Brevet FR3160207A1 — publié le 20250919

L'invention concerne un procédé de pilotage de la fenêtre catalytique de la ligne d’échappement des véhicules automobiles à motorisation thermique (M), ladite ligne comprenant, en amont, un premier catalyseur d’oxydoréduction à trois voies (TWC) associé, d’une part, à une première sonde à oxygène (S1) et, d’autre part, à une seconde sonde à oxygène (S2) et, en aval, un deuxième catalyseur d’oxydo-réduction à trois voies (UFC), ladite fenêtre étant modulée à partir de la quantité d’oxygène détectée dans le premier catalyseur par la première sonde à oxygène (S1), caractérisé en ce qu’on module la fenêtre catalytique en tenant compte, en outre, de la quantité d’oxygène présente conjointement dans le second catalyseur (UFC) et détectée par ladite seconde sonde à oxygène (S2). Figure 1 PROCÉDÉ DE PILOTAGE optimal DU SYSTÈME CATALYTIQUE DE LA LIGNE D’ÉCHAPPEMENT DES VÉHICULES AUTOMOBILES L'invention concerne, de façon générale, le domaine du traitement catalytique des gaz d’échappement des véhicules automobiles à motorisation thermique et s’intéresse, plus particulièrement, à un procédé de pilotage et d’optimisation du traitement catalytique. Les moteurs à combustion interne des véhicules automobiles et, notamment, ceux à allumage commandé alimentés en essence, sont aujourd’hui nécessairement équipés d’une ligne d’échappement intégrant un système catalytique de traitement des émissions gazeuses polluantes. Un tel système catalytique intègre un premier bloc pourvu d’un catalyseur d’oxydoréduction à 3 voies (dit TWC pour « Three W ay C atalyst ») et d’un filtre à particules (dit GPF). Généralement, une première sonde à oxygène proportionnelle est montée en amont de ce bloc et une seconde sonde à oxygène binaire est montée en aval. Ce système intègre, en outre, un deuxième bloc pourvu d’un catalyseur complémentaire à 3 voies (dit UFC pour « Under Floor Catalyst ») éventuellement associé à un dispositif de stockage d’ammoniac (dit ASC) qui est monté après la seconde sonde à oxygène binaire. A l’extrémité de cette ligne d’échappement se trouve aussi une troisième sonde à oxygène (ou de Nox/NH3) formant capteur de richesse. Le pilotage du traitement catalytique par contrôle commande est effectué à partir d’une fonction de régulation de la richesse (taux d’oxygène) en amont et en aval du système. Afin d’optimiser la neutralisation des émissions polluantes dans le système catalytique, il existe pour chaque point de fonctionnement du moteur une plage de richesse permettant de maximiser l’efficacité de conversion des principaux polluants (HC, CO, NOx, NH3) par la catalyse. Les méthodes de contrôle commande actuelles des motorisations thermiques à essence consistent à définir une consigne de richesse à réguler en amont des catalyseurs afin d’obtenir une efficacité maximale de conversion des émissions gazeuses polluantes. Cette consigne communément appelée « fenêtre catalytique » ou « TWC window », est définie, à la fois, pour chaque point de fonctionnement du moteur et selon l’état de vieillissement du catalyseur. Le positionnement de cette fenêtre se trouve généralement autour de la zone stœchiométrique pour que le système soit capable de convertir tous les polluants. L’objectif principal de l’invention est de réguler le plus précisément possible cette consigne ou fenêtre de richesse en conditions stabilisées. Or, la calibration de cette consigne requiert de réaliser un compromis sur les efficacités de conversion du catalyseur. En effet, en se plaçant du côté riche (c’est-à-dire, avec une richesse du mélange > 1) on favorise la conversion des NOx au détriment des autres polluants CO/HC/NH3 et inversement du côté pauvre (avec une richesse du mélange Le brevet EP1706622B1 décrit une ligne d’échappement comprenant deux catalyseurs destinés à assurer la purification des gaz d'échappement. Le premier catalyseur agit au démarrage. Le deuxième catalyseur est, quant à lui, un catalyseur à trois voies. Ces deux catalyseurs peuvent emprisonner l'oxygène et oxyder ainsi le monoxyde de carbone (CO) et/ou les hydrocarbures (HC) contenus dans les gaz d'échappement. Par ailleurs, lorsqu'un composant oxydé tel que NOx est présent dans ces gaz d'échappement, il est réduit ce qui permet de purifier les émissions gazeuses contenant ce polluant. Conjointement, l'oxygène produit lors de cette réaction de réduction se trouve capturé par les deux catalyseurs. Toutefois, le procédé de pilotage du système catalytique décrit dans ce brevet prévoit, par point de fonctionnement du moteur, une phase avec une consigne de fenêtre située uniquement du côté riche ou bien une phase de consigne de fenêtre située uniquement du côté pauvre, ce qui ne permet pas d’obtenir un niveau optimal de consigne. Dans ce contexte, l’invention a cherché à optimiser la consigne de fenêtre à partir d’une nouvelle fonctionnalité utilisant l’implémentation du deuxième bloc pourvu du catalyseur complémentaire (UFC) à trois voies. Le procédé de l’invention consiste ainsi à moduler la consigne de fenêtre en fonction de la quantité d’oxygène stockée dans ce catalyseur. Par conséquent, dans des conditions stabilisées, au lieu d’appliquer des consignes uniques (par point de fonctionnement), il devient désormais possible, grâce à l’invention, d’appliquer des consignes de fenêtre dynamiques. Dès lors, le procédé de l’invention vise à définir des consignes de fenêtre optimales pouvant être, conjointement, riches et/ou pauvres. Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’un procédé de pilotage de la fenêtre catalytique de la ligne d’échappement des véhicules automobiles à motorisation thermique, ladite ligne comprenant, en amont, un premier catalyseur d’oxydoréduction à trois voies associé, d’une part, à une première sonde à oxygène et, d’autre part, à une seconde sonde à oxygène et, en aval, un deuxième catalyseur d’oxydo-réduction à trois voies, ladite fenêtre étant modulée à partir de la quantité d’oxygène détectée dans le premier catalyseur par la première sonde à oxygène, caractérisé en ce qu’on module la fenêtre catalytique en tenant compte, en outre, de la quantité d’oxygène présente conjointement dans le second catalyseur et détectée par ladite seconde sonde à oxygène. Selon un mode préférentiel de mise en œuvre du procédé de l’invention, lorsque la quantité d’oxygène présente dans le second catalyseur est supérieure à un seuil déterminé, on applique une fenêtre de richesse élevée pour minimiser les émissions de NOx et lorsque la quantité d’oxygène dans le second catalyseur est inférieure audit seuil, on applique une fenêtre de richesse plus pauvre pour limiter les émissions de HC/CO/NH3. Selon une variante de mise en œuvre du procédé de l‘invention, on pondère ladite fenêtre catalytique en la positionnant entre la fenêtre de richesse élevée et la fenêtre de richesse plus pauvre en fonction de la quantité d’oxygène moyenne présente dans le second catalyseur. De préférence, on passe de la fenêtre de richesse élevée à la fenêtre de richesse plus pauvre lorsque la température interne dans le second catalyseur est suffisante. Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l’invention, on module la fenêtre catalytique en tenant compte, en outre, de la tension électrique aux bornes de la seconde sonde à oxygène. Un autre objet de l’invention est un programme d’ordinateur destiné à être chargé dans un calculateur embarqué pour la mise en œuvre du procédé de pilotage tel que défini ci-dessus. Encore un autre objet de l’invention est un véhicule automobile à motorisation thermique équipé d’une ligne d’échappement comprenant, en amont, un premier catalyseur d’oxydoréduction à trois voies associé, d’une part, à une première sonde à oxygène et, d’autre part, à une seconde sonde à oxygène et, en aval, un deuxième catalyseur d’oxydo-réduction à trois voies et un calculateur embarqué associé à un programme d’ordinateur pour la mise en œuvre d’un procédé de pilotage tel que défini ci-dessus. Le procédé de l’invention complète efficacement la méthode traditionnelle de réglage de la fenêtre catalytique qui reposait sur la calibration en fonction du point de fonctionnement du moteur et de l’état de vieillissement du premier catalyseur. L’invention permet de faciliter la calibration de la fenêtre catalytique et permet ainsi un pilotage plus robuste du traitement de dépollution que le procédé traditionnel et plus performant en termes de conversion des émissions polluantes transitant par la ligne d’échappement, quelles que soient les conditions. En outre, le procédé de l’invention est simple à mettre en œuvre dans un dispositif de contrôle commande. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées, pour lesquelles : FIG. 1 est une vue schématique d’un mode de réalisation d’une ligne d’échappement de véhicule automobile à motorisation thermique sur laquelle s’applique le procédé de pilotage de l’invention. FIG. 2 est un schéma synoptique d’un mode de mise en œuvre du procédé de pilotage de l’invention appliqué à la ligne d’échappement de la FIG. 1 . FIG. 3 est un graphe illustrant la mise en œuvre du procédé de pilotage de la FIG. 2 . Naturellement, le mode de mise en œuvre du procédé de l’invention décrit ci-après et illustré par les figures annexées, n’est donné qu'à titre d’exemple non limitatif. Il est explicitement prévu dans le cadre de l’invention que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres. L’invention concerne le système catalytique des lignes d’échappement des véhicules automobiles à motorisation thermique et s’intéresse, plus particulièrement au pilotage optimisé d’un tel système. L’objectif de l’invention consiste à proposer des moyens destinés à la régulation de la richesse (le taux d’oxygène) en amont et en aval du système catalytique. Afin d’optimiser la neutralisation des émissions polluantes dans ce système catalytique, il existe pour chaque point de fonctionnement du moteur une plage de richesse permettant de maximiser l’efficacité de conversion des principaux polluants (HC, CO, NOx, NH3) par la catalyse. Les méthodes de contrôle commande actuelles des motorisations thermiques à essence consistent à définir une consigne ou fenêtre de richesse qu’il convient de réguler en amont des catalyseurs afin d’obtenir une efficacité maximale de conversion des émissions gazeuses. De manière générale et comme représenté sur la FIG. 1 , la ligne d’échappement d’un moteur M à combustion à laquelle est destinée à s’appliquer le procédé de pilotage de l’invention comprend, en amont, un premier catalyseur d’oxydoréduction à trois voies (désigné par TWC) couplé à un filtre à particules (désigné par GPF). Ce premier catalyseur est associé d’une part, à une première sonde à oxygène S1 du type proportionnel et, d’autre part, à une seconde sonde S2 à oxygène du type binaire. En aval, la ligne comprend un deuxième catalyseur (UFC) d’oxydo-réduction également à trois voies raccordé ici en série au premier catalyseur (TWC) et couplé à un dispositif de stockage d’ammonium (ASC). Le cas échéant, la ligne d’échappement comprend, en outre à son extrémité de sortie, une troisième sonde S3 ou un capteur à oxygène et/ou à NOx/NH3. De façon traditionnelle, la fenêtre de richesse est modulée à partir de la quantité d’oxygène détectée dans le premier catalyseur (TWC) par la première sonde S1 à oxygène. L’invention consiste en l’apport d’une nouvelle fonctionnalité qui utilise l’implémentation du deuxième catalyseur trois voies (UFC) pour moduler la consigne de richesse. Plus précisément, le procédé de l’invention module la fenêtre catalytique en tenant compte, outre la quantité d’oxygène déjà stockée dans le premier catalyseur (TWC), la quantité d’oxygène présente conjointement dans le second catalyseur (UFC) et détectée par la seconde sonde S2 à oxygène. Selon un mode préférentiel de mise en œuvre de l’invention, le procédé prévoit que lorsque la quantité d’oxygène présente dans le second catalyseur (UFC) est supérieure à un seuil déterminé, on applique une fenêtre de richesse élevée pour minimiser les émissions de NOx et, inversement, lorsque la quantité d’oxygène dans le second catalyseur (UFC) est inférieure audit seuil, on applique une fenêtre de richesse plus pauvre pour limiter les émissions de HC/CO/NH3. Ainsi, dans des conditions stabilisées, au lieu d’appliquer une consigne unique (par point de fonctionnement), il devient possible d’appliquer une consigne dynamique. Selon une variante de mise en œuvre du procédé de l’invention, il est possible de pondérer la fenêtre catalytique en la positionnant entre la fenêtre de richesse élevée et la fenêtre de richesse plus pauvre en fonction de la quantité d’oxygène moyenne présente dans le second catalyseur (UFC). De préférence, le procédé prévoit de ne passer de la fenêtre de richesse élevée à la fenêtre de richesse plus pauvre que lorsque la température interne dans le second catalyseur est suffisante. Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l’invention, on module la fenêtre catalytique en tenant compte, en outre, de la tension électrique aux bornes de la seconde sonde à oxygène. Avec l’implémentation du deuxième catalyseur (UFC), le réglage de la fenêtre catalytique a été dupliqué pour prendre en compte l’état de ce catalyseur. Le procédé de l’invention permet ainsi de disposer de trois modes de réglages qui sont illustrés par la FIG. 2 . Le premier mode de réglage correspond au mode traditionnel connu qui repose uniquement sur le premier catalyseur actif (TWC) capable de convertir les polluants, le deuxième catalyseur étant inactif. Le second mode de réglage utilise les deux catalyseurs actifs (TWC + UFC) mais avec ce deuxième catalyseur saturé en oxygène. Le troisième mode cde réglage utilise encore les deux catalyseurs actifs (TWC + UFC) mais avec ce deuxième catalyseur dépourvu d’oxygène. Un mode alternatif de réglage peut être mis en œuvre par une pondération (de type barycentre) en se positionnant entre les deux précédents réglages en fonction de la la quantité d’oxygène courante et stockée en moyenne dans le deuxième catalyseur (UFC). Lorsque le deuxième catalyseur (UFC) contient une grande quantité d’oxygène, il est capable de traiter facilement les polluants HC/CO/NH3 et il devient possible de calibrer une fenêtre catalytique légèrement plus riche afin de minimiser les émissions de NOx. Durant cette phase, l’oxygène du deuxième catalyseur est progressivement consommé. Lorsque la quantité d’oxygène présente devient trop faible, il est alors nécessaire de basculer sur une fenêtre catalytique plus pauvre pour limiter les émissions de HC/CO/NH3 et sans pour autant générer plus de NOx. Globalement, ce mode de mise en œuvre du procédé s’avère plus robuste que le mode continu de réglage traditionnel et plus efficace pour le traitement des émissions qu’un mode utilisant un seul catalyseur. La FIG. 3 illustre le principe de la modulation de la fenêtre catalytique (exemple de calibration binaire, en appliquant un réglage avec le premier catalyseur TWC ou le second catalyseur UFC, et sans interpolation entre les deux catalyseurs). Tant que la quantité d’oxygène stockée dans le deuxième catalyseur (UFC) est supérieure à un seuil préalablement déterminé, on applique le réglage « UFC chaud et plein d’O2 ». Dès que la quantité d’oxygène (OSL pour « Oxygen Storage Level ») présente dans le second catalyseur (UFC) descend en dessous de ce seuil, on applique alors le réglage « UFC chaud et vide d’O2 », qui est une consigne légèrement plus pauvre que la précédente consigne. La fenêtre catalytique va donc se moduler en fonction de l’évolution de la quantité d’oxygène (OSL) stockée dans le deuxième catalyseur (UFC). Le procédé de l’invention s’applique à l’identique pour l’évaluation de la consigne de tension électrique de la sonde S2 définie par la régulation de la richesse en aval du fait que la fenêtre catalytique et la consigne de tension sont toujours étroitement liées. Procédé de pilotage de la fenêtre catalytique de la ligne d’échappement des véhicules automobiles à motorisation thermique (M), ladite ligne comprenant, en amont, un premier catalyseur d’oxydoréduction à trois voies (TWC) associé, d’une part, à une première sonde à oxygène (S1) et, d’autre part, à une seconde sonde à oxygène (S2) et, en aval, un deuxième catalyseur d’oxydo-réduction à trois voies (UFC), ladite fenêtre étant modulée à partir de la quantité d’oxygène (OSL) détectée dans le premier catalyseur par la première sonde à oxygène (S1), caractérisé en ce qu’on module la fenêtre catalytique en tenant compte, en outre, de la quantité d’oxygène (OSL) présente conjointement dans le second catalyseur (UFC) et détectée par ladite seconde sonde à oxygène (S2). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la quantité d’oxygène présente dans le second catalyseur (UFC) est supérieure à un seuil déterminé, on applique une fenêtre de richesse élevée pour minimiser les émissions de NOx et lorsque la quantité d’oxygène dans le second catalyseur est inférieure audit seuil, on applique une fenêtre de richesse plus pauvre pour limiter les émissions de HC/CO/NH3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on pondère ladite fenêtre catalytique en la positionnant entre la fenêtre de richesse élevée et la fenêtre de richesse plus pauvre en fonction de la quantité d’oxygène moyenne présente dans le second catalyseur (UFC). Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu’on passe de la fenêtre de richesse élevée à la fenêtre de richesse plus pauvre lorsque la température interne dans le second catalyseur est suffisante. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on module la fenêtre catalytique en tenant compte, en outre, de la tension électrique aux bornes de la seconde sonde à oxygène (S2). Programme d’ordinateur destiné à être chargé dans un calculateur embarqué pour la mise en œuvre du procédé de pilotage selon l’une des revendications précédentes, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. Véhicule automobile à motorisation thermique équipé d’une ligne d’échappement comprenant, en amont, un premier catalyseur d’oxydoréduction à trois voies (TWC) associé, d’une part, à une première sonde à oxygène (S1) et, d’autre part, à une seconde sonde à oxygène (S2) et, en aval, un deuxième catalyseur d’oxydo-réduction à trois voies (UFC) et un calculateur embarqué associé à un programme d’ordinateur selon la revendication 6 pour la mise en œuvre d’un procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 5.