FR3129689A1 - Gestion du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement d’un moteur à combustion interne - Google Patents
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Abstract
Procédé de gestion du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement d’un moteur à combustion interne, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - détermination de la capacité de stockage maximale en oxygène (OSC) du catalyseur considéré, - détermination pour chaque cylindre du moteur et à chaque cycle de combustion d’une quantité d’oxygène, en excès ou en défaut, introduite dans la ligne d’échappement à partir de la quantité d’air et de la quantité de carburant introduites dans le cylindre considéré et de paramètres de fonctionnement du moteur, - à partir de la détermination précédente, détermination de manière itérative de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur, cette quantité étant comprise entre 0 et la capacité de stockage maximale en oxygène du catalyseur considéré, et - détermination de consignes d’injection pour un cycle de combustion à venir en fonction de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur et de paramètres de fonctionnement du moteur. Figure de l’abrégé : Figure 3
Description
La présente divulgation concerne la gestion du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement d’un moteur à combustion interne. Plus généralement, cette divulgation se rapporte au traitement des gaz d’échappement dans des moteurs pour véhicules automobiles, et plus particulièrement à la purge d’oxygène dans un catalyseur d’échappement de véhicule automobile, par exemple lors d’une reprise d’injection.
La présente divulgation trouve des applications, en particulier, dans les systèmes de contrôle moteur pour les véhicules automobiles équipés de moteurs à injection directe de carburant.
Il est connu qu’un moteur à combustion interne de véhicule automobile, qu’il s’agisse d’un moteur à allumage commandé (dit moteur à essence) fonctionnant avec de l’essence comme carburant ou d’un moteur à allumage par compression (dit moteurs Diesel) fonctionnant avec du gazole comme carburant, génère des gaz polluants résultant de la combustion du mélange air-carburant correspondant dans un ou des cylindres du moteur. Ces gaz polluants comprennent en particulier les hydrocarbures imbrûlés (ou HC), le monoxyde de carbone (CO) et des oxydes d'azote (NOx, mis pour NO qui désigne le monoxyde d’azote et pour NO2 qui désigne le dioxyde d’azote). Les HC et le CO sont produits, essentiellement, suite à une combustion incomplète du carburant généralement due à un manque d'oxygène dans le mélange, et ce phénomène touche plus les moteurs à essence que les moteurs Diesel. Bénéficiant d’une combustion plus complète, un moteur Diesel est en effet plus concerné par l’émission des NOx.
Afin de limiter le rejet de ces gaz polluants dans l’atmosphère, il est maintenant courant d’équiper un système d’échappement d’un véhicule automobile à essence avec un pot catalytique ou catalyseur d'échappement. Un catalyseur d’échappement à trois voies permet de traiter les trois polluants identifiés ci-dessus (c’est-à-dire les HC, le CO, et les NOx) à la fois. La fonction du catalyseur d'échappement est de diminuer la pollution dans l'environnement en réduisant ou en détruisant les gaz polluants résultant de la combustion imparfaite du mélange air-carburant dans les cylindres du moteur, grâce à une réaction chimique de catalyse. Pour un moteur à essence, le catalyseur d'échappement transforme le CO et le NO2 en substance non polluante. Pour un moteur Diesel, le catalyseur d'échappement convertit le CO et les HC en dioxyde de carbone et en eau. Le catalyseur d'échappement est efficace à haute température, et c’est pourquoi il est placé très près du moteur afin de chauffer et atteindre rapidement sa température de fonctionnement idéale.
L’efficacité du traitement dans le catalyseur est maximum à richesse 1, c’est-à-dire à richesse égale à l’unité, c’est-à-dire pour un mélange gaz-oxygène qui respecte la proportion stœchiométrique. Ceci découle directement des lois de conservation de la nature, c’est-à-dire de la conservation des atomes et de la conservation des charges électriques des atomes lors des transformations moléculaires résultant des réactions chimiques dans le catalyseur d’échappement.
Un mélange est dit pauvre (sa richesse est inférieure à 1) s’il contient une teneur en oxygène supérieure à la proportion stœchiométrique et qu’il est dit riche s’il contient une teneur en oxygène inférieure à ladite proportion stœchiométrique. Le mélange idéal est de 14,7g d’oxygène pour 1g de carburant (pour l’essence), aussi appelé "mélange stœchiométrique". Il permet de générer une combustion homogène et complète, faiblement polluante. Il permet aussi d'assurer le meilleur rendement du moteur se traduisant par une moindre consommation, au détriment toutefois de la puissance. En effet, l’obtention d’un maximum de puissance suppose un mélange riche. Un coefficient « lambda », mesuré par une sonde du même nom et classiquement représentée par la lettre grecque correspondante (λ), permettant de déterminer la richesse. Ce coefficient est l’inverse de la richesse telle qu’exprimée de la manière indiquée plus haut. Dit autrement, le rapport est idéal lorsque lambda=1, alors que le mélange est pauvre si lambda>1 et qu’il est riche si lambda<1. La puissance maximum du moteur est obtenue avec un dosage riche et se situe vers lambda=0,86.
Des règlementations en vigueur à travers le monde, notamment les normes européennes d'émission dites " normes Euro ", fixent des limites maximales autorisées du rejet de gaz polluants par les véhicules neufs, avec pour objectif de réduire la pollution atmosphérique due au transport routier. Ces " normes Euro " se succèdent, en étant numérotées de manière croissante, et diffèrent entre les différents types de moteurs et de véhicules mais la tendance constante est qu'elles sont de plus en plus strictes. Afin de respecter ces normes toujours plus contraignantes, il convient d'améliorer évidemment les performances des moteurs dans toutes les phases de fonctionnement des véhicules automobiles, afin d'obtenir le maximum de puissance mécanique avec le minimum de carburant consommé. Toutefois cela ne suffit pas. Il convient également d'améliorer l'efficacité des systèmes de dépollution des gaz d'échappement dont le véhicule est équipé, en particulier du catalyseur d'échappement, en tenant compte notamment de la variation du régime moteur et de la composition variable des gaz d'échappement qui en résulte.
Par exemple lors d'une coupure de l'injection dans le moteur d’un véhicule automobile, qui peut être consécutive à une commande de décélération du véhicule par le conducteur, le moteur envoie de l’air frais dans le catalyseur d’échappement, c’est-à-dire de l’air non mélangé à du carburant. Le catalyseur d’échappement se charge alors en oxygène (O2). À la reprise de l’injection, le mélange dans le catalyseur est donc encore relativement pauvre, en raison de la portion de cet oxygène restant dans le catalyseur d’échappement. Dans ces conditions, les HC et le CO sont bien consommés par le catalyseur d’échappement mais les NOx ne sont pas traités à 100%. Tout cela dure le temps que le catalyseur d’échappement revienne à richesse 1, du fait de la consommation progressive de l’oxygène dans ce catalyseur, c’est-à-dire le temps de purger l’oxygène en excès accumulé dans le catalyseur d’échappement pendant la coupure d’injection.
Le document FR3107085 divulgue un procédé de purge d’oxygène, à la reprise d’injection, dans un catalyseur d’échappement de véhicule automobile équipé d’un moteur à combustion interne à injection directe et à allumage commandé, comprenant l’injection d’essence à l’échappement, dans au moins un cylindre et pour au moins un cycle à quatre temps dudit cylindre durant la phase d’échappement dudit cycle, en réponse à la détermination d’une reprise d’injection terminant une séquence de fonctionnement du moteur avec coupure d’injection.
Ce document de l’art antérieur fournit une solution pour consommer rapidement l’oxygène dans le catalyseur lorsque le mélange dans le catalyseur est pauvre et permet ainsi de limiter la durée pendant laquelle ce mélange est pauvre. Ainsi, les émissions polluantes sont limitées puisque le catalyseur retrouve plus rapidement ses conditions optimales de fonctionnement.
Résumé
La présente divulgation vient encore améliorer la situation. Elle a pour but d’améliorer encore l’efficacité du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement dans le contexte de la purge de l’oxygène qui s’est accumulé dans un catalyseur d’échappement, par exemple suite à une coupure d’injection consécutive à une commande de décélération du véhicule par son conducteur.
À cet effet, il est proposé un procédé de gestion du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement d’un moteur à combustion interne présentant au moins un cylindre et une ligne d’échappement intégrant ledit catalyseur, ledit procédé comportant une étape de détermination de la capacité de stockage maximale en oxygène du catalyseur considéré.
Selon la présente divulgation, ce procédé comporte en outre les étapes suivantes :
- détermination pour chaque cylindre du moteur et à chaque cycle de combustion d’une quantité d’oxygène, en excès ou en défaut, introduite dans la ligne d’échappement à partir de la quantité d’air et de la quantité de carburant introduites dans le cylindre considéré et de paramètres de fonctionnement du moteur,
- à partir de la détermination précédente, détermination de manière itérative de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur, cette quantité étant comprise entre 0 et la capacité de stockage maximale en oxygène du catalyseur considéré, et
- détermination de consignes d’injection pour un cycle de combustion à venir en fonction de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur et de paramètres de fonctionnement du moteur.
- détermination pour chaque cylindre du moteur et à chaque cycle de combustion d’une quantité d’oxygène, en excès ou en défaut, introduite dans la ligne d’échappement à partir de la quantité d’air et de la quantité de carburant introduites dans le cylindre considéré et de paramètres de fonctionnement du moteur,
- à partir de la détermination précédente, détermination de manière itérative de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur, cette quantité étant comprise entre 0 et la capacité de stockage maximale en oxygène du catalyseur considéré, et
- détermination de consignes d’injection pour un cycle de combustion à venir en fonction de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur et de paramètres de fonctionnement du moteur.
Selon ce procédé, la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur est connue. On détermine ici pour chaque cylindre et chaque cycle moteur (avec ou sans combustion), d'une part, la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement et, d'autre part, la quantité de carburant introduite dans cette ligne d’échappement. En faisant le bilan, le procédé détermine à chaque fois (c’est-à-dire par cylindre et pour chaque cycle correspondant dans un moteur dit à quatre temps à deux tours -ou 720°- de rotation du vilebrequin) si de l’oxygène est envoyé en excès ou en défaut dans la ligne d’échappement par rapport à un mélange stœchiométrique. On peut ainsi itérativement connaitre la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur. Si de l’oxygène est envoyé en excès dans la ligne d’échappement, il va venir s’ajouter à l’oxygène déjà présent dans le catalyseur dans la limite (connue ou prédéterminée) de la capacité de stockage maximale de ce catalyseur et si de l’oxygène est envoyé en défaut dans la ligne d’échappement, de l’oxygène contenu dans le catalyseur va être consommé diminuant ainsi la quantité d’oxygène présent dans le catalyseur, cette quantité ne pouvant bien entendu pas être négative. Le fait alors de connaitre en temps réel la quantité d’oxygène dans le catalyseur permet d’adapter au mieux la quantité de carburant non brûlé à introduire dans la ligne d’échappement pour qu’il réagisse dans le catalyseur d’échappement avec l’oxygène qui y est présent. Les paramètres de fonctionnement du moteur doivent ici être pris en compte pour déterminer la quantité de carburant non brûlé à introduire dans la ligne d’échappement car il faut notamment s’assurer que les conditions sont remplies pour que le catalyseur d’échappement soit capable de réaliser la réaction chimique souhaitée.
Les paramètres de fonctionnement du moteur, également désignés « données d’entrée », peuvent être au moins un paramètre parmi les paramètres suivants :
- le statut du mode d’injection (injection de carburant ou coupure d’injection ?),
- OSC c’est-à-dire la capacité de stockage du catalyseur, soit encore la quantité maximale d’oxygène pouvant être stocké dans le catalyseur d’échappement,
- le débit massique d’air correspondant à la masse d’air introduite dans le cylindre considéré pour le cycle considéré,
- la masse de carburant injectée qui comprend, d'une part, une masse de carburant destinée à être brûlée et à fournir du couple et une masse de carburant injectée à l’échappement et qui passe dans le circuit d’échappement sans brûler dans la chambre de combustion considérée,
- une valeur lambda_mes fournie par une sonde lambda, cette mesure correspondant à l’inverse de la richesse mesurée du mélange,
- la valeur du régime du moteur thermique,
- la température du catalyseur d’échappement,
- l’état de fonctionnement de la vanne EGR, désignant la vanne de recirculation des gaz d’échappement (lorsque le véhicule comprend une vanne EGR),
- le déphasage entre les arbres à cames du moteur thermique, autrement dit, l’ouverture des soupapes d’admission et d’échappement de chaque chambre de combustion du moteur.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement, pour un cycle lors duquel du carburant est injecté dans le cylindre considéré, une quantité théorique d’oxygène en excès ou en défaut est calculée à partir d’une valeur de consigne d’une valeur lambda correspondant à l’inverse de la richesse du mélange air/carburant pénétrant dans le cylindre, et ladite valeur théorique correspond au produit de la masse d’air introduite dans le cylindre avec la concentration en oxygène de cette masse d’air et avec la différence entre la valeur de consigne de lambda et la valeur de consigne de lambda correspondant à une combustion ne fournissant pas d’oxygène à l’échappement ;
- pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement, pour un cycle lors duquel du carburant est injecté dans le cylindre considéré, une quantité corrective d’oxygène en excès ou en défaut est calculée à partir d’une valeur de consigne filtrée d’une valeur lambda correspondant à l’inverse de la richesse du mélange air/carburant pénétrant dans le cylindre, et ladite valeur corrective correspond au produit de la masse d’air introduite dans le cylindre avec la concentration en oxygène de cette masse d’air et avec la différence entre la valeur de consigne filtrée de lambda et la valeur de lambda mesurée ;
- pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement, pour un cycle lors duquel du carburant est injecté dans le cylindre considéré, une quantité d’oxygène consommé est calculée à partir d’une masse de carburant injectée à l’échappement, c’est-à-dire injectée de telle sorte qu’elle ne brûle pas et passe directement dans la ligne d’échappement, et ladite valeur d’oxygène consommé correspond à la masse d’oxygène nécessaire pour réaliser une combustion de ladite masse de carburant dans des conditions stœchiométriques ;
- pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement pour un cycle lors duquel l’injection de carburant est désactivée, ladite quantité d’oxygène est calculée en multipliant la masse d’air introduite dans le cylindre par la concentration en oxygène de cette masse d’air ;
- les consignes d’injection peuvent comporter soit l’injection de carburant dans le cylindre pour réaliser une combustion et produire un couple moteur, soit l’injection de carburant à l’échappement puis l’injection de carburant dans le cylindre pour réaliser une combustion, soit l’injection de carburant à l’échappement sans injection de carburant pour réaliser une combustion, soit une coupure de l’injection ;
- les paramètres suivants sont pris en compte pour déterminer les consignes d’injection : le catalyseur d’échappement est en cours de chauffe, la température du catalyseur d’échappement, la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur d’échappement, le gradient de ladite quantité d’oxygène, le débit dans la ligne d’échappement et la capacité de stockage maximale en oxygène du catalyseur d’échappement.
Selon un autre aspect, il est proposé un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre d’un procédé présenté ci-dessus lorsque ce programme est exécuté par un processeur, notamment un processeur d’une unité de contrôle électronique d’un moteur à combustion interne.
Selon un autre aspect, il est proposé un support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en œuvre d’un procédé présenté ci-dessus lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse du dessin annexé, sur lequel :
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Les présentes solutions techniques peuvent trouver à s’appliquer notamment à la gestion du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement.
Le fait de connaitre l’oxygène restant dans le catalyseur en temps réel permet de mieux gérer sa consommation et d’optimiser celle-ci pour, à partir d’une situation où le mélange présent dans le catalyseur est pauvre (excès d’oxygène), arriver rapidement à une situation dans laquelle la richesse du mélange dans le catalyseur vaut 1.
La solution proposée permet aussi de prendre en compte le vieillissement du catalyseur d’échappement et ainsi d’optimiser le traitement des NOx et du CO sur toute la vie du catalyseur.
La présente divulgation participe ainsi à limiter encore les émissions polluantes d’un moteur en permettant au catalyseur d’échappement d’un moteur de travailler à nouveau dans des conditions optimales lorsque le mélange au sein du catalyseur ne présente plus une richesse 1, après une coupure d’injection par exemple.
La présente divulgation ne se limite pas à l’exemple de réalisation préféré et les variantes évoquées décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée.
Claims (8)
- Procédé de gestion du fonctionnement d’un catalyseur d’échappement (12) d’un moteur à combustion interne (1) présentant au moins un cylindre (3) et une ligne d’échappement (11) intégrant ledit catalyseur, ledit procédé comportant une étape de détermination de la capacité de stockage maximale en oxygène (OSC) du catalyseur considéré,
caractérisé en ce qu’il comporte en outre les étapes suivantes :
- détermination pour chaque cylindre (3) du moteur et à chaque cycle de combustion, d’une une quantité théorique d’oxygène en excès ou en défaut calculée à partir d’une valeur de consigne d’une valeur lambda correspondant à l’inverse de la richesse du mélange air/carburant pénétrant dans le cylindre (3), ladite valeur théorique correspond au produit de la masse d’air introduite dans le cylindre (3) avec la concentration en oxygène de cette masse d’air et avec la différence entre la valeur de consigne de lambda et la valeur de consigne de lambda correspondant à une combustion ne fournissant pas d’oxygène à l’échappement,
- à partir de la détermination précédente, détermination de manière itérative de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur, cette quantité étant comprise entre 0 et la capacité de stockage maximale en oxygène (OSC) du catalyseur considéré, et
- détermination de consignes d’injection pour un cycle de combustion à venir en fonction de la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur et de paramètres de fonctionnement (IN_O2) du moteur dans le but de réaliser la purge de l’oxygène qui s’est accumulé dans le catalyseur d’échappement. - Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement (11), pour un cycle lors duquel du carburant est injecté dans le cylindre (3) considéré, une quantité corrective d’oxygène en excès ou en défaut est calculée à partir d’une valeur de consigne filtrée d’une valeur lambda correspondant à l’inverse de la richesse du mélange air/carburant pénétrant dans le cylindre (3), et
en ce que ladite valeur corrective correspond au produit de la masse d’air introduite dans le cylindre (3) avec la concentration en oxygène de cette masse d’air et avec la différence entre la valeur de consigne filtrée de lambda et la valeur de lambda mesurée. - Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement (11), pour un cycle lors duquel du carburant est injecté dans le cylindre (3) considéré, une quantité d’oxygène consommé est calculée à partir d’une masse de carburant injectée à l’échappement, c’est-à-dire injectée de telle sorte qu’elle ne brûle pas et passe directement dans la ligne d’échappement (11), et
en ce que ladite valeur d’oxygène consommé correspond à la masse d’oxygène nécessaire pour réaliser une combustion de ladite masse de carburant dans des conditions stœchiométriques. - Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour déterminer la quantité d’oxygène introduite dans la ligne d’échappement (11) pour un cycle lors duquel l’injection de carburant est désactivée, ladite quantité d’oxygène est calculée en multipliant la masse d’air introduite dans le cylindre (3) par la concentration en oxygène de cette masse d’air.
- Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les consignes d’injection peuvent comporter soit l’injection de carburant dans le cylindre (3) pour réaliser une combustion et produire un couple moteur, soit l’injection de carburant à l’échappement puis l’injection de carburant dans le cylindre pour réaliser une combustion, soit l’injection de carburant à l’échappement sans injection de carburant pour réaliser une combustion, soit une coupure de l’injection.
- Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les paramètres suivants sont pris en compte pour déterminer les consignes d’injection : le catalyseur d’échappement (12) est en cours de chauffe, la température du catalyseur d’échappement (12), la quantité d’oxygène présente dans le catalyseur d’échappement (12), le gradient de ladite quantité d’oxygène, le débit dans la ligne d’échappement (11) et la capacité de stockage maximale en oxygène (OSC) du catalyseur d’échappement (12).
- Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 6 lorsque ce programme est exécuté par un processeur, notamment un processeur d’une unité de contrôle électronique d’un moteur à combustion interne.
- Support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 6 lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
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- 2022-11-24 WO PCT/EP2022/083091 patent/WO2023094505A1/fr unknown
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