Brevet FR2958969A1 — publié le 20111021

PROCEDE DE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES [0001 La présente invention concerne un procédé et un système de régénération d'un filtre à particules placé dans une ligne de gaz 5 d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule. [0002] Les véhicules munis d'un moteur thermique sont de plus en plus souvent équipés de dispositifs antipollution qui peuvent comprendre un ensemble de catalyseurs transformant les constituants toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrulés, oxydes 10 d'azote) en éléments moins toxiques (eau et CO2). Ces dispositifs antipollution comprennent aussi, notamment pour les moteurs Diesel, un filtre à particules qui piège les particules de carbone issues de la combustion dans les cylindres. Un filtre à particules a généralement une forme cylindrique et est réalisé en céramique. Le filtre est composé d'une multitude de canaux 15 parallèles, de petits diamètres, qui piègent les particules. Ces dernières s'accumulent dans le filtre et il est périodiquement nécessaire de régénérer le filtre en éliminant les particules piégées afin d'éviter une perte de charge trop importante dans la ligne d'échappement. Pour cela, la température du filtre est augmentée jusqu'à atteindre une température à laquelle les 20 particules de carbone brulent. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour élever la température. Par exemple une résistance chauffante peut être insérée dans le filtre. Cependant la méthode la plus répandue consiste à augmenter la température des gaz d'échappement qui vont traverser le filtre. A cette fin, il est possible par exemple d'injecter une quantité supplémentaire 25 de carburant dans au moins un des cylindres sous forme de post-injection. Ce carburant s'enflamme en produisant une augmentation de température des gaz d'échappement. Une autre solution, qui peut être combinée à la post-injection, consiste à retarder l'injection principale de carburant. [0003] Le besoin de régénération du filtre peut être détecté par la mesure 30 de la perte de charge, c'est-à-dire en mesurant à l'aide d'un capteur la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre. Le besoin de régénération peut aussi être estimé en fonction du nombre de kilomètres parcourus et des conditions d'utilisation du véhicule. La régénération du filtre est déclenchée automatiquement et se passe généralement à l'insu du conducteur. [0004] La combustion se propageant dans le filtre, il en résulte un gradient de température à l'intérieur du filtre qui, s'il est trop important, peut gravement endommager le filtre en provoquant des fissurations. De plus, une température globalement trop élevée (généralement au-delà de 1000°C) peut conduire à la destruction du filtre. Il est donc important de contrôler la combustion des particules piégées afin de ne pas provoquer des dommages irréversibles au filtre. [0005] Plusieurs solutions ont déjà été proposées et décrites dans des demandes de brevet. Par exemple, la demande de brevet FR 2 830 274 propose un procédé de régénération permettant d'améliorer l'efficacité de la régénération par une post-injection et/ou le décalage de l'injection principale. [0006] La demande de brevet FR 2 862 704 décrit un système comportant des moyens d'analyse des conditions de roulage du véhicule et de comparaison de celles-ci à des valeurs de seuil, pour piloter le moteur dans un premier mode de fonctionnement à mélange pauvre pour des conditions de roulage supérieures aux valeurs de seuil ou dans un second mode de fonctionnement mettant en oeuvre des séquences de fonctionnement moteur alternant des phases de fonctionnement à mélange riche et à mélange pauvre pour des conditions inférieures aux valeurs de seuil. [0007] La demande de brevet FR 2 927 362 décrit un procédé pour la régénération d'un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon lequel chaque phase de régénération est divisée en une succession de périodes fractionnées dans lesquelles la température des gaz d'échappement est alternativement plus chaude pour une période riche et plus froide pour une période pauvre. La durée de ces périodes est déterminée de sorte que le surplus d'énergie apporté par une période riche soit compensé par un défaut d'énergie dans une période pauvre pour que l'énergie moyenne apportée au dispositif permette à la température sortant du dispositif de post-traitement de rester proche d'une température de consigne optimale. La variation de température des gaz d'échappement est obtenue par une variation du mode de combustion du moteur, comme par la variation de la richesse en carburant. [0008] Les méthodes décrites dans ces demandes de brevet ne prennent pas en compte l'ensemble des paramètres permettant de contrôler efficacement la régénération du filtre à particules, et notamment l'emballement de la combustion lorsque le filtre contient une grande quantité de suies. [0009] La présente invention propose un procédé et un système de régénération d'un filtre à particules permettant d'éviter l'emballement de la combustion des particules de suie piégées dans le filtre. L'invention est particulièrement bien adaptée au cas où la régénération est sévère, c'est-à-dire lorsqu'il existe un risque d'emballement de la combustion des suies. Selon l'invention, ce risque existe lorsqu'une grande quantité de suies est présente dans le filtre et lorsque la température des gaz d'échappement est suffisamment élevée pour entrainer la combustion des suies dans le filtre. Par grande quantité de suies, on entend une quantité inférieure à la quantité qui boucherait complètement le filtre mais suffisamment importante pour que la combustion des suies présente un risque d'emballement. En d'autres termes, la perte de charge mesurée entre l'entrée et la sortie du filtre se situe entre un seuil supérieur, correspondant à un filtre bouché, et un seuil inférieur correspondant à un filtre encrassé. [0010 De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules placé dans la ligne des gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule, comportant les étapes suivantes: • identification d'un risque de régénération sévère en fonction de la quantité de suies dans le filtre à particules et de la température en amont du filtre, • lorsqu'un risque sévère est identifié, détermination des limites d'une zone de fonctionnement moteur pour laquelle la régénération du filtre est étouffée, • déclenchement d'un mode de fonctionnement moteur permettant 5 d'étouffer la régénération du filtre lorsque le point de fonctionnement moteur est situé dans ladite zone, • arrêt dudit mode de fonctionnement moteur lorsque les conditions de régénération sévère ont disparues et passage en mode de régénération courant, 10 • répétition des étapes précédentes jusqu'à ce que ladite zone de fonctionnement moteur soit réduite à une telle extrémité qu'elle n'existe pratiquement plus. [0011] Selon l'invention: ledit risque de régénération sévère est identifié lorsque: 15 • la quantité de suies dans ledit filtre est supérieure à un seuil prédéterminé, et • la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre est suffisante pour entrainer la combustion desdites suies. [0012] Selon un mode de mise en oeuvre, la quantité de suies dans le filtre 20 est déterminée par une mesure de différence de pressions entre l'entrée et la sortie du filtre. [0013] Selon un autre mode de mise en oeuvre, la quantité de suies dans le filtre est estimée. [0014] Selon l'invention: 25 • ladite zone de fonctionnement moteur se caractérise par le couple moteur en fonction du régime moteur et la limite supérieure de ladite zone est fonction de la quantité de suies dans le filtre et des conditions de roulage du véhicule; • ledit mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre dépend de la valeur du couple moteur. [0015] Avantageusement, lorsque ledit couple moteur est négatif, ledit mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre est un mode zéro débit d'air et, lorsque le véhicule est muni d'une vanne doseur et d'une vanne EGR, ledit mode de fonctionnement comprend la fermeture de la vanne doseur et l'ouverture de la vanne EGR. [0016] Lorsque le couple moteur est positif, ledit mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre est avantageusement un mode riche selon lequel les gaz pénétrant dans le filtre ont une teneur pauvre en oxygène, laquelle peut être proche de 0% ou même égale à 0%. [0017] Lorsqu'un catalyseur à oxydation est présent dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules, la teneur pauvre en oxygène peut être obtenue grâce à des conditions sensiblement stoechiométriques de carburant et d'oxygène à l'entrée du catalyseur d'oxydation. Lesdites conditions stoechiométriques peuvent être obtenues en ajoutant de la post combustion tardive dans le cycle de fonctionnement du moteur. [0018] L'invention concerne également un système de contrôle de la régénération d'un filtre à particule destiné à être placé dans une ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique, le dispositif comportant un contrôleur adapté à mettre en oeuvre le procédé de régénération tel que défini précédemment. [0019] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 montre schématiquement une architecture de ligne de gaz d'échappement; • la figure 2 illustre le principe du procédé de l'invention; • la figure 3 illustre une façon d'étouffer la régénération du filtre à particules; • les figures 4 et 5 sont des schémas de principe illustrant le mode de fonctionnement d'un lever de pied respectivement "normal" et avec 5 "zéro débit d'air". [0020] Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. [0021] De préférence et de façon résumée, la stratégie de l'invention peut être appliquée lorsque: 10 • la quantité de suies dans le filtre est supérieure à un seuil correspondant à un risque établi de régénération sévère et inférieure à un seuil prédéterminé qui peut correspondre au déclenchement d'une alarme indiquant que le filtre est colmaté; et • la température en amont du filtre est supérieure à un seuil 15 correspondant à un risque d'initiation de la combustion des suies. [0022] La quantité de suies dans le filtre et les conditions de roulages permettent de définir une « zone riche » initiale. [0023] Au cours du roulage, le véhicule passera successivement par des points de fonctionnement moteur situés dans la « zone riche » où la 20 régénération est étouffée et dans une « zone mode courant » où la régénération est activée. [0024] Ainsi la masse de suies dans le filtre va progressivement diminuer. Une « zone riche » plus petite sera alors déterminée et le processus précédent recommencera. 25 [0025] La stratégie de l'invention est désactivée lorsque : • La quantité de suies dans le filtre est inférieure à un seuil correspondant à un risque établi de régénération sévère, ou • La température en amont du filtre reste inférieure à un seuil correspondant à un risque d'initiation de la combustion des suies pendant une durée suffisante. [0026] La mise en oeuvre du procédé de l'invention peut s'appuyer sur une architecture de ligne d'échappement illustrée sur la figure 1. Sur cette figure, la ligne d'échappement 10 comporte, successivement et dans le sens du flux des gaz d'échappement, une turbine 11 d'un turbocompresseur, une sonde 12 de température et d'oxygène, un catalyseur d'oxydation Diesel 13 (habituellement désigné par l'abréviation DOC pour Diesel Oxydation Catalyst), une sonde de température 14, un filtre à particules 15 et une sonde d'oxygène 16. Les sondes 12, 14 et 16 sont reliées à un dispositif de relever de données 17 lequel communique avec un contrôleur 18 qui peut être le contrôleur de fonctionnement du moteur ou un contrôleur dédié à la régénération du filtre à particules. Le contrôleur 18 comprend dans une mémoire les différentes étapes pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. [0027] Le procédé de l'invention repose sur le principe d'activation et d'étouffement de la combustion des particules de suies piégées dans le filtre. L'étouffement intervient en fonction des conditions de roulage lorsque ces conditions ne permettent pas l'évacuation de la chaleur dégagée par la combustion et le contrôle de la température du filtre. Par exemple, en roulant sur autoroute à vitesse élevée, le débit d'air dans la ligne d'échappement est généralement suffisant pour évacuer les calories dégagées par la combustion des suies. Par contre, la situation est probablement différente en roulant en ville à faible vitesse. Dans ce cas, il peut se produire un emballement de la combustion dans le filtre et une augmentation de la température global du filtre et/ou des gradients de température trop importants qui peuvent conduire à fissurer le filtre. Il est alors nécessaire d'étouffer la combustion des suies, par exemple en diminuant le taux d'oxygène en entrée du filtre. A cette fin, on peut par exemple couper le débit de gaz en lever de pied ou piloter le moteur en mode riche. [0028] A la figure 2, on a représenté les différentes zone de fonctionnement du moteur selon le régime moteur (en tours par minute) et le couple effectif en Nm Cette figure illustre la façon de procéder. On commence par déterminer le couple maximal admissible que l'on peut atteindre pour chaque point de régime moteur. L'ensemble des couples maximaux admissibles est représenté par la courbe 21 sur la figure 2 qui montre la pression moyenne effective ou PME (en bars) en fonction du régime moteur R (de 0 à 5000 tours/minute). La pression PME est une valeur proportionnelle au couple moteur. Les différentes valeurs possibles du couple moteur sont situées à l'intérieur d'un espace 20 délimitée par la courbe 21, par les valeurs minimale (environ 800 t/min) et maximale (environ 4500 t/min) du régime moteur R et par la valeur minimale PMEmin de PME (cette valeur est négative, égale à environ -30 bars, sachant que le couple peut être négatif par exemple pendant un lever de pied pendant une phase de décélération, le moteur étant alors entrainé par le véhicule). A l'intérieur de l'espace 20, on définit une zone 22 correspondant aux valeurs de couple négatives (zone délimitée par l'axe 23, par la valeur minimale de PME , PMEmin, et par les valeurs minimale (environ 800 t/min) et maximale (environ 4500 t/min) du régime moteur. Pour tous les points de fonctionnement moteur situés à l'intérieur de la zone 22, on fait fonctionner le moteur à "zéro débit d'air" (figure 5) de façon à étouffer la combustion des suies dans le filtre à particules. [0029] A l'intérieur de l'espace 20, on définit également une zone 24 de couple positif, dite "zone riche", délimitée par une courbe 25, par les valeurs minimale et maximale du régime moteur et par l'axe 23. Pour tous les points de fonctionnement moteur situés à l'intérieur de la zone riche 24, la combustion des suies est étouffée en faisant fonctionner le moteur en mode riche. Le mode riche consiste à augmenter la quantité de carburant injectée dans les cylindres de façon à obtenir une concentration en entrée du filtre voisine de zéro %, et si possible 0%. On étouffe ainsi la combustion dans le filtre par manque de comburant. La taille de la zone riche 24 dépend de la charge en suies du filtre et des conditions de roulage. Plus la quantité de suies est importante, plus la taille de la zone riche 24 est grande. La taille de la zone riche 24 diminue donc au fur et à mesure que les suies sont brûlées dans le filtre. La forme et la position de la courbe 25 sont adaptées en fonction des conditions de roulage du véhicule et de la quantité de suies restantes dans le filtre. [0030] A l'intérieur de l'espace 20, on définit également une zone 26 dite de "mode courant" et délimitée par les courbes 21 et 25. Pour les points de fonctionnement moteur situés dans cette zone 26, on laisse la combustion se déroulée selon le processus normal de régénération. [0031] Au cours d'un parcours automobile, le véhicule va rencontrer alternativement des fonctionnements correspondant aux zones "zéro débit d'air" 22, riche 24 et mode courant 26. On aura donc une succession de combustion des suies selon le mode courant et d'étouffement des suies. La quantité de suies présentes dans le filtre va donc diminuer au fur et à mesure: il en résulte une diminution progressive de la taille de la zone riche 24 et de la zone "zéro débit d'air" 22. Le procédé de régénération se poursuit tant qu'il reste des suies dans le filtre et donc tant que les tailles des zones 22 et 24 ne sont pas réduites à pratiquement zéro. [0032] La stratégie d'étouffement de la combustion nécessite la calibration du moteur selon un mode riche sur une zone de charge moteur (c'est-à-dire une zone de couple demandé par le conducteur) très étendue du champ moteur. Pour cela on peut définir des cartographies spécifiques des grandeurs suivantes: • Avance Injection Pilote 2. • Quantité Injection Pilote 2. • Avance Injection Pilote 1. • Quantité Injection Pilote 1. • Avance Injection Principale. • Avance Post Injection 1. • Quantité Post Injection 1. • Avance Post Injection 2. • Quantité Post Injection 2. • Pression Rail. • Position Volet Doseur d'Air. • Position Vanne EGR. [0033] Les chiffres 1 ou 2 pour, par exemple pilote 1 ou injection 2, représentent la position des injections ou l'ordre des injections par rapport au point mort haut. Ces paramètres sont ceux qui permettent de faire fonctionner le moteur en mode riche (méthode bien connue des motoristes). [0034] Lorsque la ligne d'échappement comporte un catalyseur à oxygène (comme le catalyseur 13 de la figure 1), on peut ajouter de la postcombustion tardive dans au moins un cylindre de façon à atteindre à l'entrée du catalyseur des conditions stoechiométriques entre le carburant à bruler et l'oxygène qui reste après la combustion dans les cylindres. On prive ainsi le filtre d'oxygène de façon à étouffer la combustion des suies. C'est ce qui est illustré sur la figure 3 qui représente schématiquement un catalyseur d'oxydation Diesel (DOC) 30 suivi par un filtre à particules 31. De l'air 32 et du carburant 33 imbrulé dans les cylindres pénètrent à l'entrée 34 du catalyseur. En jouant sur les temps d'injection et les quantités de carburant injecté dans les cylindres, on peut obtenir des conditions stoechiométriques carburant/oxygène contenu dans l'air à l'entrée 34 du filtre 31. Il en résulte que la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement à la sortie 35 du catalyseur est très faible, proche de 0% ou même égale à 0%.Cette façon de procéder permet de priver d'oxygène le filtre à particules 31 et donc d'étouffer la combustion des suies. [0035] Les figures 4 et 5 illustrent le principe du mode de fonctionnement "zéro débit d'air", la figure 4 concernant un lever de pied "normal" du conducteur (lever du pied de la pédale d'accélérateur: c'est donc une phase de décélération), alors que la figure 5 concerne un lever de pied du type "zéro débit d'air". 10 [0036] Sur les figures 4 et 5, le véhicule est muni d'un compresseur 40 et d'une turbine 41 d'un turbocompresseur, le compresseur est suivi d'un échangeur thermique 42 et d'une vanne "doseur" 43. L'air comprimé et refroidi est injecté dans les cylindres du moteur 44. Le véhicule comporte également une boucle de recirculation des gaz d'échappement (boucle EGR) qui comporte une vanne EGR 45 suivie par un échangeur thermique 46. Les gaz d'échappement issus des cylindres passent dans la turbine 41, puis dans des catalyseurs 47 et 48 et dans un filtre à particules 49. [0037] Pour un lever de pied normal (figure 4), la vanne doseur 43 est ouverte et la vanne EGR 45 est fermée. L'air d'admission circule alors comme indiqué par les flèches 50, 51 et 52 et les gaz d'échappement circulent alors directement vers la ligne d'échappement (flèche 53) et traversent les catalyseurs 47 et 48 et le filtre 49 (flèche 54). Pour un lever de pied de type zéro débit d'air (figure 5), la vanne doseur 43 est fermée et la vanne EGR 45 ouverte. Le moteur tourne alors sur la boucle EGR: en sortant du moteur 44, les gaz d'échappement passent par la vanne EGR 45 et l'échangeur 46, comme indiqué par les flèches 55, 56 et 57. Le filtre à particules 49 est ainsi privé de gaz et la combustion des suies dans le filtre peut ainsi être étouffée. [0038] L'adaptation de la zone riche 24 aux conditions de roulage et à la quantité de suies restantes dans le filtre permet le contrôle de la régénération du filtre pour des chargements en suies devant pouvoir atteindre le seuil entraînant une alarme indiquant que le filtre est colmaté. Ceci doit permettre de : • contenir les fissurations du filtre et donc d'assurer le respect des normes émissives en masse et en nombre, et d'éviter les risques d'échauffement aggravés du filtre; • dimensionner au plus juste le substrat filtrant et • de choisir des substrats filtrants moins chers puisque moins contraints 30 aux niveaux thermiques élevés. [0039] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (15) placé dans la ligne des gaz d'échappement (10) d'un moteur thermique d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: • identification d'un risque de régénération sévère en fonction de la quantité de suies dans le filtre à particules et de la température en amont du filtre, • lorsqu'un risque sévère est identifié, détermination des limites (25) d'une zone de fonctionnement moteur (22, 24) pour laquelle la 10 régénération du filtre est étouffée, • déclenchement d'un mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre lorsque le point de fonctionnement moteur est situé dans ladite zone (22, 24), • arrêt dudit mode de fonctionnement moteur lorsque les conditions de 15 régénération sévère ont disparues et passage en mode de régénération courant (26), • répétition des étapes précédentes jusqu'à ce que ladite zone de fonctionnement moteur (22, 24) soit réduite à une telle extrémité qu'elle n'existe pratiquement plus. 20 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit risque de régénération sévère est identifié lorsque: • la quantité de suies dans ledit filtre est supérieure à un seuil prédéterminé, et • la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre est suffisante 25 pour entrainer la combustion desdites suies. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité de suies dans le filtre est déterminée par une mesure de différence de pressions entre l'entrée et la sortie du filtre. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que 30 la quantité de suies dans le filtre est estimée. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite zone de fonctionnement moteur est caractérisée par un paramètre 21 caractéristique du couple moteur en fonction du régime moteur (R) et en ce que la limite supérieure (25) de ladite zone est fonction de la quantité de suies dans le filtre et des conditions de roulage du véhicule. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre dépend de la valeur d'un paramètre 21 caractéristique du couple moteur. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que, lorsque ledit couple moteur est négatif, ledit mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre est un mode zéro débit d'air (22). 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que, lorsque le véhicule est muni d'une vanne doseur et d'une vanne EGR, ledit mode de fonctionnement comprend la fermeture de la vanne doseur et l'ouverture de la vanne EGR. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, lorsque le couple moteur est positif, ledit mode de fonctionnement moteur permettant d'étouffer la régénération du filtre est un mode riche (24) selon lequel les gaz pénétrant dans le filtre ont une teneur pauvre en oxygène. 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que ladite teneur est proche de 0% ou égale à 0%. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10 caractérisé en ce que, lorsqu'un catalyseur à oxydation (30) est présent dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules (31), la teneur pauvre en oxygène est obtenue grâce à des conditions sensiblement stoechiométriques de carburant (33) et d'oxygène (32) à l'entrée du catalyseur d'oxydation (30). 12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que lesdites conditions stoechiométriques sont obtenues en ajoutant de la post combustion tardive dans le cycle de fonctionnement du moteur. 13. Système de contrôle de la régénération d'un filtre à particule destiné à être placé dans une ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un contrôleur (18) adapté à mettre en oeuvre le procédé de régénération selon l'une des revendications précédentes.