Brevet FR2805174A1 — publié le 20010824

La présente invention concerne un procédé un dispositif pour le contrôle de la régénération d'un système de collecte d'éléments carbonés tel qu'un filtre à particules implanté sur un système d'écoulement gazeux, par exemple celui d'un moteur à combustion interne, au moyen d'une mesure différentielle de la richesse des gaz bornes de l'élément filtrant. Etat de la technique Les moyens de filtration permettent de recueillir les particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne avec des efficacités de filtration importantes, de l'ordre de 80%. A titre illustratif, peuvent être cités le monolithe céramique à base de cordiérite commercialisé par la société Corning ou le monolithe céramique en carbure de silicium commercialisé par la société Ibiden ou encore la cartouche à fibres céramiques enroulées. La difficulté technique rencontrée pour le développement et l'implantation des filtres à particules est qu'ils doivent être périodiquement régénérés par combustion du dépôt de suie afin d'éviter un colmatage de l'élément filtrant qui sera pénalisant sur le rendement du moteur et mettra en -péril son bon fonctionnement. Cette combustion se produit parfois naturellement lorsque la température des gaz qui traversent le filtre atteint un niveau suffisant pour initier l'oxydation des particules. - Cependant les niveaux de température rencontrés à l'échappement des moteurs Diesel par exemple restent, sur une très grande plage de fonctionnement, bien trop faibles pour permettre l'initiation de la combustion des suies. Il alors nécessaire de mettre en oeuvre des actions permettant de déclencher la régénération du filtre. De nombreuses techniques ont été développées dans ce sens. Elles peuvent être basées sur des modifications des paramètres du fonctionnement du moteur tels que le taux d'EGR, la suralimentation, le retard de l'injection, le vannage à l'échappement, le vannage à l'admission, elles peuvent être liées a l'utilisation d'un catalyseur d'oxydation placé en amont de l'élément filtrant couplé à une post injection, ou encore, elles peuvent faire intervenir un apport externe d'énergie dans les gaz d'échappement ou au niveau du filtre par le biais de résistance électrique, de brûleur, de micro ondes, de plasma etc. Il est alors nécessaire de piloter ces différents dispositifs par une commande extérieure prise en charge par le calculateur. Le critère de déclenchement de la régénération de l'élément filtrant peut être la variation de la contre-pression ou perte de charge mesurée aux bornes de l'élément filtrant qui peut être corrélée à son état d'encrassement par les suies, comme décrit par exemple dans le brevet FR 2.755.623 du demandeur. Ce proce de détection convient très bien en régime stabilisé. La mesure de la contre pression permet également de détecter la combustion des suies accumulées dans l'élément filtrant, car, en régime stabilisé, - elle chute avec combustion du dépôt carboné. Cependant, la contre-pression à l'échappement est soumise à d'importantes fluctuations lorsque les conditions moteur ne sont pas stabilisées (température, débit d'air, etc.) est le cas pour un moteur de véhicule qui, dans les conditions usuelles de circulation, fonctionne très souvent en régime transitoire (accélération, décélération). La maîtrise de l'encrassement d'un élément filtrant en utilisant ce type de mesure est difficile dans la pratique. Le déclenchement de l'action de régénération de l'élément filtrant peut aussi être commandé par le biais d'une mesure de la variation de la résistance électrique mesurée entre des points espacés le long de l'élément filtrant, variation qui est directement liée à son état d'encrassement, comme décrit par exemple dans le brevet FR 2.760.531 demandeur. La régénération du filtre peut être facilitée par l'utilisation d'additifs dans le carburant à base, par exemple, d'éléments organo- metalliques ou de terres rares, qui se retrouve dans le dépôt de suies et catalyse l'oxydation des suies ce qui se traduit par un abaissement de la température d'initiation de la combustion du dépôt carboné. les produits les plus souvent utilisés, on peut citer, le cérium, le strontium, le fer, etc. L'utilisation de ces éléments permettent d'obtenir des régénérations à des températures comprises entre 200 C et C selon la nature du dépôt de suies. Cependant les températures rencontrées, par exemple à l'échappement de moteurs Diesel suralimentés, peuvent rester, pour certains types d'utilisation comme les trajets urbains, insuffisantes au déclenchement de la combustion des suies. La mise oeuvre de stratégies spécifiques faisant appels aux différents éléments déj' cités devient indispensable au bon fonctionnement du système. Différents exemples d'utilisation de ces différentes techniques sont décrites par exemple dans les brevets suivants : EP 913.559, JP 10 113, GB 2 261613, EP 488 386 ou DE 35 38 109. Quel que soit le moyen utilisé pour déclencher la régénération de l'élément filtrant, il est source de consommation d'énergie. Une bonne gestion du système passe par le contrôle de la phase de régénération. Plus précisément, la détection du début de régénération filtre permet de définir le moment où les moyens mis en oeuvre pour augmenter la temperature des gaz peuvent être stoppés. La combustion des suies peut alors 'auto-entretenir en raison de la forte exothermicité de la réaction d'oxydation des suies. Cela se traduit, notamment par limitation de la surconsommation du moteur liée à la mise en oeuvre des stratégies de régéneration de l'élément filtrant. Le procédé et le dispositif selon l'invention La présente invention permet de réaliser un contrôle très efficace de la phase de regénération d'éléments filtrants et des opérations nécessaires à leur nettoyage Le procédé selon l'invention permet de contrôler la régénération périodique d'un élément filtrant des particules transportées par un flux gazeux, par combustion de celles-ci. II est caractérisé en ce qu'il comporte la détection de la variation de la concentration en oxygène du flux gazeux entre au moins un premier point vers l'amont de l'élément filtrant recevant le flux, relativement au sens de celui-ci et au moins un deuxième point en aval du premier, résultant d'une réaction déclenchée de combustion des particules accumulées dans l'élément filtrant, de façon à ajuster avec précision la durée de la mise en température nécessaire au déclenchement de la combustion et donc de limiter au mieux l'énergie requise. Suivant un mode de mise en oeuvre, le procédé permet par exemple contrôler la régénération périodique d'un élément filtrant tel qu'un pot d'échappement, destiné à retenir des particules ou suies transportées par un flux gazeux s'échappant d'un moteur, par combustion de ces particules. Il est caractérisé en ce qu'il comporte détection de la variation de la richesse des gaz d'échappement entre moins un premier point vers l'amont de l'élément filtrant relativement sens flux, et au moins un deuxième point en aval du premier, résultant d'une réaction de combustion des particules accumulées dans l'élément filtrant déclenchée par un organe de gestion sensible à la variation richesse détectée, de façon à ajuster avec précision la durée de la mise temperature nécessaire au déclenchement de la combustion. Selon les cas, le procédé peut comporter un contrôle de processus de regénération spontanée de l'élément filtrant ou bien le déclenchement d'une action sur les paramètres de fonctionnement du moteur pour obtenir une élévation substantielle de la température des gaz d'échappement ou bien encore le déclenchement de moyens de chauffage associés à l'élément filtrant. Le dispositif selon l'invention permet de contrôler la régénération périodique d'un élément filtrant retenant des particules transportées par un gazeux par combustion de celles-ci. Il est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection de la variation du taux en oxygène du flux gazeux entre au moins un premier point vers l'amont de l'élément filtrant recevant le flux, relativement au sens de celui-ci et au moins un deuxième point vers l'aval du premier (en aval de l'élément filtrant de préférence), des moyens de chauffage destinés à élever la température de l'élément filtrant suffisamment pour brûler les particules, et des moyens gestion connectés aux moyens de détection pour ajuster la durée de la ' en température nécessaire au déclenchement de la combustion par action sur les moyens de chauffage. Dans une application au contrôle de la régénération périodique élément filtrant retenant des particules oxydables ou suies transportées par un flux gazeux s'échappant d'un moteur thermique, par combustion de ces particules, le dispositif comporte une première sonde richesse disposée en un premier point vers l'amont de l'élément filtrant relativement au sens du flux et une deuxième sonde de richesse disposée en un deuxième point en aval du premier (de préférence en aval de l'élément filtrant), relativement au sens du flux de gaz, des moyens de chauffage destinés à élever la température de l'élément filtrant suffisamment pour brûler les particules, et un calculateur connecté aux moyens de détection pour ajuster la durée la durée de la en température nécessaire au déclenchement de la combustion, par action sur les moyens de chauffage, en fonction de la variation de richesse des gaz d'échappement entre la première et la deuxième sonde. Les moyens de chauffage peuvent par exemple être constitués par le moteur, le calculateur étant programmé pour modifier des paramètres de fonctionnement visant à augmenter la température des gaz d'échappement, ou bien encore être associés à l'élément filtrant. Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, dans une application particulière où le flux gazeux est issu d'un moteur thermique, et en se référant aux dessins annexés où - la 1 montre schématiquement un dispositif de contrôle appliqué à la surveillance de l'encrassement d'un élément filtrant à la sortie moteur ; - la 2 montre un exemple de variation au cours du temps de l'écart de richesse OR entre l'amont et l'aval de l'élément filtrant avec une montée progressive de l'écart jusqu'à un seuil S fixé au-delà duquel la combustion des suies s'amorce ; et - la Fig.3 montre les variations comparées, en fonction du temps, de la richesse RA, en amont de l'élément filtrant, de la richesse RB en aval et de la contre-pression CP à l'échappement. Description détaillée dispositif est adapté, dans l'application décrite, à contrôler la régénération périodique d'un élément filtrant 1 interposé sur un circuit d'échappement 2 d'un moteur thermique 3, par combustion de particules polluantes carbonées (suies) qui s'y accumulent, au moyen d'une détection des variations de richesse entre l'amont et l'aval de l'élément filtrant consécutives de cette combustion. terme de richesse est ici pris dans son acception particulière en usage chez les motoristes et défini par la relation suivante Richesse = (m_carb / m -air) / (m carb / m_air)stoech, où m_ est la masse de carburant injectée dans le moteur (kg/h), m .air, la masse d'air aspirée par le moteur (kg/h), et (m carb / m air)stoech correspond au ratio entre le débit carburant et le débit d'air à la stcechiométrie de la réaction de combustion. rapport est fonction de la nature du carburant et il est voisin de l/14.5. Pour mesurer cette variation de richesse, le dispositif comporte première sonde de richesse 4 d'un type connu, tel en trouve actuellement dans les circuits d'échappement des moteurs, qui est disposée ici vers l'amont de l'élément filtrant 1 relativement au sens du de gaz d'échappement, par exemple. Il comporte également au moins une deuxième sonde de richesse 5 du même type disposée en aval de la première sonde 4, vers la sortie de l'élément filtrant 1 exemple. Les deux sondes de richesse 4, 5 sont connectées à élément calculateur 6, tel qu'un processeur programmé adapté à surveiller l'évolution de l'écart de richesse entre leurs mesures respectives. Les suies qui s'accumulent dans l'élément filtrant 1 sont constituées principalement d'éléments carbonés qui réagissent avec l'oxygène pour former avec lui essentiellement du C02 et du CO. Une partie de l'oxygène entrant dans l'élément filtrant est donc consommée par le carbone présent dans le dépôt. La combustion des suies dans l'élément filtrant se traduit donc en aval par un déficit d'oxygène par rapport à la richesse mesurée vers l'amont relativement au sens du flux de l'élément filtrant et ce dès les premiers instants de la combustion des suies. Il existe certaines conditions de fonctionnement du moteur (typiquement quand il fonctionne à forte charge) qui permettent d'atteindre, sans aucune modification des paramètres moteur des niveaux de température suffisants pour déclencher la régénération filtre. Le calculateur donc en mesure dans ce cas de détecter les processus de régénération spontanée de l'élément filtrant. En dehors de ce cas de régénération spontanée, lorsque l'élément filtrant doit etre régénéré, le calculateur 6 peut déclencher la combustion des suies commandant par tout moyen approprié une augmentation substantielle la température des gaz d'échappement. Il peut s'agir d'une action les paramètres de fonctionnement du moteur lui-même ou selon cas ou les applications envisagées, d'une action sur des éléments extérieurs au moteur proprement dit (tels que des éléments chauffants). Le dispositif permet de définir avec précision le moment où la procédure de régénération peut être stoppée et donc de limiter la consommation d'énergie requise. Le dispositif doit être étalonné au préalable pour déterminer la périodicité des opérations de combustion des suies dans le filtre. La quantité de suies qui se dépose est soit estimée par exemple sur la base de cartographies d'émissions de particules du moteur soit par utilisation d'un capteur d'encrassement du filtre d'un type connu. L'intégration de la différence de richesse pendant toute la phase de combustion des suies permet également de définir la quantité de suies accumulée dans l'élément filtrant. Cette valeur peut alors être comparée à la quantité de suies qui a brûlé sur le filtre et définir si la régénération du filtre a été complète ou partielle. Sur les Fig.2, 3, on voit les résultats d'essais sur un moteur de véhicule. Les courbes RA et RB représentent les variations respectives de la richesse mesurée par les sondes 4 et 5 placées en amont et en aval du filtre, tandis que la courbe CP représente la variation de la contre- pression à l'échappement. Les courbes RA et RB suivent une évolution parallèle jusqu'au point S où l'oxydation progressive des suies accumulées, se traduit par un écart grandissant entre les richesses. remarque que le maximum D de la contre-pression CP avant la chute lieu bien après qu'une différence significative entre les deux signaux RA et de richesse n'apparaisse. On a décrit un exemple d'application du procédé au contrôle l'encrassement d'un élément filtrant dans les circuits d'échappement moteur thermique. Il est bien évident cependant que le procédé peut s'appliquer à la régénération d'un élément filtrant accumulant particules transportées dans un flux gazeux contenant une certaine concentration en oxygène, dès lors que ces particules sont combustibles et modifient la teneur du flux en oxygène. Pour détecter la variation de cette concentration, on utilise dans ce cas des sondes de mesure de la concentration en oxygène. REVENDICATIONS Procédé pour contrôler la régénération périodique d'un 'lément filtrant destiné à retenir des particules transportées par un flux gazeux, par combustion de celles-ci, caractérisé en ce qu'il comporte la détection de la variation de la concentration en oxygène du flux gazeux entre au moins premier point vers l'amont de l'élément filtrant recevant le flux, relativement au sens de celui-ci et au moins un deuxième point en aval du premier, résultant d'une réaction déclenchée de combustion des particules accumulées dans l'élément filtrant, de façon à ajuster avec précision la durée de la mise en température nécessaire au déclenchement de la combustion, et donc de limiter au mieux l'énergie requise. 2) Procédé pour contrôler la régénération périodique d'un 'lément filtrant tel qu'un pot d'échappement, destiné à retenir des particules ou suies transportées par un flux gazeux s'échappant d'un moteur (3), par combustion de ces particules, caractérisé en ce qu'il comporte la détection la variation de la richesse des gaz d'échappement entre au moins premier point vers l'amont de l'élément filtrant (1) relativement au sens du flux, et au moins un deuxième point en aval du premier, résultant d'une réaction de combustion des particules accumulées dans l'élément filtrant, déclenchée par un organe de gestion (6) sensible à la variation de richesse détectée, de façon à ajuster avec précision la durée de la mise en température nécessaire au déclenchement de la combustion, et donc de limiter au mieux l'énergie requise. Procédé selon la revendication 2, caracterisé en ce qu'il comporte la détection de processus de regénération spontanée de l'élément filtrant. Procédé selon la revendication 2, caracterisé en ce qu'il comporte une action sur les paramètres de fonctionnement du moteur (3) pour obtenir une élévation substantielle de la température des gaz d'échappement. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte l'utilisation de moyens de chauffage associés à l'élément filtrant pour obtenir une combustion contrôlée des particules. Dispositif pour contrôler la régénération périodique d'un élément filtrant (1) retenant des particules transportées par un flux gazeux par combustion de celles-ci, caractérisé en ce comporte des moyens (4, 5) de détection de la variation du taux oxygène du flux gazeux entre au moins un premier point vers l'amont l'élément filtrant recevant le flux, relativement au sens de celui ' et au moins un deuxième point vers l'aval de l'élément filtrant, des moyens de chauffage destinés à élever la température de l'élément filtrant suffisamment pour brûler les particules, et des moyens de gestion (6) connectés aux moyens de détection (4, 5) pour ajuster la durée de la mise en température nécessaire au déclenchement de la combustion, par action sur les dits moyens de chauffage. 7) Dispositif pour contrôler la régénération périodique d'un élément filtrant (1) retenant des particules oxydables ou suies transportées par un flux gazeux s'échappant d'un moteur (3), par combustion de ces particules, caractérisé en ce qu'il comporte une première sonde de richesse (4) disposée en un premier point vers l'amont de l'élément filtrant (1) relativement au sens du et une deuxième sonde de richesse (5) disposée en un deuxième point aval du premier, relativement au sens du flux de gaz, des moyens de chauffage destinés à élever la température de l'élément filtrant suffisamment pour brûler les particules, et un calculateur (6) connectés aux moyens détection (4, 5) pour ajuster la durée de la mise en température nécessaire au déclenchement de la combustion, par action sur les dits moyens de chauffage, en fonction de la variation de richesse des d'échappement entre la première et la deuxième sonde. 8) Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par le moteur le calculateur étant programmé pour modifier des paramètres de fonctionnement du moteur (3) visant à augmenter la température des gaz d'échappement. 9) Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que moyens de chauffage sont associés à l'élément filtrant.