Brevet FR2864146A1 — publié le 20050624

PROCEDE DE DETERMINATION EN TEMPS REEL DE LA MASSE DE PARTICULES PRESENTE DANS UN FILTRE A PARTICULES DE VEHICULE AUTOMOBILE L'invention concerne un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules présente dans un filtre à particules pour le moteur à combustion d'un véhicule automobile. L'invention concerne également l'utilisation de ce procédé dans un procédé de gestion pour un moteur, notamment les moteurs fonctionnant en mélange pauvre. En effet, l'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs fonctionnant en mélange pauvre a pour effet de générer des particules de carbone qui ne peuvent être brûlées efficacement par le moteur. Cela se traduit par l'apparition à l'échappement de fumées noires, caractéristiques de ce type de moteur, en particulier lors des phases de démarrage et lors des fortes accélérations. Le respect des futures normes législatives impose la mise en oeuvre de systèmes de dépollution permettant d'éliminer en totalité les particules ainsi que les oxydes d'azote. Actuellement, on dispose, à cet effet, d'un élément semi-poreux formant un filtre à particules dans la ligne d'échappement, qui permet le passage des composés gazeux tout en retenant les composés particulaires. Dans les moteurs Diesel, les fumées constituent l'élément de base de ces composés particulaires. Cependant, lorsque le filtre est jugé plein, il est nécessaire d'effectuer une purge afin de le régénérer. Ainsi, chaque phase de rétention des particules doit être suivie d'une phase de régénération au cours de laquelle les composés retenus sont éliminés en éléments non polluants (dioxyde de carbone et eau). Une nouvelle phase d'accumulation des composés particulaires peut alors commencer. Ces particules sont habituellement éliminées par combustion à une température d'environ 600 C. Cependant, les gaz d'échappement de ces moteurs atteignent rarement une telle température en fonctionnement normal: il est nécessaire d'augmenter spécifiquement la température lors de la phase de régénération. Les moyens couramment utilisés passent par la création d'un environnement gazeux chauffé à une température d'environ 600 C. 2864146 2 Cette opération permet de favoriser l'auto-inflammation des particules de carbone retenues dans le filtre. Ces dernières se consument alors en dégageant de l'énergie, qui en fonction des conditions peut être pondéralement transmise au lit de particules dans le filtre, aux divers éléments constitutifs du système de dépollution (filtre à particules, boîte et enveloppe de maintien, tuyaux, etc...), ou bien véhiculée par le flux de gaz émanant du moteur. Il est donc important de connaître à chaque instant la masse de particules contenues dans le filtre, en particulier à l'issue d'une régénération, de manière à optimiser la gestion du déroulement des phases de régénération et à contrôler l'intégrité du filtre. En effet, la combustion d'une quantité trop importante de particules peut provoquer une dégradation ou destruction du filtre en raison de la forte exothermicité de cette réaction. En général, la masse de particules présente dans le filtre est estimée à partir de la mesure de la perte de charge engendrée par le filtre, tel que décrit par exemple dans le document FR-2 774 421. La masse ainsi estimée ne présente toutefois pas toujours une précision suffisante, de sorte que le filtre peut subir des dégradations. Le document FR-2 657 649 présente, pour différentes conditions de fonctionnement, différentes stratégies de régénération et de pilotage de la régénération. Plus précisément, ce document propose d'utiliser un estimateur de masse de particules contenues dans le filtre pour la mise en oeuvre ou l'arrêt des différentes stratégies de régénération utilisées en fonction du régime et de la charge de fonctionnement du moteur. L'estimation de la masse de particules contenue dans le filtre est déterminée en utilisant une différence entre la masse de particules entrant dans le filtre provenant des émissions du moteur et la masse de particules consommée par la combustion des particules dans le filtre. Ces masses sont déterminées directement à partir de cartographies en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, de sorte qu'elles ne présentent pas non plus toujours une précision suffisante pour éviter une dégradation du filtre. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules présente dans un filtre à particules, qui permet d'obtenir une amélioration de la précision du calcul de la masse. 2864146 3 Le procédé selon l'invention présente en outre l'avantage de ne nécessiter qu'un capteur de température en entrée du filtre, qui ne sera donc pas détérioré au cas où la combustion des particules serait tout de même trop exothermique. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules présente dans un filtre à particules équipant la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que l'on répète à des intervalles de temps At déterminés la suite d'opérations suivante: (i) on mesure à l'instant t la température T(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules en utilisant un capteur de température, (ii) on mesure à l'instant t des paramètres de fonctionnement du moteur au moyen de capteurs, (iii) on relève à l'instant t, en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, sur des tables pré-établies, les valeurs des paramètres suivants: concentration en oxygène [02(t)j et concentration en oxydes d'azote [NO,(t)] des gaz d'échappement entrant dans le filtre à particules, la vitesse d'émission de particules du moteur F(t), (iv) on calcule, en utilisant les lois de cinétique des réactions chimiques de combustion des particules, à l'instant t, la vitesse de combustion V(t) des particules dans le filtre à particules à l'aide des paramètres suivants: température T(t), concentrations en oxydants [02(t)], [NO,(t)] , et masse de particules présente dans le filtre, me-At) , obtenue lors du cycle d'opérations précédent à l'instant t-At, (v) on calcule, à l'instant t, la masse de particules présente sur le filtre, mc(t), en utilisant la masse de particules m,(t-At) obtenue lors du cycle d'opérations précédent suivant la formule suivante: mc(t) = m,(t- At) + [F(t) - V(t)] * At, où At est l'intervalle de temps entre les instants t-At et t, (vi) on enregistre la valeur de la masse de particules m,(t) présente sur le filtre calculée à l'instant t pour l'utiliser dans la suite d'opérations suivante à l'instant t+dt. Dans un autre mode de réalisation, au lieu de relever une ou plusieurs valeurs des paramètres [02(t)], [NO,, (t)] F(t), on la ou les mesure au moyen de capteurs. Ainsi, dans le cas où les trois valeurs 2864146 4 sont mesurées par des capteurs, les étapes (ii), (iii) peuvent être supprimées. L'invention concerne également l'utilisation du procédé de détermination en temps réel de la masse de particules selon l'invention, pour contrôler et/ ou commander un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile. Le procédé selon l'invention permettant d'obtenir une meilleure évaluation de la masse de particules présente dans le filtre à chaque instant, il est possible d'interdire le déclenchement d'une régénération si la quantité de particules détectées risque de mettre en danger l'intégrité du filtre suite à une élévation trop importante de la température au moment de la combustion. Dans une variante, le procédé de détermination selon l'invention est utilisé lorsque la température en entrée du filtre est comprise entre 250 C et 500 C environ. En dehors de cette plage de températures, un autre procédé de détermination de la masse peut alors être utilisé, par exemple en utilisant une mesure de perte de charge dans le filtre à particules. L'invention concerne également l'utilisation du procédé de détermination en temps réel de la masse de particules selon l'invention, dans un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, pour déterminer une masse de particules seuil pour chaque point de fonctionnement du moteur d'un véhicule, en deçà de laquelle le filtre aura tendance à se charger en particules et au-delà de laquelle la vitesse de combustion des particules dans le filtre aura tendance à augmenter. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur et de sa ligne d'échappement équipée d'un filtre à particules, - la figure 2 est le tracé de la masse de particules présente dans le filtre calculée selon le procédé de l'invention (mc) et la masse de particules mesurée par pesée (mp) en fonction du temps. En référence à la figure 1, un moteur 1 est relié à une ligne d'échappement des gaz 2 équipée d'un filtre à particules 3. En amont 35 2864146 5 du filtre 3, par rapport au sens de circulation des gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation 4 est installé sur la ligne d'échappement pour oxyder le monoxyde d'azote des gaz d'échappement en oxydes d'azote NOM. Un capteur de température 5 est prévu sur la ligne d'échappement, en entrée du filtre à particules 3. Des capteurs de vitesse du moteur 6 et de la charge du moteur 7 sont prévus au niveau du moteur pour mesurer la vitesse Ne du moteur (nombre de tours par minute) et la charge Q du moteur correspondant à l'enfoncement de la pédale d'accélérateur. Des capteurs de pression 8 et 9 sont placés respectivement en entrée et en sortie du filtre à particules 3. Les différents capteurs 5 à 9 sont reliés à un calculateur 10 dans lequel des tables, ou cartographies, caractéristiques du moteur sont enregistrées. Ces tables sont pré-établies par des mesures préalables réalisées pour chaque moteur. Le procédé de détermination de la masse de particules m (t) présente à l'instant t dans le filtre est maintenant décrit. Ce procédé consiste à répéter à des intervalles de temps At déterminés la suite d'opérations décrite ci-après. (i) Dans une première opération, on mesure, à l'instant t, la température T(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules en utilisant le capteur de température 5. La valeur obtenue est enregistrée dans le calculateur 10. (ii) Sensiblement simultanément, on mesure à l'instant t les paramètres de fonctionnement du moteur Ne et Q au moyen des capteurs 6 et 7. Les valeurs mesurées sont également enregistrées dans le calculateur 10. (iii) Ensuite, le calculateur 10 utilise des tables pré-établies fonctions des valeurs Ne et Q pour relever les valeurs des paramètres suivants en utilisant comme entrées les valeurs Ne et Q mesurées à l'instant t: concentration en oxygène [02(t)] et concentration en oxydes d'azote [NOX(t)] des gaz d'échappement entrant dans le filtre à particules, et vitesse d'émission de particules du moteur F(t). Ces valeurs relevées correspondent aux valeurs à l'instant t et sont enregistrées dans le calculateur 10. 2864146 6 II est toutefois possible de remplacer cette opération de lecture sur des tables par des mesures de capteur placés en entrée du filtre pour mesurer les concentrations en oxygène [O2(t)] et en oxydes d'azote [NOX(t)] et par une mesure d'un analyseur de particules (également placé en entrée du filtre) pour mesurer la vitesse d'émission de particules du moteur F(t). L'étape (ii) peut alors être supprimée. (iv) Le calculateur 10 procède ensuite au calcul de la vitesse de combustion V(t), à l'instant t, des particules dans le filtre à particules. Comme données d'entrées, le calculateur utilise les paramètres précédemment mesurés ou relevés: température T(t), concentrations en oxydes d'azote [NO,(t)] et oxygène [O2(t)] ainsi que la masse de particules présente dans le filtre, m,(t-At), obtenue lors du cycle d'opérations précédent à l'instant & At. A cet effet, le calculateur utilise les lois de cinétique des réactions chimiques de combustion des particules, dont les formules sont pré-enregistrées. Ces lois seront détaillées plus loin. (v) A l'opération suivante, le calculateur calcule la masse de particules présente sur le filtre à l'instant t, m,(t), en utilisant la masse de particules obtenue lors du cycle d'opérations précédent à l'instant t- At, mc(t-At), suivant la formule suivante: mc(t) = mk(t-4t) + [F(t) V(t)] * At, (E) où At est l'intervalle de temps entre les instants t-At et t. (vi) La valeur de la masse de particules m,(t) présente sur le filtre calculée à l'instant t est alors enregistrée pour être utilisée comme valeur d'entrée dans la suite d'opérations suivante à l'instant t+At, notamment dans les opérations (iv) et (v). La suite d'opérations décrite ci-dessus est ensuite exécutée à nouveau à l'instant t+dt. A l'instant initial ti, aucune masse mc(t-At) n'étant disponible, le calculateur utilise alors une masse de particules présente sur le filtre mpression(ti) estimée en utilisant de manière classique la perte de charge ou différence de pression AP à l'instant ti entre l'entrée et la sortie du filtre 3. Cette différence 4e pression est par exemple calculée en utilisant comme valeurs d'entrées les mesures des capteurs de pression 8 et 9. Il est également possible d'avoir recours à cette masse de particules estimée mpression à des instants t ultérieurs du fonctionnement 2864146 7 du moteur, par exemple à des fins de contrôle de la masse calculée mc(t) selon le procédé de l'invention. La masse de particules présente sur le filtre est ainsi corrigée en temps réel en fonction du point de fonctionnement du moteur, ce qui permet d'atteindre une précision nettement supérieure aux procédés connus de détermination de la masse. Nous allons maintenant décrire les lois de cinétique utilisées par le calculateur selon l'invention. La réaction de combustion des particules (suies) dans un filtre à particules catalysé (phase active du filtre comprenant un catalyseur), est initiée suivant trois processus différents et complémentaires: (1) Le premier processus correspond à la combustion des particules par oxydation par les oxydes d'azote NOx contenus dans les gaz d'échappement ou formés par réaction du monoxyde d'azote sur des sites platine présents dans la phase active déposée par le filtre. Cette réaction se déroule dans la plage de 250 à 500 C environ. (2) Le second processus correspond à l'action du catalyseur de la phase active du filtre. Le catalyseur présente un caractère donneur d'oxygène et fournit de l'oxygène pour l'oxydation des particules. Ce processus débute autour de 350 C. (3) Le troisième processus correspond à la combustion des particules par l'oxygène présent dans les gaz d'échappement. Initié vers 450-500 C, ce processus s'intensifie avec la température et est responsable en particulier de la régénération active du filtre vers 600 C. Les vitesses de réaction de ces différents processus peuvent être mises en équations cinétiques sous la forme suivante (les vitesses sont exprimées en mg/ s) : Processus (1) l r l VNO = Kle-Ea1/RT(t) X [mc (t At)Jal x [NOx (t)]b Processus (2) V02catalyseur = KZe Ea2/RT(t) x [mc (t Ot),a2 X [0 2catalyseur (t)1 Processus (3) l l VO2 = K3e-Ea3/RT(t) x [mcit Ot)Ja3 x [Q2 (t)Jd 2864146 8 Dans lesquelles: - T(t) représente la température mesurée en entrée du filtre, - mc(t dt) représente la masse de particules (en grammes) présente sur le filtre à l'instant t dt et calculée lors de la suite d'opérations précédemment exécutée, - [NOx(t)] représente la concentration en oxydes d'azote (en ppm) dans les gaz d'échappement entrant dans le filtre à l'instant t, - [O2catalyseur(t)] représente la concentration en oxygène (en pourcentage) disponible dans la phase active ("wash coat") à l'instant t, - [O2(t)] représente la concentration en oxygène (en pourcentage) dans les gaz d'échappement entrant dans le filtre à l'instant t, - K1, K2, K3 sont les facteurs pré exponentiels des réactions de combustion des processus (1), (2), (3) respectivement, - Eal, Ea2, Ea3 sont les énergies d'activation des réactions de combustion des processus (1), (2), (3) respectivement, - a1, a2, a3, b, c, d sont les ordres partiels des réactions vis à vis de la masse de suie et de l'oxydant (NO. ou 02), - R est la constante des gaz parfaits. Les paramètres cinétiques K1, K2, K3, Eal, Ea2, Ea3, a1, a2, a3, b, c, d, sont déterminés expérimentalement de manière classique. Dans le cas de la première équation del vitesse: VNO = Kle-Ea1RT(t) x [mc(t At)]' x [NOx(t)]b les valeurs suivantes peuvent être utilisées (pour x = 2) : -5000 90 ppm: Kl = ([NO2 (t)]2 x m)- ([NO2 (t) x n]) + p Où : 10-8 Dans le cas de la deuxième équation de vitesse: Vo2catalyseur = K2e Ea2/RT(t) x [mc (t At)]a2 x [O2catalyseur (t)t l 2864146 9 les valeurs suivantes peuvent être utilisées -2500 260 C: K2 = ([T(t)]2 x j) ([T(t) x k]}+ l Où : 10-9 Dans le cas de la troisième équation de vitesse: V02 = K3e-Ea3/RT(t) x [mc (t Ot)]a3 x [o2 (t)]d les valeurs suivantes peuvent être utilisées -25000 sinon K3 = n où0 Lorsque le filtre 3 ne comporte pas de catalyseur, alors la réaction de combustion selon le processus (2) ne se produit pas. La vitesse de combustion est alors: V(t) = VNO + V02 La valeur de la vitesse de combustion ainsi calculée peut être utilisée pour le calcul de la masse de particules présente dans le filtre m (t), en utilisant l'équation (E). 2864146 10 La figure 2 montre la bonne adéquation entre la masse de particules calculée selon le procédé de l'invention (mc) et la masse de particules effectivement présente dans le filtre et déterminée par pesée (mp). La suite d'opérations utilisée pour calculer la masse de particules selon l'invention est exécutée de préférence à des intervalles de temps At de l'ordre d'une seconde. Bien entendu, d'autres valeurs peuvent être utilisées. 2864146 11 REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination en temps réel de la masse de particules présente dans un filtre à particules (3) équipant la ligne d'échappement (2) d'un moteur à combustion interne (1), caractérisé en ce que l'on répète à des intervalles de temps At déterminés la suite d'opérations suivante: (i) on mesure à l'instant t la température T(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules (3) en utilisant un capteur de température (5), (ii) on mesure à l'instant t des paramètres de fonctionnement du moteur (Ne, Q) au moyen de capteurs (6, 7), (iii) on relève à l'instant t, en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur (Ne, Q), sur des tables pré-établies, les valeurs des paramètres suivants: concentration en oxygène [OZ (t)] et concentration en oxydes d'azote [NO,_ (t)] des gaz d'échappement entrant dans le filtre à particules, la vitesse d'émission de particules du moteur F(t), (iv) on calcule, en utilisant les lois de cinétique des réactions chimiques de combustion des particules, à l'instant t, la vitesse de combustion V(t) des particules dans le filtre à particules à l'aide des paramètres suivants: température T(t), concentrations en oxydants [02(t)], [NO, (t)] et masse de particules présente dans le filtre, mc(t-dt), obtenue lors du cycle d'opérations précédent à l'instant t-rit, (v) on calcule, à l'instant t, la masse de particules présente sur le filtre, mc(t), en utilisant la masse de particules mk(t dt) obtenue lors du cycle d'opérations précédent suivant la formule suivante: mc(t) = mc(t- At) + [F(t) V(t)) * At, où At est l'intervalle de temps entre les instants t-4t et t, (vi) on enregistre la valeur de la masse de particules mc(t) présente sur le filtre calculée à l'instant t pour l'utiliser dans la suite d'opérations suivante à l'instant t+dt. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au lieu de relever une ou plusieurs valeurs des paramètres [02(t)], [NOX (t)] F(t), sur des tables pré-établies, on la ou les mesure au moyen de capteurs. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour le calcul de la vitesse de combustion V(t), on considère les réactions de combustion des particules par les oxydes d'azote NOX et 2864146 12 par l'oxygène 02, la vitesse de combustion étant la somme des vitesses des réactions de combustion des particules par les oxydes d'azote VN0,, et par l'oxygène Vol V(t) = VNOx + Vol où : VNO = Kle Eal/RT(t) x [mc (t - At)]al x [NO, (t)]b VOz = K3e-Ea3/RT(t) x [mc (t At)]a3 X [02 (t)]d où T(t), [02(t)] [NOX (t)] sont déterminées au cours de l'opération précédente (iii), a1, a3, b et d sont les ordres partiels des réactions de combustion, et Eal et Ea3 sont les énergies d'activation des réactions de combustion par les oxydes d'azote et l'oxygène respectivement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le filtre à particules comporte une phase active pour catalyser la combustion des particules, caractérisé en ce que, lors du calcul de la vitesse de combustion, on considère en outre la réaction de combustion des particules par l'oxygène présent dans la phase active du filtre à particules, la vitesse de combustion étant la somme des vitesses des réactions de combustion des particules par les oxydes d'azote VNO,. , par l'oxygène Vol et par l'oxygène de la phase active VO2catalyseur V(t) = VNOX + VO2 + Vo2catalyseur ou VO2catalyseur K2e Ea2/RT(t) x [mc (t Qt)]a2 X [O2catalyseur (t)]c où [02cataiyseur (t)] est la concentration d'oxygène dans la phase active du filtre relevée sur une table pré-établie lors d'une opération précédente en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur (Ne, Q) à l'instant t, a2 et c sont les ordres partiels et Ea2 l'énergie d'activation de la réaction de combustion par l'oxygène de la phase active. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à l'instant initial ti, la masse de particules présente dans le filtre mc(tdt) utilisée dans les opérations (iv) et (v) est remplacée par une masse de particules présente dans le filtre (mpression(ti)) estimée à partir d'une mesure, à l'instant ti, de la perte de charge entre l'entrée et la sortie du filtre. 2864146 13 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la masse de particules présente dans le filtre (mpression) estimée à partir d'une mesure de la perte de charge entre l'entrée et la sortie du filtre est utilisée dans les opérations (iv) et (v) à un instant t différent de l'instant initial. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la mesure des paramètres de fonctionnement du moteur comprend les étapes consistant à : - capter la vitesse de rotation du moteur, Ne, en utilisant un capteur de vitesse (6), - capter la charge du moteur, Q, en utilisant un capteur de charge (7). 10. Utilisation du procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, pour contrôler et/ ou commander un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile. 11. Utilisation selon la revendication 8, dans laquelle le procédé de détermination est utilisé lorsque la température en entrée du filtre est comprise entre 250 C et 500 C environ. 10. Utilisation du procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 7, dans un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, pour déterminer une masse de particules seuil pour chaque point de fonctionnement du moteur d'un véhicule, en deçà de laquelle le filtre aura tendance à se charger en particules et au-delà de laquelle la vitesse de combustion des particules dans le filtre aura tendance à augmenter.