Brevet FR2949507A1 — publié le 20110304

PROCEDE DE DETECTION D'UNE DEFAILLANCE D'UN FILTRE A PARTICULES ET PROTECTION D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001] L'invention porte sur la boucle d'air des moteurs à combustion, c'est à dire l'ensemble du circuit par lequel transitent les gaz d'un moteur : l'admission d'air, la suralimentation et sa régulation, l'échappement, le traitement des gaz et leur recirculation. L'invention porte en particulier sur la recirculation de gaz d'échappement à l'admission des moteurs à combustion interne (fonction EGR). [0002] Pour améliorer l'efficacité d'un moteur et en diminuer les émissions polluantes, il est connu de réintroduite, dans certaines conditions d'utilisation, des gaz d'échappement à l'admission d'un moteur à combustion. [0003] Le rôle de ce dispositif est de diminuer la quantité d'oxydes d'azote (NOx) rejetée par le moteur. Ces oxydes d'azote sont produits par la combinaison de l'azote et de l'oxygène présents dans l'air d'admission sous l'effet d'une très haute température. Le système EGR diminue lors de certaines phases de fonctionnement la quantité d'oxygène disponible dans le cylindre en introduisant dans la tubulure d'admission une certaine quantité de gaz d'échappement pauvre en oxygène remplaçant ainsi l'air frais comburant. [0004] Pour augmenter l'efficacité de ce dispositif, dans le cadre d'un moteur Diesel suralimenté, il est connu d'employer un circuit EGR dit basse pression, basse température, c'est-à-dire présentant un piquage des gaz d'échappement en aval du filtre à particules généralement disposé dans le circuit d'échappement des moteur de type Diesel, et un raccordement coté admission en amont du compresseur. Un refroidissement complémentaire (échangeur) des gaz EGR est prévu dans la branche basse pression [0005] Les avantages de l'EGR Basse Pression par rapport à la boucle Haute Pression conventionnelle sont : • Une forte diminution de la température du mélange air frais / gaz EGR dans le collecteur d'admission. En effet, la température en aval du filtre à particules est inférieure à la température des gaz dans le collecteur d'échappement car ces derniers ont subi une détente dans la turbine du turbocompresseur. De plus, ces mêmes gaz sont refroidis par un échangeur EGR-BP puis compressés et de nouveau refroidis dans le refroidisseur d'air suralimenté. • Une meilleure homogénéisation du mélange air / EGR dans le collecteur d'admission. [0006] Ces deux facteurs permettent une forte diminution des émissions de d'oxydes d'azote (NOx). Ainsi, ce système permet de réduire très fortement les émissions de NOx. Cependant, trop de gaz d'échappement recyclés entraîne une forte augmentation des taux de suies, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures, en raison du manque d'air. [0007] Un contrôle précis de la quantité d'EGR introduit à l'admission moteur est donc absolument nécessaire afin de pouvoir gérer au mieux les compromis entre les émissions de NOx d'une part et de suie, de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures imbrûlés (HC) d'autre part. Pour ce faire, les vannes EGR sont généralement équipées de moteurs électriques contrôlés par un ensemble de lois de commande sous forme de stratégies logicielles et de paramètres de caractérisation dits calibrations mémorisés dans le calculateur de contrôle moteur. [0008] Cependant, une architecture à boucle EGR basse pression pose un problème en cas de dégradation de l'efficacité du filtre à particules [0009] En effet, en fonctionnement normal, les gaz EGR re-circulés dans la boucle basse pression et dans la ligne d'admission (compresseur, RAS, ...) sont propres et post-traités par le catalyseur d'oxydation et le filtre à particules dont l'efficacité de filtration est quasi parfaite. Ainsi aucun phénomène d'encrassement n'est observé et les performances du système (efficacité de refroidissement des échangeurs, perméabilité des lignes, ...) n'évoluent pas dans le temps. [0010] Cependant, des phénomènes de fissuration peuvent survenir dans des situations de défaillance du filtre à particules liées à une mauvaise gestion de la combustion des suies (exotherme trop important). Les conséquences de cette défaillance pour le système de recirculation des gaz d'échappement à basse pression sont les suivantes : • L'échangeur EGR placé dans la ligne basse pression s'encrasse, et, en conséquence, la température en amont puis en aval du compresseur augmente. • Le compresseur perd en perméabilité et le rendement de compression diminue. En conséquence la température du mélange air EGR en aval du compresseur augmente. • Le refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) du moteur s'encrasse et les pertes de charges de ce dernier augmentent. Les systèmes de contrôle moteur ayant classiquement une régulation de la pression dans le collecteur d'admission, une augmentation des pertes de charge du RAS engendre une augmentation du régime du turbocompresseur et de la température des gaz en sortie du compresseur. [0011] L'ensemble de ces phénomènes ont pour conséquence d'augmenter la température des gaz en aval du compresseur. Cette température est classiquement limitée autour de 200°C car des risques de tenue mécanique de la ligne d'air en aval du compresseur et des risques de cokéfaction de l'huile présente dans les gaz de blow-by réinjectés en amont du compresseurs peuvent apparaître. Un dépassement d'une telle température pourrait entrainer une casse du compresseur et en conséquence une casse du moteur lui-même. [0012] Diverses solutions à ce problème sont envisagées dans l'art antérieur : [0013] L'utilisation d'un capteur de suies en aval du filtre à particules serait envisageable, mais à ce jour, la faisabilité industrielle d'un tel concept n'est pas démontrée et le coût de ces capteurs est conséquent ; [0014] L'intégration d'un filtre à particules dans la branche basse pression, mais cette solution présente un surcoût important, des contraintes en termes d'implantation, et ajoute des causes de défaillances potentielles au moteur ; [0015] L'emploi de stratégies de détection de la fissuration des filtres à particules. Par exemple, le brevet EP1845244 propose de surveiller la différence de pression aux bornes du filtre à particules et la température en amont du filtre à particules pour détecter une fissuration du filtre, mais cette stratégie est peu fiable et ne traduit pas directement l'effet de la fissuration sur le système EGR basse pression ; [0016] Une autre solution elle aussi proposée intègre par nature une mesure de température en aval du filtre à particules, et donc dans un environnement très contraint. En conséquence, la définition technique du capteur considéré est très riche et le capteur coûteux. [0017] Ces solutions sont cependant imparfaites, car leur mise en oeuvre engendre un surcoût important, complexifie fortement l'architecture de la boucle d'air du moteur, ou est peu fiable. [0018] Dans l'invention, on résout ces problèmes par l'adoption une stratégie optimisée de la boucle d'air. Elle permet, à moindre coût, de détecter une défaillance du filtre à particules équipant la ligne d'échappement d'un moteur, et de protéger le moteur contre une casse du compresseur liée à la défaillance par fissuration du filtre à particules. [0019] Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de détection de la défaillance d'un filtre à particules équipant la ligne d'échappement d'un moteur suralimenté doté d'un système de recirculation des gaz d'échappement à basse pression muni d'un échangeur thermique, comportant les étapes de : • estimation de la température des gaz à la sortie de l'échangeur thermique ; • mesure de la température des gaz à la sortie de l'échangeur thermique ; • comparaison de l'écart entre la température estimée et la température mesurée, et un seuil prédéterminé ; • décision sur la défaillance du filtre à particules en fonction de l'étape de comparaison. [0020] Un tel procédé permet de détecter la défaillance d'un filtre à particules par ses conséquences sur l'échangeur thermique du circuit de recirculation des gaz à basse pression. Elle peut, selon le mode de réalisation, ne mettre en jeu aucune sonde dans des environnements très contraints thermiquement ou chimiquement, ce qui limite le coût des sondes employées et qui assure une meilleure fiabilité des mesures, et donc de l'ensemble du procédé. [0021] De préférence, le calcul de la température des gaz à la sortie de l'échangeur thermique basse pression est réalisé en fonction d'un modèle du rendement de l'échangeur basse pression fonction du débit de gaz dans la branche basse pression. [0022] De préférence le modèle du rendement de l'échangeur basse pression met en jeu la température en aval du filtre à particules calculée via un modèle de perte thermique hors exotherme lors de la combustion des suies dans le filtre à particules et prenant en compte l'enthalpie des gaz d'échappement et les échanges convectifs dans le filtre. [0023] De préférence, le débit de gaz dans la branche basse pression est estimé par le calcul de la différence entre le débit total aspiré par le moteur et le débit d'air mesuré par un débitmètre admission. [0024] De préférence, la décision sur la défaillance du filtre est conditionnée au fonctionnement du moteur à un régime et une charge stabilisés. Cela assure la représentativité des mesures et évaluation menées lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. [0025] Dans une variante de l'invention dans laquelle le procédé est appliqué à un moteur comportant un circuit de refroidissement liquide la décision sur la défaillance du filtre est de préférence conditionnée à une température du liquide de refroidissement comprise entre des bornes prédéterminées. La température du liquide de refroidissement est représentative de la température de fonctionnement du moteur. On s'assure ainsi que le moteur fonctionne dans des conditions normales, et que le procédé permet l'obtention d'un résultat significatif. [0026] Dans une variante de l'invention dans laquelle le procédé est appliqué à un moteur comportant un circuit de refroidissement liquide, la décision sur la défaillance du filtre est conditionnée à un débit de gaz dans le système de recirculation des gaz d'échappement à basse pression compris dans une plage prédéfinie. Un débit de gaz suffisant peut en effet se révéler nécessaire à la représentativité du procédé selon l'invention. Cela est lié à la nécessité d'avoir des conditions de fonctionnement du moteur représentative d'un fonctionnement normal, mais également aux imprécisions de mesure ou d'évaluation des différents paramètres mis en jeu dans le procédé selon l'invention. [0027] L'invention porte également sur un procédé de protection d'un moteur à combustion dans lequel on met en oeuvre un procédé de détection de la défaillance d'un filtre à particules selon l'invention, dans lequel, lorsqu'une défaillance du filtre est détectée, on empêche la circulation des gaz dans le circuit EGR basse pression et/ou on avertit l'utilisateur du moteur de la défaillance du filtre par un signal dédié. [0028] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0029] La figure 1 présente une architecture de boucle d'air sur laquelle un procédé selon l'invention est applicable. [0030] La figure 2 présente le synoptique d'un procédé selon l'invention. [0031] Conventionnellement, on utilise dans la suite du présent mémoire les références suivantes : Dair Débit massique d'air mesuré à l'admission Dbp Débit massique des gaz EGR au niveau de la vanne Basse Pression Dexh Débit massique traversant le filtre à particule D. Débit massique aspiré par le moteur N Régime moteur mesuré Nombre de cylindres du moteur considéré P22 Pression mesurée des gaz dans le collecteur d'admission Qcarb Consigne de débit massique de carburant injecté dans la chambre de combustion T21 Température mesurée des gaz en sortie du RAS Tcool Température du fluide de refroidissement dans l'échangeur basse pression TBP Température estimée des gaz en sortie de l'échangeur thermique (circuit EGR basse Pression) TBP Température mesurée des gaz en sortie de l'échangeur thermique (circuit EGR basse Pression) V~,1 Cylindrée du moteur considéré T5 Température estimée des gaz en sortie du système EGR Haute Pression T4 Température des gaz mesurée en amont du filtre à particules CpgQZ Capacité thermique des gaz d'échappement TFAP Estimation de la température du filtre à particules CpFaa Capacité thermique du filtre à particules Hfap Coefficient d'échanges thermiques entre le filtre à particules et les gaz d'échappement Hfapt Coefficient d'échanges thermiques entre le filtre à particules et l'extérieur 11,01 Rendement volumétrique moteur 17BP Rendement de l'échangeur basse pression R Constante des gaz parfait [0032] Sur la figure 1, un moteur 1 est suralimenté par un turbocompresseur 2, muni d'un compresseur 21 et d'une turbine 22. [0033] Le circuit d'échappement du moteur comporte des moyens de dépollution, en aval de la turbine 22, à savoir un catalyseur 3 et un filtre à particules 4. [0034] Le circuit d'admission du moteur comporte un filtre à air 5 en amont du compresseur 21. Un refroidisseur d'air de suralimentation 6 est disposé en aval du compresseur 21, suivi d'un doseur d'air 7. [0035] Dans la variante ici représentée, le moteur comporte deux boucles de recirculation des gaz d'échappement. : • Une boucle haute pression 8, entre l'échappement du moteur en aval de la turbine 22 et l'admission du moteur 1 en aval du doseur d'air 7. • Une boucle basse pression 9, entre l'aval du filtre particules 4 et l'amont du compresseur 21. [0036] La boucle haute pression 8 est dotée d'une vanne EGR haute pression 81. [0037] La boucle basse pression comporte une vanne EGR basse pression 91 et échangeur EGR basse pression 92. [0038] Un volet échappement 10 permet de générer la contre pression nécessaire à la circulation des gaz dans la boucle EGR basse pression 9. [0039] Dans l'invention, un capteur de température gaz basse pression 93 est disposé dans la boucle EGR basse pression 9, et permet l'évaluation de la température mesurée en sortie de l'échangeur basse pression Ï. . Une ou plusieurs sondes de température échangeur basse pression 94 ou au sein du circuit de refroidissement du moteur permet la mesure de la température du liquide Tool dans l'échangeur basse pression 92. [0040] Un débitmètre 11 est positionné de sorte à évaluer le débit d'air mesuré à l'admission bai, , en amont du piquage à l'admission de la boucle EGR basse pression. [0041] Un capteur de température sortie RAS 12 permet l'évaluation de la température de gaz mesurée en sortie du refroidisseur d'air de suralimentation Tl . [0042] Un capteur de pression admission 13 permet l'évaluation de la pression mesurée des gaz dans le collecteur d'admission 1522 . [0043] Un capteur de température FAP 14 permet la mesure de la température des gaz mesurée en amont du filtre à particules T4 . [0044] Des variantes de cette définition technique peuvent être considérées tout en permettant l'application du procédé selon l'invention. Par exemple, le moteur peut ne pas présenter de boucle haute pression, il peut présenter un volet à l'admission au lieu d'un volet à l'échappement échappement, il peut ne pas présenter de volet de contre pression (ni admission ni échappement). [0045] La figure 2 présente sous la forme d'un synoptique un procédé conforme à l'invention. Le principe du procédé est d'estimer en temps réel dans le calculateur, la température estimée des gaz en sortie de l'échangeur basse pression TBP et de comparer cette estimation à la température mesurée en sortie de l'échangeur basse pression TBP . Le procédé selon l'invention repose globalement sur une estimation des paramètres thermodynamiques (pressions, températures, débits) en différents points du système considéré. [0046] Si dans certaines conditions la température mesuréeTBP est supérieure à celle estimée TBP alors on peut conclure que l'échangeur EGR est encrassé suite à une fissuration du filtre à particules. Dans une variante de l'invention, une variable booléenne � Flag � est alors générée et des reconfigurations de protection du moteur sont proposées. [0047] La température en aval du filtre T5 est calculée dans une étape A via un modèle de perte thermique hors exotherme lors de la combustion des suies dans le filtre à particules, prenant en compte l'enthalpie des gaz d'échappement et les échanges convectifs avec le substrat du filtre à particules : C p Qaz . Dexh T4 + H fap . \T4 ù TFAP ) T5 C .D T Hfap.(T4 ùTFAP)ùHfap_ext.(T4 ùT tl FAP C p FAP [0048] En mode EGR basse pression (branche haute pression optionnelle fermée), le 15 débit total Dtot aspiré par le moteur est défini dans une étape B de la manière suivante : t D. - Tlv0l.P2 Veyl.n cyl .N 120.R.T21 [0049] L'obtention du rendement volumétrique du moteur rlvol est possible par diverses méthodes connues dans l'art antérieur. Dans une variante préférentielle de l'invention, on 20 emploie la méthode connue au travers de la demande de brevet FR2916481A dans une étape C. [0050] Le débit de gaz traversant le filtre à particules Dexh , calculé dans une étape D est la somme du débit total aspiré par le moteur Dtot éventuellement retardé du temps de la combustion fonction du régime moteur et de la quantité de carburant injectée dans la 25 chambre de combustion Qcarb : Dexh Dtot + Qcarb [0051] Le débit de gaz estimé dans la branche basse pression Dbp est estimé dans une étape E, en statique et en mode EGR basse pression (branche haute pression optionnelle fermée), comme étant la différence entre le débit total aspiré Dtot et le débit d'air mesuré Dair par un débitmètre. Dbp Dtot - Dair [0052] Le modèle peut éventuellement être amélioré par des compléments dynamiques (par exemple une inversion de modèle de volume). [0053] La température calculée en sortie de l'échangeur basse pression TBP est calculée dans une étape F via un modèle du rendement de l'échangeurr7Bp, fonction du débit le traversant Dbp, selon l'équation : TBP =T +~1BP(T5 ùTooi ) [0054] Dans une étape de mesure de la température en sortie de l'échangeur basse pression G, on mesure de la température mesurée en sortie de l'échangeur basse pression TBP . [0055] Dans une étape de comparaison H, on calcule la différence entre la température calculée en sortie de l'échangeur basse pression TBP et la température mesurée en sortie de l'échangeur basse pression TBp : Si l'écart de température est supérieur à un seuil prédéterminé, pouvant par exemple correspondre à la dispersion liée au dispositifs et moyens employés pour la réalisation du procédé (erreurs de mesures, approximation liées aux modèles employés, etc.), et qu'un certain nombre de conditions sont réunies alors une variable (flag) est générée permettant d'informer le calculateur moteur d'une défaillance du filtre à particules. [0056] Les conditions précitées peuvent être, à titre d'exemples et de façon non exhaustive : • Un régime et une charge du moteur stabilisés pendant un certain temps ; • Une température du liquide de refroidissement du moteur supérieure située dans des bornes prédéterminées ; • Un débit de gaz EGR dans une plage prédéfinie ; [0057] Dans la variante de l'invention ici représentée, lorsque la variable flag de détection d'une fissuration du filtre à particules est émise, on commande la fermeture de la vanne EGR Basse Pression pour limiter la recirculation des particules en sortie du filtre à particules. Dans d'autres variantes de l'invention, d'autres reconfigurations de la boucle d'air peuvent être appliquées : utiliser de la boucle EGR haute pression exclusivement, prévenir le client que le système de dépollution est défaillant par un signal dédié, etc. [0058] L'invention propose ainsi un procédé de détection de la défaillance d'un filtre à particules et de sauvegarde d'un moteur à combustion contre les conséquences d'une telle défaillance, simple et peut onéreux à mettre en oeuvre, car n'employant que des capteurs préexistant ou de technologie simple dans des environnements peu contraints. Revendications: 1. Procédé de détection de la défaillance d'un filtre à particules (4) équipant la ligne d'échappement d'un moteur suralimenté (1) doté d'un système de recirculation des gaz d'échappement à basse pression (9) muni d'un échangeur thermique (92), caractérisé par les étapes de : • estimation de la température des gaz à la sortie de l'échangeur thermique (92) ; • mesure de la température des gaz à la sortie de l'échangeur thermique (92); • comparaison de l'écart entre la température estimée et la température mesurée, et un seuil prédéterminé ; • décision sur la défaillance du filtre à particules (4) en fonction de l'étape de comparaison. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de la température des gaz à la sortie de l'échangeur thermique basse pression (92) est réalisé en fonction d'un modèle du rendement de l'échangeur basse pression (92) fonction du débit de gaz dans la branche basse pression (9). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modèle du rendement de l'échangeur basse pression (92) met en jeu la température en aval du filtre à particules (4) calculée via un modèle de perte thermique hors exotherme lors de la combustion des suies dans le filtre à particules (4) et prenant en compte l'enthalpie des gaz d'échappement et les échanges convectifs dans le filtre (4). 4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le débit de gaz dans la branche basse pression (9) est estimé par le calcul de la différence entre le débit total aspiré par le moteur (1) et le débit d'air mesuré par un débitmètre admission (11) . 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la décision sur la défaillance du filtre est conditionnée au fonctionnement du moteur (1) à un régime et une charge stabilisés. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué à un moteur comportant un circuit de refroidissement liquide, caractérisé en ce que ladécision sur la défaillance du filtre est conditionnée à une température du liquide de refroidissement comprise entre des bornes prédéterminées 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué à un moteur comportant un circuit de refroidissement liquide, caractérisé en ce que la décision sur la défaillance du filtre est conditionnée à un débit de gaz dans le système de recirculation des gaz d'échappement à basse pression compris dans une plage prédéfinie. 8. Procédé de protection d'un moteur à combustion dans lequel on met en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que, lorsqu'une défaillance du filtre (4) est détectée, on empêche la circulation des gaz dans le circuit EGR basse pression (9) et/ou on avertit l'utilisateur du moteur de la défaillance du filtre par un signal dédié.