FR2946394A1 - Procede et systeme de stimulation d'un cataliseur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne ainsi qu'un système pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. L'invention se caractérise en ce qu'elle comprend les étapes suivantes, selon lesquelles : on estime la quantité d'oxygène instantanée stockée dans le catalyseur (OS) ; et on module la consigne de richesse en fréquence et/ou en amplitude en fonction de ladite quantité d'oxygène instantanée stockée dans ledit catalyseur. L'invention s'applique, en particulier, aux moteurs essence.

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE STIMULATION D'UN CATALYSEUR
La présente invention concerne un procédé de stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne, ainsi qu'un système pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.
Les catalyseurs montés sur des véhicules munis de moteurs à combustion interne et, en particulier, les moteurs essence, permettent de réaliser des réactions d'oxydation et/ou de réduction visant à éliminer les polluants dans les gaz d'échappement. Par exemple, les catalyseurs dits trois voies réalisent les réactions suivantes : CO + 1/2 02 -> COz CxHy + (x + y/4) 02 -> xCO2 + y/2 H20, et CO + NO -> CO2 + liz N2. Pour que l'équilibre de ces réactions soit respecté, l'oxygène ne doit pas être présent en excès ni en manque dans le mélange air/essence. En effet, lorsqu'il y a un excès d'air, la réduction des oxydes d'azote ne s'effectue pas correctement. Lorsqu'il y a un manque d'oxygène, les réactions d'oxydations du monoxyde de carbone CO et des hydrocarbures non brulés HC ne s'effectuent pas correctement. Il résulte de ce qui précède que, pour que la conversion des polluants soit optimale, la richesse des gaz d'échappement à l'entrée du catalyseur doit être comprise dans une fenêtre étroite de valeurs au voisinage de la valeur 1. Cette fenêtre étroite est la fenêtre catalyseur. Pour réguler la richesse du mélange de manière adaptée, en agissant sur le débit d'essence, et en s'affranchissant des imprécisions de réglage, des dispersions composants et des variations des caractéristiques du carburant, on utilise des sondes de richesse ou sondes lambda. Les sondes de richesse peuvent être du type tout ou rien (ON/OFF, en langue anglaise) ou proportionnelles. A la différence des sondes tout ou rien, qui ne détectent que le seuil de richesse optimal dans le mélange air/essence, les sondes proportionnelles mesurent en continu la richesse de ce mélange.
Une autre caractéristique importante des catalyseurs est leur capacité de stockage en oxygène ou OSC. Si cette capacité de stockage est bonne, le catalyseur absorbe l'oxygène qui lui est fourni de manière adaptée. Par contre, si cette capacité de stockage est faible, alors le catalyseur n'absorbe plus correctement l'oxygène qui lui est fourni de manière adaptée, rejette l'oxygène qu'il ne peut stocker, de sorte que les polluants ne sont plus traités efficacement. Le document brevet publié sous le numéro US- 5,678,402 (Honda Giken Kogyo Kabushi Kaisha) divulgue un procédé autorisant une modulation de la quantité moyenne d'oxygène stockée dans un catalyseur entre deux bornes en fonction, non seulement, du débit d'échappement, de la température d'échappement, mais aussi, de la capacité de stockage en oxygène OSC du catalyseur. Toutefois, ce procédé ne permet pas de corriger les accidents de richesse ponctuels, qui conduisent à des défauts de traitement des polluants. Le document WO2007/073997A1 (Robert Bosch GmbH) divulgue un procédé permettant de prendre en compte les accidents de richesse. Dans la solution proposée dans ce document WO2007/073997A1, la quantité d'oxygène stockée dans le catalyseur est cependant évaluée à partir d'un capteur de richesse à l'échappement.
Compte tenu de ce qui précède, un problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser un nouveau procédé, ainsi qu'un système pour la mise en oeuvre de ce nouveau procédé, qui permettent notamment une amélioration des émissions post-traitées avec une correction rapide des accidents de richesse ponctuels.
La solution proposée de l'invention à ce problème a pour premier objet un procédé de stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes, selon lesquelles : on estime la quantité d'oxygène instantanée stockée dans le catalyseur ; et on module la consigne de richesse en fréquence et/ou en amplitude en fonction de ladite quantité d'oxygène instantanée stockée dans ledit catalyseur.
Elle a pour second objet un système de stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne, comprenant . des moyens pour estimer la quantité d'oxygène instantanée stockée dans le catalyseur; et des moyens pour moduler la consigne de richesse en fréquence et/ou en amplitude en fonction de ladite quantité d'oxygène instantanée stockée dans ledit catalyseur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 20 description non limitative qui suit, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels la figure 1 illustre la modulation de la consigne de richesse en fréquence et/ou en amplitude en selon l'invention, en vue de la stimulation d'un 25 catalyseur, ainsi que l'évolution correspondante de l'oxygène stocké dans ledit catalyseur ; la figure 2 est une courbe montrant les variations de la quantité d'oxygène stockée dans un catalyseur (OScata) ainsi que les corrections réalisées 30 sur ces variations selon le procédé de l'invention ; et la figure 3 illustre les différents blocs qui interviennent dans la régulation de richesse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Le procédé selon l'invention concerne la stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne. Les moteurs à combustion interne visés dans la présente invention sont notamment des moteurs essence de véhicules automobiles fonctionnant en homogène, qu'ils soient suralimenté ou non, et à injection directe ou indirecte. Ces moteurs sont équipés d'un ou plusieurs catalyseurs, pour l'élimination de polluants dans les gaz d'échappement. Ces catalyseurs sont par exemple des catalyseurs trois voies, qui réalisent des réactions d'oxydation et de réduction destinées à éliminer l'oxyde de carbone CO, les hydrocarbures imbrulés HC et les oxydes d'azote NOx. Les moteurs sont en outre équipés d'au moins une sonde de richesse. Une telle sonde de richesse peut être du type ON/OFF ou proportionnelle linéaire. La sonde de richesse permet de respecter une consigne de richesse grâce à une régulation adaptée, qui agit sur le débit d'essence. Elle permet de s'affranchir des dérives de réglage des composants et du carburant.
L'amplitude et la fréquence optimale de la consigne de richesse, ou consigne lambda, est fonction du point de fonctionnement moteur. Si l'on se réfère à la figure 1, il apparaît que la modulation de base de la consigne de richesse peut être traduite par une courbe À(t) périodique de type tout ou rien, dans laquelle la consigne bascule d'une valeur à une autre à des intervalles constants dans le temps t. Ainsi que cela est montré dans cette même figure, les variations de la quantité théorique d'oxygène stockée OS dans le catalyseur dépendent directement de la modulation de la consigne de richesse. Ces variations théoriques se présentent sous la forme d'une courbe périodique OS(t) croissante linéaire puis décroissante linéaire. Selon l'invention, on module la consigne de richesse 35 en fréquence et/ou en amplitude en fonction de ladite la quantité d'oxygène instantanée stockée dans le catalyseur. L'amplitude de la modulation dépend du débit d'échappement et/ou de la température du catalyseur et/ou du point de fonctionnement moteur et/ou du vieillissement du catalyseur. En particulier, l'amplitude de la stimulation dépend du débit d'échappement et, de manière facultative, de la température du catalyseur, et/ou du point de fonctionnement moteur, et du vieillissement du catalyseur. La fréquence de stimulation dépend du point de fonctionnement moteur. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, la modulation de base prend une forme alternée dans laquelle on définit l'amplitude et la fréquence optimale de consigne de richesse en fonction du point de fonctionnement moteur, le calcul de l'oxygène stocké étant une conséquence. Dans cette figure, lorsque le moteur passe d'un premier point de fonctionnement 1 à une second point de fonctionnement 2, l'amplitude Al et la demi-période Tl de stimulation sont modifiées. L'amplitude et la demi-période modifiées sont notées A2 et T2, respectivement, dans cette figure. Ainsi que cela est illustré à la figure 2, les variations de la quantité d'oxygène stocké dans le catalyseur divergent, dans les faits, de ces variations théoriques. En particulier, ces variations présentent des accidents de richesse ponctuels, qui se traduisent par des pics El et creux de richesse E2. Selon l'invention, on définit un seuil haut OSmax et un seuil bas OSmin de quantité d'oxygène stockée dans le catalyseur. Chaque seuil est avantageusement défini en fonction du débit D des gaz d'échappement dans le catalyseur et de la température T° des gaz d'échappement, ou du point de fonctionnement moteur. Une combinaison des deux solutions précédentes est également possible. Dans un tel cas par exemple le seuil haut (OSmax) et/ou le seuil bas (OSmin) d'oxygène stocké est fonction du débit (D) des gaz d'échappement et de la température, et du point de fonctionnement moteur. Ils sont en outre avantageusement définis en fonction de la capacité de stockage en oxygène OSC du catalyseur. Plus préférentiellement, il sont définis en fonction, à la fois, du débit D, de la température T° et de la capacité de stockage OSC. Cette capacité de stockage OSC est estimée en fonction du vieillissement du catalyseur. Le vieillissement du catalyseur peut être estimé par mesure de sa capacité de stockage en oxygène ou en prenant en compte les conditions de fonctionnement de ce catalyseur telles que la durée, la température, la richesse. Dans une autre étape du procédé selon l'invention, on estime la quantité d'oxygène instantanée OS (ou OScata à la figure 2) stockée dans le catalyseur. Cette estimation est déduite de la quantité de gaz traversant ledit catalyseur pendant un temps donné. En effet, la formule suivante permet de déduire la quantité massique d'oxygène stockée dans un catalyseur pendant un temps T.
Ce calcul consiste a réaliser une intégrale du bilan massique d'oxygène entrant dans le catalyseur et consommé dans celui-ci. A l'instant t, le bilan massique est fonction du débit massique d'air à l'admission Qar, du coefficient d'excès d'air mesuré en amont du catalyseur AmeS Te_amont_ ata, et du coefficient d'excès d'air de consigne en amont du catalyseur A On a donc : consigne-amont-cata dOS (t) = air (t) x f (Àmesure-amont-cata (t) , Àconsigne-amont-cata (t) ) x dt T et OS(T) = f dOS(t) . 0 Ainsi que cela est montré à la figure 2, lorsque la quantité instantanée d'oxygène stockée estimée OS dans le catalyseur atteint le seuil haut OSmax et/ou le seuil bas OSmin, on force le basculement de la consigne de richesse À(t) de manière à diminuer et/ou augmenter la quantité d'oxygène stockée OS dans le catalyseur, respectivement. Les variations de la consigne de richesse sont ainsi modulées, en fréquence et/ou en amplitude, suivant les conditions du fonctionnement du moteur. Ainsi, l'accident de richesse transitoire est immédiatement corrigé de manière à éviter une émission accidentelle de polluants due à un défaut ponctuel d'oxygène et/ou un surcroit ponctuel d'oxygène dans le catalyseur. La conversion des polluants en présence de perturbations de richesse des gaz d'échappement est très proche de celle obtenue en l'absence de perturbations. Comme les seuils OSmax et OSmin dépendent de la capacité en cours OSC du catalyseur, ledit catalyseur sera sollicité, lors de la survenance d'accidents de richesse, selon ses capacités de stockage en cours. En définitive, selon l'invention, l'amélioration des émissions post-traitées est nette. Le nombre de réglages est diminué. Cela donne plus de latitude aux différents projets de conception de moteurs pour s'adapter aux contraintes qui sont imposées. Certains privilégieront une diminution de volume ou de grammage pour réduire les coûts associés à la ligne d'échappement. D'autres préfèreront accepter une dégradation des réglages minimisant ainsi les coûts et diversités des calibrations du calculateur de contrôle moteur. Autrement dit, l'invention permet de réduire les coûts du système de post-traitement ou de minimiser le temps de mise au point en diminuant le nombre de réglages.
La description globale de la fonction de régulation de richesse est illustrée à la figure 3. Ainsi que cela est illustré dans cette figure, la ou les sondes de richesse effectuent des mesures de richesse en aval et en amont du catalyseur au moyen de capteurs appropriés. Ces mesures sont transmises à des régulateurs amont et aval par exemple du type Proportionnel-Intégral PI ou Proportionnel-Intégral-Dérivée PID, en vue d'une régulation de la richesse du mélange à une consigne. Par ailleurs, une fonction logicielle appropriée permet l'estimation de la quantité instantanée d'oxygène stockée OS dans le catalyseur, l'estimation du vieillissement dudit catalyseur et la modulation de la quantité d'oxygène stockée dans le catalyseur. Cette fonction logicielle est contenue dans le bloc de stimulation du catalyseur. Cette fonction agit, au travers du modèle commun échappement et sonde, sur la consigne de richesse en amont du catalyseur. Par ailleurs, il est tenu compte des points de fonctionnement moteur et du point de consigne de la sonde.
Aussi, la fonction régulation de richesse assure la régulation de la richesse, c'est-à-dire du rapport masse de carburant / masse d'air à l'admission du moteur. Cette régulation de richesse est généralement réalisée en régulant le paramètre lambda, qui désigne l'inverse de la richesse. En définitive, la stimulation du catalyseur s'intègre au sein de la fonction de régulation, qui est composée des éléments suivants : - un modèle de transfert de la richesse dans le conduit d'échappement et un modèle du capteur de richesse à l'échappement ; - une stratégie définissant la consigne de richesse au niveau de la chambre de combustion du moteur ; un modèle transposant cette consigne au niveau du capteur de richesse disposé en aval de la chambre de combustion dans la ligne d'échappement ; - une acquisition de la richesse en aval du catalyseur ; - une acquisition de la richesse en amont du catalyseur ; - une régulation de la richesse en aval du catalyseur ; - une régulation de la richesse en amont du catalyseur ; - une stratégie de calcul de la masse carburant à injecter ; et - une stratégie de stimulation de l'oxygène stocké dans le catalyseur OS. Le régulateur de richesse amont asservit la richesse mesurée au niveau du capteur amont catalyseur à la consigne de richesse transposée au niveau amont du catalyseur. Ce régulateur prend en compte l'action corrective issue du régulateur aval. Le régulateur aval asservit la richesse mesurée en aval du catalyseur à la consigne désirée. L'action corrective du régulateur amont corrige la masse de carburant à injecter. La stimulation de richesse vient moduler de façon alternative la consigne de richesse du régulateur.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes, selon lesquelles : on estime la quantité d'oxygène instantanée stockée 5 dans le catalyseur (OS) ; et on module la consigne de richesse en fréquence et/ou en amplitude en fonction de ladite quantité d'oxygène instantanée stockée dans ledit catalyseur. 10
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la consigne de richesse est modulée en amplitude, et en ce que l'amplitude de la modulation dépend du débit d'échappement et/ou de la température du catalyseur et/ou du point de fonctionnement moteur et/ou du vieillissement 15 du catalyseur.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la consigne de richesse est modulée en fréquence, et en ce que la fréquence de modulation 20 dépend du point de fonctionnement moteur.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on définit un seuil haut (OSmax) et un seuil bas (OSmin) de quantité d'oxygène stockée dans 25 le catalyseur, et en ce que, lorsque la quantité instantanée d'oxygène stockée estimée dans le catalyseur (OS) atteint ledit seuil haut et/ou ledit seuil bas, on force le basculement de la consigne de richesse de manière à diminuer et/ou augmenter la quantité d'oxygène 30 stockée dans le catalyseur, respectivement.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le seuil haut (OSmax) et/ou le seuil bas (OSmin)de quantité d'oxygène stockée est défini en fonction de la capacité de stockage en oxygène (OSC) du catalyseur.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, 5 caractérisé en ce que la capacité de stockage en oxygène (OSC) du catalyseur est estimée en fonction du vieillissement dudit catalyseur.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, 10 caractérisé en ce que le seuil haut (OSmax) et/ou le seuil bas (OSmin) d'oxygène stocké est fonction du débit (D) des gaz d'échappement et de la température d'échappement (T°), ou du point de fonctionnement moteur. 15
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le seuil haut (OSmax) et/ou le seuil bas (OSmin) d'oxygène stocké est fonction du débit des gaz d'échappement et de la température, et du point de fonctionnement moteur. 20
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'estimation de la quantité d'oxygène instantanée stockée dans le catalyseur est déduite de la quantité de gaz traversant ledit 25 catalyseur pendant un temps donné.
  10. 10. Système de stimulation d'un catalyseur d'un moteur à combustion interne, comprenant : des moyens pour estimer la quantité d'oxygène 30 instantanée stockée dans le catalyseur (OS) ; et des moyens pour moduler la consigne de richesse en fréquence et/ou en amplitude en fonction de ladite quantité d'oxygène instantanée stockée dans ledit catalyseur. 35
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