Brevet FR2919665A1 — publié le 20090206

Procédé de commande de la régénération d'un filtre à particules d'un véhicule [0001] La présente invention concerne un procédé de commande de la 5 régénération d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement des gaz émis par un véhicule équipé d'un moteur thermique. 2] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques comportent habituellement des éléments polluants et notamment des particules qui sont rejetées dans l'atmosphère. Afin de supprimer ces rejets, des filtres sont 10 placés sur le trajet des gaz d'échappement, dans la ligne d'échappement des gaz, pour bloquer les particules. Ces filtres sont généralement des cylindres en céramiques composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns). Les particules sont piégées dans ces canaux sous forme de suies ce qui a pour effet d'encrasser progressivement 15 le filtre. Il est donc nécessaire de régénérer le filtre périodiquement. Pour ce faire, le filtre est chauffé afin de brûler les particules piégées. Une technique intéressante consiste à chauffer le filtre à l'aide des gaz d'échappement, en élevant la température de ces gaz. A cette fin, on peut injecter du carburant supplémentaire dans les cylindres afin de provoquer une post-combustion 20 dans la phase de détente du cycle moteur et/ou augmenter la charge sur le moteur. 3] Pour que la régénération soit efficace, il est nécessaire que l'élévation de température du filtre soit maintenue pendant un temps minimum (environ une dizaine de minutes), ce qui soulève des difficultés lorsque les conditions 25 de roulage du véhicule sont telles que le moteur thermique est souvent au ralenti, ce qui est souvent le cas de la circulation urbaine. En effet, lors des nombreuses phases de ralenti, la charge moyenne du moteur est faible (en d'autres termes, le couple fourni par le moteur est faible) et il est difficile d'atteindre et de maintenir le niveau de température requis (de l'ordre de 600 à 700 C comparé à la température habituelle des gaz d'échappement de l'ordre de 100 à 300 C). 4] La présente invention propose un procédé de commande de la régénération d'un filtre à particules qui permet d'obtenir une régénération efficace même pendant les phases où le moteur tourne souvent au ralenti. L'invention s'applique tout particulièrement aux véhicules équipés de moyens de stockage d'énergie, des supercapacités par exemple, et d'une machine électrique capable de fournir du courant électrique pour un type de fonctionnement et de fournir de l'énergie mécanique pour un autre type de fonctionnement, un alternateur réversible par exemple. 5] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé d'aide à la régénération d'un filtre, notamment d'un filtre à particules régénéré par brûlage des suies accumulées suite à l'augmentation de la température des gaz d'échappement, le filtre étant placé dans la ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique, ce moteur étant associé à une machine électrique capable de fournir de l'énergie mécanique au moteur, notamment lors des phases de démarrage, ou de fournir de l'électricité à un stockeur d'énergie. 6] Selon l'invention, lors de la régénération du filtre, on répète une succession de cycles comportant chacun une première phase pendant laquelle la charge du moteur est augmentée par une demande de fourniture d'énergie électrique et une seconde phase de décharge du stockeur par une demande de fourniture d'énergie mécanique au moteur. 7] L'invention s'applique tout particulièrement aux véhicules munis d'un alterno-démarreur, autrement dit d'un alternateur réversible. Avantageusement, les moyens de stockage d'énergie comportent au moins une supercapacité, c'est-à-dire un moyen capable d'être déchargé de façon quasi-complète, par exemple à plus de 90% sans risque d'être définitivement endommagé. Des accumulateurs électrochimiques, surtout dans l'hypothèse où ils possèdent des capacités de stockage élevées (par exemple le véhicule comporte deux ou plus batteries) peuvent également convenir, seuls ou de préférence en compléments des supercapacités. [0008] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : 9] la figure 1 illustre schématiquement la première phase d'un cycle de 10 régénération pendant les phases de ralenti du moteur ; 0] la figure 2 illustre schématiquement la deuxième phase d'un cycle de régénération, afin de préparer le cycle suivant ; 1] la figure 3 est un graphe de comparaison de la charge du moteur pour un moteur classique et pour un moteur de véhicule équipé d'un stockeur 15 d'énergie et d'une machine électrique, et 2] la figure 4 est une courbe montrant l'évolution (en %), en fonction du temps t, de l'énergie stockée dans le stockeur d'énergie électrique, pendant un cycle. 3] Sur la figure 1, un moteur thermique 10, qui peut être du type essence 20 ou Diesel, comporte un filtre à particules 12 placé dans la ligne des gaz d'échappement 14. Une machine électrique 16, couplé à l'arbre de sortie du moteur 10, peut fournir du courant électrique lorsque son rotor est actionné par le moteur 10 ou fournir de l'énergie mécanique au moteur lorsqu'elle est alimenté en courant électrique. La machine électrique 16 peut être par 25 exemple constitué par un alternateur réversible. Cette machine 16 est connectée à un onduleur 18 qui transforme le courant fourni par la machine électrique 16 (par exemple le courant triphasé d'un alternateur réversible) en courant continu. Les traits en pointillés illustrent les connexions électriques. L'onduleur 18 est connecté à un stockeur d'énergie électrique 20, qui peut être par exemple constitué par un ensemble de supercapacités ou de batteries. Le véhicule comporte de façon classique une batterie (batterie au plomb par exemple) habituellement de 12 Volts. La batterie 22 et le stockeur d'énergie 20 étant à des tensions électriques différentes (par exemple plusieurs dizaine ou centaine de Volts pour le stockeur 20) un convertisseur DC/DC 24 connecte le stockeur d'énergie 20 à la batterie 22. La batterie 22 alimente généralement les consommateurs électriques du réseau de bord 26, tels que les phares et les essuie-glaces. 4] Le moteur 10 est relié de façon classique à une boite de vitesses 28 par l'intermédiaire d'un embrayage 30 pour actionner les roues motrices 32. Les traits pleins illustrent les connexions mécaniques, par exemple entre le moteur 10 et l'embrayage 30 ou entre ce dernier et la boite de vitesses 28. 5] La régénération du filtre s'effectue par cycles successifs, chacun d'eux comportant deux phases successives. Selon la première phase, le moteur est chargé lorsqu'il est au ralenti (ou à tout le moins lorsque le point de fonctionnement du moteur correspond à un point de bas régime et faible couple demandé). Pendant les périodes de ralenti moteur, la température des gaz d'échappement n'est pas assez élevée pour régénérer le filtre. La charge du moteur a pour effet d'élever la température des gaz d'échappement et donc aussi celle du filtre. La charge du moteur est réalisée en faisant fournir le plus possible d'énergie électrique par la machine 16, le rotor de la machine étant entraîné en rotation par le moteur 10. Sur la figure 1, les flux d'énergie sont indiqués par les flèches épaisses. Ainsi le moteur fournit de l'énergie mécanique à la machine électrique 16, laquelle fournit de l'énergie électrique au stockeur 20, lequel alimente le réseau de bord 26 et éventuellement (d'où la flèche en trait normal) la batterie 22. Le but de la première phase du cycle est de recharger au maximum le stockeur 20 de façon à mettre un maximum de charge sur le moteur 10, lequel tourne au ralenti. L'augmentation du niveau d'énergie du stockeur 20 est illustrée par la flèche 21. 6] Lorsque la machine électrique 16 est un alternateur réversible, la puissance électrique de ce dernier est habituellement de l'ordre de 4kW. En tenant compte du rendement de l'alternateur et de celui du système de transmission, le couple prélevé sur le moteur est de l'ordre de 6kW. La puissance consommée pour alimenter le réseau de bord lors d'une régénération du filtre est estimée à 2 kW, ce qui est généralement la limite de puissance du convertisseur DC/DC 24. 7] Le bilan énergétique pour cette première phase de cycle est alors le suivant : le moteur fournit (6+2 kW) = 8kW au lieu de la puissance estimée à 2 kW pour maintenir le moteur au ralenti. La charge supplémentaire imposée au moteur est donc de 6 kW. Le stockeur d'énergie électrique 20 emmagasine (4-2) kW, soit 2 kW. Dans ces conditions, avec une capacité de stockage de 48 kWs par exemple, cette première phase du cycle peut durer 24 secondes (48 kWs : 2kW). En règle générale, la durée de ces phases est comprise entre 15s et 30s. 8] La figure 2 illustre la deuxième phase du cycle de régénération, selon laquelle le stockeur d'énergie 20 est déchargé, de façon à préparer la première phase du cycle suivant. Lorsque le conducteur quitte la phase de ralenti du moteur 10 et augmente la charge du moteur, par exemple pour mettre le véhicule en mouvement, on passe à la deuxième phase du cycle : le moteur 10 est délesté en lui apportant du couple mécanique fourni par la machine électrique 16. Cette dernière est alimentée en courant électrique par le stockeur d'énergie 20 et fonctionne donc en moteur électrique. Le couple mécanique fourni par la machine électrique 16 déleste le moteur (en d'autres termes, diminue la charge sur le moteur). Le stockeur d'énergie 16 est ainsi déchargé, ce qui est symbolisé par la flèche 19 qui montre que le niveau d'énergie diminue. Le niveau de décharge à atteindre dépend du type de stockeur utilisé : par exemple, les supercapacités peuvent être complètement déchargées alors que le niveau de décharge des batteries ne doit pas descendre en dessous de 10 à 30% de la charge maximale sous peine d'abréger la durée de vie des batteries. Le stockeur 20 est alors prêt à être rechargé au cours de la première phase du cycle suivant lorsque le moteur tournera à nouveau au ralenti. 9] Les flux d'énergie sont, comme sur la figure 1, représentés par des flèches en traits gras. Le stockeur d'énergie 20 fournit de l'énergie électrique d'une part au réseau de bord 26 et d'autre part à la machine électrique 16. Il peut éventuellement fournir de l'énergie électrique à la batterie 22. La machine électrique 16 fournit du couple mécanique au moteur 10. 0] La machine électrique 16 fournit, lorsqu'il s'agit d'un alternateur réversible, une puissance de 4 kW qui est appliquée à l'arbre de sortie du moteur sous forme d'un couple mécanique. Cette puissance vient en complément de celle fournie par le moteur. Le bilan énergétique est alors le suivant : le moteur fournit 4 kW de moins et le stockeur d'énergie se décharge de 6 kW (4 kW prélevés par la machine électrique et 2 kW pour alimenter la batterie 22). Avec un stockeur d'énergie de 48 kWs, cette deuxième phase peut, en théorie, durer 8 s (48 : 6). En pratique, cette durée est de l'ordre de 12 s du fait que le couple est appliqué progressivement, et non brutalement, par la machine électrique au moteur. On a donc une période de transition qui allonge la durée de la deuxième phase. 1] Sur la figure 3 qui représente, sur un cycle du procédé et en fonction du temps t (en secondes), les charges (en kW) d'un moteur d'un véhicule classique (tracé ABCD) et d'un moteur équipé d'un stockeur d'énergie 20 et d'une machine électrique 16 (tracé EFGHD), les portions de courbes EF et AB correspondent au ralenti du moteur et, pour la portion EF, à la charge du moteur par l'augmentation du niveau de charge du stockeur d'énergie 20 par la machine électrique 16. Cet exemple de la figure 3 correspond à un moteur thermique classique d'environ 1,5 litre de cylindrée. La différence de niveaux de charge de 6 kW (entre AB et EF, charge de 8 kW pour EF et de 2 kW pour AB) provient de la puissance de 6kW absorbée par la machine électrique. 2] Les périodes BC et FG sont des périodes courtes de transition pendant lesquelles le conducteur accélère, le moteur ne tournant plus au ralenti. Commence alors la deuxième phase du cycle (courbe GH, délestage du moteur) pendant laquelle le stockeur d'énergie 20 est déchargé en alimentant la machine électrique 16 qui fournit alors du couple mécanique au moteur. Par rapport à un moteur classique (portion CD), la différence de niveau de puissance est d'environ 4kW qui représente la puissance fournie au moteur par la machine électrique. 3] Sur la figure 4, qui représente le niveau de l'énergie stockée (en % de la capacité totale de stockage du stockeur 20) en fonction du temps t (en secondes), la première phase du cycle (charge du stockeur d'énergie) dure environ 20 secondes, du point I au point J, le niveau d'énergie du stockeur passant d'environ 15% à environ 95%. Après avoir atteint ce niveau, on arrête la charge imposée au moteur, l'élévation de température des gaz d'échappement étant suffisante pour maintenir la régénération du filtre à particules pendant la deuxième phase du cycle. La période JK correspond à la période de transition FG de la figure 3, pendant laquelle le moteur n'est plus au ralenti. Au point K, donc environ 25 secondes après le début du cycle, commence la deuxième phase selon laquelle le moteur est délesté (portion KL qui correspond à GH de la figure 3), le stockeur d'énergie 20 alimentant la machine électrique 16 pour fournir du couple mécanique au moteur. Lorsque le niveau de charge du stockeur atteint un seuil prédéterminé (environ 10% sur la figure 4 ù point L), on arrête de décharger le stockeur. La portion de courbe LM (qui correspond à HD sur la figure 3) correspond à l'annulation progressive du couple fourni au moteur par la machine électrique. Il n'y a en effet plus besoin de consommer de l'énergie puisque le stockeur d'énergie est pratiquement vide. Le couple de la machine électrique n'est pas coupé brutalement pour laisser le temps au moteur thermique de compenser cette variation. Du point de vue de l'utilisateur, cette transition est indétectable. La deuxième phase du cycle dure environ 24 secondes (jusqu'au point M). 4] La durée totale d'un cycle est d'environ 40 secondes. Après la deuxième phase d'un cycle, un nouveau cycle identique à celui décrit recommence dès que le moteur est au ralenti ou que le régime moteur est bas et les cycles se répètent 10 à 30 fois, soit en moyenne sur une durée totale d'environ une dizaine de minutes, durée généralement nécessaire pour la régénération du filtre à particules. 5] L'augmentation du couple fourni par le moteur au ralenti permet de régénérer le filtre à particule même pendant les parcours urbains. Il permet également de diminuer, ou même de supprimer, les injections de carburant supplémentaires effectuées en post-combustion afin d'augmenter la température des gaz d'échappement. On diminue ainsi la dilution de carburant dans l'huile moteur et la consommation de carburant. REVENDICATIONS 1. Procédé d'aide à la régénération d'un filtre placé dans la ligne (14) d'échappement d'un moteur thermique (10) associé à une machine électrique (16), capable de fournir de l'énergie mécanique au moteur ou de fournir de l'énergie électrique à un stockeur d'énergie (20), la régénération du filtre étant effectuée par élévation de la température des gaz d'échappement, caractérisé en ce que lors de la régénération du filtre on répète une succession de cycles comportant chacun une première phase pendant laquelle la charge du moteur est augmentée par une demande de fourniture d'énergie électrique et une seconde phase de décharge du stockeur (20) par une demande de fourniture d'énergie mécanique au moteur (10). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine électrique (16) est un alternateur réversible. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le stockeur d'énergie (20) comprend au moins une batterie d'accumulateurs électrochimiques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le stockeur d'énergie (20) comprend au moins une supercapacité. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite supercapacité est déchargée à plus de 90% pendant la phase de décharge. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que par une transition entre la première et la seconde phase, le couple fourni au moteur par la machine électrique étant annulé progressivement. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la première phase a une durée comprise entre 15s et 30s. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on opère une succession de 10 à 30 cycles. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre lorsque le point de fonctionnement du moteur correspond à un point de bas régime et faible couple. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre lorsque le moteur est au ralenti. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour des régénérations sur des parcours urbain.15