Brevet FR2900196A1 — publié le 20071026

L'invention concerne un procédé de commande d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur de véhicule automobile. L'hétérogénéité des processus de combustion 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 brûlées efficacement dans le moteur. Cela se traduit par exemple par ].'apparition, en sortie de la ligne 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, poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et de satisfaire aux normes antipollution. Des procédures de régénération permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter le colmatage de ce dernier. Les particules de Suies sont des éléments essentiellement carbonés, et -beur combustion consomme de l'oxygène pour former du gaz carbonique. On provoque la combustion des suies dans le filtre à particules en élevant la température des gaz d'échappement au sein du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 550 à 650 C, température à partir de laquelle la combustion des particules de carbone retenues dans le filtre est amorcées. 2 Le contrôle de la régénération du filtre est effectué par un calculateur qui détermine si la régénération doit avoir lieu et, quand elle est en cours, si elle peut continuer. Pour déclencher et maintenir la régénération, on utilise fréquemment un procédé qui consiste à modifier les conditions de fonctionnement du moteur pour augmenter la température des gaz d'échappement avant leur passage dans le filtre à particules. Ces modifications concernent souvent l'injection de carburant, qui peut être retardée pour au moins une chambre de combustion du moteur. Dans certains cas également, on réalise une post-injection de carburant, lors de la phase finale du temps de détente. Cette dernière injection n'apporte aucune puissance mécanique supplémentaire au moteur, mais augmente la température des gaz d'échappement. Ces méthodes ont l'inconvénient d'être très intrusives pour le fonctionnement du moteur et d'augmenter de manière significative la consommation de carburant. De plus, elles augmentent la concentration en carburant dans l'huile de lubrification, par le phénomène qu'on appelle la dilution. Les installations de traitement des gaz d'échappement comportent aussi quelquefois des pièges à oxydes d'azote (NOx) qui captent les oxydes d'azote générés lors de la combustion. Lors d'une opération de désorption en conditions réductrices, les oxydes d'azote sont réduits en azote et libérés. Par ailleurs par le document US2005/0103001-Al 3 propose une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un premier catalyseur d'oxydation, suivi par un piège à oxyde d'azote et un filtre à particules, dans le sens de circulation des gaz d'échappement. L'installation comporte en outre un reformeur permettant de générer du reformat à partir du carburant dl véhicule. Le reformat est injecté sur commande en amont de l'un des éléments cités précédemment. Le reformat est riche en hydrogène (H2) et en monoxyde de carbone (CO). Lorsqu'il est injecté en amont du catalyseur à oxydation, le reformat s'oxyde avec l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement en générant de la chaleur. Cette chaleur est utilisée pour l'élévation de température des gaz d'échappement en amont du filtre à particules et provoquer la régénération de ce dernier. Lorsqu'il est injecté en amont du piège à oxyde d'azote, le reformat est ,galement oxydé par l'oxygène des gaz d'échappement, comme sur un catalyseur d'oxydation. En effet, le piège à oxydes d'azote comporte, comme le catalyseur d'oxydation, des métaux capables d'oxyder l'hyirogène, le monoxyde de carbone en présence d'oxygène. Si la quantité de reformat injecté est insuffisante, la température atteinte en amont du filtre à particules sera insuffisante pour amorcer et maintenir la régénération. Si au contraire elle est excessive, la température de l'installation risque de monter à un niTeau destructeur pour l'installation. C'est donc un objectif de l'invention de proposer un procédé de commande permettant de 4 garantir le contrôle de la régénération du filtre à particules sans risquer de détériorer l'installation. Avec cet objectif en vue, l'invention s'applique à une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, l'installation comportant des moyens catalytiques d'oxydation, un filtre à particules placé en aval des moyens catalytiques d'oxydation, des moyens de mesure d'une température Tmes des gaz en amont du filtre à particules, et un reformeur pour produire du reformat. L'invention a pour objet un procédé de commande selon lequel on introduit le reformat avec les gaz d'échappement en amont des moyens catalytiques d'oxydation pour obtenir une température de consigne T(,,ns prédéterminée des gaz réchauffés en amont du filtre à particules, de manière à régénérer le filtre particules par élévation de la température des gaz, on détermine un débit calculé de reformat en fonction de la température de consigne Tconsr on détermine un coefficient d'écart en fonction de la différera:e entre la température de consigne non, et la température mesurée Tmes en amont du filtre à particules, et on commande le reformeur avec un débit de consigne de reformat fonction du coefficient d'écart et du débit calculé de reformat. A l'aide d'un modèle de l'oxydation du reformat, on est capable de prédire une température en amont du filtre à particules en fonction d'un débit de reformat et de gaz d'échappement. On est ainsi en mesure de déterminer immédiatement le débit calculé de reformat, dès la mise en route du cycle de régénération du filtre à particules. De plus, en ajoutant un asservissement en boucle fermée, et en appliquant le débit de consigne, corrigé en fonction du coefficient d'écart, on prend en compte les différences entre le modèle et la dynamique réelle de 5 la température en amont du filtre à particules. On corrige aussi les écarts de mesure. Même si le modèle est simplifié et ne prend pas en compte tous les paramètres réels, on est capable d'obtenir une température en amont du filtre à particules proche de la température souhaitée, nécessaire pour obtenir la régénération, et sans atteindre des niveaux qui seraient destructeurs. De manière particulière, le débit calculé est déterminé en fonction de la variation d'enthalpie des gaz due à l'apport énergétique de l'oxydation du reformat. Le modèle de la température se base uniquement stil: l'apport énergétique du reformat aux gaz d'échappement. Ce modèle est simple à mettre en oeuvre et donne des résultats satisfaisants. Dans ce cas, le débit calculé Qref talc peut être déterminé par la formule : Qref _cale= CéchQéch (Tcons ù Téch) l AHH217H2 1- AHCOFCO ù CrefMref (( `Teons ù Tref ) dans laquelle : Qéch est le débit massique des gaz d'échappement en 25 sortie moteur ; Tech est la température des gaz d'échappement ; Céch est la capacité calorifique massique des gaz d'échappement ; TYef est la température du reformat ; 30 CYef est la capacité calorifique massique du reformat ; zIHH2 est la variation d'enthalpie lors de l'oxydation d'une mole d'hydrogène ; zHco est la variation d'enthalpie lors de l'oxydation d'une mole de monoxyde de carbone ; Tcons est la température de consigne en amont du filtre à particules ; 'Ico est la friction molaire de monoxyde de carbone dans le reformat ; 77x2 est la fraction molaire d'hydrogène dans le reformat ; MYef est la masse molaire du reformat. A titre d'exemple, le coefficient d'écart est déterminé par !a formule : TùT a= mes am Tcons ùT am dans laquelle Tan, est la température du mélange gazeux en amont: des moyens catalytiques d'oxydation. De manière particulière, le débit corrigé est le rapport du débit de consigne sur le coefficient d'écart. Si la -empérature mesurée est égale à la température de consigne, le coefficient d'écart vaut 1, de telle sorte qu'aucune correction n'est appliquée au _débit de consigne. Si la température mesurée est plus faible que la température de consigne, le coefficient d'écart est inférieur à 1, de telle sorte que le débit de consigne est supérieur au débit calciné. Selon un perfectionnement du procédé, si la température mesurée est très différente de la 7 température de consigne, le débit de consigne est le débit calcule. On limite de cette manière d'éventuelles excursions de la consigne qui pourraient générer des phénomènes oscillatoires ou de fortes amplitudes de variation de température. Par exemple, on considère que la température mesurée est très différente de la température de consigne si coefficient d'écart est inférieur à 0,7. Selon un autre perfectionnement, le débit corrigé est plafonné à une valeur de débit maximal prédéterminé On évite ainsi de donner au reformeur une consigne dé débit qu'il ne pourrait pas suivre. Selon un mode de réalisation particulier, les moyens catalytiques d'oxydation sont un piège à oxydes d'azote. Le piège à oxydes d'azote contient des métaux faisant fonction de catalyseur aptes à provoquer les réactions souhaitées d'oxydation du reformat. Les échanges énergétiques lors de la désorption au niveau du piège à oxydes d'azote sont négligeables et ne perturbent pas l'application du procédé selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est un schéma d'une installation mettant en œuvre le procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un organigramme représentant le 8 procédé selon l'invention. Une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile est montrée sur figure 1 de manière schématique. L'installation comporte un moteur 1 à combustion interne, un collecteur d'échappement 2 canalisant les gaz d'échappement vers un piège à oxydes d'azote 3, et un filtre à particules 4 recevant les gaz issus du piège à oxydes d'azote 3. L'installation comporte en outre un reformeur 5 produisant du reformat à partir d'air et du carburant du véhicule tel que du gazole. Une conduite de reformat 8 canalise le reformat vers le collecteur d'échappement 2 en amont du piège à oxydes d'azote 3. Le reformeur 5 peut être de tout type connu te_ qu'un reformeur par vapeur d'eau, par oxydation partielle ou par reformage auto-thermique. Le reformeur 5 comporte un calculateur de reformeur 10 qui pilote le reformeur 5 afin qu'il génère le débit souhaité de reformat avec la richesse souhaitée. L'installation comporte également un calculateur de moteur 9 qui pilote le moteur 1, et en particulier l'injection de carburant. Le calculateur de moteur 9 reçoit des informations sur l'état ou le fonctionnement du moteur 1 en provenance de capteurs. Il reçoit en outre des informations de température par des capteurs de température tels que des thermocouples : une température de gaz d'échappement Téch, mesurée dans le collecteur d'échappement 2, une température de mélange Tam en amont du piège à oxydes d'azote 3 et en aval de l'arrivée de la conduite de reformat 8 dans le collecteur d'échappement 2, et une température des gaz réchauffés Tmes en amont du 9 filtre à particules. Par ailleurs, le calculateur de reformeur reçoit une température de reformat Tref, mesurée dans la conduite de reformat 8. Lorsque le moteur 1 fonctionne, il génère des gaz d'échappement qui sont évacués par le collecteur d'échappement 2, puis par le piège à oxydes d'azote 3 et enfin par le filtre à particules 4. Lorsque le calculateur de reformeur 10 détermine qu'il est nécessaire de régénérer le filtre à particules 4, il pilote le reformeur 5 pour que ce dernier génère du reformat à injecter dans les gaz d'échappement. Le reformat passe à travers le piège à oxydes d'azote 3 et subit une oxydation avec l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement. L'oxydation est provoquée par la présence de catalyseurs dans le piège à oxydes d'azote 3, d'une manière connue en soi. L'oxydation provoque la 1_bération d'une quantité d'énergie qui sert à élever La température des gaz d'échappement en amont du fi;_tre à particules. Les gaz ainsi réchauffés passent dans le filtre à particules 4 et, du fait de leur température, provoque la régénération du filtre à particules par la combustion des suies piégées dans le filtre. On prédétermine une température de consigne Tcons pour les gaz réchauffés qui permet d'obtenir la régénération sans détériorer l'installation. Le calculateur de moteur 9 transmet au calculateur de reformeur 10 toutes les informations nécessaires à son fonctionnement, en particulier les températures mesurées telles que décrites ci-dessus, et le débit de gaz d'échappement Qéch estimé ou mesuré. Lorsque la régénération du filtre à 5 particules 4 est commandée, le procédé selon la figure 2 est mis en oeuvre pour déterminer le débit de reformat à générer. A l'étape 101, on détermine un débit calculé selon la formule : Qref _talc = CechQéch ('cons ù Téch Q ) AHH2qH2 1- AHCOr7CO ù CrefMref rr \Tcons ù Tref 1 ! dans laquelle : Qref talc est le débit calculé de reformat, en kg/s Qéch est le débit massique des gaz d'échappement en sortie moteur, en kg/s ; 10 Tech est la température des gaz d'échappement, en K ; CéCh est la capacité calorifique massique des gaz d'échappement, en J/kg/K ; TYef est la température du reformat, en K ; Cref est la capacité calorifique massique du reformat, 15 en J/kg/K ; LHH2 est la variation d'enthalpie lors de l'oxydation d'une mole d'hydrogène, en J/mole ; /Hco est la variation d'enthalpie lors de l'oxydation d'une mole de monoxyde de carbone, en J/mole ; 20 Tcons est la température de consigne en amont du filtre à particules, en K ; 1700 est la fraction molaire de monoxyde de carbone dans le reformat ; 77H2 est la fraction molaire d'hydrogène dans le 25 reformat, Mref est la mas:, e molaire du reformat, en kg/mol. Ces trots dernières variables '7CO3 77m, Mref peuvent être déterminées par le calculateur de reformeur 10 par l'intermédiaire de cartographies 30 stockées et prenant en entrée le point de fonctionnement du reformeur 5 tel que défini par la 11 richesse du mélange air/carburant à reformer et le débit de reformat. Il en est de même pour les capacités calorifiques Céch, Cref des gaz d'échappement et du reformat. On calcu:Le également le coefficient d'écart : a = Tmes ù-gym I Ions ù T nm Ensuite, on détermine à l'étape 102 si le coefficient d'écart est supérieur à une valeur de seuil prédéterminé, 10 détermine à l'étape formule : par exemple 0,7. Dans ce cas, on 103 un débit de consigne selon la Qref__cons bref _ calo a Si, comme déterminé à l'étape 104, le coefficient d'écart est inférieur à la valeur de 15 seuil prédéterminé, on passe directement à l'étape 105. On passe aussi à cette étape après l'étape 103. Lors de l'étape 105, on détermine si le débit de consigne dépasse un débit maximal Qmax prédéterminé en fonction des capacités de l'installation. Si tel 20 est le cas, on remplace à l'étape 106 le débit calculé par débit maximal Qmax, de manière à limiter la valeur de la consigne. A l'étape 107, le débit de consigne est décliné en une commande de richesse et une commande de débit 25 d'air pour le reformeur 5. Eventuellement, l'une des commandes précédentes peut être combinée à une commande de oAbit de carburant, selon le type de commande acceptée par le reformeur 5. 12 Ces étapes 101 à 107 sont répétées en cycle tant que la régénération est nécessaire. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation cécrit ci-dessus uniquement à titre d'exemple. Le piège à oxydes d'azote peut être remplacé par d'autres moyens catalytiques d'oxydation du reformat tels qu'un catalyseur d'oxydation. La température de consigne Tcons peut évoluer au cours de la régénération. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, l'installation comportant des moyens catalytiques d'oxydation (3), un filtre à particules (4) placé en aval des moyens catalytiques d'oxydation (3), des moyens de mesure d'une température T,,ä, des gaz réchauffés en amont du filtre à particules ;4), un reformeur (5) pour produire du reformat, procédé selon lequel on introduit le reformat avec les gaz d'échappement en amont des moyens catalytiques d'oxydation pour obtenir une température d(, consigne non, prédéterminée des gaz réchauffés en amont du filtre à particules (4), de manière à régénérer le filtre à particules (4) par élévation de 1a température des gaz, on détermine un débit calculé Qrefcatc de reformat en fonction de la température de consigne Tcons, on détermine un coefficient d'écart en fonction de la différence entre la température de consigne Tcons et la température rresurée T,,1Qs en amont du filtre à particules, et on commande le reformeur (5) avec un débit de consigne Qrefcons de reformat fonction du coefficient d'écart a et du débit calculé Qrefcatc de reformat. 2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel le débit calculé Qrefcatc est déterminé en fonction de la variation d'enthalpie des gaz due à l'apport énergétique de l'oxydation du reformat. 3. Procédé selon la revendication 1, selonlequel le d ,bit calculé est déterminé par la formule : C,7 Qéch (Tcons ù Téch ) Qref talc__ AHH 2y7l H 2 1- Seo CO ù Cref Mref(( \Tcons ù Tref ) dans laquelle : Qéch est le débit massique des gaz d'échappement en sortie moteur ; Tech est la température des gaz d'échappement ; Cech est la capacité calorifique massique des gaz d'échappement ; TYef est la température du reformat ; CYef est la capacité calorifique massique du reformat ; dHH2 est la variation d'enthalpie lors de l'oxydation d'une mole d'hydrogène ; AHco est la variation d'enthalpie lors de l'oxydation d'une mole de monoxyde de carbone ; Tcons est la temoérature de consigne en amont du filtre à particules ; ~Ico est la fraction molaire de monoxyde de carbone dans le reformat ; r7H2 est la fraction molaire d'hydrogène dans le reformat ; MYef est la masse molaire du reformat. 4. Procédé selon la revendication 1, selon lequel le coefficient d'écart est déterminé par la formule : Q _ Tmes ùT am Tcons ùT am dans laquelle Tan, est la température du mélange gazeux en amont des moyens catalytiques d'oxydation (3). 15 5. P océdé selon la revendication 4, selon lequel le débit de consigne Qrefcons est le rapport du débit calculé Qrefcaic sur le coefficient d'écart a. 6. P:-océdé selon la revendication 5, selon lequel, si ]a température mesurée nies est très différente de la température de consigne Tco,is, le débit de consigne est le débit calculé. 7. P.:-océdé selon la revendication 6, selon lequel on considère que la température mesurée Tores est très différente de la température de consigne Tcon., si le coefficient d'écart a est inférieur à 0,7. 8. Procédé selon la revendication 1, selon lequel le déb=: t de consigne Qref cons est plafonné à une valeur de débit maximal Qmax prédéterminé. 9. Procédé selon la revendication 1, selon lequel les moyens catalytiques d'oxydation sont un piège à oxydes d'azote (3).