbe 40 indique l'énergie thermique des gaz en sortie du moteur, la courbe 41 20 indique l'énergie thermique des gaz en sortie du premier catalyseur et la courbe 42 l'énergie thermique des gaz en sortie du second catalyseur. L'écart entre la courbe 40 et la courbe 41 (par exemple à l'accolade référencée 43) représente l'énergie absorbée par la vaporisation de l'eau contenue dans le premier catalyseur, tant que celui-ci en contient. L'écart entre la courbe 40 et la courbe 42 (par exemple à l'accolade référencée 44) 25 représente l'énergie absorbée par la vaporisation de l'eau contenue dans le premier et le second catalyseur. Phase I : La ligne d'échappement est froide et les deux catalyseurs ne contiennent initialement pas d'eau. L'eau en sortie du moteur est stockée sur le premier catalyseur, 30 l'exotherme induit et l'air chaud issu du moteur font monter sa température interne. Le second catalyseur ne reçoit pas d'eau, tout est stocké par le premier. Phase II : Le premier catalyseur a atteint son stockage maximum en eau, l'eau en sortie moteur passe à travers et va désormais se stocker dans le second catalyseur, dont la 35 température interne commence à monter. 9 Phase III : Le premier catalyseur continue de chauffer grâce aux calories fournies par le moteur, la capacité de stockage diminuant avec la température, il ne peut plus conserver toute l'eau qu'il contient et commence à se vider : l'endotherme induit par le déstockage d'eau ralentit la montée en température du premier catalyseur. Le second catalyseur 5 continue à se remplir par l'eau venant du moteur et l'eau déstockée par le premier catalyseur. Phase IV : Le premier catalyseur poursuit le déstockage de son eau et le second catalyseur est désormais saturé, autrement dit il a atteint son stockage maximum en eau. 10 Phase V : Le premier catalyseur est vide, il poursuit donc sa montée en température plus rapidement. A l'instant t1, l'énergie apportée a atteint le seuil correspondant à la quantité d'eau stockée jusqu'au premier catalyseur. Un capteur positionné à cet emplacement peut être activé. 15 La température du second catalyseur augmente elle aussi, il ne peut plus conserver l'eau qu'il contient et se vide progressivement. Comme précédemment, l'endotherme de déstockage d'eau ralentit sa montée en température. La vaporisation de l'eau stockée sur le second catalyseur amplifie l'écart d'énergie entre la sortie du moteur et la sortie du 20 second catalyseur. Phases VI : Les deux catalyseurs sont désormais vides, et le second catalyseur monte rapidement en température à son tour. A l'instant t2, l'énergie apportée a atteint le seuil correspondant à la quantité d'eau stockée jusqu'au second catalyseur. Un capteur 25 positionné à cet emplacement peut être activé. La ligne est désormais suffisamment chauffée et ne peut plus stocker d'eau. On peut alors lancer la chauffe du capteur 6 en aval sans risque. 30 L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit. En variante, le moteur peut être un moteur à combustion interne à allumage commandé, fonctionnant par exemple à l'essence. L'organe de dépollution peut être différent d'un catalyseur d'oxydation. L'organe de dépollution peut être par exemple un catalyseur trois voies, un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, un filtre à particules, ... 35 10 En variante, la sonde peut être tout type de sonde de mesure ayant une cellule sensible à chauffer à une température de fonctionnement. L'invention permet d'optimiser la disponibilité du capteur en garantissant son intégrité. 5 L'invention permet encore une réduction du risque de dégradation des capteurs et une économie d'une 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 et s'étendant de l'entrée des gaz d'échappement dans cette ligne d'échappement (2) à un point déterminé de la ligne d'échappement, caractérisé en ce que -on détermine l'énergie calorifique (E(t)) libérée dans la ligne d'échappement depuis le démarrage du moteur, -on détermine le nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, -on détermine un seuil d'énergie calorifique pour lequel on considère que le point de rosée est passé, ce seuil étant le produit d'un seuil de base prédéterminé d'énergie calorifique libérée dans la ligne d'échappement depuis le démarrage du moteur, d'un facteur dépendant du nombre déterminé d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée, et d'un coefficient de sécurité, -on compare l'énergie calorifique (E(t)) libérée dans la ligne d'échappement à ce seuil et on considère alors que le point de rosée est passé si l'énergie calorifique (E(t)) est supérieure au seuil d'énergie déterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient de sécurité est un facteur dépendant de la température de l'air ambiant ou la température de liquide de refroidissement du moteur, au démarrage de celui-ci. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coefficient de sécurité est issu d'une cartographie mémorisée qui établit ledit coefficient en fonction de la température d'air ambiant ou de liquide de refroidissement du moteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le facteur est issu d'une cartographie mémorisée qui établit ledit facteur en fonction du nombre déterminé d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée. 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un comptage du nombre d'arrêts moteur consécutifs antérieurs sans passage de point de rosée qui est remis à zéro lorsque le point de rosée est dépassé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil d'énergie de base est déterminé pour une condition initiale de démarrage à froid du moteur (1) sans eau dans la ligne d'échappement (2). 12 7. Calculateur (7), caractérisé en ce qu'il comprend les moyens d'acquisition, de 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. 5 8. Ensemble moteur comprenant un moteur (1) à combustion interne relié à une ligne (2) d'échappement, cette ligne (2) d'échappement comportant une sonde (4, 5) ayant besoin d'être chauffé à une température de fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur (7) selon la revendication précédente. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble moteur selon la 10 revendication précédente pour son déplacement.