Brevet FR2906839A1 — publié le 20080411

La présente invention concerne les filtres à particules équipant les moteurs diesel pour véhicule automobile. Plus particulièrement, la présente invention concerne un système et une méthode d'estimation de la quantité de particules piégées dans 5 un filtre à particules équipant un moteur diesel pour véhicule automobile. De manière connue, un filtre à particules (FAP) fonctionne en alternance selon deux phases. Dans une première phase dite de piégeage, il retient les substances polluantes émises par les moteurs 10 avant leur rejet dans l'atmosphère. Les substances polluantes comprennent des particules également appelées suies qui s'accumulent continuellement sur le FAP. Dans une seconde phase dite de régénération ou de traitement, les particules retenues par le FAP sont brûlées. 15 Le passage de la phase de piégeage à la phase de régénération est déclenché lorsqu'une quantité prédéfinie de particules accumulées sur le FAP, désignée par la suite seuil de régénération, est atteinte. Or, la quantité de particules retenues dans le FAP influence la perte de charge dans la ligne d'échappement et les performances du 20 moteur. Ainsi, le seuil de régénération est lié aux dégradations des performances du moteur engendrées par l'augmentation de la perte de charge dans la ligne d'échappement. Le seuil de régénération est également déterminé en fonction des risques d'emballement qui peuvent 25 survenir lors de régénérations effectuées sur un FAP présentant un chargement trop important. Par ailleurs, des régénérations trop fréquentes engendrent une dilution importante de gasoil dans l'huile de lubrification moteur, qui peut devenir dangereuse pour l'intégrité du moteur. En outre, des régénérations trop fréquentes tendent à 30 augmenter inutilement la consommation en carburant. A l'inverse, des régénérations trop espacées peuvent aboutir au colmatage du FAP, ce qui est susceptible de provoquer la mise hors service du moteur. 2906839 2 Il convient par conséquent d'évaluer aussi précisément que possible la quantité de particules effectivement retenues dans un FAP afin que chaque phase de régénération soit déclenchée au moment opportun. A cet effet, il est connu d'estimer la quantité de particules stockées par un FAP à partir d'un modèle d'émission de particules qui lie les paramètres moteurs, tels que le régime et la charge, à la production de particules. Ainsi ces modèles prévoient de déterminer la quantité de particules piégées à partir notamment de la consigne d'injection de carburant imposée aux injecteurs. Ces procédés ne s'avèrent pas pleinement satisfaisants car la précision de l'estimation de la quantité de particules qu'ils produisent peut être améliorée. Les systèmes existants engendrent par conséquent des régénérations 15 trop fréquentes ou trop espacées, ayant des conséquences dommageables sur la durée de vie, les performances et le coût de fonctionnement du véhicule ainsi que sur l'environnement. L'invention vise à améliorer les systèmes et les procédés connus d'estimation de la quantité de particules retenues dans un FAP. 20 A cet effet, il est prévu dans le cadre de la présente invention un système d'estimation de la quantité de particules piégées par un filtre à particules équipant une ligne d'échappement d'un moteur diesel de véhicule, le système comprenant : • des premiers, seconds et troisièmes moyens d'évaluation agencés 25 de manière à fournir respectivement des données relatives : - au régime du moteur, au débit d'air fourni au moteur, - au débit de carburant injecté dans le moteur, • une unité de contrôle agencée de manière à fournir une 30 estimation de la quantité de particules piégées par le filtre à particules en fonction desdites données, les troisièmes moyens d'évaluation comportant des moyens de détermination de la richesse du mélange alimentant le moteur. 2906839 3 Ainsi, l'invention permet de fournir une estimation de la quantité de particules piégées par le FAP qui est fonction de la richesse du carburant injecté. On précise que le mélange est le mélange gazeux air/carburant 5 alimentant le moteur, et que la richesse est la teneure en carburant de ce mélange. L'évaluation du débit de carburant injecté n'est donc pas basée sur la consigne d'injection contrairement aux systèmes d'estimation connus. Cette évaluation n'est donc pas influencée par la dérive et la dispersion des injecteurs. 10 Des plus, comme l'a identifié la demanderesse, la richesse représente, avant la charge moteur, le paramètre d'ordre un dans l'estimation des émissions de particules. L'invention permet par conséquent une estimation particulièrement précise et fiable de la quantité de particules piégées par le FAP. Le système d'estimation selon l'invention pourra en outre présenter facultativement au moins l'une des caractéristiques suivantes : - les troisièmes moyens d'évaluation comportent des moyens de calcul du débit de carburant injecté dans le moteur agencés de manière à effectuer l'opération suivante: Qinj = Qair R 14.7 dans laquelle : Qn; : est le débit d'injection de carburant réel exprimé en mg/cp, 25 Qa;r: est le débit d'air frais admis dans les cylindres mg/cp, R: est la richesse du mélange. - les moyens de détermination de la richesse du mélange comprennent au moins une sonde à oxygène, - la sonde est placée dans la ligne d'échappement en aval du 30 moteur, le système comporte un débitmètre disposé dans la ligne d'admission afin de mesurer le débit d'air admis dans les cylindres du moteur, 2906839 4 - le système comprend de moyens de correction de l'estimation, destinés à prendre en compte l'ouverture d'une vanne équipant un circuit de recirculation des gaz d'échappement associé au moteur. 5 En outre, il est prévu dans le cadre de l'invention un système de traitement des gaz d'échappement issus d'un moteur diesel comprenant un système d'estimation selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes. De manière facultative, on peut prévoir que le système de 10 traitement selon l'invention comporte une ligne d'échappement comprenant un piège à oxyde d'azote et un catalyseur d'oxydation situé en aval du piège à oxyde d'azote, la sonde étant placée en aval du piège à oxyde d'azote et en amont du catalyseur d'oxydation. L'invention a également pour objet un véhicule équipé d'un 15 système d'estimation selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes. En outre, il est prévu dans le cadre de l'invention un procédé d'estimation de la quantité de particules piégées par un filtre à particules équipant une ligne d'échappement d'un moteur diesel pour 20 véhicule, dans lequel: • on évalue des données relatives : au régime du moteur, au débit d'air fourni au moteur, au débit de carburant injecté dans le moteur, • on fournit une estimation de la quantité de particules piégées dans le filtre à particules à partir desdites données, • on détermine la richesse du mélange alimentant le moteur afin d'évaluer les données relatives au débit de carburant injecté dans le moteur. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif. La figure 1, est un schéma d'ensemble d'un système 2906839 5 d'estimation de la quantité de particules piégées par un FAP équipant une ligne d'échappement d'un moteur diesel pour véhicule. En référence à la figure 1, on a illustré un système de traitement des gaz d'échappement 20 comprenant un système d'estimation 1 selon 5 un exemple de réalisation. La figure laisse apparaître un moteur diesel 7 dont l'échappement est associé au système de traitement des gaz d'échappement 20. Le système de traitement des gaz d'échappement 20 comprend une ligne d'échappement 11 comportant un piège à oxyde d'azote ( NOx Trap ) 10 6, un catalyseur d'oxydation ( DOC ) 5 et un FAP 4 successivement disposés le long de la ligne d'échappement 11 depuis l'amont vers l'aval. Les sens amont et un aval sont définis par le sens de propagation des gaz d'échappement le long de la ligne d'échappement 11. Le système d'estimation 1 comprend une unité de contrôle 2 dans 15 lequel est intégré un modèle d'émission. Le modèle d'émission de suies se base essentiellement sur trois types de données, respectivement relatives: - au régime moteur, exprimé en rpm, - au débit d'air exprimé en mg/cp, 20 - au débit de carburant injecté exprimé en mg/cp. L'unité mg/pc représentant, de manière connue, un débit massique par explosion, également appelée coup, produite dans le bloc moteur 7. A partir de cartographies dépendant de ces trois types de données, le modèle d'émission permet de déterminer la quantité de 25 suies produites lors de la combustion. Afin déterminer les données relatives au régime moteur, le système d'estimation 1 comprend des premiers moyens d'évaluation. A cet effet, les premiers moyens d'évaluation comportent par exemple un capteur de vitesse de rotation du moteur. 30 Le système d'estimation 1 comporte également des seconds moyens d'évaluation fournissant des données relatives au débit d'air et des troisièmes moyens d'évaluation fournissant des données relatives au débit de carburant injecté. 2906839 6 Les seconds moyens d'évaluation comprennent par exemple un débitmètre agencé de manière à mesurer le débit d'air admis dans les cylindres. De manière préférée, le débitmètre est disposé dans la ligne d'admission. 5 Les troisièmes moyens d'évaluation comprennent des moyens de détermination de la richesse du mélange alimentant le moteur 7. De plus, les troisièmes moyens d'évaluation comportent des moyens de calcul. Ces moyens de calcul déterminent le débit de carburant injecté dans le moteur 7 en effectuant l'opération suivante: 10 Qin]. = Qair_ • R 14.7 dans laquelle : : est le débit d'injection de carburant réel exprimé en mg/cp, 15 Qair: est le débit d'air frais admis dans les cylindres mg/cp, R: est la richesse du mélange. Les moyens de détermination de la richesse du mélange comprennent au moins une sonde 3 à oxygène afin de mesurer la richesse du mélange. Cette sonde 3 est disposée en aval du FAP 4 et en 20 amont du catalyseur d'oxydation 5. Le débit d'air est quant à lui mesuré à l'aide d'un débitmètre disposé dans la ligne d'admission. Ainsi, les troisièmes moyens d'évaluation fournissent une évaluation du débit de carburant injecté qui est fonction de la richesse 25 du carburant injecté, cette richesse étant mesurée au moyen d'une sonde 3 à oxygène. Les modèles connus d'émission de suies se basent sur la consigne d'injection de la quantité de carburant afin de déterminer le débit d'injection de carburant. Or, la demanderesse a constaté que ces 30 modèles présentent une erreur non négligeable et qui varie au cours du temps. En effet, une différence sensible a été décelée entre la consigne d'injection et la quantité réellement injectée. Il est apparu que cette différence provient de la dispersion et de la dérive des injecteurs. Les 2906839 7 injecteurs sont en effet soumis aux fortes conditions de température et de pression qui règnent au sein de la chambre de combustion, ce qui altère leurs propriétés physiques et induit une modification des doses injectées. Il en résulte une erreur d'estimation du modèle d'émission qui 5 tend à s'accroître au cours de la durée de vie du véhicule. Le système d'estimation 1 selon l'invention ne se base sur des mesures issues des injecteurs, et permet ainsi de s'affranchir de la dérive et de la dispersion de ces derniers. De plus, comme l'a identifié la demanderesse, la richesse 10 représente, avant la charge moteur, le paramètre d'ordre un dans l'estimation des émissions de particules. Or, en étudiant les systèmes existants d'estimation, la demanderesse s'est aperçue de leur étroite dépendance aux dérives des paramètres moteur tels que le régime et la charge du moteur. De plus, ces dérives ont tendance à s'accroître au fur 15 et à mesure de l'usure du moteur. Par conséquent, dans les systèmes d'estimation connus, les dérives des paramètres moteurs engendrent des erreurs d'estimation qui augmentent continuellement. Le système d'estimation 1 selon l'invention se base sur la richesse est n'est donc pas étroitement influencé par la dérive des paramètres 20 moteur. L'invention permet par conséquent une estimation particulièrement précise et fiable de la quantité de particules piégées par le FAP 4. Une sonde 3 à oxygène présente une résistance au vieillissement sensiblement supérieure à celle d'un injecteur de 25 carburant. De plus, le vieillissement d'une sonde 3 à oxygène peut être maîtrisé en intégrant au système d'estimation des stratégies de recalage. De plus, étant disposée dans la ligne d'échappement 11, la sonde 3 est soumise à des conditions de température et de pression moins 30 fortes que les injecteurs situés dans les chambres de combustion. Ainsi la sonde 3 subit substantiellement moins de dégradations que les injecteurs. Elle est, par conséquent, plus à même de conserver ses propriétés au cours du temps. 2906839 8 L'utilisation d'une sonde 3 à oxygène dans l'évaluation de la quantité de carburant injecté contribue donc à renforcer la précision et la stabilité du système selon l'invention. L'unité de contrôle 2 participe à la commande de certains organes 5 du véhicule et du moteur 7. Ainsi, sur la base de l'estimation fournie par le modèle d'émission et sur la base d'autres paramètres 9 (commande provenant du conducteur notamment), l'unité de contrôle 2 détermine la quantité de carburant que les injecteurs 10 introduisent dans les cylindres du moteur 7. 10 Par ailleurs, le système d'estimation 1 permet de prendre en compte à la fois le stockage de résidus dans le filtre et l'oxydation de suies produites par l'oxyde d'azote. Celle-ci est fonction de la concentration en dioxyde d'azote et en oxygène, de la température interne du filtre, et de la masse de suie présente dans le filtre. 15 De manière connue, le moteur 7 peut être équipé d'un circuit 8 de recirculation des gaz d'échappement (EGR) comme le représente la figure 1. Ce type de circuit 8 comporte habituellement une vanne commandant l'entrée de gaz d'échappement au niveau de l'admission du moteur 7. Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu que le 20 système d'estimation 1 prenne en compte l'ouverture de la vanne EGR afin de corriger le modèle d'émission de particules. On peut prévoir plusieurs variantes au système d'estimation 1 décrit précédemment. Ainsi, on peut modifier la localisation de la sonde 3 le long de 25 l'échappement en aval du moteur 7. Plus la sonde 3 est proche du moteur 7, plus elle est soumise à des contraintes thermiques élevées. Plus la sonde 3 est éloignée du moteur 7, plus la réactivité du système d'estimation 1 diminue. Il est à noter que le modèle d'émission intégré à l'unité de contrôle 2 peut être agencé de manière à prendre en compte 30 la distance de la sonde 3 au moteur 7. Dans une ligne d'échappement 11 comportant un piège à oxyde d'azote 6 et un catalyseur d'oxydation 5, disposer la sonde 3 entre ces deux derniers constitue un bon compromis entre les contraintes 2906839 9 thermiques auxquelles la sonde 3 est soumise et la distance entre le moteur 7 et la sonde 3. Par ailleurs, on peut prévoir d'associer le système d'estimation 1 à une ligne d'échappement 11 non pourvue de piège à oxyde d'azote 6 5 et/ou de catalyseur d'oxydation 5. Dans chacun des modes de réalisation, la sonde 3 à oxygène permet de mesurer la richesse du mélange afin d'évaluer le débit de carburant réellement injecté. Cette évaluation est indépendante de la dispersion et de la dérive des injecteurs. 10 Par conséquent, le système selon l'invention offre une estimation améliorée de la quantité de particules piégées dans un FAP 4, ainsi qu'un meilleur contrôle et une optimisation des phases de régénération des différents éléments de post-traitement. De plus, il n'implique pas de modifications et de coûts additionnels 15 substantiels par rapport aux systèmes existants. Enfin, il permet de conserver un encombrement réduit. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus, mais s'étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit. 20 REVENDICATIONS 1. Système d'estimation (1) de la quantité de particules piégées par un filtre à particules (FAP) (4) équipant une ligne d'échappement (11) 5 d'un moteur diesel (7) de véhicule, le système comprenant : • des premiers, seconds et troisièmes moyens d'évaluation agencés de manière à fournir respectivement des données relatives : au régime du moteur, au débit d'air fourni au moteur, 10 au débit de carburant injecté dans le moteur, • une unité de contrôle (2) agencée de manière à fournir une estimation de la quantité de particules piégées par le filtre à particules en fonction desdites données, caractérisé en ce que les troisièmes moyens d'évaluation comportent 15 des moyens de détermination de la richesse du mélange alimentant le moteur. 2. Système d'estimation (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les troisièmes moyens d'évaluation comportent 20 des moyens de calcul du débit de carburant injecté dans le moteur (7) agencés de manière à effectuer l'opération suivante: Qinj = Qair R 14.7 25 dans laquelle : : est le débit d'injection de carburant réel exprimé en mg/cp, Qa;r: est le débit d'air frais admis dans les cylindres mg/cp, R: est la richesse du mélange. 30 3. Système d'estimation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détermination de la richesse du mélange comprennent au moins une sonde (3) à oxygène. 2906839 11 4. Système d'estimation (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la sonde (3) est placée dans la ligne d'échappement (11) en aval du moteur (7). 5. Système d'estimation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un débitmètre disposé dans la ligne d'admission afin de mesurer le débit d'air admis dans les cylindres du moteur (7). 10 6. Système d'estimation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de moyens de correction de l'estimation, destinés à prendre en compte l'ouverture d'une vanne équipant un circuit (8) de recirculation des gaz 15 d'échappement associé au moteur (7). 7. Système de traitement (20) des gaz d'échappement issus d'un moteur diesel (7) comprenant un système d'estimation 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 20 8. Système de traitement (20) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne d'échappement (11) comprenant un piège à oxyde d'azote (6) et un catalyseur d'oxydation (5) situé en aval du piège à oxyde d'azote, la sonde (3) étant placée en 25 aval du piège à oxyde d'azote et en amont du catalyseur d'oxydation. 9. Véhicule équipé d'un système d'estimation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 30 10. Procédé d'estimation de la quantité de particules piégées par un filtre à particules (4) équipant une ligne d'échappement (11) d'un moteur diesel (7) pour véhicule, dans lequel: • on évalue des données relatives : 2906839 12 - au régime du moteur, au débit d'air fourni au moteur, - au débit de carburant injecté dans le moteur, • on fournit une estimation de la quantité de particules piégées 5 dans le filtre à particules à partir desdites données, caractérisé en ce qu'on détermine la richesse du mélange alimentant le moteur afin d'évaluer les données relatives au débit de carburant injecté dans le moteur.