FR3081918A1 - Procede de gestion de l’amorcage d’un catalyseur de depollution - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un procédé de gestion de l'amorçage d'un catalyseur 3 voies placé dans une ligne d'échappement d'un moteur à essence, ledit moteur comprenant des cylindres dotés chacun d'au moins une soupape d'échappement. La principale caractéristique d'un procédé selon l'invention est qu'il comprend les étapes suivantes : - Une étape de calcul de l'enthalpie H des gaz d'échappement, permettant de déterminer la quantité de chaleur fournie au catalyseur, - Une étape de détermination d'une valeur de l'enthalpie seuil S signalant l'amorçage du catalyseur, - Une étape d'arrêt de la mise en action du catalyseur lorsque la valeur calculée de l'enthalpie H atteint la valeur de ladite enthalpie seuil S.
Description
PROCEDE DE GESTION DE L'AMORCAGE D'UN CATALYSEUR DE DEPOLLUTION
L'invention concerne un procédé de gestion de l'amorçage d'un catalyseur de dépollution de moteur à combustion interne du type à allumage commandé (fonctionnant à l'essence). Il trouve une utilisation avantageuse dans les véhicules automobiles équipés d'un tel moteur.
Pour répondre aux réglementations sur les émissions polluantes en vigueur, un catalyseur 3 voies sur les motorisations essence, est devenu obligatoire. En effet, celui-ci permet de traiter les 3 polluants principaux, à savoir les hydrocarbures imbrûlés (HC), le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx), avec une efficacité supérieure à 98 % en moyenne. Or, le catalyseur ne devient efficace que lorsqu'il a atteint une certaine température, dite température d'amorçage.
Il existe aujourd'hui des stratégies de contrôle moteur, qui permettent une mise en action (MEA) du catalyseur le plus rapidement possible après un démarrage à froid. Ces stratégies consistent à adapter certains paramètres de réglage du moteur pour obtenir une montée en chauffe rapide, grâce à la dégradation du rendement de combustion du moteur, qui entraîne des pertes thermiques à l'échappement du moteur.
Cependant, avec ces stratégies de contrôle, il n'est pas possible de connaître le nombre de calories envoyées au catalyseur lors de la montée en chauffe. Si le réchauffage est arrêté trop tôt, le catalyseur n'est pas assez chaud et n'est donc pas assez efficace. Au contraire, si le réchauffage est poursuivi trop longtemps par sécurité, cela se traduit par une surconsommation de carburant, le rendement de combustion du moteur ayant été dégradé trop longtemps. Autrement dit, ces stratégies ne sont pas suffisamment précises pour arrêter la phase de mise en action au moment exact où la température d'amorçage du catalyseur est atteinte.
Notamment, on connaît de l'état de la technique certaines stratégies actuelles de pilotage moteur qui permettent une gestion de la MEA en boucle ouverte et sans estimateur.
Par exemple, la publication EP-B1-0639708 divulgue un procédé de commande d'un moteur à combustion interne servant à chauffer rapidement un catalyseur à sa température de fonctionnement. On augmente le débit de la masse d'air alimentant le moteur en combinaison avec une adaptation de la masse de carburant, et on décale l'angle d'allumage aussi loin que possible dans le sens du retard. Ce moyen permet d'augmenter le débit de la masse de gaz d'échappement et ainsi la température des gaz d'échappement tout en conservant le couple moteur : cela correspond à un relèvement du flux d'enthalpie des gaz d'échappement, permettant un chauffage rapide du catalyseur. Néanmoins, un tel procédé manque de précision, car il n'y a ni de mesure ni de contrôle de la quantité de chaleur fournie.
Cela peut avoir pour conséquence :
- Soit d'arrêter la MEA trop tôt alors que le catalyseur n'a pas atteint sa température optimale de traitement des polluants. Dans ce cas, cela peut entrainer temporairement des sur-émissions de polluants.
- Soit d'arrêter la MEA trop tard alors que le catalyseur a atteint depuis un certain moment sa température optimale de traitement des polluants. Dans ce cas, cela peut entrainer une surconsommation de carburant, qui n'est pas souhaitable.
Un procédé de gestion de l'amorçage d'un catalyseur selon l'invention, permet d'atteindre de façon sûre et précise la température d'amorçage du catalyseur, afin d'arrêter la MEA au moment le plus opportun.
L'invention a pour objet un procédé de gestion de l'amorçage d'un catalyseur 3 voies placé dans une ligne d'échappement d'un moteur à essence, ledit moteur comprenant des cylindres dotés chacun d'au moins une soupape d'échappement.
Selon l'invention, un procédé de gestion selon l'invention comprend les étapes suivantes :
- Une étape de calcul de l'enthalpie H des gaz d'échappement, permettant de déterminer la quantité de chaleur fournie au catalyseur,
- Une étape de détermination d'une valeur de l'enthalpie seuil S signalant l'amorçage du catalyseur,
- Une étape d'arrêt de la mise en action du catalyseur lorsque la valeur calculée de l'enthalpie H atteint la valeur de ladite enthalpie seuil S.
Le principe d'un tel procédé est de maîtriser précisément la durée de montée en température du catalyseur par l'intermédiaire de la quantité de chaleur fournie par les gaz d'échappement. De cette manière, l'arrêt de la MEA du catalyseur s'effectue au moment le plus opportun, et non pas de façon forfaitaire en fixant une valeur arbitraire de l'arrêt de la MEA, comme le proposent les procédés actuels. Un procédé selon l'invention propose donc une approche la plus juste possible, qui tienne compte des phénomènes physicochimiques mis en jeu lors de l'interaction entre les gaz d'échappement et le catalyseur. Préférentiellement, un tel procédé de gestion est piloté par un calculateur embarqué dans le véhicule et possédant un programme apte à réaliser les principales étapes d'un tel procédé.
Avantageusement, le calcul de l'enthalpie s'effectue à partir de l'intégrale temporelle suivante, l'intégration commençant au démarrage du moteur :
ΔΗ = i Qech x Cp x Tavt x dt
Avec :
• Qech =débit massique de gaz à l'échappement [kg/h] • Cp=capacité calorifique des gaz d'échappement [J/kg/K] • Tavt température des gaz aux soupapes d'échappement [K]
Il est à noter que la capacité calorifique des gaz d'échappement est une constante, et que le débit massique de gaz à l'échappement ainsi que la température des gaz aux soupapes d'échappement sont deux paramètres qui peuvent, soit être mesurés avec les capteurs adaptés, soit être déduits de cartographies préalablement établies.
Par exemple, le débit massique de gaz à l'échappement est déterminé au moyen d'un débitmètre. Il peut aussi être déduit, de manière connue en soi, à partir d'une position d'ouverture d'une vanne d'admission des gaz du moteur et d'une valeur de pression et d'une valeur de température dans un collecteur d'admission du moteur.
Préférentiellement, la température des gaz aux soupapes d'échappement est modélisée au préalable par un estimateur issu d'un modèle cartographique qui est fonction du couple et du régime moteur, et qui est corrigé par la température T° d'eau du moteur, par l'avance à l'allumage et par la richesse dans le cylindre.
En variante, la température des gaz d'échappement peut être déduite à partir de la température des gaz d'échappement en un point du circuit d'échappement situé à proximité des soupapes d'échappement, par exemple un point du collecteur d'échappement du moteur.
De façon avantageuse, la valeur de l'enthalpie seuil S est fonction de la température d'eau du moteur au démarrage et de l'état de vieillissement du catalyseur. De cette manière, plus la température de l'eau est élevée au démarrage, moins il faut apporter de calories pour chauffer le catalyseur. De même, plus le catalyseur est neuf, moins il faut chauffer longtemps pour amener le catalyseur à sa température d'amorçage, car la température d'amorçage d'un catalyseur neuf est plus faible que celle d'un catalyseur vieilli.
Avantageusement, la valeur de l'enthalpie seuil S est égal au produit d'un premier facteur qui est une fonction décroissante de la température de l'eau au démarrage du moteur, et d'un deuxième facteur compris entre une valeur positive voisine de 0 et une valeur voisine de 1 et qui dépend de l'état de vieillissement du catalyseur.
De façon préférentielle, le deuxième facteur tend vers une valeur voisine de 0 lorsque le catalyseur est neuf et tend vers une valeur voisine de 1 lorsque le catalyseur est très vieilli.
Par exemple, l'état de vieillissement du catalyseur est déterminé à partir de l'amortissement de l'amplitude d'un signal de richesse à l'aval du catalyseur par rapport à l'amplitude d'un signal de richesse à l'amont dudit catalyseur, qui caractérise sa capacité de stockage en oxygène, dit aussi OSC (acronyme anglais pour : Oxygen Storage Capacity'). On pourra se référer par exemple à la publication FR.-A1-2981690 qui présente une telle méthode d'évaluation de l'état de vieillissement d'un catalyseur 3 voies.
Un procédé de gestion selon l'invention présente l'avantage de proposer une solution concrète et réaliste pour arrêter la mise en action du catalyseur, évitant ainsi d'avoir un catalyseur peu efficace si la fourniture de calories a été interrompue avant qu'il n'atteigne sa température d'amorçage, ou d'avoir une surconsommation de carburant si la fourniture de calories se poursuit même s'il a déjà atteint sa température d'amorçage. Il en résulte qu'avec un tel procédé, le catalyseur sera toujours efficace, quels que soient la température de l'eau au démarrage et l'état de vieillissement du catalyseur.
On donne ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un procédé de gestion selon l'invention, en se référant à la figure suivante :
- La figure 1 est un diagramme de la température du catalyseur en fonction du temps, illustrant des arrêts de mise en action du catalyseur en fonction de plusieurs configurations, intégrant dans quatre cas différents un style de conduite particulier et un état de vieillissement du catalyseur.
Le principe d'un procédé de gestion selon l'invention consiste à estimer la quantité de chaleur ou le nombre de calories à envoyer au catalyseur pour arrêter sa mise en action au moment le plus opportun. Il est supposé que ce procédé de gestion est mis en œuvre par un calculateur embarqué dans un véhicule possédant un moteur à essence, ledit moteur comprenant des cylindres équipés chacun d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement.
De cette manière, un tel procédé comporte les étapes suivantes :
> Une étape de calcul de l'enthalpie H des gaz d'échappement, permettant de déterminer la quantité de chaleur fournie au catalyseur. En effet, la détection de l'amorçage du catalyseur est réalisée en surveillant l'enthalpie H des gaz d'échappement, qui est calculée à partir de l'intégrale temporelle suivante, l'intégration commençant au démarrage du moteur :
ΔΗ = i Qech x Cp x Tavt x dt
Avec :
• Qech le débit massique de gaz à l'échappement [kg/h]. Ce débit peut par exemple être mesuré au moyen d'un débitmètre.
• Cp la capacité calorifique des gaz d'échappement [J/kg/K] qui est une constante.
• Tavt la température des gaz aux soupapes d'échappement [K]. Cette température peut être modélisée au préalable par un estimateur issu d'un modèle cartographique qui est une fonction du régime et du couple moteur, corrigé par la T° de l'eau du moteur, par l'avance à l'allumage et pair la richesse dans le cylindre. Pour rappel, la richesse est le rapport de la quantité de carburant divisée par la quantité d'air. Cette température des gaz aux soupapes va donc dépendre du style de conduite du conducteur, pouvant par exemple être une conduite sportive ou une conduite souple.
> Une étape de détermination d'une valeur de l'enthalpie seuil S signalant l'amorçage du catalyseur. Cette enthalpie seuil est fonction de deux paramètres, qui sont la température d'eau au démarrage et l'état de vieillissement du catalyseur. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, l'enthalpie seuil S est égale au produit :
• d'un premier facteur qui est une fonction décroissante de la température d'eau au démarrage du moteur. Ainsi, plus la température d'eau est élevée au démarrage, moins il faut apporter de calories pour chauffer le catalyseur, • Et d'un deuxième facteur compris entre une valeur voisine de 0 et une valeur égale à 1, dépendant de l'état de vieillissement du catalyseur. De cette manière, ce deuxième facteur tend vers 0 lorsque le catalyseur est neuf et vaut 1 lorsque le catalyseur est très vieilli. Cela traduit le fait que plus le catalyseur est neuf, moins il faut chauffer longtemps ledit catalyseur pour l'amener à sa température d'amorçage. Le vieillissement du catalyseur, qui correspond à sa perte d'efficacité, peut par exemple, être déterminé à partir de l'amortissement de l'amplitude d'un signal de richesse à l'aval du catalyseur, mesurée par une sonde à oxygène aval du catalyseur, par rapport à l'amplitude d'un signal de richesse amont du catalyseur, mesurée par une sonde à oxygène en amont du catalyseur. Toute autre méthode de diagnostic connue de l'homme de métier, comme par exemple un calcul de la capacité maximale de stockage en oxygène, peut également être utilisée pour déterminer l'état de vieillissement du catalyseur.
> Une étape d'arrêt de la mise en action du catalyseur lorsque la valeur calculée de l'enthalpie H atteint la valeur de l'enthalpie seuil S.
En se référant à la figure 1, qui illustre l'évolution de la température du catalyseur en fonction de la durée de la mise en action dudit catalyseur, pour un type de roulage donné du véhicule, et pour un état de vieillissement donné du catalyseur, la courbe 1 se rapporte à un roulage sportif et la courbe 2 se rapporte à un roulage plus lent. La température correspondant à un roulage sportif augmente plus rapidement que celle qui correspond à un roulage plus lent en raison de l'évacuation d'un plus grand nombre de calories à l'échappement du moteur. Pour une température d'amorçage de catalyseur identique, la durée nécessaire de mise en action est donc plus faible dans le cas d'un roulage sportif que dans le cas d'un roulage plus lent.
D'autre part, la température d'amorçage d'un catalyseur neuf Tamo,neuf est plus basse que la température d'amorçage d'un catalyseur vieilli Tamo,Vieiiii comme il est visible sur l'axe des ordonnées du diagramme de la figure 1. Pour un profil de roulage identique, la durée nécessaire de mise en action est donc plus faible dans le cas d'un catalyseur neuf que dans le cas d'un catalyseur vieilli.
Il résulte de cette double comparaison une hiérarchisation des durées de mise en action corespondant aux quatre cas A,B,C,D suivants représentes sur la figure 1 :
- Cas A : durée de mise en action tA ; cas d'un catalyseur neuf pour un roulage sportif
- Cas B : durée de mise en action tB ; cas d'un catalyseur vieilli pour le même roulage sportif que dans le cas A
- Cas C : durée de mise en action tc ; cas du même catalyseur neuf que dans le cas A pour un roulage lent
- Cas D : durée de mise en action tD ; cas du même catalyseur vieilli que dans le cas A, pour le même roulage lent que dans le cas C
On constate que les inéquations suivantes sont vérifiées :
tA < tB et tc < tD (effet du seul vieillissement du catalyseur) tA < tc et tB < tD (effet du seul profil de roulage)
D'autre part, il s'avère que le vieillissement d'un catalyseur a une influence plus importante sur la durée de la mise en action que le type de profil de roulage, ce qui se traduit par la vérification de l'inéquation : tB < tc, de sorte que la hiérarchie suivante est vérifiée :
tA < tB < tc < tü
De manière non limitative, on peut mettre en œuvre différents types de modification du réglage du moteur pour réaliser ce chauffage du catalyseur.
Par exemple, pour une mise en action très courte (cas A par exemple), on peut se contenter d'augmenter le sur-régime au ralenti. Pour une mise en action un peu plus longue (cas B et C par exemple), on peut ajouter, à l'augmentation du sur-régime qui a lieu uniquement au ralenti, un mode de réglage spécifique du moteur sur l'ensemble de ses points de fonctionnement qui consiste à dégrader l'avance à l'allumahe. Enfin, si la mise en action est vouée à être encore plus longue (cas D par exemple), on peut par exemple au bout d'un certain temps dégrader encore plus le rendement de combustion du moteur, par exemple en retardant l'injection du carburant dans les cylindres, au prix d'une surconsommation accrue. Bien entendu, d'autres choix de réglage peuvent être faits, soit de manière alternative selon la durée de la mise en action, soit de manière combinée, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Procédé de gestion de l'amorçage d'un catalyseur 3 voies placé dans une ligne d'échappement d'un moteur à essence, ledit moteur comprenant des cylindres dotés chacun d'au moins une soupape d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :- Une étape de calcul de l'enthalpie H des gaz d'échappement, permettant de déterminer la quantité de chaleur fournie au catalyseur,- Une étape de détermination d'une valeur de l'enthalpie seuil S signalant l'amorçage du catalyseur,- Une étape d'arrêt de la mise en action du catalyseur lorsque la valeur calculée de l'enthalpie H atteint la valeur de ladite enthalpie seuil S.
- 2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de l'enthalpie s'effectue à partir de l'intégrale temporelle suivante, l'intégration commençant au démarrage du moteur :ΔΗ = I Qech x Cp x Tavt x dtAvec :- Qech =débit massique de gaz à l'échappement [kg/h]- Cp=capacité calorifique des gaz d'échappement [J/kg/K]- Tavt =température des gaz aux soupapes d'échappement [K]
- 3. Procédé de gestion selon la revendication 2, caractérisé en ce que le débit massique de gaz à l'échappement est déterminé au moyen d'un débitmètre.
- 4. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la température des gaz aux soupapes d'échappement est modélisée au préalable par un estimateur issu d'un modèle cartographique qui est fonction du couple et du régime moteur, et qui est corrigé par la température T° d'eau du moteur, par l'avance à l'allumage et par la richesse dans le cylindre.
- 5. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur de l'enthalpie seuil S est fonction de la température d'eau du moteur au démarrage et de l'état de vieillissement du catalyseur.
- 6. Procédé de gestion selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur de l'enthalpie seuil S est égal au produit d'un premier facteur qui est une fonction décroissante de la température d'eau au démarrage du moteur, et d'un deuxième facteur compris entre une valeur positive voisine de 0 et une valeur voisine de 1 et qui dépend de l'état de vieillissement du catalyseur.
- 7. Procédé de gestion selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième facteur tend vers une valeur voisine de 0 lorsque le catalyseur est neuf et tend vers une valeur voisine de 1 lorsque le catalyseur est très vieilli.
- 8. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'état de vieillissement du catalyseur est déterminé à partir de l'amortissement de l'amplitude d'un signal de richesse à l'aval du catalyseur par rapport à l'amplitude d'un signal de richesse à l'amont dudit catalyseur.
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