Moteur comportant un convertisseur catalytique à fonctionnement sécurisé.

L'invention concerne un procédé de surveillance de l'efficacité d'un convertisseur catalytique implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, et particulièrement d'un moteur Diesel.

Les convertisseurs catalytiques visés par l'invention sont en particulier les convertisseurs destinés à piéger des oxydes d'azote NOx présents dans les gaz.

On sait que les moteurs à combustion interne produisent des gaz d'échappement qui contiennent des substances polluantes, telles que les oxydes d'azote NOx précités, des hydrocarbures imbrûlés HC ou encore du monoxyde de carbone CO.

Ces polluants doivent être traités de telle manière que leur émission respecte des critères imposés par des normes standard comme par exemple les normes Européennes.

A cet effet, une technique connue pour réduire ces émissions consiste à intégrer un convertisseur catalytique dans la ligne d'échappement du moteur.

Ce convertisseur permet d'une part de stocker les NOx puis, dans une phase particulière de fonctionnement appelée « purge du catalyseur », de réduire ces NOx pour les libérer dans l'atmosphère sous forme d'azote N2 et de dioxyde de carbone C02.

D'autre part, ce convertisseur catalytique possède une fonction d'oxydation des espèces réductrices que sont le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HC. Pour obtenir de tels résultats, un convertisseur catalyseur piégeant les

NOx comporte de façon connue en soi une phase catalytique dans les canaux d'un monolithe qui sont en contact avec les gaz.

La phase catalytique est typiquement constituée de platine, de palladium, de rhodium, et/ou d' alcalino-terreux. Un problème des convertisseurs catalytiques est qu'en vieillissant la phase catalytique perd de l'efficacité.

En particulier, son vieillissement se traduit souvent par une diminution du nombre de ses sites de stockage des NOx et donc par une baisse d'efficacité de stockage et de traitement des NOx, des HC et des CO.

D' autres causes sont à l' origine de la baisse en performance des convertisseur qui vieillissent, mais, dans tous les cas, compte tenu notamment des seuils de pollution imposés par les normes standard, l'utilisation d'un convertisseur catalytique à piège à oxydes d' azote nécessite la plupart du temps de surveiller son fonctionnement pour éviter des dérives gênantes. Des systèmes de surveillance ont déjà été proposés.

Généralement, ils ont pour fonction de détecter une défaillance d'un composant d'un équipement anti-pollution installé dans un véhicule et de signaler à un conducteur toute défaillance entraînant un dépassement des seuils d'émission précités, et ce en vue d'une réparation rapide. Ainsi, on connaît du document FR 2 866 926 un système de surveillance dans lequel on utilise une sonde de richesse lambda installée en aval d'un convertisseur catalytique pour mesurer la richesse des gaz d'échappement à cet endroit et en déduire un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur. Plus précisément, le diagnostic est basé sur la mesure d'une durée utile de réduction des NOx stockés, cette durée étant fonction d'une tension fournie par la sonde lambda.

On connaît en outre du document US 5 228 335 un système de détection de défaillance d'un convertisseur catalytique, basé sur l'utilisation de deux sondes de richesse proportionnelles (la tension fournie par la sonde est proportionnelle à la richesse) installées respectivement en amont et en aval du convertisseur.

Plus précisément ce système réalise un diagnostic sur la base d'une intégration dans le temps de la différence entre les signaux fournis par chacune des deux sondes.

Ce diagnostic repose donc sur le calcul d'une aire qui est fonction des

signaux de mesure des sondes, puis cette aire est comparée à une seuil pour évaluer l'état de fonctionnement (ou de manière équivalente l'état de vieillissement) du convertisseur

Bien qu' ayant rendu de nombreux services, ces systèmes sont toutefois relativement chers et délicats à mettre en œuvre.

Un but de l'invention est donc de fournir un procédé et un système permettant de surveiller de façon robuste et fiable l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique, et ce à moindre coût.

A cet effet, on propose selon l'invention un moteur comportant un convertisseur catalytique, une première sonde apte à délivrer un premier signal proportionnel à une teneur en oxygène dans un gaz d'échappement et installée en amont du convertisseur, une deuxième sonde à oxygène en aval du convertisseur et apte à fournir un deuxième signal, et des moyens pour établir un diagnostic sur un état de fonctionnement du convertisseur, caractérisé en ce que : - la deuxième sonde à oxygène est du type tout ou rien, et

- les moyens sont agencés pour convertir le premier signal en un troisième signal du type tout ou rien et pour établir le diagnostic sur la base des deuxième et troisième signaux.

Des aspects préférés mais non limitatifs de ce moteur sont les suivants : - les moyens de conversion de signal comportent un modèle de sonde, tel qu'une cartographie du type tout ou rien, dépendant du premier signal ;

- le modèle est adapté pour que le troisième signal qu'il fournit ait une forme de créneau ayant des valeurs haute et basse prédéterminées ;

- le modèle est adapté pour que le troisième signal qu'il fournit passe de la valeur haute à la valeur basse, et vice-versa, lorsque le premier signal franchit un premier seuil prédéterminé, l'une des valeurs haute et basse étant de préférence sensiblement égale au premier seuil ;

- les moyens sont en outre agencés pour piloter la température d'un élément sensible à la teneur en oxygène dans la deuxième sonde ; - les moyens de pilotage sont adaptés pour diminuer la température jusqu'à une valeur de température prédéterminée, de préférence comprise entre 400 et 500 ⁰ C,

avant que les moyens pour établir le diagnostic n'utilisent les deuxième et troisième signaux.

On propose en outre un procédé de surveillance de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'un moteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :

- obtenir d'une première sonde un premier signal proportionnel à une teneur en oxygène dans un gaz située en amont du convertisseur,

- obtenir un deuxième signal d'une deuxième sonde du type tout ou rien installée en aval du convertisseur, - convertir le premier signal en un troisième signal du type tout ou rien, et

- établir un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur sur la base des deuxième et troisième signaux.

Des aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants :

- dans l'étape d'établissement du diagnostic on détermine un critère de diagnostic sur la base d'une aire d'une différence entre les deuxième et troisième signaux ;

- dans l'étape d'établissement du diagnostic, on compare le critère de diagnostic à trois seuils prédéterminés définissant respectivement trois gammes de valeurs correspondant à trois états de fonctionnement différents du convertisseur ;

- le procédé comporte une étape où l'on conditionne la mise en œuvre de l'étape de diagnostic selon que le premier et/ou le deuxième signal respecte au moins un critère prédéterminé ;

- le critère de diagnostic est de la forme suivante :

- Vsb)dt où Cdiag, tl , t2 et Dgaz désignent respectivement le critère de diagnostic utilisé, deux instants prédéterminés et un débit du gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique.

D' autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un moteur selon un mode de réalisation préféré de

l'invention,

- la figure 2 montre un organigramme d'un procédé selon un mode de réalisation préféré de l'invention, et la figure 3 montre une simulation graphique de signaux issus des sondes installées dans le moteur et du modèle de sonde.

En référence à la figure 1 , on a représenté un moteur 10 selon un mode de réalisation préféré de l'invention.

Ce moteur comporte classiquement un bloc moteur 11 , une ligne d'échappement 12 dans laquelle circule un gaz d'échappement émis par le bloc moteur, et des moyens de commandes permettant de contrôler les performances du moteur.

Tel qu'illustré à titre d'exemple non limitatif, le bloc moteur comporte notamment un collecteur d' admission 10a et d'échappement 11b.

La ligne d'échappement 12 est notamment composée d'un système de recirculation du gaz d'échappement EGR 12a (EGR est l' acronyme de

« Exhaust Gaz recirculation » en langue anglo-saxonne), d'un turbocompresseur 12b muni d'une turbine 100 apte à entraîner un compresseur 10, et d'un convertisseur catalytique 12c.

La turbine 100 reçoit classiquement le gaz d'échappement sortant du collecteur d'échappement 11b, tandis que le compresseur reçoit de l' air frais d'un filtre à air 12d pour le comprimer et suralimenter le collecteur d'admission l ia.

Le convertisseur catalytique 12c est en communication avec une sortie de la turbine. En particulier, il est agencé avec cette turbine de sorte qu'il reçoit le gaz d'échappement qui sort de la turbine après l'avoir entraîner en rotation.

Le convertisseur catalytique a pour fonction de piéger les oxydes d'azotes présents dans le gaz.

Le piège est typiquement obtenu en imprégnant une phase catalytique dans des canaux d'un monolithe (non représenté) à structure poreuse et présentant une grande surface de contact avec le gaz.

De façon connue en soi, le monolithe peut également être un filtre à particules ou un catalyseur d' oxydation de sorte à pouvoir coupler le posttraitement du gaz par réduction des oxydes d'azotes Nox à un post-traitement de particules, d'hydrocarbures imbrûlés HC et de monoxydes de carbone CO. Le moteur comporte en outre une sonde à oxygène 120 installée en amont du convertisseur, de préférence à l'entrée de ce dernier.

Cette sonde est une sonde du type proportionnel, c'est-à-dire qu'elle délivre un signal proportionnel à la teneur en oxygène qui est en contact avec un élément sensible qui compose cette sonde. Le moteur comporte encore une sonde du type binaire 130, c'est-à-dire qu'elle délivre un signal du type tout ou rien selon la teneur en oxygène qui est en contact avec son élément sensible.

On entend ici par tout ou rien, le fait que le signal délivré prend généralement deux valeurs parfaitement distinguables. Ces deux valeurs peuvent typiquement être respectivement proche de zéro et d'une valeur supérieure à zéro, par exemple 1.

On notera ici que selon le mode préféré de l'invention, les signaux délivrés par les deux sondes 120 et 130 sont des signaux sous forme de tension. Tel qu'illustré encore sur la figure 1 , le moteur comporte en outre une unité de contrôle électronique 13 (UCE) éventuellement couplé à un calculateur non représenté.

L'unité UCE 13 pilote le moteur de façon connu en soi en mettant en œuvre un procédé de commande approprié. Le procédé de commande comporte notamment une étape de contrôle des émissions des polluants par le moteur.

Le convertisseur catalytique est en l' occurrence piloté au travers de ce procédé par l'UCE.

Le procédé de commande comporte en outre une étape de surveillance de l'état de fonctionnement du convertisseur.

Cette étape comporte en particulier une étape de diagnostic que nous

allons décrire plus tard.

Dans tous les cas, cette étape de surveillance étant basée sur l'utilisation des deux sondes 130 et 140, celles-ci échangent des informations avec l'UCE. En particulier, comme l'indique la liaison 140 sur la figure, la sonde du type proportionnelle 120 délivre son signal sous forme de tension à l'unité UCE.

Pour des raisons de simplification de lecture, on désignera par la suite ce signal Vsp. De même, la liaison 141 indique que la sonde 130 du type tout ou rien délivre son signal sous forme de tension à l'unité UCE.

Pour des raisons de simplification de lecture, on désignera par la suite ce signal Vsb.

On va maintenant décrire le fonctionnement du moteur et plus précisément le procédé de surveillance précité.

Selon une caractéristique de l'invention, le procédé de surveillance utilise les signaux Vsp et Vsb délivrés par la sonde du type proportionnelle 120 et par la sonde binaire 130.

En particulier, en référence à la figure 2, ce procédé comporte une étape 200 de mesure de la teneur en oxygène en amont et aval du convertisseur, une étape d' acquisition des signaux correspondants Vsp et Vsb dans l'unité UCE.

Dans une étape 201 , le signal Vsp de la sonde 120 est converti en un signal Vspb du type tout ou rien. Puis dans une étape 202, on établit un diagnostic sur le fonctionnement du convertisseur à l' aide des signaux Vsb et Vspb.

Ainsi, le diagnostic est établi en fonction de deux signaux du type tout ou rien sachant que l'un d'eux (Vspb) est un signal modélisé à partir d'un signal du type proportionnel (Vsp), donc à partir d'un signal provenant d'une sonde du type proportionnelle.

Un avantage, est que la conversion du signal Vsp en Vspb améliore la

qualité du diagnostic par rapport à celui que l'on obtiendrait s'il était basé sur un signal du type proportionnel d'une part et du type binaire d' autre part.

De plus, l'utilisation d'une sonde binaire en aval du convertisseur permet de réduire les coûts tout en améliorant les performances du procédé de surveillance, comme indiqué ci-dessus.

Dans une étape 203, une action est éventuellement engagée selon les résultats du diagnostic.

En particulier, on verra que dans le cas où le diagnostic montre que le convertisseur a atteint un degré de vieillissement trop important, et qu'ainsi il présente des défaillances de fonctionnement, l' action peut consister à activer un indicateur sur un tableau de bord pour prévenir un conducteur de s' arrêter dans un garage afin qu'une réparation soit effectuée.

Bien entendu d'autres actions sont envisagées ; nous les verrons par la suite. On va maintenant décrire plus en détails, un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention.

Dans l'étape 200, les signaux Vsb et Vsp sont délivrés à l'unité UCE.

Dans l'étape 201 , celle-ci convertit le signal Vsp en signal Vspb du type tout ou rien, lorsqu'il a été déterminé que le convertisseur se trouve dans une phase de purge.

Si tel n'est pas le cas, le procédé est désactivé.

On notera qu'en variante, la condition sur la phase de purge peut être mis en œuvre avant même d'effectuer l'étape 200.

Selon le mode préféré, d' autres tests doivent être validés avant de mettre en œuvre la conversion.

En particulier, on peut vérifier que le signal Vsp de la sonde 120 du type proportionnel ne présente par de sous-dépassement inférieur par exemple à 20 % d'une valeur finale en état stable.

On peut en outre vérifier que le signal Vsp présente un temps de transition, entre deux valeurs calibrables de tension (par exemple entre 0,98 et 0,955V), inférieur à une valeur prédéterminée (par exemple 0,52

secondes).

Lorsque les différentes conditions sont remplies, le procédé selon le mode préféré de l'invention met en œuvre la conversion de l'étape 201 au moyen d'un modèle de sonde du type tout ou rien dont une entrée est sensible au signal Vsp délivré par la sonde 120.

A titre d'exemple non limitatif, le modèle peut être agencé pour que le signal converti Vspb soit un créneau ayant une valeur haute et basse prédéterminée.

Le passage de la valeur basse à la valeur haute se fait par exemple lorsque la tension Vsp devient inférieure à un seuil pouvant être calibré.

De préférence, on fera en sorte que la valeur basse soit égale à zéro volt et que la valeur haute soit proche dudit seuil.

De préférence encore, le seuil et la valeur haute seront sensiblement égaux à IV. A cet égard, on pourra se référer à l'exemple non limitatif de la figure

3, où l' on voit que le signal Vspb passe d'environ zéro volt à environ 0,93V quand le signal Vsp franchit vers le bas le seuil d'environ 0,95V.

Dans une variante de l'étape 201 du procédé, le modèle permet d'effectuer la conversion du signal Vsp en signal binaire Vspb au moyen d'une cartographie.

Cette cartographie fournit des informations pour aider à déterminer la forme du signal Vspb en fonction du signal Vsp.

Et de préférence, elle fournit directement le signal Vspb en fonction de Vsp. Dans tous les cas, lorsque l'unité UCE dispose des deux signaux du type tout ou rien Vsb et Vspb, ils sont tous deux utilisés pour établir le diagnostic de l'étape 202.

De nombreux critères de diagnostic peuvent alors être mis en œuvre.

Selon un aspect, le critère peut être basé sur une détermination de la différence entre les deux signaux précités.

Mais plus précisément, dans le mode préféré, on détermine une aire de

cette différence au moyen d'un calcul d'intégrale.

A titre d'exemple non limitatif, on peut déterminer l'intégrale suivante

Cdiag - Vsb)dt où Cdiag, tl , t2 et Dgaz désignent respectivement le critère de diagnostic utilisé, deux instants prédéterminés et un débit du gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique.

De préférence, tl et t2 correspondent à un début et une fin de purge, respectivement.

A titre d'illustration, on pourra se reporter à la figure 3 où l' on a représenté avec des hachures une aire A qui correspond à un résultat de

Cdiag.

Quel que soit le critère Cdiag choisi, celui-ci est ensuite comparé à au moins un seuil prédéterminé pour évaluer l'état du convertisseur.

Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le critère Cdiag est comparé à trois seuils.

Un avantage d'une telle comparaison est que l'on rend le diagnostic encore plus précis.

En particulier, si Cdiag est supérieur à un premier seuil S ldiag, on considère que l'efficacité du convertisseur est bonne. Si Cdiag est compris entre S ldiag et un deuxième seuil S2di _ag , on considère que l'efficacité du convertisseur a diminué depuis sa première utilisation, en d' autres termes il présente un premier degré de vieillissement.

Toutefois, on considère que cette perte d'efficacité est acceptable compte tenu d'un cahier des charges anti-pollution du moteur. Enfin, si Cdiag est compris entre S2di _ag et un troisième seuil S3di _ag , on considère que l'efficacité du convertisseur a diminué de façon importante depuis sa première utilisation.

Il présente un deuxième degré de vieillissement que l'on considère comme inacceptable.

On notera ici que les trois seuils ci-dessus peuvent être calibrés dans une phase d'essai du moteur.

A titre d'exemple non limitatif on a représenté sur la figure 3, deux courbes Vsbl et Vsb2 correspondant chacune au signal Vsb issu de la sonde binaire 130 lorsque le convertisseur présente respectivement le premier degré et deuxième degré de vieillissement.

On peut voir en effet, que l' aire entre les courbes Vsbl et Vspb est moins importante que celle entre Vsb2 et Vspb.

L'homme du métier comprendra ainsi que, moins la courbe Vsb issue de la sonde binaire 130 présente un décalage temporaire important avec la courbe Vspb issue du modèle, et plus le convertisseur présente un degré de vieillissement important.

Dans tous les cas, lorsque le résultat de la comparaison est obtenu, on peut soit passer directement à l'étape 203 pour engager une action appropriée, soit réitérer les étapes 200 à 202 décrites ci-dessus, avant d'entrer dans l'étape 203, de façon à réaliser un diagnostic complexe basé sur une série de diagnostics effectués durant l'utilisation du véhicule.

Le diagnostic complexe peut notamment consister à vérifier que chaque diagnostic de la série aboutit à un même résultat. Bien entendu, d' autres diagnostics complexes peuvent être définis.

Par exemple, on peut choisir que le résultat du diagnostic complexe est celui obtenu par un certain pourcentage des diagnostics de la série, par exemple 90% des diagnostics.

Comme indiqué plus haut, les actions dans l'étape 203 dépendent du résultat déterminé à l'étape précédente 202.

En particulier, lorsque l' on détecte une perte d'efficacité du convertisseur, donc un dysfonctionnement, l' action peut consister à indiquer au conducteur de s' arrêter à un garage en vue d'une réparation.

Cette indication est typiquement effectuée au moyen d'un voyant disposé sur le tableau de bord.

On notera qu'une telle indication peut aussi être activée après plusieurs

roulages consécutifs pendant lesquels le dysfonctionnement a été détecté.

L' action peut aussi consister à mémoriser l'état de dysfonctionnement et différentes données ayant trait à cet état dans une mémoire.

Par exemple, on peut enregistrer dans cette mémoire le kilométrage total parcouru par le véhicule ou encore des variables représentant des grandeurs du moteur au moment de la détection de la défaillance.

Un réparateur peut alors, par consultation dans la mémoire, déterminer facilement des causes du vieillissement du convertisseur catalytique.

Par ailleurs, dans le cas d'un diagnostic complexe, les données relatives à chacun des diagnostics de la série peuvent être enregistrées, même si au final le résultat du diagnostic complexe exprime que le convertisseur est dans un état qui ne nécessite pas de remplacement.

Un avantage est que le réparateur réalisant un réparation quelconque peut, par consultation de la mémoire, se faire une idée de la durée de vie du convertisseur.

Par exemple, s'il constate que le diagnostic complexe comporte 80% de diagnostics traduisant une défaillance au lieu de 90% (le seuil précité pris comme exemple), il peut prévenir le conducteur qu'une défaillance gênante du convertisseur n'a pas été encore signalée mais qu'elle peut se produire prochainement et qu' ainsi, par mesure de précaution, il serait préconisé d'effectuer la réparation.

Afin d' améliorer encore le procédé de surveillance de l'invention, on peut, selon une autre caractéristique de l'invention, coupler les étapes 200 à

203 à une étape 300 dans laquelle on contrôle le fonctionnement de la sonde binaire 130 en vue d'obtenir des performances en sensibilité et en durée de vie optimale.

Ainsi, lorsque le procédé ou le système de surveillance de l'invention n'est pas en action, on pilote la sonde 130 de sorte qu'elle fonctionne dans des conditions classiques. Par exemple, on pilote un courant de chauffage dans la sonde 130 avant de mettre en œuvre l'étape 200, pour que la température Tip de l'élément

sensible à la teneur en oxygène dans cette sonde soit à environ 700 ⁰ C.

En revanche, lorsque le système de surveillance est en action, on pilote la sonde pour que ladite température Tip soit à une température inférieure, de préférence entre 400 et 500 ⁰ C. Dans cette gamme de température, la sonde est sensée offrir de meilleures performances en termes de sensibilité.

Néanmoins, comme dans cette gamme de température la sonde 130 subit une dégradation plus importante qu'à 700 ⁰ C, en particulier à cause d'un encrassement plus important, une telle réduction de la température Tip de l'élément sensible reste ponctuelle.

Tout au plus, cette réduction dure le temps d'un ou quelques cycles du procédé de surveillance.

De cette manière, la durée de vie de la sonde binaire 130 est préservée.

Selon un aspect, la modification de la température Tip consiste essentiellement à changer une consigne du courant de chauffage de la sonde

130 de la valeur 700 ⁰ C à une valeur comprise dans ladite gamme.

Selon un autre aspect, la modification peut être pilotée en plusieurs étapes.

Dans le mode préféré de l'invention, on utilise deux étapes. Dans la première étape, on diminue la température Tip selon une rampe prédéterminée aboutissant dans ladite gamme 400-500 ⁰ C.

Cette rampe peut être calibrée durant ledit essai du véhicule.

Dans la deuxième étape, on régule la température de sorte qu'elle ne dépasse jamais ladite gamme. On notera ici que, quel que soit le mode de pilotage choisi, la valeur de la température Tip dans ladite gamme peut être déterminée en tenant compte de dispersions de production et/ou de vieillissement de la sonde 130.

Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et représentée sur les dessins. En particulier, le moteur de l'invention peut mettre en œuvre le procédé de surveillance à la condition que d' autres tests que ceux présentés aient été

vérifiés.

Par exemple, le procédé peut être mis en œuvre lors des purges du convertisseur et à une condition supplémentaire que la vitesse du véhicule soit inférieure à une seuil prédéterminé, par exemple 30km/h.