Brevet FR2849103A1 — publié le 20040625

Procédé et système de détermination de masse de suie dans un filtre à particules. L'invention concerne un procédé et un système de détermination de masse de suie dans un filtre à particules pouvant comprendre une phase catalytique. L'hétérogénéité des processus de combustion 5 dans les moteurs à mélange pauvre, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone, qui ne peuvent être brlées efficacement dans le moteur Cela se traduit par exemple par l'apparition, en sortie de la ligne 10 d'échappement, de fumées noires Ce phénomène est une source de pollution que l'on cherche à réduire. La présence d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement du moteur permet de diminuer considérablement la quantité de particules, 15 poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et de satisfaire aux normes antipollution. Des dispositifs de régénération pilotés par un calculateur permettent de brler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter le 20 colmatage de ce dernier Les particules de suies sont des éléments essentiellement carbonés, et leur combustion consomme de l'oxygène pour former du gaz carbonique. Ceci est effectué en élevant la température au 25 sein du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 550 à 600 OC, température à partir de laquelle les particules de carbone retenues dans le filtre s'enflamment spontanément. De nombreuses techniques ont été développées dans ce sens Elles peuvent être basées sur des modifications des paramètres du fonctionnement du 5 moteur tels que le taux de recyclage de gaz d'échappement, la suralimentation, le retard de l'injection, le vannage à l'échappement, le vannage à l'admission Elles peuvent aussi être liées à l'utilisation d'un catalyseur d'oxydation placé en 10 amont de l'élément filtrant couplé à une postinjection Elles peuvent encore faire intervenir un apport externe d'énergie dans les gaz d'échappement ou au niveau du filtre par le biais de résistance électrique, de brleur, de micro-ondes, de plasma 15 etc Il est alors nécessaire de piloter ces différents dispositifs par une commande extérieure prise en charge par le calculateur. La combustion de ces particules provoque un dégagement d'énergie Cette énergie peut être évacuée 20 par le flux de gaz d'échappement en provenance du moteur, transmise au lit de suies dont est chargé le filtre ou être transmise aux différents éléments entrant dans la constitution du filtre à particules, ou, de manière générale, du système de dépollution. Cependant, dans certaines conditions, la combustion des particules peut devenir très rapide alors que l'évacuation de l'énergie de combustion n'est plus suffisante Il s'ensuit une élévation de température, en particulier du filtre, à un niveau 30 qui entraîne une détérioration du filtre, telle que des fissurations du filtre. La demanderesse a déjà proposé un procédé de commande de la régénération du filtre basé sur la détermination d'un paramètre représentatif des conditions de fonctionnement du filtre, en 5 particulier pendant les phases de régénération Ce paramètre est par exemple un rapport entre le débit de gaz d'échappement et la vitesse de combustion des suies. Dans une première situation, dans le cas o le 10 paramètre est inférieur à un premier seuil, il est considéré que la régénération se déroule normalement. Dans une deuxième situation o le paramètre se situe entre le premier seuil et un deuxième seuil supérieur, il est considéré que la régénération 15 comporte un risque d'emballement Enfin, dans une troisième situation, si le paramètre est au-dessus du deuxième seuil, il est considéré que la régénération s'est emballée et que le filtre a été endommagé. Pour éviter d'arriver dans la troisième 20 situation, on provoque la mise en oeuvre d'une procédure de commande de sauvegarde lorsque la deuxième situation est détectée Cette procédure de sauvegarde correspond par exemple à l'arrêt des moyens qui ont permis de mettre en route la 25 régénération et qui ont été présentés précédemment. Le procédé qui vient d'être exposé nécessite d'évaluer la masse de suie consumée sur une période de temps, ou la vitesse de combustion des suies La vitesse de combustion des suies est évaluée par 30 exemple par une estimation de la température interne du filtre, laquelle est une moyenne pondérée des températures en amont et en aval du filtre La température du filtre est convertie en vitesse de combustion à l'aide d'une cartographie stockée en mémoire. On connaît par le document FR 2 805 174 un 5 procédé de commande d'un système de régénération d'un filtre à particules, dans lequel on détermine à partir de quel moment la régénération est amorcée et n'a plus besoin d'être provoquée par des moyens d'amorçage En effet, les moyens d'amorçage sont 10 consommateurs d'énergie, et il est intéressant d'arrêter la consommation d'énergie dès que possible. Pour cela, le procédé évalue la teneur en oxygène en amont et en aval du filtre, et compare ces teneurs. Dès que la différence de teneurs en oxygène atteint 15 un seuil prédéterminé, on considère que la régénération est amorcée Les teneurs en oxygène sont mesurées par des sondes à oxygène placées dans le flux des gaz d'échappement Ce procédé ne propose aucune évaluation de la vitesse de combustion des 20 suies ni de la masse de suie consumée. La présente invention a pour objectif de proposer une autre méthode de détermination de la vitesse de combustion et de la masse de suie consumée au cours d'une régénération dans un filtre à 25 particules. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un procédé de détermination d'une variation de masse de suie consumée au cours d'une régénération dans un filtre à particules destiné à filtrer des gaz 30 d'échappement, une masse initiale de suie étant contenue dans le filtre à particules, procédé caractérisé en ce que l'on mesure une teneur en oxygène des gaz d'échappement en amont et en aval du filtre, on détermine un débit de gaz d'échappement, et on déduit du débit et de la différence de teneur en oxygène entre l'amont et l'aval une masse de suie 5 consumée dans le filtre ou une vitesse instantanée de combustion. La régénération du filtre se produit par la combustion de la suie retenue dans le filtre Cette combustion se produit en absorbant de l'oxygène des 10 gaz d'échappement En mesurant la différence de teneur en oxygène, et en la rapportant au débit de gaz, il est possible quantifier la vitesse instantanée de combustion ou, de manière équivalente par intégration numérique, la masse de suie consumée, 15 ce qui est l'objectif de l'invention. De manière préférentielle, la masse de suie meons régénérée est déterminée par la formule: mcons(t) = Qv(t)2 e(t) 02 s(t)}It dans laquelle: Me est la masse molaire du carbone; Vmol est le volume molaire d'un gaz parfait à 273 K; Qv est le débit volumique des gaz d'échappement, exprimé à 273 K; 02 e est la teneur en oxygène en amont du filtre; 02 S est la teneur en oxygène en aval du filtre; TO est l'instant de début de la régénération. La suie est en effet composée essentiellement de carbone, qui réagit avec l'oxygène dans un rapport de une mole pour une mole Le déficit en oxygène en aval traduit la quantité de suie consumée La formule ci-dessus est par exemple évaluée par intégration numérique. De manière équivalente, la vitesse instantanée de combustion vóons est déterminée par la formule: vcons(t) = M Qv(t)l 02 e(t) 02 s(t)l Vmol Selon un mode de réalisation particulier, les 10 teneurs en oxygène sont déduites de mesures de sondes proportionnelles de richesse placées dans les gaz d'échappement Ce type de sonde est bien connu de l'état de la technique et est par exemple désignée sous le terme de sonde UEGO A partir de 15 l'information de richesse, il est aisé de retrouver une information de teneur en oxygène. Dans une application du procédé selon l'invention, le procédé agit sur des moyens d'action pour optimiser la régénération Plus particulièrement, le procédé détermine si la régénération comporte un risque d'emballement, en fonction de la vitesse instantanée de combustion de la suie et commande les moyens d'action pour éliminer le risque d'emballement. L'invention a aussi pour objet un système de détermination d'une variation de masse de suie consumée au cours d'une régénération dans un filtre à particules destiné à filtrer des gaz d'échappement, une masse initiale de suie étant contenue dans le 30 filtre à particules, caractérisé en ce que le système comporte une sonde de mesure de la teneur en oxygène en amont du filtre, une sonde de mesure de la teneur en oxygène en aval du filtre, des moyens de mesure d'un débit de gaz d'échappement, et un calculateur 5 pour déduire du débit et de la différence de teneur en oxygène entre l'amont et l'aval une masse de suie consumée dans le filtre. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture 10 de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés sur la figure 1, unique, représentant de manière schématique un système de dépollution à filtre à particules. Sur la figure 1, le moteur, désigné par la 15 référence numérique générale 10, est un moteur de type Diesel suralimenté par turbocompresseur. Dans l'exemple représenté, le moteur 10 comporte quatre cylindres, tels que 12, disposés en ligne Il est alimenté en air frais par 20 l'intermédiaire d'un répartiteur d'admission 14, luimême alimenté par une conduite d'alimentation 16 pourvue d'un filtre à air (non représenté) et équipée d'un débitmètre 18. Par ailleurs, le moteur 10 est pourvu d'un 25 collecteur d'échappement 20, en communication avec une ligne d'échappement 22 pourvue d'un système de filtration de particules, constitué essentiellement d'un pot catalytique d'oxydation 24 et d'un filtre à particules 26. Un circuit de recyclage des gaz d'échappement 28, qui est pourvu d'une vanne de recyclage 30, récupère une partie des gaz d'échappement issus de la combustion et les réinjecte dans le répartiteur d'admission 14. Le moteur 10 est alimenté en carburant par l'intermédiaire d'un circuit d'alimentation 32 Par exemple, ce circuit d'alimentation est un circuit à haute pression et à rampe commune. Enfin, un calculateur dment programmé, désigné 10 par la référence numérique générale 34, gère le fonctionnement du moteur 10, notamment la quantité de carburant injecté ou l'instant d'allumage du moteur, de manière à délivrer le couple demandé par le conducteur. En particulier, le calculateur 34 reçoit d'un signal de mesure en provenance du débitmètre 18 équipant la conduite d'admission 16, et dispose de la valeur d'autres variables de fonctionnement du moteur, tels que le régime de fonctionnement du 20 moteur, la température de l'air ambiant, celle du liquide de fonctionnement, comme cela est bien connu de l'homme du métier. Il reçoit en outre un signal de richesse amont Re d'une sonde proportionnelle amont 40 et un signal 25 de richesse aval Rs d'une sonde proportionnelle aval 42, les sondes étant placées dans le flux de gaz d'échappement respectivement en amont et en aval du filtre 26. Le calculateur 34 incorpore tous les moyens 30 matériels et logiciels pour piloter les différents paramètres de fonctionnement du moteur, tels que l'injection de carburant, la levée des soupapes d'admission et d'échappement, la quantité de gaz recyclés, à partir d'une cartographie 38 stockée en mémoire dans le calculateur 34. En particulier, il surveille la valeur du niveau de chargement du filtre à particules, et, lorsque cette valeur dépasse une valeur de seuil prédéterminée, il met en oeuvre des moyens d'amorçage 10 du filtre 26 Ces moyens d'amorçage sont constitués par des moyens de type classique, bien connus de l'homme du métier Ils ne seront donc pas décrits en détail par la suite. On notera, néanmoins, que ces moyens permettent 15 de créer un environnement gazeux particulier dans le filtre à particules, qui est chauffé à une température de l'ordre de 550 à 600 C, pour apporter une énergie nécessaire à l'inflammation spontanée des particules de carbone contenues dans le filtre 26. En ce qui concerne la détermination du niveau de chargement du filtre, celle-ci peut être effectuée par différents moyens, par exemple en mesurant la différence de pression régnant en amont et en aval du filtre à particules, ou par interpolation sur la base 25 de cartographies d'émission de particules du moteur. Par ailleurs, il y a lieu d'éviter que la régénération ne soit effectuée dans des conditions telles qu'elle risquerait d'altérer les éléments entrant dans la constitution du système de traitement 30 des effluents gazeux Pour cela, le calculateur 34 calcule, au cours du fonctionnement du moteur, et en particulier au cours de la régénération, un paramètre représentatif des conditions de fonctionnement des moyens de régénération Il pilote lesdits moyens de régénération, en fonction de la valeur du paramètre 5 ainsi calculée, de manière à éviter que la régénération ne s'effectue dans des situations telles que l'énergie dégagée par la combustion des suies ne puisse plus être évacuée, ce qui se traduirait par une détérioration du filtre à particules. Dans le cas o une situation à risque est détectée, le calculateur exécute une procédure de sauvegarde pour limiter ou arrêter la régénération. La procédure de sauvegarde agit par exemple sur les moyens d'amorçage en les arrêtant, ou en les faisant 15 fonctionner pour qu'ils créent des conditions de ralentissement ou d'arrêt de la régénération. Le paramètre cité plus haut prend en compte par exemple la masse de suie consumée sur une période donnée, couverte par la période de régénération, ou 20 la vitesse instantanée de combustion, exprimée en masse consumée par unité de temps. Selon le procédé de l'invention, lorsqu'une étape de régénération est lancée par le calculateur 34, une masse initiale de suie m O est mémorisée Les 25 signaux de richesse amont Re et aval Rs sont mesurés, convertis en valeur de teneur en oxygène 02 e et 02 s et mémorisés en tant que valeur courante. Puis une boucle est effectuée, dans laquelle on procède aux étapes suivantes: a) stockage des valeurs courantes de teneur en oxygène et de masse de suie restante en tant que valeurs précédentes; b) mesure des signaux de richesse amont Re et aval Rs, et conversion en valeur de teneur en oxygène amont 02 e et aval 02 s, et mémorisation en tant que valeur courante; c) évaluation de la masse de suie consumée depuis l'instant précédent t-l jusqu'à l'instant courant t par: mcons(t) = V,1, Qv(t)l 02 e(t) 02 s(t)}t d) calcul de la masse restante dans le filtre à l'instant t par: m(t)=m(t-l)-mcons(t) e) calcul de la vitesse de régénération par: vcons(t) =Me Qv(t)l 02 e(t) 02 s(t)l Vmol Ainsi, on connaît à chaque instant pendant la phase de régénération la vitesse de combustion et la masse restante dans le filtre. Il a été supposé que la quantité de suie générée par le moteur pendant la phase de 20 régénération est négligeable En effet, la durée de la régénération est relativement faible par rapport à la durée de cycle entre chaque régénération De plus, le moteur fonctionne avec peu d'émission de particules pendant la phase de régénération, en 25 conséquence de l'objectif de maintenir une température élevée des gaz d'échappement arrivant dans le filtre à particules Cependant, il est parfaitement possible de prendre en compte la quantité de suie générée pendant cette phase, par exemple lors de l'étape a), en ajoutant la quantité de suie générée à la masse de suie restante. L'invention n'est pas limitée au mode de 5 réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple Elle pourra en particulier être mise en oeuvre sur un moteur Diesel atmosphérique, ou un moteur à mélange pauvre. REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination d'une variation de masse de suie consumée au cours d'une régénération dans un filtre à particules ( 26) destiné à filtrer des gaz d'échappement, une masse initiale de suie 5 étant contenue dans le filtre à particules ( 26), procédé caractérisé en ce que l'on mesure une teneur en oxygène des gaz d'échappement en amont ( 02 e) et en aval ( 02 s) du filtre ( 26), on détermine un débit de gaz d'échappement (Qv), et on déduit du débit et de 10 la différence de teneur en oxygène entre l'amont et l'aval une masse de suie consumée (mcons) dans le filtre ( 26). 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse de suie mcons régénérée est 15 déterminée par la formule: imcons(t) = VMI O Qv(t)l 02 e(t) 02 s(t)}Jt dans laquelle: Mc est la masse molaire du carbone; Vmol est le volume molaire d'un gaz parfait à 273 20 K; Qv est le débit volumique des gaz d'échappement, exprimé à 273 K; 02 e est la teneur en oxygène en amont du filtre; 02 S est la teneur en oxygène en aval du filtre; TO est l'instant de début de la régénération. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la vitesse instantanée de régénération vcons est déterminée par la formule: vcons(t) =M Qv(t)l 02 e(t) 02 s(t)l Vmol dans laquelle: Mc est la masse molaire du carbone; Vmol est le volume molaire d'un gaz parfait à 273 K; Qv est le débit volumique des gaz d'échappement, 10 exprimé à 273 K; 02 e est la teneur en oxygène en amont du filtre; 02 S est la teneur en oxygène en aval du filtre. 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel les teneurs en oxygène sont déduites de 15 mesures de sondes proportionnelles de richesse ( 40, 42) placées dans les gaz d'échappement. Procédé selon la revendication 1, selon lequel il agit sur des moyens d'action pour optimiser la régénération. 6 Système de détermination d'une variation de masse de suie consumée au cours d'une régénération dans un filtre à particules ( 26) destiné à filtrer des gaz d'échappement, une masse initiale de suie (m O) étant contenue dans le filtre à particules ( 26), 25 caractérisé en ce que le système comporte une sonde de mesure de la teneur en oxygène en amont ( 40) du filtre, une sonde de mesure de la teneur en oxygène en aval ( 42) du filtre, des moyens de mesure d'un débit de gaz ( 18) d'échappement, et un calculateur ( 34) pour déduire du débit et de la différence de teneur en oxygène entre l'amont et l'aval une masse de suie consumée dans le filtre.