FR3103217A1 - Procede de purge optimise d’un piege a oxydes d’azote - Google Patents

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote (1) disposé dans une ligne d’échappement (2) d’un moteur à combustion interne (3). Le procédé comprend :- une étape d’identification (E100) d’un besoin de purge du piège à NOx;- une étape de collecte (E200) d’au moins un paramètre physique du piège à NOx, si à l’issue de ladite étape d’identification, un besoin de purge est identifié;- une étape de choix (E300) du type de purge entre une purge à richesse constante et une purge à richesse variable; et- une étape d’application (E400) du type de purge choisi. La présente invention concerne également un dispositif mettant en œuvre le procédé de purge. Figure pour l'abrégé : Figure 3

Description

PROCEDE DE PURGE OPTIMISE D’UN PIEGE A OXYDES D’AZOTE
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un procédé de purge optimisé d’un piège à oxydes d’azote (NOx). L’invention concerne également un dispositif de mise en œuvre d’un tel procédé de purge.
Arrière-plan technique
Les nouvelles normes de dépollution dans le domaine des véhicules automobiles sont devenues de plus en plus strictes, notamment, avec la baisse du seuil admis pour les émissions de gaz polluants.
Afin de satisfaire à ces nouvelles normes, des dispositifs de post-traitement des gaz d’échappement de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d’échappement.
Parmi ces dispositifs, il est connu d’utiliser des pièges à oxydes d’azote, appelé «NOx trap» en anglais, dans la ligne d’échappement, pour piéger les oxydes d’azote (NOx) et répondre ainsi aux normes de dépollution en vigueur. Dans le contexte de la présente invention, les oxydes d’azote (NOx) désignent un mélange de monoxyde d’azote (NO) et dioxyde d’azote (NO2).
Il est connu qu’un piège à NOx comprend un support imprégné d’une phase active dénommée «Wash-Coat» en anglais. Cette phase active est composée d’une part de métaux précieux du groupe du platine (Platine, Palladium, Rhodium) qui permettent la catalyse des réactions d’oxydation et de réduction, et d’autre part d’oxydes de métaux permettant la stabilisation des métaux précieux et le stockage ou le déstockage d’oxygène.
Lors d’un fonctionnement du moteur en mélange air-carburant pauvre, grâce aux métaux précieux, le piège à NOx stocke une partie des molécules d’oxydes d’azote (NOx) émises par le moteur avec une certaine efficacité, c’est-à-dire selon une certaine proportion par rapport à la quantité totale d’oxydes d’azote (NOx) émise dans les gaz de combustion du moteur en amont du piège.
L’efficacité de stockage du piège à NOx diminue au fur et à mesure qu’il se charge en oxydes d’azote (NOx).
Lorsque l’efficacité du piège à NOx atteint un seuil inférieur de valeur d’efficacité, on réalise une purge du piège à NOx pour le vider de la masse de NOx accumulée et restaurer ainsi sa capacité de stockage et son efficacité. Concrètement, la purge du piège à NOx est réalisée par un basculement du fonctionnement du moteur en mélange air-carburant riche. Le moteur fonctionne désormais selon un mode de fonctionnement de régénération à mélange air-carburant riche pendant lequel des réducteurs sont apportés dans les gaz d’échappement sous la forme de carburant imbrûlé, pour transformer les oxydes d’azote (NOx) stockés dans le piège à NOx en molécules inoffensives, notamment en molécules de diazote (N2) et en molécules d’eau (H20).
De manière générale, la purge du piège à NOx est réalisée avec une richesse du mélange d’air et de carburant constante et strictement supérieure à 1, et de préférence égale à 1,05. Cette purge est encore appelée purge à richesse constante.
Dans les procédés de purge existants de l’état de la technique, la Demanderesse constate qu’un seul type de purge, notamment la purge à richesse constante présentée ci-dessus, est appliqué au piège à NOx, quelle que soient son état d’oxydation et sa température interne, et quel que soit le régime du moteur.
Ceci présente un inconvénient que la purge ne sera pas totalement efficace.
Par exemple, dans le cas l’usure du piège à NOx, les réducteurs apportés par le mode de fonctionnement, dit «riche», du moteur servent en premier lieu à désoxyder des métaux précieux du piège à NOx. Il ne reste donc pas suffisamment de réducteurs, voire pas du tout de réducteurs pour traiter les oxydes d’azote (NOx) stockés dans les métaux précieux, principalement sur le Barium. En d’autres termes, le taux de réduction des oxydes d’azote (NOx) diminue à cause de l’oxydation des métaux précieux dans le piège à NOx.
Ici, on entend par usure du piège à NOx le vieillissement des métaux précieux contenus dans le piège à NOx à cause de l’oxydation de ces métaux.
La même inefficacité de la purge est également possible dans le cas où la température interne du piège à NOx est basse. En effet, à faible température, la purge peut durer longtemps, par exemple plus de 20 secondes, sans apporter une efficacité de purge, car dans ce cas, seule une désorption, et non pas une réduction, des oxydes d’azote (NOx) se produit.
Pour que la qualité de purge soit efficace, il est nécessaire que les températures soient au-dessus d’une valeur de seuil de réaction, par exemple au-dessus de 200°C-230°C à des débits d’échappement correspondant à un roulage en conditions urbaines.
Compte tenu de ce qui précède, un objectif de l’invention est de proposer une solution de purge du piège à NOx plus efficace en prenant en compte l’état dudit piège.
Avec cet objectif en vue, un premier objet de l’invention concerne un procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote, dit piège à NOx, disposé dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne.
Selon l’invention, le procédé comprend:
- une étape d’identification d’un besoin de purge du piège à NOx;
- une étape de collecte d’au moins un paramètre physique du piègeà NOx, si à l’issue de ladite étape d’identification, un besoin de purge est identifié;
- une étape de choix du type de purge; et
- une étape d’application du type de purge choisi.
Dans ce procédé, l’étape de choix du type de purge sélectionne une purge parmi :
- une purge à richesse constante pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est constante et strictement supérieure à 1, et
- une purge à richesse variable qui comprend au moins une phase pauvre pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement inférieure à 1, et au moins une phase riche pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement supérieure à 1, la phase pauvre et la phase riche se succédant, et lorsqu’il y a au moins deux phases riches, la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche considérée étant strictement supérieure à la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche précédant la phase riche considérée.
La solution proposée permet de résoudre les problèmes précités. En particulier, le procédé de purge tient compte des paramètres physiques du piège à NOx au moment où un besoin de purge est identifié. La considération des paramètres physiques du piège à NOx permet de choisir de façon optimale le type de purge adapté à l’état du piège. Par exemple, les paramètres physiques à prendre en compte peuvent être la température interne et l’état d’oxydation des métaux précieux du piège à NOx. De cette manière, l’efficacité de la purge est améliorée, car on applique la purge correspondant à l’état du piège en se basant sur les paramètres physiques du piège.
Par ailleurs, on peut choisir entre une purge à richesse constante et une purge à richesse variable. Le nombre de choix est limité, ce qui offre une simplicité dans l’exécution du procédé tout en ayant une efficacité de traitement des oxydes d’azote (NOx).
Suivant des modes de réalisation préférés, l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes qui peuvent être utilisées séparément ou en combinaison partielle entre elles ou en combinaison totale entre elles.
Par exemple, l’étape d’identification d’un besoin de purge comprend :
- une sous-étape d’acquisition de la concentration en oxydes d’azote, NOx, en amont et en aval du piège à NOx;
- une sous-étape de traitement des données représentatives de la concentration en oxydes d’azote, NOx, obtenues à l’issue de ladite sous-étape d’estimation.
Selon le paragraphe précédent, ladite sous-étape de traitement comprend un calcul d’un paramètre représentatif du niveau de stockage du piège à NOx et une comparaison dudit paramètre avec une valeur de référence, et dans lequel en fonction du résultat de ladite comparaison, un besoin de purge est identifié et l’étape de choix du type de purge est réalisée.
A titre d’exemple, le paramètre représentatif du niveau de stockage du piège à NOx est la masse d’oxydes d’azote (NOx) stockée dans le piège à NOx. Alternativement ou en complément avec la caractéristique précédente, le paramètre représentatif du niveau de stockage est l’efficacité de stockage calculée à partir de la concentration en oxydes d’azote (NOx) en amont et en aval du piège à NOx.
Selon un exemple de réalisation de l’invention, l’étape de collecte comprend une sous-étape de mesure de la température interne et/ou une sous-étape de diagnostic d’oxydation du piège à NOx. En effet, comme expliqué précédemment, l’état d’oxydation et la température interne du piège ont un impact sur le taux de transformation des oxydes d’azote stockés dans le piège. En connaissant au moins un de ces deux paramètres, on peut choisir le type de purge correspondant afin d’améliorer l’efficacité de traitement des oxydes d’azote du piège.
A titre d’exemple, pour réaliser le diagnostic d’oxydation, on peut se référer à la méthode décrite dans le document FR-A1-2866926.
La température interne du piège à NOx peut être obtenue soit à partir d’un capteur de température disposé à l’intérieur du piège soit à partir d’un modèle d’estimation utilisant la température à l’entrée et à la sortie du piège à NOx.
Selon un exemple de réalisation de l’invention, l’étape de choix du type de purge comprend :
- une sous-étape d’étude dudit au moins un paramètre physique du piège à NOx collecté ; et
- une sous-étape de décision en fonction du résultat de ladite sous-étape d’étude.
Selon le paragraphe précédent, ladite sous-étape d’étude comprend :
- une première vérification d’une première condition selon laquelle la température interne du piège à NOx est inférieure à une température de référence; et/ou
- une deuxième vérification d’une deuxième condition selon laquelle le piège à NOx est en état oxydé
Selon un exemple de réalisation de l’invention et selon le paragraphe précédent, ladite sous-étape de décision comprend une sélection de la purge à richesse variable lorsqu’au moins une condition parmi la première condition et la deuxième condition est satisfaite, ou une sélection de la purge à richesse constante lorsqu’aucune condition parmi la première condition et la deuxième condition n’est satisfaite.
Autrement dit, lorsque la température interne du piège est inférieure à une valeur seuil de réaction et/ou lorsque l’oxydation des métaux précieux du piège est détectée, la purge à richesse variable est exécutée. Dans l’exemple où la purge à richesse variable comprend plusieurs phases riches et où le piège à NOx est oxydé, la première phase riche permet de désoxyder les métaux précieux et de faire augmenter la température interne du piège de façon homogène tandis que la deuxième phase riche permet de traiter efficacement les oxydes d’azote stockés dans le piège. La phase pauvre intercalée entre deux phases riches consécutives permet d’homogénéiser la température à l’intérieur du piège afin d’assurer un traitement uniforme des oxydes d’azote dans tout le piège. Le critère d’homogénéité peut se traduire par exemple par un écart de 30°C entre la température en amont du piège et la température en aval du piège.
La purge à richesse constante selon l’invention améliore donc la qualité de purge du piège, c’est-à-dire que le carburant utilisé vide effectivement le piège à NOx de tous ses oxydes d’azote, quelle que soit la condition du piège.
Dans un exemple de réalisation, l’étape d’application du type de purge choisi est maintenue tant que la masse d’oxydes d’azote, NOx, du piège à NOx est supérieure à une limite inférieure ou que la durée de ladite étape d’application est inférieure à un temps maximum de purge (tmax). De cette manière, quelle que soit la purge appliquée, la durée de la purge est limitée de sorte que la purge reste imperceptible vis-à-vis du conducteur, ce qui permet d’éviter de perturber celui-ci pendant la conduite et donc de garantit un confort de conduite. La durée de la purge est également limitée pour permettre au fonctionnement du moteur de revenir en mélange pauvre si le signal de fin de purge, généralement donné par un basculement en riche du signal d’une sonde à oxygène en aval du piège, correspondant à la détection de l’arrivée de réducteurs en aval du piège, n’est pas clairement identifié.
Un deuxième objet de l’invention concerne un dispositif de mise en œuvre d’un procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote, dit piège à NOx, disposé dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne. Selon un exemple, ledit procédé comprend:
- une étape d’identification d’un besoin de purge du piège à NOx;
- une étape de collecte des paramètres physiques du piège à NOx, si à l’issue de ladite étape d’identification, un besoin de purge est identifié;
- une étape de choix du type de purge ; et
- une étape d’application du type de purge choisi;
Dans ledit procédé, l’étape de choix du type de purge sélectionne une purge parmi :
- une purge à richesse constante pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est constante et strictement supérieure à 1, et
- une purge à richesse variable qui comprend au moins une phase pauvre pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement inférieure à 1, et au moins une phase riche pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement supérieure à 1, la phase pauvre et la phase riche se succédant, et lorsqu’il y a au moins deux phases riches, la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche considérée étant strictement supérieure à la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche précédant la phase riche considérée.
Selon l’invention, le dispositif comprend:
- un calculateur;
- des moyens pour identifier le besoin de purge du piège à NOx;
- des moyens pour collecter les paramètres physiques du piège à NOx;
- des moyens pour choisir le type de purge ; et
- des moyens pour appliquer le type de purge choisi.
Un tel dispositif peut donc réaliser un procédé de purge efficace qui prend en compte les caractéristiques du piège à NOx au moment où une purge devient nécessaire pour déstocker le piège à NOx.
Selon une option de l’invention, les différents moyens du dispositif peuvent partager les mêmes composants élémentaires. Par exemple, ces mêmes composants peuvent être des capteurs d’un paramètre défini ou des modèles de simulation pour obtenir ledit paramètre.
Un autre objet de l’invention concerne une ligne d’échappement comprenant un dispositif selon l’invention. Un dernier objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement selon l’invention.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels:
– la figure 1 représente de manière schématique un moteur à combustion interne suivie d’une ligne d’échappement équipée d’un piège à NOx selon un mode de réalisation de l’invention; la figure 1 représente également un dispositif mettant en œuvre un procédé de purge du piège à NOx selon un mode de réalisation de l’invention;
– la figure 2 représente de manière schématique un exemple de réalisation de l’architecture du dispositif de la figure 1; ledit dispositif interagit avec des ensembles de capteurs et d’autres éléments de la ligne d’échappement et du moteur ;
– la figure 3 représente de manière schématique les étapes du procédé de purge selon un mode de réalisation de l’invention;
– la figure 4 représente de manière schématique une étape d’identification du besoin de purge, ladite étape faisant partie du procédé de la figure 3;
– la figure 5 représente de manière schématique une étape de collecte d’au moins un paramètre physique du piège à NOx, ladite étape faisant partie du procédé de la figure 3;
– la figure 6 représente de manière schématique une étape de choix du type de purge, ladite étape faisant partie du procédé de la figure 3;
– la figure 7 représente de manière schématique une sous-étape d’étude d’un paramètre physique collecté du piège à NOx, ladite sous-étape faisant partie de l’étape de choix du type de purge de la figure 6;
– la figure 8 est un graphique représentant la richesse du mélange air-carburant en fonction du temps pendant une purge à richesse variable selon un exemple de réalisation de l’invention;
- la figure 9 est un graphique représentant la relation entre la richesse du mélange air-carburant et la température interne du piège à NOx.
Description détaillée de l'invention
Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence.
La figure 1 représente un moteur à combustion interne 3 qui est illustré ici de manière non limitative sous la forme d’un moteur à quatre cylindres en ligne. Il peut être du type à allumage par compression (diesel) ou du type à allumage commandé (essence). Le moteur 3 comprend une rampe d’injection 30 d’air et de carburant.
Le moteur 3 fonctionne soit selon un mode de fonctionnement en mélange air-carburant pauvre, dit mode de fonctionnement pauvre, soit selon un mode de fonctionnement en mélange air-carburant riche, dit mode de fonctionnement riche.
Le moteur 3 est suivi d’une ligne d’échappement 2 des gaz de combustion du moteur, encore appelé gaz d’échappement du moteur. Dans l’exemple illustré, la ligne d’échappement 2 comprend trois dispositifs de dépollution 1, 5 et 4.
Le premier dispositif de dépollution 1 est un piège à NOx 1. Le deuxième dispositif de dépollution 5 est un filtre à particules 5. Ici, le filtre à particules 5 est disposé immédiatement derrière le piège à NOx 1 de manière à former un bloc 6. Ainsi, le bloc 6 regroupant le filtre à particules 5 et le piège à NOx 1 a pour double fonction de traiter les particules de suies présentes dans les gaz de combustion du moteur, et de réduire la quantité des oxydes d’azote (NOx) également présents dans les gaz de combustion.
Pendant le mode de fonctionnement pauvre du moteur 3, le piège à NOx 1 stocke d’oxydes d’azote (NOx). Pendant le mode de fonctionnement riche du moteur 3, le piège à NOx 1 est purgé de sorte que les oxydes d’azote (NOx) stockés sont réduits en diazote (N2) et en eau (H20). La capacité de stockage du piège à NOx 1 est dont restaurée.
Le troisième dispositif de dépollution 4 est un catalyseur de réduction sélective des oxydes azotes, encore appelé catalyseur SCR. Dans cet exemple, le catalyseur SCR 4 est placé en aval du piège à NOx 1 et du filtre à particules 5, et de manière distancée de ceux-ci.
Dans le présent document, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d’écoulement des gaz d’échappement dans la ligne d’échappement.
Le catalyseur SCR 4 réduit de manière continue les molécules d’oxydes d’azote (NOx) qui n’ont pas été traitées par le piège à NOx 1 en molécules inoffensives, telles que du diazote (N2) et de l’eau (H20). Un injecteur 35 est implanté devant l’entrée du catalyseur SCR 4 afin de lui apporter de l’urée liquide (Adblue®) qui est un réducteur des oxydes d’azote (NOx) et afin de mélanger l’urée liquide ((Adblue®) aux gaz avant leur introduction dans le catalyseur SCR.
En outre, la ligne d’échappement 2 est équipée de plusieurs capteurs placés à différents endroits.
Dans l’exemple illustré, ces capteurs, cités dans l’ordre de l’amont vers l’aval de la ligne d’échappement, sont:
- un capteur de débit du gaz d’échappement C4, encore appelé débitmètre C4, placé à une sortie d’échappement du moteur 3;
- en amont du piège à NOx 1 ou ici, plus précisément, devant l’entrée du bloc 6, on a:
- un capteur de concentration en oxydes d’azote (NOx) C11 placé, ledit capteur étant ci-après appelé capteur de NOx amont C11;
- un capteur de température amont C21;
- une sonde à oxygène amont C31 mesurant le taux d’oxygène dans les gaz d’échappement en amont du piège;
- en aval du piège à NOx 1 ou ici, plus précisément après la sortie du bloc 6, on a:
- un capteur de concentration en oxydes d’azote (NOx) C12, ci-après appelé capteur de NOx aval C12;
- un capteur de température aval C22; et
- une sonde à oxygène aval C32 mesurant le taux d’oxygène dans les gaz d’échappement en aval du piège.
La fonction du capteur de NOx amont C11 est de mesurer la concentration en oxydes d’azotes (NOx) dans les gaz d’échappement sortant du moteur.
La fonction du capteur de NOx aval C12 est de mesurer la concentration en oxydes d’azotes (NOx) sortant du piège à NOx. Dans un autre exemple de réalisation, cette concentration en oxydes d’azotes (NOx) en amont du piège à NOx 1 peut être estimée par un modèle de calcul en fonction d’un ensemble de paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, notamment de son régime, de la charge et de la température de liquide de refroidissement.
Dans un exemple de réalisation de l’invention, la ligne d’échappement 2 peut être équipée à la fois des capteurs de NOx amont et aval et d’un modèle de calcul numérique permettant de connaître la concentration en oxydes d’azote lorsque les capteurs de NOx ne sont pas encore opérationnels.
Les capteurs de température amont et aval C21 et C22 servent à déterminer la température interne Tint du piège à NOx 1. A titre d’exemple, la température interne du piège peut être estimée comme la moyenne de la température mesurée en amont du piège et de la température mesurée en aval du piège. Alternativement, la température interne peut être obtenue par un modèle thermique issu au moins de la température mesurée en amont du piège.
La sonde amont C31 et la sonde aval C32 sont utilisées pour déterminer les instants de début et de fin de la purge, donc la durée de la purge. De manière connue en soi, la purge débute à l’instant où le signal de la sonde à oxygène amont C31 bascule en riche, ce qui signale l’arrivée de réducteurs dans le piège, et elle se termine quand la sonde à oxygène aval C32 bascule à son tour en riche, ce qui signifie que les réducteurs envoyés dans le piège à oxydes d’azote se retrouvent désormais à l’aval du piège, faute d’y être consommés par des NOx présents dans le piège.
La sonde aval C32 est sensible à la quantité d’oxygène présente dans les gaz sortant du bloc 6, donc du piège à NOx.
Les sondes C31 et C32 sont de préférence des sondes proportionnelles. Toutefois la sonde aval peut être de type tout ou rien, signalant seulement un état riche ou pauvre des gaz à l’aval du piège, ce qui est suffisant pour signaler la fin de la purge.
Comme illustré sur la figure 1, les organes de mesure situés à la sortie du bloc 6, à savoir le capteur de NOx aval C12, le capteur de température aval C22 et la sonde C32, peuvent être implantés juste après la sortie du piège à NOx, entre le piège à NOx 1 et le filtre à particules 5.
Les données acquises par les capteurs cités précédemment sont envoyées à un dispositif 10 permettant de mettre en œuvre la purge du piège à NOx 1.
En fonction des données remontées par les capteurs, le dispositif 10 envoie des commandes, ici, à la rampe d’injection 30 afin de commander un basculement du mode de fonctionnement riche vers le mode de fonctionnement pauvre, ou du mode de fonctionnement pauvre vers le mode de fonctionnement riche. Ce basculement consiste en une modification du rapport entre la quantité d’air et de carburant.
Le procédé de purge et le rôle de chaque élément physique dans l’exécution du procédé seront détaillés plus tard dans la description.
La figure 2 représente un exemple de réalisation de l’architecture du dispositif 10.
Dans cet exemple, le dispositif 10 comprend une unité de contrôle 20, encore appelée calculateur 20 qui communique avec les capteurs cités précédemment.
Les capteurs sont organisés en trois ensembles de capteurs C1i, C2j, C3k par rapport au paramètre mesuré par chacun de ces ensembles. Le premier ensemble de capteurs C1i regroupe les capteurs de NOx amont et aval C11, C12. Le deuxième ensemble de capteurs C2j regroupe les capteurs de température amont et aval C21, C22. Enfin, le troisième ensemble de capteurs C3k regroupe les sondes à oxygène amont et aval C31 et C32.
Le calculateur 20 comprend en outre un ensemble 50 de portes d’entrée 51 à 54 pour l’acquisition des données des ensembles de capteurs C1i, C2j, C3k.
Plus précisément, la première porte d’entrée 51 est destinée à recevoir les données du premier ensemble de capteurs C1j. La deuxième porte d’entrée 52 est destinée à recevoir les données du deuxième ensemble de capteurs C2k. La troisième porte d’entrée 53 est destinée à recevoir les données du troisième ensemble de capteurs C3k. Enfin, la quatrième porte d’entrée 54 reçoit les données du débitmètre C4.
Le calculateur 20 comprend également une porte de sortie 90 qui transmet des commandes du calculateur 40 vers la rampe d’injection 30.
En outre, le calculateur 20 comprend un processeur 60, des mémoires 70 et des moyens de gestion de temporisation 80. Le processeur 60 traite des informations stockées dans les mémoires 70 et faire exécuter des instructions stockées également dans les mémoires 70.
Les mémoires 70 peuvent stocker les informations telles que:
- une température de référence Tref;
- les températures T1 et T2 mesurées respectivement par le capteur de température amont C21 et par le capteur de température aval C22;
- les mesures de concentration en oxydes d’azote (NOx) en amont et en aval du piège à NOx fournies respectivement ici par le capteur de NOx amont C11 et le capteur de NOx aval C12;
- un niveau de stockage seuil S,
- le taux d’oxygène, respectivement en amont et en aval du piège, mesuré par la sonde à oxygène amont C31 et par la sonde à oxygène aval C32; ainsi que
- des instructions exécutables par le processeur 60 et correspondant aux étapes du procédé de purge.
Les moyens de gestion de temporisation 80 peuvent ici coopérer avec les portes d’entrée 51 à 54 de manière à permettre l’acquisition des données à des instants différents, lesdits instants étant espacés d’un pas de temps régulier. Les moyens de gestion de temporisation 80 peuvent aussi coopérer avec le processeur 60 et les mémoires 70 pour effectuer des calculs périodiquement. Enfin, les moyens de gestion de temporisation 80 peuvent communiquer avec la porte de sortie 90 pour faire respecter la durée des phases de purge.
Le calculateur 20 comprend enfin les moyens de circulation d’informations B, encore appelés «bus» en anglais, permettant la communication entre les éléments du calculateur 20 entre eux.
Le dispositif 10 décrit précédemment met en place un procédé de purge optimisé afin d’améliorer l’efficacité de la purge du piège à NOx en prenant en compte des paramètres physiques, autrement dit de l’état du piège, au moment où une purge est nécessaire pour déstocker les NOx du piège.
Un exemple de réalisation du procédé de purge est illustré sur les figures 3 à 7.
Le procédé de purge comprend une étape d’identification E100 d’un besoin de purge du piège à NOx 1. A l’issue de cette étape, on peut savoir si le piège à NOx atteint un niveau de stockage maximum rendant une purge nécessaire afin d’éliminer des oxydes d’azote (NOx) du piège, et ainsi de restaurer la capacité de stockage en oxydes d’azote (NOx) du piège.
Un exemple de l’étape d’identification E100 est illustré sur la figure 4. Ici, l’étape d’identification E100 comprend une sous-étape d’acquisition E110 de la concentration en oxydes d’azote (NOx) en amont et en aval du piège à NOx 1. Pendant cette sous-étape d’acquisition E110, on récupère les données fournies par les capteurs de NOx amont et aval C11 et C12. Ces données sont représentatives de la concentration en oxydes d’azote (NOx) en amont et en aval du piège à NOx 1. La récupération des données comprend un envoi de ces données des capteurs de NOx amont et aval C11 et C12 au calculateur 20 via la porte d’entrée 51 et un stockage de ces données dans la mémoire 70.
Ensuite, l’étape d’identification E100 réalise une sous-étape de traitement E120 des données acquises lors de la sous-étape E110.
Pendant cette sous-étape de traitement E120, on réalise un calcul E121 d’un paramètre représentatif du niveau de stockage du piège à partir des concentrations en oxydes d’azote (NOx) acquises en amont et en aval du piège à NOx 1.
Selon un exemple de réalisation, ce paramètre peut être l’efficacité E1 du piège obtenue à partir de la formule suivante:
avec [NOx]in étant la concentration en oxydes d’azote mesurée en amont du piège à NOx;
et [NOx]out étant la concentration en oxydes d’azote mesurée en aval du piège à NOx.
Alternativement, le paramètre représentatif du niveau de stockage du piège peut être la masse M1 en oxydes d’azote stockée dans le piège depuis la dernière purge qui l’a vidé. La masse M1 peut être obtenue à partir de la formule suivante:
avec Qech est le débit des gaz d’échappement [NOx]in est la concentration en oxydes d’azote (NOx) en amont du piège à NOx, et [NOx]out est la concentration en oxydes d’azote (NOx) en aval du piège à NOx.
Une fois que l’on obtient la valeur du paramètre indiquant le niveau de stockage du piège, on compare cette valeur à une valeur de référence S pendant une opération de comparaison E122. Dans le cas de l’efficacité E1, on compare l’efficacité E1 avec une efficacité de référence Eref. En revanche, dans le cas de la masse d’oxydes d’azote stockée M1, on la compare avec une masse de référence Mref.
L’opération de calcul E121 du paramètre représentatif du niveau de stockage du piège et l’opération E120 sont ici réalisées par le microprocesseur 60 en utilisant les données sauvegardées dans la mémoire 70.
Le résultat de la comparaison va déterminer la suite du procédé de purge. Dans l’exemple où le niveau de stockage est représenté par l’efficacité E1, et où l’efficacité E1 est inférieure ou égale à l’efficacité de référence Eref, le calculateur 20 commande la réalisation d’une étape de collecte E200 d’au moins un paramètre physique du piègeà NOx 1. De même, lorsque le niveau de stockage est représenté par la masse d’oxydes d’azote stockée M1, et lorsque la masse M1 est supérieure ou égale à la masse de référence Mref, l’étape de collecte E200 est déclenchée.
En d’autres termes, un besoin de purge est confirmé lorsque l’efficacité E1 est inférieure ou égale à l’efficacité de référence Eref ou lorsque la masse d’oxydes d’azote stockée M1 est supérieure ou égale à la masse de référence Mref.
Au contraire, si l’efficacité E1 est supérieure à l’efficacité de référence Eref, ou si la masse M1 est inférieure à la masse de référence Mref, il n’est pas nécessaire de purger le piège. Donc, en absence du besoin de purge, le calculateur 20 commande la réalisation d’une étape de réinitialisation E000 afin de recommencer l’étape d’identification E100.
Le premier ensemble de capteurs C1i, la première porte d’entrée 51, le microprocesseur 60 et la mémoire 70 participent à la réalisation de l’étape d’identification E100. Ces éléments font donc partie des moyens permettant d’identifier le besoin de purge du piège à NOx 1.
Si un besoin de purge est confirmé, l’étape de collecte E200 d’au moins un paramètre physique du piège à NOx est réalisée.
Dans l’exemple illustré, l’étape de collecte E200 a pour but d’estimer la température interne Tint du piège à NOx et de déterminer si le piège à NOx est oxydé. Pour ce faire, pendant l’étape de collecte E200, on estime la température interne Tint du piège à partir de la température en amont T1 et la température en aval T2 du piège, par exemple en prenant la moyenne des deux températures T1 et T2.
Cette sous-étape d’estimation E210 de la température interne Tint du piège est réalisée par le microprocesseur 60 en utilisant les températures T1 et T2 mesurées respectivement par les capteurs de température C21 et C22 et sauvegardées dans la mémoire 70.
A la suite ou en parallèle de la sous-étape d’estimation E210, on réalise une sous-étape de diagnostic d’oxydation E220 du piège à NOx 1. Sur la figure 5, les sous-étapes d’estimation et de diagnostic d’oxydation E210 et E220 sont représentées selon un ordre séquentiel, l’une à la suite de l’autre. Toutefois, ces deux étapes peuvent être exécutées en parallèle, l’une en même temps que l’autre.
Selon un exemple de réalisation prévu dans la demande de brevet FR1907461 de la Demanderesse, la sous-étape de diagnostic d’oxydation E220 comprend une mesure du débit d’oxygène présent dans les gaz d’échappement en amont du piège au moyen du débitmètre C4 et de la sonde à oxygène amont C31. Ensuite, pendant ladite sous-étape E220, on détermine une valeur d’un critère d’oxydation du piège en fonction de la température interne Tint du piège et du débit d’oxygène en amont du piège depuis le dernier traitement du piège, à partir d’une cartographie d’iso-oxydation à trois dimensions dont les deux entrées sont la température et le débit et la sortie le niveau d’oxydation.
Dans le cas où le niveau d’oxydation atteint une durée seuil maximale, on commande de préférence un déstockage en soufre du piège, préalablement à l’étape de purge des NOx proprement dite, qui est l’objet de la présente invention.
La sous-étape de diagnostic d’oxydation E220 fait intervenir le microprocesseur 60 qui traite les données captées par les sondes à oxygène amont et aval C31 et C32, le débitmètre C4 et la sonde à oxygène amont C31, et la mémoire 70 pour mémoriser les paramètres obtenus après la collecte.
Les deuxième et troisième ensembles de capteurs C2j et C3k, les deuxième et troisième portes d’entrée 52 et 53, le microprocesseur 60 et la mémoire 70 participent à la réalisation de l’étape de collecte E200. Ces éléments font donc partie des moyens permettant de collecter les paramètres physiques du piège à NOx 1.
Après l’étape de collecte E200, on réalise l’étape de choix E300 du type de purge. Précisément, pendant cette étape, on étudie l’état du piège et choisit la purge adaptée audit état en fonction des paramètres collectés pendant l’étape de collecte E200. L’étape de choix E300 est réalisée principalement grâce au microprocesseur 60 et à la mémoire 70.
Sur la figure 6, l’étape de choix E300 comprend une sous-étape d’étude E310 d’au moins un paramètre physique collecté du piège à NOx 1. Dans l’exemple illustré, la sous-étape d’étude E310 examine à la fois la température interne et un critère représentatif de l’état d’oxydation du piège.
Selon un exemple et comme illustré sur la figure 7, la sous-étape d’étude E310 effectue d’abord une première opération de vérification E311 qui consiste à comparer la température interne Tint du piège avec une température de référence Tref, par exemple en moyenne. Si la température interne Tint est inférieure à la température de référence, on conclut qu’une première condition est satisfaite à la fin de la première opération de vérification E311.
Ensuite, la sous-étape d’étude E310 effectue une deuxième opération de vérification E312 qui consiste à déterminer l’état d’oxydation du piège. Si le diagnostic d’oxydation conclut que le piège est oxydé, on considère que la deuxième condition est satisfaite à l’issue de la deuxième opération de vérification E312.
Ici, les première et deuxième opérations de vérification sont réalisées de manière successive. Dans un autre mode de réalisation, ces deux opérations peuvent être réalisées en même temps.
La sous-étape d’étude E310 est réalisée principalement par le microprocesseur 60 qui utilise les données stockées dans la mémoire 70.
Une fois que les première et deuxième conditions sont vérifiées à l’issue de la sous-étape d’étude E310, on réalise une sous-étape de décision E320.
Si, aucune condition parmi la première condition et la deuxième condition n’est satisfaite, la sous-étape de décision 320 sélectionne une purge à richesse constante, à une valeur de richesse strictement supérieure à 1. Selon un exemple, la purge à richesse constante est réalisée avec une richesse du mélange air-carburant égale à 1,05.
Si, au moins une condition parmi la première condition et la deuxième condition est satisfaite, la sous-étape de décision E320 sélectionne une purge à richesse variable E322. Autrement dit, lorsque la température interne Tint du piège est inférieure à la température de référence et/ou lorsque le piège est oxydé, on applique la purge à richesse variable.
Une fois que le type de purge est choisi, on passe à l’étape d’application E400 pendant laquelle le type de purge choisi est appliqué au piège à NOx. L’étape d’application E400 est réalisée principalement par le calculateur 20 qui récupère les données venant du débitmètre C4, du deuxième ensemble de capteurs C2j, et qui envoie des commandes à la rampe d’injection pour qu’il bascule d’un mélange air-carburant riche à un mélange air-carburant pauvre, ou vice versa.
La purge à richesse constante est réalisée pendant une durée prédéfinie avec une richesse du mélange constante et strictement supérieure à 1. De préférence, la richesse est sensiblement égale à 1,05.
La purge à richesse variable comprend des phases de purge riches interrompues par des phases de purge pauvres. Un exemple de la purge à richesse variable est décrit ci-après.
La figure 8 illustre la richesse du mélange air-carburant en fonction du temps pendant la purge à richesse variable selon un exemple de réalisation.
Dans cet exemple, la purge à richesse variable comprend deux phases riches θ1, θ2 et une phase pauvre ρ1 intercalée entre les deux phases riches.
Dans un autre exemple, la purge à richesse variable peut comprendre plusieurs phases riches et plusieurs phases pauvres et pendant laquelle une phase pauvre est réalisée entre deux phases riches successives.
On entend par phase riche la période pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement supérieure à 1. En revanche, on entend par phase pauvre la période pendant laquelle la richesse du mélange-air carburant est strictement inférieure à 1. Lorsque la richesse est égale à 1, on atteint un rapport stœchiométrique entre la quantité de carburant et la quantité d’air et qui permet une combustion totale du mélange.
Dans l’exemple illustré, les phases riches θ1, θ2 présentent respectivement une durée tθ1et tθ2. Les durées tθ1et tθ2dépendent du débit de gaz d’échappement qui est mesuré ici par le débitmètre C4. Plus le débit de gaz d’échappement est fort, plus la durée des phases riches est courte. Au contraire, plus le débit de gaz d’échappement est faible, plus la durée des phases riches est faible.
Selon un exemple de réalisation, les phases riches θ1, θ2 peuvent avoir une durée minimale de 2 secondes et une durée maximale de 10 secondes pour la première phase riche et 20 secondes pour la deuxième.
Selon l’invention et comme dans cet exemple, la richesse du mélange air-carburant de la deuxième phase riche θ2, dite la deuxième richesse Rθ2, est strictement supérieure à la richesse du mélange air-carburant de la première phase riche θ1, dite première richesse Rθ1. Ici, la première phase riche θ1 précède la deuxième phase riche θ2.
La valeur de la première richesse Rθ1et de la valeur de la deuxième richesse Rθ2sont des fonctions de la température interne du piège à NOx: Rθi= f (Tint). Selon un exemple de réalisation, la relation entre la valeur de la richesse et la température interne du piège peut être une fonction linéaire, comme représenté sur la figure 9.
La première phase riche θ1 permet de désoxyder les métaux précieux en cas d’oxydation de ce dernier. La deuxième phase riche θ2 permet de traiter les oxydes d’azote (NOx) stockés dans le piège. Pendant la deuxième phase riche θ2, les métaux précieux redeviennent opérationnels. Pour cette raison, les réducteurs apportés pendant la deuxième phase riche θ2 sont destinés principalement, voire uniquement à la transformation des oxydes d’azote en molécules inoffensives. Ainsi, l’efficacité de la purge du piège à NOx est améliorée.
Entre les deux phases riches θ1 et θ2 se trouve la phase pauvre ρ1. La richesse de la phase pauvre Rρ1est strictement inférieure à 1, de préférence comprise entre 0,95 et 0,97.
La durée de la phase pauvre tρ1dépend du débit de gaz d’échappement. Plus le débit de gaz d’échappement est fort, plus la durée de la phase pauvre est courte. Au contraire, plus le débit de gaz d’échappement est faible, plus la durée de la phase pauvre est longue. La durée de la phase pauvre tρ1est également variable. Elle permet, par sa durée, d’asssurer une homogénéité de la montée en température du piège à NOx. Pour vérifier que l’échange de chaleur entre l’extérieur et l’intérieur du piège atteigne un équilibre, on compare la température en amont du piège et la température en aval du piège. Par exemple, si la différence entre ces deux températures est égale ou inférieure à 30°C, la deuxième phase riche θ2 peut être démarrée, ce qui limite la durée de la phase pauvre intermédiaire.
Selon un exemple de réalisation, la phase pauvre ρ1 peut avoir une durée minimale de 2 secondes et une durée maximale de 4 secondes.
La durée totale ttotde la purge à richesse variable est la somme de la durée des phases riches et des phases pauvres.
Ici, la durée totale est calculée comme suit:
Dans un exemple de réalisation, la durée totale de la purge est limitée à environ 30 secondes.
L’étape d’application E400 du type de purge choisi fait intervenir le deuxième ensemble de capteurs C2j, le débitmètre C4, le calculateur 20 et la rampe d’injection 30. Ces éléments font donc partie des moyens permettant d’appliquer le type de purge choisi.
Le procédé de purge ainsi que le dispositif mettant en œuvre ledit procédé tels que décrits ci-dessus permet de réaliser une purge efficace du piège à NOx, car ils adaptent le type de purge à l’état du piège au moment où une purge est nécessaire. Ainsi, le taux de réduction des oxydes d’azote stockés est élevé en appliquant le procédé de purge selon l’invention.

Claims (11)

  1. Procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote (1), dit piège à NOx (1), disposé dans une ligne d’échappement (2) d’un moteur à combustion interne (3),
    ledit procédé comprenant
    - une étape d’identification (E100) d’un besoin de purge du piège à NOx;
    - une étape de collecte (E200) d’au moins un paramètre physique du piègeà NOx, si à l’issue de ladite étape d’identification, un besoin de purge est identifié;
    - une étape de choix (E300) du type de purge; et
    - une étape d’application (E400) du type de purge choisi;
    procédé dans lequel l’étape de choix (E300) du type de purge sélectionne une purge parmi:
    - une purge à richesse constante pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est constante et strictement supérieure à 1, et
    - une purge à richesse variable qui comprend au moins une phase pauvre (ρ1) pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement inférieure à 1, et au moins une phase riche (θ1, θ2) pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement supérieure à 1, la phase pauvre et la phase riche se succédant, et lorsqu’il y a au moins deux phases riches, la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche considérée étant strictement supérieure à la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche précédant la phase riche considérée.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape d’identification (E100) d’un besoin de purge comprend:
    - une sous-étape d’acquisition (E110) de la concentration en oxydes d’azote, NOx, en amont et en aval du piège à NOx (1);
    - une sous-étape de traitement (E120) des données représentatives de la concentration en oxydes d’azote, NOx, obtenues à l’issue de ladite sous-étape d’estimation (E110).
  3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ladite sous-étape de traitement (E120) comprend un calcul (E121) d’un paramètre représentatif (M1; E1) du niveau de stockage du piège à NOx (1) et une comparaison (E122) dudit paramètre avec une valeur de référence (S, Mref; Eref), et dans lequel en fonction du résultat de ladite comparaison (E122), un besoin de purge est identifié et l’étape de choix (E200) du type de purge est réalisée.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de collecte (E200) comprend une sous-étape d’estimation (E210) de la température interne (Tint) et/ou une sous-étape de diagnostic d’oxydation (E220) du piège à NOx.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de choix (E300) du type de purge comprend:
    - une sous-étape d’étude (E310) dudit au moins un paramètre physique du piège à NOx (1) collecté; et
    - une sous-étape de décision (E320) en fonction du résultat de ladite sous-étape d’étude (E310).
  6. Procédé selon la revendication précédente lorsque la revendication 5 dépend de la revendication 4, dans lequel la sous-étape d’étude (E310) comprend:
    - une première vérification (E311) d’une première condition selon laquelle la température interne (Tint) du piège à NOx est inférieure à une température de référence (Tref); et/ou
    - une deuxième vérification (E312) d’une deuxième condition selon laquelle le piège à NOx est oxydé.
  7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la sous-étape de décision (E320) comprend une sélection de la purge à richesse variable lorsqu’au moins une condition parmi la première condition et la deuxième condition est satisfaite (E321), ou une sélection de la purge à richesse constante lorsqu’aucune condition parmi la première condition et la deuxième condition n’est satisfaite (E322).
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’application (E400) du type de purge choisi est maintenue tant que la masse d’oxydes d’azote, NOx, du piège à NOx (1) est supérieure à une limite inférieure (Minf) ou que la durée de ladite étape d’application (E300) est inférieure à un temps maximum de purge (tmax).
  9. Dispositif (10) de mise en œuvre d’un procédé de purge d’un piège à oxydes d’azote, dit piège à NOx (1), disposé dans une ligne d’échappement (2) d’un moteur à combustion interne (3), ledit procédé comprenant
    - une étape d’identification (E100) d’un besoin de purge du piège à NOx;
    - une étape de collecte (E200) des paramètres physiques du piège à NOx, si à l’issue de ladite étape d’identification, un besoin de purge est identifié;
    - une étape de choix (E300) du type de purge ; et
    - une étape d’application (E400) du type de purge choisi;
    procédé dans lequel l’étape de choix (E300) du type de purge sélectionne une purge parmi :
    - une purge à richesse constante pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est constante et strictement supérieure à 1, et
    - une purge à richesse variable qui comprend au moins une phase pauvre (ρ1) pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est inférieure à 1, et au moins une phase riche (θ1, θ2) pendant laquelle la richesse du mélange air-carburant est strictement supérieure à 1, la phase pauvre et la phase riche se succédant, et lorsqu’il y a au moins deux phases riches, la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche considérée étant strictement supérieure à la richesse du mélange air-carburant d’une phase riche précédant la phase riche considérée;
    ledit dispositif (20) comprenant:
    - un calculateur (20);
    - des moyens (C1i, 51, 60, 70) pour identifier le besoin de purge du piège à NOx (1);
    - des moyens (C2j, C3k, 52, 53, 60, 70) pour collecter les paramètres physiques du piège à NOx (1);
    - des moyens (60, 70) pour choisir le type de purge; et
    - des moyens (C2j, C4, 20, 30) pour appliquer le type de purge choisi.
  10. Ligne d’échappement (2) d’un moteur à combustion interne (3), comprenant:
    - le dispositif (20) de mise en œuvre du procédé de purge selon la revendication précédente; et
    - un piège à NOx (1).
  11. Véhicule automobile comprenant la ligne d’échappement (2) selon la revendication précédente.
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Citations (6)

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