Brevet FR2907508A1 — publié le 20080425

Procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit d'échappement de moteur à combustion interne L'invention a pour objet un procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit d'échappement de moteur à combustion interne et couvre également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. On sait qu'il est nécessaire de réduire la pollution produite par les moteurs à combustion interne. Pour diminuer les émissions de polluants, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre. En particulier, pour réduire les émissions d'oxydes d'azote NOX dans un mélange globalement oxydant tel que les gaz d'échappement d'un moteur en mélange pauvre, on dispose habituellement, dans le système d'épuration, un catalyseur comportant un moyen d'accumulation des oxydes d'azote dénommé "NOX Trap" qui est intégré dans la ligne d'échappement et dans lequel sont piégés les oxydes d'azote émis pendant le fonctionnement normal du moteur en mélange pauvre. Le fonctionnement d'un tel catalyseur d'accumulation d'oxydes d'azote est décrit en détail, par exemple, dans le document EP-A-O 580 389. Un tel catalyseur doit être régénéré périodiquement en exploitant le moteur en régime riche pendant un certain temps afin de décomposer les nitrates en libérant du NOX qui est alors réduit en azote par les réducteurs tels que H2, HC, et CO contenus dans les gaz d'échappement, de la façon décrite dans le document cité plus haut. De même, pour éliminer les particules de suies présentes dans les gaz d'échappement, le circuit d'échappement comporte, normalement, un filtre à particules, par exemple catalytique, dont la paroi intérieure est recouverte d'une couche d'un matériau imprégné de métaux précieux, appelée "Wash Coat", assurant une fonction d'oxydation destinée à diminuer la température de combustion des particules de suies. Pour éviter le colmatage d'un tel filtre à particules par les suies, il est nécessaire de procéder périodiquement à une régénération qui consiste à brûler les suies en élevant la température des gaz d'échappement aux environs de 600 C. Cette élévation de température peut être obtenue en dégradant le rendement moteur par des moyens appropriés d'aide à la régénération. DB5052 FR DEM 0 2907508 2 Pour optimiser le traitement de l'ensemble des polluants, il est nécessaire de gérer au mieux les phases de stockage et de régénération des organes de post-traitement en maîtrisant, autant que possible, la puissance thermique développée au sein de ces pièges afin d'optimiser la combustion des suies dans le 5 cas du filtre à particules et le chargement ou la réduction des oxydes d'azote dans le cas du piège à NOX ou NOX Trap. En effet, ces réactions de combustion, d'oxydation, d'adsorption ou de réduction sont directement dépendantes de la température du support de ces pièges et des gaz qui les traversent. L'invention apporte une solution à de tels problèmes grâce à un procédé 10 permettant de contrôler la température des gaz dans un circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne et, en particulier, de contrôler la puissance thermique en sortie pour un premier système de post-traitement de type catalyseur d'oxydation ou NOX Trap dans une fenêtre de température proche de la température maximale d'utilisation en évitant, notamment, d'éventuels pics de température. 15 De façon connue, un tel contrôle peut être réalisé à partir d'une mesure de la température interne du catalyseur au moyen de capteurs placés à l'intérieur de celui-ci. Cependant, l'implantation d'un capteur au sein du catalyseur est difficile et présente des risques pour l'intégrité du monolithe constituant le catalyseur. Il est 20 donc préférable de placer le capteur de température en aval du catalyseur, la gestion de la thermique en sortie du premier système de post-traitement étant assurée, dans un système de contrôle dit "par retour d'état" à partir d'une mesure de la température des gaz en sortie de ce système. Toutefois, la réponse d'un tel système est lente et très retardée et, par ailleurs, très sensible aux changements 25 d'inertie des monolithes occasionnés par des variations de la température des gaz à l'entrée du système de post-traitement et/ou des variations de leur débit. De ce fait, les caractéristiques temporelles de la réponse d'un tel procédé à l'échelon de commande limitent les performances d'un contrôle par retour d'état en termes de suivi de consignes et il peut être impossible d'éviter des dépassements de la 30 température maximale admissible. De plus, en raison de la sensibilité du procédé aux changements de conditions de fonctionnement, il sera très difficile de réaliser un contrôle assez stable sur l'ensemble du champ de fonctionnement du moteur sans décrire ses paramètres pour chacune des conditions de fonctionnement, ce qui est inadmissible en termes d'espace-mémoire dédié à cette fonction. DB5052 FR DEM 0 2907508 3 Pour éviter ces inconvénients, l'invention a pour objet un nouveau procédé de contrôle permettant une régulation de la thermique interne du catalyseur sans dépendre des conditions d'observation de l'état du système pour l'élaboration de la commande adéquate. 5 D'une façon générale, l'invention concerne donc le contrôle de la température interne d'un organe de post-traitement placé dans un circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne, au moins certains polluants contenus dans les gaz d'échappement du moteur étant stockés, dans des phases de fonctionnement normal, dans au moins un organe de post-traitement qui est 10 alternativement soumis à des phases de régénération pour éliminer les polluants stockés, par élévation et maintien de la température dans l'organe de post-traitement au voisinage d'une température de consigne. Conformément à l'invention, à partir d'une mesure ou d'une estimation du débit et de la température des gaz d'échappement avant l'entrée dans l'organe de 15 post-traitement et compte tenu de leur composition, on détermine, d'une part, la valeur de la puissance de consigne nécessaire à l'obtention de la température de consigne dans l'organe de post-traitement, compte tenu des pertes et, d'autre part, la puissance calorifique entrante apportée par les gaz dans l'organe de post-traitement, qui correspond à la somme de leur puissance de chauffage direct due à 20 leur température, et de leur puissance potentielle de réaction exothermique dans l'organe de post-traitement, et l'on ajuste la composition desdits gaz d'échappement, avant l'entrée dans l'organe de post-traitement, de façon à compenser la différence ainsi déterminée à l'avance entre la puissance entrante et la puissance de consigne par une modification correspondante de la puissance potentielle de réaction 25 exothermique. De préférence, la puissance de consigne est déterminée à partir d'une mesure de la température des gaz à la sortie de l'organe de post-traitement, de leur débit et de leur capacité calorifique. De façon particulièrement avantageuse, pour compenser la différence entre 30 la puissance entrante et la puissance de consigne, on ajuste les proportions relatives de réducteurs et d'oxydants dans les gaz d'échappement afin de modifier de la valeur voulue la puissance potentielle de réaction exothermique d'oxydation des réducteurs dans l'organe de post-traitement. DB5052 FR DEM 0 2907508 4 Selon une autre caractéristique préférentielle, la proportion de réducteurs dans les gaz d'échappement est ajustée par une post-injection d'un débit contrôlé de carburant, soit dans au moins une chambre de combustion du moteur, soit directement dans le circuit d'échappement, en amont de l'organe de post-traitement. 5 A cet effet, une unité de contrôle détermine les valeurs estimées de la puissance de consigne nécessaire et de la puissance thermique entrante apportée par les gaz et un signal correspondant à la différence ainsi calculée est affiché sur une unité de commande d'un débit de post-injection de carburant permettant d'ajuster la puissance potentielle de réaction exothermique des gaz dans l'organe de 10 post-traitement. Dans un mode de réalisation plus perfectionné, pour déterminer le débit de post-injection du carburant permettant de compenser la différence entre la puissance de consigne et la puissance thermique entrante, l'unité de contrôle prend en compte la variation d'énergie interne de l'organe de post-traitement due au 15 passage à la température de consigne. A cet effet, la valeur instantanée de cette variation d'énergie interne de l'organe de post-traitement est calculée en tenant compte de sa masse, de sa capacité calorifique et de la différence de température à compenser. D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront dans la 20 description suivante de certains modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexés. La figure 1 est un schéma général des circuits d'admission et d'échappement d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. La figure 2 est un schéma d'un circuit d'échappement équipé de systèmes 25 de post-traitement. La figure 3 est un diagramme montrant un exemple de variation, au cours du temps, du débit des gaz d'échappement selon le régime du moteur et la variation correspondante de la puissance thermique entrante et de la puissance de consigne nécessaire. 30 La figure 4 est un schéma d'un système de contrôle de température pour la mise en oeuvre du procédé. La figure 5 est un schéma d'un système de contrôle plus perfectionné, à commande proportionnelle et intégrale. DB5052 FR DEM 0 2907508 5 Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une disposition classique des circuits d'admission 1 et d'échappement 2 reliés à une chambre de combustion 10 d'un moteur dans laquelle débouche un injecteur 11. De façon classique, une partie des gaz d'échappement est renvoyée dans le 5 circuit d'admission 1 par un circuit de recyclage 12, la plus grande partie des gaz d'échappement passant d'abord par une turbine 13 à géométrie variable qui entraîne un compresseur 14 de l'air d'admission. Le schéma de la figure 1 montre d'autres dispositions bien connues qui peuvent, d'ailleurs, faire l'objet de multiples variantes et ne nécessitent pas une 10 description détaillée. A la sortie de la turbine, les gaz d'échappement sont renvoyés à l'atmosphère par un circuit de sortie 20 qui, pour réduire la pollution, comporte au moins un organe de post-traitement 21. Cet organe de post-traitement, habituellement du type catalyseur d'oxydation 15 ou NOX Trap permet de retenir et de stocker les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et est associé, habituellement, à un filtre à particules qui retient, sous forme de suies, les particules contenues dans les gaz. Ainsi, comme le montre schématiquement la figure 2, le circuit d'échappement 2 d'un moteur à combustion interne 11 comporte habituellement, en 20 aval de la turbine 13, un premier organe de post-traitement 21 du type catalyseur d'oxydation et un second organe 22 tel qu'un filtre à particules, les gaz ainsi dépollués étant rejetés à l'atmosphère par un circuit d'évacuation 23. De façon classique, les polluants accumulés, en fonctionnement normal, dans les deux organes de post-traitement 21, 22, sont éliminés dans des phases de 25 régénération, généralement en élevant la température des gaz par réglage du moteur en mélange riche. Pour cela, l'injecteur 11 est piloté, habituellement, par une unité de contrôle recevant les informations transmises par divers capteurs et associée à un modèle qui commande périodiquement le passage en phase de régénération et le maintien de la température au niveau de consigne souhaité. 30 Cependant, la température Te et le débit Qech des gaz d'échappement mesurés, par exemple, par des capteurs 31 placés en amont ou en aval de la turbine 13, varient à chaque instant en fonction du régime du moteur commandé par le conducteur. DB5052 FR DEM 0 2907508 6 Par exemple, sur le diagramme de la figure 3, la courbe 3 montre l'évolution possible, au cours du temps, du débit des gaz d'échappement qui varie en fonction du régime demandé au moteur, c'est-à-dire de la position de la pédale d'accélération et du rapport engagé sur la boîte de vitesses. 5 On connaît également, par mesure, estimation ou modélisation, la composition des gaz d'échappement et l'on peut donc en déduire leur capacité calorifique Cp. Après avoir traversé le catalyseur 21, les gaz d'échappement qui sortent par la conduite 20' ont le même débit Qech et leur température Ts qui peut être mesurée 10 par un capteur 15, correspond à la température interne du catalyseur 21. Le problème de l'invention est donc de maintenir cette température Ts, pendant toute la durée de la phase de régénération, au voisinage d'une température de consigne pour laquelle le fonctionnement du catalyseur est optimal mais qui ne doit pas être dépassée pour éviter une détérioration du catalyseur. 15 La puissance thermique sortante, exprimée en joule par seconde, est égale à: Ws = Ts * Qech * Cp (1) 20 Le principe de la gestion thermique consiste à apporter dans le catalyseur 21 une puissance thermique entrante moyenne sensiblement égale à cette puissance thermique sortante, c'est-à-dire à la puissance évacuée à la température de consigne désirée. Cette puissance thermique entrante est constituée, d'une part, de la 25 puissance thermique apportée directement par la chaleur des gaz en raison de leur température Te et de leur débit Qech et, d'autre part, de la puissance potentielle apportée indirectement par la capacité de réaction exothermique des masses d'oxygène ou de réducteurs présents dans les gaz d'échappement et qui réagissent partiellement ou totalement dans le catalyseur. Cette réaction exothermique fournit, 30 en effet, un complément d'énergie W. qui s'ajoute à la puissance de chauffage direct des gaz pour élever la température dans le catalyseur. La puissance entrante We, exprimée en J/s, peut donc s'écrire : We=Te*Qech *Cp+Wexo (2) DB5052 FR DEM 0 2907508 7 Cette puissance thermique entrante peut donc être calculée à partir d'une mesure, d'une estimation ou de la modélisation de la température Te et du débit Qech des gaz dans la conduite 20, à l'entrée du catalyseur 21, ainsi que de leur 5 composition, en particulier des émissions d'oxygène ou de réducteurs, qui permettent de déterminer leur capacité calorifique Cp et la puissance potentielle de réaction exothermique Wexo. De même, il est possible d'estimer ou de déterminer par modélisation les pertes thermiques éventuelles Wp dans le catalyseur 21. 10 Sur le diagramme de la figure 3, les courbes 3 et 31 donnent, respectivement, un exemple d'évolution au cours du temps,en fonction du régime du moteur, du débit de gaz Qech et de la puissance entrante We. La courbe 32 indique l'évolution correspondante de la puissance de consigne Wo que les gaz devraient apporter pour obtenir la puissance sortante Ws 15 qui correspond à la température de consigne, compte tenu des pertes Wp selon l'équation : Wc = Ws +Wp (3) 20 Compte tenu du régime du moteur, il existe donc, à chaque instant, une différence qui doit être compensée : A =WcùWe (4) 25 entre la puissance entrante apportée par les gaz et la puissance de consigne, cette différence pouvant varier à chaque instant. L'idée de l'invention consiste donc à piloter l'énergie potentielle WeXo que peut produire la réaction exothermique d'oxydation des réducteurs à l'intérieur du catalyseur 21, de façon à apporter aux gaz entrant dans le catalyseur le complément 30 d'énergie nécessaire pour obtenir la température de consigne qu'il faut atteindre dans le catalyseur. Pour cela, la composition des gaz d'échappement, avant leur entrée dans le catalyseur, est ajustée afin de modifier la puissance potentielle de réaction exothermique de la valeur nécessaire pour que la puissance entrante soit égale à la puissance de consigne permettant d'obtenir la température souhaitée. DB5052 FR DEM 0 2907508 8 Pour réaliser cet ajustement de la composition des gaz réducteurs, l'unité de contrôle peut avantageusement agir sur le débit de post-injection de carburant. A cet effet, comme le montre schématiquement la figure 4, l'unité de contrôle peut comporter un bloc de calcul 4 de la puissance entrante We qui reçoit, sur ses 5 entrées 41, 42, des signaux correspondant respectivement à la température Te et au débit Qech des gaz mesurés, par exemple, par des capteurs 31 et, sur son entrée 43, un signal correspondant à la puissance potentielle de réaction exothermique qui peut être estimée ou calculée en tenant compte de la composition des gaz. Un bloc de calcul 5 détermine la puissance de consigne Wc nécessaire pour 10 obtenir la température de consigne souhaitée, à partir des informations affichées sur ses entrées 51, 52, 53, relatives à la température de consigne Ts, au débit des gaz Qech et à la perte d'énergie Wp dans le catalyseur, qui peut être estimée ou déterminée par modélisation. Les signaux correspondant à la puissance entrante We et à la puissance de 15 consigne Wc, qui sont émis aux sorties 44, 54 des blocs de calcul 4, 5 sont affichés sur un comparateur 45 qui émet un signal correspondant à la différence AW, à l'entrée 61 d'un bloc de calcul 6 qui détermine la correction à apporter à la puissance potentielle de réaction exothermique correspondant au régime du moteur à l'instant considéré, afin de compenser la différence de puissance calculée A, de 20 façon à déterminer la puissance potentielle exothermique W'exo permettant d'obtenir, dans le catalyseur 21, la puissance thermique de consigne Wc selon l'équation : Wc=Te*Qech *Cp+W'exo (5) 25 Le bloc de calcul 6 émet donc, à sa sortie 62, un signal correspondant à cette puissance exothermique de consigne. Ce signal est affiché sur le système 7 de commande de l'injecteur 11 qui adapte en permanence le débit de post-injection afin d'apporter la puissance manquante A, ainsi déterminée par anticipation, en se basant sur une estimation des puissances thermiques instantanées. 30 Il est ainsi possible de maintenir, à chaque instant, la température dans le catalyseur 21 à une valeur optimale en évitant les pics de température. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre de simple exemple mais couvre, au contraire, toutes les variantes restant dans le même cadre de protection. DB5052 FR DEM 0 2907508 9 Par exemple, au lieu d'adapter le débit de réducteurs en post-injection tardive dans le cylindre, de façon à augmenter le potentiel exothermique résultant du réglage initial du point de fonctionnement du moteur, il serait possible de placer un injecteur dans le circuit d'échappement 20, en amont de l'organe de post- 5 traitement 21, de telle sorte que le dégagement de chaleur sur le catalyseur, par oxydation du débit supplémentaire de réducteurs, complète le flux énergétique apporté par les gaz d'échappement à la sortie du moteur 11. D'autre part, il est possible également d'ajouter à la commande qui vient d'être décrite un deuxième terme de commande tenant compte de la ou des 10 température(s) interne(s) du monolithe, ces températures pouvant être mesurées au moyen de capteurs ou bien déterminées à l'aide d'un modèle thermique. Un tel système, représenté schématiquement sur la figure 5, comporte donc également des blocs de calcul 4 et 5 pour déterminer respectivement la puissance entrante We et la puissance de consigne Wc et en déduire la puissance 15 manquante A,,. Cependant, dans ce système, on ajoute à la commande précédente un deuxième terme de commande élaboré par un bloc de calcul 8 qui reçoit sur ses entrées 81 les mêmes informations Ts, Te, Wexo, Qech, Wp pour en déduire le delta de l'énergie interne du catalyseur AE;nt en fonction de la température, selon l'équation : 20 AEint = m * Qech * C(T) * AT (6) dans laquelle m est la masse ou fraction de masse du monolithe utile à la commande, C(T) la capacité calorifique du substrat qui dépend de la température et 25 AT la différence entre la température de consigne et la température du catalyseur à l'instant considéré, qui est donnée par le modèle thermique. Le signal correspondant à ce delta de l'énergie interne est affiché à l'entrée 63 du bloc de calcul 6 qui, comme précédemment, reçoit sur son entrée 61 le signal A correspondant à la différence entre la puissance We et la puissance de 30 consigne Wc. Le bloc de calcul 6 peut ainsi calculer le delta de puissance thermique instantanée par rapport à la différence entre la puissance de consigne et la puissance entrante, compte tenu du delta de l'énergie interne résultant du modèle de température du monolithe, selon l'équation : DB5052 FR DEM 0 F' v 2907508 10 4W=Wc-We+ AEint, dt Ainsi, le dispositif 7 de commande de l'injecteur 11 peut adapter le débit de post-injection afin que la puissance modifiée de réaction exothermique W'exo ainsi 5 obtenu permette, en compensant la puissance manquante A d'obtenir la puissance de consigne nécessaire pour atteindre, dans le catalyseur, la température de consigne souhaitée. De plus, les performances dynamiques, en particulier le temps de montée en 10 température pourrait être améliorées en ajoutant un mode de contrôle thermique utilisant la connaissance de l'énergie interne du monolithe au moyen d'un modèle thermique de celui-ci. De même, une consigne dynamique de température permettrait d'améliorer encore les performances du procédé selon l'invention. 15 Dans le cas qui vient d'être décrit d'un catalyseur d'oxydation du type NOX Trap, le contrôle de la température à la sortie du catalyseur permet également de réaliser de façon optimale la régénération, par combustion des suies, du filtre à particules 22. Cependant, dans la mesure où elle permet de contrôler en permanence la 20 température dans l'organe de post-traitement en tenant compte, à chaque instant, des caractéristiques des gaz d'échappement résultant du régime du moteur, l'invention pourrait aussi être adaptée à d'autres systèmes de régénération, tels que la désulfatation d'un catalyseur NOx Trap ou d'un système 4 voies placé en aval du catalyseur d'oxydation et permettrait aussi d'optimiser l'efficacité d'adsorption des 25 oxydes d'azote dans le catalyseur ou un système 4 voies, ainsi que l'efficacité de leur traitement sur un système du type SCR. (7) REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la température interne d'un organe de post-traitement dans un circuit d'échappement (2) d'un moteur à combustion interne (10) produisant des gaz d'échappement dont le débit et la température varient en fonction du régime du moteur (10) à chaque instant, au moins certains polluants contenus dans les gaz d'échappement étant stockés, dans les phases de fonctionnement normal du moteur, dans au moins un organe de post-traitement (21) qui est alternativement soumis à des phases de régénération pour éliminer les polluants stockés, par élévation et maintien de la température dans l'organe de post-traitement (21) au voisinage d'une température de consigne Ts, caractérisé par le fait que, à partir d'une mesure ou d'une estimation du débit Qech et de la température Te des gaz d'échappement avant l'entrée dans l'organe de post-traitement (21) et compte tenu de leur composition, on détermine, d'une part, la valeur de la puissance de consigne Wc nécessaire à l'obtention de la température de consigne dans l'organe de post-traitement (21), compte tenu des pertes Wp et, d'autre part, la puissance calorifique entrante We apportée par les gaz dans l'organe de post-traitement (21), qui correspond à la somme de leur puissance de chauffage direct due à leur température, et de leur puissance potentielle de réaction exothermique Wexo dans l'organe de post-traitement (21) et que l'on ajuste la composition desdits gaz d'échappement avant l'entrée dans l'organe de post-traitement (21), de façon à compenser la différence ainsi déterminée à l'avance, entre la puissance entrante We et la puissance de consigne Wc , par une modification correspondante de la puissance potentielle de réaction exothermique W exo 2 Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance de consigne Wc est déterminée à partir de la température Ts des gaz mesurée à la sortie de l'organe de post-traitement (21), de leur débit Qech et de leur capacité calorifique Cp. 3. Procédé de contrôle selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour compenser la différence entre la puissance entrante We et la puissance de consigne Wc, on ajuste les proportions relatives de réducteurs et d'oxydants dans les gaz d'échappement afin de modifier de la valeur voulue la puissance potentielle DB5052 FR DEM 0 2907508 12 Wexo de réaction exothermique d'oxydation des réducteurs dans l'organe de post-traitement (21). 4. Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion de réducteurs dans les gaz d'échappement est ajustée par une 5 post-injection d'un débit contrôlé de carburant, soit dans au moins une chambre de combustion (10) du moteur, soit directement dans le circuit d'échappement (2), en amont de l'organe de post-traitement (21). 5. Procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une unité de contrôle (4, 5) détermine les valeurs estimées de 10 la puissance de consigne nécessaire Wc et de la puissance thermique entrante We apportée par les gaz et qu'un signal correspondant à la différence ainsi calculée est affiché sur une unité de commande (6, 7) d'un débit de post-injection de carburant permettant d'ajuster la puissance potentielle exothermique W. des gaz. 6. Procédé de contrôle selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pour 15 déterminer le débit de post-injection de carburant permettant de compenser la différence entre la puissance de consigne Wc et la puissance thermique entrante We, l'unité de commande (6, 7) prend en compte la variation d'énergie interne AEint de l'organe de posttraitement (21) due au passage à la température de consigne Ts. 7. Procédé de contrôle selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour 20 déterminer la puissance de réaction exothermique à apporter par une post-injection de carburant, l'unité de commande (6, 7) ajoute à la différence estimée entre la puissance de consigne Wc et la puissance thermique entrante We, la valeur instantanée de la variation d'énergie interne AEint de l'organe de post-traitement (21) en tenant compte de sa masse m, de sa capacité calorifique Cp et de la différence 25 de température à compenser AT. DB5052 FR DEM 0