Brevet FR2916230A1 — publié le 20081121

DEMANDE DE BREVET B07-0136FR MSA PJ7249 Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Procédé et dispositif d'estimation de l'état thermique d'un système de post traitement à régénération pour un moteur à combustion interne Invention de : BARRILLON Pascal POILANE Emmanuel Procédé et dispositif d'estimation de l'état thermique d'un système de post traitement à régénération pour un moteur à combustion interne L'invention concerne le domaine de la dépollution diesel, et plus particulièrement, l'estimation des températures dans les systèmes de post traitement des gaz d'échappement lors des phases de régénération passives ou actives. Les moteurs à combustion interne produisent des gaz d'échappement qui comprennent des substances polluantes, telles que des oxydes d'azote, des hydrocarbures imbrûlés, du monoxyde de carbone et des particules de suie. Les taux de rejet admis de ces différents polluants sont strictement réglementés et sujets à révisions périodiques à la baisse. Pour abaisser les émissions de ces différents polluants, on utilise depuis de nombreuses années des systèmes de post traitement catalytique comprenant notamment des pièges catalytiques insérés dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion interne à mélange pauvre. Ces éléments comprennent un matériau catalytique apte à stocker les polluants en fonctionnement normal. Lors de phases ponctuelles de régénération, ledit matériau catalytique permet de décomposer les différents polluants stockés en composés neutres pour la santé. Pour obtenir une bonne efficacité du système de post traitement, une certaine température est nécessaire. Cette température est atteinte par l'augmentation de la chaleur déposée par le flux de gaz d'échappement traversant le système de post traitement, par l'énergie libérée lors de la décomposition des polluants et par l'utilisation de l'inertie thermique du système de post traitement. Le système de post traitement peut également être pollué par les oxydes de soufre. La régénération par désulfatation requiert des températures supérieures aux températures de régénération des pièges catalytiques et sont proches des limites d'endommagement du système de post traitement. Le contrôle de la température du système de post traitement est ainsi crucial pour éviter un endommagement du système de post traitement. Une régulation de la température en sortie n'est pas suffisante pour contrôler les effets combinés de l'inertie thermique du système de post traitement, de la libération d'énergie thermique lors des réactions de régénération. I1 est donc nécessaire de pouvoir estimer les températures du système de post traitement suivant les phénomènes d'échange thermique mis en jeu. La demande de brevet FR 2 853 691 décrit une méthode de modélisation de la température d'un piège catalytique en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, de l'environnement du véhicule et du piège catalytique lui-même. Cependant cette méthode présente plusieurs inconvénients. D'une part, elle est limitée aux systèmes de traitement des oxydes d'azote. D'autre part, les calculs à réaliser et les paramètres à calibrer sont nombreux et complexes, nécessitant une forte puissance de calcul et une grande quantité de mémoire. L'invention permet d'apporter une solution plus générale à l'estimation par un modèle physique des températures d'un système de post traitement. Notamment, la solution proposée n'est pas restreinte aux systèmes de traitement catalytique des oxydes d'azote, et nécessite une puissance de calcul et une quantité de mémoire moindres. La présente invention a pour objet l'estimation des températures dans un système de post traitement pour des gaz d'échappement d'un moteur thermique. L'invention a également pour objet la détermination de l'énergie dégagée lors du traitement catalytique des différents polluants lors de la régénération d'un système de post traitement. Selon un aspect de l'invention, on définit un procédé d'estimation par modèle physique de la température d'un système de post traitement implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant une modélisation du système de post traitement par une chaîne de réacteurs parfaitement agités connectés en série. Pour un réacteur courant de la chaîne, on procède au calcul de la température de sortie du réacteur courant, à partir au moins de la température et du débit massique des gaz en amont du réacteur courant, et de la fraction de l'énergie totale libérée lors de la régénération à dissiper sur ledit réacteur courant. On peut déterminer l'énergie totale libérée lors de la régénération du système de post traitement, à partir de la connaissance des concentrations des espèces polluantes. On peut également déterminer la fraction de l'énergie totale libérée lors de la régénération à dissiper sur le réacteur courant en fonction de l'énergie totale libérée lors de la régénération et d'une cartographie de répartition mémorisée. On peut en outre déterminer la température des gaz en sortie du réacteur courant en fonction du bilan thermique entre les gaz et le substrat, ledit bilan thermique comprenant l'énergie thermique portée par les gaz d'échappement, la fraction de l'énergie totale libérée à dissiper, et l'énergie thermique présente dans le système de post traitement, la température de sortie du réacteur courant étant la température d'entrée pour le réacteur suivant dans la chaîne. Selon un autre aspect de l'invention, on définit un dispositif d'estimation de la température des gaz en sortie d'un système de post traitement implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule, comprenant un moyen de détermination du débit massique des gaz d'échappement, un moyen de détermination de la température en amont du système de post traitement, et un moyen de détermination de la température de sortie modélisant le système de post traitement en une chaîne de réacteurs parfaitement agités reliés en série. Le moyen de détermination de la température de sortie est capable de déterminer la température de sortie du système de post traitement, à partir des informations provenant du moyen de détermination du débit massique des gaz d'échappement et du moyen de détermination de la température en amont du système de post traitement. Le dispositif peut comprendre un moyen d'estimation des émissions polluantes capable de déterminer les concentrations gazeuses des différentes émissions polluantes à partir d'une cartographie des émissions polluantes en fonction du motif d'injection, du couple, du régime et du mode de combustion du moteur à combustion interne. Le moyen de détermination de l'énergie libérée lors de la régénération peut être capable de déterminer l'énergie totale libérée par les réactions de régénération, à partir de la nature et des concentrations gazeuses des différentes émissions polluantes. Le dispositif peut également comprendre un moyen de calcul de la répartition de l'énergie libérée entre les différents réacteurs capable de déterminer la fraction de l'énergie totale libérée dans chaque réacteur en fonction de l'énergie totale libérée lors de la régénération. Le dispositif peut en outre comprendre au moins un moyen de modélisation de la température de sortie d'un réacteur parfaitement agité capable, pour le réacteur courant, de déterminer la température des gaz en sortie du réacteur courant en fonction de l'énergie thermique portée par les gaz d'échappement, la fraction de l'énergie totale libérée à dissiper par le réacteur courant, et l'énergie thermique présente dans le système de post traitement, la température de sortie du réacteur courant étant la température d'entrée pour le réacteur suivant de la chaîne. Le nombre de réacteurs peut être supérieur ou égal à trois et inférieur ou égal à dix. Le nombre de réacteurs peut être inférieur ou égal à six. Un système de post traitement peut comprendre un piège catalytique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre le dispositif de détermination de la température de sortie d'un système de post traitement des gaz d'échappement ; et -la figure 2 illustre la discrétisation spatiale d'un système de post traitement en réacteurs parfaitement agités. Le dispositif de détermination de la température, illustré sur la figure 1, comprend un moyen 1 d'estimation des émissions polluantes, un moyen 2 de détermination de l'énergie libérée lors de la régénération, un moyen 3 de calcul de la répartition de l'énergie libérée entre les différents réacteurs et un moyen 4 de détermination de la température de sortie des différents réacteurs. Le moyen 1 d'estimation des émissions polluantes comprend une cartographie le des émissions polluantes en fonction de paramètres du moteur à combustion interne. La cartographie le des émissions polluantes reçoit sur ses entrées, le motif d'injection par la liaison la, le couple délivré par la liaison lb, le régime moteur par la liaison 1c et le mode de combustion par la liaison 1d. Le mode de combustion représente un mode de fonctionnement particulier du moteur. On peut citer par exemple, un mode de régénération du filtre à particule ou un mode à mélange enrichi. Un mode de combustion peut comprendre une ou plusieurs phases requérant, par exemple, des quantités de carburant différentes, des nombres et des fréquences d'injections de carburant différentes. Ces paramètres forment un motif d'injection. La cartographie le des émissions polluantes peut prendre également en compte la quantité de carburant ou de réducteurs injectés dans la ligne d'échappement en aval du collecteur d'échappement. La cartographie le des émissions polluantes émet en sortie par la liaison 1f la nature et le taux d'émission des différentes espèces polluantes produites lors de la combustion. Le moyen 2 de détermination de l'énergie libérée lors de la régénération comprend un moyen 2a de détermination des espèces limitantes, un moyen 2d de détermination de l'équivalent énergétique, et un moyen 2f de calcul de l'énergie totale libérée lors de la régénération. Le moyen 2a de détermination des espèces limitantes reçoit sur au moins une de ses entrées la nature et le taux d'émission de espèces polluantes par la liaison 1f provenant de la cartographie le des émissions polluantes. Lors de la régénération, les réactions chimiques mettent en jeu des quantités déterminées de réactifs. Un ou plusieurs de ces réactifs peuvent ne pas être présents en quantité suffisante pour que tous les réactifs soient consommés. On qualifie d'espèce limitante les réactifs présents en quantité insuffisante par rapport aux autres espèces, compte tenu de la réaction chimique. Le moyen 2a de détermination des espèces limitantes émet sur au moins une de ses sorties la nature de l'espèce limitante lors de la régénération par la liaison 2c et la quantité de cette espèce limitante qui va réagir par la liaison 2b. Les liaisons 2b et 2c sont reliées au moyen 2d. Le moyen 2d de détermination de l'équivalent énergétique émet sur au moins une de ses sorties, par la liaison 2e à destination du moyen 2f, la quantité équivalente d'espèce limitante correspondant aux quantités des différentes espèces qui vont réagir compte tenu de la quantité et de la nature de l'espèce limitante. Le moyen 2f de calcul de l'énergie totale libérée détermine l'énergie totale libérée lors de la régénération gexototal et émet la valeur correspondante par au moins une de ses sorties à destination du moyen 3a par la liaison 2g. A partir de ces données, le moyen 2 de détermination de l'énergie totale libérée lors de la régénération est donc capable de déterminer l'énergie totale libérée lors de la régénération qexo total engendré par les réactions d'oxydation et de réduction des émissions polluantes lors de la régénération. Le moyen 2a de détermination des espèces limitantes détermine la nature de l'espèce limitante. La décomposition des espèces polluante lors de la régénération fait appel à des réactions chimiques dont la stoechiométrie est connue. I1 est alors possible de déterminer les espèces sous-stoechiométriques. La connaissance des espèces sous-stoechiométriques permet également de déterminer la quantité de l'espèce limitante qui réagira. En fonction des données reçues, le moyen 2d de détermination de l'équivalent énergétique détermine le mode de fonctionnement courant et la quantité des différentes espèces qui vont réagir. Selon la teneur des différentes émissions polluantes, plusieurs modes de fonctionnement existent. Soit l'oxygène n'est pas l'espèce limitante, et le mode de fonctionnement est dit mode pauvre. Soit l'oxygène est l'espèce limitante, et le mode de fonctionnement est dit mode riche. Le moyen 2d de détermination estime alors une masse de l'espèce limitante dont la régénération libérera une quantité d'énergie comparable à la quantité d'énergie libérée lors de la régénération des différentes espèces qui vont réagir. La masse d'espèce limitante ainsi déterminée est appelée masse équivalente. Le moyen 2d émet la valeur de la masse équivalente vers le moyen 2f de calcul de l'énergie totale libérée. Le moyen 2f de calcul de l'énergie totale libérée comprend une zone mémoire comprenant les chaleurs de réaction des différents polluants pouvant être émis par le moteur à combustion interne. Selon la nature de l'espèce limitante reçue du moyen 2d, le moyen 2f détermine l'énergie totale libérée gexototal. L'énergie totale libérée lors de la régénération qexo total est calculée en multipliant la masse équivalente meq par la chaleur de réaction de l'espèce limitante PCI. gexo_total = meq * PCI Ainsi, selon le mode de fonctionnement, par exemple en mode pauvre ou en mode riche, seule la valeur de PCI change, une seule constante est mémorisée, limitant l'espace mémoire nécessaire. Afin de modéliser les températures dans le système de post traitement 5, on procède à une discrétisation spatiale sous la forme d'une succession de réacteurs parfaitement agités comme on peut le voir sur la figure 2. Sur la figure 2, les réacteurs parfaitement agités sont notés RPA1 à RPAn. Un réacteur courant est numéroté RPAi. Les réacteurs sont disposés en série, la température de sortie d'un réacteur étant la température d'entrée du réacteur suivant. On modélise généralement un système de post traitement 5 avec moins d'une dizaine de réacteurs parfaitement agités, de préférence de 3 à 6 réacteurs. I1 est à noter que ce nombre n'est dépendant que de la puissance de calcul qui peut être investie dans la modélisation. Par la suite, le cas de trois réacteurs parfaitement agités a été choisi à titre d'exemple. Le système de post traitement 5 décrit ici comprend les pièges catalytiques. I1 est à noter que le moyen de calcul du moyen 2 de détermination de l'énergie libérée lors de la régénération est également capable de prendre en compte les rendements des réactions chimique, notamment le cas où les volumes de gaz sont trop faibles pour obtenir une réaction optimale. Le moyen 3 de calcul de la répartition de l'énergie libérée entre les différents réacteurs comprend un moyen 3a de répartition de l'énergie totale libérée dans le système de post traitement 5. Le moyen 3a de répartition de l'énergie totale libérée dans le système de post traitement 5 reçoit en entrée la quantité d'énergie totale libérée gexototal par la connexion 2g. Le moyen 3a de répartition de l'énergie totale libérée dans le système de post traitement émet par ses sorties les fractions de l'énergie totale libérée. Les fractions de l'énergie totale libérée correspondent à la répartition de l'énergie totale entre les différents réacteurs parfaitement agites. La fraction de la quantité d'énergie totale libérée gexototal correspondant au premier réacteur est notée gexo1. Les fractions gexo_2 et gexo_3 correspondent respectivement au deuxième et au troisième réacteurs. La répartition de l'énergie totale libérée lors de la régénération est déterminée empiriquement. La répartition de l'énergie totale libérée correspond à une valeur gexo1 égale à 80% de gexototal, une valeur gexo_2 égale à 20% de gexototal et une valeur de gexo_3 égale à 0% de gexototal. La répartition est donnée ici à titre d'exemple, d'autres répartitions seraient possibles. Un nombre différent de réacteurs pourrait également être pris en compte. Le moyen 4 de détermination de la température de sortie des différents réacteurs comprend un moyen de modélisation pour chaque réacteur parfaitement agité. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, la modélisation du réacteur RPA1 est assurée par un moyen de modélisation 4c, la modélisation du réacteur RPA2 par un moyen de modélisation 4e et la modélisation du réacteur RPA3 par un moyen de modélisation 4g. Le moyen de modélisation 4c du réacteur parfaitement agité RPA1 reçoit en entrée le débit massique des gaz d'échappement Qech par la liaison 4a, la température des gaz en entrée Te du réacteur parfaitement agité RPA1 par la liaison 4b et la fraction de l'énergie totale libérée gexo1 à dissiper dans le réacteur parfaitement agité RPA1 par la liaison 3b. Le débit massique des gaz d'échappement Qech et la température Te sont déterminés par un moyen d'estimation non représenté. Le moyen de modélisation 4c émet en sortie par la liaison 4d, la valeur de la température en sortie Tsl du réacteur parfaitement agité RPA1. La même description s'applique aux deux autres réacteurs. Le moyen de modélisation 4e du réacteur parfaitement agité RPA2 reçoit en entrée le débit des gaz d'échappement Qech par une dérivation de la liaison 4a, la température des gaz Tsl en sortie du réacteur parfaitement agité RPA1 par la liaison 4d et la fraction de l'énergie totale libérée gexo_2 à dissiper dans le réacteur parfaitement agité RPA2 par la liaison 3c. Le moyen 4e émet en sortie par la liaison 4f, la valeur de la température en sortie Ts_2 du réacteur parfaitement agité RPA2. Le moyen de modélisation 4g du réacteur parfaitement agité RPA3 reçoit en entrée le débit des gaz d'échappement Qech par une dérivation de la liaison 4a, la température des gaz Ts_2 en sortie du réacteur parfaitement agité RPA2 par la liaison 4f et la fraction de l'énergie totale libérée gexo_3 à dissiper dans le réacteur parfaitement agité RPA3 par la liaison 3d. Le moyen 4g émet en sortie par la liaison 4h, la valeur de la température en sortie Ts_3 du réacteur parfaitement agité RPA3. Pour calculer la température de sortie Ts_i d'un réacteur parfaitement agité courant RPAi, le moyen de modélisation réalise d'abord le bilan de l'énergie thermique dans le réacteur. Tcata (t -1) . m Cpcata + Te(t) Qech(t) Cpgaz dt + gexo (t) dt Ts _i(t) = m Cpcata + Qech(t) Cpgaz dt Avec Tata = Température du système de post traitement Te= Température des gaz en entrée du réacteur courant RPAi m= Masse de système de post traitement dans le réacteur courant RPAi Qech= Débit massique des gaz d'échappement Cpgaz= Capacité calorifique massique à pression constante des gaz d'échappement Cpeata= Capacité calorifique massique à pression constante du système de post traitement gexo i= Fraction de l'énergie totale libérée à dissiper sur le réacteur courant RPAi Les différents termes de l'équation (1) peuvent être identifiés de la façon suivante. Le terme T ata(t -1)• m • Cpeata est l'énergie emmagasinée dans le système de post traitement lors de l'itération précédente. Le terme Te(t) • Qech(t) •Cpgaz • dt est la quantité de chaleur véhiculée par les gaz d'échappement. Le terme quo i(t)•dt est la quantité de chaleur dégagée lors de la régénération dans le réacteur courant RPAi, gexoi étant la fraction de l'énergie totale libérée gexototal à dissiper dans le réacteur parfaitement agité courant RPAi. Enfin, le terme m• Cpcata +Qech(t) • Cpgaz • dt est la capacité calorifique d'un réacteur courant RPAi, c'est-à-dire la somme du terme m • Cpcata représentant la capacité calorifique du système de post traitement 5 et du terme Qech(t) •Cpgaz • dt représentant la capacité calorifique des gaz d'échappement contenus dans le réacteur courant RPAi. La température de sortie Ts_i d'un réacteur courant RPAi est la température d'entrée Te_i+l d'un réacteur RPAi+l suivant le réacteur courant. Le premier réacteur de la série RPA1 utilise comme température d'entrée Te, la température des gaz en entrée du système de post traitement. Le dernier réacteur de la série permet d'obtenir la température de sortie Ts du système de post traitement 5. Alternativement, la température de sortie Ts du système de post traitement 5 peut être déterminée en prenant en compte les pertes thermiques du système de post traitement 5. On ajoute alors le terme de pertes suivant : Text . Sext . Hext (Vveh ). dt avec Hext(vveh) = un facteur de convection externe vveh = la vitesse du véhicule Text = la température extérieure Sext = la surface de contact avec l'extérieur Dans ce cas, l'équation (1) permettant de déterminer la température du système devient : Ts(t) = Teata (t -1) . m Cpeata + Te(t) Qech(t) Cpgaz dt + TeXt - SeXt - HeXt (vveh) • dt + geXO (t) dt m Cpeata + Qech(t) Cpgaz dt + Sext - Hext (vveh) • dt Le dispositif tel qu'il a été décrit permet d'estimer l'état thermique d'un système de post traitement à régénération active ou passive implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. On peut en déduire la température de sortie du système de post traitement de différents polluants afin de pouvoir commander avec précision les paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne. On peut ainsi améliorer la quantité de polluants stockés dans les systèmes de post traitement et déterminer les variations de température des systèmes de post traitement lors des étapes de régénération en anticipant l'inertie du système de post traitement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation par modèle physique de la température d'un système de post traitement (5) implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant une modélisation du système de post traitement (5) par une chaîne de réacteurs parfaitement agités connectés en série, caractérisé par le fait que pour un réacteur courant de la chaîne, on procède au calcul de la température de sortie du réacteur courant, à partir au moins de la température et du débit massique des gaz en amont du réacteur courant, et de la fraction de l'énergie totale libérée lors de la régénération à dissiper sur ledit réacteur courant. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine l'énergie totale libérée lors de la régénération du système de post traitement (5), à partir de la connaissance des concentrations des espèces polluantes. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on détermine la fraction de l'énergie totale libérée lors de la régénération à dissiper sur le réacteur courant en fonction de l'énergie totale libérée lors de la régénération et d'une cartographie de répartition mémorisée. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel, pour le réacteur courant, on détermine la température des gaz en sortie du réacteur courant en fonction du bilan thermique entre les gaz et le substrat, ledit bilan thermique comprenant l'énergie thermique portée par les gaz d'échappement, la fraction de l'énergie totale libérée à dissiper, et l'énergie thermique présente dans le système de post traitement (5), la température de sortie du réacteur courant étant la température d'entrée pour le réacteur suivant dans la chaîne. 5. Dispositif d'estimation de la température des gaz en sortie d'un système de post traitement (5) implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule, comprenant un moyen de détermination du débit massique des gaz d'échappement, un moyen de détermination de la température en amontdu système de post traitement (5), et un moyen (4) de détermination de la température de sortie modélisant le système de post traitement (5) en une chaîne de réacteurs parfaitement agités reliés en série caractérisé par le fait que le moyen (4) de détermination de la température de sortie est capable de déterminer la température de sortie du système de post traitement (5), à partir des informations provenant du moyen de détermination du débit massique des gaz d'échappement et du moyen de détermination de la température en amont du système de post traitement (5). 6. Dispositif selon la revendication 5 comprenant un moyen d'estimation (1) des émissions polluantes et une cartographie (le) des émissions polluantes, le moyen d'estimation (1) des émissions polluantes est capable de déterminer les concentration gazeuses des différentes émissions polluantes à partir de la cartographie (le) des émissions polluantes, du motif d'injection, du couple, du régime et du mode de combustion du moteur à combustion interne. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le moyen (2) de détermination de l'énergie libérée lors de la régénération est capable de déterminer l'énergie totale libérée par les réactions de régénération, à partir de la nature et des concentrations gazeuses des différentes émissions polluantes. 8. Dispositif selon la revendication 7 comprenant un moyen (3) de calcul de la répartition de l'énergie libérée entre les différents réacteurs capable de déterminer la fraction de l'énergie totale libérée dans chaque réacteur en fonction de l'énergie totale libérée lors de la régénération. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel un moyen (4) de détermination de la température de sortie d'un réacteur parfaitement agité est capable, pour le réacteur courant, de déterminer la température des gaz en sortie du réacteur courant en fonction de l'énergie thermique portée par les gaz d'échappement, la fraction de l'énergie totale libérée à dissiper par le réacteur courant, et l'énergie thermique présente dans le système de post traitement, la températurede sortie du réacteur courant étant la température d'entrée pour le réacteur suivant de la chaîne. 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel le nombre de réacteurs est supérieur ou égal à trois et inférieur ou égal à dix. 11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel le nombre de réacteurs est inférieur ou égal à six. 12. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, dans lequel un système de post traitement (5) comprend un piège catalytique.