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(11) | EP 1 006 270 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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Procédé de commande de purge en oxydes d'azote d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne Steuerverfahren zum entfernen von Stickstoffoxide von einem Abgaskataslysator eines Verbrennungsmotors Control method of the purging of nitrogen oxides in a catalytic converter for exhaust gases of an internal combustion engine |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0001] La présente invention est relative à un procédé de commande de la purge en oxydes d'azote d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit pot absorbant de tels oxydes lors du fonctionnement en mélange air/carburant pauvre dudit moteur. Plus particulièrement, l'invention est relative à un tel procédé du type suivant lequel on commande une purge du pot par un accroissement temporaire de la richesse en carburant du mélange air/carburant.
[0002] Pour réduire la pollution de l'atmosphère par les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, en particulier ceux qui assurent la propulsion des véhicules automobiles, on équipe couramment les lignes d'échappement de ces gaz d'un pot catalytique ayant pour fonction de transformer les espèces chimiques nocives contenues dans ces gaz en espèces moins nocives, voire inoffensives.
[0003] C'est ainsi que l'on connaît un pot catalytique dit "à trois voies" ou "trifonctionnel", du fait qu'il assure une triple fonction d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HC), d'oxydation du monoxyde de carbone (CO) en CO2 et de réduction des oxydes d'azote (NOx) en azote gazeux.
[0004] Le souci de réduire les émissions de gaz et l'effet de serre, en particulier les émissions de gaz carbonique CO2 a provoqué de l'intérêt pour un moteur à combustion interne capable de fonctionner avec un rapport air/carburant dit "pauvre", c'est-à-dire supérieur à celui d'un mélange stoechiométrique. Cependant, lorsqu'on utilise un pot catalytique trifonctionnel classique pour dépolluer les gaz d'échappement d'un tel moteur fonctionnant en mélange pauvre, on observe une très faible efficacité du pot dans la réduction des oxydes d'azote (NOx).
[0005] Pour pallier cet inconvénient, on propose dans le brevet européen n° 560 991 d'utiliser un pot catalytique trifonctionnel comprenant en outre des moyens d'adsorption des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement, lorsque le mélange air/carburant provenant du moteur est pauvre.
[0006] Pour éviter que cette adsorption ne provoque à la longue la saturation de la capacité d'adsorption du pot catalytique, le brevet précité propose de commuter périodiquement la richesse du mélange air/carburant à une valeur correspondant à un mélange stoechiométrique ou riche. Cette commutation provoque la désorption des oxydes d'azote adsorbés dans le pot puis leur réduction par les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone présents dans le pot du fait de l'accroissement de la richesse du mélange. La durée de la commutation nécessaire pour désorber et réduire les oxydes d'azote stockés dans le pot catalytique est proportionnelle à la masse des oxydes d'azote stockés.
[0007] Il faut veiller à ce que les opérations de purge du pot ne perturbe pas sensiblement le couple délivré par le moteur, de manière à ménager le confort des passagers du véhicule. A cet égard, les diverses stratégies de commande décrites dans le brevet précité ne sont pas satisfaisantes car, combinées à une telle commande en couple, elles provoqueraient des pics d'émission d'espèces polluantes (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés) pendant les phases transitoires, notamment lors du retour en mélange pauvre à la fin d'une purge, du fait du temps de réponse de certains actionneurs utilisés tels que, notamment, le papillon des gaz motorisé et commandé par un calculateur, qui sert à régler le débit d'air entrant dans le moteur.
[0008] La présente invention a précisément pour but de fournir un procédé de commande de la purge en oxydes d'azote d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, qui permette d'assurer le maintien, pendant et après une phase de purge du pot, du couple moteur antérieur, tout en réduisant la consommation en carburant du moteur pendant cette purge et la quantité d'espèces chimiques polluantes contenues dans les gaz de combustion du moteur.
[0009] On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de commande de la purge en oxydes d'azote d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit pot absorbant lesdits oxydes d'azote quand ledit moteur fonctionne en mélange air/carburant pauvre en carburant, ledit procédé étant du type suivant lequel
a) on commande une purge par un accroissement temporaire de la richesse en carburant dudit mélange en réduisant progressivement le débit d'air entrant dans le moteur de manière à optimiser la consommation en carburant du moteur à la richesse fixée, en réduisant brusquement, à une valeur prédéterminée, l'angle d'avance à l'allumage du mélange air/carburant, pour maintenir la constance du couple délivré par le moteur, et en asservissant ensuite une remontée dudit angle d'avance à ladite réduction du débit d'air, jusqu'à une deuxième valeur prédéterminée optimisant la consommation en carburant du moteur en fonction de la richesse et du débit d'air fixé pendant la purge,
b) on arrête la purge en ramenant les valeurs de la richesse du mélange air/carburant, du débit d'air et de l'angle d'avance à l'allumage dudit mélange, aux valeurs respectives antérieures au déclenchement de la purge,
ce procédé étant remarquable en ce que, à l'étape b), on abaisse d'abord la richesse du mélange air/carburant à une valeur intermédiaire entre les richesses de purge et de mélange pauvre, avec commande concomitante d'une remontée progressive du débit d'air et d'une remontée brusque de l'angle d'avance à l'allumage à une troisième valeur prédéterminée fonction de ladite richesse intermédiaire, on asservit ensuite une décroissance dudit angle jusqu'à une quatrième valeur prédéterminée pendant la remontée du débit d'air, et on rétablit enfin la richesse du mélange, le débit d'air et l'angle d'avance à l'allumage aux valeurs respectives antérieures à la purge.[0011] Comme on le verra plus loin en détail, en commandant ainsi simultanément le débit d'air entrant dans le moteur et l'angle d'avance à l'allumage du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur, on assure la constance du couple délivré par le moteur sans provoquer les surconsommations et les pics de pollution évoqués en préambule de la présente description.
[0012] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel :
- la figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion interne équipé pour assurer la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, et
- la figure 2 rassemble des graphes utiles à la description du procédé suivant l'invention.
[0013] On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où l'on a représenté schématiquement un des cylindres d'un moteur 1 à combustion interne, muni classiquement d'un piston la, d'une soupape d'admission 1b et d'une soupape d'échappement lc. La soupape d'échappement lc commande le passage des gaz de combustion sortant du moteur, dans une ligne d'échappement 2 sur laquelle est monté un pot catalytique trifonctionnel 3 du type décrit en préambule de la présente description.
[0014] L'alimentation en carburant du cylindre est réalisée à l'aide d'un injecteur de carburant 4 débouchant dans le cylindre, dans le cas d'un moteur dit à "injection directe", ou d'un injecteur 5 arrosant classiquement la soupape d'admission 1b, comme représenté en trait interrompu à la figure 1.
[0015] Le débit d'air entrant dans le cylindre par cette soupape 1b est réglé par un circuit d'admission d'air comprenant un papillon des gaz "motorisé" 6 commandé par un calculateur numérique 7, comme cela est maintenant classique. Le calculateur commande, outre le papillon 7 et l'injecteur 4 ou 5, une bougie d'allumage 8 de manière à ajuster l'angle d'avance à l'allumage du mélange air/carburant introduit dans le cylindre.
[0016] On se réfère maintenant à la figure 2 du dessin annexé pour décrire le procédé de purge suivant l'invention. Celui-ci est mis en oeuvre alors que le moteur est alimenté en mélange air/carburant pauvre. On sait qu'alors le pot catalytique 3 se charge en oxydes d'azote. On connaît, par exemple de la demande de brevet français n° 97 15775 déposée le 12 décembre 1997 par la demanderesse, un système expert conçu pour évaluer continuellement l'efficacité du pot en matière d'adsorption des oxydes d'azote et pour déclencher une purge du pot, quand cette efficacité devient insuffisante.
[0017] On a représenté à la figure 2 l'évolution, respectivement, de la richesse R du mélange air/carburant, du débit d'air D entrant dans le moteur et de l'angle α d'avance à l'allumage, à partir d'un instant t1 de déclenchement d'une purge, instant déterminé par ledit système expert par exemple, ces évolutions étant déterminées par le procédé de commande de purge suivant l'invention, tel qu'il est décrit en détail dans la suite.
[0018] A l'instant t1, le calculateur commande un accroissement brusque de la quantité d'essence injectée dans le moteur et donc de la richesse du mélange air/carburant, de manière que celui-ci convienne à la purge du pot en oxydes d'azote, cette richesse passant alors de la valeur antérieure R0 correspondant à un mélange pauvre, à une valeur R1 supérieure à celle (R2) correspondant à la stoechiométrie.
[0019] Simultanément, suivant l'invention, le calculateur 7 commande une réduction progressive du débit d'air entrant dans le moteur à partir de la valeur D0 antérieure, et une réduction brusque de l'angle d'avance à l'allumage α, qui passe alors de la valeur antérieure α0 à une valeur α1.
[0020] La réduction commandée du débit d'air, concomitante à l'accroissement de richesse, permet d'adapter ce débit à la richesse demandée, et donc d'assurer un fonctionnement optimal du moteur du point de vue de la consommation en carburant et donc aussi du point de vue de la limitation de la production d'espèces polluantes que provoque la combustion du mélange air/carburant.
[0021] La brusque réduction de l'angle d'avance α à la valeur α1 est calculée pour compenser le brusque accroissement du couple moteur qui résulterait autrement de l'accroissement brusque de la valeur de la richesse du mélange air/carburant jusqu'à la valeur R1. On stabilise ainsi le couple moteur à sa valeur antérieure à la purge, au profit du confort des passagers.
[0022] On observe cependant que certains actionneurs du système de commande du moteur ont un temps de réponse qui ne peut être négligé. Il en est ainsi notamment du système mécanique que constitue le papillon motorisé 6, qui ne peut s'ouvrir ou se fermer instantanément. Le phénomène de "mouillage de paroi" par le carburant injecté n'est pas non plus immédiatement réversible. D'autres phénomènes physiquestels que le remplissage/vidage en air du moteur ont une constante de temps importante. Ces temps de réponse et retards provoquent, dans les phases transitoires de la purge, des évolutions du couple moteur qui peuvent engendrer des désagréments de conduite si l'avance à l'allumage n'est pas asservie au débit d'air.
[0023] Suivant l'invention, on supprime ces évolutions de couple en remontant progressivement l'angle α d'avance à l'allumage, de la valeur α1 à une valeur α2 correspondant à un fonctionnement optimum du moteur au débit d'air D1 et à la richesse R1 de consigne pendant la purge, cette remontée progressive de l'angle α d'avance à l'allumage étant asservie à la réduction du débit d'air de manière à suivre celle-ci dans le temps. Le temps de réponse du circuit d'admission d'air est ainsi totalement pris en compte par le procédé suivant l'invention, ce qui permet de limiter la consommation en carburant du moteur pendant la purge ainsi que les émissions d'espèces polluantes, sans perturber le couple moteur.
[0024] L'asservissement de l'angle α au débit d'air peut être obtenu simplement par une programmation convenable du calculateur 7.
[0025] Quand le système expert détermine que le pot catalytique 3 a retrouvé son efficacité, il commande, à l'instant t2, l'arrêt de la purge, c'est-à-dire le rétablissement à terme des valeurs R0, D0 et α0 de la richesse, du débit d'air et l'angle d'avance à l'allumage respectivement.
[0026] On pourrait revenir à ces valeurs par une stratégie symétrique de celle appliquée au déclenchement de la purge. Il faudrait alors attendre, le débit d'air étant maître, que celui-ci revienne à sa valeur initiale (D0) alors que l'avance α, asservie au débit d'air, assure la conservation du couple. Si le pot 3 est entièrement purgé à l'instant t2, on observerait des pics de pollution (par hydrocarbures imbrûlés et oxydes d'azote) après l'instant t2, jusqu'au rétablissement du débit D0 du fait du temps de réponse du circuit d'admission d'air.
[0027] Suivant l'invention, on surmonte cette difficulté en revenant au mélange pauvre en passant par un mélange de richesse de valeur R2 intermédiaire entre R1 et R0, la valeur R2 correspondant à un mélange stoechiométrique, par exemple, valeur de richesse pour laquelle le catalyseur à trois voies traite les émissions polluantes.
[0028] Simultanément, le calculateur commande le papillon 6 de manière à accroître le débit d'air entrant dans le moteur jusqu'à revenir progressivement à un mélange air/carburant de richesse R0, donc à un mélange "pauvre".
[0029] A l'instant t2, suivant l'invention, le calculateur relève brusquement l'angle d'avance à l'allumage α à la valeur α3, de manière à compenser la réduction brutale de la richesse observée à cet instant, α3 correspondant à la valeur optimale de l'avance quand le mélange air/carburant est de composition stoechiométrique. Après l'instant t2, l'avance est de nouveau asservie au débit d'air jusqu'à ce que celui-ci revienne à la valeur D0, à l'instant t3. A cet instant, on ramène l'avance α et la richesse R aux valeurs α0 et R0 respectivement, correspondant au mélange pauvre.
[0030] Cette stratégie d'évolution de la richesse R et de l'angle α d'avance à l'allumage dans l'intervalle de temps [t2,t3] permet d'adapter plus étroitement, grâce à l'asservissement utilisé, ces grandeurs aux variations du débit d'air D pendant cet intervalle de temps, ce débit étant tributaire d'un temps de réponse d'origine mécanique qui n'affecte pas les évolutions des grandeurs R et α.
[0031] Il apparaît maintenant que la présente invention permet bien d'atteindre le but fixé, à savoir assurer la purge en oxydes d'azote d'un pot catalytique, sans perturbation du couple délivré par le moteur et sans surconsommation de carburant et pics de pollution transitoires dans les gaz d'échappement du moteur.
a) on commande une purge du pot (3) par un accroissement temporaire de la richesse (R) en carburant du mélange en réduisant progressivement le débit d'air (D) entrant dans le moteur de manière à optimiser la consommation en carburant du moteur à la richesse fixée, en réduisant brusquement l'angle (α) d'avance à l'allumage du mélange air/carburant à une valeur prédéterminée (α1) pour maintenir la constance du couple délivré par le moteur (1), et en asservissant ensuite une remontée dudit angle (α) d'avance à ladite réduction du débit d'air (D), jusqu'à une deuxième valeur prédéterminée (α2) optimisant la consommation en carburant du moteur (1) en fonction de la richesse (R1) et du débit d'air (D1) fixé pendant la purge,
b) on arrête la purge en ramenant les valeurs de la richesse (R) du mélange air/carburant, du débit d'air (D) et de l'angle (α) d'avance à l'allumage dudit mélange, aux valeurs (R0,D0,α0) respectives antérieures au déclenchement de la purge,
ce procédé étant caractérisé en ce que, à l'étape b), on abaisse d'abord la richesse du mélange air/carburant à une valeur (R2) intermédiaire entre les richesses de purge (R1) et de mélange pauvre (R0), avec commande concomitante d'une remontée progressive du débit d'air (D) et d'une remontée brusque de l'angle (α) d'avance à l'allumage à une troisième valeur prédéterminée (α3) fonction de ladite richesse intermédiaire, on asservit ensuite une décroissance dudit angle (α) jusqu'à une quatrième valeur (α4) prédéterminée pendant la remontée du débit d'air, et on rétablit enfin la richesse du mélange, le débit d'air et l'angle d'avance à l'allumage aux valeurs respectives (R0,D0,α0) antérieures à la purge.a) purging of the converter (3) is controlled by a temporary increase in the fuel richness (R) of the mixture by progressively reducing the flow rate of air (D) entering into the engine such as to optimise the engine fuel consumption at the richness fixed, by rapidly reducing the angle of advance ignition (α) of the air/fuel mixture to a pre-determined value (α1) in order to maintain the constancy of the torque delivered by the engine (1), and by then controlling an increase in said angle of advance ignition (α) again to said reduction in the flow rate of air (D) to a second pre-determined value (α2) optimising the fuel consumption of the engine (1) according to the richness (R1) and of said air low rate (D1) feed during the purge,
b) the purge is terminated by returning the values of the richness (R) of the air/fuel mixture, of the air flow rate (D) and of the angle of advance ignition (α) of said mixture to the respective values (R0, D0, α0) prior to the initiation of the purge,
this method being characterised in that at step b) the richness of the fuel/air mixture is firstly reduced to a value (R2) that is intermediate between the purging richness (R1) and lean mixture richness (R0) with concomitant control of the air flow rate (D) and rapid increase again of the angle of advance ignition (α) to a third pre-determined value (α3) according to said intermediate richness, a decrease in said angle (α) to a fourth pre-determined value is then made during the increasing of the air flow rate, and lastly the richness of the mixture, the air flow rate and the angle of advance ignition are returned to the respective values (R0, D0, α0) prior to purging.a) Einleitung des Entfernens aus dem Auspufftopf (3) durch zeitweise Vergrößerung der Anreicherung (R) mit Kraftstoff des Gemisches und zunehmende Verringerung der in den Motor eintretenden Luftmenge (D), so dass der Kraftstoffverbrauch des Motors bei der festgelegten Anreicherung optimiert ist und mit plötzlicher Verringerung des Winkels (α) der Vorzündung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf einen vorgegebenen Wert (α1) zur Beibehaltung eines konstanten, vom Motor (1) abgegebenen Drehmomentes und anschließende Steuerung eines Wiederanstiegs des Winkels (α) der Vorzündung entsprechend der Verringerung der Luftmenge (D) bis auf einen zweiten vorgegebenen Wert (α2) zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs des Motors (1) als Funktion der Anreicherung (R1) und der während des Entfernens festgelegten Luftmenge (D1),
b) Beendigung des Entfernens durch Rückkehr der Werte für die Anreicherung (R) des Luft-Kraftstoff-Gemisches, der Luftmenge (D) und des Winkels α der Vorzündung für das Gemisch auf die entsprechenden Werte R0, D0, α0 vor dem Einleiten des Entfernens,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Schrittes b) zuerst die Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf einen Wert (R2) verringert wird, der zwischen den Werten für die Anreicherung während des Entfernens (R1) und dem Wert (R0) für das magere Gemisch liegt, mit gleichzeitiger Steuerung eines zunehmenden Wiederanstiegs der Luftmenge (D) und eines plötzlichen Anstiegs des Winkels (α) der Vorzündung auf einen dritten vorgegebenen Winkel (α3) als Funktion der Zwischenanreicherung, wonach eine Verringerung des Winkels (α) bis auf einen vierten vorgegebenen Wert (α4) während des Wiederanstiegs der Luftmenge durchgeführt wird und schließlich die Anreicherung des Gemisches, die Luftmenge und der Winkel der Vorzündung wieder auf die ursprünglichen Werte (R0, D0, α0) vor dem Entfernen eingestellt werden.