ASSOCIE

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

L'invention concerne un procédé de diagnostic de l'état de fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote. Elle concerne également un dispositif de diagnostic apte à la mise en œuvre d'un tel procédé. Elle trouve une application avantageuse sous la forme d'un diagnostic embarqué dans un véhicule automobile équipé d'un moteur diesel associé à un piège à oxydes d'azotes.

ETAT DE LA TECHNIQUE De nombreux moteurs modernes à combustion interne, en particulier les moteurs diesel des véhicules automobiles, sont équipés d'un piège à oxydes d'azote (NO _x ) pour respecter les normes légales qui limitent les émissions à l'échappement de polluants par ces véhicules.

Un piège à oxydes d'azote est généralement placé dans la ligne d'échappement d'un véhicule et fonctionne de manière discontinue, selon deux modes distincts.

Pendant le fonctionnement habituel du moteur en mélange pauvre, le piège retient une partie des molécules de NO _x émises par le moteur sur différents compartiments catalytiques de stockage, le reste étant rejeté dans l'atmosphère après avoir traversé le piège. Le pourcentage de molécules de NO _x du moteur qui est retenu par le piège est appelé efficacité de stockage.

Quand la masse de NO _x stockée dans le piège atteint un seuil prédéterminé en fonction de la capacité maximale de stockage, un basculement provoqué du fonctionnement du moteur en mélange riche, c'est-à-dire avec un défaut d'oxygène par rapport à la stœchiométrie, permet de régénérer le piège.

La phase de régénération consiste à purger le piège des NO _x accumulés lors de la phase de fonctionnement de stockage. Au cours de cette phase de fonctionnement en mélange riche, des réducteurs (hydrocarbures imbrûlés HC et monoxyde de carbone CO) provenant du moteur passent dans le piège et réduisent les molécules de NO _x en molécules d'azote N ₂ et de dioxyde de carbone C0 ₂ .

Pendant la phase de purge, on règle la richesse à une valeur moyenne qui est généralement comprise entre 1 ,03 et 1 ,05, par exemple 1 ,04, qui représente un bon compromis entre la durée de la régénération et la quantité de carburant consommée.

Sous l'effet du vieillissement, et parfois d'événements accidentels tels que des chocs thermiques ou mécaniques, l'efficacité de stockage d'un piège à oxydes d'azote diminue, à cause de la baisse du nombre de compartiments catalytiques disponibles dans le piège pour stocker les molécules de NO _x .

Pour s'assurer que les rejets dans l'atmosphère des gaz d'échappement d'un véhicule automobile sont en permanence conformes aux normes légales, il est courant de surveiller l'état de fonctionnement de son piège à oxydes d'azote, c'est-à-dire de tester son efficacité de stockage, grâce à un diagnostic embarqué.

On connaît plusieurs procédés qui visent à surveiller l'état de fonctionnement d'un piège à oxydes d'azote.

En particulier, la publication FR 2 940 356-B1 divulgue un procédé de diagnostic dans lequel on détermine un critère de diagnostic égal à la masse de réducteurs utilisée pendant la régénération en mode riche d'un piège à oxydes d'azote, et on compare ce rapport avec un seuil.

La masse de réducteurs consommée est égale à l'intégrale temporelle de la différence entre le débit massique de réducteurs entrant dans le piège, diminué du débit massique de réducteurs sortant du piège. Le débit de réducteurs entrant peut être calculé comme le produit du débit des gaz d'échappement, multiplié par la valeur de la richesse des gaz entrant dans le piège, mesurée par exemple par une sonde à oxygène implantée en amont du piège. De la même manière, le débit de réducteurs sortant peut être calculé comme le produit du débit des gaz d'échappement, multiplié par la valeur de la richesse des gaz sortant du piège, mesurée par exemple par une autre sonde à oxygène implantée en aval du piège.

Comme le montrent les figures 1 et 2 annexées, un tel procédé permet de détecter correctement des pièges qui ont perdu toute leur efficacité de stockage et de distinguer sans ambiguïté un piège en bon état d'un piège défectueux.

Sur chacune de ces figures, on a représenté en abscisse le temps t pendant lequel la régénération d'un piège à oxydes d'azote se déroule, et en ordonnée, la richesse des gaz d'échappement à l'entrée ou à la sortie d'un piège. La courbe 1 en trait plein représente la valeur de la richesse mesurée par une sonde à oxygène placée en amont du piège, et la courbe 2 en trait mixte représente la valeur de la richesse mesurée par une sonde à oxygène placée en aval du piège.

Pour un débit de gaz d'échappement constant, la masse de réducteurs consommée lors de la purge, qui est l'objet de la publication FR 2 940 356-B1 , est représentée par la surface hachurée 3 située entre les deux courbes de richesse précédentes, entre l'instant du début de la régénération et l'instant de la fin de la régénération.

La régénération commence lorsque la richesse des gaz est augmentée à une valeur supérieure à 1 ,04, et elle se termine à l'instant où le stock d'oxydes d'azote dans le piège est entièrement réduit, c'est-à-dire lorsqu'on peut constater qu'il n'y a plus de consommation de réducteurs à l'intérieur du piège. En d'autres termes, la régénération est stoppée au moment où la richesse des gaz à la sortie du piège rejoint la valeur de la richesse des gaz à l'entrée du piège, ici 1 ,04. Le fonctionnement du moteur est alors basculé à nouveau en mélange pauvre, ce qui est matérialisé sur les figures 1 et 2 par la brutale chute de richesse à une valeur inférieure à 0,9.

La surface hachurée 3 sur la figure 1 représente la quantité de réducteurs consommée pendant une phase de régénération d'un piège en bon état, par exemple un piège dont l'efficacité est de 70%. La surface hachurée sur la figure 2 représente la quantité de réducteurs consommée pendant une phase de régénération d'un piège complètement dégradé, par exemple un piège dont l'efficacité résiduelle est de 0%.

Malgré un certain manque de répétabilité de la mesure et une certaine dispersion liée aux tolérances de fabrication des différentes pièces du moteur et des conditions de roulage dans lesquelles se déroule la régénération, on a constaté que la quantité de réducteurs consommée pour un piège d'efficacité nulle est toujours inférieure à celle d'un piège dont l'efficacité est bonne (70%). Le diagnostic est donc fiable lorsqu'on répète la régénération et le calcul du débit de réducteurs.

En revanche, avec la sévérité toujours accrue des normes OBD, il devient nécessaire de distinguer un piège bon (par exemple ayant une efficacité de 70%) d'un piège dont l'efficacité n'est pas tout à fait nulle, par exemple un piège dont l'efficacité résiduelle est encore de 12%.

De la même manière que les figures 1 et 2, la surface hachurée sur la figure 3 représente la quantité de réducteurs consommée qui a été mesurée lors d'une purge d'un piège dont l'efficacité résiduelle est de 12%. On observe sur cette figure que la quantité de réducteurs est très voisine de celle qui est représentée sur la figure 1 . A cause de la répétabilité de la mesure et de la dispersion des composants et des conditions de roulage, il n'est pas toujours possible de distinguer les deux pièges. En d'autres termes, le procédé comporte un risque statistique de non-détection (piège défaillant déclaré bon) et de fausse détection (piège bon déclaré défaillant). RESUME DE L'INVENTION

L'invention propose de remédier au manque de précision et aux risques de diagnostics erronés des procédés de diagnostics connus dans lesquels on détermine un critère de diagnostic à partir de la masse de réducteurs consommée pendant la phase de régénération du piège.

Elle propose pour cela un procédé de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote apte à décomposer, pendant une étape de régénération, les oxydes d'azote stockés dans le piège par réaction avec des réducteurs, comprenant :

Une étape de détermination de la masse de réducteurs consommée pendant une étape de régénération ;

Une étape de comparaison de ladite masse avec un seuil de défaillance en dessous duquel on détermine que le piège est défaillant ; et, - Une étape d'émission d'un signal indiquant l'état de défaillance du piège,

ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on détermine la masse de réducteurs pendant une seconde étape de régénération du piège qui débute après un court délai de temporisation suivant une première étape de régénération complète du piège.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 4 illustre un dispositif de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote ;

la figure 5 est un organigramme des étapes d'un procédé de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote conforme à l'invention ; et, - les figures 6 et 7 sont une illustration du critère de diagnostic selon l'invention, respectivement pour un piège dont l'efficacité est égale à 70% et pour un piège dont l'efficacité est égale à 12%.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES Sur la figure 4, on a représenté un moteur 4 à combustion interne, par exemple un moteur diesel de véhicule automobile, pourvu d'un dispositif de diagnostic selon l'invention. Le moteur 4 est alimenté en air par un collecteur d'admission 5 et en carburant, par exemple du gazole, par une pluralité d'injecteurs 6 montés sur une rampe commune 7 d'alimentation en carburant.

Le moteur 4 est équipé d'un circuit d'échappement des gaz brûlés, comprenant un collecteur d'échappement 8, une conduite d'échappement 9, un dispositif de traitement 10 des émissions polluantes du moteur 4 et un pot d'échappement 1 1 sur lequel est monté un débitmètre 12, par lequel les gaz d'échappement sont évacués dans l'atmosphère.

Le moteur peut être du type suralimenté et/ou associé à au moins un circuit de recirculation des gaz d'échappement sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Le dispositif de traitement 10 des émissions polluantes se présente sous la forme d'une enveloppe métallique (ou « canning ») dé forme sensiblement cylindrique terminée à ses deux extrémités par deux cônes de liaison respectivement avec la conduite d'échappement 9 et le pot d'échappement 1 1 .

Cette enveloppe métallique contient un piège à oxydes d'azote 13. De manière non limitative, elle peut comprendre aussi un autre dispositif 14 de traitement des gaz d'échappement, par exemple un filtre à particules 14 ou un catalyseur d'oxydation 14, qui est disposé ici en aval du piège 13 (dans le sens de circulation des gaz d'échappement figuré par les flèches représentées sur la figure 4).

Le piège à oxydes d'azote 13 stocke une partie des émissions de NO _x du moteur 1 quand celui-ci fonctionne en mélange pauvre. Périodiquement, lorsqu'une phase de fonctionnement du moteur 4 en mélange riche (dite : phase de régénération, ou phase de purge) est déclenchée, le piège 13 réduit les NO _x en molécules d'azote N ₂ et de dioxyde de carbone C0 ₂ sous l'action de réducteurs, c'est-à-dire de molécules de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés émises par le moteur 4.

Le piège à oxydes d'azote 13 est associé à des moyens de détermination de la richesse des gaz d'échappement du moteur 4 respectivement à l'entrée et à la sortie du piège 13, par exemple respectivement une sonde à oxygène amont 15, disposée sur la conduite d'échappement 9 en amont du piège 13, et une sonde à oxygène aval 16, disposée sur le pot d'échappement 1 1 en aval du piège 13.

Un calculateur électronique 17 est reliée au moteur 4 par une connexion 18, à la sonde à oxygène amont 15 par une connexion 19 et à la sonde à oxygène aval 16 par une connexion 20. Le calculateur 17 comprend également un dispositif de diagnostic embarqué 21 et un moyen de commande 22 du moteur qui permet notamment de déclencher une régénération du piège à oxydes d'azote 13 par basculement du mode de fonctionnement du moteur 4 en mélange riche de celui-ci, et de déclencher son fonctionnement en mode normal, qui est un mode de stockage des oxydes d'azote, par basculement du mode de fonctionnement du moteur 4 en mélange pauvre.

Le dispositif de diagnostic 21 comprend :

un moyen de détermination 23 du débit massique de réducteurs (monoxyde de carbone et hydrocarbures imbrûlés) contenus dans les gaz d'échappement en amont Q _am du piège 13 ;

un moyen de détermination 24 du débit massique de réducteurs contenus dans les gaz d'échappement en aval Q _av du piège 13 ; un moyen d'estimation 25 de la durée At d'une régénération ;

- un moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs M _red consommée pendant une régénération ;

un moyen de de détermination 27 de l'état de défaillance du piège à oxydes d'azote 13.

Le moyen de détermination 23 du débit massique Q _am de réducteurs mesuré en amont du piège 13 est relié en entrée :

par la connexion 19, à la sonde à oxygène amont 15 ; et

par une connexion 28, au moyen de commande 22 du moteur.

Il est également relié en entrée au débitmètre 12 par une connexion non représentée. En sortie, il est relié par une connexion 29 au moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs M _red consommée pendant une régénération.

Le moyen de détermination 24 du débit massique de réducteurs mesuré en aval Q _av du piège 13 est relié en entrée :

par la connexion 20, à la sonde à oxygène aval 16 ; et par une connexion 30, au moyen de commande 22 du moteur.

II est également relié en entrée au débitmètre 12 par une connexion non représentée. En sortie, il est relié par une connexion 31 au moyen de commande 22, et par une connexion 32 au moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs M _red .

Le moyen d'estimation 25 de la durée At d'une phase de régénération est relié en entrée au moyen de commande 22 du moteur par une connexion 33. En sortie, il est relié au moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs M _red consommée pendant une régénération, par une connexion 34.

En sortie, le moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs M _red est relié par une connexion 35 au moyen de détermination 27 de l'état de défaillance du piège à oxydes d'azote 13, dont la sortie est elle-même reliée par une connexion 36 à d'autres éléments (non représentés sur la figure 4) du calculateur 17 aptes à utiliser le résultat du diagnostic, par exemple des moyens d'allumage d'une lampe témoin au tableau de bord du véhicule.

Selon l'invention, le moyen de commande 22 est apte à commander une double régénération du piège 13. Plus précisément, il commande d'abord un premier basculement du mode de fonctionnement du moteur en mélange riche lorsque la masse d'oxydes d'azote a atteint un seuil donné, et il stoppe cette première phase de régénération quand la régénération est complète, c'est-à-dire à épuisement du stock d'oxydes d'azote. Ce moment correspond à l'instant où la richesse de la sonde à oxygène aval 16 rejoint la richesse à laquelle le calculateur a réglé le moteur pour régénérer le piège 13, c'est-à-dire la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15. Cette information est communiquée par la sonde à oxygène aval 16 au calculateur 17 par la connexion 31.

A la suite de cette première régénération complète du piège, le calculateur bascule le mode de fonctionnement du moteur 4 en mode de stockage des oxydes d'azote, qui est le mode de fonctionnement normal du moteur en mélange pauvre, pendant une durée très courte. Avantageusement, cette durée est inférieure à 10 secondes. Elle est de préférence sensiblement égale à 5 secondes. Cette durée est une durée de temporisation At _temp après laquelle le calculateur 17 déclenche une seconde régénération du piège.

Le calculateur 17 émet alors un signal permettant de déclencher le calcul des débits massiques de réducteurs Q _am , Q _av en amont et en aval du piège 13 pendant cette seconde régénération. Ces débits sont calculés respectivement par les équations suivantes :

,dans lesquelles :

Qec _h désigne le débit des gaz d'échappement, mesuré par le débitmètre 12 ;

R _am désigne la richesse des gaz d'échappement en amont du piège 13, mesurée par la sonde à oxygène amont 15 ; et R _av désigne la richesse des gaz d'échappement en aval du piège 13, mesurée par la sonde à oxygène aval 16.

Ce signal sert également de déclencheur à l'intégration temporelle des débits massiques Q _am , Q _av de réducteurs, dans le moyen d'estimation 26. La masse de réducteurs M _red consommée dans le piège 13, c'est-à-dire qui participe à la réaction de réduction des molécules de NO _x stockées dans le piège 13, est obtenue par l'équation suivante :

(Eq.3) M _red = S M (Q _am - Q _av dt

,dans laquelle At désigne la durée de la seconde régénération pendant laquelle le calcul de l'intégrale est réalisé.

Le moyen de commande 22 reçoit le débit massique de réducteurs en aval Q _av . Lorsque cette valeur atteint un seuil prédéterminé, le moyen de commande 22 arrête la seconde régénération en stoppant l'émission du signal qui déclenche la régénération, ce qui arrête l'intégration temporelle réalisée dans le moyen d'estimation 26 de la masse de réducteurs.

En d'autres termes, le moyen d'estimation 25 permet de déterminer la durée At de la régénération entre l'émission et la fin de l'émission du signal issu du moyen de commande 22.

La figure 5 est un organigramme des étapes d'un procédé de diagnostic d'un piège à oxydes d'azote 13 selon l'invention.

Pendant le fonctionnement du moteur 4 en mélange pauvre, un procédé de commande 100 du moteur surveille l'accumulation de NO _x dans le piège à oxydes d'azote 13. Lorsque le piège 13 atteint une valeur prédéterminée de stockage, qui peut être voisine de sa capacité maximale de stockage, le procédé de commande 100 déclenche une première étape de régénération 1 10 du piège 13, qui consiste à modifier la teneur en réducteurs des gaz d'échappement en sortie du moteur, par un fonctionnement en mélange riche, par exemple à une richesse comprise entre 1 ,03 et 1 ,05.

Cette première étape de régénération 1 10 se poursuit jusqu'à ce que tout le stock de NO _x soit éliminé. Pour déterminer le moment où la régénération peut être arrêtée, l'unité de commande électronique 17 peut, par exemple, considérer l'instant où la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16 rejoint la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15. En effet, à cet instant, le fait que les deux valeurs de richesse soient identiques indique qu'il n'y a plus aucune consommation de réducteurs à l'intérieur du piège 13, parce-qu'il n'y a plus d'oxydes d'azote à réduire. Le procédé de commande 100 se poursuit par une brève étape de fonctionnement du moteur 4 dans son mode de stockage 120 des oxydes d'azote, qui correspond au mode normal de fonctionnement du moteur, par exemple un mode de fonctionnement en mélange pauvre pour un moteur diesel.

Avantageusement, cette étape de stockage 120 a une durée inférieure à 10 secondes, de préférence sensiblement égale à 5 secondes. Cette durée correspond à une durée de temporisation At _temp o avant le déclenchement d'une nouvelle régénération.

Après cette brève étape de fonctionnement en mode de stockage, l'unité de contrôle électronique déclenche une seconde étape de régénération 130 du piège 13. Contrairement à la première étape de régénération 1 10, la seconde étape 130 est déclenchée indépendamment de la masse de NO _x dans le piège 13. Son déclenchement ne dépend que de la durée de temporisation At _temp o écoulée depuis la fin de la première étape de régénération 1 10. Cette seconde étape de régénération 130 s'achève lorsque la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16 rejoint la valeur de la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15, par exemple 1 ,04 sur les figures 6 et 7 qui sont commentées dans la suite.

A l'issue de cette second étape de régénération 130, le procédé de diagnostic proprement dit 200 du piège à oxydes d'azote 13 peut alors être déclenché. Ce procédé 200 commence par une étape de détermination 210 du débit massique de réducteurs Q _am en amont du piège 13, obtenu selon l'équation 1 , simultanément avec une étape de détermination 220 du débit massique de réducteurs Q _av en aval du piège 13, obtenu selon l'équation 2.

La détermination de ces débits se fait pendant toute la durée de la seconde phase de régénération 130. Le procédé de diagnostic 200 se poursuit par une étape 230 de détermination de la masse de réducteurs M _red utilisée pendant la seconde phase de régénération 130. Cette masse est obtenue par intégration temporelle de l'écart des débits de réducteurs Q _am ,Qav en amont et en aval du piège 13, entre l'instant de la réception du signal de démarrage de la seconde phase de régénération 130 et l'instant de l'arrêt de la réception de ce signal (selon l'équation 3).

Le procédé 200 se poursuit par une étape 240 de la masse de réducteurs M _red utilisée pendant la seconde phase de régénération 130 avec un seuil de défaillance S en dessous duquel on détermine que le piège à oxydes d'azote 13 est défaillant. Le seuil de défaillance S peut être déterminé au banc moteur par des essais statistiques.

Le procédé 200 se termine par une étape 250 au cours de laquelle un signal d'état est émis vers le procédé de commande 100 du moteur 1 . Ce signal peut prendre deux états, soit un état défaillant, soit un état non défaillant. Lorsque l'état est défaillant, une alerte peut être remontée au conducteur, par exemple par l'allumage d'un voyant lumineux.

Les figures 6 et 7 illustrent, d'une manière similaire aux figures 1 , 2 et 3, l'évolution temporelle de la richesse des gaz à l'entrée et à la sortie d'un piège 13 à oxydes d'azote pendant une phase de commande 100 telle qu'exposé plus haut. Les courbes en trait plein 1 représentent la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15 et les courbes en trait mixte 2 représentent la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16.

La figure 6 représente le comportement d'un piège 13 en bon état, par exemple un piège dont l'efficacité a une valeur égale à 70%. La première phase de régénération 1 10 se déroule ici sensiblement entre les instants t = 63 s et t =72 s. La seconde phase de régénération 130 est déclenchée environ à l'instant t = 79 s et elle s'achève lorsque la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16 rejoint la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15. La durée de cette seconde étape de régénération est ici d'environ 4 secondes, entre les instants t = 79 s et t = 83 s. La surface hachurée 3 représente la masse de réducteurs M _red consommée pendant cette seconde étape de régénération 130.

La figure 7 représente le comportement d'un piège 13 dégradé, par exemple un piège dont l'efficacité a une valeur égale à 12%. La première phase de régénération 1 10 se déroule ici sensiblement entre les instants t = 1789 s et t =1821 s. La seconde étape de régénération 130 est déclenchée environ à l'instant t = 1831 s et elle s'achève lorsque la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16 rejoint la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15, c'est-à-dire en moins d'une seconde. La surface hachurée 3 représente la masse de réducteurs M _red consommée pendant cette seconde étape de régénération 130.

On constate en comparant les surfaces hachurées 3 des figures 6 et 7 que la masse de réducteurs M _red consommée lors de la seconde étape de régénération 130 d'un piège en bon état est de très loin la plus élevée des deux.

En effet, après la première étape de régénération 1 10, la courte étape de stockage 120 permet d'augmenter la capacité de stockage d'oxygène, dit aussi OSC (de l'acronyme anglais pour : Oxygen Storage Capacity) d'un piège 13 dans le cas où celui-ci a une bonne efficacité. Grâce à cette reconstitution de l'OSC, un piège 13 en bon état de fonctionnement peut très rapidement recommencer à absorber des réducteurs lors d'une seconde étape de purge 130 rapprochée. A l'inverse, pour un piège présentant une efficacité dégradée (par exemple 12%), la durée de temporisation At _temp o écoulée entre les deux étapes de purge 1 10, 130 ne permet pas de recharger l'OSC du piège 13, si bien que les réducteurs utilisés lors de la seconde étape de purge 130 traversent le piège sans réagir. Il en résulte que la richesse mesurée par la sonde à oxygène aval 16 rejoint presque instantanément la richesse mesurée par la sonde à oxygène amont 15.