FR3066543A3

FR3066543A3 - Procede de purge d'un piege a oxydes d'azote d'un moteur a combustion interne et dispositif de motorisation associe

Info

Publication number: FR3066543A3
Application number: FR1754309A
Authority: FR
Inventors: Etienne Jallageas
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-23

Abstract

L'invention concerne un procédé de purge d'un piège à oxydes d'azote de moteur à combustion interne. La purge est déclenchée lors de l'atteinte d'un seuil de masse d'oxydes d'azote dans le piège. Selon l'invention, on évalue en permanence l'efficacité potentielle d'une purge qui serait déclenchée selon les conditions de roulage courantes du véhicule, notamment la température du piège et le débit volumétrique horaire des gaz d'échappement. On ajuste ensuite la valeur de seuil de masse à partir de laquelle on autorise le déclenchement d'une purge, comme une fonction décroissante de l'efficacité.

Description

PROCEDE DE PURGE D’UN PIEGE A OXYDES D’AZOTE D’UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET DISPOSITIF DE MOTORISATION ASSOCIE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION L’invention concerne un procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote d’un moteur à combustion interne. Elle concerne également un dispositif de motorisation pour la mise en oeuvre d’un tel procédé, plus particulièrement un dispositif de motorisation d’un véhicule automobile comprenant un moteur diesel et un piège à oxydes d’azote monté à l’échappement du moteur.

ETAT DE LA TECHNIQUE

De nombreux moteurs modernes à combustion interne, plus particulièrement les moteurs diesel des véhicules automobiles, sont équipés à l’échappement d’un piège à oxydes d’azote (NOx trap selon son acronyme en langue anglaise).

Un tel piège permet de diminuer les rejets dans l’atmosphère des émissions d’oxydes d’azote provenant des gaz de combustion d’un moteur, et ainsi de respecter les normes légales qui limitent les émissions à l’échappement d’espèces polluantes par les véhicules automobiles. Par exemple, la norme européenne dite « euro6b » limite les émissions d’oxydes d’azote des véhicules équipés d’un moteur diesel à 80 milligrammes par kilomètre parcouru, sur le cycle dit « NEDC ».

De manière connue, un piège à oxydes d’azote fonctionne de manière séquentielle : pendant le fonctionnement habituel du moteur en mélange pauvre, il stocke une fraction plus ou moins importante des oxydes d’azote (NOx) émis dans les gaz de combustion du moteur, sans les transformer. Puis, de manière fréquentielle, par exemple lorsque la masse de NOx accumulée dans le piège atteint un seuil prédéterminé, un calculateur du moteur provoque une purge du piège, par un basculement du fonctionnement du moteur en mélange riche, généralement à une richesse voisine de 1,05. Alors, sous l’action des molécules réductrices de carburant envoyées à l’échappement du moteur et pénétrant dans le piège, les NOx stockés pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre sont réduits et transformés en molécules inoffensives qui sont rejetées dans l’atmosphère extérieure.

Avec la sévérité croissante des normes anti-pollution, il devient nécessaire de diminuer davantage les émissions de NOx des véhicules automobiles, ce qui conduit à augmenter la fréquence des purges du piège à oxydes d’azote, de manière à augmenter l’efficacité de stockage de celui-ci. Plus précisément, il est connu que l’efficacité de stockage d’un piège à oxydes d’azote, c’est-à-dire la proportion de NOx émis dans les gaz de combustion qu’il parvient à stocker pendant le fonctionnement du moteur en mélange pauvre, dépend toutes choses égales par ailleurs de la masse de NOx qui y est déjà stockée. L’efficacité de stockage est une fonction décroissante de la masse de NOx dans le piège.

En abaissant le seuil prédéterminé qui déclenche les purges du piège, on évite qu’une masse trop importante de NOx s’accumule progressivement dans le piège, ce qui permet à ce dernier de retenir une proportion plus élevée de NOx émis dans les gaz de combustion du moteur que pour un seuil plus élevé, et de diminuer les rejets de NOx à l’échappement du véhicule.

Toutefois, la diminution du seuil prédéterminé de masse de NOx a pour inconvénient de déclencher des purges plus fréquentes, dont certaines ne sont pas efficaces. Plus précisément, l’efficacité de la purge, que l’on peut par exemple définir comme le rendement de la réaction de réduction des NOx par les hydrocarbures introduits à l’échappement du moteur, dépend des conditions de fonctionnement du moteur pendant la purge, de sorte que si une purge est déclenchée au moment où ces conditions non maîtrisables sont défavorables, il faut beaucoup plus de carburant, c’est-à-dire une durée de purge beaucoup plus élevée, pour réduire le stock de NOx à traiter. On peut alors soit poursuivre la purge jusqu’à ce que le stock soit entièrement réduit, ce qui augmente la consommation de carburant du véhicule, soit interrompre la purge au bout d’une durée maximale prédéterminée, auquel cas il reste encore des NOx dans le piège lors du retour du fonctionnement du moteur en mélange pauvre, et l’efficacité de stockage est diminuée par rapport à un piège complètement vide.

RESUME DE L’INVENTION L’invention propose de remédier aux défauts de consommation de carburant et/ou d’efficacité de stockage précédents liés aux procédés de purge connus.

Elle propose pour cela un procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote monté dans le circuit d’échappement d’un moteur à combustion interne, dans un dispositif de motorisation de véhicule automobile, ledit procédé comprenant :

Une étape au cours de laquelle on détermine une masse courante d’oxydes d’azote dans le piège ;

Une étape au cours de laquelle on compare ladite masse courante avec un seuil de masse ; et,

Lorsque ladite masse est supérieure ou égale audit seuil, une étape dans laquelle on purge le piège.

Le procédé est caractérisé en ce qu’il comprend en outre :

Une étape au cours de laquelle on détermine une valeur courante de l’efficacité potentielle d’une purge, en fonction des conditions de roulage du véhicule ; et, Une étape au cours de laquelle on détermine une valeur courante de seuil de masse à partir de laquelle on autorise la purge du piège, comme une fonction décroissante de ladite valeur courante d’efficacité.

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 un exemple de dispositif de motorisation apte à la mise en œuvre du procédé selon l’invention ; la figure 2 est un graphique qui illustre la variation de l’efficacité de la purge d’un piège à oxydes d’azote en fonction de la durée de la purge, pour différentes températures du piège ; la figure 3 est un tableau qui illustre la variation de l’efficacité de la purge d’un piège à oxydes d’azote en fonction de la durée de la purge, pour différentes valeurs de débit volumétrique horaire du moteur ; et, la figure 4 est un logigramme des étapes d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES

Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de motorisation apte à la mise en œuvre du procédé selon l’invention. II comprend un moteur 1 à combustion interne, par exemple un moteur diesel de véhicule automobile, qui se présente ici sous la forme d’un moteur à quatre cylindres en ligne suralimenté. Le moteur 1 est alimenté en air par un circuit d’admission d’air 2, et en carburant, par exemple du gazole, par une pluralité d’injecteurs 3 montés sur une rampe commune 4 d’alimentation en carburant.

Le circuit d’admission d’air 2 comporte d’amont en aval, c’est-à-dire dans le sens de circulation de l’air, une conduite d’admission d’air 5, un compresseur 6 d’un turbocompresseur 7 du moteur 1, une conduite de liaison compresseur - collecteur d’admission 8, une vanne 9 de réglage de débit des gaz admis dans le moteur et un collecteur d’admission 10, ou répartiteur 10. Bien entendu, le circuit d’admission 2 peut comporter d’autres composants non représentés ici, par exemple un filtre à air, un refroidisseur d’air suralimenté, etc.

Le moteur 1 est aussi équipé d’un circuit d’échappement 11 des gaz d’échappement, comprenant d’amont en aval, c’est-à-dire dans le sens de circulation des gaz, un collecteur d’échappement 12, une turbine 13 du turbocompresseur 7, un pot catalytique 14 comportant par exemple un catalyseur d’oxydation 14 et/ou un filtre à particules 14, une conduite de liaison 15 pot catalytique - débitmètre, un débitmètre 16, un piège à oxydes d’azote 17 et une conduite d’échappement 18. Le piège à oxydes d’azote est associé à des moyens de détermination d’une valeur représentative de sa température 19, par exemple un capteur de température 19 monté à l’entrée du piège, et des moyens de détermination d’une valeur représentative de la concentration d’oxydes d’azote 20 à la sortie du piège, par exemple un capteur d’oxydes d’azote monté à la sortie du piège sur la conduite d’échappement 18.

La flèche représentée sur la turbine 13 signale qu’il s’agit d’une turbine dont les ailettes sont inclinables. En d’autres termes le turbocompresseur 7 se présente ici sous la forme d’un turbocompresseur 7 à géométrie variable. Bien entendu, dans une variante non représentée, le turbocompresseur 7 peut être un turbocompresseur à géométrie fixe.

Le circuit d’échappement 11 comprend par ailleurs ici un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission à basse pression 21, dit aussi circuit EGR BP (de l’acronyme en langue anglaise pour : Exhaust Gas Recirculation). Il se présente sous la forme d’une conduite qui prend naissance en un point du circuit d’échappement 11 situé en aval de la turbine 13, ici entre le pot catalytique 14 et le débitmètre 16, sur la conduite de liaison 15 pot catalytique - débitmètre. Son autre extrémité débouche en amont du compresseur 6, dans la conduite d’admission d’air 5. Il est équipé d’une vanne de recirculation partielle des gaz d’échappement à basse pression 22, dite aussi vanne EGR BP 22, dont le réglage permet d’ajuster la proportion de gaz recyclés entrant dans le moteur. D’autres variantes de réalisation du dispositif de motorisation sont possibles sans nuire à la généralité de l’invention. Par exemple, le circuit d’échappement peut comporter en outre un circuit de recirculation des gaz d’échappement à haute pression. Par exemple, le circuit de recirculation des gaz d’échappement à basse pression peut prélever les gaz d’échappement en un autre point du circuit d’échappement 11. Par exemple, la proportion de gaz d’échappement recyclés à basse pression peut être ajustée en réglant une vanne d’étranglement de la conduite d’échappement 18. Par exemple, le moteur peut être équipé d’un débitmètre à l’admission plutôt qu’à l’échappement, etc.

Le dispositif de motorisation comprend aussi des moyens de contrôle (non représentés), par exemple un calculateur électronique, apte à régler les paramètres de fonctionnement du dispositif de motorisation, notamment du moteur 1 et du piège à oxydes d’azote 17, en fonction notamment d’une consigne de couple correspondant à un enfoncement de la pédale d’accélérateur par le conducteur du véhicule et à un régime donné. De manière connue en soi, le calculateur règle l’admission d’air et les quantités de gaz d’échappement recyclés à l’admission, l’injection de carburant dans le moteur. II détermine la quantité courante (masse) de NOx stockés dans le piège 17 et déclenche une purge du piège par exemple lorsque ladite quantité courante atteint un seuil.

La figure 2 est un graphique qui illustre la variation de l’efficacité de la purge d’un piège à oxydes d’azote en fonction de la durée de la purge, pour différentes températures T du piège, à débit des gaz constant.

En abscisse on a représenté la durée de la purge, en secondes, et en ordonnée le taux de conversion des NOx stockés dans le piège, c’est-à-dire le taux de réduction des NOx par le carburant, à partir de l’instant initial t = Os où on a basculé le fonctionnement du moteur en mélange riche. La courbe C1 représente l’évolution temporelle du taux de conversion pour une température T du piège de 200°C. Les courbes C2 et C3 représentent respectivement l’évolution du taux pour des températures T respectives de 250°C et 350°C. Ces courbes correspondent à des conditions identiques de richesse de purge, de masse de NOx stockée au déclenchement de la purge et de niveau de charge du piège en oxydes de soufre.

On constate que toutes choses égales par ailleurs, l’efficacité de la purge est plus importante lorsque la température T du piège est plus élevée. Plus précisément, pour une température de 350°C, une purge complète (correspondant à un taux de conversion de 100%) est obtenue en 16s, tandis qu’il faudrait la prolonger sensiblement pour une température de 250°C, et encore davantage pour une température de 200°C. Par conséquent, dans l’hypothèse où l’atteinte d’un seuil de masse de NOx prédéterminée conduit à déclencher une purge alors que la température est inférieure à 350°C, il faut alors consommer plus de carburant pour obtenir le même résultat de vidange complète du piège.

Selon une autre option, si on choisit plutôt d’imposer une durée de purge constante, par exemple 10s, alors la vidange en NOx risque d’être incomplète. La masse de NOx résiduelle en fin de purge dépend fortement de la température. Par exemple, pour une température de 350°C, l’efficacité de conversion des NOx est voisine de 100%. Pour une température de 250°C, elle atteint encore une valeur acceptable d’environ 85%. En revanche, à 200°C, le taux de conversion après 10s de purge est à peine supérieur à 50%, si bien qu’il reste en fin de purge encore près de la moitié des oxydes d’azote présents en début de purge. Cela pénalise fortement l’efficacité de stockage du piège dans la phase suivante de fonctionnement en mélange pauvre et augmente les rejets de NOx du véhicule.

La figure 3 est un tableau qui illustre la variation de l’efficacité de la purge d’un piège à oxydes d’azote en fonction de la durée de la purge, pour différentes valeurs de débit volumétrique horaire WH du moteur, à température du piège constante.

En abscisse, on a représenté la durée de la purge en secondes, et en ordonnée le taux de conversion. Deux séries de barres sont représentées côte à côte, les barres de gauche correspondant à un débit volumétrique horaire WH de 45 Kh'1 et les barres de droite à un débit volumique horaire de 30 Kh'1.

Par débit volumétrique horaire WH, on entend selon l’acception courante de l’homme de métier le rapport du débit volumique des gaz d’échappement, divisé par le volume du piège à oxydes d’azote. En adimensionnant ainsi le débit des gaz qui traversent le piège au volume du piège, on obtient ainsi un paramètre qui représente l’inverse du temps de résidence des gaz d’échappement dans le piège. Sur la figure 3, le temps de résidence étant compté en milliers d’heures, l’unité retenue est donc l’inverse d’un millier d’heures (abrégée en Kh'1).

On constate que, pour une durée de purge identique donnée (ici respectivement 4, 7 puis 10s), et pour une température de piège identique qui est ici d’environ 230°C, plus le débit volumétrique horaire est élevé, plus le taux de conversion est élevé.

Par conséquent, dans l’hypothèse où l’atteinte d’un seuil de masse de NOx prédéterminée conduit à déclencher une purge alors que le débit volumétrique horaire est faible, ce qui correspond notamment à des conditions d’utilisation du véhicule à faible vitesse et/ou faible charge, la purge est moins efficace. Les inconvénients sont les mêmes que pour une purge déclenchée dans des conditions de faible température, comme il a été exposé précédemment à l’appui de la figure 2.

On comprend de ce qui précède que, les paramètres déterminants pour l’efficacité d’une purge de piège à oxydes d’azote étant les conditions de température T du piège et le débit volumétrique horaire WH des gaz d’échappement du moteur, il est particulièrement intéressant de pouvoir procéder le plus possible au lancement de purges dans des conditions où les valeurs de ces paramètres, qui dépendent de conditions extérieures au piège et notamment de la nature du trajet parcouru et du style de conduite, sont favorables à l’efficacité de la purge du piège.

Le procédé dont un mode de réalisation est décrit par l’organigramme de la figure 4 parvient à ce but.

Le procédé selon l’invention est itératif. Il débute par une étape 100 dans laquelle le moteur fonctionne normalement en mélange pauvre. Le calculateur du moteur détermine la valeur du débit Qech des gaz d’échappement du moteur, par exemple grâce à l’indication du débitmètre 16.

Le calculateur détermine aussi une valeur de concentration en oxydes d’azote [NOxjin entrant dans le piège 17, et une valeur de concentration en oxydes d’azote [NOxjout sortant du piège 17. Par exemple, la concentration entrante peut provenir d’un modèle qui est une fonction d’un ensemble de paramètres représentatifs du point de fonctionnement du moteur, comprenant au moins le régime et la charge. Par exemple, la concentration sortante peut être déterminée par le capteur d’oxydes d’azote 20.

Le calculateur détermine aussi une valeur représentative de la température T du piège 17, par exemple grâce au capteur de température 19. A l’étape 200, le calculateur détermine la masse courante d’oxydes d’azote Mnox stockée dans le piège depuis le début de sa phase de fonctionnement en mélange pauvre, c’est-à-dire depuis la fin de la dernière purge du piège. Par exemple, il peut procéder à un calcul selon l’équation suivante : (Equ. 1 ) Mnox = i Qech * ( [NOx]in - [NOx]out ) * dt A cette étape, le calculateur détermine aussi la valeur du débit volumétrique horaire WH des gaz. Ce débit est égal au rapport du débit volumique des gaz d’échappement, divisé par le volume du piège 17. Par exemple, le débit volumique des gaz peut être obtenu en divisant le débit (massique) des gaz Qech mesuré par le débitmètre, par la masse volumique p des gaz. Ladite masse volumique peut être assimilée à la masse volumique de l’air pur à la température T du piège correspondante. A l’étape 300, le procédé détermine une valeur de l’efficacité ε de la purge en fonction du débit volumétrique horaire WH et de la température T du piège. Compte tenu du fait que ces paramètres varient en fonction des conditions de roulage, l’efficacité obtenue est une valeur courante. En d’autres termes, il s’agit de la valeur d’efficacité potentielle qu’aurait une purge si elle était lancée à ce moment précis de l’état de fonctionnement du véhicule. Lesdites valeurs d’efficacité peuvent être obtenues à partir de séries d’essais préalables, dont des exemples de résultats correspondent aux figures 2 et 3. A l’étape 400, le calculateur détermine une valeur de seuil de masse d’oxydes d’azote Mseuii , apte à déclencher une purge du piège, en fonction de la valeur d’efficacité de l’étape 300. Plus précisément, il détermine une valeur de seuil de déclenchement qui est une fonction décroissante de l’efficacité. II s’agit d’une valeur courante de seuil de masse, calculée à chaque instant. En d’autres termes, le procédé prévoit d’autoriser de déclencher des purges partielles du piège, c’est-à-dire des purges correspondant à un remplissage en NOx du piège très en deçà de sa capacité de stockage maximale en NOx, pourvu que lesdites purges partielles soient efficaces. A l’étape de test 500, on compare la valeur courante de masse d’oxydes d’azote Mnox ,à la valeur de seuil courant Mseuii.

Si la dite masse courante de NOx est supérieure ou égale audit seuil, le procédé oriente vers l’étape 600 dans laquelle le calculateur du moteur provoque une purge. Dans le cas contraire, le procédé reprend à l’étape 100. A l’issue de l’étape de purge 600, le calculateur réinitialise la masse d’oxydes d’azote à 0, dans la mesure où la purge a été complète, c’est-à-dire suffisamment longue. Ensuite le procédé reprend à l’étape 100.

En résumé, le procédé propose de déclencher des purges du piège à oxydes d’azote dès qu’on constate qu’une telle purge sera efficace, le seuil de masse de déclenchement acceptable étant d’autant plus faible que l’efficacité est élevée. De cette manière, des purges non efficaces ne peuvent se présenter que dans la mesure où un seuil élevé de masse de suie est constaté, qui ne pourrait pas être accepté pour le piège, et que des conditions de purge plus favorables n’ont jamais été rencontrées avant lors de toute la phase d’accumulation de ladite masse.

On parvient à limiter ainsi les purges relativement inefficaces au strict nécessaire et à limiter la consommation de carburant, tout en améliorant l’efficacité du piège.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote (17) monté dans le circuit d’échappement d’un moteur à combustion interne (1), dans un dispositif de motorisation de véhicule automobile, ledit procédé comprenant : une étape (200) au cours de laquelle on détermine une masse courante d’oxydes d’azote (Mnox) dans le piège ; une étape (500) au cours de laquelle on compare ladite masse courante à un seuil de masse (Mseuii) ; et, lorsque ladite masse (Mnox) est supérieure ou égale audit seuil, une étape (600) dans laquelle on purge le piège, CARACTERISE EN CE OU’ il comprend en outre : une étape (300) au cours de laquelle on détermine une valeur courante de l’efficacité (ε) potentielle d’une purge, en fonction des conditions de roulage du véhicule ; et, une étape (400) au cours de laquelle on détermine une valeur courante de seuil de masse (Mseuii), à partir de laquelle on autorise la purge du piège, comme une fonction décroissante de ladite valeur courante d’efficacité (ε).
2. Procédé de purge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur courante de l’efficacité (ε) d’une purge est déterminée en fonction d’une valeur représentative de la température (T) du piège et d’une valeur du débit volumétrique des gaz d’échappement (WH).
3. Procédé de purge selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse courante d’oxydes d’azote (Mnox) est déterminée comme une intégrale temporelle du produit du débit des gaz d’échappement (Qech) du moteur par la différence entre la concentration en oxydes d’azote ([ΝΟχ],η) entrant dans la piège et de la concentration en oxydes d’azote ([NOx]out) sortant du piège.
4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la concentration en oxydes d’azote ([ΝΟχ],η) entrant dans le piège est issue d’un modèle, en fonction d’un ensemble de paramètres représentatifs du point de fonctionnement du moteur comprenant au moins le régime et la charge.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel la concentration en oxydes d’azote ([NOx]out) sortant du piège est déterminée par un capteur de concentration d’oxydes d’azote (20) monté à la sortie du piège.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel le débit volumétrique des gaz (WH) est déterminé à partir d’une valeur de débit des gaz d’échappement (Qech) mesuré par un débitmètre (16) monté dans le circuit d’échappement du moteur et d’une valeur représentative de la température (T) des gaz, mesurée par un capteur de température (19) monté à l’entrée du piège (17).
7. Dispositif de motorisation de véhicule automobile pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un moteur (1) à combustion interne et un piège à oxydes d’azote (17) monté à l’échappement du moteur (1), comprenant en outre des moyens aptes à déterminer une masse courante d’oxydes d’azote (Mnox) stockée dans le piège et à déclencher une purge du piège lorsque ladite masse atteint un seuil (Mseuii), CARACTERISE en ce qu’il comprend en outre : des moyens aptes à déterminer une valeur courante de l’efficacité (ε) potentielle d’une purge du piège en fonction des conditions de roulage du véhicule ; et, des moyens aptes à déterminer une valeur courante de seuil de masse (Mseuii), à partir de laquelle lesdits moyens déclenchent une purge, comme une fonction décroissante de ladite efficacité courante (ε).