Brevet FR2936838A1 — publié le 20100409

DEMANDE DE BREVET B08/1481FR AxC/JK Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Procédé de détermination de la masse de suies piégée dans un filtre à particules de véhicule automobile et dispositif correspondant. Invention de : DESCAMPS Xavier ETCHEVERRY Céline DUFAY Eric Procédé de détermination de la masse de suies piégée dans un filtre à particules de véhicule automobile et dispositif correspondant. L'invention concerne le domaine de la dépollution des moteurs à 5 combustion de type diesel, et plus particulièrement, le filtrage des particules de suies émises par de tels moteurs. 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, des 10 particules de suie. Les taux de rejet admis de ces différents polluants sont strictement réglementés et sujets à révisions périodiques à la baisse. 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 15 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. Ce filtre à particules est généralement monté en aval d'un catalyseur d'oxydation, catalyseur qui achève l'oxydation du monoxyde de carbone 20 et des hydrocarbures imbrûlés. Un tel filtre peut être conçu en matière céramique poreuse 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 25 du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. La régénération du filtre à particules doit être faite périodiquement au cours d'étapes de régénération, dès que la quantité de particules dans le filtre devient trop importante, ce qui se produit en général après que le véhicule ait parcouru une distance de l'ordre de la centaine de 30 kilomètres. Les étapes 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 étapes. Lors d'une première étape, il stocke des particules émises par le moteur, et lors d'une seconde étape, les particules stockées sont brûlées afin de régénérer le filtre. Cette opération de combustion des particules, ou de régénération du filtre, nécessite une élévation de la température interne du filtre à particules, et l'apport d'une quantité adéquate de gaz oxydants ou d'oxygène. Pour ce faire, il faut atteindre des niveaux thermiques "de surchauffe" dans la ligne d'échappement à l'entrée du filtre à particules de 600°C à 700°C, et préférentiellement une température de fonctionnement avoisinant 620°C, températures qui sont plus élevées que les températures des gaz d'échappement en fonctionnement normal. La régénération du filtre est donc déclenchée quand la quantité de particules accumulées dans le filtre dépasse un certain seuil, et que simultanément le régime du moteur est favorable à la mise en oeuvre d'une étape de "surchauffe" supplémentaire des gaz d'échappement en vue de provoquer la combustion des particules. La régénération ne se déclenche donc pas toujours au même niveau d'encrassement du filtre. Si la quantité de particules accumulées est plus importante que le seuil minimal de déclenchement de la régénération, la réaction de combustion risque de s'emballer et d'endommager le filtre. I1 faut alors adapter le pilotage de la phase de régénération pour éviter ce risque d'emballement. I1 est donc particulièrement important d'évaluer avec le plus de précision possible le niveau de chargement en particules du filtre. La quantité de particules accumulées est généralement estimée à partir de mesures de pression différentielle, c'est-à-dire de mesures de différences de pression, entre l'entrée et la sortie du filtre à particules. Elle peut également être estimé à partir d'une mesure de pression en amont du filtre à particules, la pression en aval du filtre étant alors recalculée à partir de la pression atmosphérique, ainsi qu'en fonction du débit et de la température des gaz d'échappement. On effectue ces mesures de pression, ou de pression différentielle, pour différents débits de gaz. Grâce à une cartographie reliant le débit des gaz, leur température, la pression différentielle, et le niveau d'encrassement du filtre, on en déduit la quantité de particules accumulées dans le filtre. Comme mentionné dans la demande de brevet FR 2 774 421, le niveau d'encrassement du filtre peut également être lu dans une cartographie reliant le point de fonctionnement du moteur (couple et régime du moteur), la pression différentielle aux bornes du filtre et la quantité de particules accumulées. Les mesures de pression différentielles par capteur sont sujettes à différentes sources d'imprécisions, par exemple une utilisation du capteur hors de sa gamme optimale de température de fonctionnement. La demande de brevet EP 1 624 172 tente ainsi d'améliorer l'estimation de la quantité de particules piégées en remplaçant les mesures par capteur de pression différentielle, quand le capteur n'est pas dans sa plage de fonctionnement optimale, par un calcul théorique d'accumulation des particules. La demande de brevet FR 2 864 146 propose d'utiliser une mesure de pression différentielle uniquement pour estimer un état d'encrassement résiduel du filtre à l'issue de chaque phase de régénération, et propose d'utiliser un modèle comparant les cinétiques d'émission et de combustion des particules pour calculer l'accumulation ultérieure de particules dans le filtre, jusqu'à la prochaine phase de régénération. Aucune des solutions proposées ne permet d'obtenir un niveau de précision pleinement satisfaisant pour l'estimation de la quantité de particules de suies accumulées : les modèles théoriques de calcul d'accumulation de particules sont eux-mêmes porteurs d'approximations, et les solutions proposées restent tributaires, sinon de mesures de pression différentielle en continu, au moins de mesures de pression différentielle ponctuelles. Or, à quelque moment que soient réalisées les mesures, les valeurs de pression différentielle subissent des variations susceptibles de perturber les mesures, et subissent notamment des fluctuations de pression dans la ligne d'échappement liées aux cycles moteurs de chaque piston du moteur.La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités, en proposant une méthode et un dispositif pour estimer de manière fiable la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, ou pour estimer la pression en amont de ce filtre, de manière à pouvoir utiliser une même méthode d'évaluation de l'encrassement du filtre, méthode basée sur la pression estimée, ou sur la pression différentielle estimée, pour la totalité des périodes de roulage séparant deux phases de régénération du filtre. Selon un premier aspect, il est un procédé de détermination de la masse de suies piégée dans un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne à pistons alternatifs, à partir d'estimations de la pression des gaz en amont du filtre ou à partir d'estimations de la pression différentielle entre l'amont et l'aval du filtre. On détermine chaque valeur estimée de pression en effectuant la moyenne de deux mesures obtenues par un capteur ou un couple de capteurs de pression, les deux mesures de pression étant espacées d'un intervalle de temps qui est fonction du régime du moteur. Avantageusement lequel ledit intervalle de temps représente la moitié de l'intervalle de temps séparant deux passages successifs d'un des pistons du moteur par son point mort haut. Dans une variante de mise en oeuvre du procédé, la première mesure de pression est effectuée consécutivement à la détection du passage d'un 15 des pistons du moteur par son point mort haut. Selon une variante préférée de mise en oeuvre du procédé, on déclenche une nouvelle acquisition de deux mesures de pression à chaque détection du passage d'un piston de référence du moteur par son point mort haut. 20 Avantageusement, on associe à la valeur estimée de pression, une valeur de débit de gaz d'échappement calculée à partir des quantités d'air, des quantités de gaz recyclés et des quantités de carburant introduites dans les cylindres du moteur au cours, ou juste avant, l'acquisition des deux mesures de pression, et on utilise cette valeur estimée de pression 25 et cette valeur de débit pour en déduire la masse de suies piégées dans le filtre. I1 est proposé également un procédé de pilotage des phases de régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, dans lequel on utilise la masse de suies estimée suivant le procédé indiqué 30 précédemment pour déterminer à quel moment et sous quelles conditions de température de gaz d'échappement effectuer la combustion des suies piégées dans le filtre. Selon un autre aspect, un système de motorisation pour véhicule automobile comprend un moteur muni d'au moins deux pistons coulissant chacun dans un cylindre. Le moteur est muni d'un capteur de régime moteur apte à détecter la position d'au moins un des pistons à l'intérieur de son cylindre et est muni d'une ligne d'échappement collectant les gaz sortant des cylindres du moteur. La ligne d'échappement est équipée d'un filtre à particules, et est équipée d'au moins un capteur de pression en amont du filtre, ou d'un capteur de pression différentielle entre l'amont et l'aval du filtre. Le système comprend en outre une unité de commande électronique reliée au capteur de pression et reliée au capteur de régime moteur, ladite unité de commande étant apte à estimer la pression des gaz d'échappement en amont du filtre ou apte à estimer la pression différentielle des gaz entre l'amont et l'aval du filtre. L'unité de commande électronique est configurée pour effectuer une acquisitions de deux mesures successives du capteur de pression mesures espacées dans le temps d'un intervalle qui est fonction du régime du moteur, et est configurée pour effectuer une moyenne des mesures acquises afin d'obtenir une valeur estimée de la pression. Selon un mode de réalisation préféré, l'unité de commande est apte à évaluer le débit et la température de gaz d'échappement correspondant audit intervalle de temps, et l'unité de commande dispose d'une cartographie mémorisée lui permettant de lire, à partir de la pression ou la pression différentielle estimée, du débit et de la température de gaz d'échappement, le niveau de chargement du filtre en particules de suie. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif illustré par la figure annexée, qui montre schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, équipée du dispositif selon l'invention. Tel que représenté sur la figure, le moteur à combustion interne 1, représenté très schématiquement, est un moteur diesel à quatre cylindres. Les cylindres du moteur représentés schématiquement et référencés 2 sont alimentés en air par un conduit d'admission 3. Un capteur de régime moteur 4, placé en regard de la périphérie d'un volant moteur 19, permet d'envoyer un signal de point mort haut quand le capteur 4 détecte le passage d'un repère "PMH" (dent ou creux manquant) sur la couronne dentée périphérique du volant moteur 19 qui défile devant lui. La position angulaire du volant moteur 19 pour laquelle le repère PMH se trouve face au capteur 4 est aussi la configuration du moteur pour laquelle un des cylindres, choisi comme cylindre de référence et désigné par la référence 2a, se trouve à son point mort haut. En sortie du moteur, les gaz d'échappement sont véhiculés par une ligne d'échappement 6 qui comprend un dispositif catalyseur 7 suivi d'un filtre à particules (FAP) 8. Bien que dans cet exemple, le catalyseur ait été représenté sous la forme d'un dispositif séparé du filtre à particules, on comprendra que les deux dispositifs pourraient être juxtaposés, voire que les matériaux catalytiques puissent être disposés à l'intérieur même du filtre à particules sans modification majeure de la présente invention. Un débitmètre 5 dans le conduit d'admission 3 permet de mesurer le débit d'air envoyé dans le moteur. Un capteur de température 16 mesure la température des gaz en entrée du filtre à particule 8. Un capteur de pression différentielle 14 mesure la différence de pression des gaz entre l'entrée et la sortie du filtre à particules 8, à l'aide d'un piquage de pression 20 situé en amont du filtre à particules 8 et d'un piquage de pression 21 situé en aval du filtre à particules 8. Une unité de commande électronique (UCE), référencée 9, assure la 20 commande du fonctionnement du moteur 1 et permet également la commande de la régénération du filtre à particules 8. A cet effet, l'unité de commande électronique 9 reçoit diverses informations, du moteur par les connexions 10, du débitmètre 5 par la connexion 11, du capteur de régime moteur 4 par la connexion 12, du 25 capteur de température 16 par la connexion 13 et du capteur de pression différentielle 14 par la connexion 15. En fonction de ces informations, l'unité de commande électronique 9 est capable de modifier, en envoyant des signaux de commande par les connexions 10, les paramètres de fonctionnement du moteur de manière à augmenter dans la ligne 30 d'échappement 6 la quantité de carburant imbrûlé et la température des gaz, afin de déclencher une phase de régénération du filtre à particules. Pour permettre l'évaluation de la quantité de suies piégées dans le filtre à particules 8, PUCE 9 est en outre reliée par une connexion 18 à une cartographie mémorisée 17 qui relie la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules, et le débit de ces gaz dans la ligne d'échappement. Pour évaluer la quantité de particules de suies piégées dans le filtre à particules 8, PUCE 9 utilise la cartographie mémorisée 17, obtenue à partir soit de mesures expérimentales, soit de calculs théoriques, soit d'une conjonction des deux méthodes. Les données d'entrée de la cartographie 17 sont alors la température de gaz mesurée par le capteur 16, le débit de gaz d'échappement calculé à partir du débit d'air entrant dans le moteur mesuré par le débitmètre 5, et la valeur de la pression différentielle entre l'entrée et la sortie du filtre à particules 8. Pour améliorer la précision des valeurs d'entrée de la cartographie 17, PUCE 9 estime une pression différentielle moyenne comme suit : *à chaque fois que le capteur de régime moteur 4 détecte le passage du piston de référence contenu dans le cylindre 2a par son point mort haut, le capteur 4 envoie un signal de détection à PUCE 9 par la connexion 12. L'UCE 9 réinitialise alors un compteur de temps "Compt" qui comptabilise le temps écoulé à partir du dernier point mort haut. Avant de réinitialiser le compteur "Compt", PUCE stocke dans une mémoire "Period", la valeur "période" atteinte par le compteur "Compt", c'est-à-dire le temps écoulé entre les deux derniers points morts hauts. *à un moment où le capteur de régime moteur 4 détecte le passage du piston du cylindre 2a par son point mort haut, le capteur 4 envoie un signal de détection à PUCE 9 par la connexion 12. L'UCE 9 met à zéro une mémoire "EAp" et y stocke une première valeur de mesure de pression Api que lui fournit le capteur 14. Quand le compteur "Compt" atteint la moitié de la valeur "période" stockée en mémoire "Period", c'est-à-dire quand le piston du cylindre 2a est approximativement à son point mort bas, PUCE 9 ajoute à la mémoire "EAp" une deuxième valeur de mesure de pression Ap2 que lui fournit le capteur 14. *PUCE divise ensuite par deux la valeur contenue dans la mémoire "EAp", stocke le résultat dans une mémoire "Pmoy", et remet à zéro la mémoire "EAp". La valeur estimée de pression ainsi stockée dans la mémoire "Pmoy" peut ensuite être utilisée comme donnée d'entrée pour une lecture dans la cartographie 17. Afin d'obtenir une estimation aussi précise que possible de la quantité de suies piégées dans le filtre 8, PUCE peut utiliser, comme autre donnée d'entrée de la cartographie 17, le débit des gaz d'échappement estimé de la manière suivante : PUCE calcule une quantité par unité de temps de gaz de combustion envoyés dans la ligne d'échappement 6, à partir du débit d'air mesuré par le débitmètre 5 juste avant la détection du premier point mort haut, et à partir des quantités de carburants injectées dans les cylindres du moteur lors des dernières injections (ou de la dernière injection) ayant eu lieu avant la détection du premier point mort haut du cylindre de référence 2a. Ainsi, pour la lecture de la cartographie 17, la valeur de débit des gaz d'échappement, et la valeur de pression différentielle des gaz d'échappement, seront toutes deux des estimations ponctuelles (i;e, obtenues à partir de mesures physiques effectuées sur des temps courts, typiquement des temps inférieurs à un cycle moteur) et ces valeurs correspondront, très probablement, à la même masse de gaz traversant la ligne d'échappement 6, ou à défaut, à des masses de gaz produites dans des conditions de régime moteur très similaires. L'objet de l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit et peut se décliner en de nombreuses variantes, notamment dans la définition des instants auxquels on effectue l'acquisition des deux mesures de pression. En effet, sans changer fondamentalement l'invention, on peut acquérir la première mesure de pression non pas dès la détection du point mort haut, mais avec un décalage temporel arbitraire. Dans ce cas, on aura avantage à maintenir un écart temporel d'une valeur égale à la moitié de la période entre les deux mesures, et à choisir un décalage temporel inférieur à ce même écart. On peut également envisager de ne pas acquérir les mesures de pression après chaque passage par un point mort haut, mais seulement sur certains intervalles de temps entre deux points morts hauts consécutifs. Parmi les autres variantes de réalisation, la mesure de pression différentielle par un seul capteur pourrait être remplacée par deux mesures de pression en amont et en aval du filtre 8, la moyenne étant alors effectuée comme décrit plus haut sur la différence entre les deux mesures, ou effectuée sur les mesures de chaque capteur séparément. On peut également appliquer cette démarche à un seul capteur de pression disposé en amont du filtre à particules, la pression en aval du filtre étant alors calculée à partir de la pression en amont du filtre, de la pression atmosphérique en sortie de ligne d'échappement, de la température et du débit des gaz d'échappement. La pression différentielle estimée permet de déterminer la quantité de particules de suies accumulées dans un filtre à particules, à l'aide de cartographies reliant la pression différentielle, la température des gaz d'échappement, le débit de ces gaz et la quantité de particules accumulées. Alternativement, la quantité de suies peut être calculée à l'aide de cartographies sur des grandeurs reliées aux précédentes, par exemple des cartographies reliant la pression différentielle, le couple du moteur, la vitesse de rotation (régime) du moteur, et la quantité de particules accumulées. La pression différentielle estimée peut aussi permettre de décider du lancement d'une phase de régénération du filtre directement à l'aide de formules mathématiques, comme proposé dans le brevet US 6 829 889, ou pour calculer la quantité de particules accumulées selon d'autres méthodes que les lectures directes de cartographies. Le même brevet US 6 829 889 propose notamment un calcul des quantités de particules accumulées, à l'aide de la pression différentielle, du débit des gaz d'échappement et de leur température. La température permet alors de lire la viscosité des gaz dans une cartographie mémorisée, puis d'utiliser cette viscosité pour le calcul des quantités de particules accumulées. L'invention permet d'obtenir une valeur de pression des gaz dans la ligne d'échappement, ou de pression différentielle aux bornes du filtre à particules, qui est à la fois : - instantanée, i.e. représentative d'une période de temps brève et bien identifiée, l'intervalle entre deux points morts hauts ; cet aspect instantané de l'estimation permet d'associer à la valeur estimée de la pression une valeur précise de débit de gaz. - pertinente, puisque l'écart entre les deux mesures est choisi de manière à annuler des fluctuations pseudo sinusoïdales de pression. La précision de l'estimation de quantités de suies piégées en est améliorée, la fiabilité du pilotage des phases de régénération du filtre à particules également. On peut espacer davantage les étapes de régénération, et limiter les risques de surchauffe par emballement lors de la combustion des particules. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la masse de suies piégée dans un filtre à particules (8) monté dans la ligne d'échappement (6) d'un moteur à combustion interne (1) à pistons alternatifs, à partir d'estimations de la pression des gaz en amont du filtre (8) ou à partir d'estimations de la pression différentielle entre l'amont et l'aval du filtre (8), caractérisé en ce que l'on détermine chaque valeur estimée de pression en effectuant la moyenne de deux mesures obtenues par un capteur (14) ou un couple de capteurs de pression, les deux mesures de pression étant espacées d'un intervalle de temps qui est fonction du régime du moteur (1). 2. Procédé de détermination de la masse de suies suivant la revendication 1, dans lequel ledit intervalle de temps représente la moitié de l'intervalle de temps séparant deux passages successifs d'un des pistons du moteur par son point mort haut. 3. Procédé de détermination de la masse de suies suivant les revendications 1 ou 2, dans lequel la première mesure de pression est effectuée consécutivement à la détection du passage d'un des pistons du moteur par son point mort haut. 4. Procédé de détermination de la masse de suies selon la revendication 3, dans lequel on déclenche une nouvelle acquisition de deux mesures de pression à chaque détection du passage d'un piston de référence du moteur par son point mort haut. 5. Procédé de détermination de la masse de suies selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on associe à la valeur estimée de pression, une valeur de débit de gaz d'échappement calculée à partir des quantités d'air, des quantités de gaz recyclés et des quantités de carburant introduites dans les cylindres (2) du moteur au cours, ou juste avant, l'acquisition des deux mesures de pression, et on utilise cette valeur estimée de pression et cette valeur de débit pour en déduire la masse de suies piégées dans le filtre (8). 6. Procédé de pilotage des phases de régénération d'un filtre à particules (8) de véhicule automobile, dans lequel on utilise la masse de suies estimée suivant l'une des revendications précédentes pour déterminer à quel moment et sous quelles conditions de température de gaz d'échappement effectuer la combustion des suies piégées dans le filtre (8). 7. Système de motorisation pour véhicule automobile comprenant un moteur (1) muni d'au moins deux pistons coulissant chacun dans un cylindre (2), muni d'un capteur de régime moteur (4) apte à détecter la position d'au moins un des pistons à l'intérieur de son cylindre (2a) et muni d'une ligne d'échappement (6) collectant les gaz sortant des cylindres (2) du moteur, ladite ligne d'échappement (6) étant équipée d'un filtre à particules (8), et étant équipée d'au moins un capteur de pression en amont du filtre, ou d'un capteur de pression différentielle (14) entre l'amont et l'aval du filtre, ledit système comprenant en outre une unité de commande électronique (9) reliée au capteur de pression (14) et reliée au capteur de régime moteur (4), ladite unité de commande (9) étant apte à estimer la pression des gaz d'échappement en amont du filtre (8) ou apte à estimer la pression différentielle des gaz entre l'amont et l'aval du filtre (8), caractérisé en ce que l'unité de commande électronique est configurée pour effectuer une acquisitions de deux mesures successives du capteur de pression (14), mesures espacées dans le temps d'un intervalle qui est fonction du régime du moteur (1), et est configurée pour effectuer une moyenne des mesures acquises afin d'obtenir une valeur estimée de la pression. 8. Système de motorisation suivant la revendication 7, dans lequel l'unité de commande (9) est en outre apte à évaluer le débit et la température de gaz d'échappement correspondant audit intervalle de temps, et l'unité de commande dispose d'une cartographie mémorisée (17) lui permettant de lire, à partir de la pression ou la pression différentielle estimée, du débit et de la température de gaz d'échappement, le niveau de chargement du filtre (8) en particules de suie.