FR3102211A1 - Procede de calibration de la conversion d'un catalyseur de moteur thermique - Google Patents

Procede de calibration de la conversion d'un catalyseur de moteur thermique Download PDF

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Abstract

La présente invention porte sur un procédé de calibration d'une conversion d'un catalyseur de moteur thermique comportant: - une étape (204) de réalisation de mesures physiques de réponses du catalyseur en fonction de paramètres de variation définis par un régime moteur (N), et/ou une charge moteur (T), et/ou une richesse (Rich) de mélange air/carburant, et/ou une amplitude (A_stim) et une fréquence (F_stim) de stimulation du catalyseur, - une étape (205) d'élaboration d'un modèle (M_cat) des réponses du catalyseur et du moteur thermique en fonction des paramètres de variation, et - une étape (206) d'optimisation numérique de la richesse (Rich) de mélange air/carburant, de l’amplitude (A_stim) et de la fréquence (F_stim) de stimulation du catalyseur par minimisation des réponses modélisées sous contraintes, de façon à obtenir des conditions de fonctionnement optimum de fonctionnement du catalyseur. Figure 4

Description

PROCEDE DE CALIBRATION DE LA CONVERSION D'UN CATALYSEUR DE MOTEUR THERMIQUE
La présente invention porte sur un procédé de calibration de la conversion d'un catalyseur de moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les catalyseurs de moteur conventionnel et hybride de type essence.
Les émissions polluantes des moteurs thermiques équipant les véhicules automobiles sont réglementées par des normes. Les polluants réglementés sont, selon la technologie de moteur thermique considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azote (NOx), et les particules qui sont formées lors de la combustion du carburant dans la chambre de combustion puis émises à l'échappement.
II est connu d'employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d'échappement des moteurs thermiques pour en limiter les émissions de polluants. Ainsi, il est possible d'implanter un catalyseur disposé en amont d'un filtre à particules. Le catalyseur est réalisé à base d'un matériau aux propriétés de stockage réversible d'oxygène en fonction de la richesse des gaz d'échappement. Le catalyseur présente une capacité de stockage en oxygène, dite "OSC" pour "Oxygen Storage Capacity" en anglais. Il permet de stocker l'oxygène lorsque le moteur fonctionne en régime pauvre (rapport air/carburant supérieur à 1) pour le restituer en régime riche (rapport air/carburant inférieur ou égal à 1). Le catalyseur contribue à assurer l'oxydation du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (HC) et la réduction des oxydes d'azote (NOx).
Généralement, le procédé de calibration de la conversion d'un catalyseur consiste à optimiser, sur plusieurs dizaines de points de fonctionnement en régime, en charge, la fenêtre du catalyseur par un balayage en une dimension (1D) de richesse sur la base d’une stimulation de richesse (amplitude, fréquence) unique issue de travaux sur un banc de gaz synthétique.
La stimulation de richesse est ensuite calibrée sur un nombre réduit de points de fonctionnement (une dizaine en moyenne) par balayage 2D en amplitude et en fréquence. La fenêtre du catalyseur doit ensuite être adaptée à ce nouveau réglage car ces paramètres sont fortement dépendants. Ces essais sont reproduits pour deux états de vieillissement, à savoir un catalyseur neuf et un catalyseur usagé représentatif d'un roulage important, par exemple de l'ordre de 160000 km.
Le procédé connu de calibration nécessite plusieurs itérations de mesures physiques, ce qui est long et coûteux à réaliser. En outre, il n'est pas possible de disposer d'une vision continue de la réponse du catalyseur du fait de la prise de mesures discrètes. Les calibrations issues de ce processus peuvent également ne pas être suffisamment robustes, dans la mesure où il existe une forte dépendance à l’essai réalisé et à la dégradation de l’état du catalyseur au cours des essais.
L'invention vise à remédier efficacement à au moins un des inconvénients précités en proposant un procédé de calibration d'une conversion d'un catalyseur de moteur thermique comportant:
- une étape de réalisation de mesures physiques de réponses du catalyseur définies par des émissions de polluants, et/ou une température du catalyseur, et/ou une tension d'une sonde à oxygène aval, et/ou une réponse en stabilité du moteur thermique en fonction de paramètres de variation définis par un régime moteur, et/ou une charge moteur, et/ou une richesse de mélange air/carburant, et/ou une amplitude et une fréquence de stimulation du catalyseur,
- une étape d'élaboration d'un modèle des réponses du catalyseur et du moteur thermique en fonction des paramètres de variation, et
- une étape d'optimisation numérique de la richesse de mélange air/carburant, de l’amplitude et de la fréquence de stimulation du catalyseur par minimisation des réponses modélisées sous contraintes, de façon à obtenir des conditions de fonctionnement optimum de fonctionnement du catalyseur.
L’invention permet ainsi, via l'élaboration du modèle des réponses du catalyseur, de réduire grandement la durée des phases de calibration du catalyseur sur banc d'essai. Le coût global du procédé est donc également réduit. Le modèle selon l'invention permet également de déterminer l’influence des paramètres pour améliorer sensiblement la performance du réglage du catalyseur.
En outre, l'invention permet de disposer d’une base de données sur l’ensemble du champ moteur qui est ré-exploitable, notamment dans le cas où un nouveau compromis de calibration doit être défini. En effet, l’efficacité du catalyseur étant principalement influencée par le débit des gaz d'échappement, la température, et le niveau de richesse et non par la maturité du réglage moteur, cette base de données pourra être réutilisée si le compromis de calibration doit évoluer.
Selon une mise en œuvre, le modèle est de type quadratique.
Selon une mise en œuvre, le modèle est de type neuronal.
Selon une mise en œuvre, l'étape d'optimisation numérique est réalisée via une définition d’une fonction de coût tenant compte d'un poids d'une norme sur chaque polluant.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre une étape de validation sur un banc moteur des conditions optimum de fonctionnement du catalyseur.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre une étape de constat sur un banc à rouleaux permettant de contrôler une performance d'un réglage défini en fonction des conditions optimum de fonctionnement du catalyseur.
Selon une mise en œuvre, préalablement à l'étape de réalisation des mesures physiques, ledit procédé comporte une étape de constat sur un banc à rouleaux permettant de définir un champ moteur à couvrir.
Selon une mise en œuvre, suite à l'étape de constat sur banc à rouleaux, ledit procédé comporte une étape de définition d'un domaine d’étude.
Selon une mise en œuvre, suite à l'étape de définition d'un domaine d’étude, ledit procédé comporte une étape de définition d'une matrice d’essai zonale.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique comportant un catalyseur dont la calibration est effectuée via la mise en œuvre du procédé selon l'invention;
La figure 2 illustre le positionnement de la calibration de la conversion du catalyseur dans un processus de mise au point des fonctions d'un groupe motopropulseur;
La figure 3 est un diagramme des différentes étapes du procédé selon l'invention de calibration de la conversion du catalyseur;
La figure 4 illustre les étapes numériques du procédé selon l'invention de calibration de la conversion du catalyseur découlant des mesures physiques effectuées sur banc d'essai.
La figure 1 représente schématiquement une partie d'une ligne d'échappement 1 collectant les gaz d'échappement d'un moteur thermique 2 équipant un véhicule automobile. La ligne d'échappement 1 comporte un catalyseur 3 disposé en amont d'un filtre à particules 4. Le catalyseur 3 et le filtre à particules 4 sont regroupés dans une même enveloppe 5 se raccordant au reste de la ligne 1 par ses extrémités (la figure ne représente que la moitié de l'enveloppe 5 pour rendre visibles le catalyseur 3 et le filtre à particules 4).
Le catalyseur 3 est réalisé à base d'un matériau aux propriétés de stockage réversible d'oxygène en fonction de la richesse des gaz d'échappement. Le catalyseur 3 présente une capacité de stockage en oxygène, dite "OSC" pour "Oxygen Storage Capacity" en anglais. Il permet de stocker l'oxygène lorsque le moteur 2 fonctionne en régime pauvre (rapport air/carburant supérieur à 1) pour le restituer en régime riche (rapport air/carburant inférieur ou égal à 1). Le catalyseur 3 contribue à assurer l'oxydation du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (HC) et la réduction des oxydes d'azote (NOx). La capacité de stockage en oxygène du catalyseur 3 est un indicateur de son vieillissement car plus le catalyseur 3 vieillit, moins il est capable de stocker de l'oxygène.
La ligne d'échappement 1 est également munie de deux sondes à oxygène 6, 7. Une sonde amont 6 et une sonde aval 7 sont disposées respectivement en amont et en aval du catalyseur 3. Ces sondes 6, 7 de type connu pourront prendre la forme de sondes de type linéaire ou stœchiométrique.
La figure 2 illustre le positionnement de la calibration de la conversion du catalyseur 3 dans un processus de mise au point des fonctions d'un groupe motopropulseur.
Plus précisément, cette figure montre qu'une calibration d'un régulateur de richesse amont ainsi que la calibration du chauffage des sondes à oxygène amont 6 et aval 7 sont effectuées dans une étape 100. L'optimisation de la conversion du catalyseur 3 est effectuée dans une étape ultérieure 101. Puis une calibration de la purge du catalyseur 3 est effectuée dans une étape 102. Des tests sur banc à rouleaux (cf. étape 103) sont réalisés pour valider les étapes 101 et 102.
On rappelle qu'un banc à rouleaux est un système physique permettant de mettre le véhicule comportant le moteur thermique 2 et son catalyseur 3 en conditions d'utilisation paramétrables et contrôlées afin d'observer et mesurer leur comportement. Un banc moteur dont il sera question également ci-après est un système physique permettant de mettre le moteur thermique 2 et son catalyseur 3 en conditions d'utilisation paramétrables et contrôlées afin d'observer et mesurer leur comportement.
On décrit ci-après, en référence avec les figures 3 et 4, le procédé selon l'invention de calibration de la conversion du catalyseur 3. La figure 4 regroupe dans le cadre C1 les étapes physiques du procédé et dans le cadre C2 les étapes numériques du procédé.
Ce procédé comporte une étape 201 de constat sur banc à rouleaux permettant de définir le champ moteur Ch_mth à couvrir, contrôler la maturité des prérequis, et définir un état de référence.
Ensuite, un domaine d’étude et une matrice d’essai zonale basée sur des points d'essai sont définis respectivement dans une étape 202 et 203. Le domaine d'étude comprend le champ moteur Ch_mth défini par le régime N et la charge T du moteur thermique 2 à partir d'un cycle moteur, tel que montré sur la figure 4. D'autres paramètres de variation du domaine d'étude sont définis par un régime moteur N, une charge moteur T, une richesse Rich de mélange air/carburant, une amplitude A_stim et une fréquence F_stim de stimulation du catalyseur 3. L'amplitude A_stim et la fréquence F_stim de la stimulation correspondent à une consigne de richesse évoluant respectivement en amplitude et en fréquence.
Dans une étape 204, on réalise des mesures physiques sur banc moteur de réponses du catalyseur 3 définies par des émissions de polluants Em_poll, et/ou une température T_cat du catalyseur 3, et/ou une tension de sonde aval V_av, et/ou une réponse en stabilité R_stab du moteur thermique 2 en fonction des paramètres de variation précédemment définis par le régime moteur N, et/ou la charge moteur T, et/ou la richesse Rich de mélange air/carburant, et/ou l'amplitude A_stim et la fréquence F_stim de stimulation du catalyseur 3.
Un modèle M_cat des réponses du catalyseur 3 et du moteur thermique 2 en fonction des paramètres de variation est élaboré dans une étape 205. Le modèle M_cat pourra être de type quadratique ou neuronal. La performance du modèle M_cat pourra être appréciée en effectuant une corrélation entre les prédictions V_pred issues du modèle M_cat et les mesures physiques effectuées V_mes (cf. courbe C_corr de la figure 4). Par exemple, le point P correspond respectivement à une valeur mesurée Vmes de 800ppm pour une émission de CO et à une valeur inférieure de l'ordre de 680ppm fournie par le modèle.
On effectue ensuite, au cours d'une étape 206, une optimisation numérique de la richesse Rich de mélange air/carburant, de l’amplitude A_stim et de la fréquence F_stim de stimulation du catalyseur 3 par minimisation des réponses modélisées sous contraintes, de façon à obtenir des conditions de fonctionnement optimum de fonctionnement du catalyseur 3. L'optimisation numérique est de préférence réalisée via la définition d’une fonction de coût tenant compte d'un poids d'une norme sur chaque polluant.
Les quatre courbes de droite de la figure 4 illustrent par exemple la possibilité d'optimisation du paramètre de richesse Rich afin d'obtenir le meilleur compromis en ce qui concerne la température du catalyseur T_cat, les émissions de monoxyde de carbone Em_CO, les émissions d'oxydes d'azote Em_NOx, la stabilité du moteur thermique R_stab. Les autres paramètres peuvent être optimisés de façon analogue pour les mêmes ou d'autres réponses du catalyseur 3.
On pourra valider ensuite, dans une étape 207, sur banc moteur les conditions optimum de fonctionnement du catalyseur 3.
Enfin, une étape 208 de constat au banc à rouleaux permet de contrôler une performance d'un réglage défini en fonction des conditions optimum de fonctionnement du catalyseur 3.

Claims (9)

  1. Procédé de calibration d'une conversion d'un catalyseur (3) de moteur thermique (2) caractérisé en ce qu'il comporte:
    - une étape (204) de réalisation de mesures physiques de réponses du catalyseur (3) définies par au moins un paramètre parmi des émissions de polluants (Em_poll), une température (T_cat) du catalyseur (3), une tension de sonde aval (V_av), une réponse en stabilité (R_stab) du moteur thermique (2) en fonction de paramètres de variation définis parmi un régime moteur (N), une charge moteur (T), une richesse (Rich) de mélange air/carburant, une amplitude (A_stim) et une fréquence (F_stim) de stimulation du catalyseur (3),
    - une étape (205) d'élaboration d'un modèle (M_cat) des réponses du catalyseur (3) et du moteur thermique (2) en fonction des paramètres de variation, et
    - une étape (206) d'optimisation numérique de la richesse (Rich) de mélange air/carburant, de l’amplitude (A_stim) et de la fréquence (F_stim) de stimulation du catalyseur (3) par minimisation des réponses modélisées sous contraintes, de façon à obtenir des conditions de fonctionnement optimum de fonctionnement du catalyseur (3).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle (M_cat) est de type quadratique.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle (M_cat) est de type neuronal.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape (206) d'optimisation numérique est réalisée via une définition d’une fonction de coût tenant compte d'un poids d'une norme sur chaque polluant.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape (207) de validation sur un banc moteur des conditions optimum de fonctionnement du catalyseur (3).
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape (208) de constat sur un banc à rouleaux permettant de contrôler une performance d'un réglage défini en fonction des conditions optimum de fonctionnement du catalyseur (3).
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, préalablement à l'étape (204) de réalisation des mesures physiques, ledit procédé comporte une étape (201) de constat sur un banc à rouleaux permettant de définir un champ moteur (Ch_mth) à couvrir.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que suite à l'étape (201) de constat sur banc à rouleaux, ledit procédé comporte une étape (202) de définition d'un domaine d’étude.
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que suite à l'étape de définition (202) d'un domaine d’étude, ledit procédé comporte une étape (203) de définition d'une matrice d’essai zonale.
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