Brevet FR2921416A1 — publié le 20090327

� Procédé de régulation de la température d'un filtre à particules � La présente invention concerne un procédé de régulation de la température d'un filtre à particules, notamment associé à un système d'injection de gazole à l'échappement. Pour réduire la teneur en particules des gaz d'échappement d'un moteur diesel, il est répandu d'utiliser un filtre captant ces particules en sortie du moteur. Les particules s'accumulant dans le filtre en formant des suies, il est nécessaire de traiter ces dernières pour éviter un colmatage du filtre. Ce traitement s'effectue en portant le filtre à une température permettant la combustion des suies accumulées. Afin de mettre en oeuvre ce traitement de façon optimale, une première approche comprend l'ajout d'un additif dans le carburant pour abaisser la température de combustion des suies de 600°C à 450°C. Selon une seconde approche, on injecte directement du gazole dans les gaz d'échappement. La combustion de ce gazole au sein du catalyseur permet de chauffer les gaz et de porter le filtre à la température requise de 600°C. A titre d'exemple, la demande de brevet WO2006114548 de la société Renault S.A. décrit une telle injection en ligne d'échappement, dénommée IGE par la suite pour � Injection de Gazole à l'Echappement �. La mesure de température en amont du filtre à particules est lente à réagir. Ceci est du au temps de déplacement des gaz. Par contre, l'élévation de température au sein du catalyseur suite à une injection de gazole est rapide. Il faut que la régulation en tienne compte. C'est pourquoi il est difficile et complexe de mettre en oeuvre un procédé de régulation d'une IGE. La présente invention vise à fournir un procédé de 2 régulation d'IGE prenant en compte ces différents temps de réponse de façon simple. Elle concerne un procédé de régulation de la température d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement de moteur diesel, cette ligne d'échappement comprenant: - Une entrée de gaz d'échappement du moteur diesel, - Un injecteur de gazole formant un système de vaporisation du gazole, et - Un catalyseur situé en amont du filtre, Caractérisé en ce qu'on régule la température du filtre au moyen d'une boucle d'asservissement rapide sans le capteur de température en amont du filtre à particules, maintenant la température du filtre proche d'une température de consigne à l'aide de paramètres de régulation rapide et associée à une boucle d'asservissement lente avec la mesure de température ajustant la consigne de débit de l'injecteur de gazole Q(IGE) à l'aide de paramètres de régulation lente. Un tel procédé permet de réguler la température d'un filtre à particules dans le cadre d'une IGE en prenant simplement en compte différentes vitesses de régulation - lente et rapide - des paramètres influençant la température d'un filtre à particules. Dans une réalisation, on utilise la température et 25 le débit des gaz d'échappement comme des paramètres de régulation rapide. Dans ce cas, la boucle d'asservissement rapide utilise un modèle de température du catalyseur ayant pour entrées le débit de l'injecteur de gazole, la température 30 des gaz à l'échappement et le débit d'air en amont du catalyseur pour déterminer par calcul le comportement thermique du catalyseur. Par exemple, le modèle détermine une prédiction de la température de l'air entrant dans le filtre au moyen 35 d'une équation du type : T5(mod)= K(Qair) QIGE + Kd T4 1+sTm(Qair) 1+sTm(Qair) Q(IGE) représentant en g/s le débit de gazole injecté, Tm(Qair) représente la constante de temps en s, K(Qair) représente en K.s/g le gain exotherme entre le débit de gazole injecté et la température T5 du filtre à particules. Dans une réalisation, on inverse le modèle de température pour obtenir la valeur du débit IGE selon une 10 équation telle que : T5(mod) ù Tm(Qair) dT4 + Krapide (T5(con) ù T5(mod))+ QrcE ù K(Qair) K(Qair) dt K(Qair) KdepasTm (Qair) d (T 5(con) ù T 5(mod)) K(Qair) dt Où Kdepas et Krapide sont des constantes et T5 (con) est une température de consigne du filtre. 15 Selon une réalisation, on modifie la consigne du débit de l'injecteur de gazole en fonction de saturations significatives de la richesse des gaz dans la ligne d'échappement. Selon une réalisation, la boucle d'asservissement 20 lente utilise un régulateur Proportionnel Intégral caractérisé par les équations du type : 3 Hot 1ù e VBF 1 1 /Tm(Qair))H K(Qair ) Kleq = KiKpeq 25 où t représente la période d'échantillonnage utilisée dans un calculateur régulant le débit d'IGE, H est un paramètre constant de calibration et BF est un paramètre de calibration représentant la vitesse de 30 réaction de la régulation. KI est un terme de calibration. L'invention vise également un véhicule automobile K = peq 7 \1 4 muni d'un filtre à particules dans une ligne d'échappement de moteur diesel comprenant: - Une entrée de gaz d'échappement du moteur diesel, - Un injecteur de gazole formant un système de 5 vaporisation du gazole, et - Un catalyseur situé en amont du filtre, Caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour réguler la température du filtre au moyen : - d'une boucle d'asservissement rapide maintenant 10 la température du filtre proche d'une température de consigne à l'aide de paramètres de régulation rapide, et - d'une boucle d'asservissement lente ajustant le débit IGE, De façon à déterminer une consigne de débit de 15 l'injecteur de gazole selon un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 8. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui 20 est faite au regard des dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur diesel munie d'un système d'injection de gazole Q(IGE), - la figure 2 est une vue en coupe d'un filtre de 25 ligne d'échappement associé à une sonde thermique, et - les figures 3 et 4 représentent respectivement des boucles d'asservissement rapide et lente de régulation de la température d'un filtre mises en oeuvre dans l'invention. 30 En référence à la figure 1, la ligne d'échappement 1 d'un moteur diesel considéré comprend : - une entrée 2 pour gaz d'échappement issus du moteur diesel. Ces gaz, représentés par des flèches, sortent à une température T4 et à un débit Qair. Ce débit 35 est mesuré grâce à une sonde située en amont du moteur. La température T4 peut être mesurée ou estimée à partir des paramètres moteur, - un injecteur 3 de gazole formant un système de vaporisation du gazole (VAP) avec, par exemple, une bougie, - un catalyseur 4, et 5 - un filtre à particules 5. La température T5 de l'air entrant dans le filtre 5 doit être maintenue à une température de l'ordre de 600°C pour permettre la combustion des suies formées par les particules captées. Pour ce faire, le système de vaporisation du gazole met en oeuvre une injection de gazole à l'échappement Q(IGE) Pour réguler le débit de gazole d'une IGE, des moyens de mesure du fonctionnement de la ligne 15 d'échappement comprennent : - Une sonde 6 de mesure de la température entre le catalyseur 4 et le filtre à particules 5, - La sonde 7 de température en amont du catalyseur, - et le débit d'air déjà décrit. 20 Ces sondes 6 et 7 permettent de calculer le débit de gazole à injecter en amont du catalyseur 4 afin que la température du filtre 5 soit suffisante pour assurer la combustion des suies comme décrit ultérieurement. Cette température T5 ne doit être ni trop élevée - 25 ce qui provoquerait une détérioration du filtre et du catalyseur ou son vieillissement prématuré -ni trop basse - ce qui provoquerait un arrêt de la combustion des suies et augmenterait le temps global de régénération du filtre. 30 La température T5 de l'air en entrée du filtre 5 est connue grâce à la sonde 6. Suivant l'emplacement de cette sonde 6, la température cible à atteindre diffère car la température au coeur du filtre 5 est plus élevée qu'à sa périphérie. 35 Ainsi, une sonde placée en plein coeur du filtre 5 - comme montré sur la figure 2 - requiert la prise en compte d'une température cible de 650°C tandis qu'une 6 sonde placée en périphérie de cette sonde présente une température cible inférieure, par exemple de 550°C. Dans l'exemple décrit ci-dessous, la température cible est de 600°C. Le comportement thermique du catalyseur 4 dépend de paramètres de régulation rapide comme le débit d'air Qair à l'entrée 2 de la ligne d'échappement 1. De fait, une homogénéisation des températures dans cette ligne 1 est d'autant plus rapide que le débit d'air Qair est élevé. Ainsi, la valeur de la constante de temps Tm(Qair) du modèle de T5 est inversement proportionnelle au débit d' air. Un second paramètre de régulation rapide est la température T4 des gaz d'échappement à l'entrée 2 de la 15 ligne d'échappement 1. Une forte élévation de cette température T4 générée par le moteur entraine une élévation de la température en entrée du catalyseur. Cette élévation de la température en entrée du 20 catalyseur entraine une élévation de la température T5 du filtre de façon analogue - aux déperditions de chaleur avec l'extérieur près. Outre ces paramètres de régulation rapide, il existe des paramètres de régulation lente de la 25 température du filtre dont les caractéristiques de propagation de la chaleur au sein du catalyseur influent sur la température du filtre. De même, le délai de mesure de la température T5 du catalyseur est un paramètre de la régulation lente de 30 cette température. Ainsi, une variation de la température T4 en sortie du moteur n'est détectée, par la mesure de T5, qu'avec un délai compris entre 10s et 60s en fonction de la valeur du débit d'air Qair. Plus le débit d'air est élevé et plus le délai est faible. 35 Ces retards variables avec le débit d'air Qair, sont subis par l'IGE. Une injection de gazole à l'échappement génère une élévation de la température de l'air T5 en 7 amont du filtre mesurée 60s après le début de la mise en action de l'injection lorsque le moteur fonctionne au ralenti avec un faible débit d'air. Afin de tenir compte des différentes dynamiques (rapides et lentes), un procédé de contrôle de la température d'un filtre conforme à l'invention comprend : - une boucle d'asservissement rapide 10, également dénommée boucle ouverte 10, (figure 3) visant à assurer un débit Q(IGE) pour maintenir une température T5 au moyen des paramètres de régulation rapide, et - une boucle d'asservissement lente 21, également dénommée boucle fermée 21, (figure 4) visant à ajuster le débit Q(IGE) calculé par la boucle d'asservissement rapide pour maintenir la température du filtre au moyen des paramètres de régulation lente. Plus précisément, une boucle d'asservissement rapide 10 détermine une consigne pour le débit d'IGE Q(IGE) au moyen d'un modèle 11 de température du catalyseur déterminant en avance le comportement thermique du catalyseur. Cette détermination permet de calculer le débit d'IGE requis. De fait, les entrées du modèle 11 de température T5 sont le débit d'IGE Q(IGE), la température T4 des gaz à l'échappement et le débit d'air Qair en amont du catalyseur. Dans cette réalisation, le modèle de température est de la forme d'un premier ordre comme, par exemple, celui de la formule suivante : T5(mod) = K(Qair) QIGE + Kd T4 1 + Tm (Qair )s 1 + Tm (Qair )s Où Q(IGE) représente en g/s le débit de gazole injecté, Tm(Qair) représente la constante de temps en s, K(Qair) représente en K.s/g le gain exotherme entre le 35 débit de gazole injecté et la température. Une constante Kd représente les déperditions de30 8 chaleur du catalyseur vis-à-vis de la température T4 mesurée en entrée de la ligne d'échappement et de l'emplacement de la sonde 6 au sein du catalyseur. La constante de temps Tm(Qair) dépend principalement de la masse du catalyseur et, comme le gain K (Qair) , elle peut être identifiée à partir d'essais sur banc. Les connaissances du métier indiquent que c'est, en première approximation, la concentration en hydrocarbure au sein du catalyseur qui engendre le niveau d'élévation de la température. La concentration est définie par le rapport entre le débit d'hydrocarbure Q(IGE) et le débit d'air. Par ailleurs, le terme K(Qair) est défini par le rapport entre l'élévation en température au sein du catalyseur et la quantité d'IGE introduite. Vue la définition de la concentration en hydrocarbure, le terme K(Qair) est proportionnel à l'inverse du débit d'air. Le débit Q(IGE) calculé par la boucle d'asservissement rapide est construit en plusieurs étapes comme suit. Une inversion 13 du modèle thermique est effectuée pour correspondre à l'inverse du gain exothermique K (Qair) . Le terme de débit d' IGE a alors pour expression : T5(mod) K(Qair) L'inverse du modèle tient compte également de la température T4 en entrée de la ligne d'échappement. De fait, un terme spécifique est introduit pour compenser les variations de T4 selon l'expression : Tm(Qair) dT4 K(Qair) dt Ainsi, une augmentation de la température T4 d'entrée de la ligne d'échappement entraîne une 35 augmentation de la température T5 du filtre. Pour anticiper cette augmentation, le débit d'IGE est diminué 30 9 en conséquence. Inversement, une diminution de la température T4 d'entrée est anticipée par une augmentation du débit IGE. En conclusion, le débit d'IGE ainsi calculé a pour 5 expression : T5(mod) _Tm(Qair) dT4 QIGE - K(Qair) K(Qair) dt Un terme correctif est également ajouté pour 10 accélérer le comportement de la boucle d'asservissement rapide et pour minimiser les dépassements de la température autour de la température cible. Ce terme est fonction de la différence entre la température T5(mod) estimée et la température de consigne T5(con): 15 K(Qair) K(Qair) dt K(Qair) KdepasTm (Qair) d (T 5(con) - T 5(mod)) K(Qair) dt Où Kdepas et Krapide sont des valeurs à calibrer à l'aide de tests effectués, par exemple, sur un banc 20 d'essai. - Krapide est compris entre 0 et 1, cette dernière valeur supprimant l'influence de la température T5 estimée. Ainsi, la régulation est moins fine mais la régulation est plus rapide dans le cas de saturations à 25 répétition. -Kdepas est compris entre 0 et 1, cette dernière valeur diminuant le dépassement lors de la montée en température pour ne pas détériorer le filtre à particules. 30 La consigne Q(IGE) de débit IGE est envoyée simultanément à un modèle 11 et au système physique 12. La température T5(mod) estimée à partir du modèle 11 est connue au pas de calcul suivant contrairement à la température T5 mesurée qui n'est connue que plusieurs T5(mod) Tm(Qair) dT4 + ( Krapide QIGE TS(con)-TS(mod))+ 10 dizaines de secondes plus tard. Le débit de maintien est calculé à partir de la température T5(mod) estimée grâce à l'inverse 13 du modèle thermique précédemment décrit. La grandeur Q(IGE) de débit IGE peut être saturée avant d'être envoyée au système physique 12 et au modèle 11. De fait, la prise en compte de saturations 14 au sein de la boucle d'asservissement rapide permet d'être plus précis. Ces saturations 14 proviennent principalement de la concentration en oxygène estimée au sein de la ligne d'échappement. De fait, la quantité de gazole injectée en IGE est limitée par la possibilité de réduction du catalyseur qui dépend de la quantité d'oxygène disponible. Parallèlement à la boucle d'asservissement rapide 10 décrite à l'aide de la figure 3, un procédé conforme à l'invention comprend une boucle d'asservissement lente 21 visant à ajuster le débit IGE Q(IGE) au moyen des paramètres de régulation lente (22). En outre, une telle boucle peut également corriger les éventuelles erreurs de modélisation, ainsi que le vieillissement du catalyseur. Le bloc 22 peut être composé par un régulateur de type PI (Proportionnel Intégral). Le terme proportionnel Kpeq calcule un débit IGE de correction proportionnel à l'erreur entre la mesure T5 et la consigne T5(con). Le terme KIeq calcule un débit IGE de correction à partir de l'intégrale de l'erreur entre la mesure T5 et la consigne T5(con). L'objectif de la partie intégrale est d'assurer que la température T5 soit la plus proche possible de la température de consigne T5(con). Dans une représentation, le terme proportionnel a pour expression :35 3HAt 1-e VBF 1 1 H K(Qair) /T m(Qair) K = peq 1 Où t représente la période d'échantillonnage utilisée dans le calculateur et H est un paramètre 5 constant de calibration. Ce terme est un horizon de prédiction qui représente le nombre de pas de calcul d'avance du modèle thermique. Dans les faits, une calibration à 5 est un bon compromis. 10 BF est un paramètre de calibration représentant la vitesse de réaction de la régulation en boucle d'asservissement lent. Ce paramètre est calibré en fonction de la capacité du système physique 12 à réguler. Par ce paramètre, le délai de mesure est pris en 15 compte. Un réglage trop rapide comme par exemple BF inférieure au retard (60s) peut entrainer une déstabilisation du système. C'est pourquoi une valeur de 250s en régulation autour de la température cible est acceptable. Cette valeur peut être augmentée par exemple 20 jusqu'à 750 s lors de la phase de montée en température du filtre. Dans une réalisation, le terme intégral est choisi proportionnel au terme proportionnel Kieq = K K ipeq La forme du gain Kpeq est notamment due au fait que l'ensemble de la régulation (boucle d'asservissement rapide et lente) s'appuie sur le formalisme de la 30 commande prédictive. On pourra se référer au document des Techniques de l'Ingénieur R7423 écrit par J. Richalet. Les avantages de la régulation décrite ci-dessus sont nombreux . - une simplification de la régulation en limitant 35 le nombre de paramètres à signification physique 25 12 considérés, une prise en compte dans la régulation des saturations, et un fonctionnement assuré malgré le retard 5 important de la mesure de température T5(mes) au sein de la ligne d'échappement. Par ailleurs, il convient de noter que la prise en compte de la température T4 des gaz d'échappement permet d'améliorer la boucle d'asservissement rapide. Si une 10 mesure ou une estimation de T4 n'existe pas, la régulation peut tout de même fonctionner, avec cependant un risque accru d'avoir une température T5 fluctuant autour de la température cible T5(con). REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la température d'un filtre (5) à particules d'une ligne d'échappement (1) de moteur diesel, cette ligne d'échappement (1) comprenant: - Une entrée (2) de gaz d'échappement du moteur diesel, -Un injecteur (3) de gazole formant un système de vaporisation du gazole (VAP), et - Un catalyseur (4) situé en amont du filtre (5), caractérisé en ce qu'on régule la température du filtre (5) au moyen d'une boucle d'asservissement rapide (10) sans le capteur de température (6) en amont du filtre à particules (5), maintenant la température du filtre (5) proche d'une température de consigne à l'aide de paramètres de régulation rapide et associée à une boucle d'asservissement lente avec la mesure de température (6) ajustant la consigne de débit de l'injecteur de gazole (3) Q(IGE) à l'aide de paramètres de régulation lente. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on utilise la température (T4) et le débit (Qair) des gaz d'échappement comme des paramètres de régulation rapide. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la boucle d'asservissement rapide (10) utilise un modèle (11) de température du catalyseur (4) ayant pour entrées le débit de l'injecteur de gazole (Q(IGE)), la température (T4) des gaz à l'échappement et le débit d'air (Qair) en amont du catalyseur pour déterminer par calcul le comportement thermique du catalyseur (4). 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le modèle (11) détermine une prédiction de la température de l'air (T5) entrant dans le filtre (5) au moyen d'une équation du type : T5(mod)= K(Qair) QIGE+ Kd T4 1+sTm(Qair) 1+sTm(Qair)Q(IGE) représentant en g/s le débit de gazole injecté, Tm(Qair) représente la constante de temps en s, K(Qair) représente en K.s/g le gain exotherme entre le débit de gazole injecté et la température T5 du filtre à particules (5). 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'on inverse le modèle de température pour obtenir la valeur du débit IGE selon une équation telle que : T5(mod) ù Tm(Qair) dT4 + Krapide (T5(con) ùT5(mod))+ QrcE ù K(Qair) K(Qair) dt K(Qair) KdepasTm(Qair) d(T5(con)ùT5(mod)) K(Qair) dt Où Kdepas et Krapide sont des constantes et T5 (con) est une température de consigne du filtre (5). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on modifie la consigne du débit de l'injecteur de gazole (3) en fonction de saturations (14) significatives de la richesse des gaz dans la ligne d'échappement. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la boucle d'asservissement lente utilise un régulateur Proportionnel Intégral (PI) caractérisé par les équations du type : 3HAt 1ùe VBF 1 H K(Qair) 1 Tm Kleq =K I Kpeq K = peq 7 où t représente la période d'échantillonnage utilisée dans un calculateur régulant le débit d'IGE, H est un paramètre constant de calibration et BF est un paramètre de calibration représentant la vitesse de réaction de la régulation. KI est un terme de calibration. 8. Véhicule automobile muni d'un filtre (5) à particules dans une ligne d'échappement (1) de moteur15 diesel comprenant: - Une entrée (2) de gaz d'échappement du moteur diesel, - Un injecteur (3) de gazole formant un système de 5 vaporisation du gazole (VAP), et - Un catalyseur (4) situé en amont du filtre (5), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour réguler la température (T5) du filtre (5) au moyen : d'une boucle d'asservissement rapide (10) 10 maintenant la température (T5) du filtre (5) proche d'une température T5(con) de consigne à l'aide de paramètres de régulation rapide, et - d'une boucle d'asservissement lente (21) ajustant le débit IGE, 15 De façon à déterminer une consigne de débit (Q(IGE)) de l'injecteur de gazole (3) selon un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 7.