Brevet FR2778118A1 — publié le 19991105

La présente invention concerne le domaine des filtres à particules et plus particulièrement de la détermination de leur encrassement. Ces éléments filtrants sont généralement disposés dans les lignes d'échappement de moteur à combustion interne, et ils sont destinés à capter et/ou à éliminer certaines particules contenues dans le flux gazeux, afin que la ligne d'échappement rejette, en aval c'est-à-dire à l'atmosphère, un gaz épuré desdites particules. L'encrassement apparaît donc comme un problème capital pour les filtres à particules, et différentes méthodes et/ou dispositifs ont déjà été mis au point avec l'objectif constant de régénérer le filtre. Il peut s'agir, selon un concept connu, de brûler périodiquement les dépôts de suie. Cette combustion se produit parfois naturellement lorsque la température des gaz atteint d'elle-même le niveau requis pour initier i15 I'oxydation des particules. Cependant, les conditions de fonctionnement moyennes aboutissent généralement à des températures trop faibles pour initier spontanément la combustion des particules. Ceci conduit alors à un colmatage du filtre, ce qui est pénalisant pour le bon rendement du moteur, et menace à terme son fonctionnement. Il est alors nécessaire d'assurer artificiellement et arbitrairement la régénération complète du filtre. De nombreuses techniques ont été développées dans ce sens. Elles peuvent être basées sur des modifications du fonctionnement moteur vannage à l'admission, vannage à l'échappement, retard de l'avance à l'injection, ou encore liées à un apport d'énergie dans les gaz d'échappement ou au niveau du filtre (résistance électrique, brûleur, micro- ondes...). Il est alors nécessaire de piloter ces différents dispositifs par une commande extérieure prise en charge par un calculateur. Le plus souvent, le critère retenu pour le déclenchement de la régénération est la contre- pression dans la ligne d'échappement. Pour faciliter la régénération des filtres à particules, une approche différente et complémentaire, de nature chimique, consiste à ajouter au carburant un additif par exemple organo-métallique, qui se retrouve dans le dépôt de suies ce qui conduit généralement à une baisse de la température d'allumage et donc à une augmentation de la fréquence de régénération. Parmi les produits le plus fréquemment utilisé comme additifs, on peut citer le cuivre, le fer, le cérium, le sodium.... Des études montrent qu'en présence de tels additifs, des régénérations partielles peuvent survenir spontanément pour des températures de gaz d'échappement relativement faibles (- 200 C). Néanmoins, pour certains types de conduites, des problèmes liés à la contre-pression peuvent subsister de sorte qu'un apport extérieur d'énergie peut s'avérer nécessaire, comme par exemple le recours au chauffage électrique. En ce qui concerne la consommation d'énergie, la plupart des systèmes connus utilisant le réchauffage électrique du filtre réalisent un chauffage global de l'élément filtrant. Ceci entraîne une forte consommation d'énergie, plus ou moins maîtrisée. Généralement la puissance électrique nécessaire pour déclencher une régénération totale du filtre est importante et souvent difficilement compatible avec les ressources électriques embarquées sur le véhicule. Le brevet EP-B1-0 485 179 illustre un système basé sur ce principe. La demande de brevet français EN. 96/13855 déposée au nom de la demanderesse décrit un concept qui permet d'adapter la puissance électrique et la répartition d'énergie dans le filtre à toutes les conditions de fonctionnement du véhicule. Ce concept consiste à diviser l'ensemble de filtration en plusieurs zones, à équiper chacune desdites zones d'une résistance et, ayant détecté l'encrassement global de l'ensemble de filtration, à activer sélectivement une ou plusieurs résistances. Des vannes sont en outre associées aux résistances afin de renforcer ou d'atténuer l'effet des résistances. Cette modulation de la régénération est toutefois basée sur une évaluation générale et globale de l'encrassement. Par ailleurs, les conditions de la régénération peuvent être fortement dépendantes de l'état d'encrassement du filtre. D'une façon générale, le chauffage électrique ne permet pas d'agir de façon modulable en fonction de l'encrassement du filtre. La présente invention permet d'améliorer cette technologie en réalisant en outre une évaluation locale de l'encrassement. Plus spécifiquement, il s'agit selon l'invention d'évaluer la perméabilité locale d'un filtre à particules et donc son encrassement puis d'activer et de moduler la régénération en conséquence. De plus, ces différentes actions peuvent être réalisées en temps réel, de façon précise et fiable. Ainsi l'invention a pour objet un procédé d'évaluation de la perméabilité locale d'un filtre à particules qui consiste à - mesurer la température dudit flux en amont dudit filtre; - mesurer la température en différentes zones à l'intérieur du filtre; - évaluer l'inertie thermique de l'une au moins desdites zones; et - en déduire la perméabilité locale du filtre. Le procédé selon l'invention consiste en outre à régénérer localement l'une au moins desdites zones, lorsque ladite perméabilité est supérieure à un certain seuil. Plus précisément, la régénération locale consiste en un chauffage local. Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé peut consister à implanter plusieurs résistances dans plusieurs zones du filtre et une résistance en amont du filtre, à mesurer chaque résistance à intervalles de temps prédéterminés et à évaluer la résistance relative de chaque zone afin de déduire la perméabilité locale de chaque zone. En outre le procédé conforme à l'invention peut consister à implanter au moins une vanne en amont d'au moins une zone du filtre et à moduler indépendamment l'ouverture en fonction de la régénération locale souhaitée. Conformément à l'invention, on utilise en outre la mesure de chacune des résistances locales (Ri) en elle-même pour moduler l'ouverture de chaque vanne associée. Par ailleurs, on peut mémoriser séparément la mesure de chacune des résistance locales (Ri) pour déterminer un colmatage ou une rupture de ladite résistance. Sans sortir du cadre de l'invention, on régénère d'abord les zones les plus encrassées. Additionnellement, le procédé selon l'invention peut consister à injecter localement et indépendamment, des hydrocarbures, dans l'une au moins desdites zones du filtre. La présente invention concerne également un dispositif d'évaluation, de la perméabilité locale d'un filtre à particules traversé par un flux de gaz à épurer, qui comprend un moyen d'évaluation de l'inertie thermique d'au moins une zone du filtre, associé à un moyen d'évaluation de la perméabilité locale. Un moyen de régénération locale du filtre peut par ailleurs coopérer avec le moyen d'évaluation de la perméabilité locale du filtre. De façon plus précise, le moyen de régénération locale du filtre consiste en au moins un élément résistif implanté dans une zone dudit filtre. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen d'évaluation de l'inertie thermique consiste en un capteur de température disposé dans le flux gazeux en amont du filtre et au moins un capteur de température implanté localement dans au moins une zone du filtre. Sans sortir du cadre de l'invention, le moyen d'évaluation de l'inertie thermique comprend un élément résistif disposé dans le flux gazeux en amont dudit filtre associé à au moins un élément résistif implanté dans une zone dudit filtre. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins une vanne disposée en amont d'une zone du filtre, associée à la régénération locale dudit filtre. Avantageusement, il comprend en outre un moyen d'injection local d'hydrocarbures dans l'une au moins desdites zones du filtre, associé à la régénération locale dudit filtre. Conformément à l'invention, le dispositif d'évaluation de la perméabilité locale peut comprendre en outre un moyen de détection du dysfonctionnement de l'une au moins des zones du filtre. Ce moyen peut permettre de détecter un colmatage et/ou une rupture de l'une au moins des zones du filtre. D'autres caractéristiques, avantages, détails de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles - La fig. 1 est un schéma de principe d'un mode de réalisation de l'invention; - La fig. 2 montre un ensemble de courbes de l'évolution de la température en fonction du temps dans différentes zones et en amont du filtre à particules selon l'invention; - La fig. 3 est un organigramme montrant les principales étapes du fonctionnement de l'invention. Comme il est visible sur la fig. 1, I'invention comporte un filtre à particules 1 divisé en plusieurs secteurs (ici zones 1 à 4). Dans le cas d'un filtre de type "wall-flow", chaque zone représentera un ensemble défini de canaux; dans le cas de filtres basés sur un arrangement de fibres, un secteur représentera un tronçon de cartouche par exemple. Ces différentes zones peuvent être chauffés séparément par des résistances électriques locales (Ri) qui permettent, lorsqu'on les active, des régénérations partielles du filtre. L'utilisation d'un chauffage local présente plusieurs intérêts: - La puissance nécessaire au déclenchement de la combustion est faible, le dimensionnement de chaque résistance permet de rendre celle-ci compatible avec les ressources de puissance disponibles. - Pour une gamme importante de points de fonctionnement moteur, la régénération d'une partie limitée du filtre permet de retrouver une contre- pression proche de la contre-pression à vide car la dimension totale du filtre est adaptée au débit maximal de gaz (puissance maxi). - L'activation d'un point chaud localisé en un seul endroit du filtre peut permettre de créer un foyer de combustion lente qui propage 'la combustion aux autres zones du filtre, ce qui maintient sur la durée une faible contre-pression. - Les conditions de chauffage (nombre de résistances actives, durée d'activation...) peuvent être optimisées en fonction des conditions moteur, des conditions d'encrassement et de la puissance disponible. - La répartition spatiale d'énergie introduite dans le filtre étant modulable, ceci permet d'éviter l'accumulation locale trop forte de particules, ce qui est un atout pour la durabilité du support filtrant. Sans sortir du cadre de l'invention, des capteurs de températures peuvent être disposés dans une ou plusieurs zones du filtre 1, afin de donner une mesure de la température dans chacune de ces zones. Par ailleurs, le système selon l'invention peut également comporter des vannes Vi (ici vannes 1 à 4) permettant de réguler le flux de gaz dans chaque secteur du filtre ou dans différents groupes de secteurs. Ces vannes présentent divers intérêts - Elles permettent de répartir l'encrassement de manière inhomogène, ce qui optimise la relation entre la masse totale chargée dans l'ensemble du filtre et la contre-pression. La répartition est inhomogène à la fois au niveau de la nature de l'encrassement et de sa quantité. - Les différentes vannes Vi favorisent le chauffage des différents secteurs Zi et entretiennent donc leur régénération en régulant la répartition du débit de gaz. L'invention comprend en outre une résistance générale Ro disposée en amont du filtre à particules 1 lui-même, c'est-à-dire en amont de l'ensemble des résistances Ri. Cette résistance Ro, ainsi que les différentes résistances Ri implantées dans les différentes zones, varient comme la température du gaz qui les entoure. On a ainsi une mesure indirecte de la température du flux gazeux en amont du filtre. Sans sortir du cadre de l'invention, un moyen de mesure directe de la température tel qu'un thermocouple par exemple, peut être placé en amont du filtre 1. La figure 2 montre l'évolution de la température des différentes zones (courbes 10, 20, 30) du filtre 1 et en amont du filtre (courbe 0). On voit que la variation de la température dans les différentes zones présente un certain décalage vis-à-vis de la température en amont du filtre. Ce décalage dépend directement du débit de gaz traversant chaque zone, c'est-à-dire de l'encrassement de chaque zone. Le principe de fonctionnement de l'invention repose donc sur une évaluation relative du débit local des gaz traversant le milieu filtrant, lequel est directement dépendant de la perméabilité locale du milieu et donc de son niveau d'encrassement. Ainsi, I'encrassement local est évalué à partir de l'inertie thermique d'une zone d'un filtre à particules; selon la fig. 2, la zone la plus encrassée correspond à la courbe 30 puisque sa température ne "suit" pas celle de la courbe 0. On constante un léger changement de pente de la courbe 30 bien après celui de la courbe 0. L'inertie thermique de la zone correspondante est donc très importante. A contrario les courbes 10 et 20, par ailleurs très proches l'une de l'autre, ne présentent pratiquement aucun retard vis-à-vis de la courbe 0; le changement de pente se produit quasiment au même instant. Les zones correspondantes du filtre présentent donc un débit sensiblement égal à celui de la zone située en amont du filtre. Selon l'invention, les différentes inerties thermiques sont évaluées en temps réel via la mesure relative des résistances locales (Ri) vis-à-vis de la résistance générale (Ro), ou encore via la mesure relative des températures locales vis-à-vis de la température mesurée en amont du filtre. La fig. 3 illustre plus en détail le traitement des mesures selon un mode de réalisation de l'invention, tel qu'illustré par la figure 1: Les résistances locales Ri ainsi que la résistance Ro sont mesurées à intervalles de temps prédéfinis, par exemple toutes les secondes. Puis on calcule Ai la valeur absolue de la différence entre Ro et chacune des résistances locales Ri. Ensuite on compare la valeur de Ai à un seuil A seuil qui est en fait la différence maximale tolérée. Si Ai est inférieur à ce seuil, alors on continue les calculs sans autre changement. Si Ai est supérieur au seuil fixé alors on actionne la vanne Vi correspondante à la zone encrassée afin de dériver le flux en dehors de la zone. Parallèlement, on active l'élément chauffant correspondant pendant une durée prédéterminée afin de régénérer localement la zone qui vient d'être jugée encrassée. Une fois le laps de temps terminé, on considère que la régénération est effectuée c'est-à-dire que la zone i n'est plus encrassée. On ouvre donc à nouveau la vanne Vi correspondante afin que le flux traverse à nouveau cette zone. En outre la mesure de chaque résistance locale Ri peut être utilisée intrinsèquement (en absolu) afin de moduler l'ouverture de la vanne correspondante Vi pendant la régénération. Ceci permet d'optimiser le chauffage jusqu'à la température d'initiation, de doser l'apport d'oxygène pour l'entretien de la combustion, ou au contraire d'étouffer la combustion en cas de dégagement thermique trop important. En outre les mesures locales de résistance peuvent être mises à profit pour détecter des incidents tels que la rupture d'une zone du filtre 1... . L'ensemble des mesures selon l'invention peut. d'une façon générale, O participer au diagnostic général de contrôle électronique du moteur. Ainsi la présente invention présente les avantages suivants: Il permet une évaluation locale de l'encrassement ce qui optimise les stratégies de traitement local de la régénération; Il évite notamment de colmater des zones trop importantes du filtre, ce qui pénalise le fonctionnement du moteur à pleine charge. Par ailleurs la présente invention permet d'intervenir très tôt, avant que la quantité de suies déposées ne conduise à des dégagements thermiques trop importants. En outre, en choisissant de régénérer d'abord les zones les plus encrassés, I'efficacité de régénération est optimale puisque la propagation spontanée de la régénération aux zones moins encrassées est quasi certaine. Il n'est plus nécessaire de créer artificiellement une autre régénération. ll Les différentes résistances locales peuvent être utilisées pour détecter des dégradations structurelles du filtre; ou encore des colmatages définitifs. Leur valeur intrinsèque permet en effet ce gendre de diagnostic. Par ailleurs, en fonction de la perméabilité locale détectée selon I'invention, il est possible d'injecter des hydrocarbures sur une ou plusieurs zones du filtre 1; ceci afin de favoriser la combustion c'està-dire la régénération dans l'une ou l'autre des zones. REVENDICATIONS 1) Procédé d'évaluation de la perméabilité locale et de régénération locale d'un filtre à particules traversé par un flux de gaz à épurer, caractérisé en ce qu'il consiste à: - mesurer la température dudit flux en amont dudit filtre; - mesurer la température en différentes zones à l'intérieur du filtre; - évaluer l'inertie thermique de l'une au moins desdites zones; - en déduire la perméabilité locale du filtre; et - régénérer localement ledit filtre. 2) Procédé d'évaluation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on régénère localement l'une au moins desdites zones du filtre, lorsque ladite perméabilité est supérieure à un certain seuil. 3) Procédé d'évaluation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la régénération locale consiste en un chauffage local. 4) Procédé d'évaluation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à implanter plusieurs résistances dans plusieurs zones du filtre et une résistance en amont du filtre, à mesurer chaque résistance à intervalles de temps prédéterminés et à évaluer la résistance relative de chaque zone afin de déduire la perméabilité locale de chaque zone. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à implanter au moins une vanne en amont d'au moins une zone du filtre et à moduler indépendamment l'ouverture en fonction de la régénération locale souhaitée. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on utilise en outre la mesure de chacune des résistances locales (Ri) en elle-même pour moduler l'ouverture de chaque vanne associée. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'on mémorise séparément la mesure de chacune des résistances locales (Ri) pour déterminer un colmatage ou une rupture de ladite résistance. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on régénère d'abord les zones les plus encrassées. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à injecter localement et indépendamment, des hydrocarbures, dans l'une au moins desdites zones du filtre. ) Dispositif d'évaluation de la perméabilité locale et de régénération locale d'un filtre à particules traversé par un flux de gaz à épurer, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'évaluation de l'inertie thermique d'au moins une zone du filtre, associé à un moyen de mesure de la température en amont et en différents points à l'intérieur du filtre et un moyen de régénération locale dudit filtre qui coopère avec le moyen d'évaluation de la perméabilité locale du filtre. 1 1) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen de régénération locale du filtre consiste en au moins un élément résistif implanté dans une zone dudit filtre. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé en ce que le moyen d'évaluation de l'inertie thermique consiste en un capteur de température disposé dans le flux gazeux en amont du filtre et au moins un capteur de température implanté localement dans au moins une zone du filtre. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le moyen d'évaluation de l'inertie thermique comprend un élément résistif disposé dans le flux gazeux en amont dudit filtre associé à au moins un élément résistif implanté dans une zone dudit filtre. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une vanne disposée en amont d'une zone du filtre, associée à la régénération locale dudit filtre. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'injection local d'hydrocarbures dans l'une au moins desdites zones du filtre, associé à la régénération locale dudit filtre. 16) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de détection du dysfonctionnement de l'une au moins des zones du filtre. 17) Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit moyen permet de détecter un colmatage de l'une au moins des zones du filtre. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que ledit moyen permet de détecter une rupture de l'une au moins des zones du filtre.