FR3056254A1 - Procede de diagnostic d'une sonde a oxygene proportionnelle disposee en amont du systeme de post-traitement d'un moteur a combustion interne a allumage commande. - Google Patents

Procede de diagnostic d'une sonde a oxygene proportionnelle disposee en amont du systeme de post-traitement d'un moteur a combustion interne a allumage commande. Download PDF

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Abstract

Procédé de diagnostic d'une sonde à oxygène dans lequel on régule la richesse des gaz d'échappement avec une consigne de richesse variable. Le procédé comprend les étapes suivantes : on commande le fonctionnement du moteur à combustion interne de sorte à obtenir au moins trois alternances de périodes d'émission de gaz d'échappement en mélange riche et de périodes d'émission de gaz d'échappement en mélange pauvre, et pour chaque période, on mesure la richesse des gaz d'échappement, on calcule un critère de diagnostic comme la moyenne sur le nombre d'alternances de la différence pour chaque période entre la mesure maximale de la richesse en mélange riche et la mesure minimale de la richesse en mélange pauvre, puis si le critère de diagnostic est supérieur à une valeur mémorisée, on détermine que la sonde est en bon état de marche, si tel n'est pas le cas, on détermine que la sonde est défaillante.

Description

© N° de publication : 3 056 254 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 58693 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : F 02 D 41/30 (2017.01), F 02 B 77/08
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 16.09.16. (© Demandeur(s) : RENAULT S.A.S Société par actions
(© Priorité : simplifiée — FR.
@ Inventeur(s) : LEMESLE PASCAL, CARCEL-CUBAS
JUAN ANTONIO et CHABARD GUILLAUME.
Date de mise à la disposition du public de la
demande : 23.03.18 Bulletin 18/12.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux (© Titulaire(s) : RENAULT S.A.S Société par actions sim-
apparentés : plifiée.
©) Demande(s) d’extension : (© Mandataire(s) : CASALONGA.
FR 3 056 254 - A1
PROCEDE DE DIAGNOSTIC D'UNE SONDE A OXYGENE PROPORTIONNELLE DISPOSEE EN AMONT DU SYSTEME DE POST-TRAITEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A ALLUMAGE COMMANDE.
©) Procédé de diagnostic d'une sonde à oxygène dans lequel on régule la richesse des gaz d'échappement avec une consigne de richesse variable.
Le procédé comprend les étapes suivantes: on commande le fonctionnement du moteur à combustion interne de sorte à obtenir au moins trois alternances de périodes d'émission de gaz d'échappement en mélange riche et de périodes d'émission de gaz d'échappement en mélange pauvre, et pour chaque période, on mesure la richesse des gaz d'échappement, on calcule un critère de diagnostic comme la moyenne sur le nombre d'alternances de la différence pour chaque période entre la mesure maximale de la richesse en mélange riche et la mesure minimale de la richesse en mélange pauvre, puis si le critère de diagnostic est supérieur à une valeur mémorisée, on détermine que la sonde est en bon état de marche, si tel n'est pas le cas, on détermine que la sonde est défaillante.
Figure FR3056254A1_D0001
Procédé de diagnostic d’une sonde à oxygène proportionnelle disposée en amont du système de post-traitement d’un moteur à combustion interne à allumage commandé.
L’invention a pour domaine technique le diagnostic embarqué d’un moteur à combustion interne à allumage commandé, et plus particulièrement le diagnostic de sondes à oxygène d’un tel moteur.
Le système de post-traitement des moteurs à allumage commandé (du type fonctionnant à l’essence) à catalyse par oxydoréduction est basé sur la gestion de la quantité d’oxygène instantanée présente dans le catalyseur permettant de créer un milieu oscillant réducteur-oxydant pour traiter différents polluants comme les hydrocarbures imbrûlés HC, le monoxyde de carbone CO et les oxydes d’azote NOX. Afin de créer les conditions nécessaires à une telle catalyse, une sonde à oxygène disposée en amont du système de posttraitement est nécessaire pour contrôler la richesse des gaz d’échappement afin qu’elle oscille autour de la valeur de richesse 1 correspondant à la stœchiométrie du mélange air-carburant. On passe ainsi alternativement d’un fonctionnement en mélange pauvre à un fonctionnement en mélange riche. On parle alors de fenêtre catalytique, notée FC sur la figure 1. La figure 1 illustre la fraction (notée %) traitée des polluants en fonction de la richesse notée r.
Historiquement, cette régulation a été réalisée avec des sondes à oxygène binaires disposées en amont et en aval du système de posttraitement, permettant seulement de faire osciller le système entre un fonctionnement en mélange riche (noté R sur la figure 2) et un fonctionnement en mélange pauvre (noté L sur la figure 2). La courbe de transfert tension V-richesse r d’une sonde à oxygène binaire est illustrée par la figure 2. Les valeurs de cette courbe sont données à titre indicatif et ne représentent qu’un ordre de grandeur compte tenu de leur variation en fonction de la définition technique de chaque sonde.
Pour la régulation de richesse des gaz d’échappement, ces sondes à oxygène binaires peuvent être disposées en amont et en aval du système de post-traitement. Dans un système de commande d’un moteur à combustion interne permettant de réaliser une fenêtre catalytique en fonction des mesures de ces sondes à oxygène, le retour de la sonde aval est uniquement utilisé pour décaler avec un décalage constant la richesse stœchiométrique (c’est-à-dire la richesse 1) de quelques millièmes autour de la valeur 1,00 pour prendre en compte les dispersions ou vieillissements du système.
Il existe par ailleurs des sondes à oxygène proportionnelles présentant la courbe de transfert courant I - richesse r illustrée par la figure 3.
Avec une sonde amont proportionnelle, la régulation de richesse peut se faire par rapport à n’importe quelle consigne de richesse parce que la sonde permet de mesurer la richesse et non pas seulement de déterminer une valeur binaire associée à l’état riche ou pauvre comme les sondes binaires.
Cela permet d’obtenir une amélioration des émissions polluantes par rapport à une régulation de richesse avec une sonde à oxygène binaire qui peut seulement garantir la transition riche-pauvre. L’utilisation d’une sonde à oxygène proportionnelle permet de calculer la consigne de richesse en fonction de la réponse de la sonde à oxygène aval et du comportement précèdent de la sonde amont afin de rester à la valeur souhaitée de richesse pendant le temps nécessaire à la catalyse. On gère ainsi la quantité d’oxygène dans le catalyseur, ce qui permet de s’adapter :
- à l’état de fonctionnement du catalyseur (qui dépend de la définition technique et du vieillissement)
- et aux conditions de roulage précédentes vues par le catalyseur, qui permettent d’estimer l’état de remplissage courant en oxygène du catalyseur (par exemple après une longue décélération le catalyseur sera saturé d’oxygène et après une longue période en accélération à richesse supérieure à 1, il sera vide d’oxygène).
On pourra par exemple se référer au document FR2833309 qui divulgue un dispositif de régulation en double boucle de la richesse utilisant le signal d’une sonde à oxygène amont, dans lequel la consigne de richesse est ajustée en fonction du retour du signal d’une sonde à oxygène aval.
La demande de brevet FR1551774 de la demanderesse décrit un autre exemple de régulation en double boucle de richesse avec une sonde amont proportionnelle par rapport à une consigne variable, mais sans l’utilisation du signal d’une sonde aval cette fois. Dans cette demande de brevet, cette régulation est appliquée à la gestion de l’oxygène stocké. La consigne de richesse est ajustée en fonction d’une quantité d’OS (oxygène stocké) dans le catalyseur, ladite quantité d’OS étant calculée en continu à partir du signal de la sonde amont.
Alors que la sonde à oxygène amont binaire est employée dans une régulation en boucle ouverte autour d’une richesse constante, la sonde amont proportionnelle permet de commander pendant un temps relativement long des richesses fortes de 1,1 pour vider l’oxygène compris dans le catalyseur, accumulé par exemple après une décélération. Cela permet de retrouver au plus vite les conditions nécessaires pour rester dans la fenêtre catalytique du catalyseur afin d’avoir les phénomènes d’oxydation-réduction permettant de traiter les émissions polluantes.
Dans ce contexte, la norme EU6 exige de diagnostiquer la sonde à oxygène amont proportionnelle pour l’allumage d’un voyant indicateur d’une défaillance, dite aussi lampe MIL (acronyme anglophone pour « Malfunction Indicator Lamp ») en cas de dépassement du seuil de diagnostic embarqué OBD (acronyme anglophone pour « On-Board Diagnostics »). La panne la plus probable consiste en un temps de transition lent symétrique de la sonde. Une dégradation de l’électrode, l’encrassement de l’élément sensible ou l’encrassement de l’extérieur de la sonde sont à l’origine de ce comportement.
Il existe un besoin pour un diagnostic de la sonde à oxygène en amont du système de post-traitement.
L’invention a pour objet un procédé de diagnostic d’une sonde à oxygène proportionnelle disposée en amont du système de posttraitement d’un moteur à combustion interne à allumage commandé muni par ailleurs d’une sonde à oxygène disposée en aval du système de post-traitement. Le procédé comprend les étapes suivantes :
on régule la richesse des gaz d’échappement avec une consigne de richesse variable en fonction des conditions prédéfinies du catalyseur et de la mesure de la sonde à oxygène amont proportionnelle, on détermine si les conditions de roulage sont compatibles avec la réalisation d’un diagnostic, lorsque ces conditions sont vérifiées, on commande le fonctionnement du moteur à combustion interne de sorte à obtenir au moins trois alternances de périodes d’émission de gaz d’échappement en mélange riche et de périodes d’émission de gaz d’échappement en mélange pauvre, et pour chaque période, on mesure la richesse des gaz d’échappement par l’intermédiaire de la sonde à oxygène amont, puis on calcule un critère de diagnostic pour la sonde à oxygène amont comme la moyenne sur le nombre d’alternances de la différence pour chaque période entre la mesure maximale de la richesse en mélange riche et la mesure minimale de la richesse en mélange pauvre, puis si le critère de diagnostic est supérieur à une valeur mémorisée, on détermine que la sonde est en bon état de marche, si tel n’est pas le cas, on détermine que la sonde est défaillante.
Si on a déterminé que la sonde est défaillante, on peut associer un signal binaire aux mesures de la sonde proportionnelle en fonction d’une cartographie mémorisée, on peut commander la richesse selon un mode dégradé à régulation de type binaire avec une consigne de temps d’injection en boucle ouverte en fonction du signal binaire associé à la sonde proportionnelle.
On peut définir une cartographie associant un signal binaire à la mesure de la sonde proportionnelle en comparant la mesure d’une sonde déterminée comme défaillante avec un seuil de richesse, en réalisant les étapes suivantes :
on associe un premier signal binaire de mélange riche aux mesures supérieures au seuil de richesse et on associe un deuxième signal binaire de mélange pauvre aux mesures inférieures au seuil de richesse.
Si on a déterminé que la sonde est défaillante, on peut maintenir une régulation proportionnelle de la richesse, on peut limiter la consigne de richesse en fonctionnement en mélange pauvre de sorte à rester supérieure ou égale à une valeur minimale mémorisée, on peut limiter la consigne de richesse en fonctionnement en mélange riche de sorte à rester inférieure ou égale à une valeur maximale mémorisée, on peut fixer la durée des périodes de fonctionnement en mélange pauvre ou en mélange riche à une durée mémorisée.
Les conditions de roulage sont compatibles avec la réalisation d’un diagnostic si toutes les conditions suivantes sont vérifiées :
aucun diagnostic n’a été réalisé lors du trajet en cours, les sondes à oxygène amont et aval sont à une température sensiblement égale à une température de mesure mémorisée, la charge du moteur est sensiblement stable, la température, la charge et le régime sont compris dans des plages de valeurs prédéfinies.
Un avantage du procédé de commande est de permettre d’adapter la régulation de richesse à l’état de la sonde à oxygène proportionnelle pour optimiser les émissions polluantes et réduire les émissions polluantes entre la détection d’une sonde défaillante et sa réparation :
Si la sonde amont n’est pas lente, la régulation de richesse en gestion d’OS permet d’améliorer les émissions polluantes en comparaison avec une stratégie basée sur la modulation de richesse.
Si la sonde amont est lente (temps de réponse lent), la régulation de richesse est plus performante pour limiter les émissions polluantes si on conserve une régulation en modulation de richesse forcée pour garantir des oscillations riche-pauvre autour de la fenêtre catalytique.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre une fenêtre catalytique pour un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne à allumage commandé,
- la figure 2 illustre la courbe de transfert tension-richesse d’une sonde à oxygène binaire,
- la figure 3 illustre la courbe de transfert courant-richesse d’une sonde à oxygène proportionnelle, et
- la figure 4 illustre les principales étapes d’un procédé de diagnostic selon l’invention.
Pour réaliser le diagnostic de la sonde à oxygène amont en temps de réponse, on commande le fonctionnement du moteur à combustion interne de sorte à obtenir plusieurs alternances de périodes d’émission de gaz d’échappement avec un mélange riche (valeur de richesse égale ici à 1.07) et en mélange pauvre (valeur de richesse égale ici à 0.93), chaque période durant ici 0.8s. Avec ces valeurs de richesse et cette durée, on a constaté que 3 et 5 alternances permettent de réaliser un diagnostic fiable du point de vue statistique. Bien entendu, d’autres choix de mise au point peuvent être faits en fonction de la qualité de la régulation de richesse.
Le critère de déclenchement du diagnostic est la moyenne sur toutes les périodes de la moyenne des mesures extrémales au sein de chaque période :
n
Critère max(Richesse demiperiode riche i) - min(Richesse demiperiode pauvre Q (Eq. 1)
On observe un comportement différent entre une sonde en bon état de fonctionnement et une sonde défaillante sur un tel profil de richesse variant entre 0,93 et 1,07.
Lors d’une modification de la consigne de richesse, une sonde en bon état de fonctionnement présente un signal de sortie qui peut converger vers la consigne de richesse (0,93 ou 1,07) dans une durée inférieure à 0,8 s, à la différence d’une sonde défaillante.
La régulation de richesse avec une sonde amont proportionnelle est très performante car elle permet de s’adapter à l’état du catalyseur et aux conditions de roulage précédentes. Elle dépend par conséquent beaucoup de la qualité du signal de la sonde à oxygène amont. Elle est moins robuste à la dégradation de la sonde amont que dans le cas d’une régulation de type sonde de type binaire.
On peut citer pour illustrer cela, le cas du comportement du système après une longue décélération. Le catalyseur est rempli d’oxygène, à cause du mélange air-carburant très pauvre généré par la coupure d’injection de carburant sur un lever de pied. Dans un tel cas, les stratégies de contrôle de la richesse avec une sonde proportionnelle peuvent considérer nécessaire d’enrichir fortement lors de la reprise de l’injection après décélération pour éviter de produire des oxydes d’azote NOx. Si la sonde est très dégradée, c’est-à-dire très lente, elle va enrichir avec beaucoup de retard, quand le catalyseur sera déjà vide d’oxygène. Dans ces conditions, la reprise d’injection ne permettra pas non seulement d’empêcher la production des oxydes d’azote NOx mais participera a posteriori à une production de CO et HC.
On peut également réaliser une commande de type « binaire » avec une sonde amont proportionnelle. Pour cela, on limite l’amplitude de la consigne autour de la richesse 1 et on fixe une période constante.
Ce type de régulation (avec modulation constante de la consigne) est moins performant qu’une régulation avec une consigne variable pour s’adapter aux conditions du catalyseur si la sonde est conforme. Par contre ce type de régulation est plus performante pour une sonde lente en temps de réponse (pièce dite « limite OBD ») parce qu’elle permet de garantir des oscillations riche-pauvre dans la fenêtre catalytique et n’a pas les effets de bord négatifs sur les émissions polluantes décrits dans le paragraphe précèdent.
C’est pourquoi il est avantageux de prévoir d’utiliser un tel mode dans le cas d’une sonde défaillante.
L’invention concerne les moteurs à allumage commandé avec une sonde à oxygène amont proportionnelle. La solution proposée consiste à déclencher, quand ladite sonde amont proportionnelle est diagnostiquée défaillante, un mode dégradé qui change de type de régulation de richesse pour ne plus utiliser une gestion de richesse par rapport à une consigne variable en fonction des conditions prédéfinies dans le catalyseur, mais une régulation de type « sonde binaire » qui permet de garantir des créneaux riche-pauvre autour de la richesse 1, soit par une tension de temps d’injection ti en boucle ouverte, soit par une consigne de type modulation de richesse avec période et amplitude constantes.
Le procédé de diagnostic comprend les étapes suivantes, illustrées par la figure 4.
Au cours d’une première étape 1, on régule la richesse avec une régulation de type sonde à oxygène amont proportionnelle avec une consigne de richesse variable en fonction des conditions prédéfinies du catalyseur.
Au cours d’une deuxième étape 2, on détermine si les conditions de roulage sont compatibles avec la réalisation d’un diagnostic. On considère que les conditions de roulage sont compatibles avec la réalisation d’un diagnostic lorsque toutes les conditions suivantes sont vérifiées :
Aucun diagnostic n’a été réalisé lors du trajet en cours,
Les sondes à oxygène amont et aval sont suffisamment chaudes pour réaliser des mesures fiables,
Les conditions de roulage : stabilité de charge, et fenêtre température/charge/régime conforme à une fenêtre prédéterminée permettant de réaliser un diagnostic fiable.
Si ces conditions sont vérifiées, le procédé se poursuit par une troisième étape 3, sinon il reprend à la première étape 1.
Au cours de la troisième étape 3, on commande le fonctionnement du moteur à combustion interne de sorte à obtenir plusieurs alternances de périodes d’émission de gaz d’échappement avec un mélange riche (valeur de richesse égale à 1.07) et en mélange pauvre (valeur de richesse égale à 0.93), chaque période durant 0.8s. On considérera entre 3 et 5 alternances. Pour chaque période, on mesure la richesse avec la sonde à oxygène amont.
Le procédé se poursuit au cours d’une quatrième étape 4, on calcule le critère de diagnostic pour la sonde à oxygène amont par application de l’équation Eq. 1 en fonction des mesures de richesse réalisées lors de la troisième étape 3, puis on détermine si le critère de diagnostic est supérieur à une valeur mémorisée.
Si tel est le cas, on détermine que la sonde est en bon état de marche et le procédé reprend à l’étape 1.
Si tel n’est pas le cas, on détermine que la sonde est défaillante et le procédé se poursuit par une cinquième étape 5.
Au cours de la cinquième étape, on commande la richesse selon un mode dégradé.
Dans un mode de réalisation de la cinquième étape, si on a déterminé que la sonde est défaillante, on peut commander la régulation dans un mode de fonctionnement de type « binaire ». Dans un tel cas, on peut utiliser la sonde proportionnelle comme une sonde binaire avec une consigne de temps d’injection en boucle ouverte.
Pour pouvoir appliquer les stratégies de régulation basées sur une sonde binaire, on définit et utilise une cartographie reliant le courant issu de la sonde de richesse proportionnelle à un signal à deux valeurs associées chacune soit à une valeur de richesse « pauvre » (i.e. inférieure à 1) ou à une valeur de richesse « riche » (i.e. supérieure à 1).
ίο
Une telle cartographie est déterminée par exemple sur banc d’essai.
Dans un autre mode de réalisation de la cinquième étape, si on a déterminé que la sonde est défaillante, on peut maintenir une régulation proportionnelle de la richesse, mais en considérant une amplitude fixe de richesse variant par exemple entre 0.97 à 1.03 et avec une période fixe égale par exemple à 0.8s. En d’autres termes, on limite la consigne de richesse à 0.97 en fonctionnement en mélange pauvre, et on limite la consigne de richesse à 1.03 en fonctionnement en mélange riche. De plus, la durée des périodes de fonctionnement en mélange pauvre ou en mélange riche est fixée à 0.8s.
Le mode dégradé décrit ci-dessus a pour objectif une régulation de richesse qui permette d’avoir des transitions riche-pauvre de la même durée et de même amplitude pour garantir le traitement des émissions polluantes dans la fenêtre catalytique même si la sonde à oxygène amont est lente.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de diagnostic d’une sonde à oxygène proportionnelle disposée en amont du système de post-traitement d’un moteur à combustion interne à allumage commandé muni par ailleurs d’une sonde à oxygène disposée en aval du système de post-traitement, dans lequel on régule la richesse des gaz d’échappement avec une consigne de richesse variable en fonction des conditions prédéfinies du catalyseur et de la mesure de la sonde à oxygène amont proportionnelle, caractérisé par le fait qu’il comprend les étapes suivantes : on détermine si les conditions de roulage sont compatibles avec la réalisation d’un diagnostic, lorsque ces conditions sont vérifiées, on commande le fonctionnement du moteur à combustion interne de sorte à obtenir au moins trois alternances de périodes d’émission de gaz d’échappement en mélange riche et de périodes d’émission de gaz d’échappement en mélange pauvre, et pour chaque période, on mesure la richesse des gaz d’échappement par l’intermédiaire de la sonde à oxygène amont, puis on calcule un critère de diagnostic pour la sonde à oxygène amont comme la moyenne sur le nombre d’alternances de la différence pour chaque période entre la mesure maximale de la richesse en mélange riche et la mesure minimale de la richesse en mélange pauvre, puis si le critère de diagnostic est supérieur à une valeur mémorisée, on détermine que la sonde est en bon état de marche, si tel n’est pas le cas, on détermine que la sonde est défaillante.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, si on a déterminé que la sonde est défaillante, on associe un signal binaire aux mesures de la sonde proportionnelle en fonction d’une cartographie mémorisée, on commande la richesse selon un mode dégradé à régulation de type binaire avec une consigne de temps d’injection en boucle ouverte en fonction du signal binaire associé à la sonde proportionnelle.
    5
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, on définit une cartographie associant un signal binaire à la mesure de la sonde proportionnelle en comparant la mesure d’une sonde déterminée comme défaillante avec un seuil de richesse, en réalisant les étapes suivantes :
    10 on associe un premier signal binaire de mélange riche aux mesures supérieures au seuil de richesse et on associe un deuxième signal binaire de mélange pauvre aux mesures inférieures au seuil de richesse.
  4. 4. Procédé selonla revendication 1, dans lequel, si on a
    15 déterminé que la sonde est défaillante, on maintient une régulation proportionnelle de la richesse, on limite la consigne de richesse en fonctionnement en mélange pauvre de sorte à rester supérieure ou égale à une valeur minimale mémorisée,
    20 on limite la consigne de richesse en fonctionnement en mélange riche de sorte à rester inférieure ou égale à une valeur maximale mémorisée, on fixe la durée des périodes de fonctionnement en mélange pauvre ou en mélange riche à une durée mémorisée.
    25
  5. 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les conditions de roulage sont compatibles avec la réalisation d’un diagnostic si toutes les conditions suivantes sont vérifiées :
    aucun diagnostic n’a été réalisé lors du trajet en cours,
    30 les sondes à oxygène amont et aval sont à une température sensiblement égale à une température de mesure mémorisée, la charge du moteur est sensiblement stable, la température, la charge et le régime sont compris dans des plages de valeurs prédéfinies.
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