Procédé de surveillance de l'efficacité d'un convertisseur catalytique stockant les NOx implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et moteur comportant un dispositif mettant en œuyre ledit procédé.

La présente invention concerne un procédé de surveillance de l'efficacité d'un convertisseur catalytique stockant les NOx implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et plus particulièrement d'un moteur diesel, et un moteur comportant un dispositif mettant en œuvre ledit procédé. Dans le domaine de l'automobile, il est bien connu d'utiliser des convertisseurs catalytiques stockant les NOx dans une ligne d'échappement d'un moteur diesel qui génère beaucoup d'oxydes d'azote du fait de son fonctionnement en mélange pauvre afin de piéger les oxydes d'azote et ainsi répondre aux normes en vigueur. On entend par mélange pauvre le fait que la combustion s'effectue avec un excès d'oxygène par rapport à la stoechiométrie.

Ces convertisseurs catalytiques également appelés pièges à oxydes d'azote ou « Noxtrap » ou catalyseur 4 voies ou catalyseur 3 voies fonctionne suivant deux modes distincts, un mode pauvre de stockage et un mode riche au cours duquel le convertisseur est purgé. En mode pauvre, le convertisseur catalytique stocke les oxydes d'azote dans différents compartiments. On notera que les convertisseurs catalytique stockant les NOx ont une capacité de stockage qui diminue au cours du temps. Lorsque le convertisseur catalytique a atteint sa capacité de stockage, il se purge.

La purge se produit en mode riche, c'est-à-dire lorsqu'il y a un défaut d'oxygène par rapport à la stoechiométrie. Au cours de cette purge, des réducteurs, usuellement les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone, passent dans le convertisseur et réduisent les oxydes d'azote pour les libérer dans l'atmosphère sous forme de di-azote N ₂ et de dioxyde de carbone CO ₂ .

Par ailleurs, ces convertisseurs stockent également une faible quantité d'oxygène.

Un des problèmes de ces convertisseurs catalytiques stockant les NOx est que la phase catalytique perd de son efficacité en vieillissant. En effet, le vieillissement du convertisseur catalytique se traduit généralement par une diminution du nombre de compartiments de stockage des oxydes d'azote et donc par une baisse d'efficacité de stockage et de traitement des oxydes d'azote, des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone.

Afin de s'assurer que les rejets des gaz d'échappement sont en permanence conforme aux normes en vigueur, il est usuel de surveiller l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'un moteur en établissant un diagnostic. C'est le cas par exemple de la demande de brevet FR 2 866 926 qui décrit un système de surveillance dans lequel on utilise une sonde de richesse λ positionnée en aval d'un convertisseur catalytique stockant les NOx pour mesure la richesse des gaz d'échappement à cet endroit et en déduire un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur. Ce diagnostic est basé sur la mesure d'une durée utile de réduction des oxydes d'azote stockés, cette durée dépendant d'une tension fournie par la sonde lambda (λ).

On connaît, par ailleurs, la demande de brevet FR 2773 844 qui décrit un procédé et un dispositif pour le diagnostic d'un catalyseur de stockage d'oxydes d'azote. Le procédé consiste à augmenter et diminuer de manière répétée la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur pour avoir l'image de cette variation dans le signal fourni par une sonde de gaz en aval du catalyseur et à saisir un premier déphasage entre une réduction de la concentration d'oxygène et une réaction consécutive de la sonde et un second déphasage entre une augmentation adjacente de la concentration en oxygène et une réaction suivante de la sonde, puis à déterminer la différence des déphasages et finalement à enregistrer un signal de défaut qui est émis si la différence des déphasages n'atteint pas un seuil prédéterminé.

Tous ces systèmes de diagnostic présentent l'inconvénient d'être relativement onéreux et d'être difficile à mettre en œuvre.

L'un des buts de l'invention est donc de remédier à tous ces inconvénients en proposant un procédé et un système permettant de surveiller de façon robuste, fiable et peu onéreuse l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique.

A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un procédé de surveillance de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'un moteur caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes de détermination de la quantité de réducteurs utilisés, de détermination de la quantité d'oxydes d'azote stockés dans le convertisseur catalytique, et d'établissement d'un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur à partir de la quantité de réducteurs utilisés et la quantité d'oxydes d'azote stockés dans le convertisseur catalytique.

De préférence, la quantité d'oxydes d'azote stockés dans le convertisseur catalytique est déterminée pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre du convertisseur et la quantité de réducteurs utilisés est déterminée pendant la purge du convertisseur catalytique. Par ailleurs, l'étape d'établissement du diagnostic comporte au moins les étapes suivantes de calcul d'un critère de diagnostic en fonction de la quantité de réducteurs utilisés pendant la purge du convertisseur catalytique et la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique, et de comparaison du critère de diagnostic par rapport à un une valeur seuil prédéterminée afin d'établir un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur.

De plus, la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique est déterminée à partir d'une mesure d'une part de la teneur en oxygène dans un gaz située en amont du convertisseur et d'autre part de la teneur en oxygène dans un gaz situé en aval du convertisseur. La quantité de réducteurs utilisés pendant la purge du convertisseur catalytique est de la forme suivante :

où tO et t1 sont respectivement les temps de début et de fin de purge, débitgaz est le débit du gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique et λamont et

λaval sont la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz située en amont du convertisseur et respectivement la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz situé en aval dudit convertisseur.

De préférence, la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique est déterminée en calculant la masse d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur en fonction des caractéristiques du convertisseur catalytique, des températures issues du modèle thermique pour chaque réacteur individuel et du débit massique de gaz d'échappement du moteur.

Ledit critère de diagnostic est de la forme suivante :

Mr ed c =

MNOxstockés où « MNOxstockés » est la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique.

Un autre objet de l'invention concerne un moteur comportant un convertisseur catalytique stockant les NOx, une première et une seconde sonde positionnée en amont et respectivement en aval du convertisseur et aptes à délivrer un signal binaire ou proportionnel à une teneur en oxygène dans un gaz d'échappement ou des capteurs NOx en amont et en aval du convertisseur, et des moyens pour établir un diagnostic sur un état de fonctionnement dudit convertisseur, caractérisé en ce que les moyens sont agencés pour déterminer la quantité de réducteurs utilisés lors de la purge du système, déterminer la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique, et établir un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur à partir de la quantité de réducteurs utilisés et la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique.

Lesdits moyens sont agencés pour déterminer la quantité d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur catalytique pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre du convertisseur.

Par ailleurs, les moyens sont agencés pour déterminer la quantité de réducteurs utilisés pendant la purge du convertisseur catalytique.

De préférence, les moyens sont agencés pour calculer un critère de diagnostic en fonction de la quantité de réducteurs utilisés pendant la purge du convertisseur

catalytique et la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique, puis comparer ledit critère de diagnostic par rapport à un une valeur seuil prédéterminée afin d'établir un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur.

La quantité de réducteurs utilisés pendant la purge du convertisseur catalytique est de la forme suivante :

Mred = debitgaz x où tO et t1 sont respectivement les temps de début et de fin de purge, debitgaz est le débit du gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique et λamont et λaval sont la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz située en amont du convertisseur et respectivement la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz situé en aval dudit convertisseur.

De plus, le critère de diagnostic est de la forme suivante :

Mred c =

MNOxstockés où « MNOxstockés » est la quantité d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur catalytique.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, du procédé de surveillance de l'efficacité d'un convertisseur catalytique stockant les NOx implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et d'un moteur comportant un dispositif mettant en œuvre ledit procédé conforme à l'invention, à partir des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur selon un mode préféré de l'invention, - la figure 2 est un organigramme des étapes du procédé suivant l'invention,

- la figure 3 est une illustration graphique des résultats des diagnostics suivant l'invention.

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

Ledit moteur 1 comporte classiquement un bloc moteur 2, une ligne d'échappement 3 dans laquelle circule un gaz d'échappement émis par le bloc moteur 2, et des moyens de commande permettant de contrôler les performances du moteur.

Ledit bloc moteur 2 comporte notamment un collecteur d'admission 4 et d'échappement 5.

La ligne d'échappement 3 est notamment composée d'une part d'un turbocompresseur 6 muni d'une turbine 6a apte à entraîner un compresseur 6b et d'autre part d'un convertisseur catalytique 7 stockant les NOx.

La turbine 6a du turbocompresseur 6 reçoit le gaz d'échappement sortant du collecteur d'échappement 5 et le compresseur 6b reçoit de l'air frais pour le comprimer et suralimenter le collecteur d'admission 4. Ledit air frais passe à travers un débitmètre 8 et un filtre à air non représenté sur la figure 1.

Il est bien évident que la ligne d'échappement 3 peut comporter un système de recirculation du gaz d'échappement communément appelé EGR selon l'acronyme anglo-saxon « Exhaust Gaz Recirculation » sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Le convertisseur catalytique 7 stockant les NOx est alimenté par la sortie de la turbine 6a du turbocompresseur 6 de telle manière qu'il reçoive le gaz d'échappement qui sort de la turbine 6a après l'avoir entraîné en rotation.

Ce convertisseur catalytique 7 a pour fonction de piéger les oxydes d'azote (NOx) présents dans le gaz d'échappement. Ledit convertisseur catalytique 7 est classiquement constitué d'un monolithe à structure poreuse imprégnée d'une phase catalytique et présentant une grande surface de contact avec le gaz d'échappement.

Ledit monolithe peut également être un filtre à particules ou un catalyseur d'oxydation couplant le post-traitement du gaz par réduction des oxydes d'azote NOx à un post-traitement de particules d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxydes de carbone.

Par ailleurs, le moteur 1 comporte une sonde amont 9 positionnée sur la ligne d'échappement 3 en amont du convertisseur catalytique 7, c'est-à-dire entre la turbine 6a et le convertisseur catalytique 7, et de préférence à l'entrée dudit convertisseur 7, et délivrant une mesure λamont de la teneur en oxygène dans le gaz d'échappement situé en amont dudit convertisseur 7.

Ladite sonde amont 9 consiste de préférence dans une sonde du type proportionnelle délivrant un signal proportionnel à la teneur en oxygène qui est en contact avec un élément sensible composant ladite sonde 9.

Le moteur 1 comporte également une sonde aval 10 positionnée sur la ligne d'échappement 3 en aval du convertisseur catalytique 7, c'est-à-dire entre ledit convertisseur catalytique 7 et la sortie des gaz d'échappement, et de préférence à la sortie dudit convertisseur 7, et délivrant une mesure λaval de la teneur en oxygène dans le gaz d'échappement situé en aval dudit convertisseur 7.

Ladite sonde aval 10 consiste de préférence dans une sonde du type proportionnelle délivrant un signal proportionnel à la teneur en oxygène qui est en contact avec un élément sensible composant ladite sonde 10.

Les sondes amont 9 et aval 10 peuvent consister dans des sondes du type binaire, c'est-à-dire des sondes délivrant un signal du type tout ou rien en fonction de la teneur en oxygène qui est en contact avec l'élément sensible de la sonde, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. On entend par « tout ou rien » le fait que le signal délivré par la sonde prend généralement deux valeurs parfaitement distinguables telles que 0 et 1 par exemple. Les sondes amont 9 et aval 10 peuvent encore consister en des capteurs NOx.

Lesdites sondes amont 9 et aval 10 sont connectées à une unité de contrôle électronique 11 dite UCE éventuellement couplée à un calculateur non représenté sur la figure 1.

Cette unité de contrôle électronique 11 est également connectée au débit mètre 8 et pilote le moteur 1 de manière bien connu en soi en mettant en œuvre un procédé de commande approprié. Ladite unité de contrôle électronique 11 comporte également des moyens de surveillance de l'état de fonctionnement du convertisseur catalytique 7 et plus

précisément des moyens pour établir un diagnostic sur un état de fonctionnement dudit convertisseur 7.

Lesdits moyens sont agencés pour déterminer la quantité de réducteurs utilisés dans le convertisseur 7, déterminer la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique, et établir un diagnostic sur l'état de fonctionnement du convertisseur à partir de la quantité de réducteurs utilisés et la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique.

Plus précisément, lesdits moyens sont agencés pour déterminer la quantité d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur catalytique pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre du convertisseur 7 et déterminer la quantité de réducteurs utilisés pendant la purge dudit convertisseur catalytique 7.

Afin d'établir un diagnostic sur l'état de fonctionnement dudit convertisseur 7, lesdits moyens sont agencés pour calculer un critère de diagnostic ç en fonction de la quantité de réducteurs utilisés pendant la purge du convertisseur catalytique 7 et la quantité d'oxydes d'azote stockées dans le convertisseur catalytique 7 pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre, puis comparer ledit critère de diagnostic ç par rapport à un une valeur seuil prédéterminée.

La quantité d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur catalytique 7 pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre du convertisseur 7 est de la forme suivante :

où tO et t1 sont respectivement les temps de début et de fin de purge, débitgaz est le débit du gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique et λamont et λaval sont la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz située en amont du convertisseur et respectivement la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz situé en aval dudit convertisseur fournies par les sondes amont 9 et respectivement aval 10.

Ainsi, le critère de diagnostic ç est de la forme suivante : Mred c = -

MNOxstockés

Où « MNOxstockés » estimée est la masse d'oxydes d'azote stockée lorsque le convertisseur catalytique 7 fonctionne en mode pauvre. « MNOxstockés » peut être issue d'un capteur ou d'un modèle.

Cette masse d'oxydes d'azote stockée lorsque le convertisseur catalytique 7 fonctionne en mode pauvre « MNOxstockés » est de préférence déterminée par modélisation.

Cette masse est par exemple déterminée en calculant la masse d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur 7 en fonction des caractéristiques du convertisseur catalytique 7, des températures issues du modèle thermique pour chaque réacteur individuel et du débit massique de gaz d'échappement du moteur comme il est décrit dans la demande de brevet français FR 2 856 741.

Il va de soi que cette quantité d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur catalytique 7 pourra être déterminée par tout autre moyen connu sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, comme il sera détaillé plus loin, si le critère de diagnostic ç est inférieur à une valeur seuil déterminée, cela indique que ledit convertisseur 7 a atteint un degré de vieillissement important et qu'il présente des défaillances de fonctionnement. L'unité de contrôle électronique 11 pourra alors activer un voyant lumineux du tableau de bord pour prévenir le conducteur qu'une réparation est nécessaire. On décrira ci-après, en référence aux figures 1 à 3, le procédé de surveillance de l'état de fonctionnement d'un convertisseur catalytique d'un moteur suivant l'invention.

En référence à la figure 3, le procédé comporte une première étape 100 dans laquelle le convertisseur catalytique 7 est en mode pauvre et stocke les oxydes d'azote dans différents compartiments.

Dans une étape 110, la masse des oxydes d'azote stockée est déterminée pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre aux moyens de sondes de richesse situées en amont et en aval du convertisseur catalytique 7. Afin de s'affranchir des problèmes de temps de réponse des sondes, la détermination de la masse des oxydes d'azote est effectuée lorsque le débit des gaz d'échappement est supérieur à un seuil déterminé.

Cette masse d'oxydes d'azote stockée lorsque le convertisseur catalytique 7 fonctionne en mode pauvre « MNOxstockés » est de préférence déterminée par modélisation.

Cette masse est par exemple déterminée en calculant la masse d'oxydes d'azote stockée dans le convertisseur 7 en fonction des caractéristiques du convertisseur catalytique 7, des températures issues du modèle thermique pour chaque réacteur individuel et du débit massique de gaz d'échappement du moteur comme il est décrit dans la demande de brevet français FR 2 856 741.

Tant que la masse d'oxydes d'azote stockée « MNOxstockés » est inférieure à un seuil prédéterminé (115), le convertisseur catalytique 7 fonctionne en mode pauvre et stocke des oxydes d'azote

Lorsque la masse d'oxydes d'azote stockée « MNOxstockés » est supérieure à un seuil prédéterminé (120), l'unité de contrôle électronique 11 pilote le convertisseur catalytique 7 pour le purger dans une étape 130. On observera que la masse d'oxydes d'azote stockée « MNOxstockés » peut être déterminée par différente modélisation, ou mesurée par capteur.

Une première méthode peut consister à déterminer cette masse d'oxydes d'azote stockée à partir d'un modèle qui tient compte du vieillissement du convertisseur catalytique, c'est-à-dire qui tient compte du fait que ce dernier stocke de moins en moins d'oxydes d'azote en vieillissant.

Une seconde méthode peut consister à déterminer cette masse d'oxydes d'azote stockée à partir d'un modèle qui ne tient pas compte du vieillissement du convertisseur catalytique 7, ce qui est le cas de la méthode suivant l'invention.

On calcule ensuite un critère de diagnostique ç_, dans une étape 140, jusqu'à la fin de phase de purge des oxydes d'azote, c'est-à-dire jusqu'à la fin (150) du mode riche du convertisseur catalytique 7.

Ce critère de diagnostic c est calculé en fonction de la quantité de réducteurs utilisés « Mred » et la quantité d'oxydes d'azote stockée « MNOx stockés » dans le convertisseur catalytique 7.

La quantité de réducteurs utilisés « Mred » dans le convertisseur catalytique 7 pendant la phase de fonctionnement en mélange pauvre du convertisseur 7, c'est-à- dire pendant la purge, est de la forme suivante :

où tO et t1 sont respectivement les temps de début et de fin de purge, débitgaz est le débit du gaz d'échappement dans le convertisseur catalytique et λamont et λaval sont la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz située en amont du convertisseur et respectivement la mesure de la teneur en oxygène dans le gaz situé en aval dudit convertisseur fournies par les sondes amont 9 et respectivement aval 10.

Le critère de diagnostic ç est alors calculé à partir de la formule suivante :

Mred c =

MNOxstockés où « MNOxstockés » est la masse d'oxydes d'azote stockée lorsque le convertisseur catalytique 7 fonctionne en mode pauvre, telle que déterminée précédemment.

On notera que ce critère de diagnostic ç est adimensionnel de sorte qu'il est plus fiable.

Par ailleurs, on observera que le modèle utilisé pour déterminer la masse d'oxydes d'azote stockée ne tient pas compte du vieillissement du convertisseur catalytique de sorte que cette masse sera surestimée lorsque ledit capteur vieillira évitant ainsi toute détection abusive d'un dysfonctionnement du convertisseur catalytique 7.

Dans une étape 160, on compare le critère de diagnostic ç ainsi calculé avec une valeur seuil prédéterminée. En référence aux figures 2 et 3, si le critère de diagnostic ç est supérieur à la valeur seuil prédéterminée (165) cela indique que le convertisseur catalytique 7 fonctionne normalement (170).

Par contre, si le critère de diagnostic ç est inférieur à la valeur seuil prédéterminée (175), cela indique que ledit convertisseur a atteint un degré de

vieillissement important et qu'il présente des défaillances de fonctionnement (180).

L'unité de contrôle électronique 11 pourra alors activer un voyant lumineux du tableau de bord pour prévenir le conducteur qu'une réparation est nécessaire.

Il est bien évident que l'unité de contrôle électronique 11 pourra enregistrer la valeur du critère de diagnostic ç dans une unité de mémoire et activer le voyant lumineux que lorsque le dysfonctionnement aura été détecté après plusieurs roulages consécutifs.

Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.