[0001] La présente invention concerne un procédé d'optimisation du chauffage d'un catalyseur
de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, pour limiter
la consommation de carburant du moteur.
[0002] Un procédé selon l'invention, concerne notamment les véhicules équipés de moteurs
à allumage commandé (fonctionnant à l'essence) devant respecter les futures normes
d'émissions polluantes en Europe.
[0003] Les seuils d'émissions règlementaires étant de plus en plus faibles, en particulier
sur les oxydes d'azote NOx, il faut que le système de post-traitement catalytique
d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile puisse post-traiter au plus
vite les émissions polluantes en sortie de moteur après un démarrage à froid du moteur.
[0004] Actuellement, pour parvenir à un tel résultat, on peut procéder à une phase de chauffage
du catalyseur en dégradant le rendement du moteur, afin d'avoir des gaz très chauds
à la sortie de la culasse dudit moteur. Le principal levier utilisé est de fortement
réduire l'avance à l'allumage, typiquement avec 35° d'angle de vilebrequin en moins.
[0005] La publication
EP-B1-0639708 divulgue un procédé de chauffage d'un catalyseur, dans lequel on augmente le débit
d'air, on adapte la masse de carburant injectée et on décale l'avance à l'allumage
le plus possible dans le sens du retard. Un inconvénient d'un tel procédé est qu'il
provoque une augmentation significative d'environ 30%, de la consommation de carburant
pendant toute la phase de chauffage du catalyseur.
[0006] Il existe d'autres types de chauffage du catalyseur, notamment par chauffage électrique,
et/ou par injection d'air à l'échappement. Or, de tels moyens vont également entraîner
de manière indirecte une surconsommation de carburant pour pouvoir produire l'énergie
électrique puisée dans la batterie du véhicule et consommée par les moyens de chauffage
électrique et/ou par les moyens d'injection d'air comme une pompe électrique.
[0007] Les émissions de dioxyde de carbone CO
2 étant elles aussi de plus en plus contraintes, il faut pouvoir chauffer le catalyseur
« au juste nécessaire », donc optimiser la durée de chauffage dudit catalyseur. Or,
la durée de chauffage optimale du catalyseur dépend de nombreux paramètres tels que
:
- La température de l'échappement lors du démarrage à froid du moteur : plus la température
ambiante est faible, et plus il faudra du temps pour amener le catalyseur à la bonne
température. Sur un arrêt du véhicule qui s'accompagne d'un arrêt du moteur pendant
la phase de chauffage du catalyseur, il est aussi difficile d'estimer la baisse de
température,
- Le profil du roulage : si après un démarrage à froid, le client roule à des faibles
vitesses / charges, il faudra plus de temps pour chauffer le catalyseur car il y a
moins de débit à l'échappement,
- L'état de vieillissement du catalyseur : plus le catalyseur a vieilli, moins il est
efficace, et il faut donc augmenter sa durée de chauffage.
[0008] Tous ces paramètres ne sont pas appréhendables précisément par le système de contrôle-moteur,
afin d'optimiser la durée de chauffage du catalyseur. On pourrait utiliser un critère
de température du catalyseur au-delà de laquelle on peut considérer qu'il est complètement
amorcé, c'est-à-dire qu'il présente un taux d'efficacité de post-traitement des émissions
de 100%, mais l'estimation de cette température reste difficile du fait des réactions
exothermiques internes. Pour traiter cette variabilité, on calibre en général la durée
de chauffage du catalyseur sur le pire cas, qui de ce fait n'est plus optimal en consommation
sur les cas moins sévères.
[0009] Avec les nouvelles normes en matière de dépollution, un capteur de concentration
d'oxydes d'azote (dit aussi « sonde NOx ») supplémentaire va équiper les moteurs de
véhicule, en aval du système de post-traitement des gaz d'échappement du moteur, pour
permettre de suivre en temps réel les émissions de NOx à l'échappement, et de remonter
ainsi un défaut si le système dépasse un seuil défini par la réglementation.
[0010] La publication
FR-A1-3075260 divulgue un procédé de pilotage de la température d'un catalyseur dans le cas d'un
véhicule hybride. Le chauffage du catalyseur est déclenché et maintenu pendant une
durée prédéterminée lorsque la température à l'échappement atteint un seuil Ts supérieur
à la température d'amorçage Ta du catalyseur, tout en le maintenant actif, et, lorsque
la température instantanée, dont l'évolution ultérieure dépend du fonctionnement du
groupe motopropulseur hybride (points de fonctionnement respectifs du moteur thermique
et de la machine électrique) est inférieure au seuil Ts, alors le chauffage est commandé
jusqu'à atteindre le seuil de température Ts.
[0011] Ce document ne permet pas d'optimiser la durée de chauffage du catalyseur.
[0012] La publication
FR-A1-3081918 (RENAULT/NISSAN) divulgue un procédé perfectionné de la gestion de l'amorçage d'un catalyseur dans
lequel on calcule l'enthalpie des gaz d'échappement permettant de déterminer la quantité
de chaleur fournie au catalyseur. On détermine une enthalpie seuil qui caractérise
l'amorçage, et on arrête le chauffage lorsque la valeur calculée de l'enthalpie atteint
le seuil. Selon cette publication, le seuil est une fonction de la valeur de la température
d'eau au démarrage et du vieillissement du catalyseur. Par exemple, il est le produit
d'un premier facteur qui est une fonction décroissante de la température d'eau, et
d'un deuxième facteur compris entre 0 et 1 qui correspond au vieillissement, 0 correspondant
à un catalyseur neuf et 1 à un catalyseur vieilli. Dans un mode de réalisation, le
vieillissement est déterminé à partir de l'amortissement d'un signal de richesse en
aval du catalyseur par rapport à un signal de richesse en amont du catalyseur. Le
procédé décrit dans ce document prévoit bien une adaptation de la durée de de chauffage
du catalyseur, mais le lien avec la capacité réelle du catalyseur à dépolluer les
NOx est très indirect, et de ce fait, cette méthode manque de précision. Il n'est
pas facile d'établir les bonnes valeurs des premier et deuxième facteurs.
[0013] Un procédé selon l'invention permet d'adapter au juste nécessaire le chauffage d'un
catalyseur après un démarrage à froid d'un véhicule, en empêchant notamment que ledit
catalyseur continue d'être chauffé alors qu'il a déjà atteint sa température d'amorçage.
[0014] L'invention a pour objet un procédé d'optimisation du chauffage d'un catalyseur de
dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne après un démarrage
à froid d'un véhicule comprenant ledit moteur, ledit véhicule comportant une ligne
d'échappement doté dudit catalyseur et d'un capteur de concentration d'oxydes d'azote
à la sortie dudit catalyseur.
[0015] Selon l'invention, ledit procédé comprend les étapes suivantes :
- une étape de chauffage du catalyseur,
- une étape de mesure de la concentration d'oxydes d'azote par le capteur à la sortie
du catalyseur dès le démarrage dudit véhicule,
- une étape de détermination d'un paramètre spécifique représentatif de la quantité
de particules d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur, qui est fonction de la mesure
du capteur,
- une étape d'arrêt du chauffage du catalyseur dès que ledit paramètre spécifique a
atteint une valeur seuil prédéterminée.
[0016] Un procédé selon l'invention présente la particularité de s'appuyer sur un élément
déjà présent dans le véhicule, à savoir le capteur de concentration d'oxydes d'azote
en sortie de catalyseur, pour ajuster le chauffage dudit catalyseur à la suite d'un
démarrage à froid du véhicule, de sorte que ledit catalyseur ne soit plus chauffé
une fois qu'il a atteint sa température d'amorçage. En effet, dans la plupart des
procédé actuels, il n'existe aucune information tangible signalant que le catalyseur
a atteint sa température d'amorçage et qu'il n'est donc plus utile de le chauffer.
Ce capteur permet de déterminer avec certitude et fiabilité, le moment où le catalyseur
a réellement atteint sa température d'amorçage, par le biais de la détermination d'un
paramètre qui est représentatif de la quantité de particules d'oxyde d'azote subsistant
à la sortie du catalyseur. En effet, dès que ce paramètre, qui évolue dans le sens
de la diminution à partir du démarrage du moteur, diminue suffisamment jusqu'à atteindre
une valeur seuil prédéterminée, on peut alors conclure que le catalyseur vient d'être
amorcé. La sonde, bien que servant d'élément de base à un procédé selon l'invention
dont le but est de chauffer au plus juste le catalyseur afin qu'il soit opérationnel,
conserve toutefois sa fonction originale de mesure du niveau de pollution engendré
par le véhicule. Un procédé selon l'invention est piloté par un ordinateur embarqué
possédant un logiciel dont la donnée d'entrée principale est la concentration d'oxyde
d'azote mesurée par le capteur de concentration d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur.
A partir de cette concentration d'oxydes d'azote mesurée par le capteur, le logiciel
calcule un paramètre spécifique, représentatif de la quantité de particules d'oxydes
d'azote subsistant à la sortie du catalyseur, qui est comparé à une valeur seuil prédéterminée
qui a été préalablement entrée dans ledit logiciel, ladite valeur seuil étant fonction
du paramètre spécifique considéré. Dès que cette valeur seuil est atteinte, l'ordinateur
ordonne un arrêt immédiat du chauffage du catalyseur. Le catalyseur peut, par exemple
dans le cas d'un moteur à allumage commandé, être un catalyseur trois voies. Préférentiellement,
un filtre à particules est adjoint au catalyseur pour limiter encore plus l'émission
dans l'atmosphère de particules fines produites par le moteur du véhicule.
[0017] Selon une caractéristique possible de l'invention, en variante, le paramètre spécifique
est une concentration d'oxydes d'azote directement déterminée par le capteur.
[0018] Selon une caractéristique possible de l'invention, le paramètre spécifique est un
débit massique d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur correspondant au produit
de la concentration d'oxydes d'azote et du débit des gaz d'échappement à la sortie
du catalyseur.
[0019] Selon une caractéristique possible de l'invention, dans une autre variante, le paramètre
spécifique est un niveau d'efficacité de post-traitement des oxydes d'azote par le
catalyseur, calculé comme le rapport entre la concentration d'oxydes d'azote à la
sortie du catalyseur et la concentration d'oxydes d'azote à l'entrée du catalyseur.
Il s'agit ici en d'autres termes de la proportion des oxydes d'azote émis par le moteur
qui ne sont pas traités par le catalyseur.
[0020] Selon une caractéristique possible de l'invention, la concentration d'oxydes d'azote
à l'entrée du catalyseur est mesurée par un capteur amont de concentration d'oxydes
d'azote, ledit capteur amont étant placé sur la ligne d'échappement entre le moteur
et le catalyseur.
[0021] Selon une caractéristique possible de l'invention, en variante, la concentration
d'oxydes d'azote à l'entrée du catalyseur correspondant à la concentration d'oxydes
d'azote à la sortie du moteur est déterminée à partir d'un modèle donnant cette concentration
en fonction du point de fonctionnement du moteur, ledit modèle étant calibré à l'avance
au moyen d'essais au banc.
[0022] Selon une caractéristique possible de l'invention, le point de fonctionnement du
moteur dépend d'un ensemble de paramètres comprenant au moins le régime du moteur,
le couple du moteur, et la température d'eau (i.e. liquide de refroidissement).
[0023] Selon une caractéristique possible de l'invention, le chauffage du catalyseur est
réalisé à partir d'une technique à choisir parmi une dégradation du rendement de combustion
avec modification de la valeur de l'avance à l'allumage, et un chauffage électrique
qui peut être couplé avec de l'injection d'air à l'échappement. Ces techniques de
chauffage sont analogues à celles déjà existantes.
[0024] Selon une caractéristique possible de l'invention, le catalyseur est un catalyseur
trois voies.
[0025] Un procédé d'optimisation selon l'invention permet de chauffer au plus juste un catalyseur
de dépollution après un démarrage à froid d'un véhicule, en s'appuyant sur un élément
déjà présent dans ledit véhicule, à savoir le capteur de concentration d'oxyde d'azote
à la sortie du catalyseur. Il ne nécessite donc pas l'insertion d'un matériel rapporté,
qui est une source de coût, d'encombrement et de poids supplémentaires. Il a de plus
l'avantage de proposer une méthode réaliste et fiable permettant de savoir à partir
de quel instant précis le catalyseur a atteint sa température d'amorçage, pour éviter
de continuer de chauffer inutilement ledit catalyseur.
[0026] On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un
procédé d'optimisation selon l'invention, en se référant aux figures suivantes :
[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique d'un groupe motopropulseur d'un véhicule
dans lequel est apte à se dérouler un procédé d'optimisation selon l'invention.
[Fig. 2a] La figure 2a est un diagramme montrant un exemple de variation de la quantité
de particules d'oxyde d'azote en fonction du temps après un démarrage à froid, avant
et après l'amorçage du catalyseur,
[Fig. 2b] La figure 2b est un diagramme montrant un exemple de variation de la vitesse
du véhicule en fonction du temps permettant d'obtenir le diagramme de la figure 2a.
[0027] Un procédé d'optimisation du chauffage d'un catalyseur selon l'invention est particulièrement
adapté à un véhicule équipé d'un moteur à allumage commandé.
[0028] En se référant à la figure 1, un exemple d'un groupe motopropulseur 1 d'un tel véhicule,
comprend schématiquement un moteur à combustion interne, par exemple un moteur à essence
2, une ligne 3 d'admission 3 d'air destinée à alimenter en air ledit moteur 2, et
une ligne d'échappement 4 destinée à évacuer des gaz d'échappement en provenance de
ce moteur 2. La ligne d'admission 3 d'air est matérialisé par un conduit 5 comprenant
une entrée d'air 6, suivi d'un filtre à air 7 et débouchant dans un compresseur 8
de turbocompresseur. Le conduit 5 se prolonge pour relier ledit compresseur 8 à un
collecteur d'admission 9 en passant par un boitier papillon 10, ledit collecteur d'admission
9 distribuant l'air dans des chambres 11 de combustion dudit moteur 2. Un collecteur
d'échappement 12 permet d'évacuer les gaz d'échappement en provenance des chambres
11 de combustion du moteur 2, vers la ligne d'échappement 4. Le collecteur d'échappement
12 débouche dans une turbine 13 du turbocompresseur qui est couplée au compresseur
8 par un arbre commun, et la ligne d'échappement 4 se prolonge au-delà de ladite turbine
13 jusqu'à une sortie 14, en passant par un dispositif de dépollution 15 comprenant
un catalyseur 16 trois voies suivi d'un filtre à particules 17. Le catalyseur 16 trois
voies est inséré entre la turbine 13 et le filtre à particules 17. Un capteur 18 de
concentration d'oxydes d'azote est placée en aval du filtre à particules 17 et en
amont de la sortie 14 de la ligne d'échappement 4. Le capteur 18 permet de mesurer
la concentration d'oxydes d'azote NOx à la sortie du dispositif de dépollution 15
après que le catalyseur 16 a .
[0029] En se référant aux figures 2a et 2b, le catalyseur 16 est efficace lorsqu'il est
à sa température d'amorçage, qu'il atteint plusieurs dizaines de secondes après un
démarrage à froid. En effet, à la suite d'un démarrage à froid du moteur correspondant
au temps Os sur les diagrammes, durant environ les 50 secondes suivantes, la quantité
d'oxydes d'azote émise par le moteur 2 et matérialisée par la courbe 19, est équivalente
à la quantité d'oxydes d'azote déterminée à la sortie du catalyseur 16 et matérialisée
par la courbe 20. Par « quantité », on entend sur l'exemple de la figure 2a un débit
massique. Ces résultats tendent à prouver que sur les 50 premières secondes de cette
première phase, le catalyseur 16 n'a pas atteint sa température d'amorçage, car il
ne traite quasiment pas les oxydes d'azote provenant du moteur. En revanche, dans
une deuxième phase prolongeant cette première phase, la quantité d'oxydes d'azote
à la sortie du catalyseur 16 tend vers 0 comme l'illustre la courbe 20 correspondante,
alors que la courbe 19 matérialisant la quantité d'oxydes d'azote à la sortie de moteur
2 et en amont du catalyseur 16, montre des pics réguliers correspondant à des émissions
élevées de particules d'oxyde d'azote quand la vitesse du véhicule augmente (cf figure
2b). Durant cette deuxième phase, le catalyseur 16 se montre efficace vis-à-vis des
particules d'oxyde d'azote puisqu'il n'en laisse passer quasiment aucune, laissant
supposer qu'il a atteint sa température d'amorçage au début de cette deuxième phase.
[0030] Actuellement, Il arrive bien souvent que l'instant à partir duquel le catalyseur
16 a été amorcé ne soit pas connu avec précision, et que le catalyseur 16 continue
d'être chauffé alors qu'il a déjà atteint sa température d'amorçage. Or, une telle
situation peut engendrer certains inconvénients tels que par exemple une usure prématurée
du catalyseur 16 qui risque de ne plus pouvoir assurer efficacement son rôle de traitement
des oxydes d'azote.
[0031] Un procédé d'optimisation selon l'invention permet de connaître avec précision le
moment où un catalyseur 16 en phase de chauffage après un démarrage à froid du véhicule,
a atteint sa température d'amorçage, signifiant qu'il faut interrompre ce chauffage
instantanément.
[0032] Un procédé selon l'invention, permettant d'optimiser le chauffage du catalyseur 16
après un démarrage à froid du véhicule comprend les étapes suivantes :
- une étape de chauffage du catalyseur 16,
- une étape de mesure de la concentration d'oxydes d'azote par le capteur 18 à la sortie
du catalyseur 16 dès le démarrage dudit véhicule,
- une étape de détermination d'un paramètre spécifique représentatif de la quantité
de particules d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur, qui est fonction de la mesure
du capteur 18,
- une étape d'arrêt du chauffage du catalyseur 16 dès que ledit paramètre a atteint
une valeur seuil prédéterminée.
[0033] L'étape de chauffage du catalyseur 16 débute juste après un démarrage à froid du
véhicule. Cette étape est réalisée à partir d'une technique à choisir parmi une dégradation
du rendement de combustion avec modification de la valeur de l'avance à l'allumage,
et un chauffage électrique qui peut être couplé avec de l'injection d'air à l'échappement.
Ces techniques de chauffage sont analogues à celles déjà existantes.
[0034] L'étape de mesure de la concentration d'oxydes d'azote par le capteur 18 à la sortie
du catalyseur 16 dès le démarrage dudit véhicule, est réalisée sans apporter le moindre
aménagement audit capteur 18 et audit catalyseur 16. Un procédé selon l'invention
s'appuie sur la présence du capteur 18 de concentration d'oxydes d'azote déjà présent
dans le véhicule, pour connaitre l'état d'amorçage du catalyseur 16.
[0035] Le paramètre spécifique peut revêtir différentes formes, et peut par exemple correspondre
:
- à un niveau absolu d'émission de particules d'oxyde d'azote en sortie de catalyseur
16, c'est-à-dire, à un débit massique (exprimé par exemple en mg/s), qui est égal
au produit du débit des gaz d'échappement et de la concentration d'oxydes d'azote
mesurée par le capteur 18.
- à la concentration (mesurée en ppm) d'oxydes d'azote directement déterminée par le
capteur 18.
- un niveau d'efficacité de post-traitement des oxydes d'azote correspondant au calcul
du rapport entre la concentration d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur 16, divisée
par la concentration d'oxydes d'azote à l'entrée du catalyseur 16. Selon une variante
de réalisation de l'invention, la concentration d'oxydes d'azote à l'entrée du catalyseur
16 correspond à la concentration d'oxydes d'azote à la sortie du moteur 2, et elle
est mesurée par un capteur de concentration d'oxydes d'azote amont, ledit capteur
amont étant placé sur la ligne d'échappement entre le moteur 2 et le catalyseur 16.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, la concentration d'oxydes
d'azote à l'entrée du catalyseur, correspondant à la concentration d'oxydes d'azote
à la sortie du moteur 2 est déterminée à partir d'un modèle donnant cette concentration
en fonction du point de fonctionnement du moteur 2, ledit modèle étant calibré à l'avance
au moyen d'essais au banc. Le point de fonctionnement du moteur 2 dépend d'un ensemble
de paramètres comprenant au moins le régime du moteur, le couple du moteur et la température
d'eau.
[0036] En fonction du paramètre spécifique considéré, une valeur seuil est prédéterminée,
à partir de laquelle il peut être estimé que le catalyseur 16 a été amorcé. Dès que
ledit paramètre spécifique a atteint cette valeur seuil, le chauffage du catalyseur
cesse instantanément pour ne plus chauffer inutilement ledit catalyseur 16.
[0037] Un procédé selon l'invention est géré par un ordinateur embarqué possédant un logiciel
dont la donnée d'entrée est la concentration d'oxydes d'azote mesurée par le capteur
18. A partir de cette concentration d'oxydes d'azote mesurée par le capteur 18, le
logiciel calcule le paramètre spécifique considéré, qui est comparé à une valeur seuil
prédéterminée qui a été préalablement entrée dans ledit logiciel, et qui correspond
au paramètre spécifique considéré. Dès que cette valeur seuil est atteinte, l'ordinateur
ordonne un arrêt immédiat du chauffage du catalyseur 16.
1. Procédé d'optimisation du chauffage d'un catalyseur (16) de dépollution des gaz d'échappement
d'un moteur à combustion interne (2) après un démarrage à froid d'un véhicule comprenant
ledit moteur (2), ledit véhicule comportant une ligne d'échappement (4) doté dudit
catalyseur (16) et d'un capteur (18) de concentration d'oxydes d'azote à la sortie
dudit catalyseur (16),
caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :
- une étape de chauffage du catalyseur (16),
- une étape de mesure de la concentration d'oxydes d'azote par le capteur (18) à la
sortie du catalyseur (16) dès le démarrage dudit véhicule,
- une étape de détermination d'un paramètre spécifique représentatif de la quantité
de particules d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur, qui est fonction de la mesure
du capteur (18),
- une étape d'arrêt du chauffage du catalyseur (16) dès que ledit paramètre spécifique
a atteint une valeur seuil prédéterminée.
2. Procédé d'optimisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre spécifique est une concentration d'oxydes d'azote directement déterminée
par le capteur (18).
3. Procédé d'optimisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre spécifique est un débit massique d'oxydes d'azote à la sortie du catalyseur
(16), correspondant au produit de la concentration d'oxydes d'azote et du débit des
gaz d'échappement à la sortie du catalyseur (16).
4. Procédé d'optimisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre spécifique est un niveau d'efficacité de post-traitement des oxydes
d'azote par le catalyseur (16), calculé comme le rapport entre la concentration d'oxydes
d'azote à la sortie du catalyseur et la concentration d'oxydes d'azote à l'entrée
du catalyseur.
5. Procédé d'optimisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la concentration d'oxydes d'azote à l'entrée du catalyseur (16) est mesurée par un
capteur amont de concentration d'oxydes d'azote, ledit capteur amont étant placé sur
la ligne d'échappement (4) entre le moteur (2) et le catalyseur (16).
6. Procédé d'optimisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la concentration d'oxydes d'azote à l'entrée du catalyseur (16), correspondant à
la concentration d'oxydes d'azote à la sortie de moteur (2) est déterminée à partir
d'un modèle donnant cette concentration en fonction du point de fonctionnement du
moteur (2), ledit modèle étant calibré à l'avance au moyen d'essais au banc.
7. Procédé d'optimisation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le point de fonctionnement du moteur (2) dépend d'un ensemble de paramètres comprenant
au moins le régime du moteur, le couple du moteur, et la température d'eau.
8. Procédé d'optimisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le chauffage du catalyseur (16) est réalisé à partir d'une technique à choisir parmi
une dégradation du rendement de combustion avec modification de la valeur de l'avance
à l'allumage, et un chauffage électrique qui peut être couplé avec de l'injection
d'air à l'échappement.
9. Procédé d'optimisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le catalyseur (16) est un catalyseur trois voies.