Brevet FR2907846A1 — publié le 20080502

Dispositif et procédé de régulation d'une quantité de carburant à injecter tardivement pour la régénération d'un filtre à particules de moteur à combustion interne La présente invention se situe dans le domaine du traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne pour véhicule automobile du type diesel. L'invention a pour objet un dispositif de régulation de la quantité de carburant à injecter tardivement dans les chambres de combustion du moteur à combustion interne de façon à permettre une élévation de température dans un filtre à particules pour procéder à la régénération de ce filtre par combustion des particules qui s'y trouvent piégées. L'invention a également pour objet un procédé de régulation d'un telle quantité de carburant à injecter tardivement dans les chambres de combustion du moteur à combustion interne. Pour satisfaire à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, on prévoit généralement des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement disposés dans la ligne d'échappement des moteurs. Ces systèmes de post-traitement permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote ainsi que le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés. Ces systèmes de post-traitement fonctionnent de manière discontinue pendant des périodes déterminées. En fonctionnement normal, les systèmes piègent les polluants mais ne les traitent que lors des phases dites de régénération. Pour être régénéré, un système de post traitement comportant un filtre à particules nécessite un mode de combustion spécifique du moteur à combustion interne permettant de garantir un niveau de température et/ou de richesse convenables. Les moteurs à combustion du type diesel, en raison de leur fonctionnement spécifique, émettent dans leurs gaz d'échappement des quantités plus importantes de suies polluantes que l'on nomme généralement particules. Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, on dispose un filtre dans la ligne d'échappement du moteur à combustion, en aval des chambres de combustion du moteur. Ce filtre retient les particules de suie qui s'accumulent en son sein au fur et 2907846 2 à mesure de l'utilisation du moteur. Les moteurs à combustion interne émettent également des polluants réducteurs tels que HC, CO, etc... En présence d'oxygène et de matériaux catalytiques tel que par exemple du platine, et à température élevée, ces polluants réducteurs peuvent être 5 oxydés. Pour obtenir cette oxydation, on dispose généralement dans la ligne d'échappement un dispositif catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules. I1 est également possible de concevoir un filtre à particules dit catalytique qui comprend en son sein un matériau catalytique réalisant cette oxydation. 10 L'accumulation des particules de suie dans le filtre finit par obturer celui-ci créant une forte contre pression à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. Afin de retrouver les performances normales du moteur, on procède périodiquement à une opération d'oxydation des particules contenues dans le filtre à particules. 15 Cette procédure généralement appelée régénération du filtre à particules est obtenue par une élévation de la température interne du filtre à particules qui entraîne l'initialisation et le maintien de la combustion des particules se trouvant piégées dans le filtre. Pour obtenir une telle élévation de température, on procède 20 généralement à une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On injecte ainsi du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement. On peut également procéder à une ou plusieurs injections tardives consistant à injecter du carburant après 25 une période de temps plus importante après le point mort haut. Ce carburant ne brûle pas dans la chambre de combustion, mais au contraire dans la partie catalytique de la ligne d'échappement. L'oxydation des produits réducteurs contenus dans les gaz d'échappement tels que HC et CO, qui intervient sur les sites catalytiques, augmente la température lors 30 du passage des gaz d'échappement sur ces sites catalytiques. Une telle injection tardive de carburant a également pour effet d'augmenter la température interne du dispositif catalyseur. Cela présente un inconvénient si la température devient trop importante, les particules catalytiques, par exemple du platine, risquant alors de 2907846 3 s'agglutiner et de diminuer la surface de contact avec les gaz d'échappement, et de ce fait les performances du catalyseur. Si la température est très élevée, les matériaux céramiques qui sont généralement utilisés pour supporter les matériaux catalytiques peuvent 5 même s'effondrer créant alors des trous dans le catalyseur. L'opération de régénération du filtre à particules s'effectue périodiquement dès que l'on détecte une quantité de particules dans le filtre trop importante. Cette détection peut être obtenue par exemple par une mesure de pression différentielle en amont et en aval du filtre à 10 particules ou par tout autre moyen approprié. L'opération de régénération s'effectue lorsque le moteur du véhicule fonctionne et ne doit pas être discernable par le conducteur et les passagers du véhicule. Pour éviter des élévations de température trop importantes et piloter la phase de régénération, on procède généralement à une régulation de la 15 quantité de carburant injectée tardivement dans les chambres de combustion en fonction de la température de sortie du catalyseur qui est en même temps la température d'entrée du filtre à particules. La demande de brevet français 2 846 049 (RENAULT) décrit une telle régulation de la quantité de carburant injectée pendant les phases de 20 régénération à partir de l'écart entre la température des gaz d'échappement mesurée en aval du catalyseur d'oxydation et une valeur de consigne de cette température. La demande de brevet français 2 811 370 (DAIMLER BENZ) est similaire à la demande de brevet français 2 846 049 précitée. 25 On constate cependant, avec de telles régulations, des difficultés pendant les phases transitoires c'est-à-dire lorsque des variations importantes de fonctionnement du moteur sont demandées par le conducteur, par exemple lors de phases d'accélération. En effet, le dispositif catalyseur présente une inertie thermique non négligeable, de 30 sorte que la mesure de la température à la sortie du catalyseur retranscrit les variations de la température à l'intérieur du dispositif catalyseur avec quelques dizaines de secondes de retard. La demande de brevet français 2 864 992 (BOSCH) prévoit de mesurer non seulement la température en sortie du catalyseur, mais 2907846 4 également la température en amont du catalyseur afin d'améliorer la régulation et de tenir compte de l'inertie du catalyseur. Pour résoudre ces difficultés, la demande de brevet 2 862 100 (PSA) propose de déterminer l'état amorcé ou non du dispositif catalyseur par 5 une mesure de la température en amont et en aval du catalyseur. I1 devient alors possible de limiter les débits de post injection de carburant dans un état de levée de pied de l'accélérateur ou dans des phases de ralenti du moteur. Aucune de ces solutions ne donne cependant entière satisfaction et 10 ne permet une véritable amélioration de la régulation du débit de carburant injecté tardivement lors des phases transitoires de fonctionnement du moteur. On constate en effet des dépassements importants de la consigne de température à la sortie du dispositif catalyseur pouvant entraîner le dépassement des limites thermo 15 mécaniques du catalyseur. La présente invention a pour objet d'améliorer les performances de régulation de la quantité de carburant injectée tardivement dans les chambres de combustion de façon à tenir compte au mieux des phases transitoires de fonctionnement. 20 La présente invention a également pour objet d'améliorer la rapidité de la régulation lors d'un fonctionnement stable du moteur à combustion. Dans un mode de réalisation, un dispositif selon l'invention permet la régulation d'une quantité de carburant à injecter tardivement dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule 25 automobile du type Diesel, comprenant un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur et un moyen d'oxydation catalytique intégré ou non dans le filtre à particules. L'injection tardive est déclenchée par des moyens appropriés par périodes de temps pour la régénération du filtre à particules par combustion des particules piégées 30 dans le filtre. Le dispositif comprend des capteurs de la température en amont et en aval du moyen d'oxydation catalytique et un régulateur recevant l'écart entre la valeur de la température mesurée en aval du catalyseur et 2907846 5 une valeur de consigne. Le régulateur est capable de fournir une valeur de quantité de carburant à injecter tardivement. Le dispositif comprend en outre un module de correction capable d'estimer une correction à appliquer à la valeur de quantité de carburant 5 à injecter tardivement. Ce module comporte une cartographie mémorisée de la température en amont du catalyseur en régime stabilisé, en fonction du point de fonctionnement du moteur et des cartographies mémorisées de grandeurs représentatives de l'évolution dynamique du processus d'oxydation catalytique, en fonction du point de fonctionnement du 10 moteur. Des moyens sont également prévus pour ajouter ladite correction à la valeur de quantité de carburant à injecter tardivement, fournie par le régulateur. Ainsi, il devient possible d'obtenir une meilleure régulation de la quantité de carburant à injecter tardivement pendant les phases 15 transitoires correspondant par exemple à de fortes variations des paramètres de fonctionnement du moteur pendant des intervalles de temps courts. Les dépassements de valeur de consigne sont alors mieux maîtrisés lors de conditions de roulage instables et la rapidité de réponse de la régulation est améliorée lors de phases de roulage stables. 20 Dans un mode de réalisation, le module de correction comprend une cartographie mémorisée d'un premier gain de valeurs de température en aval et en amont du catalyseur, en fonction du point de fonctionnement du moteur, et une cartographie mémorisée d'un premier temps de réponse du catalyseur, en fonction du point de fonctionnement du moteur. 25 Le module de correction peut également comprendre une cartographie mémorisée d'un deuxième gain de valeurs de quantité de carburant injecté tardivement et de température en aval du catalyseur, en fonction du point de fonctionnement du moteur, et une cartographie mémorisée d'un deuxième temps de réponse du catalyseur, en fonction du 30 point de fonctionnement du moteur. Le module de correction comprend de préférence des moyens de filtrage des gains cartographiés par les temps de réponse cartographiés, en fonction du point de fonctionnement du moteur. 2907846 6 Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de régulation d'une quantité de carburant à injecter tardivement dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile du type Diesel, comprenant un filtre à particules monté dans la ligne 5 d'échappement du moteur et un moyen d'oxydation catalytique intégré ou non dans le filtre à particules. L'injection tardive est déclenchée par périodes de temps pour la régénération du filtre à particules par combustion des particules piégées dans le filtre. 10 Selon le procédé, on régule la quantité de carburant injectée tardivement en fonction de l'écart entre la valeur de la température mesurée en aval du catalyseur et une valeur de consigne, et on applique à la valeur régulée de la quantité de carburant injectée tardivement, une correction estimée en fonction de l'évolution dynamique du processus 15 d'oxydation pour chaque point de fonctionnement stabilisé du catalyseur. On profite ainsi de la connaissance de l'évolution dynamique du processus d'oxydation pour chaque point de fonctionnement stabilisé pour améliorer les performances de la régulation. La correction peut, par exemple, être estimée à partir d'une 20 cartographie mémorisée des valeurs de température en amont du catalyseur en régime stabilisé, en fonction du point de fonctionnement du moteur. On tient compte de préférence également, de 1' inertie thermique du catalyseur et du caractère exothermique des réactions catalytiques pour 25 estimer la correction. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif illustré par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre schématiquement la ligne d'échappement d'un 30 moteur à combustion interne ; la figure 2 montre schématiquement les principaux éléments d'un dispositif de régulation selon l'invention et la figure 3 illustre les principaux éléments d'un module de correction utilisé dans la régulation selon l'invention. 2907846 7 Tel que représenté sur la figure 1, le moteur à combustion interne 1, représenté très schématiquement, est un moteur diesel à quatre cylindres. Les chambres de combustion du moteur représentées schématiquement et référencées 2 sont alimentées en air comprimé par un conduit 5 d'admission 3. L'air frais admis est comprimé par un turbo compresseur 4 dont le compresseur est entraîné en rotation par une turbine traversée par les gaz d'échappement provenant de la conduite d'échappement 5. En sortie de turbine, les gaz d'échappement sont véhiculés par une ligne d'échappement 6 qui comprend un dispositif 10 catalyseur 7 suivi d'un filtre à particules (FAP) 8. Bien que dans cet exemple, le dispositif catalyseur ait été représenté sous la forme d'un dispositif séparé du filtre à particules, on comprendra que les matériaux catalytiques puissent être disposés à l'intérieur même du filtre à particules sans modification majeure de la présente invention. 15 Une unité électronique de commande ECU référencée 9 assure la commande du fonctionnement du moteur 1 et permet également la commande de la régénération du filtre à particules 8. A cet effet, l'unité électronique de commande 9 qui reçoit diverses informations de paramètres de fonctionnement du moteur par les connexions 10 est 20 capable d'émettre un signal de commande par la connexion 11 en vue de l'injection dans les chambres de combustion 2 d'une certaine quantité de carburant à un moment tardif c'est-à-dire après le point mort haut, de façon à augmenter la quantité de carburant imbrûlé et la température des gaz d'échappement pour une phase de régénération du filtre à particules. 25 Sur la figure 1, se trouvent également représentés différents capteurs et en particulier un capteur de pression 12 monté en aval du filtre à particules 8 et un capteur de pression 13 monté en amont du filtre à particules 8. La pression différentielle AP entre l'amont et l'aval du filtre à particules 8 est déterminée par un module 14 qui émet un signal 30 de pression différentielle par la connexion 15 qui amène ce signal sur l'unité électronique de commande 9. Une telle mesure de pression différentielle permet de détecter le moment où le filtre à particules est chargé en particules de suie d'une façon telle qu'une phase de régénération doit être initiée. 2907846 8 Sur la figure 1, on a également représenté un capteur de température 16 qui détermine la température à la sortie du catalyseur 7. Un deuxième capteur de température 17 détermine la température en amont du catalyseur 7 soit Tamont. Ces températures sont amenées par les 5 connexions 18 et 19 à l'unité électronique de commande 9. Les principaux éléments de la régulation sont illustrés sur la figure 2 où l'on retrouve les mêmes éléments portant les mêmes références et notamment le moteur 1 et l'unité électronique de commande 9 ainsi que le capteur 16 déterminant la température Ts à la 10 sortie du dispositif catalyseur 7. La régulation comprend essentiellement un régulateur 20, qui est ici à titre d'exemple un régulateur du type proportionnel intégral dérivé (PID). La grandeur à réguler est l'écart c qui est amené à l'entrée du régulateur 20 et qui correspond à la différence entre une température de 15 consigne Tcons et la température Ts mesurée à la sortie du dispositif catalyseur qui est amenée sur l'entrée négative d'un comparateur 21 lequel reçoit sur son entrée positive la valeur de la température de consigne Tcons. Conformément à l'invention, le dispositif de régulation comprend en 20 outre un module de correction 22 noté COR sur la figure 2 qui reçoit sur son entrée la valeur de la température mesurée en amont du dispositif catalyseur c'est-à-dire Tamont provenant du capteur 17 et qui est capable d'émettre une valeur de correction Cor qui est ajoutée dans l'additionneur 23 à la valeur de la quantité de carburant à injecter qui est déterminée 25 par le régulateur 20. De cette manière, la quantité de carburant à injecter tardivement et qui est amenée à l'entrée de l'unité électronique de commande 9 a été dûment corrigée par la valeur de correction établie par le module de correction 22. La figure 3 illustre de manière plus précise les principaux éléments 30 du module de correction 22. Une cartographie mémorisée 24 en fonction du régime de rotation du moteur noté N et du couple moteur noté C fournit une valeur de température en amont du dispositif catalyseur Tamont en régime stabilisé pour différents points de fonctionnement du moteur. Cette valeur attendue issue de la cartographie 24 est amenée sur l'entrée 2907846 9 négative d'un comparateur 25. Le comparateur 25 reçoit également sur son entrée positive la température amont Tamont telle que mesurée par le capteur 17. Le comparateur 25 établit donc un écart ATamont qui tient compte du point de fonctionnement du moteur en régime stabilisé. 5 Afin de tenir compte également de l'inertie thermique du dispositif catalyseur 7 et des réactions catalytiques exothermiques qui augmentent la température des gaz d'échappement traversant le catalyseur 7, on applique un gain à la première correction ainsi obtenue. A cet effet, le module de correction 22 comprend une cartographie 26 en fonction du 10 point de fonctionnement du moteur représenté par le régime de rotation N et le couple moteur C, cette cartographie donnant pour chaque point de fonctionnement du moteur en régime stabilisé la valeur d'un gain K1 qui correspond au rapport entre la température de sortie du dispositif catalyseur 7 Ts à la température en amont du catalyseur 7 Tamont soit : 15 K1 = TS Tamont La valeur de ce gain est en outre filtrée dans le filtre 27 noté F1 au moyen d'un temps de réponse t1 qui tient compte de la dynamique de fonctionnement du dispositif catalyseur. Ce temps de réponse t1 est 20 déterminé en fonction du point de fonctionnement du moteur par une cartographie 28 en fonction du régime de rotation du moteur N et du couple moteur C. On obtient l'erreur sur la température TS en sortie du dispositif catalyseur, erreur qui est amenée sur un module de traitement 29 qui 25 reçoit également l'écart sur la température amont ATamont• En sortie de ce module de traitement 29, apparaît ainsi la correction AT, à appliquer sur la température de sortie TS Le module de correction 22 comporte encore un moyen pour établir une correction sur la quantité de carburant à injecter pour atteindre la 30 température de consigne. A cet effet, une cartographie 30 permet la détermination d'un deuxième gain K2 en fonction du point de fonctionnement du moteur, c'est-à-dire du régime de rotation du moteur N et du couple C. La valeur de ce gain K2 correspond à la 2907846 10 quantité de carburant injectée Qpost divisé par la valeur de la température de sortie Ts du catalyseur soit : K2 = _Qpost Ts. 5 Ce gain fait l'objet d'un filtrage dans le filtre 31 noté F2 au moyen d'un temps t2 de réponse du dispositif catalyseur 7, déterminé en fonction du point de fonctionnement instantané du moteur en régime stabilisé au moyen d'une cartographie 32 fonction du régime moteur N et du couple moteur C. Le temps de réponse t2 résultant de cette 10 cartographie est amené à l'entrée du filtre 31 de façon à obtenir un gain filtré qui est amené à un module de traitement 33 recevant également la correction portant sur la température de sortie du dispositif catalyseur. Le module de traitement 33 détermine alors la valeur de correction Cor qui doit être appliquée à la quantité de carburant à injecter. On notera 15 que les gains K1 et K2 et les temps de réponse t1 et t2 sont tous issus de cartographies établies en régime statique et dépendent tous du point de fonctionnement du moteur en régime stabilisé. On a donc ainsi bénéficié de la connaissance du fonctionnement du dispositif catalyseur en régime stabilisé pour établir une correction qui peut alors être ajoutée à la 20 valeur de la quantité de carburant à injecter telle que déterminée par le régulateur 20. L'ajout de cette valeur de correction permet l'obtention d'une meilleure régulation de la température en sortie du dispositif catalyseur pendant les modes transitoires, correspondant par exemple à de fortes variations des paramètres moteur pendant des intervalles de 25 temps relativement courts. Ainsi les dépassements de consigne sont parfaitement maîtrisés lors de conditions de roulage instables du véhicule. De plus, la rapidité de la régulation lors de phases de roulage stables se trouve améliorée. 30 REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation d'une quantité de carburant à injecter tardivement dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile du type Diesel, comprenant un filtre à particules (8) monté dans la ligne d'échappement du moteur et un moyen d'oxydation catalytique (7) intégré ou non dans le filtre à particules, ladite injection tardive étant déclenchée par périodes de temps pour la régénération du filtre à particules par combustion des particules piégées dans le filtre, comprenant des capteurs (17, 16) de la température en amont et en aval du moyen d'oxydation catalytique et un régulateur (20) recevant l'écart entre la valeur de la température (TS) mesurée en aval du catalyseur et une valeur de consigne (Tcoäs), le régulateur étant capable de fournir une valeur de quantité de carburant à injecter tardivement, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un module de correction (22) capable d'estimer une correction à appliquer à la valeur de quantité de carburant à injecter tardivement, ledit module comportant une cartographie mémorisée (24) de la température en amont du catalyseur en régime stabilisé, en fonction du point de fonctionnement du moteur et des cartographies mémorisées (26-32) de grandeurs représentatives de l'évolution dynamique du processus d'oxydation catalytique, en fonction du point de fonctionnement du moteur, et des moyens pour ajouter ladite correction à la valeur de quantité de carburant à injecter tardivement, fournie par le régulateur. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le module de correction comprend une cartographie mémorisée (26) d'un premier gain de valeurs de température en aval et en amont du catalyseur, en fonction du point de fonctionnement du moteur, et une cartographie mémorisée (28) d'un premier temps de réponse du catalyseur, en fonction du point de fonctionnement du moteur. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le module de correction comprend une cartographie mémorisée (30) d'un deuxième gain de valeurs de quantité de carburant injecté tardivement et de température en aval du catalyseur, en fonction du point de 2907846 12 fonctionnement du moteur, et une cartographie mémorisée (32) d'un deuxième temps de réponse du catalyseur, en fonction du point de fonctionnement du moteur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel le 5 module de correction comprend des moyens de filtrage (27, 31) des gains cartographiés par les temps de réponse cartographiés, en fonction du point de fonctionnement du moteur. 5. Procédé de régulation d'une quantité de carburant à injecter tardivement dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion 10 interne de véhicule automobile du type Diesel, comprenant un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur et un moyen d'oxydation catalytique intégré ou non dans le filtre à particules, ladite injection tardive étant déclenchée par périodes de temps pour la régénération du filtre à particules par combustion des particules piégées 15 dans le filtre, dans lequel on régule la quantité de carburant injectée tardivement en fonction de l'écart entre la valeur de la température mesurée en aval du catalyseur et une valeur de consigne, caractérisé par le fait qu'on applique à la valeur régulée de la quantité de carburant injectée tardivement, une correction estimée en fonction de l'évolution dynamique 20 du processus d'oxydation pour chaque point de fonctionnement stabilisé du catalyseur. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la correction est estimée à partir d'une cartographie mémorisée des valeurs de température en amont du catalyseur en régime stabilisé, en fonction du point de 25 fonctionnement du moteur. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel on tient compte de l'inertie thermique du catalyseur et du caractère exothermique des réactions catalytiques pour estimer la correction. 30