FR3050235A1 - Procede de determination de la quantite d'oxygene stockee dans un catalyseur de moteur a combustion interne - Google Patents

Procede de determination de la quantite d'oxygene stockee dans un catalyseur de moteur a combustion interne Download PDF

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Abstract

L'invention propose un procédé itératif de détermination de la quantité d'oxygène (OS) stockée dans un catalyseur de moteur. A chaque pas de calcul, la quantité d'oxygène stockée est calculée comme la somme de la quantité stockée au pas précédent et de la quantité adsorbée pendant la durée entre les pas de calcul consécutifs, dont on retranche la quantité désorbée pendant la même durée. On calcule la quantité adsorbée à partir d'une vitesse d'adsorption modélisée en fonction du pourcentage de remplissage du catalyseur en oxygène, et on calcule la quantité désorbée à partir d'un modèle de polluants émis par le moteur et d'un modèle d'efficacité du traitement des polluants par le catalyseur. On en déduit la quantité d'oxygène nécessaire audit traitement et la fraction qui provient de l'oxygène adsorbé dans le catalyseur.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA QUANTITE D’OXYGENE STOCKEE DANS UN CATALYSEUR DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION L’invention concerne un procédé de détermination de la quantité d’oxygéne stockée (OS) dans un dispositif de traitement catalytique de traitement des émissions polluantes d’un moteur à combustion interne, plus particuliérement dans un catalyseur à trois voies monté à l’échappement d’un moteur à allumage commandé.
Elle trouve une utilisation particuliérement avantageuse dans les procédés de régulation de la richesse du mélange air-carburant d’un moteur à allumage commandé autour d’une consigne de richesse, dans lesquels ladite consigne de richesse est asservie à la régulation de la quantité d’oxygène stockée dans le catalyseur du moteur autour d’une consigne de quantité d’oxygène stockée.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans un moteur à combustion interne, la régulation de la richesse, c’est-à-dire la régulation du rapport entre la quantité de carburant injectée et de la quantité d’air admise dans le moteur, ramené aux proportions stoechiométriques, est destinée à asservir la richesse du mélange à une richesse de consigne qui peut être variable en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, notamment le régime et la charge.
Dans le cas d’un moteur à allumage commandé, typiquement un moteur du type fonctionnant à l’essence, l’allumage et l’injection de carburant sont contrôlés électroniquement par un calculateur du moteur pour fonctionner autour d’une consigne de richesse donnée, par exemple une consigne de richesse voisine de 1.
Un catalyseur à trois voies est généralement monté à l’échappement du moteur pour assurer le traitement des gaz d’échappement. De manière connue, un tel catalyseur permet d’oxyder au moins une partie des hydrocarbures imbrûlés (notés symboliquement HC) et du monoxyde de carbone (CO), et de réduire au moins une partie des oxydes d’azote (notés symboliquement NOx), qui sont émis dans les gaz de combustion du moteur. On peut définir l’efficacité du catalyseur, pour chaque type de polluant des gaz (respectivement : HC ; CO ; NOx), comme le rendement de conversion du polluant considéré en espèces inoffensives.
On connaît plusieurs procédés et dispositifs de réglage de la richesse qui visent à améliorer l’efficacité d’un catalyseur en assurant une régulation de la quantité d’oxygéne stockée (connue sous l’acronyme : OS) autour d’une consigne de quantité d’oxygéne stockée, cette dernière se présentant généralement comme un pourcentage de la capacité maximale de stockage en oxygène du catalyseur (ou : ose, de l’acronyme anglais pour : Oxygen Storage Capacity).
Par exemple, la publication US-A-5901552 divulgue un tel procédé, dans lequel la régulation de la richesse du mélange air-carburant d’un moteur à allumage commandé est réalisée autour d’une consigne de richesse. La richesse du mélange est issue de la mesure, par une sonde à oxygène proportionnelle montée en amont du catalyseur du moteur, d’une valeur de concentration en oxygène dans les gaz d’échappement mesurée. Ladite consigne de richesse est asservie à la régulation de la quantité d’oxygène stockée dans le catalyseur du moteur autour d’une consigne de quantité d’oxygène stockée, par un régulateur de type PID.
On comprend de ce qui précède que, dans ce type de procédé, il est important de savoir déterminer de manière précise la quantité d’oxygène stockée OS dans le catalyseur pour que la régulation soit efficace, c’est-à-dire pour que la quantité d’oxygène stockée dans le catalyseur puisse réellement converger vers la valeur de consigne souhaitée. Or, les procédés de détermination de l’OS connus de l’état de la technique manquent de précision.
On connaît notamment de la demande de brevet non examinée FR 15 51774 un procédé de détermination de la quantité d’oxygène stockée OS courante dans un catalyseur de moteur grâce à l’équation suivante : (Equ.1)
,équation dans laquelle
Qech désigne le débit des gaz d’échappement traversant le catalyseur ;
Ra désigne la richesse des gaz d’échappement en amont du catalyseur, issue de la mesure d’une sonde à oxygène montée en amont du catalyseur ;
To2 désigne le taux massique d’oxygène dans l’air (environ 0,23 soit 23%) ; et; OSinit désigne une valeur connue prédéterminée à l’instant du début de l’intégration.
Cette demande de brevet FR 15 51774 mentionne explicitement la nécessité, pour pallier l’imprécision du calcul intégral, de recaler périodiquement le calcul, c’est-à-dire de remplacer périodiquement le résultat du calcul intégral par une nouvelle valeur prédéterminée, ladite valeur correspondant à un événement particulier de basculement du signal d’une sonde à oxygène binaire montée en aval du catalyseur.
Un tel recalage ne permet qu’une compensation partielle de l’imprécision du calcul. Mais entre deux recalages successifs, l’imprécision de la mesure du débit des gaz d’échappement Qecn et de la richesse Ra des gaz en amont du catalyseur, associée à la nature itérative du calcul intégral, a pour conséquence une erreur de calcul importante en continu.
RESUME DE L’INVENTION L’invention propose de remédier au manque de précision des procédés connus de détermination de la quantité d’oxygène stockée dans un catalyseur.
Plus précisément, elle propose un procédé itératif de détermination de la quantité d’oxygène stockée (OS) dans un catalyseur monté à l’échappement d’un moteur à allumage commandé, caractérisé en ce que ladite quantité d’oxygène stockée à chaque pas de calcul courant est calculée comme étant égale à la quantité d’oxygène stockée au pas de calcul précédent, à laquelle on ajoute une quantité calculée d’oxygène adsorbée dans ledit catalyseur pendant la durée entre le pas de calcul précédent et le pas de calcul courant, et dont on retranche une quantité calculée d’oxygène désorbée dudit catalyseur pour le traitement des émissions polluantes (ΗΟ,ΟΟ,ΝΟχ) des gaz de combustion du moteur pendant ladite durée entre les deux pas de calcul consécutifs.
Dans un mode de réalisation de l’invention, la quantité calculée d’oxygène adsorbée dans ledit catalyseur pendant ladite durée est calculée comme le produit d’une valeur de vitesse d’adsorption de l’oxygène contenu dans lesdits gaz de combustion et de ladite durée, ladite vitesse d’adsorption étant calculée comme le produit du débit d’oxygène contenu dans les gaz de combustion du moteur et d’une fonction du rapport de la quantité d’oxygène stockée au pas de calcul précédent divisée par la capacité maximale de stockage en oxygène du catalyseur.
Avantageusement, cette fonction d’adsorption de l’oxygène est déterminée par des essais préalables au banc.
Dans un mode de réalisation de l’invention, la quantité calculée d’oxygène désorbée du catalyseur pour le traitement des émissions polluantes des gaz de combustion du moteur pendant ladite durée entre les deux pas de calcul consécutifs est calculée comme un pourcentage prédéterminé de la quantité d’oxygène totale consommée dans le catalyseur pour le traitement desdites émissions polluantes.
Cette quantité d’oxygène totale consommée est avantageusement calculée à partir des équations-bilans des réactions de conversion des émissions polluantes (HC,CO,NOx) et des masses traitées desdits polluants.
Ces masses sont calculées en fonctions des concentrations respectives desdits polluants dans les gaz d’échappement du moteur entrant dans le catalyseur et des efficacités respectives de conversion desdits polluants.
Avantageusement, la concentration de chaque polluant dans les gaz d’échappement du moteur entrant dans le catalyseur est déterminée en fonction d’un ensemble de paramètres comprenant le régime du moteur, le couple du moteur, et la température du liquide de refroidissement du moteur.
Avantageusement, l’efficacité de conversion de chaque polluant est déterminée en fonction de la fraction massique en oxygène dans le catalyseur au pas de calcul courant, de l’inverse du temps de résidence des gaz d’échappement du moteur dans le catalyseur er de la température du catalyseur. L’efficacité de conversion des polluants peut être déterminée par des essais préalables au banc, dans lesquels on mesure les concentrations des polluants à l’entrée et à la sortie du catalyseur.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente schématiquement un dispositif de motorisation apte à la mise en oeuvre du procédé selon l’invention ; la figure 2 représente schématiquement un catalyseur à trois voies selon la figure 1, et la répartition du débit d’oxygène contenu dans les gaz de combustion du moteur de la figure 1 à l’intérieur dudit catalyseur ; la figure 3 est une courbe qui représente la fraction de l’oxygène entrant dans le catalyseur des figures 1 et 2 en fonction du pourcentage de saturation en oxygène dudit catalyseur ; la figure 4 est un organigramme qui présente les différentes étapes du procédé selon l’invention, dans un mode de réalisation de celui-ci ; et, la figure 5 est un organigramme qui présente le détail d’une des étapes du procédé.
DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES
Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de motorisation 1 apte à la mise en oeuvre du procédé de détermination de l’OS selon l’invention.
Ce dispositif comprend un moteur à combustion interne 2, qui se présente ici sous la forme d’un moteur en ligne à quatre cylindres. Ce moteur, par exemple un moteur de véhicule automobile, est un moteur à combustion interne à allumage commandé, typiquement un moteur fonctionnant à l’essence. De manière non limitative, il peut être à aspiration naturelle ou type suralimenté. Il peut aussi présenter d’autres particularités sans nuire à la généralité de l’invention.
Ici, le moteur 2 est du type à injection directe. Chaque cylindre du moteur est alimenté individuellement en carburant par un injecteur 3 à partir d’une rampe commune d’alimentation 4. Par ailleurs, le moteur est associé à un circuit d’admission d’air 5, permettant d’alimenter les cylindres du moteur en air frais prélevé dans l’atmosphère extérieure, et à un circuit d’échappement des gaz 6, permettant d’évacuer les gaz de combustion des cylindres vers l’atmosphère extérieure.
Le circuit d’admission d’air 5 comprend une vanne d’admission des gaz 7, ou boîtier-papillon 7, dont le degré d’ouverture permet d’ajuster le débit d’air Qair admis dans le moteur, et un collecteur d’admission 8, ou répartiteur 8. Le collecteur d’admission 8 est équipé d’un capteur de pression 9, qui permet de mesurer en permanence la pression de collecteur Pcoii, c’est-à-dire la pression qui règne en son sein, en aval du boîtier-papillon 7 (dans le sens de circulation de l’air). Le collecteur d’admission 8 est aussi équipé d’un capteur de température 10, apte à mesurer en permanence la température Tcoii de l’air d’admission, c’est-à-dire la température de l’air qui pénètre dans le moteur.
Le circuit d’échappement 6 comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz brûlés, un collecteur d’échappement 11, un catalyseur 12, et un pot d’échappement 13. S’agissant dans ce dispositif de motorisation d’un moteur à allumage commandé, le catalyseur 12 est ici de manière connue en soi un catalyseur du type « à trois voies », apte à réaliser le post-traitement des substances polluantes émis dans les gaz de combustion du moteur : oxydes d’azote (NOx), hydrocarbures imbrûlés (HC) et oxydes de carbone (CO). Le catalyseur 12 comprend des moyens 14 aptes à déterminer la température régnant en son sein Tcata, par exemple un capteur de température 14 ou un modèle.
Le dispositif de motorisation 1 peut encore être associé à d’autres capteurs et actionneurs non représentés, notamment : un capteur de température d’eau Teau apte à mesurer une valeur de température du liquide de refroidissement du moteur à la sortie de la culasse du moteur 2 ; des moyens de détermination du régime N du moteur, se présentant généralement sous la forme d’un capteur de nombre de rotations d’une cible montée en bout de vilebrequin du moteur.
Un système électronique de commande, ou calculateur (non représenté), permet de piloter le dispositif de motorisation 1 de telle sorte que le moteur fournisse le couple nécessaire à l’entraînement du véhicule.
Par exemple, pour une consigne de couple C traduisant la volonté du conducteur, correspondant à un degré d’enfoncement donné de la pédale d’accélération du véhicule par le conducteur du véhicule, et pour un régime N donné, le calculateur détermine un débit massique d’air Qair à admettre dans le moteur et un débit de carburant Qcarb pour obtenir une richesse de mélange donnée. Pour obtenir le débit massique d’air Qair souhaité, le calculateur règle le degré d’ouverture du boîtier-papillon 7, et pour obtenir le débit de carburant Qcarb souhaité, le calculateur règle au moins une durée d’ouverture des injecteurs 3 et au moins un instant d’ouverture desdits injecteurs par rapport au cycle de combustion (instant généralement compté en degrés d’angle de vilebrequin par rapport au point mort haut). Le calculateur règle aussi l’avance à l’allumage.
La figure 4 est un organigramme qui illustre les différentes étapes d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention.
Le procédé est itératif et consiste à déterminer la valeur de la quantité d’oxygène stockée OSn à chaque pas de calcul n à partir de la valeur de la quantité d’oxygène stockée OSn-i au pas de calcul précédent n-1, en ajoutant à ladite valeur précédente la quantité d’oxygène des gaz d’échappement entrant dans le catalyseur 12 qui est adsorbée dans celui-ci pendant la durée At entre les pas de calcul consécutifs n-1 et n, puis en lui retranchant la quantité d’oxygène des gaz d’échappement désorbée pour le traitement des polluants HC, CO et NOx dans le catalyseur pendant la même durée At.
Le procédé débute par une étape d’initialisation 100, dans laquelle la valeur de la quantité d’oxygène stockée OSo dans le catalyseur est égale à la masse nulle.
Par exemple, on peut procéder à cette initialisation lorsque le catalyseur 12 est neuf, puis aussi à chaque fois que le conducteur provoque un pied à fond de la pédale d’accélérateur pendant une durée suffisante : un pied à fond est généralement traduit par le calculateur par une pleine charge du moteur réalisée à une richesse très nettement supérieure à 1, ce qui a pour effet de vider le catalyseur de son oxygène.
Le procédé se poursuit par une étape 200 de calcul d’une valeur de la masse d’oxygène adsorbée dans le catalyseur 12 pendant la durée At entre les deux pas de calcul n-1 et n, et d’une valeur intermédiaire de quantité d’oxygène stockée OSn* au pas de temps n, qui est égale à la valeur de la quantité d’oxygène stockée OSn-i connue au pas de temps précédent n-1 à laquelle on ajoute ladite quantité d’oxygène adsorbée dans le catalyseur 12 pendant la durée At entre les deux pas de calcul consécutifs n-1 et n, mais sans encore tenir compte de la quantité d’oxygène qui est désorbée pendant cette même durée pour traiter les HC, CO et NOx. En d’autres termes, cette quantité intermédiaire est la quantité totale d’oxygène adsorbée OSn* dans le catalyseur au pas de calcul n. Elle représente la masse maximale possible de l’oxygène adsorbée dans le catalyseur qui pourrait être consommée, au pas de calcul n, par réaction avec les polluants du moteur pendant la même durée At.
Pour ce faire, l’étape 200 comprend une première étape 210 dans laquelle on calcule le rapport de la quantité d’oxygène stockée OSn-i au pas de calcul n-1 divisée par la capacité de stockage maximale en oxygène OSC du catalyseur. La capacité de stockage maximale en oxygène OSC peut être déterminée par des essais préalables sur banc. Elle dépend notamment du volume du catalyseur et de sa composition. En variante, elle peut aussi être déterminée par une méthode telle que décrite dans la demande de brevet non examinée FR 15 51774.
Le procédé se poursuit par une étape 220 de détermination de la vitesse d’adsorption Vads,n de l’oxygène dans le catalyseur au pas de calcul n. La figure 2 représente schématiquement ce phénomène d’adsorption de l’oxygène contenu dans les gaz de combustion provenant du moteur 2 et pénétrant dans le catalyseur. A partir d’un débit massique d’oxygène Qo2,in contenu dans les gaz de combustion du moteur 2 et pénétrant dans le catalyseur, une partie de cet oxygène (notée Qo2,osSur la figure 2) est effectivement adsorbée dans le catalyseur 12 et vient augmenter la valeur de l’OS, tandis que la quantité restante (notée Qo2,gaz sur la figure 2) demeure présente dans les gaz contenus dans le catalyseur, sans être adsorbée. On a donc : (EqU.2) Qo2,in = Qo2,OS + Qo2,gaz OU encore :
(EqU.3) Qo2,gaz = Qo2,in - Qo2,OS
La proportion de l’oxygéne entrant qui est adsorbée dépend à chaque instant du niveau de saturation courant en oxygène du catalyseur 12. En d’autres termes, elle est une fonction f du rapport de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur divisée par la capacité maximale en oxygène OSC du catalyseur, qui a été calculé à la sous-étape 210. Lorsque le catalyseur ne contient pas du tout d’oxygène (rapport égal à 0), la proportion d’oxygène entrant adsorbée est égale à 1 (c’est-à-dire 100%), tandis que lorsque le catalyseur est saturé en oxygène (rapport égal à 1), la proportion d’oxygène entrant adsorbée est égale à 0 (c’est-à-dire : 0%).
La figure 3 illustre l’allure de cette fonction f d’adsorption de l’oxygène. En abscisse, on a représenté le rapport de la quantité d’oxygène divisée par l’OSC, et en ordonnée, la proportion d’oxygène entrant adsorbée. Une telle fonction peut être déterminée par des essais préalables sur un banc d’organes équipé d’une baie d’analyse apte à mesurer une concentration en oxygène à l’entrée et à la sortie d’un catalyseur. Elle dépend de la composition du catalyseur 12. La fonction f est ensuite mémorisée sous forme d’une cartographie dans le calculateur du moteur. A l’étape 220, on calcule alors la vitesse d’adsorption de l’oxygène au pas de calcul n selon l’équation suivante : (Equ.4)
, équation dans laquelle :
Le rapport OSn-i/OSC a été calculé à l’étape 210 ;
La fonction f a été cartographiée à l’avance ; et.
Le débit massique Qo2,in d’oxygène présent dans les gaz entrant dans le catalyseur, qui est égal au produit du débit des gaz d’échappement Qech du moteur, multiplié par la concentration en oxygène [02]in dans lesdits gaz d’échappement.
Il résulte de l’équation 4 que la quantité d’oxygène adsorbée AOSads.n pendant la durée At séparant les pas de calcul n-1 et n s’exprime selon l’équation : (Equ.5)
Il résulte également des équations 3 et 4 que le débit d’oxygène non adsorbé pendant cette même durée et présent dans les gaz contenus dans le catalyseur s’exprime selon l’équation : (EqU.6) Qo2,gaz — Qo2,in ~ Vads.n
La quantité d’oxygène non adsorbée Amo2,gaz,n pendant la durée At entre les deux pas de calcul n-1 et n correspondante se calcule selon l’équation : (Equ.7)
Pour calculer ledit débit massique Qo2,in d’oxygène présent dans les gaz entrant dans le catalyseur, on peut par exemple déterminer le débit des gaz d’échappement Qecu et la concentration en oxygène [02]in dans lesdits gaz d’échappement de la façon suivante :
En fonction d’un ensemble de paramètres caractéristiques du point de fonctionnement du moteur, comprenant au moins le couple C, le régime N et la température d’eau Teau , on relève l’angle d’ouverture Opap du boîtier-papillon 7, la pression Pcoii et la température Tcoil régnant dans le collecteur d’admission 8. On détermine ensuite le débit volumique Qvoi,air de l’air entrant dans le moteur par une équation de Barré de Saint -Venant à partir de l’écart de pression autour du boîtier-papillon 7 et d’une valeur de la section efficace de celui-ci, ledit écart de pression étant égal à la différence entre la pression de collecteur Pcoii et une valeur de pression en amont du boitier-papillon 7, par exemple la pression atmosphérique, et ladite section efficace étant cartographiée à l’avance en fonction de l’angle d’ouverture Opap du boîtier-papillon 7. On déduit ensuite le débit massique Qair de l’air entrant dans le moteur en multipliant le débit volumique Qvoi,air par la masse volumique p de l’air, qui est une fonction de la température Tcoii du collecteur. Bien entendu, dans le cas où le moteur est équipé d’un débitmètre à l’admission, on relève directement le débit massique d’air Qair mesuré par le débitmètre. Enfin, on déduit le débit des gaz d’échappement Qecu par un principe de conservation de la masse, en ajoutant au débit d’air Qair le débit de carburant Qcarb injecté par le calculateur.
En ce qui concerne la concentration [02]in en oxygène dans lesdits gaz d’échappement, on peut par exemple la mesurer à l’avance au banc moteur grâce à une baie d’analyse, pour chaque point de fonctionnement du moteur (couple, régime, température d’eau). La cartographie correspondante est ensuite mémorisée dans une mémoire du calculateur. L’étape 200 comporte une étape 230 dans laquelle on calcule la quantité d’oxygéne adsorbée A0Sads,n pendant la durée At séparant les pas de calcul consécutifs n-1 et n, grâce à l’équation 5, et la quantité totale d’oxygéne adsorbée OSn* dans le catalyseur au pas de calcul n, grâce â l’équation suivante : (Equ.8)
Le procédé se poursuit par une étape 300 de détermination de la quantité d’oxygène désorbée AOSdes.n du catalyseur au pas de calcul n, c’est-à-dire pendant la durée At entre les pas de calcul consécutifs n-1 et n, pour le traitement des émissions polluantes (HC,CO,NOx) des gaz de combustion du moteur. L’étape 300 comprend une étape 310 de détermination de la fraction massique d’oxygène Xo2,n disponible dans le catalyseur 12 au pas de calcul n. Il s’agit du rapport de la masse d’oxygène disponible au total dans le catalyseur, qui peut se présenter sous la forme d’oxygène adsorbé OSn* déterminé à l’étape 230 ou d’oxygène non adsorbé Amoa.gaz.n calculée selon l’équation 7, divisée par la masse des gaz traversant le catalyseur, selon l’équation : (Equ.9)
L’étape 300 comprend une étape 320 de détermination d’un paramètre WH représentant l’inverse du temps de résidence des gaz d’échappement dans le catalyseur. L’inverse du temps de résidence WH s’exprime selon l’équation : (EqU.10) WH — Qvol.ech / Vcata , équation dans laquelle - Qvol.ech désigne le débit volumique des gaz d’échappement, égal au débit des gaz d’échappement Qecu divisé par la masse volumique p des gaz ; et, - Vcata désigne le volume du catalyseur. L’étape 300 comprend une étape 330 de détermination de la température du catalyseur Tcata, par exemple grâce à un capteur de température 14. L’étape 300 se poursuit par une étape 340 au cours de laquelle on détermine les valeurs de la concentration en monoxyde de carbone dans les gaz d’échappement entrant [CO]in dans le catalyseur, de la concentration en hydrocarbures imbrûlés entrant [HC]in dans le catalyseur, et de la concentration en oxydes d’azote entrant [NOx]in dans le catalyseur, c’est-à-dire les concentrations des différentes émissions polluantes traitées dans le catalyseur 12.
Ces concentrations peuvent être issues de mesures réalisées préalablement au banc moteur en fonction de chaque point de fonctionnement du moteur caractérisé au moins par le couple C, le régime N et la température d’eau Teau . On cartographie ainsi la valeur desdites concentrations par balayage des paramètres de fonctionnement du moteur et on stocke les cartographies en mémoire du calculateur.
En variante, on peut aussi utiliser un modèle d’émissions de polluants en fonction du point de fonctionnement du moteur. Par exemple, on peut déterminer les différentes concentrations [CO]in, [HC]in, [NOx]in à l’entrée du catalyseur en utilisant le procédé décrit dans la demande de brevet FR 13 55008 de la demanderesse. L’étape 300 se poursuit par une étape 350 de détermination de l’efficacité Sco de conversion du CO du catalyseur, de l’efficacité Shc de conversion des HC du catalyseur, et de l’efficacité Snox de conversion des NOx du catalyseur, c’est-à-dire des efficacités de conversion respectives des émissions polluantes (HC,CO,NOx) par le catalyseur.
Comme indiqué précédemment, il s’agit respectivement du pourcentage de la masse de chacun de ces polluants qui est effectivement transformé en molécules inoffensives dans le catalyseur. En se référant aux concentrations molaires des mêmes polluants, on a aussi de manière équivalente : (Equ. 11) £cO = ([CO]in - [CO]out) / [CO]in (Equ.12) £hc = ([HC]in - [HCM / [HC]in (Equ. 13) £nox = ([NOx]in - [NOJout) / [NOJin , équations dans lesquelles ; - [CO]in, [HC]in et [NOxJin désignent respectivement les concentrations en CO, HC et NOx dans les gaz d’échappement entrant dans le catalyseur (déterminées à l’étape 340) ; et, [COJout, [HCJout et [NOx]out désignent respectivement les concentrations en CO, HC et NOx dans les gaz d’échappement sortant du catalyseur.
Ces valeurs d’efficacité Cco , shc , £nox sont cartographiées à l’avance dans une mémoire du calculateur en fonction de la fraction en oxygène Xo2,n, de l’inverse du temps de séjour des gaz dans le catalyseur WH et de la température Tcata du catalyseur.
Par exemple, pour réaliser ce travail préalable, on utilise un banc moteur avec une baie d’analyse équipée de moyens de mesure des différentes concentrations à l’entrée [COjin , [HCjin : [NOxjin et à la sortie [COjout , [HCJout, [NOxJout catalyseur. On réalise un balayage des paramètres Xo2,n, WH et Tcata , et pour chaque point, après avoir relevé les différentes valeurs de concentration, on déduit les valeurs d’efficacité par les équations 11 à 13. On obtient ainsi trois cartographies qui sont stockées en mémoire du calculateur. A la sous-étape 350, on exploite lesdites cartographies d’efficacité de manière inverse : on utilise les paramètres déterminés aux sous-étapes 310, 320 et 330 pour en déduire les valeurs d’efficacité £co , εμο , snox . L’étape 300 comprend une étape 360 dans laquelle on détermine les quantités (i.e. : masses) respectives de CO, HC et NOx qui ont été effectivement traitées dans le catalyseur pendant la durée At entre les pas de calcul consécutifs n-1 et n.
Ces masses Amco , Amnc ,AmNOx peuvent se calculer grâce aux équations suivantes :
(Equ. 14) (Equ. 15) (Equ.16) , équations dans lesquelles : - [CO]in , [HC]in et [NOxJin désignent respectivement les concentrations en CO, HC et NOx dans les gaz d’échappement entrant dans le catalyseur (déterminées à l’étape 340) ;
Mco , Mhc et Mnox désignent respectivement les masses molaires de CO, HC et NOx. On notera que, en ce qui concerne les oxydes d’azote (symbolisés par NOx), on peut par exemple considérer empiriquement qu’il s’agit d’un mélange de 55% de molécules de NO et de 45% de molécules de NO2 et on calculera donc une masse molaire pondérée en fonction des masses molaires du monoxyde d’azote NO et du dioxyde d’azote NO2 et desdites proportions. On notera également que, en ce qui concerne les hydrocarbures imbrûlés (symbolisés par HC), l’espèce majoritaire constituant ces hydrocarbures imbrûlés a pour formule chimique brute CsHe , et on utilisera donc la masse molaire de celle-ci. - Sco , £hc et £nox désignent respectivement les efficacités de conversion de CO, HC et NOx du catalyseur ; - Qech désigne le débit des gaz d’échappement (débit massique) ; et,
Pech désigne la masse volumique des gaz d’échappement. L’étape 300 se poursuit par une étape 370 au cours de laquelle, à partir des valeurs des masses de CO, HC et NOx effectivement traitées dans le catalyseur pendant la durée At, et en utilisant les équations-bilans des différentes réactions de transformation de ces polluants en CO2, H2O et N2, on déduit la quantité d’oxygéne Amo2 , ou masse d’oxygéne, qui a servi à se combiner pendant la durée At avec les polluants pour traiter les masses de polluants qui ont été déterminées précédemment, ce qu’on peut synthétiser de manière simplifiée par l’équation globale suivante : (Equ.17)
Plus précisément, les réactions de conversion des polluants au sein du catalyseur sont les suivantes :
En ce qui concerne les NOx :
Les NOx se présentant sous les deux formes NO et NO2, on a : (Equ.18) 2N0 + 2C0^N2 + 2C02 et (Equ.19) 2 N02 + 4C0->N2 + 4C02
En tenant compte par exemple d’une proportion de 55% de molécules de NO et de 45% de molécules de NO2 dans le mélange de NOx, on déduit l’équation-bilan moyenne suivante : (Equ.20) 2 NOx + 6,9 CO N2 + 6,9 CO2
En ce qui concerne les HC :
En tenant compte par exemple du fait que les hydrocarbures imbrûlés se présentent surtout sous la forme CsHe, la réaction de conversion suit l’équation suivante : (Equ.21) 2θ3Ηβ + 9θ2^60θ2 + 6Η2θ
En ce qui concerne le CO : (Equ.22) 2 CO + 02 ^ 2 C02
Et (Equ.20) 2 NOx + 6,9 CO ^ N2 + 6,9 CO2
La masse d’oxygène nécessaire à la conversion des HC se déduit directement de l’équation-bilan 21 à partir de la masse de HC déterminée à l’étape 360.
La conversion des NOx ne consomme ni ne produit d’oxygène. Néanmoins, on déduit pour la suite du calcul, de la masse de NOx déterminée à l’étape 360, la masse de CO qui a été nécessaire à la conversion de ladite masse de NOx selon l’équation 20.
Il résulte de ce qui précède que le reste de la masse de CO qui a été effectivement traitée, c’est-à-dire la différence entre la masse de CO calculée à la l’étape 360 diminuée de la masse de CO qui a servi à la conversion des NOx, a réagi avec de l’oxygène selon l’équation 22. On déduit de cette équation-bilan la masse d’oxygène nécessaire à cette conversion.
Finalement, la masse d’oxygène Amo2 est égale à la somme de la masse d’oxygène utilisée pour la réaction des HC selon l’équation 21 et de la masse d’oxygène utilisée pour la réaction de CO selon l’équation 22.
Cette masse d’oxygène Amo2 est prélevée sur l’oxygène disponible à l’intérieur du catalyseur. Elle peut provenir de deux sources d’oxygène : la première est l’oxygène adsorbée dans le catalyseur : la masse disponible en est au maximum la quantité d’oxygène totale adsorbée OSn* calculée au pas de calcul n. La deuxième source possible est la quantité d’oxygène non adsorbée présente dans les gaz à l’intérieur du catalyseur Amo2,gaz, n qui a été calculée selon l’équation 7. Le procédé 300 se poursuit ainsi par une étape 380 au cours de laquelle on détermine la part de ladite masse d’oxygène Amo2 qui est prélevée sur l’oxygène adsorbée, c’est-à-dire la quantité d’oxygène désorbée AOSdes,n pendant la durée At séparant les pas de calcul consécutifs n-1,n.
La figure 5 est un organigramme qui détaille les différentes étapes de cette étape 380. En effet, on a constaté que l’oxygène nécessaire à la conversion des polluants est à priori prélevé dans des proportions connues sur les deux sources d’oxygène mentionnées plus haut. Un pourcentage a de l’oxygène est prélevé sur l’oxygène non adsorbé, et le pourcentage restant (c’est-à-dire : 1-a) est prélevé sur l’oxygène adsorbé.
Par exemple, le pourcentage a prélevé sur l’oxygène non adsorbé est sensiblement égal à 90%, et le pourcentage prélevé sur l’oxygène adsorbé est sensiblement égal à 10%.
En variante, on peut aussi faire dépendre le pourcentage a d’oxygène prélevé sur l’oxygène non adsorbé d’un ensemble de paramètres comprenant la température du catalyseur Tcata, le chargement en métaux précieux du catalyseur et le vieillissement du catalyseur.
On déduit de ce qui précède que la quantité d’oxygène désorbée, c’est-à-dire la quantité d’oxygène qui est prélevée sur l’oxygène adsorbé, doit théoriquement être calculée selon l’équation : (Equ.23)
On déduit également que la quantité d’oxygène prélevée sur les gaz (oxygène non adsorbé) Amo2,conso,gaz,n, doit théoriquement être calculée selon l’équation : (Equ.24)
Toutefois, les quantités d’oxygène disponibles respectivement dans l’une ou l’autre source sont limitées. Les réactions de conversion des polluants ne peuvent donc pas prélever sur chacune des deux sources d’oxygène davantage que la quantité qui y est disponible. Dans le cas où la quantité d’oxygène qui devrait être théoriquement prélevée sur une première source (respectivement : selon l’équation 23 pour la source d’oxygène adsorbé, ou l’équation 24 pour la source d’oxygène non adsorbé) excède la quantité disponible de la source considérée, alors le prélèvement réel sur ladite première source est limité à la totalité de la quantité d’oxygène qui y est disponible, et le reliquat, c’est-à-dire la différence entre la quantité qui aurait dû théoriquement être prélevée et la quantité réellement prélevée, est prélevé sur l’autre source, en plus de la quantité qui y a déjà été prélevée respectivement selon l’équation 24 si cette autre source est la source d’oxygène adsorbé, ou selon l’équation 23 si cette autre source est la source d’oxygène non adsorbée, étant entendu en outre que le prélèvement total d’oxygène sur cette autre source est lui aussi limité à la quantité d’oxygène totale qui y est présente.
La figure 5 illustre ces différents cas de figure en détaillant l’étape 380 qui conduit au calcul de la quantité d’oxygène désorbée AOSdes,n , selon les quantités respectives disponibles. L’étape 380 comprend une étape 381 dans laquelle on calcule la quantité d’oxygène théorique (1-a) * Amo2 à prélever sur la quantité totale d’oxygène stockée OSn* au pas de calcul n, et la quantité d’oxygène théorique a * Amoz à prélever sur la quantité d’oxygène non adsorbée présente dans les gaz à l’intérieur du catalyseur
Amo2 ,gaz, n · L’étape 380 se poursuit par une première étape de test dans laquelle on compare la quantité d’oxygène théorique à prélever sur la quantité totale d’oxygène stockée OSn* au pas de calcul n. Si ladite quantité théorique excède ladite quantité stockée, le procédé oriente vers une étape 383 dans laquelle on calcule la quantité d’oxygène désorbée comme étant égale à la quantité totale d’oxygène stockée OSn* au pas de calcul courant n.
Dans le cas contraire, le procédé oriente vers une deuxième étape de test 384 dans laquelle on compare la quantité d’oxygène théorique à prélever sur la quantité d’oxygène non adsorbée Amo2,gaz,n disponible dans les gaz présents dans le catalyseur. Si ladite quantité théorique est inférieure à ladite quantité disponible, le procédé oriente vers une étape 385 dans laquelle on calcule la quantité d’oxygène désorbée comme étant égale à la quantité calculée à l’équation 23.
Dans le cas contraire, cela signifie que la totalité du prélèvement théorique d’oxygène a * Amo2 qui devrait être effectué sur les gaz est impossible, et que seule une quantité réelle égale à Amo2,gaz,n est prélevée.
Le reliquat, qui est égal à a * Amo2 - Amo2,gaz,n, doit être prélevé sur la quantité totale d’oxygène stockée OSn* au pas de calcul n, en plus du premier prélèvement selon l’équation 23. En d’autres termes, le prélèvement total qui devrait être effectué sur ladite quantité totale d’oxygène non adsorbée, devrait être égal à la somme de ces deux prélèvements, c’est-à-dire à : (1-a)* Amo2 + [a * Amo2 - Amo2,gaz,n ] . Cette quantité est aussi égale à Amo2- Amo2,gaz,n . Un tel prélèvement total n’est possible que dans la limite de la quantité totale d’oxygène stockée OSn* au pas de calcul n.
Aussi le procédé oriente-t-il vers une troisième étape de test 387, dans laquelle on compare ledit prélèvement total avec ladite quantité totale d’oxygène adsorbée.
Si ledit prélèvement total Amo2- Amo2,gaz,n est inférieure à ladite quantité totale d’oxygène adsorbée OSn* au pas de calcul n, alors le procédé oriente vers une étape 387 dans laquelle la quantité d’oxygène désorbée AOSdes.n au pas de calcul n est calculée comme étant égale à Amo2- Amo2,gaz,n.
Dans le cas contraire, le procédé oriente vers une étape 388 dans laquelle dans laquelle on calcule la quantité d’oxygène désorbée AOSdes.n comme étant égale à la quantité totale d’oxygène stockée OSn* au pas de calcul n.
En référence à nouveau à la figure 4, le procédé se poursuit par une étape 400 dans laquelle on calcule la quantité d’oxygène stockée OSn au pas de calcul n comme étant égal à la quantité d’oxygène stockée OSn-i au pas de calcul précédent n-1, à laquelle on ajoute la quantité d’oxygène adsorbée AOSads,n pendant la durée At entre les pas de calcul consécutifs n-1,n et à laquelle on retranche la quantité d’oxygène désorbée AOSads,n issue de l’étape 380.
Le procédé reprend ensuite à l’étape 200, dans laquelle l’itération suivante du calcul est réalisée.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé itératif de détermination de la quantité d’oxygène stockée (OSn) dans un catalyseur (12) monté à l’échappement d’un moteur (2) à allumage commandé de véhicule automobile, CARACTERISE EN CE QUE ladite quantité d’oxygène stockée (OSn) à chaque pas de calcul courant (n) est calculée comme étant égale à la quantité d’oxygène stockée (OSn-i) au pas ce calcul précédent (n-1) à laquelle on ajoute une quantité calculée d’oxygène adsorbée (AOSads.n) dans ledit catalyseur (12) pendant la durée (At) entre le pas de calcul précédent (n-1) et le pas de calcul courant (n), et dont on retranche une quantité calculée d’oxygène désorbée (AOSdes.n) dudit catalyseur (12) pour le traitement des émissions polluantes (HC,CO,NOx) des gaz de combustion du moteur (2) pendant ladite durée (At) entre lesdits deux pas de calcul consécutifs (n-1,n).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la quantité calculée d’oxygène adsorbée (AOSads.n) dans ledit catalyseur (12) pendant la durée (At) entre lesdits pas de calcul consécutifs (n-1,n) est calculée comme le produit d’une valeur de vitesse d’adsorption (Vads,n) de l’oxygène contenu dans lesdits gaz de combustion et de ladite durée (At), ladite vitesse d’adsorption (Vads.n) étant calculée comme le produit du débit d’oxygène (Qo2,in) contenu dans les gaz de combustion du moteur (2) et d’une fonction (f) du rapport de la quantité d’oxygène stockée (OSn-i) au pas ce calcul précédent (n-1), divisée par la capacité maximale de stockage en oxygène (OSC) du catalyseur (12).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite fonction (f) d’adsorption de l’oxygène est déterminée par des essais préalables au banc.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la quantité calculée d’oxygène désorbée (AOSdes.n) du catalyseur (12) pour le traitement des émissions polluantes (HC,CO,NOx) des gaz de combustion du moteur (2) pendant la durée (At) entre les deux pas de calcul successifs (n-1,n) est calculée comme un pourcentage prédéterminé (1-a) de la quantité d’oxygène (Amoa) totale consommée dans le catalyseur (12) pour le traitement des émissions polluantes (HC,CO,NOx).
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la quantité d’oxygène (Amo2) totale consommée dans le catalyseur est calculée à partir des équations-bilans de réactions de conversion des émissions polluantes (HC,CO,NOx) et des masses traitées desdits polluants (Amco,AmHc,AmNOx).
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les masses traitées de chaque polluant (HC,CO,NOx) sont calculées en fonction des concentrations respectives desdits polluants ([HC]in,[CO]in,[NOx]in) dans les gaz d’échappement du moteur entrant dans le catalyseur et des efficacités respectives de conversion desdits polluants (εΗο,εοο,εΝΟχ) dans le catalyseur.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les concentrations des polluants ([HC]in,[CO]in,[NOx]in) dans les gaz d’échappement du moteur entrant dans le catalyseur sont déterminées en fonction d’un ensemble de paramètres comprenant le régime (N) du moteur ; le couple (C) du moteur ; et, la température du liquide de refroidissement (Teau) du moteur.
  8. 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel l’efficacité de conversion de chaque polluant (εΗο,εοο,εΝΟχ) est déterminée en fonction de la fraction massique en oxygène (Xo2,n) dans le catalyseur au pas de calcul courant (n), de l’inverse du temps de résidence (WH) des gaz d’échappement du moteur dans le catalyseur, et de la température (Tcata) du catalyseur.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’efficacité de conversion de chaque polluant (εΗο,εοο,εΝΟχ) est déterminée par des essais préalables au banc dans lesquels on mesure les concentrations des polluants à l’entrée ([HC]in.[CO]in,[NOx]in) et à la sortie ([HC]out.[CO]out,[NOx]out) du catalyseur.
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DE19606652A1 (de) * 1996-02-23 1997-08-28 Bosch Gmbh Robert Verfahren der Einstellung des Kraftstoff-Luftverhältnisses für eine Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Katalysator
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