Brevet FR2872201A1 — publié le 20051230

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de dosage du carburant dans au moins un canal de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne transformé par une réaction exothermique pour aug- menter la température d'un composant à chauffer, selon lequel on prédéfinit une température de consigne du composant à chauffer ou des gaz d'échappement en amont du composant à chauffer. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Etat de la technique Le document EP 1 130 227 Al décrit un système facilitant la régénération d'un filtre à particules installé dans le canal des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne Diesel. Ce système connu augmente la température des gaz d'échappement pour démarrer et maintenir la régénération du filtre à particules en introduisant des hydrocarbures dans le canal des gaz d'échappement. On mesure la température des gaz d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation, après un filtre à particules Diesel installé au voisinage du catalyseur ainsi qu'entre le catalyseur et le filtre à particules. Le point de départ est une température de consigne prédéterminée des gaz d'échappement dont le filtre à particules Diesel doit tenir compte pour amorcer la régénération. L'augmentation de la température des gaz d'échappement se fait pour l'essentiel par l'injection complémentaire de gasoil se traduisant par une augmentation de la teneur en hydrocarbures dans les gaz d'échappement produisant une réaction exothermique d'oxydation dans le catalyseur. Les post-injections sont maintenues au moins jusqu'à ce que l'on mesure la température de consigne prédéfinie des gaz d'échappement. Le document DE 44 26 020 Al décrit un procédé de sur- veillance de l'aptitude au fonctionnement d'un catalyseur installé dans le canal des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Selon ce procédé connu on utilise deux signaux de température. Le premier signal de température est mesuré en aval du catalyseur. Le second signal de température est obtenu à partir d'un modèle qui représente une augmen- tation de température par réaction exothermique des hydrocarbures dans le catalyseur. Ensuite, dans un état de fonctionnement prédéfini du mo- teur à combustion interne on compense les deux signaux de température. Pendant la phase de fonctionnement suivante du moteur à combustion interne on diagnostique le catalyseur en comparant les deux signaux de température. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de dosage du carburant dans le canal des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ainsi que le développement d'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, permettant un dosage particulièrement précis. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on calcule la quantité dosée du carburant en utilisant un modèle de réaction exothermique pour atteindre la température de consigne prédéfinie. L'invention consiste à doser le carburant dans au moins un canal de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et ce carburant est transformé par une réaction exothermique pour augmenter la température d'au moins un composant chauffé. La dose requise pour atteindre la température de consigne prévue de la pièce à chauffer ou des gaz d'échappement en amont de la pièce à chauffer se calcule en tenant compte d'un modèle de réaction exothermique. Le procédé selon l'invention offre des avantages importants en ce que la température de consigne prévue s'obtient soit directement dans la pièce à chauffer soit que l'on chauffe au moins les gaz d'échappement avant la pièce à chauffer avec une dose minimale de car- burant. Vis-à-vis de l'état de la technique cela se traduit par une économie de carburant prise en compte dans le calcul de la quantité dosée déjà à l'aide du modèle de l'augmentation indirecte de la température par la réaction exothermique. On évite ainsi tout dosage excessif de carburant. Le chauffage de la pièce qui est par exemple un catalyseur et/ou un filtre à particules permet un réglage rapide de la température de fonctionnement requise pour le composant. Dans la mesure où le composant est un catalyseur, on at- teint avec une quantité minimale de combustible, la température pour laquelle on a une conversion optimale. Le cas échéant il faut chauffer le catalyseur pour maintenir le niveau de température. Une autre application est le chauffage d'un catalyseur accumulateur, notamment d'un cataly- seur accumulateur d'oxydes d'azote NOX qu'il faut le cas échéant égale- ment mettre à une température plus élevée pendant la régénération que celle du fonctionnement en accumulation. Les catalyseurs accumulateurs nécessitent notamment une température élevée pour leur désulfatage. Le chauffage d'un filtre à particules comme autre exemple d'un composant à chauffer est nécessaire pour lancer la régénération et ensuite la maintenir pour brûler les particules stockées. La réaction exothermique peut se produire directement dans le composant à chauffer. La réaction exothermique est assistée par un revêtement à effet catalytique du composant. En variante ou en plus on peut chauffer les gaz d'échappement en amont du composant à chauffer pour atteindre la température de consigne prédéfinie. Dans ce cas, les gaz d'échappement chauffés assurent pour l'essentiel le chauffage du composant à régénérer. Le modèle de réaction exothermique à la base de l'invention indique quelle élévation de température doit être effectuée pour chaque 15 point de fonctionnement. Selon un développement, on calcule la quantité à doser en fonction d'au moins une mesure du débit massique de gaz d'échappement. La quantité dosée, requise de carburant peut se calculer à partir de l'élévation de température requise, du pouvoir calorifique du combustible, de la mesure du débit massique de gaz d'échappement, de la capacité calorifique spécifique du débit massique des gaz d'échappement ainsi qu'avec le modèle. Un autre développement consiste à calculer la quantité à doser en fonction d'une mesure de la température des gaz d'échappement en amont du composant à chauffer. La dose de carburant, requise, peut se calculer encore plus précisément si l'on connaît la température des gaz d'échappement en amont du composant à chauffer. On calcule le débit massique des gaz d'échappement de préférence à partir de grandeurs caractéristiques de fonctionnement con- nues du moteur à combustion interne. La température des gaz d'échappement peut également être calculée à partir de paramètres de fonctionnement connus du moteur à combustion interne, ou mesurée avec un capteur de température de gaz d'échappement. Un développement prévoit de tenir compte pour le calcul de la dose, d'une grandeur caractéristique, d'une variation de la température en fonction du temps, prédéterminée pour le composant à chauffer ou de la température des gaz d'échappement en amont du composant à chauf- fer. Comme grandeur caractéristique de la variation prédéfinie dans le temps on a par exemple la pente et/ou la courbure de l'évolution de la température en fonction du temps, qui correspondent respectivement à la dérivée première et la dérivée seconde en fonction du temps. Ce moyen permet de prédéfinir de manière précise une évolution de la température, en particulier d'obtenir des variations prédéfinies de manière précise en fonction d'un état stationnaire. En cas de changement de charge ou d'opérations non stationnaires, ce moyen permet une adaptation précise de la quantité de carburant à fournir pour atteindre aussi précisément et rapidement que possible la température de consigne prédéfinie du composant à chauffer ou des gaz d'échappement en amont du composant à chauffer. Un développement prévoit que le modèle tienne compte de la réaction exothermique de la zone du canal des gaz d'échappement adjacente à l'emplacement de la réaction. Ce moyen est notamment avanta- geux si les gaz d'échappement doivent être chauffés avant le composant à chauffer, jusqu'à la température de consigne prédéfinie, et si la réaction exothermique se produit à une distance relativement longue en amont du composant à chauffer. Enfin, l'invention prévoit que la réaction exothermique se 20 fait dans un filtre à particules et le modèle tient compte du filtre à parti-cules. Le dispositif selon l'invention comprend essentiellement un appareil de commande contenant l'enregistrement du modèle et effectuant les calculs. Le dispositif comporte en outre un support de données qui contient le modèle et les calculs de manière codée. Le support des données peut se décrire par exemple par Internet chez le fabricant ou par transfert de données. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 30 détaillée à l'aide d'un exemple du procédé représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre l'environnement technique auquel s'applique le pro- cédé de l'invention, - la figure 2 montre l'ordinogramme du procédé de l'invention. 35 Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre un moteur à combustion interne 10 dont le canal d'admission 11 comporte un capteur d'air 12 et dont le canal de gaz d'échappement 20 comporte un dispositif d'introduction de carburant 21, un premier capteur de température de gaz d'échappement 22, un catalyseur 23, un second capteur de température de gaz d'échappement 24 ainsi qu'un filtre à particules 25. Entre le catalyseur 23 et le filtre à parti-cules 25 on a une zone de gaz d'échappement 26 prédéfinie adjacente au catalyseur 23. Dans le canal de gaz d'échappement 20 on a un débit massique de gaz d'échappement msabg. Le moteur à combustion interne 10 est équipé d'un dispositif de dosage de carburant 30 qui fournit un signal de carburant mE à l'appareil de commande 31. L'appareil de commande 31 transmet un si- gnal de commande S au dispositif d'introduction de carburant 21. Le capteur d'air 12 transmet à l'appareil de commande 31 un signal d'air msL; le moteur à combustion interne 10 transmet un signal de vitesse de rotation de régime N, le premier capteur de température de gaz d'échappement 22 fournit une première température réelle de gaz d'échappement TabgvK et le second capteur de température de gaz d'échappement 24 fournit une seconde température réelle de gaz d'échappement TabgvPF. L'appareil de commande 31 reçoit un signal de consigne de couple Mfa. Le procédé s'exécute comme représenté à la figure 2; il commence par une première étape 50 consistant à déterminer une température de consigne TSW. Dans une seconde étape 51 on détermine la première et la seconde température réelles des gaz d'échappement TabgvK, TabgvPF. Dans une troisième étape 52 on détermine le débit massique de gaz d'échappement msabg. Dans une quatrième étape 53 on calcule une quantité à doser msHC. Dans la cinquième étape 54 on modifie la première fois la quantité dosée msHC et dans une sixième étape 55 on la modifie une nouvelle fois. Par l'interrogation finale 56 on vérifie s'il faut conserver ou modifier la température de consigne TSW. Le procédé selon l'invention fonctionne comme suit: L'appareil de commande 31 fixe le signal de carburant mE tout d'abord en fonction de la valeur de consigne de couple Mfa; cette va-leur dépend par exemple de la position de la pédale d'accélérateur non représentée du véhicule. Le signal de carburant mE demande au dispositif de dosage de carburant 30 du moteur à combustion interne 10 de fournir une quantité ou dose de carburant prédéfinie à au moins un instant pré-défini. Pour la fixation du signal de carburant mE, l'appareil de commande 31 peut le cas échéant également tenir compte du signal d'air msL fourni par le capteur d'air 12 et/ou par la vitesse de rotation (régime) M fournie par le moteur à combustion interne 10. Les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10 passent dans au moins un canal de gaz d'échappement 20. Dans l'exemple de réalisation, le canal de gaz d'échappement 20 est équipé d'un catalyseur 23 et d'un filtre à particules 25. Le catalyseur 23 accumule et/ou convertit certains composants des gaz d'échappement alors que le filtre à particules 25 retient les particules contenues dans les gaz d'échappement. La réaction catalytique produite dans le catalyseur 23 s'effectue de manière optimale dans une plage de température connue. Dans la mesure où l'on utilise un catalyseur accumulateur, en particulier un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, pour régénérer il peut être nécessaire de travailler dans une plage de températures plus élevées que celles du stockage. Le filtre à particules 25 demande en fonction de l'état de charge, une régénération qui se fait par la combustion des particules. Pour lancer la régénération il faut une certaine température de départ. Pour maintenir la régénération on maintient en général également un certain niveau de température qui ne peut pas être maintenu de manière garantie par la réaction d'oxydation exothermique pendant la régénération. Le catalyseur 23 et le filtre à particules 25 sont des exemples de composants qu'il faut chauffer. Le chauffage se fait par l'introduction de carburant dans le canal des gaz d'échappement 20 du moteur à combustion interne 10 produisant une réaction exothermique pour augmenter la température du composant à chauffer 23, 25 à la température de consigne prédéterminée TSW. La réaction exothermique peut se faire directement dans la pièce ou composant 23, 25 à chauffer. Dans la mesure où le composant 23, 25 à chauffer est constitué par le catalyseur 23, on dispose de surfaces à effet catalytique. Dans la mesure où le composant à chauffer 23, 25 ne pré-sente normalement pas de surface catalytique comme cela est le cas par exemple du filtre à particules 25, on peut assurer un revêtement à effet catalytique approprié. Une autre solution consiste à chauffer les gaz d'échappement en amont du composant 23, 25 à chauffer en produisant une réaction exothermique pour arriver à la température de consigne TSW. Dans ce cas la réaction exothermique se fait par exemple sur une surface à effet catalytique installée en amont du composant à chauffer 23, 25. Le chauffage du composant 23, 25 se fait dans ce cas directement par les gaz d'échappement réchauffés. Dans l'exemple présenté, la surface à effet catalytique peut être constituée par le catalyseur 23 qui est par exemple un catalyseur d'oxydation. Dans ce cas, le composant à chauffer 23, 25 est le filtre à particules 25 installé derrière le catalyseur 23. On peut également augmenter la température des gaz d'échappement sans l'assistance d'une surface catalytique par la réaction du carburant avec de l'air secondaire introduit d'une manière non représentée dans le canal des gaz d'échappement 20 et qui développe une zone de réaction exothermique en amont du composant à chauffer 23, 25. Le modèle modélise la réaction exothermique indépendamment de ce que la réaction se produit dans un catalyseur installé devant le composant à chauffer 23, 25, directement dans le composant à chauffer 23, 25 ou uniquement dans le canal des gaz d'échappement 20. Le cas échéant dans la formation du modèle on peut intégrer la zone prédéfinie 26 des gaz d'échappement qui conduit de manière générale à un abaisse-ment de la température par conductivité et rayonnement thermique. Dans l'exemple de réalisation présenté, la première température réelle des gaz d'échappement TabgvK mesurée par un premier capteur de température 22 peut s'utiliser comme point de départ pour l'augmentation requise de la température. La seconde température réelle des gaz d'échappement TabgvPF mesurée par le second capteur de tempé- rature 24 peut être la température de consigne prédéfinie TSW, mesurée directement en aval de la pièce à chauffer 23, 25 et de manière idéale directement dans la pièce à chauffer 23, 25. Comme combustibles on peut envisager par exemple des hydrocarbures, du carburant ou des gaz combustibles. Le carburant peut être généré dans le moteur et être introduit dans le canal des gaz d'échappement 20 par le dispositif d'introduction de combustible 21. L'introduction du combustible dans le moteur peut consister pour le dis- positif de dosage de carburant 30 à effectuer une injection de carburant non enflammé après la combustion principale. Le dispositif d'introduction de combustible 21 présenté dans cet exemple correspond à une possibilité en dehors du moteur d'introduire du combustible ou carburant dans le canal des gaz d'échappement 20. Dans ce cas également l'appareil de commande 31 fixe l'instant et la quantité par le signal de commande S. Le déroulement du procédé commence par la fixation de la température de consigne TSW dans la première étape 50. Dans une réalisation simplifiée du procédé de l'invention, après la première étape 50, on peut passer à la troisième étape 52 dans laquelle on détermine une me- sure du débit massique de gaz d'échappement msabg. Le cas échéant on prévoit la deuxième étape servant à dé-terminer la température des gaz d'échappement en amont du composant chauffé 23, 25. Dans l'exemple présenté on a prévu la première température réelle des gaz d'échappement TabgvK et/ou la seconde température réelle des gaz d'échappement TabgvPF. Dans la quatrième étape 54 on fixe la quantité à doser msHC au moins en fonction de la température de consigne TSW fixée dans la première étape 50, de la quantité déterminée dans la troisième étape 52 comme mesure du débit massique de gaz d'échappement msabg ainsi qu'en fonction du modèle de réaction exothermique. Il est important dans ces conditions notamment de fixer la quantité à doser msHC en fonction du modèle. Vis-à-vis des procédures connues, on a ainsi l'avantage que les effets des mesures prises peuvent être intégrés par calcul dès la fixation des mesures. De manière avantageuse, dans la troisième étape 53, on fixe la quantité à doser msHC en plus en fonction de la première température réelle des gaz d'échappement TabgvK et/ou de la seconde température réelle des gaz d'échappement TabgvPF. Un développement avantageux du procédé selon l'invention prévoit de fixer la quantité à doser msHC en fonction d'une grandeur caractéristique d'une variation de la température de consigne TSW. Ce moyen permet d'adapter l'évolution de température produite pendant et après la réaction exothermique suivant l'évolution chronologique prévue de la température de consigne TSW. Dans la cinquième étape 54 on modifie la quantité dosée msHC en fonction de la dérivée première de l'évolution chronologique de la température de consigne TSW. Dans la sixième étape 55 on modifie une nouvelle fois en fonction de la dérivée seconde de l'évolution chronologique prédéfinie de la température de consigne TSW. La dérivée première corres- pond à la pente et la dérivée seconde à la courbure de l'évolution chrono- logique prédéfinie de la température de consigne TSW. On réalise par exemple les fonctions dérivées en calculant des quotients de différences, et dans les zones correspondant à des variations importantes de l'évolution chronologique prédéfinie de la température de consigne TSW on prévoit plus de points d'appui que dans les zones de faibles variations. Après la sixième étape 55 on peut vérifier si la température de consigne prédéfinie TSW est déjà atteinte. On peut en outre prévoir de maintenir la température de consigne TSW pendant une durée donnée ou jusqu'à l'arrivée d'un événement à la température de consigne prédéfinie TSW. Un tel événement est par exemple un signal indiquant la fin de la régénération d'un catalyseur 23 en forme de catalyseur accumulateur ou du filtre à particules 25 constituant le composant 23, 25 qu'il faut chaut.- fer. Dans l'exemple présenté, dans l'interrogation 56 on vérifie s'il faut modifier la température de consigne prédéfinie TSW. Dans la me-sure où cela n'est pas le cas on maintient la température de consigne TSW. Si cela est le cas on prédéfinit une nouvelle température de consigne TSW. Puis on revient à la première étape 50. L'ensemble du procédé se déroule en permanence de manière cyclique. La température de consigne TSW peut se régler par une simple commande et en modifiant l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne 10 on tient compte des variations produites dans le canal de gaz d'échappement 20 pour le calcul de la grandeur de réglage. On peut également prévoir une régulation en fonction de la température de consigne prédéfinie TSW. Pour la régulation on mesure avantageuse-ment la température du composant à chauffer 23, 25 pour comparer la température réelle à la température de consigne souhaitée TSW. Le cas échéant on peut mesurer la température des gaz d'échappement en aval du composant à chauffer 23, 25 et l'utiliser pour la température réelle du composant 23, 25 à chauffer. Pour former le modèle, on peut tenir compte de la masse du composant concerné 23, 25 et de la capacité spécifique du ou des compo- sants 23, 25. En outre, on peut modéliser les échanges de chaleur entre les composants 23, 25 et l'environnement. La quantité de dosage en carburant msHC, requise, peut se calculer à partir de l'élévation de température nécessaire, de la valeur calorifique du combustible, de la mesure du débit massique de gaz d'échappement msabg, de la capacité calorifique spécifique du flux massique de gaz d'échappement ainsi que du modèle enregistré. La mesure du débit massique de gaz d'échappement msabg peut se déterminer selon un développement simple déjà à partir du signal 2872201 lo d'air msL fourni par le capteur d'air 12 installé dans le canal d'admission 11 du moteur à combustion interne 10. Le cas échéant on peut en outre tenir compte du signal de carburant mE. La première température réelle des gaz d'échappement TabgvK en amont de la réaction exothermique et la seconde température réelle des gaz d'échappement TabgvPF dans la me-sure où elle est prise en amont du composant à chauffer 23, 25, peuvent également se calculer à partir du signal d'air msL et en utilisant le signal de carburant mE et/ou du taux de réintroduction des gaz d'échappement et/ou de la température de l'air ambiant. Dans ces conditions le capteur lo de température 22, 24 peut être supprimé. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de dosage du carburant dans au moins un canal de gaz d'échappement (20) d'un moteur à combustion interne (10) transformé par une réaction exothermique pour augmenter la température d'un compo- sant à chauffer (23, 25), selon lequel on prédéfinit une température de consigne (TSW) du composant à chauffer (23, 25) ou des gaz d'échappement en amont du composant à chauffer (23, 25), caractérisé en ce qu' on calcule la quantité dosée (msHC) du carburant en utilisant un modèle de réaction exothermique pour atteindre la température de consigne pré- définie (TSW). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité dosée (msHC) est calculée en fonction d'une mesure du débit massique de gaz d'échappement (msabg). 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité dosée (msHC) se calcule en fonction de la température des gaz d'échappement (TabgvK, TabgvPF) en amont du composant à chauffer (23, 25). 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on tient compte d'au moins une grandeur caractéristique d'une variation de la température de consigne (TSW) pour calculer la quantité dosée (msHC). 5 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la grandeur caractéristique d'une variation de la température de consigne (TSW) est la pente et/ou la courbure de l'évolution de la température de 35 consigne (TSW). 6 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on saisit la température réelle des gaz d'échappement (TabgvK, TabgvPF) et/ou la température réelle du composant à chauffer (23, 25) à l'aide d'au moins un capteur de température (22, 24). 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction exothermique est produite dans un catalyseur (23), et le modèle tient compte du catalyseur (23). 8 ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le modèle tient compte de la zone des gaz d'échappement (26) prédéfinie, adjacente au catalyseur (23). 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réaction exothermique se fait dans un filtre à particules (25) et le modèle tient compte du filtre à particules (25).