Brevet FR2847302A1 — publié le 20040521

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre d'une installation de traitement des gaz d'échappement équipé d'un filtre à particules dans un moteur à combus5 tion interne, notamment dans un véhicule automobile, comprenant des moyens pour calculer au moins une grandeur caractéristique de l'état de charge du filtre à particules à partir des grandeurs de fonctionnement du filtre à particules. Les véhicules entraînés par un moteur Diesel sont équipés dans de nombreux pays d'installations pour le traitement des gaz d'échappement. A cause de la formation de suie, on utilise des filtres à particules spéciaux pour réduire au minimum l'émission de particules de suie " ou noir de fumées " dans les gaz d'échappement de ces moteurs. Or, à l'avenir, les filtres à particules devront respecter des valeurs limites d'émission encore plus strictes pour tenir compte des exigences encore plus élevées que doit respecter l'efficacité du traitement des gaz d'échappement. A cela s'ajoute que de tels filtres à particules seront également importants dans le cas des moteurs à essence à injection directe car en particulier en mode de fonctionnement stratifié, les moteurs déve20 loppent plus de noir dans les fumées. Etat de la technique Les documents DE 100 14 224 Ai et DE 101 00 418 Ai décrivent un procédé de commande d'un moteur à combustion interne équipé d'une telle installation de traitement des gaz d'échappement. Pour 25 commander le moteur à combustion interne de manière précise il faut connaître l'état de l'installation de traitement des gaz d'échappement. Il faut en particulier connaître l'état de charge du filtre à particules, c'est-àdire la quantité instantanée de particules de suie séparées par filtrage. Le contrôle de la charge d'un filtre à particules et la sur30 veillance de sa régénération se font de façon connue à l'aide de capteurs de pression car la chute de pression dans le filtre permet de tirer les conclusions relatives à la masse de suie accumulée dans le filtre. Le signal de pression fourni par les capteurs de pression est alors exploité selon le point de fonctionnement actuel du moteur à combustion interne; en te35 nant compte des conditions d'écoulement correspondant à la différence de pression, à la température et au débit volumique des gaz d'échappement, etc... dans le filtre on calcule la résistance aéraulique du filtre qui est ellemême représentative de la charge en suie. Pour simplifier, on suppose que la masse de suie est répartie régulièrement dans le volume du filtre. Pour déterminer la masse de suie, on calcule à partir du débit volumique de gaz d'échappement V et de la différence de pression pdiFF le long du filtre à particules, une résistance aéraulique Rrégul selon l'équation Rrégul = pdiFF/V. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif du type défini ci-dessus pour permettre une plus grande précision dans la détermination de la charge du filtre à particules. A cet effet, l'invention constitue un procédé tel que défini cidessus caractérisé en ce qu'on modélise la distribution spatiale des particules de gaz d'échappement essentiellement dans la direction longitudinale du filtre à particules, et à l'aide de cette distribution spatiale modélisée des particules de gaz d'échappement on corrige la grandeur cal15 ractéristique. L'invention concerne également un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calcul pour modéliser la distribution spatiale des particules de gaz d'échappement essentiellement dans la direction longitudinale du filtre à particules et pour effectuer une correction de la grandeur caractéristique à l'aide de la distribution des particules de gaz d'échappement modélisée dans l'espace. De préférence, on forme la grandeur caractéristique de l'état de charge du filtre à particules par la masse de particules agrégée dans le filtre à particules ou par le volume de particules agrégé ou encore par la résistance aéraulique du filtre à particules. La présente invention repose sur l'idée de base que la répartition des particules chargeant les gaz d'échappement dans l'espace est modélisée essentiellement dans la direction longitudinale du filtre à particules. A partir de la répartition du volume/masse de particules dans l'espace, on détermine alors un coefficient de correction pour une grandeur caractéristique du filtre à particules, grandeur calculée à partir des paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne et/ou de l'installation de traitement des gaz d'échappement. Comme grandeur caractéristique on utilise par exemple le volume/masse de particules accu35 mulées dans le filtre ou la résistance aéraulique du filtre à particules. La grandeur caractéristique est ainsi représentative de l'état de charge du filtre. Cela signifie que l'on utilise de préférence le coefficient de correction pour corriger une grandeur caractéristique calculée au préalable selon l'état de la technique pour le filtre à particules et augmenter finalement la précision de la détermination de l'état de charge du filtre. La correction de la résistance aéraulique Rirrég sur la base de l'irrégularité de la répartition des particules dans la direction longitudi5 nale du filtre à particules, se fait de préférence par une approximation linéaire selon la relation suivante Rirrég = Rrégul *(1 + K) K étant une grandeur de correction sans dimension. Selon une réalisation préférentielle du procédé de l'invention, pour la modélisation on divise de préférence le filtre à particules dans la direction longitudinale en segments de même longueur. Le débit volumique ou massique de particules d'entrée se répartit entre les différents segments selon une fonction de distribution et à un instant donné on additionne le volume ou la masse de particules arrivant dans chaque segment pour obtenir la répartition du volume ou de la masse de particules dans la direction d'écoulement du flux de particules. Selon un développement avantageux, à partir du flux de particules obtenu pour chaque segment et avec une courbe caractéristique de chaque matière de filtre à particules on calcule la résistance aéraulique de chaque segment du filtre à particules. Selon un autre développement, à partir de la distribution de la résistance aéraulique résultante pour chacun des segments, sur la lon25 gueur du filtre à particules on calcule avec une fonction de pondération selon les segments, une résistance aéraulique totale pour toute la longueur du filtre à particules. En appliquant le procédé selon l'invention à une installation de traitement des gaz d'échappement on augmente ainsi la précision avec laquelle on détermine la masse de particules accumulées dans le filtre à particules. Dans le dispositif selon l'invention, les moyens de calcul pour modéliser la distribution spatiale des particules de gaz d'échappement dans la direction longitudinale du filtre à particules met35 tent en oeuvre le procédé de mise en oeuvre d'une installation de traitement de gaz d'échappement. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par blocs d'un dispositif de mise en oeuvre d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'état de la technique, - la figure 2 est une vue détaillée d'un procédé pour déterminer la charge d'un filtre à particules selon l'état de la technique, 1o - la figure 3 montre schématiquement un filtre à particules servant à expliciter le procédé selon l'invention, en particulier la modélisation de la répartition spatiale des particules des gaz dans un filtre à particules, - les figures 4a, 4b sont des diagrammes illustrant une fonction de distribution de particules selon le procédé de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation Selon la figure 1 on décrira un dispositif de mise en oeuvre d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'état de la technique dans laquelle peut s'exécuter le procédé de l'invention. Le dispositif du présent exemple est prévu dans un moteur à combustion interne à allumage non commandé, par exemple un moteur Diesel. Dans ce moteur à combustion interne on dose le carburant de façon commandée à l'aide d'un système à rampe commune. Le procédé selon l'invention n'est toutefois pas limité à un tel système est il peut s'appliquer dans les mêmes conditions à d'autres mo25 teurs à combustion interne. La référence 100 désigne le moteur à combustion interne recevant de l'air frais par une conduite d'aspiration 102 et rejetant les gaz d'échappement par une conduite d'échappement 104. La conduite d'échappement 104 est équipée d'un moyen de traitement des gaz d'échappement 110 laissant échapper à l'environnement des gaz d'échappement nettoyés par l'intermédiaire de la conduite 106. Le moyen de traitement des gaz d'échappement 110 comprend principalement un catalyseur amont 112 et, en aval de celui-ci, un filtre à particules 114. Entre le catalyseur amont 112 et le filtre à particules 114 on a de préfé35 rence un capteur de température 124 qui fournit un signal de température T. En amont du catalyseur amont 112, et en aval du filtre à particules 114, on a prévu chaque fois des capteurs 120a, 120b. Ces capteurs fonctionnent globalement comme un capteur de pression différentiel 120 et fournissent un signal de pression différentiel DP qui représente la différence de pression entre l'entrée et la sortie du moyen de traitement des gaz d'échappement. Selon une réalisation particulièrement avantageuse, il est s prévu un capteur 125 fournissant un signal caractéristique de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement. En variante ou en complément, on peut calculer cette grandeur à partir d'autres valeurs de mesure ou en procédant par une simulation. Le moteur à combustion interne 100 reçoit de façon dosée du carburant par une unité de dosage de carburant 140. Cette unité mesure par les injecteurs 141, 142, 143, 144, le carburant destiné aux différents cylindres du moteur à combustion interne 100. Il s'agit de préférence d'une unité de dosage de carburant du type rampe commune. Une pompe à haute pression fournit le carburant à un accumulateur. Cet accumulateur alimente en carburant les injecteurs du moteur à combustion interne. Différents capteurs 151 équipent l'unité de dosage de carburant 140; ils fournissent des signaux caractéristiques de l'état de l'unité de dosage de carburant. Il s'agit ici, dans le cas d'un système à rampe commune, par exemple de la pression P dans l'accumulateur de pression. Le moteur à combustion interne 100 est en outre équipé de capteurs 152 caractérisant l'état du moteur. Il s'agit ici de préférence d'un capteur de vitesse de rotation (régime) qui fournit un signal de vitesse de rotation N ainsi que d'autres capteurs non explicités ici. Les signaux de sortie de ces capteurs arrivent dans une commande 130 formée d'une première partie de commande 132 et d'une seconde partie de commande 134. Les deux parties de commande constituent de préférence un ensemble unique. La première partie de commande 132 commande de préférence l'unité de dosage de carburant 140 avec des signaux de commande AD qui influencent le dosage du carburant. Ainsi, la première partie de commande 132 comporte une commande de quantité de carburant 136. Celle-ci fournit un signal NW caractéristique de la quantité injectée. Ce signal alimente la seconde partie de commande 134. La seconde partie de commande 134 agit de préférence sur le système de traitement des gaz d'échappement et saisit à cet effet les signaux des cap35 teurs correspondants. En outre, la seconde partie de commande 134 échange des signaux et notamment la quantité de carburant injectée ME avec la première partie de commande 132. Les deux parties de commande utilisent de préférence réciproquement les signaux des capteurs et les signaux internes. La première partie de commande, encore appelée commande de moteur 132, fournit un signal de commande AD pour comman5 der l'unité de dosage de carburant 140 et cela en fonction de différents signaux caractérisant l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne 100, l'état de l'unité de dosage de carburant 140 et les conditions ambiantes. On peut également tenir compte d'un signal caractérisant la puissance ou/et le couple demandé au moteur. De telles installations sont connues et utilisées dans de multiples applications. En particulier dans le cas de moteurs à combustion interne Diesel on peut avoir des émissions de particules dans les gaz d'échappement. Pour cela, il est prévu que le moyen de traitement des gaz d'échappement 110 élimine ces particules en les filtrant des gaz d'échappement. Ce filtrage accumule les particules dans le filtre à particules 114. Ces particules sont brlées dans certains états de fonctionnement et/ou après un certain temps pour nettoyer le filtre à particules. Pour cela, il est habituellement prévu de régénérer le filtre 114 en augmentant la température du moyen de traitement des gaz d'échappement 110 pour brler les particules. L'augmentation de la température se fait avec le catalyseur amont 112. On augmente par exemple la température en augmentant la teneur en hydrocarbures imbrlés dans les gaz d'échappement. Ces hydrocarbures imbrlés réagissent alors dans le catalyseur amont 1 12 et 25 augmentent sa température et par suite également celle des gaz d'échappement arrivant dans le filtre 114. Cette élévation de la température du catalyseur amont et des gaz d'échappement augmente la consommation en carburant et ne doit dans ces conditions se faire que lorsque cela est nécessaire, c'est-à-dire lorsque le filtre 114 est chargé d'une certaine teneur en particules. Une possibilité pour détecter l'état de charge du filtre à particules consiste à saisir la différence de pression (ou pression différentielle) DP entre l'entrée et la sortie du moyen de traitement des gaz d'échappement et de déterminer son état de charge à partir de cette in35 formation. Cela nécessite un capteur de différence de pression 120. A partir de différentes grandeurs, notamment du régime N et de la quantité de carburant injectée NM, on détermine l'émission prévisible de particules et on simule ainsi l'état de charge. Lorsqu'on atteint un état de charge cor- respondant, on régénère le filtre 114 en commandant l'unité de dosage de carburant 140. A la place du régime N et de la quantité de carburant injectée NM on peut également utiliser d'autres signaux qui caractérisent cette grandeur. C'est ainsi que l'on peut par exemple utiliser comme signal de commande notamment la durée de commande des injecteurs et/ou le couple comme quantité de carburant ME. A côté de la quantité de carburant injectée NM et du régime N on utilise également la température T régnant dans le système de trai10 tement des gaz d'échappement pour calculer l'état de charge. Pour cela, on utilise de préférence le capteur 124. La grandeur ainsi calculée de l'état de charge est ensuite utilisée pour commander le système de traitement des gaz d'échappement, c'est-à-dire que la régénération est lancée en fonction de l'état de charge par l'élévation de température. Un procédé connu selon l'état de la technique pour déterminer l'état de charge d'un filtre à particules est représenté sous la forme d'un schéma par blocs à la figure 2. L'état de charge caractérise finalement l'état du système de traitement des gaz d'échappement. Les éléments déjà décrits à la figure 1 portent les mêmes références. Dans un champ de caractéristiques de base 200 on fournit les signaux de sortie N d'un capteur de vitesse de rotation 132, une grandeur NM de la commande de dosage de carburant 136 qui caractérise la quantité de carburant injectée et/ou une grandeur caractérisant la concentration en oxygène. On prédéfinit de préférence la grandeur caractéri25 sant la concentration en oxygène à l'aide d'un capteur ou en procédant par le calcul 125. Le champ de caractéristiques de base 200 alimente un premier point de combinaison 105 avec une grandeur GR caractérisant la valeur de base de l'émission de particules. Le premier point de combinai30 son 205 est relié à un second point de combinaison 210 pour lui fournir un signal appliqué à un intégrateur 220 avec une grandeur KR caractérisant l'augmentation de particules dans le filtre 114. L'intégrateur 220 fournit un grandeur B caractérisant l'état du système de traitement des gaz d'échappement. La grandeur B correspond à l'état de charge du filtre 114 et sert à la commande 130. La seconde entrée du point de combinaison 205 reçoit le signal de sortie d'un premier circuit de correction 230 qui reçoit le signal de sortie de différents capteurs 235. Les capteurs 235 fournissent des si- gnaux caractérisant en particulier les conditions ambiantes. Il s'agit par exemple de la température de l'eau de refroidissement TW, de la température de l'air et de la pression de l'air PL. La seconde entrée du point de combinaison 210 reçoit par un moyen de commutation 245, le signal de sortie d'un second circuit de correction 240. Le second circuit de correction 240 reçoit le signal de sortie T du capteur 124. Le champ des caractéristiques de base 200 contient selon l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne caractérisé notamment par le régime N, la quantité de carburant injectée NM et/ou une grandeur caractérisant la concentration en oxygène, la valeur de base GR de l'émission de particules. A côté de ces grandeurs on peut également tenir compte d'autres grandeurs. A la place de la quantité NM on peut également utiliser une grandeur caractérisant la quantité de carburant injectée. Au premier point de combinaison 205 on corrige cette valeur en fonction de la température de l'eau de refroidissement et de l'air ambiant ainsi que de la pression atmosphérique. Cette correction tient compte de l'influence sur l'émission de particules par le moteur à combustion interne 100. Au second point de combinaison 210 on tient compte de l'influence de la température du catalyseur. La correction tient compte de ce qu'à partir d'une certaine température Tl les particules ne se déposent pas dans le filtre mais sont transformées directement en composants non polluants. En dessous de cette température Tl il n'y a pas de conversion et les particules se déposent toutes dans le filtre. La seconde correc25 tion ou circuit de correction 240 fournit en fonction de la température T du moyen de traitement des gaz d'échappement 110, un coefficient F par lequel on multiplie de préférence l'émission de base GR. Le filtre à particules représenté schématiquement à la figure 3 est subdivisé selon la modélisation de l'invention dans l'exemple de réa30 lisation préférentiel en segments de préférence de même longueur L + 1 dans la direction longitudinale selon cet exemple. Ces segments sont tout d'abord modélisés ou simulés par rapport au filtrage des particules, de préférence des particules de suie. Une grandeur nécessaire à la modélisation (simulation) est le flux massique de particules global entrant dans le filtre à particules dm/dt (cela correspond à la grandeur KR évoquée cidessus); m est la masse des particules. Ce flux massique de particules se définit en mesure par l'évolution de la combustion notamment dans le moteur Diesel et peut se déterminer d'une manière connue en soi à partir d'une simulation de filtre à particules. Dans l'hypothèse satisfaite certainement en première approximation selon laquelle on sépare dans le filtre à particules 100 % du flux massique de particules d'entrée, c'est-à-dire qu'il n'y a plus de particules à la sortie du filtre, on répartit le flux massique de particules d'entrée entre les différents segments du filtre à particules. Du fait de cette distribution on aura, le long des segments, une distribution de particules comme celle indiquée par exemple aux figures 4a, 4b. La distribution des particules est prise en compte dans le cadre de la modélisation par une fonction de distribution V(k), linéaire, dont la somme de tous les segments est normée sur la valeur 1; dans cette fonction k représente l'indice du segment compris entre 0 et 1. A l'aide de la fonction de distribution V(k) (ou plus simplement de la distribution) on calcule le débit massique de particules dm/ dt d'un certain segment k suivant la relation dm/dt(k) = V(k) * dm/dt. Dans l'intervalle de temps considéré, on additionne la masse des particules arrivant dans chaque segment k soit dm/dt(k). Il en résulte globalement la distribution de la masse des particules dans la direction d'écoulement m(k). Pour chaque segment on déduit d'une courbe caractéristique calculée au préalable d'une façon connue, une valeur de la résistance aéraulique R(k). A partir des résistance aérauliques R(k) des différents segments et en appliquant une fonction de pondération w(k) on calcule la résistance aéraulique globale R résultante en appliquant la formule suivante: K= E [w(k)/R(k)] (1) dans cette formule pour la somme de tous les segments, k varie de 0 à 1. La fonction de pondération w(k) correspond à l'unité mbar/(mA3/h). Il est à remarquer que par un choix approprié de valeurs positives et négatives de la fonction de pondération w(k), on obtient des valeurs positives et négatives pour K. A partir des grandeurs de correction K obtenues selon la modélisation décrite ci-dessus, c'est-à-dire suivant la répartition spatiale de la masse des particules dans la direction longitudinale du filtre à parti35 cules, on calcule la résistance aéraulique corrigée Rirrég selon l'équation suivante: Rirrég = Rrégul *(1 + K) (2) sur la base de la répartition irrégulière des particules dans la direction longitudinale du filtre à particules. En variante ou en plus de la résistance aéraulique on peut également déterminer avec une précision plus élevée la masse des particules accumulées dans le filtre à particules. L'état de charge du filtre à particules, qui se détermine de manière plus précise à l'aide des grandeurs indiquées, peut être utilisé d'une manière connue en soi pour mieux commander le moteur Diesel. A l'aide des figures 4a, 4b, on décrira de manière plus détaillée le calcul de la fonction de distribution de particules V(k). Dans le présent exemple de réalisation le filtre à particules est subdivisé en huit segments. La modélisation utilise quatre étapes de temps. Comme cela apparaît à la figure 4a, dans chacune de ces étapes de temps, une masse 1 5 de particules représentée par une barre verticale arrive dans le filtre à particules. On suppose que la hauteur de la masse de particules d'entrée aux différents instants diffère suivant les diverses tailles de barre. Comme dans chaque intervalle de temps on a une fonction de distribution qui est recalculée V(k), à la fin des quatre intervalles de temps on aura la distri20 bution de particules m(O)... m(7) représentée à la figure 4b sur les différents segments. Les composantes en particules des différentes masses de particules d'entrée représentées par les barres découlent du diagramme de distribution de la figure 4a. Le dispositif et le procédé décrits ci-dessus s'appliquent de 25 préférence comme programme de commande d'un appareil de commande de moteur de véhicule automobile. A côté du moteur Diesel évoqué cidessus, l'invention peut également s'appliquer à des moteurs à essence, et en particulier à des moteurs à injection directe bénéficiant des avantages indiqués. Les principes de l'invention peuvent également s'appliquer en dehors de la construction automobile, à d'autres domaines utilisant des filtres à particules du type décrit comme par exemple des véhicules aquatiques ou des avions ou des applications non mobiles comme par exemple des installations de combustion. REVENDICATIONS ) Procédé de mise en oeuvre d'une installation de traitement de gaz d'échappement comportant un filtre à particules dans un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile, selon lequel on détermine une grandeur caractéristique de l'état de charge du filtre à particules à partir de caractéristiques de fonctionnement du filtre à particules, caractérisé en ce qu' on modélise la distribution spatiale des particules de gaz d'échappement 1o essentiellement dans la direction longitudinale du filtre à particules, et à l'aide de cette distribution spatiale modélisée des particules de gaz d'échappement on corrige la grandeur caractéristique. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on forme la grandeur caractéristique de l'état de charge du filtre à particules par la masse de particules agrégée dans le filtre à particules ou par le volume de particules agrégé ou encore par la résistance aéraulique du filtre à particules. ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on effectue la correction de la grandeur caractéristique selon une fonction linéaire suivante: Rirrég = Rrégul *(1 + K), relation dans laquelle Rrégul est la grandeur caractéristique pour la distribution régulière supposée des particules dans le filtre à particules, Rirrég est la grandeur caractéristique dans l'hypothèse d'une distribution irrégulière de particules et K est un coefficient de correction. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour la modélisation du filtre à particules on le subdivise en segments dans la direction longitudinale et on répartit le flux massique de particules ou débit volumique de particules d'entrée entre les différents segments à l'aide d'une fonction de distribution, et en ce qu'à l'instant considéré on additionne les masses de particules ou volumes de particules entrant dans chacun des segments pour déterminer la distribution de la masse ou du volume des particules dans le filtre à particules dans la direction du flux de particules. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' à partir du flux volumique ou massique de particules déterminé pour chaque segment, à l'aide d'une courbe caractéristique de la matière respective du filtre particules on calcule la résistance aéraulique de chacun des segments du filtre à particules. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' à partir de la distribution de la résistance aéraulique obtenue à partir des différents segments dans la direction longitudinale du filtre à particules, à l'aide d'une fonction de pondération on calcule la résistance aéraulique globale correspondant à la longueur totale du filtre à particules. ) Dispositif pour la mise en oeuvre d'une installation de traitement des gaz d'échappement équipé d'un filtre à particules dans un moteur à com20 bustion interne, notamment dans un véhicule automobile, comprenant des moyens pour calculer au moins une grandeur caractéristique de l'état de charge du filtre à particules à partir des grandeurs de fonctionnement du filtre à particules, caractérisé en ce qu' il comprend des moyens de calcul pour modéliser la distribution spatiale des particules de gaz d'échappement essentiellement dans la direction longitudinale du filtre à particules et pour effectuer une correction de la grandeur caractéristique à l'aide de la distribution des particules de gaz d'échappement modélisée dans l'espace. ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de calcul pour modéliser la distribution spatiale des particules de gaz d'échappement dans la direction longitudinale du filtre à particules mettent en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 6.