Brevet FR2907162A3 — publié le 20080418

FR 2907162 A3 20080418 FR 0609078 A 20061017 L'invention concerne un procédé de contrôle de la régénération d'un système de dépollution placé sur une ligne d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Un domaine d'application de l'invention est la dépollution des gaz 5 d'échappement des véhicules automobiles, notamment Diesel. Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre. Ceuxci permettent de réduire notamment les émissions de 10 particules et d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est-à-dire qu'en fonctionnement normal, ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors des 15 phases de régénération. Ainsi pour être régénéré, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux thermique et/ou de richesse nécessaires. Afin de répondre à la réglementation européenne Euro IV, un système de filtre à particules associé à un système de diagnostic embarqué, intégré à 20 la gestion du moteur, est mis en place à partir de janvier 2005 pour les véhicules Diesel. Les moteurs Diesel, par leur fonctionnement spécifique, émettent dans leurs gaz d'échappement des suies polluantes que l'on nomme également particules. Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un 25 filtre est implanté dans la ligne d'échappement, en aval des chambres de combustion du moteur. Ce filtre retient les particules qui s'accumulent en son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, d'où son nom : filtre à particules (FAP). Les moteurs à combustion interne émettent également des réducteurs HC, CO, H... En présence d'oxygène, de matériaux catalytiques (tel que le platine) 30 et à température élevée, ces réducteurs s'oxydent. Afin de diminuer ces émissions polluantes, on dispose également dans la ligne d'échappement, soit un catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, soit directement un matériau catalytique au sein du filtre (que l'on nomme alors filtre à particules catalytique). 2907162 2 L'accumulation de particules finit par boucher le filtre, créant une forte contre pression à l'échappement du moteur (c'est-à-dire que les gaz ont du mal à s'échapper du moteur), ce qui diminue considérablement ses performances. Afin de recouvrer les performances du moteur, on brûle les particules contenues dans le filtre à particules ; cette procédure s'appelle régénération du filtre à particules. L'initialisation et le maintien de la combustion des particules dans le filtre s'obtiennent par élévation de la température interne de celui-ci. Une solution connue pour effectuer la régénération consiste à utiliser un injecteur supplémentaire de gasoil directement dans la ligne l'échappement. Le gasoil injecté réagit dans le catalyseur d'oxydation et produit de la chaleur. Cette chaleur permet d'atteindre une température en entrée du filtre à particules de l'ordre de 650 C, nécessaire à la combustion des particules dans le filtre. Lors de l'injection par l'injecteur à l'échappement, le carburant s'évapore et est entraîné par les gaz d'échappement vers le catalyseur d'oxydation tout en se mélangeant à ces derniers. La masse de carburant par unité de masse de gaz d'échappement est caractérisée par sa richesse. Le niveau moyen de la réaction exothermique dans le catalyseur d'oxydation dépend de la richesse moyenne du mélange en entrée du catalyseur. La richesse du mélange en entrée du catalyseur n'est pas uniforme. 20 Elle est influencée par l'agitation des gaz d'échappement. La zone de forte richesse tend à se propager localement le long de la paroi de l'échappement. Les zones dont la richesse est la plus élevée provoquent des températures plus fortes au sein du catalyseur. Ces zones chaudes peuvent entraîner la fatigue prématurée du revêtement catalytique du catalyseur d'oxydation. 25 Actuellement, une solution proposée repose sur la modification de la forme du tube d'échappement du côté où le carburant injecté s'évapore. Malheureusement, un tel système tend à gêner le passage des gaz d'échappement et donc augmente la contre pression à l'échappement, ce qui tend à dégrader le rendement du moteur. 30 Une des solutions les plus récentes consiste à injecter les réducteurs au niveau d'un coude dans la ligne d'échappement afin que le carburant soit injecté parallèlement aux gaz d'échappement. Cependant, cette solution ne permet pas un mélange correct des espèces réductrices avec les gaz d'échappement, entraînant une combustion inhomogène dans le catalyseur d'oxydation. 35 L'invention vise à pallier les inconvénients précités. 2907162 3 A cet effet, un premier objet de l'invention est un procédé de contrôle de la régénération d'un système de dépollution placé sur une ligne d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, dans lequel, pour effectuer ladite régénération, du carburant est injecté dans les gaz 5 d'échappement par au moins un injecteur supplémentaire situé sur la ligne d'échappement en amont du système de dépollution, caractérisé en ce que la température de la paroi de la ligne d'échappement est régulée à une valeur de consigne prescrite d'évaporation du carburant injecté par l'injecteur 10 supplémentaire, par commande d'une autre injection retardée de carburant dans au moins une chambre de combustion du moteur. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, - la température de la paroi de la ligne d'échappement est déterminée par un capteur situé sur la paroi de la ligne d'échappement entre 15 l'injecteur supplémentaire et le système de dépollution ; - la température de la paroi de la ligne d'échappement est déterminée par un modèle intégré dans un calculateur du moteur, en fonction de paramètres incluant la température des gaz d'échappement au niveau de la sortie d'échappement du moteur en amont de la ligne d'échappement, la température d'eau du moteur, le débit des gaz d'échappement et le débit d'air ; - ladite injection retardée du carburant dans la au moins une chambre de combustion du moteur est commandée à partir de l'écart entre la température de la paroi de la ligne d'échappement par rapport à la valeur de consigne prescrite ; l'injection retardée de carburant dans la au moins une chambre de combustion du moteur est commandée à partir de l'écart entre la température des gaz d'échappement au niveau de la sortie d'échappement du moteur en amont de la ligne d'échappement par rapport à une autre valeur de consigne, prédéterminée pour que lorsque la température des gaz d'échappement au niveau de la sortie d'échappement du moteur en amont de la ligne d'échappement atteint cette autre valeur de consigne, la température de la paroi de la ligne d'échappement atteigne la valeur de consigne prescrite d'évaporation du carburant injecté par l'injecteur supplémentaire ; - la commande de l'injection retardée de carburant dans la au moins 35 une chambre de combustion du moteur est générée à partir d'un régulateur de type proportionnel intégrateur et dérivateur filtrant ledit écart ; 2907162 4 - le système de dépollution comprend un filtre à particules, en amont duquel est prévu un catalyseur d'oxydation sur la ligne d'évacuation des gaz d'échappement, l'injecteur supplémentaire étant prévu en amont du catalyseur d'oxydation ; 5 - et/ou le système de dépollution comprend un filtre à particules, contenant un matériau catalytique d'oxydation. Un deuxième objet de l'invention est un dispositif de contrôle de la régénération d'un système de dépollution à filtre à particules et moyen de catalyse d'oxydation, placé sur une ligne d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à 10 combustion interne, selon un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend un injecteur supplémentaire de carburant dans la ligne d'échappement en amont du moyen de catalyse d'oxydation, un moyen de détermination de la température de la paroi de la ligne d'échappement entre l'injecteur supplémentaire et le moyen de catalyse d'oxydation, et un moyen de commande de l'injection 15 retardée de carburant dans au moins une chambre de combustion du moteur, de telle sorte que la température de la paroi de la ligne d'échappement soit rendue sensiblement égale à la valeur de consigne prescrite d'évaporation du carburant injecté par l'injecteur supplémentaire. Un troisième objet de l'invention est un véhicule automobile, 20 comportant un moteur à combustion interne, une ligne d'évacuation des gaz d'échappement du moteur, sur laquelle est installé un système de dépollution, caractérisé en ce que le véhicule est équipé du dispositif de contrôle de la régénération du système de dépollution tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description, 25 donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma montrant l'architecture générale d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, - la figure 2 est un schéma montrant la répartition du carburant 30 injecté depuis l'injecteur supplémentaire dans la ligne d'échappement de la figure 1, - la figure 3 est un synoptique montrant un moyen de calcul de la température de la paroi de la ligne d'échappement selon la figure 1, et - la figure 4 est un synoptique de la régulation de la température de paroi suivant l'invention. La figure 1 illustre de façon non limitative l'application de l'invention sur un moteur de véhicule. 2907162 5 A la figure 1, un moteur 1 à combustion interne à quatre cylindres 30 comporte une sortie 2 de gaz d'échappement, reliée à une ligne 3 d'évacuation de ceux-ci. Par exemple, et de manière non obligatoire, le moteur 1 est équipé d'un turbocompresseur comportant une turbine 4 interposée entre la sortie 2 et la ligne 3 5 et un compresseur 5 interposé sur l'entrée 60 d'admission du moteur. La ligne 3 d'échappement comporte, successivement dans le sens d'évacuation des gaz d'échappement depuis la sortie 2, une première section 31 sur laquelle se trouve un injecteur supplémentaire 6 de carburant à l'échappement, dit 5ème injecteur, un catalyseur 7 d'oxydation, une deuxième section de ligne 32 et un 10 filtre à particules 8. Au lieu ou en plus du catalyseur 7, le moyen de catalyse d'oxydation peut être, dans un mode de réalisation non représenté, un matériau de catalyse d'oxydation dans le filtre 8 à particules. Il est également prévu un capteur 9 de température sur la sortie 2 en amont de la turbine 4, une sonde 10 à oxygène sur la première section 31, un 15 capteur 11 de température Tefap d'entrée de filtre à particules sur la deuxième section 32, et un capteur de pression différentielle 12 pour mesurer la différence de pression entre l'entrée du filtre 8 sur la deuxième section 32 et la sortie de ce filtre 8. Suivant l'invention, il peut également être prévu un capteur 13 de la température de la paroi de la première section 31 de la ligne d'échappement, entre 20 l'injecteur supplémentaire 6 et le catalyseur 7. Les signaux de mesure fournis par ces capteurs 9, 10, 11, 12 et 13 sont envoyés à un calculateur 14 (ou unité électronique de commande ECU) embarqué pour traitement. Le calculateur 14 commande l'injecteur supplémentaire 6, ainsi que cela est symbolisé par la ligne 15 de commande, et également l'injection du carburant dans les chambres 30 de 25 combustion du moteur 1, ainsi que cela est symbolisé par la ligne 16 de commande. Ce calculateur 14 peut également servir à traiter d'autres informations en provenance de consommateurs électriques 17, du groupe moto ventilateur 18, d'un thermostat piloté 19, et de capteurs de température atmosphérique et de pression atmosphérique 20, 21. 30 A la figure 2, le sens d'évacuation des gaz d'échappement est symbolisé par la flèche épaisse, orientée de la gauche vers la droite dans la ligne 3. L'injecteur supplémentaire 6 est positionné sur un côté 33 de la surface de la section 31, par exemple sur le haut à la figure 2. L'injecteur supplémentaire 6 projette du carburant 34 vers le côté intérieur opposé de la section 31. A la figure 2, les 35 hachures de plus en plus denses correspondent à des zones ayant des concentrations de carburant de plus en plus grandes. Du fait du flux des gaz d'échappement, le 2907162 6 carburant injecté par l'injecteur supplémentaire 6 est concentré sur une partie 36 de la paroi intérieure 35 de la première section 31 et du catalyseur 7, cette partie 36 étant donc située en bas dans l'exemple de la figure 2. Suivant l'invention, un moyen est prévu pour déterminer la 5 température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3 de gaz d'échappement entre l'injecteur supplémentaire 6 et le système de dépollution formé par le filtre 8 à particules. Dans un mode de réalisation, on utilise le capteur 13 de température de paroi sur la première section 31 en aval de l'injecteur supplémentaire 6 et en amont du filtre 8 pour mesurer directement cette température Tparoi. Dans un autre mode de 10 réalisation, la température Tparoi est calculée par un modèle intégré au calculateur 14 au moins à partir d'une autre température mesurée par un capteur. Les deux moyens 13, 50 de détermination de la température Tparoi peuvent être prévus, avec un moyen 42 de commutation entre eux, par exemple en fonction des conditions. A la figure 3, ce modèle 50 reçoit en entrée la température des gaz 15 d'échappement Ta '' mesurée par le capteur 9 avant la turbine 4, la température d'eau Teä du moteur, mesurée par un autre capteur de température non représenté, le débit des gaz d'échappement Qech, mesuré ou déterminé par tout moyen approprié, et le débit d'air Qair, par exemple mesuré à l'admission. Le modèle peut utiliser, en fonction du point de fonctionnement du moteur, tous ces paramètres ou seulement 20 une partie d'entre eux, ainsi que d'autres paramètres tels que de matériau, de géométrie. Suivant l'invention, des moyens sont prévus pour contrôler et maintenir la température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3 d'échappement à une température de consigne Tparoi-cons permettant la régénération du filtre 8 à particules 25 et favorisant l'évaporation dans la ligne 3 du carburant injecté par l'injecteur supplémentaire 6. Pour ce faire, le calculateur 14 comporte un moyen de régulation de la température Tparoi de la paroi de la ligne 3 d'échappement tel que celui représenté dans le mode de réalisation de la figure 4. 30 A la figure 4, le moyen de régulation comporte un comparateur 31 comparant la température Tparoi de la paroi de la ligne 3 d'échappement, estimée par le modèle 50 de calcul ou mesurée par le capteur 13 de température, et envoyeé à une première entrée 37 de celui-ci, à la valeur de consigne Tparoi-cons de température, présente sur sa deuxième entrée 38, pour fournir en sortie 39 une grandeur d'erreur 35 E entre la température Tparoi et la température de consigne Tparoi-cons. La température Tparoi-cons de consigne de la paroi de la ligne 3 est par exemple de 400 C. L'erreur ou 2907162 7 écart E de la température Tparoi par rapport à la température de consigne Tparoi-cons est ensuite filtrée par un régulateur de type PID (Proportionnel, Intégrateur et Dérivateur) 32, qui fournit en sortie une grandeur COM de réglage à un module 41 de commande d'injection retardée de carburant . En réponse à cette grandeur COM 5 de réglage, le module 41 génère sur la ligne 16 une commande d'injection 43 correspondante dans les chambres 30 de combustion du moteur 1. Cette injection retardée 43 dans le ou les cylindres 30 du moteur 1 est également appelée post-injection et correspond à une injection supplémentaire dans ceux-ci pendant la phase de détente du ou des cylindres 30, pour faire passer du carburant vers la sortie 10 2. Lorsqu'une demande d'une régénération du filtre 8 a été requise, la combustion du moteur s'effectue selon un mode spécifique afin d'augmenter la température des gaz d'échappement à une température suffisante à la régénération du filtre 8. 15 Ensuite, le calculateur 14 décide d'augmenter ou de diminuer la quantité de carburant à injecter par la post-injection 43 dans les cylindres 30, selon que l'on se trouve respectivement en dessous ou au-dessus de la température de consigne Tparoi-cons• Une commande de plus grande post-injection 43 dans la ou les 20 chambres 30 de combustion du moteur permet d'augmenter la température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3 d'échappement, lorsqu'il a été déterminé que celle-ci était inférieure à la température de consigne Tparoi-cons• Le mélange carburant - gaz d'échappement est rendu ainsi plus homogène en amont du catalyseur 7 d'oxydation, ce qui entraîne une combustion 25 correctement répartie sur l'ensemble de la section du catalyseur 7 d'oxydation. En outre, cela permet d'éviter la propagation d'une zone 36 de forte richesse en carburant le long de la paroi 35 de la ligne 3, réduisant ainsi le risque de fatigue prématurée du revêtement catalytique dû à une combustion des réducteurs trop forte au niveau des zones de forte richesse. 30 Dans un autre mode de réalisation, on applique la même stratégie afin de contrôler la température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3 et de la maintenir à la température de consigne Tparoi-cons en s'appuyant . sur la régulation de la température Tavt des gaz d'échappement au niveau de la sortie 2 du moteur avant la turbine 4. 35 En effet, suivant le modèle de la figure 3, cette température Tavt des gaz d'échappement au niveau de la sortie 2 avant la turbine 4 permet de déterminer 2907162 8 la température Tparoi de la paroi de la ligne 3. En outre, la température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3 augmente avec cette Tavt des gaz d'échappement au niveau de la sortie 2 avant la turbine 4. Dans ce cas, le comparateur 31 compare la température Tavt des gaz 5 d'échappement avant la turbine, mesuré par le capteur 9, à une température de consigne de ces gaz d'échappement à la sortie 2 avant la turbine 4, désignée par Ta,t_ cons, pour former en sortie le signal d'erreur E envoyé au filtre PID 32, fournissant en sortie la grandeur COM de réglage au module 41 de commande de post-injection. La variation de la commande de la post-injection 43 par le module 41 fera varier la 10 température Tavt des gaz d'échappement dans la sortie 2 avant la turbine 4 et la température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3. Lorsque cette température Tavt des gaz d'échappement à la sortie 2 avant la turbine 4 atteindra la température de consigne Tavt-cons, la température Tparoi de la paroi 35 de la ligne 3 atteindra sa température de consigne de paroi Tparoi-cons. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la régénération d'un système (8) de dépollution placé sur une ligne (3) d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, dans lequel, pour effectuer ladite régénération, du carburant est injecté dans les gaz d'échappement par au moins un injecteur supplémentaire (6) situé sur la ligne (3) d'échappement en amont du système (8) de dépollution, caractérisé en ce que la température de la paroi de la ligne (3) d'échappement est régulée à une valeur (Tparoi-cons) de consigne prescrite d'évaporation du carburant injecté par l'injecteur supplémentaire (6), par commande d'une autre injection retardée de carburant dans au moins une chambre (30) de combustion du moteur (1). 2. Procédé de contrôle suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température (Tparoi) de la paroi de la ligne (3) d'échappement est déterminée par un capteur (13) situé sur la paroi (35) de la ligne (3) d'échappement entre l'injecteur supplémentaire (6) et le système (8) de dépollution. 3. Procédé de contrôle suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température (Tparoi) de la paroi de la ligne (3) d'échappement est déterminée par un modèle intégré dans un calculateur (14) du moteur, en fonction de paramètres incluant la température (Tavt) des gaz d'échappement au niveau de la sortie (2) d'échappement du moteur en amont de la ligne (3) d'échappement, la température d'eau (Teaä) du moteur, le débit des gaz d'échappement (Qech) et le débit d'air (Qair). 4. Procédé de contrôle suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite injection retardée du carburant dans la au moins une chambre de combustion du moteur est commandée à partir de l'écart entre la température (Tparoi) de la paroi de la ligne (3) d'échappement par rapport à la valeur (Tparoi-cons) de consigne prescrite. 5. Procédé de contrôle l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection retardée de carburant dans la au moins une chambre de combustion du moteur (1) est commandée à partir de l'écart entre la température (Tavt) des gaz d'échappement au niveau de la sortie (2) d'échappement du moteur en amont de la ligne (3) d'échappement par rapport à une autre valeur de consigne (Tavt_cons), prédéterminée pour que lorsque la température (Ta,,t) des gaz 2907162 10 d'échappement au niveau de la sortie (2) d'échappement du moteur en amont de la ligne (3) d'échappement atteint cette autre valeur de consigne (Tavt-cons), la température (Tparoi) de la paroi de la ligne (3) d'échappement atteigne la valeur (Tparoi-cons) de consigne prescrite d'évaporation du carburant injecté par l'injecteur 5 supplémentaire (6). 6. Procédé de contrôle l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la commande de l'injection retardée de carburant dans la au moins une chambre de combustion du moteur est générée à partir d'un régulateur (32) de type proportionnel intégrateur et dérivateur filtrant ledit écart. 10 7. Procédé de contrôle l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système de dépollution comprend un filtre (8) à particules, en amont duquel est prévu un catalyseur (7) d'oxydation sur la ligne (3) d'évacuation des gaz d'échappement, l'injecteur supplémentaire (6) étant prévu en amont du catalyseur (7) d'oxydation. 15 8. Procédé de contrôle l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système de dépollution comprend un filtre (8) à particules, contenant un matériau catalytique d'oxydation. 9. Dispositif de contrôle de la régénération d'un système de dépollution à filtre (8) à particules et moyen (7) de catalyse d'oxydation, placé sur 20 une ligne (3) d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, selon un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un injecteur supplémentaire (6) de carburant dans la ligne (3) d'échappement en amont du moyen (7) de catalyse d'oxydation, un moyen (13, 50) de détermination de la température (Tparoi) de la paroi (35) de la 25 ligne (3) d'échappement entre l'injecteur supplémentaire (6) et le moyen (7) de catalyse d'oxydation, et un moyen (31, 32) de commande de l'injection retardée de carburant dans au moins une chambre (30) de combustion du moteur (1), de telle sorte que la température (Tparoi) de la paroi de la ligne (3) d'échappement soit rendue sensiblement égale à la valeur (Tparoi-cons) de consigne prescrite d'évaporation du 30 carburant injecté par l'injecteur supplémentaire (6). 10. Véhicule automobile, comportant un moteur (1) à combustion interne, une ligne (3) d'évacuation des gaz d'échappement du moteur, sur laquelle est installé un système (8) de dépollution à filtre (8) à particules et moyen (7) de catalyse d'oxydation, caractérisé en ce que le véhicule est équipé du dispositif de contrôle de la régénération du système (8) de dépollution selon la revendication 9.