[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 CO
2 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 CO
2 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.
[0010] Le brevet FR 2 772 428 (RENAULT) décrit un procédé selon le préambule de la revendication
1.
[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 t
1 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 t
1, 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 R
0 correspondant à un mélange pauvre, à une valeur R
1 supérieure à celle (R
2) 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 D
0 antérieure, et une réduction brusque de l'angle d'avance à l'allumage α, qui passe
alors de la valeur antérieure α
0 à une valeur α
1.
[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 α
1 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 R
1. 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 α
1 à une valeur α
2 correspondant à un fonctionnement optimum du moteur au débit d'air D
1 et à la richesse R
1 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 t
2, l'arrêt de la purge, c'est-à-dire le rétablissement à terme des valeurs R
0, D
0 et α
0 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 (D
0) 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 t
2, on observerait des pics de pollution (par hydrocarbures imbrûlés et oxydes d'azote)
après l'instant t
2, jusqu'au rétablissement du débit D
0 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 R
2 intermédiaire entre R
1 et R
0, la valeur R
2 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 R
0, donc à un mélange "pauvre".
[0029] A l'instant t
2, suivant l'invention, le calculateur relève brusquement l'angle d'avance à l'allumage
α à la valeur α
3, de manière à compenser la réduction brutale de la richesse observée à cet instant,
α
3 correspondant à la valeur optimale de l'avance quand le mélange air/carburant est
de composition stoechiométrique. Après l'instant t
2, l'avance est de nouveau asservie au débit d'air jusqu'à ce que celui-ci revienne
à la valeur D
0, à l'instant t
3. A cet instant, on ramène l'avance α et la richesse R aux valeurs α
0 et R
0 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 [t
2,t
3] 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.
1. Procédé de commande de la purge en oxydes d'azote (Nox) d'un pot catalytique (3) de
traitement des gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, ledit pot (3)
absorbant lesdits oxydes d'azote quand ledit moteur (1) fonctionne en mélange air/carburant
pauvre en carburant, ledit procédé étant du type suivant lequel
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
(R
2) intermédiaire entre les richesses de purge (R
1) et de mélange pauvre (R
0), 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
(α
3) fonction de ladite richesse intermédiaire, on asservit ensuite une décroissance
dudit angle (α) jusqu'à une quatrième valeur (α
4) 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
(R
0,D
0,α
0) antérieures à la purge.
2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur (R1) intermédiaire de la richesse (R) correspond à un mélange air/carburant stoechiométrique.
3. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on déclenche et on arrête la purge sous la commande d'un système d'évaluation du taux
de chargement du pot catalytique (3) en oxydes d'azote.
1. Method for controlling the purging of nitrogen oxides (NOx) from a catalytic converter
(3) for treating the exhaust gases of an internal combustion engine (1), said converter
(3) absorbing said nitrogen oxides when said engine (1) is operating on a fuel-lean
air/fuel mixture, said method being of the following type, wherein
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 (R
2) that is intermediate between the purging richness (R
1) and lean mixture richness (R
0) 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 (α
3) 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 (R
0, D
0, α
0) prior to purging.
2. Method according to claim 1, characterised in that said intermediate value (R1) of the richness (R) corresponds to a stoichiometric air/fuel mixture.
3. Method according to any one of claims 1 and 2, characterised in that the purge is Fixated and terminated under the control of a system for evaluating
the load factor of the catalytic converter (3) in nitrogen oxides.
1. Verfahren zur Steuerung des Entfernens von Stickoxyden (NOx) aus einem mit einem Katalysator
zur Behandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors (1) versehenen Auspufftopf (3),
wobei der Auspufftopf (3) die Stickoxyde adsorbiert während des Betriebes des Motors
(1) mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch und wobei das Verfahren die folgenden
Verfahrensschritte aufweist:
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 (R
2) verringert wird, der zwischen den Werten für die Anreicherung während des Entfernens
(R
1) und dem Wert (R
0) 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 (α
3) als Funktion der Zwischenanreicherung, wonach eine Verringerung des Winkels (α)
bis auf einen vierten vorgegebenen Wert (α
4) 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 (R
0, D
0, α
0) vor dem Entfernen eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwert (R1) der Anreicherung (R) dem stöchiometrischen Luftkraftstoffgemisch entspricht.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen ausgelöst und beendet wird mittels der Steuerung durch ein System zur
Ermittlung des Beladungsgrades des mit dem Katalysator versehenen Auspufftopfes (3)
mit Stickoxyden).