Brevet FR2915514A1 — publié le 20081031

DEMANDE DE BREVET B07-0138FR û JT / PG Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système et procédé d'estimation de la masse de particules accumulées dans un filtre à particules d'un moteur à combustion interne. Invention de : 2 Système et procédé d'estimation de la masse de particules accumulées dans un filtre à particules d'un moteur à combustion interne. La présente invention concerne, d'une manière générale, l'estimation de la masse de particules accumulées dans un filtre à particules, ledit filtre étant monté sur la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et notamment d'un moteur Diesel. Les moteurs à combustion interne, et plus particulièrement les moteurs de type Diesel, rejettent dans l'atmosphère des particules polluantes dont il convient de diminuer la quantité. Ces particules, qui sont constituées de suies produites lors d'une combustion imparfaite dans le moteur, peuvent être piégées dans les gaz d'échappement par l'implantation d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement en aval des chambres de combustion du moteur. Un tel filtre est conçu de façon à pouvoir retenir les particules se trouvant dans les gaz d'échappement qui traversent le filtre. Au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre- pression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. Afin de rétablir les performances du moteur, on sait pratiquer une régénération du filtre par combustion des particules qui s'y sont accumulées. Cette opération de combustion est rendue possible par une élévation de la température interne du filtre à particules. Pour ce faire, on procède généralement à une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant juste après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz à l'échappement. Il est également possible de prévoir une ou plusieurs injections tardives, c'est-à-dire nettement après le point mort 3 haut. Le carburant ainsi injecté ne brûle pas dans les chambres de combustion du moteur, mais, par exemple, dans un dispositif catalytique également prévu dans la ligne d'échappement, augmentant ainsi la température des gaz traversant ensuite le filtre à particules. Le filtre à particules est en effet généralement associé à un dispositif catalyseur monté en amont du filtre, de façon à diminuer les émissions polluantes. Le dispositif catalytique peut être intégré dans le filtre à particules lui-même, qui peut alors comprendre un matériau catalytique, tel que du platine. Les hydrocarbures imbrûlés et l'oxyde de carbone provenant des injections retardées et des injections tardives dans les chambres de combustion, peuvent s'oxyder sur le matériau catalytique en augmentant la température au sein du filtre à particules. La régénération du filtre à particules peut être faite périodiquement au cours de phases de régénération, dès que la quantité de particules dans le filtre devient trop importante. Les phases de régénération s'effectuent lorsque le moteur fonctionne, sans que le conducteur du véhicule en ait conscience. Un filtre à particules fonctionne donc de manière périodique, en deux phases. Lors d'une première phase, il stocke des particules émises par le moteur, et lors d'une seconde phase, les particules stockées sont brûlées afin de régénérer le filtre. I1 existe différents systèmes d'estimation de la quantité de particules présentes dans un filtre à particules de manière à déterminer lorsqu'une régénération doit être commandée. De tels systèmes d'estimation peuvent par exemple déterminer la quantité de particules contenues dans le filtre en fonction de la pression différentielle aux bornes entrée/sortie dudit filtre et du débit d'air interne, ceci via une formule ou une cartographie expérimentale du type : 4 Ms = f (Q, Pdiff) dans lequel : - Ms : masse de suie combustible dans le filtre à particules, - f : fonction bijective de O - Q : débit d'air volumique dans le filtre à particules, et - Pdiff : différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre à particules. A cet égard, on pourra par exemple se référer au brevet américain US 6 405 528 qui décrit une méthode basée sur des équations établissant une relation linéaire ou quadratique entre le débit à travers le filtre à particules et la pression mesurée au sein de celui- ci. Cette méthode permet de connaître plus ou moins précisément la masse de particules combustibles piégées dans le filtre à l'aide de la pression différentielle entre son entrée et sa sortie. Toutefois, cette méthode est relativement peu fiable dans la mesure où les particules émises par les moteurs Diesels sont composées en partie de particules non combustibles. Ces fractions, appelées résidus, proviennent en majeure partie de l'huile de lubrification du moteur brûlée lors de son fonctionnement. Ces résidus colmatent les pores du filtre à particules et participent donc à la différence de pression entrée/sortie du filtre. Dans ces conditions, la fonction f (Q, Pdiff) , qui dépend du débit d'air volumique dans le filtre et de la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre, ne donne plus la bonne valeur de masse de suies combustibles accumulées dans le filtre. Autrement dit, une partie de la masse de suies accumulées et déterminée est en fait non combustible. L'erreur faite alors sur la quantité de particules combustibles stockées dans le filtre conduit soit à une mauvaise température de la consigne de régénération pouvant entraîner la détérioration du filtre, soit à prendre une marge sur la température de consigne, ce qui rallonge sensiblement le temps de la phase de régénération. En outre, il est très délicat d'estimer la marge à prendre. 5 On connaît encore, par la demande de brevet FR-Al-2 862 086, un système d'aide à la maintenance d'un filtre à particules monté sur une ligne d'échappement d'un moteur Diesel dans lequel la masse de particules stockées dans le filtre est notamment estimée à partir de la consommation d'huile du moteur. Ce système a pour inconvénient majeur d'être adapté uniquement si l'utilisateur du véhicule automobile utilise le type d'huile préconisé par le constructeur. Dans le cas contraire, le système décrit dans ce document se révèle inefficace. En outre, la consommation d'huile peut varier fortement en fonction du cycle de vie du moteur. Dès lors, le vieillissement du moteur fausse encore l'estimation de la masse de particules accumulées dans le filtre. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. La présente invention a notamment pour but de prévoir un système d'estimation de la masse de particules retenues dans un filtre qui soit particulièrement simple, efficace, et qui limite le risque de casse dudit filtre lors de sa régénération par combustion. La présente invention a en particulier pour but un système d'estimation qui tienne compte des éventuelles réactions chimiques pouvant se produire à l'intérieur du filtre à particules et susceptibles de faire fortement chuter la pression à ces bornes, sans qu'une masse de particules ne soit réellement éliminée. La présente invention a pour objet un système d'estimation de la masse de particules retenues dans un filtre à particules devant être régénéré périodiquement et monté sur la ligne d'échappement d'un 6 moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel qui comprend : -un moyen pour déterminer la pression différentielle aux bornes du filtre à particules au début d'une phase de régénération, - un moyen pour déterminer la température en aval du filtre à particules pendant la phase de régénération, - un moyen pour déterminer la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération en fonction de la pression différentielle obtenue, - un moyen pour déterminer la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération en fonction d'une température de consigne prédéterminée et de la température en aval du filtre à particules, et - un moyen de comparaison apte à déterminer la masse de particules restante au sein du filtre à particules après la phase de régénération en fonction de la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération et de la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération. Avec un tel système, il devient possible d'estimer la masse de particules restante dans le filtre à particules après une phase de régénération de manière particulièrement précise en tenant compte des différentes réactions pouvant se produire à l'intérieur de celui-ci. Par exemple, il est possible de tenir compte d'une réaction chimique dite de régénération passive qui fait généralement fortement chuter la pression aux bornes du filtre à particules sans qu'une masse de particules ne soit réellement éliminée. On évite ainsi le risque de 7 casse du filtre à particules par emballement de la réaction de combustion de régénération du filtre, dû à une sous-estimation de la quantité de particules présente dans ledit filtre. En d'autres termes, par détection de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules au début d'une phase de régénération et en déterminant la température en aval du filtre à particules pendant ladite phase de régénération, on tient compte directement des réactions de combustion et/ou d'oxydation dans le filtre sans être induit en erreur par une éventuelle chute de pression, afin de déterminer la masse de particules éliminées pendant la phase de génération qui est ensuite comparée à la masse de particules présentes avant le début de cette phase. On obtient ainsi une estimation précise des éventuels résidus retenus dans le filtre. Avantageusement, le moyen pour déterminer la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération est adapté pour intégrer la température de consigne prédéterminée et la température en aval du filtre à particules, et pour comparer les valeurs obtenues. De préférence, la température de consigne prédéterminée est une estimation de la température en aval du filtre à particules en dehors d'une phase de régénération. Dans un mode de réalisation, le moyen pour déterminer la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération comprend une cartographie mémorisée de la masse de particules présentes dans le filtre à particules en fonction de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules. Avantageusement, le système comprend encore un moyen pour déterminer le débit volumique des gaz en amont du filtre à particules, la cartographie mémorisée de la masse de particules présentes dans le 8 filtre à particules étant fonction en outre dudit début volumique des gaz, Dans un mode de réalisation, le filtre à particules est associé à un dispositif catalyseur d'oxydation monté sur la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules. Le système de l'invention peut être avantageusement utilisé dans un moteur Diesel équipé d'un turbocompresseur et d'un moyen de réinjection d'une partie des gaz d'échappement à l'admission. Le système de l'invention peut être utilisé dans un moteur Diesel comportant une rampe commune d'admission à haute pression ou un dispositif d'injection direct. L'invention a également pour objet un procédé d'estimation de la masse de particules retenues dans un filtre à particules devant être régénéré périodiquement et monté sur la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, dans lequel : - on détermine la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération en fonction d'une pression différentielle aux bornes du filtre à particules au début d'une phase de régénération, - on détermine la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération en fonction d'une température de consigne prédéterminée et d'une température en aval du filtre à particules pendant la phase de régénération, et - on détermine la masse de particules restante au sein du filtre à particules après la phase de régénération en comparant la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération, et la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération. 9 La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement les principaux éléments d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne équipé d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement, et - la figure 2 illustre schématiquement les principaux éléments d'un système d'estimation de la masse de particules accumulées au sein du filtre selon la présente invention. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, le moteur à combustion interne 1, représenté schématiquement, comprend une pluralité de chambres de combustion, telles que la chambre de combustion 2 illustrée sur la figure dans la partie haute d'un cylindre 3 à l'intérieur duquel se déplace un piston 4. Une soupape d'admission 5 permet de commander l'admission en ouvrant ou obturant le conduit d'admission 6, en communication avec la chambre de combustion 2. Une soupape d'échappement 7 permet, quant à elle, d'obturer ou d'ouvrir le passage des gaz d'échappement en provenance de la chambre de combustion 2 vers le conduit d'échappement 8. L'air frais à la pression atmosphérique, dont le flux est symbolisé par la flèche 9, pénètre dans une conduite 10 à l'intérieur de laquelle se trouve monté un débitmètre 11. La pression de l'air est augmentée par un compresseur 12 monté dans la conduite 10. Le compresseur est monté sur un arbre 13 commun à une turbine 14, ici à géométrie variable, montée dans le conduit d'échappement 8. Les gaz d'échappement traversant la turbine 14 entraînent ainsi le compresseur 10 12, de façon à augmenter la pression de l'air admis dans la chambre de combustion 2 par le conduit d'admission 6. Dans l'exemple illustré, le moteur 1 comprend en outre un système de réinjection partielle des gaz d'échappement à l'admission (EGR). A cet effet, une conduite de dérivation 15 est piquée sur la conduite d'échappement 8 en amont de la turbine 14. Une vanne de régulation 16, dite vanne EGR , commande la quantité de gaz d'échappement qui sont ainsi réinjectés par la conduite 17 dans le conduit d'admission 6 après avoir été convenablement mélangés dans la chambre de mélange 18. Un volet d'orientation réglable 19 est en outre monté dans la conduite d'air comprimé 10 en aval du compresseur 12 et en amont de la chambre de mélange 18. La ligne d'échappement 20 relie la sortie de la turbine 14 à l'atmosphère, la sortie des gaz d'échappement étant symbolisée par la flèche 21. Dans la ligne d'échappement 20, se trouvent montés un dispositif catalyseur 22 directement en aval de la turbine 14, et un filtre à particules 23 en aval du dispositif catalytique 22. Le filtre à particules 23 est de type classique et comporte des moyens, par exemple électrostatiques, pour piéger les suies et les particules provenant du moteur 1 et véhiculées par les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 20. Une unité électronique de commande 24 assure le fonctionnement du moteur 1 et reçoit à cet effet un certain nombre d'informations. Différents capteurs sont placés à cet égard dans les conduites et leurs signaux sont amenés sur l'unité électronique de commande 24. Sur la figure 1, on a représenté notamment un capteur de pression 25 sur la conduite d'amenée d'air 10, monté en amont du volet 19. On a représenté également un capteur de pression 26 capable 11 de mesurer la pression en amont de la turbine 14 et un capteur de température 27 mesurant la température en amont de la turbine 14. Le signal de mesure du débitmètre 11 est amené par la connexion 28 à l'une des entrées de l'unité électronique de commande 24. De la même façon, le signal émis par le capteur de pression 25 est amené par la connexion 29 sur l'unité électronique de commande 24. Les signaux émis par les capteurs 26 et 27 sont également amenés par les connexions 30 et 31 sur des entrées de l'unité électronique de commande 24. L'unité électronique de commande 24 peut commander notamment la position de la vanne EGR 16 par la connexion 32, la position du volet mobile 19 par la connexion 33. L'unité électronique de commande 24 pilote également les injecteurs de carburant 34 par la connexion 35. Pour permettre une estimation de la masse de particules présentes dans le filtre à particules 23, le système, tel qu'il est illustré sur la figure 1, comprend notamment un capteur de température 36 monté dans la ligne d'échappement 20, en aval du filtre à particules 23. Le signal de température mesurée par le capteur 36 est amené par la connexion 37 sur l'une des entrées de l'unité électronique de commande 24. Le système comprend également un capteur de pression 38 différentielle capable de mesurer la pression différentielle aux bornes du filtre à particules 23 et monté au niveau d'une conduite de dérivation 39 piquée sur la ligne d'échappement 20 en amont et en aval du filtre à particules. En variante, on conçoit aisément que pour mesurer cette différence de pression, il est également envisageable de prévoir de monter deux capteurs de pression sur la ligne d'échappement 20, l'un en amont du filtre à particules 23 et l'autre en 12 aval dudit filtre. Le signal de pression différentielle mesurée par le capteur de pression 38 est amené par la connexion 40 sur l'une des entrées de l'unité électronique de commande 24. Le système comprend encore un débitmètre 41 monté en amont du filtre à particules 23 et en aval du dispositif catalyseur 22 pour calculer le débit volumique des gaz en amont du filtre à particules. Dans un autre mode de réalisation, le débitmètre 41 pourrait être remplacé par un dispositif d'estimation qui comprendrait un modèle mathématique du fonctionnement du filtre à particules 23 et qui serait capable de déterminer le débit volumique en amont du filtre à particules 23 en fonction des données sur les éléments entrant dans l'unité électronique de commande 24. Ces données peuvent, par exemple, comprendre le débit d'alimentation en air frais du moteur, le débit recyclé par la vanne EGR, et des données de fonctionnement du moteur. Le débitmètre 41 est relié à l'unité de commande électronique 24 par une connexion 42. La figure 2 illustre schématiquement l'estimation de la masse de particules accumulées dans le filtre à particules 23, conformément à l'invention. La figure 2 représente les principaux éléments contenus dans l'unité électronique de commande 24 pour réaliser cette estimation. Sur le bloc 50 est amenée une température de consigne qui provient par exemple d'un moyen qui mémorise un modèle physique de combustion de suies permettant d'estimer la température en aval du filtre à particules en dehors d'une phase de régénération. En variante, la température de consigne peut provenir d'une valeur prédéterminée mémorisée dans l'unité électronique de commande 24. Le signal correspondant est amené sur une entrée positive d'un sommateur 52. 13 La température mesurée dans la ligne d'échappement 20 pendant une phase de régénération, en aval du filtre à particules 23 par l'intermédiaire du capteur de température 36, est amenée sur le bloc 51 dont la sortie est connectée à l'entrée négative du sommateur 52. Le sommateur 52 est capable de générer un écart c entre la température de consigne 50 et la température mesurée 51. Cet écart c est amené à l'entrée d'un intégrateur 53, par exemple un régulateur du type proportionnel intégral, qui délivre sur sa sortie 54 un signal qui correspond à l'exotherme dégagé par la réaction de combustion de suies pendant la phase de régénération. L'unité électronique de commande 24 comprend stockés en mémoire les moyens matériels pour déterminer, à partir de la valeur de cet exotherme, la masse de particules brûlées pendant la phase de régénération. Une cartographie mémorisée peut par exemple être prévue à cet effet. Sur le bloc 55 est amenée la mesure de pression différentielle mesurée par le capteur de pression 38 au début d'une phase de régénération. Sur le bloc 56 est amené le débit volumique mesuré par le débitmètre 41. Chaque sortie des blocs 55 et 56 est connectée à une cartographie mémorisée 57 de la masse de particules présente dans le filtre à particules 23 en fonction de la pression différentielle mesurée aux bornes du filtre à particules et du débit volumique des gaz en amont dudit filtre. A la sortie 58 de la cartographie mémorisée 57, il est obtenu la masse de particules présente dans le filtre à particules au début de la phase de régénération. L'unité électronique de commande 24 comprend encore un sommateur 59 sur lequel la sortie 54 est connectée à l'entrée négative et la sortie 58 est connectée à l'entrée positive. Le sommateur 59 permet donc d'obtenir une différence entre la masse de particules présente dans le filtre à particules 23 au début de la phase de 14 régénération et la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération. I1 est ainsi déterminé la masse de résidus accumulés ou stockés dans le filtre à particules 23 en vue d'une régénération ultérieure. Grâce à la présente invention, il devient possible, par recoupement d'une information de pression différentielle au début d'une phase de régénération avec une information sur la température aval du filtre pendant la phase de régénération, de limiter les risques de détérioration dudit filtre dus à une température excessive pendant ladite phase, en raison par exemple d'un emballement des réactions d'oxydation à l'intérieur de celui-ci. REVENDICATIONS 1-Système d'estimation de la masse de particules retenues dans un filtre à particules (23) devant être régénéré périodiquement et monté sur la ligne d'échappement (20) d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, caractérisé en ce qu'il comprend : - un moyen (38) pour déterminer la pression différentielle aux bornes du filtre à particules au début d'une phase de régénération, - un moyen (36) pour déterminer la température en aval du filtre à particules pendant la phase de régénération, - un moyen pour déterminer la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération en fonction de la pression différentielle obtenue, - un moyen pour déterminer la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération en fonction d'une température de consigne prédéterminée et de la température en aval du filtre à particules, et - un moyen de comparaison apte à déterminer la masse de particules restante au sein du filtre à particules après la phase de régénération en fonction de la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération et de la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération. 2-Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen pour déterminer la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération est adapté pour intégrer la température de consigne prédéterminée et la température en aval du filtre à particules, et pour comparer les valeurs obtenues. 16 3-Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température de consigne prédéterminée est une estimation de la température en aval du filtre à particules en dehors d'une phase de régénération. 4-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen pour déterminer la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération comprend une cartographie mémorisée de la masse de particules présentes dans le filtre à particules en fonction de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules. 5-Système selon la revendication 4, comprenant encore un moyen (41) pour déterminer le débit volumique des gaz en amont du filtre à particules, la cartographie mémorisée de la masse de particules présentes dans le filtre à particules étant fonction en outre dudit débit volumique des gaz. 6-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre à particules est associé à un dispositif catalyseur d'oxydation (22) monté sur la ligne d'échappement (20), en amont du filtre à particules (23). 7-Utilisation d'un système d'estimation selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un moteur Diesel équipé d'un turbocompresseur (12, 14) et d'un moyen de réinjection (15, 16) d'une partie des gaz d'échappement à l'admission. 8-Utilisation selon la revendication 7, dans un moteur Diesel comportant une rampe commune d'admission à haute pression. 9-Utilisation selon la revendication 7, dans un moteur Diesel comportant un dispositif d'injection directe. 10-Procédé d'estimation de la masse de particules retenues dans un filtre à particules devant être régénéré périodiquement et 17 monté sur la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel, caractérisé en ce qu'on: - on détermine la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération en fonction d'une pression différentielle aux bornes du filtre à particules au début d'une phase de régénération, - on détermine la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération en fonction d'une température de consigne prédéterminée et d'une température en aval du filtre à particules pendant la phase de régénération, et - on détermine la masse de particules restante au sein du filtre à particules après la phase de régénération en comparant la masse de particules présentes dans le filtre à particules au début de la phase de régénération, et la masse de particules éliminées pendant la phase de régénération.