Brevet FR3042223A1 — publié le 20170414

Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile L'invention a pour domaine technique la commande des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement de moteur à combustion interne de véhicule automobile. Compte tenu des normes de dépollution de plus en plus exigeantes, les constructeurs automobiles sont obligés de concevoir des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, et plus particulièrement par un moteur diesel, de plus en plus évolués. Ainsi, les dispositifs de post-traitement comprennent de manière classique une ligne d'échappement, pouvant être dotée d'au moins un filtre de ligne d'échappement, choisi parmi : - un catalyseur d'oxydes d'azote, ou catalyseur de NOx, également connu de l'homme du métier sous l'appellation anglo-saxonne « NOx-trap », - un catalyseur d'oxydes d'azote sélectif, autrement connu sous l'appellation anglo-saxonne « Selective Catalytic Reduction » ou « SCR », - un filtre à particules, et - un catalyseur d'oxydation, autrement connu sous l'appellation anglo-saxonne « Diesel Oxydation Catalyst » ou « DOC ». Ces filtres permettent de diminuer la concentration des gaz d'échappement en différents polluants, tels que le dioxyde de carbone, les oxydes d'azote et les particules fines. Par ailleurs, ces filtres agissent sur des paramètres des gaz d'échappement, tels que la température ou l' enthalpie. Toutefois, pour fonctionner efficacement, ces filtres peuvent nécessiter que les gaz d'échappement soient à des conditions de pression ou de température particulières. Par exemple, un filtre à particules nécessite que les gaz en entrée de celui-ci soient à des paramètres bien particuliers, en particulier de pression et de 3042223 2 température, afin de filtrer efficacement les gaz d'échappement. Ainsi, un inconvénient entraîné par la multiplication des filtres de ligne d'échappement est qu'il devient nécessaire d'avoir une connaissance de plus en plus fine des paramètres des gaz d'échappement à différents 5 endroits de la ligne d'échappement du dispositif de post-traitement. En particulier, une bonne connaissance de la température des gaz est nécessaire. Une solution classique consiste à incorporer des sondes pour mesurer ces paramètres. Ainsi, dans le cas classique d'un dispositif de 10 post-traitement d'un moteur diesel comprenant une ligne d'échappement sur laquelle est incorporé un catalyseur d'oxydation (DOC), en amont d'un catalyseur d'oxydes d'azote sélectif (SCR), on incorpore quatre sondes de mesure de la température, respectivement immédiatement en amont du DOC, 15 immédiatement en aval du DOC, immédiatement en amont du SCR et immédiatement en aval du SCR. La multiplication de capteurs de température pour connaître les paramètres des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement présente toutefois de multiples inconvénients, en 20 termes de coût, d'encombrement et de fiabilité de la commande. Au vu de ce qui précède, l'invention a pour but de permettre d'améliorer la rapidité, la fiabilité et la robustesse de la commande d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, tout en limitant le nombre de capteurs 25 incorporés dans la ligne d'échappement. À cet effet, il est proposé un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement, un filtre amont de ligne d'échappement situé sur la ligne d'échappement, en amont d'un 30 filtre aval de ligne d'échappement et un dispositif de commande, le dispositif de commande comportant un premier module de mesure d'une température mesurée choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont et la température des gaz en entrée du filtre aval, un second module de mesure du débit de gaz à travers la ligne 3042223 3 d'échappement, un troisième module de mesure de la température d'une paroi de la ligne d'échappement ainsi qu'un module de détermination d'une température inconnue choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont et la température des gaz 5 en entrée du filtre aval, la température inconnue étant distincte de la température mesurée. Selon une caractéristique générale de ce dispositif, le module de détermination est capable d'estimer la température inconnue par l'utilisation d'un observateur d'état, en fonction notamment de la 10 température mesurée, du débit de gaz et de la température de paroi. Un tel dispositif de commande est notamment avantageux, en ce qu'il permet de commander le dispositif de post-traitement sans nécessiter d'incorporer un capteur de température immédiatement en aval du filtre amont. Par ailleurs, il est à noter que plusieurs variantes 15 concernant les températures mesurée et inconnue peuvent être envisagées dans le cadre de l'invention. Selon un mode de réalisation de l'invention, le filtre amont est un catalyseur d'oxydation. Dans un autre mode de régulation de l'invention, le filtre aval 20 est un réducteur catalytique sélectif. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de commande d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, ledit système de post-traitement étant doté d'une ligne d'échappement, d'un filtre amont de 25 ligne d'échappement monté, sur la ligne d'échappement, en amont d'un filtre aval de ligne d'échappement, le procédé comprenant au moins une itération au cours de laquelle : - on mesure une température mesurée choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont et la température des gaz 30 en entrée du filtre aval, le débit de gaz à travers la ligne d'échappement et la température d'une paroi de la ligne d' échappement, - on détermine une température inconnue choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont et la température des gaz 3042223 4 en entrée du filtre aval, la température inconnue étant distincte de la température mesurée. Selon une caractéristique générale de ce procédé, la température inconnue est déterminée par l'intermédiaire d'un modèle 5 de comportement des paramètres de fonctionnement du système de post-traitement des gaz d'échappement combiné à l'utilisation d'un observateur d'état, en fonction notamment de la température mesurée, du débit de gaz et de la température de paroi. Comme pour le dispositif de commande selon l'invention, 10 plusieurs variantes peuvent être envisagées concernant les températures mesurée et inconnue. Ainsi, selon une première variante, l'on mesure la température en entrée du filtre aval tandis que l'on estime la température des gaz en sortie du filtre amont. Selon une deuxième variante, l'on mesure la température en sortie du filtre 15 amont tandis que l'on estime la température de gaz en entrée du filtre aval. De manière avantageuse, l'observateur d'état est du type à mode glissant. On peut en outre prévoir que l'observateur d'état est réglé à 20 partir de l'équation de conservation de la masse et/ou l'équation de conservation de l'énergie. De préférence, l'observateur d'état est réglé à partir des deux équations de conservation de la masse et de conservation de l'énergie. Dans un mode de réalisation avantageux, l'observateur d'état 25 est réglé par un système d'au moins une équation différentielle dont les inconnues sont la température inconnue et l'enthalpie des gaz d'échappement en sortie du filtre amont ou en entrée du filtre aval. De préférence, si la température inconnue est la température des gaz en sortie du filtre amont, l'équation différentielle a pour 30 deuxième inconnue l'enthalpie des gaz d'échappement en sortie du filtre aval. Sinon, la deuxième inconnue est de préférence l'enthalpie des gaz d'échappement en entrée du filtre aval. On peut alors prévoir que chaque itération comprend une première étape de définition d'une surface de glissement de la 3042223 5 température inconnue, une deuxième étape de définition d'une surface de glissement de l'enthalpie des gaz, une troisième étape de détermination de la température inconnue et une quatrième étape de calcul des débits d'enthalpies du système. 5 De manière avantageuse, on utilise une fonction candidate de Liapounov pour estimer le glissement de la température inconnue et/ou le glissement de l'enthalpie des gaz. De préférence, on calibre des paramètres d' entrée de l'observateur d'état par une fonction d'optimisation avec le critère du 10 moindre carré entre la mesure et l'estimation. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 15 - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de post- traitement selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 est une représentation par blocs des relations entre les différents paramètres des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement du dispositif de post-traitement de la figure 1. 20 En référence à la figure 1, il est schématiquement représenté un dispositif de post-traitement 2 selon un exemple de réalisation de l'invention, comprenant une ligne d'échappement 4 dans laquelle circulent des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne (non représenté). Le sens de circulation des gaz d'échappement 25 est représenté sur la figure 1 par des flèches 6. Dans cet exemple de réalisation, le moteur à combustion interne est un moteur diesel. Toutefois, on ne sort pas du cadre de l'invention en utilisant un autre type de moteur à combustion interne, comme par exemple un moteur à essence. 30 Afin de diminuer la concentration des gaz d'échappement en divers polluants, une pluralité de filtres est incorporée sur la ligne d'échappement 4. Dans cet exemple de réalisation, le dispositif de post-traitement 2 comprend, disposés sur la ligne d'échappement 4 dans cet ordre, un catalyseur d'oxydation 8, ci-après noté DOC, un 3042223 6 premier catalyseur d'oxydes d'azote sélectif 10, ci-après noté SCR-10 et un deuxième catalyseur d'oxydes d'azote sélectif 12, ci-après noté SCR-12. En outre, la ligne d'échappement 4 comporte une ramification 14 d'un circuit de recirculation des gaz d'échappement ou 5 circuit EGR (non représenté) et un volet d'échappement 16. Pour permettre une dépollution efficace des gaz d'échappement, le dispositif de post-traitement 2 comporte une pluralité de capteurs, parmi lesquels : - un premier capteur de la concentration des gaz 10 d'échappement en oxydes d'azote 18, situé en amont du DOC 8, - un deuxième capteur de la concentration en oxydes d'azote 20, situé en aval du SCR-12, - un capteur de la concentration des gaz d'échappement en ammoniac 22 situé en aval du SCR-12, 15 - trois moyens de mesure du débit 24, 26 et 28 respectivement aptes à mesurer le débit massique QI circulant dans la ligne d'échappement 4, en amont du DOC 8, le débit massique QEGR circulant dans la ramification 14 et le débit massique Qo circulant dans la ligne d'échappement 4, en aval du SCR-12, 20 - trois capteurs de température 30, 32 et 34, respectivement aptes à mesurer la température Ti des gaz d'échappement immédiatement en amont du DOC 8, la température T3 immédiatement en amont du SCR-10 et la température T4 immédiatement en aval du SCR-10, et 25 - un capteur de température 35, apte à mesurer la température Tp de la paroi de la ligne d'échappement 4. En outre, le dispositif de post-traitement 2 comporte un dispositif de commande 36. Le dispositif de commande 36 est apte à recueillir les signaux délivrés par les moyens de mesure de la 30 concentration en oxydes d'azote 18 et 20, de la concentration en ammoniac 22, du débit 24, 26 et 28 et de la température 30, 32, 34 et 35. Par ailleurs, le dispositif de commande 36 est apte à piloter le point de fonctionnement du moteur à combustion interne et l'ouverture du volet d'échappement 16. En outre, le dispositif de commande 36 est 3042223 7 capable d'estimer la température T2 des gaz d'échappement immédiatement en aval du DOC 8, et ce sans qu'il soit nécessaire d'incorporer un capteur de température à cet endroit. Pour ce faire, le dispositif de commande 36 est doté des 5 moyens matériels et logiciels pour estimer la température T2 en fonction des mesures des températures Ti, T3, T4, Tp et des débits QI et Qo. Compte tenu de sa capacité de calcul limitée, le dispositif de commande 36 assimile dans cet exemple de réalisation la partie de la ligne d'échappement 4 située entre le DOC 8 et le SCR-10 à celle d'un 10 tube 38 simple et droit, de manière à ne prendre en compte que les températures T3 et Tp et le débit Q'. On a représenté sur la figure 2 une représentation schématique des échanges massiques et énergétiques subis par les gaz d'échappement situés dans le tube 38. Sur cette figure, le tube 38 est 15 représenté par un rectangle central, des flèches en trait plein symbolisant les débits massiques de fluide entrant et sortant du tube 38 et des flèches en trait pointillé représentant les débits enthalpiques entrant et sortant du tube 38. Le débit massique QM2 des gaz d'échappement sortant du 20 DOC 8 et entrant dans le tube 38 est représenté par la flèche 40. Ces gaz d'échappement traversent le tube 38, puis sortent à un débit massique QM3 du tube 38 afin de se diriger vers le SCR-10, comme cela est schématiquement représenté sur la figure 2 par la flèche 42. Le débit d'enthalpie QH2 des gaz entrant dans le tube 38 est 25 représenté par la flèche 44. Le débit d'enthalpie QH3 des gaz sortant du tube 38 est représenté par la flèche 46. Le débit d'enthalpie QHP lié à la perte de chaleur des gaz d'échappement chauds à travers les parois du tube 38 est représenté par la flèche 48. 30 Les débits d'enthalpie QH2, QH3 et QHP peuvent être déterminés à partir des températures T2, T3 et Tp, selon les relations suivantes : QH2 QM2 * CP * T2 QH3 - QM3 * CP * T3 où : QHP = h,* S * (Tg - Tp) + h,* Se* (Tp - T=) 3042223 8 - Tg représente la température des gaz dans le tube 38, - Cp représente la capacité calorifique à pression constante des gaz d'échappement contenu dans le tube 38, - hi et he correspondent aux coefficients d'échange thermique 5 dépendant respectivement de la paroi interne et de la paroi externe du tube 38, - S et Se correspondent respectivement à la surface d'échange interne et à la surface d'échange externe du tube 38. 10 La détermination de la température Tg va se faire par la résolution d'une équation différentielle fondée sur les équations de conservation de la masse et de l'énergie interne des gaz d'échappement traversant le tube 38. Concernant l'équation de la conservation de la masse, d'éventuelles variations de masse entre 15 l'entrée et la sortie du tube 38 peuvent être liées à une injection ou à une évaporation d'urée entre le DOC 8 et le SCR-10. Avantageusement, afin de faciliter les calculs, on peut négliger ces variations de masse, de sorte que l'on admet l'hypothèse : = -Q11/13' 20 L'équation de conservation de l'énergie interne U des gaz d'échappement contenus dans le tube 38 s'écrit : dU dt QH2 QH3 QHP - 25 Par ailleurs, par application de la première loi de Joule, l'expression de l'énergie interne U s'écrit : U=m*C, *Tg, où : - m représente la masse des gaz d'échappement présent dans le tube 38, et 30 - C, représente la capacité calorifique à volume constant des gaz d'échappement. 3042223 9 À partir des deux équations de conservation, on peut écrire l'évolution de la température des gaz Tg comme : dg = ( QI* ci, h* S*T + 1 h* S *,--) + *T dt m*C m*Cv ) g m*C .,H2 ni* Cv P - De la sorte, en posant : QI *Cp h* S a11= m * * Cv m Cv 1 a12 - *Cv h* S if= m*C, dT on obtient l'équation :dt a11 *Tg +a12 *QH2 +W. Cette équation différentielle ne dépend que de la 10 température Tg des gaz d'échappement dans le tube 38 et du débit d'enthalpie QH2. Le débit d'enthalpie peut être aisément relié à la température des gaz par la relation simple : QH2 Q,*cp*T2 15 Pour résoudre une telle équation, le dispositif de commande 38 comprend les moyens matériels et logiciels pour résoudre l'équation différentielle par l'utilisation d'un observateur d'état. On rappelle qu'un observateur d'état, en automatique et en théorie de l'information, est une extension d'un modèle représenté 20 sous forme de représentation d'état. Lorsque l'état d'un système n'est pas mesurable, on conçoit un observateur qui permet de reconstruire l'état à partir d'un modèle du système dynamique et des mesures d'autres états. Plusieurs observateurs d'état peuvent être utilisés pour la 5 25 commande des dispositifs de post-traitement d'un moteur à combustion interne. Au vu de ce qui précède, le système l'équation différentielle d'état : à observer est défini par des gaz d'échappement 3042223 10 1 0 d dt u1 u2 w 0 1 0 - - T g QH2 où Tg correspond à la température des gaz dans le tube 38 à estimer et QH2 correspond au débit d'enthalpie à estimer. Les termes ui et u2 correspondent aux entrées de l'observateur d'état et seront 5 détaillées par la suite. Pour estimer précisément la température des gaz Tg dans le tube 38, on peut réaliser plusieurs itérations, consistant chacune à résoudre l'équation différentielle d'état. Au cours de chacune de ces 10 itérations, l'équation différentielle est résolue en considérant des valeurs de référence (QH2)0 et V'g ) 0 ces valeurs particulières pouvant être alternativement des valeurs d'initialisation prédéterminées, où les solutions de l'équation différentielle d'état résolue au cours de l'itération précédente. 15 En déterminant la valeur de l'estimation QH2, il est possible de récupérer l'estimation de la température Tg dans le du tube 38. Les entrées de l'observateur d'état ui et u2 doivent être choisies de telle sorte que les erreurs Tg -T^ g et QH2 Q H2 convergent vers zéro. Ainsi, en faisant converger l'erreur Tg -Tg vers zéro, on 20 parvient à estimer le débit d'enthalpie QH2 de manière précise, puis à estimer précisément la température Tg . La méthode de l'observateur d'état est donc avantageuse en ce qu'elle permet d'estimer la température T2 à partir des seules données QI, T3 et Tp. Un moyen avantageux pour déterminer la température des 25 parois Tp est de mesurer la température du circuit d'eau servant à refroidir la paroi de la ligne d'échappement 4. Par la suite, il est décrit une pluralité d'étapes permettant de résoudre l'équation différentielle d' état par la méthode de l'observateur d'état. De préférence, ces étapes sont mises en oeuvre à 30 chaque itération, de manière à actualiser la valeur de l'estimation Tg et de l'estimation QH2 afin de se rapprocher des valeurs réelles. 3042223 11 Une première étape consiste à définir une surface de glissement Si de la température des gaz Tg : 5 où k1 est un coefficient prédéterminé. Avantageusement, on peut manipuler la fonction de surface de glissement par une fonction candidate de Lyapounov V, définie comme suit : V(t)=2.51(t) 2 10 Le choix d'une fonction candidate de Lyapounov est avantageux en ce qu'il est équivalent de dire que Tg -T^ g converge vers zéro et de dire que la fonction dérivée de V est négative. Cette fonction dérivée s'écrit : 15 dVdS1 _ 1._ _ aii .S12 '12'( Qxa Qx2 ± S1 dt dt kl Ainsi, afin d'obtenir une dérivée toujours négative, on peut définir ui selon l'égalité suivante : ( u1=h1.71.sign(S1)+h2. Tg-Tg 20 où h1 et h2 représentent tous les deux une constante prédéterminée, et yi est une constante définie de telle sorte que g>12/11 et REVENDICATIONS1. Dispositif de post-traitement (2) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement (4), un filtre amont (8) de ligne d'échappement situé sur la ligne d'échappement (4), en amont d'un filtre aval (10) de ligne d'échappement et un dispositif de commande (36), le dispositif de commande (36) comportant un premier module de mesure (32) d'une température mesurée (T3) choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont (8) et la température des gaz en entrée du filtre aval (10), un second module de mesure (24) du débit de gaz (QI) à travers la ligne d'échappement (4), un troisième module de mesure (35) de la température (Tp) d'une paroi de la ligne d'échappement (4) ainsi qu'un module de détermination (36) d'une température inconnue (T2) choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont (8) et la température des gaz en entrée du filtre aval (10) et distincte de la température mesurée (T3), caractérisé en ce que le module de détermination (36) est capable d'estimer ladite température inconnue (T2) par l'utilisation d'un observateur d'état, en fonction notamment de la température mesurée (T3), du débit de gaz (Q') et de la température de paroi (Tp). 2. Système de post-traitement (2) selon la revendication 1, dans lequel le filtre amont (8) est un catalyseur d'oxydation. 3. Système de post-traitement (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le filtre aval (10) est un réducteur catalytique sélectif. 4. Procédé de commande d'un système de post-traitement (2) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, ledit système de post-traitement (2) étant doté d'une ligne d'échappement (4), d'un filtre amont (8) de ligne d'échappement monté, sur la ligne d'échappement (4), en amont d'un filtre aval (10) de ligne d'échappement, le procédé comprenant au moins une itération au cours de laquelle : 3042223 16 - on mesure une température mesurée (T3) choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont (8) et la température des gaz en entrée du filtre aval (10), le débit de gaz (QI) à travers la ligne d'échappement (4) et la température (Tp) d'une paroi de la ligne 5 d'échappement (4), - on détermine une température inconnue (T2) choisie parmi la température des gaz en sortie du filtre amont (8) et la température des gaz en entrée du filtre aval (10), la température inconnue (T2) étant distincte de la température mesurée (T3), 10 ledit procédé étant caractérisé par le fait que la température inconnue (T2) est déterminée par l'intermédiaire d'un modèle de comportement des paramètres de fonctionnement du système de post-traitement (2) des gaz d'échappement combiné à l'utilisation d'un observateur d'état, en fonction notamment de la température mesurée 15 (T3), du débit de gaz (QI) et de la température de paroi (Tp). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'observateur d'état est du type à mode glissant. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l'observateur est réglé à partir de l'équation de conservation de la 20 masse et/ou l'équation de conservation de l'énergie. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'observateur d'état est réglé par un système d'au moins une équation différentielle dont les inconnues sont la température inconnue (T2) et l'enthalpie (QH2) des gaz d'échappement en sortie du 25 filtre amont ou en entrée du filtre aval. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel chaque itération comprend une première étape de définition d'une surface de glissement (Si) de la température inconnue (T2), une deuxième étape de définition d'une surface de glissement (S2) de l'enthalpie (QH2) des 30 gaz, une troisième étape de détermination de la température inconnue (T2) et une quatrième étape de calcul des débits d' enthalpies du système. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on utilise une fonction candidate de Liapounov pour estimer le glissement (Si) 3042223 17 de la température inconnue (T2) et/ou le glissement (S2) de l'enthalpie (QH2) des gaz. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel on calibre des paramètres d'entrée (kl, hl, h2, h3, k3, yl, 5 y2) de l'observateur d'état par une fonction d'optimisation avec le critère du moindre carré entre la mesure et l'estimation.