FR3127023A1 - Procede de pilotage d’un ensemble thermique de vehicule automobile - Google Patents

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Cyril Travaillard
Frederic Dambricourt
Mathieu Bolzer
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Abstract

L’invention concerne un procédé de pilotage (1) d’un ensemble thermique (9) comportant un bloc moteur (3) relié à une ligne d’échappement (5) le long de laquelle sont placés successivement une sonde amont (7), un catalyseur (6) et une sonde aval (8). Le procédé de pilotage (1) comporte astucieusement une étape de commande stimulée (13) du catalyseur consistant en une commande en créneaux de la richesse dudit catalyseur (6), ladite commande en créneaux prenant alternativement une valeur riche et une valeur basse et dont une commutation entre lesdites valeurs riches et basses est déterminée par une mesure de richesse par la sonde amont (7). Fig. 2

Description

PROCEDE DE PILOTAGE D’UN ENSEMBLE THERMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE
Le contexte technique de la présente invention est celui des moteurs thermiques de véhicule automobile. En particulier, l’invention a trait à un procédé de pilotage d’un ensemble thermique de véhicule automobile, ainsi qu’une unité de commande et un véhicule automobile.
Dans le contexte de l’invention, un ensemble thermique comporte un bloc moteur formé par exemple d’un moteur à explosion et, éventuellement d’un turbocompresseur et d’un catalyseur relié fluidiquement au bloc moteur par l’intermédiaire d’une ligne d’échappement des gaz d’échappement issus du bloc moteur. Bien évidemment, le bloc moteur permet de produire une énergie mécanique utilisée pour faire avancer le véhicule automobile, en brulant un carburant stocké dans un réservoir du véhicule automobile. Lors de cette combustion, les gaz d’échappement sont refroidis et évacués via la ligne d’échappement.
Afin de satisfaire aux exigences environnementales, le catalyseur placé sur la ligne d’échappement en aval du bloc moteur, relativement à la propagation des gaz d’échappement, permet de limiter l’émission de gaz polluants. A cet effet, le catalyseur est le lieu de réactions chimiques.
Afin de mieux piloter de tels catalyseurs et d’optimiser leurs performances, on connait notamment des ensembles thermiques comportant une première sonde à oxygène – dite sonde amont – configurée pour mesurer une quantité d’oxygène présent dans les gaz d’échappement provenant du bloc moteur et en direction du catalyseur, et une deuxième sonde à oxygène – dite sonde aval – configurée pour mesurer la quantité d’oxygène présent dans les gaz d’échappement extraits du catalyseur.
De tels ensembles thermiques sont déjà pilotés par des procédés de pilotage comportant
- une première boucle de régulation d’une richesse en oxygène mesurée en amont du catalyseur via la première sonde à oxygène, la première boucle de régulation étant configurée pour piloter l’ensemble thermique en amont du catalyseur de sorte à réguler la richesse en oxygène du gaz d’échappement entrant dans le catalyseur par rapport à une première consigne en richesse prédéterminée ;
- une deuxième boucle de régulation d’une richesse en oxygène mesurée en aval du catalyseur via la deuxième sonde à oxygène, la deuxième boucle de régulation étant configurée pour asservir l’ensemble thermique en amont du catalyseur afin de réguler la richesse en oxygène mesurée en aval par rapport à une deuxième consigne en richesse prédéterminée ;
- une commande stimulée du catalyseur définissant une consigne de richesse en oxygène du catalyseur sous la forme d’un signal périodique d’amplitude et de fréquence et alternant des valeurs de richesse dites pauvres et des valeurs de richesses dites riches.
Dans le contexte de la présente invention, la richesse en oxygène est définie par le rapport entre une quantité de carburant et une quantité d’oxygène. Ainsi, lorsque la richesse déterminée est trop riche, les molécules réducteurs sont en excès dans le catalyseur. A contrario, lorsque la richesse déterminée est trop pauvre, les molécules oxydant sont en excès dans le catalyseur.
Un inconvénient des procédés de pilotage connus réside dans le fait que la richesse en oxygène déterminée en aval du catalyseur – via la deuxième sonde à oxygène – est la seule mesure disponible que l’on peut relier à l’efficacité du catalyseur. Or, cette mesure est trop « tardive » car des écarts de richesse entre la consigne et la mesure peuvent survenir en amont du catalyseur. Il en résulte une forme de déphasage entre la deuxième boucle de régulation et la consigne en amont du catalyseur. Ce déphasage a notamment pour conséquence de modifier l’état l’équilibre du catalyseur lors de l’envoi d’oxydants ou de réducteurs via la commande stimulée. Dès lors, ce déphasage impacte négativement l’efficacité du catalyseur.
Un autre inconvénient des procédés de pilotage connus réside dans le fait que la stratégie de stimulation du catalyseur, assurée par la commande stimulée, est en boucle ouverte, c’est-à-dire sans tenir compte de ce qui a été réellement envoyé au catalyseur à partir de l’information donnée par la première sonde à oxygène.
La présente invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de pilotage d’un ensemble thermique de véhicule automobile afin de répondre au moins en grande partie aux problèmes précédents et de conduire en outre à d’autres avantages.
Un autre but de l’invention est de proposer un procédé de pilotage qui permette d’améliorer l’efficacité et les performances du catalyseur.
Un autre but de l’invention est de limiter les émissions de polluants en aval du catalyseur.
Selon un premier aspect de l’invention, on atteint au moins l’un des objectifs précités avec un procédé de pilotage d’un ensemble thermique comportant un bloc moteur relié à une ligne d’échappement comportant un catalyseur, l’ensemble thermique comportant une première sonde à oxygène – dite sonde amont – configurée pour mesurer une quantité d’oxygène présent dans un gaz d’échappement provenant du bloc moteur et en direction du catalyseur, et une deuxième sonde à oxygène – dite sonde aval – configurée pour mesurer la quantité d’oxygène présent dans le gaz d’échappement extrait du catalyseur, le procédé de pilotage comportant :
- une première boucle de régulation d’une richesse en oxygène mesurée en amont du catalyseur via la sonde amont à oxygène, la première boucle de régulation étant configurée pour piloter l’ensemble thermique en amont du catalyseur de sorte à réguler la richesse en oxygène du gaz d’échappement entrant dans le catalyseur par rapport à une première consigne en richesse prédéterminée ;
- une deuxième boucle de régulation d’une richesse en oxygène mesurée en aval du catalyseur via la sonde aval à oxygène, la deuxième boucle de régulation étant configurée pour asservir un rendement du catalyseur de sorte à réguler la richesse en oxygène mesurée en aval par rapport à une deuxième consigne en richesse prédéterminée ;
- une commande stimulée du catalyseur définissant une consigne de richesse en oxygène du catalyseur sous la forme d’un signal périodique d’amplitude et de fréquence et alternant des valeurs de richesse dites pauvres et des valeurs de richesses dites riches.
Conformément à l’invention, la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée est asservie en fonction de la richesse en oxygène déterminée en amont du catalyseur via la sonde amont.
Comme évoqué précédemment, dans le contexte de la présente invention, la richesse en oxygène est définie par le rapport entre une quantité de carburant et une quantité d’oxygène. Par extension, une richesse est qualifiée de pauvre si le rapport ainsi calculé est inférieur à 1, et une richesse est qualifiée de riche si le rapport ainsi calculé est supérieur à 1.
Dans le contexte de l’invention, on comprendra indifféremment le terme « quantité » comme une quantité massique ou une quantité molaire ou une quantité volumique.
De manière particulièrement avantageuse, la présente invention propose désormais de rendre la consigne en richesse non plus « flottante » et prédéfinie selon une ou plusieurs valeurs non corrélées à un état réel de fonctionnement du catalyseur mais, a contrario, de réguler la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée en fonction de la mesure en oxygène réalisée par la sonde amont. En d’autres termes, la présente invention propose d’ajouter aux deux premières boucles de régulation déjà connues une troisième boucle de régulation de richesse qui met en œuvre une nouvelle variable basée sur la mesure de richesse en amont du catalyseur et qui permet ainsi de réguler la richesse moyenne en amont catalyseur. A cet effet, la commande stimulée est désormais régulée via cette nouvelle boucle de régulation afin de mieux gérer la quantité d’oxydants et de réducteurs dans le catalyseur tout en gardant une commande stimulée alternée. Désormais, la commande stimulée n’est plus régulière dans le temps mais elle est modulée afin de permettre un meilleur équilibre des oxydants et réducteurs envoyés aux catalyseur. En d’autres termes, cette nouvelle boucle de régulation sur la commande stimulée conduit à adapter en permanence l’alternance des créneaux riches et pauvres de ladite commande stimulée en fonction des données de la sonde amont afin d’optimiser l’efficacité de conversion des polluants dans le catalyseur.
Cette configuration avantageuse permet ainsi de mieux contrôler le catalyseur, et de le piloter de manière plus réactive par rapport aux consignes de richesses en oxygène. Ce faisant, l’efficacité du catalyseur est améliorée.
Le procédé de pilotage conforme au premier aspect de l’invention comprend avantageusement au moins un des perfectionnements ci-dessous, les caractéristiques techniques formant ces perfectionnements pouvant être prises seules ou en combinaison :
- l’asservissement de la consigne de richesse prend la forme de la modulation d’un rapport cyclique de la commande stimulée.
- une fréquence d’oscillation de la commande stimulée est variable. En particulier, la fréquence d’oscillation de la commande stimulée varie entre 0,1 Hz et 10 Hz.
- une variable d’asservissement – dite quantité d’oxygène sollicitée dans le catalyseur – et servant à définir la commande stimulée est définie par la formule où Rsp est une consigne de richesse pour le catalyseur, Rmes est une mesure de richesse réalisée par la sonde amont et exh est une valeur du débit massique de la ligne d’échappement ;
- lorsque la quantité d’oxygène sollicitée dans la catalyseur atteint un seuil maximal, alors la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée est établie à une valeur de richesse maximale, dite riche, et lorsque la quantité d’oxygène sollicitée dans la catalyseur atteint un seuil minimal, alors la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée est établie à une valeur de richesse minimale, dite pauvre.
- la consigne riche et la consigne pauvre forment ensemble un intervalle symétrique autour de 0. La consigne riche est inférieure ou égale à 50. Préférentiellement elle est égale à 5.
Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un ensemble thermique comportant (i) un bloc moteur, (ii) un catalyseur relié fluidiquement au bloc moteur par l’intermédiaire d’une ligne d’échappement des gaz d’échappement issus du bloc moteur, (iii) une première sonde à oxygène – dite sonde amont – configurée pour mesurer une quantité d’oxygène présent dans les gaz d’échappement provenant du bloc moteur et en direction du catalyseur, (iv) une deuxième sonde à oxygène – dite sonde aval – configurée pour mesurer la quantité d’oxygène présent dans les gaz d’échappement extrait du catalyseur, (v) une unité de commande configurée pour mettre en œuvre le procédé de pilotage conforme au premier aspect de l’invention ou selon l’un quelconque de ses perfectionnements.
L’unité de commande comporte des moyens de calcul et des moyens de mémorisation. A titre d’exemple, l’unité de commande est du type d’un ordinateur ou d’un microcontrôleur.
Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un véhicule automobile comportant un ensemble thermique conforme au deuxième aspect de l’invention.
Des modes de réalisation variés de l’invention sont prévus, intégrant selon l’ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
illustre une vue schématique d’un véhicule automobile conforme au troisième aspect de l’invention ;
illustre une vue schématique du procédé de pilotage conforme au premier aspect de l’invention.
Bien entendu, les caractéristiques, les variantes et les différentes formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
En référence à la , il est illustré un véhicule automobile 2 conforme au troisième aspect de l’invention et comportant un ensemble thermique 9 comportant un bloc moteur 3 relié à une ligne d’échappement 5 comportant un catalyseur 6.
L’ensemble thermique 9 comporte une première sonde à oxygène – dite sonde amont 7 – configurée pour mesurer une quantité d’oxygène présent dans un gaz d’échappement provenant du bloc moteur 3 et en direction du catalyseur 6. En d’autres termes, la sonde amont 7 est située dans une position intermédiaire entre le bloc moteur 3 et le catalyseur 6 afin de pouvoir mesurer la richesse en oxygène des gaz d’échappement circulant dans une partie de la ligne d’échappement 5 située entre le bloc moteur 3 et le catalyseur 6.
En outre, l’ensemble thermique 9 comporte aussi une deuxième sonde à oxygène – dite sonde aval 8 – configurée pour mesurer la quantité d’oxygène présent dans le gaz d’échappement extrait du catalyseur 6. En d’autres termes, la sonde aval 8 est située dans une position telle que le catalyseur 6 est situé entre le bloc moteur 3 et la sonde aval 8 afin de pouvoir mesurer la richesse en oxygène des gaz d’échappement circulant dans une partie de la ligne d’échappement 5 en arrière du catalyseur 6 relativement au bloc moteur 3.
L’ensemble thermique 9 comporte aussi une unité de commande 4 configurée pour mettre en œuvre un procédé de pilotage 1 conforme tel que décrit en référence à la .
La illustre un tel procédé de pilotage 1. Selon l’invention, le procédé de pilotage 1 comporte :
- une première boucle de régulation 11 d’une richesse en oxygène mesurée en amont du catalyseur 6 via la sonde amont 7 à oxygène, la première boucle de régulation 11 étant configurée pour piloter l’ensemble thermique 9 en amont du catalyseur 6 de sorte à réguler la richesse en oxygène du gaz d’échappement entrant dans le catalyseur 6 par rapport à une première consigne en richesse prédéterminée ;
- une deuxième boucle de régulation 12 d’une richesse en oxygène mesurée en aval du catalyseur 6 via la sonde aval 8 à oxygène, la deuxième boucle de régulation 12 étant configurée pour asservir un rendement du catalyseur 6 de sorte à réguler la richesse en oxygène mesurée en aval par rapport à une deuxième consigne en richesse prédéterminée ;
- une commande stimulée 13 du catalyseur 6 définissant une consigne de richesse en oxygène du catalyseur 6 sous la forme d’un signal périodique d’amplitude et de fréquence et alternant des valeurs de richesse dites pauvres et des valeurs de richesses dites riches.
Conformément à l’invention, la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée 13 est asservie en fonction de la richesse en oxygène déterminée en amont du catalyseur 6 via la sonde amont 7.
Ainsi, la commande stimulée 13 est désormais asservie via la mesure de richesse par la sonde amont 7 afin de pouvoir plus rapidement et plus efficacement réguler la richesse moyenne en amont du catalyseur 6 en prenant en compte des écarts et/ou des perturbations de richesse vus par la sonde amont 7. Il est désormais possible de maitriser en continu une quantité moyenne d’oxydants – l’oxygène – et de réducteurs – le monoxyde d’azote et le les hydrocarbures envoyés dans le catalyseur 6. Consécutivement, le procédé de pilotage 1 conforme à l’invention permet ainsi d’optimiser une efficacité de conversion des polluants circulant au travers du catalyseur 6.
A cet effet, l’invention met en œuvre préférentiellement le calcul d’une nouvelle variable pour réaliser le pilotage de la commande stimulée 13. Cette nouvelle variable représente une quantité d’oxygène sollicitée OSL dans le catalyseur 6. La quantité d’oxygène sollicitée OSL est en effet une variable pertinente pour piloter la richesse du catalyseur. La quantité d’oxygène sollicitée OSL représente alternativement, selon l’état du catalyseur 6, une quantité excédentaire de réducteur lorsque la richesse du catalyseur 6 est riche, ou une quantité excédentaire d’oxygène lorsque la richesse du catalyseur 6 est pauvre. La quantité d’oxygène sollicitée OSL dans le catalyseur 6 est définie par la formule suivante :
où Rsp est une consigne de richesse pour le catalyseur 6, Rmes est une mesure de richesse réalisée par la sonde amont 7 et exh est une valeur du débit massique de la ligne d’échappement 5.
La quantité d’oxygène sollicitée OSL dans le catalyseur forme ainsi une variable servant à définir la valeur de la consigne stimulée 13 appliquée au catalyseur 6 :
- lorsque la quantité d’oxygène sollicitée OSL dans la catalyseur 6 atteint un seuil maximal, alors la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée 13 est établie à une valeur de richesse maximale, dite riche ; et
- lorsque la quantité d’oxygène sollicitée OSL dans la catalyseur 6 atteint un seuil minimal, alors la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée 13 est établie à une valeur de richesse minimale, dite pauvre.
De manière avantageuse, afin de permettre de toujours envoyer par alternance des oxydants et des réducteurs dans le catalyseur lors de cette commande stimulée 13, ladite commande stimulée est toujours centrée autour de 1. En d’autres termes, la valeur de richesse minimale et la valeur de richesse maximale définies en fonction de la quantité d’oxygène sollicitée OSL dans le catalyseur 6 sont symétriques l’une de l’autre par rapport à 1.
Selon l’invention, la commande stimulée 13 prend la forme d’un signal en créneaux dont la durée desdits créneaux est adaptée en fonction de la richesse moyenne déterminée via la quantité d’oxygène sollicitée 13. En d’autres termes, la quantité d’oxygène sollicitée permet de moduler le rapport cyclique de la commande stimulée 13. Par conséquent, en fonction de la valeur de richesse déterminée par la sonde amont 7, la commande stimulée 13 pilote le catalyseur 6 via une commande de richesse égale à sa valeur riche ou à sa valeur pauvre pendant une durée variable qui dépend de l’état de richesse mesuré par la sonde amont 7.
En synthèse, l’invention concerne un procédé de pilotage 1 d’un ensemble thermique 9 comportant un bloc moteur 3 relié à une ligne d’échappement 5 le long de laquelle sont placés successivement une sonde amont 7, un catalyseur 6 et une sonde aval 8. Le procédé de pilotage 1 comporte astucieusement une étape de commande stimulée 13 du catalyseur consistant en une commande en créneaux de la richesse dudit catalyseur 6, ladite commande en créneaux prenant alternativement une valeur riche et une valeur basse et dont une commutation entre lesdites valeurs riches et basses est déterminée par une mesure de richesse par la sonde amont 7.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims (8)

  1. Procédé de pilotage (1) d’un ensemble thermique (9) comportant un bloc moteur (3) relié à une ligne d’échappement (5) comportant un catalyseur (6), l’ensemble thermique (9) comportant une première sonde à oxygène – dite sonde amont (7) – configurée pour mesurer une quantité d’oxygène présent dans un gaz d’échappement provenant du bloc moteur (3) et en direction du catalyseur (6), et une deuxième sonde à oxygène – dite sonde aval (8) – configurée pour mesurer la quantité d’oxygène présent dans le gaz d’échappement extrait du catalyseur (6), le procédé de pilotage (1) comportant :
    - une première boucle de régulation (11) d’une richesse en oxygène mesurée en amont du catalyseur (6) via la sonde amont (7) à oxygène, la première boucle de régulation (11) étant configurée pour piloter l’ensemble thermique (9) en amont du catalyseur (6) de sorte à réguler la richesse en oxygène du gaz d’échappement entrant dans le catalyseur (6) par rapport à une première consigne en richesse prédéterminée ;
    - une deuxième boucle de régulation (12) d’une richesse en oxygène mesurée en aval du catalyseur (6) via la sonde aval (8) à oxygène, la deuxième boucle de régulation (12) étant configurée pour asservir un rendement du catalyseur (6) de sorte à réguler la richesse en oxygène mesurée en aval par rapport à une deuxième consigne en richesse prédéterminée ;
    - une commande stimulée (13) du catalyseur (6) définissant une consigne de richesse en oxygène du catalyseur (6) sous la forme d’un signal périodique d’amplitude et de fréquence et alternant des valeurs de richesse dites pauvres et des valeurs de richesses dites riches ;
    caractérisé en ce que la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée (13) est asservie en fonction de la richesse en oxygène déterminée en amont du catalyseur (6) via la sonde amont (7).
  2. Procédé de pilotage (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’asservissement de la consigne de richesse prend la forme de la modulation d’un rapport cyclique de la commande stimulée (13).
  3. Procédé de pilotage (1) selon la revendication précédente, dans lequel une fréquence d’oscillation de la commande stimulée (13) est variable.
  4. Procédé de pilotage (1) selon la revendication précédente, dans lequel la fréquence d’oscillation de la commande stimulée (13) varie entre 0,1 Hz et 10 Hz.
  5. Procédé de pilotage (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une variable d’asservissement – dite quantité d’oxygène sollicitée (OSL) dans le catalyseur (6) – et servant à définir la commande stimulée (13) est définie par la formule suivante :
    où Rsp est une consigne de richesse pour le catalyseur (6), Rmes est une mesure de richesse réalisée par la sonde amont (7) et exh est une valeur du débit massique de la ligne d’échappement (5).
  6. Procédé de pilotage (1) selon la revendication précédente, dans lequel, lorsque la quantité d’oxygène sollicitée (OSL) dans la catalyseur (6) atteint un seuil maximal, alors la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée (13) est établie à une valeur de richesse maximale, dite riche, et lorsque la quantité d’oxygène sollicitée (OSL) dans la catalyseur (6) atteint un seuil minimal, alors la consigne de richesse en oxygène définie par la commande stimulée (13) est établie à une valeur de richesse minimale, dite pauvre.
  7. Ensemble thermique (9) comportant :
    - un bloc moteur (3) ;
    - un catalyseur (6) relié fluidiquement au bloc moteur (3) par l’intermédiaire d’une ligne d’échappement (5) des gaz d’échappement issus du bloc moteur (3) ;
    - une première sonde à oxygène – dite sonde amont (7) – configurée pour mesurer une quantité d’oxygène présent dans les gaz d’échappement provenant du bloc moteur (3) et en direction du catalyseur (6) ;
    - une deuxième sonde à oxygène – dite sonde aval (8) – configurée pour mesurer la quantité d’oxygène présent dans les gaz d’échappement extrait du catalyseur (6) ;
    - une unité de commande (4) configurée pour mettre en œuvre le procédé de pilotage (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  8. Véhicule automobile comportant un ensemble thermique (9) selon la revendication précédente.
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