Brevet FR3061931A1 — publié le 20180720

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de diagnostic de la charge d'un filtre à particules faisant partie d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon lequel pour surveiller le filtre à particules on utilise un ou plusieurs capteurs de pression qui détectent également les variations de pression de fréquence supérieure au-delà d'une pression quasi stationnaire, et avec lesquelles on exploite des courbe de pression dynamique. L'invention se rapporte également à un dispositif notam- ment une unité de diagnostic pour appliquer le procédé tel que défini ci-dessus. La réglementation relative aux émissions notamment aux Etats-Unis et en Europe fixe des valeurs limites pour l'émission de la masse de particules et aussi le nombre ou la concentration des particules. A côté des valeurs limites d'émission, on a également des valeurs limites de diagnostic qui, lorsqu'elles sont dépassées, affichent un défaut. Pour cela les fonctions de diagnostic sont implémentées dans le véhicule ; ces fonctions surveillent la réduction de l'émission des composants installés et des composants pendant le fonctionnement du véhicule dans le cadre du procédé de diagnostic embarqué (diagnostic OBD) et une fonction de défaut affiche le dépassement des valeurs limites de diagnostic. Les particules de noir de fumée émises par un moteur, notamment par un moteur diesel peuvent être éliminées efficacement des gaz d'échappement à l'aide d'un filtre à particules (encore appelé filtre (DPF). Actuellement, l'état de la technique est constitué par un filtre à particules de type « flux de paroi » (filtre DPF). Cela permet, à l'aide de canaux fermés à une extrémité de la matière poreuse du filtre, d'assurer une séparation de noir de fumée allant jusqu'à 99%. L'inconvénient de cette solution est qu'il faut, de temps en temps, régénérer le filtre de manière thermique. Pour cela, à l'aide de moyens appliqués dans le moteur ou à l'extérieur du moteur on augmente la température pour ainsi brûler le noir de fumée accumulé dans le filtre car sinon la contrepression dans les gaz d'échappement augmenterait trop fortement. 3061931 2 Pour vérifier l'aptitude au fonctionnement du filtre à particules on surveille habituellement de façon continue, l'état du filtre à particules pendant le fonctionnement du moteur. La surveillance du filtre à particules peut se faire à l'aide de capteurs de pression ou d'un capteur de 5 particules. En particulier, pour respecter les limites américaines très strictes, on utilise des capteurs de particules pour surveiller le filtre à particules. Etat de la technique Selon le document DE 10 2010 002 691 Al on connaît, par 10 exemple, un procédé et un dispositif de diagnostic d'un filtre à particules installé dans l'installation de nettoyage des gaz d'échappement de la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ; selon ce procédé on surveille le filtre à particules par la différence de pression entre la pression à l'entrée et celle à la sortie du filtre à particules que l'on me- 15 sure et que l'on exploite dans une unité de diagnostic. Il est prévu de déterminer la différence de pression dans le filtre à particules à partir de deux mesures de différence de pression ou de deux mesures de pression absolue. On peut ainsi améliorer le diagnostic embarqué et détecter si le filtre à particules a été manipulé, voire démonté. 20 Selon le document DE 10 2005 034 270 Al on connaît un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de diagnostic d'un capteur de différence de pression installé dans le système des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ; ce procédé saisit la différence de pression sur un composant du système des gaz 25 d'échappement, notamment sur le filtre à particules et il fournit un signal de différence de pression. On exploite le comportement dynamique du signal de différence de pression, conséquence de la variation prédéfinie de la pression des gaz d'échappement en amont de ce composant. Selon le document DE 10347506 Al on connaît un filtre à 30 particules pour un système de gaz d'échappement d'un moteur diesel ainsi qu'un procédé pour déterminer l'état de charge du filtre à particules ; ce système comporte au moins un filtre à particules installé dans la conduite des gaz d'échappement et un système de capteurs pour déterminer l'état de charge du filtre à particules ; le système de capteurs comporte au moins un capteur acoustique relié au système des gaz d'échappement par 3061931 3 une liaison fluidique ou mécanique, pour déterminer la fréquence du son traversant le filtre à particules, une unité de commande étant reliée électriquement au capteur acoustique. Les futurs moteurs à essence vont également être équipés 5 d'un filtre à particules pour respecter des valeurs limites plus strictes. Comme pour des raisons de consommation, le filtre à particules ne doit générer qu'une contrepression de gaz d'échappement aussi faible que possible, et que dans le cas d'un moteur à essence l'effet de filtrage n'a pas à être aussi puissant que dans le cas d'un moteur diesel, on applique des 10 conditions très élevées aux capteurs de pression pour mesurer la pression des gaz d'échappement. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé permettant de déterminer la charge en particules d'un filtre à particules, 15 d'une part de manière robuste et d'autre part de façon économique. L'invention a également pour but de développer un disposi- tif pour appliquer le procédé, notamment une unité de diagnostic. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de diagnostic 20 du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on compare la courbe de fréquence de la pression dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement, en aval du filtre à particules, à une courbe de fréquence de la pression en amont du filtre à particules ou à une courbe de fréquence de référence, déterminée, selon un modèle et en cas de dépasse- 25 ment de certains seuils d'écart entre les courbes de fréquence, on lance des mesures pour régénérer le filtre à particules. Ce procédé permet un diagnostic de la charge du filtre à particules d'une manière particulièrement garantie et économique. Comme on exploite respectivement les variations dynamiques de pression 30 et que pour l'exploitation, la dérive des capteurs de pression liée au vieillissement et/ou aux influences de la température sont beaucoup plus faibles sur la précision du résultat de diagnostic, on pourra utiliser des capteurs de pression, économiques. Suivant une caractéristique, on effectue la comparaison des 35 courbes de pression notamment par rapport aux variations de pression 3061931 4 quasi stationnaires pour des fréquences supérieures. Comme les fréquences élevées sont plus fortement amorties par le filtre à particules que les fréquences basses, l'exploitation des fréquences élevées permet de détecter plus facilement la charge du filtre à particules que par l'exploitation 5 des fréquences basses ou des différences de pression quasi statistiques. La charge avec du noir de fumée a en particulier une influence sur les fréquences supérieures mais la gestion moderne du moteur évite en général de telles fréquences élevées. Chaque fois qu'il faut faire une mesure de la charge, il est avantageux de régler le moteur à combus- 10 tion interne pendant le diagnostic de la charge du filtre à particules pour générer des composantes de fréquences élevées, aussi intenses que possible dans la conduite des gaz d'échappement. Les fréquences élevées sont générées par la combustion rapide et par les flux de gaz d'échappement. Il peut également être avantageux d'augmenter l'intensité des composantes 15 de fréquences élevées aussi longtemps qu'un diagnostic est possible. Dans ce cas, l'intervention sur le moteur s'entend toujours de la même façon à l'échappement, indépendamment du degré de charge et elle est toujours seulement aussi élevé que nécessaire, c'est-à-dire que même pour un filtre non chargé le son n'est pas plus fort que souhaité ou autorisé. En pra- 20 tique, on mesure l'importance des interventions pour pouvoir mesurer de manière univoque le spectre caractéristique des fréquences. Plus l'intervention est forte et plus élevée sera la charge du filtre. Pour générer des fréquences aussi élevées que possible, dans le cas de moteur à combustion interne à essence, on règle l'angle 25 d'allumage dans le sens du retard pour que la combustion dans le cylindre du moteur ne soit pas encore terminée bien que l'échappement du cylindre soit déjà ouvert ou encore on règle l'angle d'allumage dans le sens de l'avance de sorte que le moteur commence légèrement le cliquetis alors que dans cette phase on a des variations de pression haute fréquence cor- 30 respondant dans la conduite des gaz d'échappement. Pour un moteur à combustion interne diesel, on retarde la post-injection de façon que la combustion ne soit pas encore terminée bien que l'échappement du cylindre soit déjà ouvert ou encore on supprime une préinjection et on anticipe l'injection principale. Le moteur 35 commence alors à cogner de sorte que l'on aura des variations de pression 3061931 5 de fréquences élevées dans la conduite des gaz d'échappement qui s'exploitent avantageusement pour le diagnostic de la charge. Dans le cas de moteurs à suralimentation, en réglant la soupape de sortie ou soupape de dérivation (waste gate) ou l'actionneur 5 VTG (VTG = géométrie variable de turbine) de la pression de charge, on augmente ainsi la puissance perdue. Le cas échéant un allumage en retard ou une injection en retard génèrent des pertes supplémentaires. Dans le cas d'un moteur à recyclage des gaz d'échappement, on règle pour que les gaz réintroduits ne puissent pas ralentir la combustion. Dans le cas de 10 véhicules hybrides on augmente de manière ciblée la charge appliquée au moteur à combustion interne. De façon générale, il est avantageux d'effectuer la mesure de la charge dans un mode de fonctionnement du moteur dédié à cet effet et qui garantit qu'aucune autre fonction de diagnostic ne dérègle d'autres 15 paramètres de fonctionnement du moteur. Cela garantit que la mesure se fera sans être faussée et sera reproductible. Par exemple, le ralenti et le démarrage du moteur ainsi que le passage de la charge maximale au mode de poussée conviennent pour régler les paramètres de fonctionnement pour mesurer la charge. 20 Selon les moyens mis en oeuvre, le réglage des paramètres de fonctionnement peut rendre le bruit de combustion très bruyant. Pour éviter de polluer par le bruit, il est avantageux d'effectuer le diagnostic de préférence dans des zones non habitées. Le véhicule recueille l'information indiquant qu'il est en dehors de localité soit indirectement par des don- 25 nées de vitesse du véhicule (la vitesse doit alors être supérieure à 60-70 km/h) ou en utilisant la position actuelle GPS avec une carte électronique. Selon une variante particulièrement préférentielle, pour diagnostiquer la charge, on détermine la courbe de fréquence de la pression en amont du filtre à particules et la pression en aval du filtre à parti- 30 cules pour calculer la fonction de transfert du filtre à particules et en déduire l'état de charge par la comparaison avec la fonction de transfert de référence correspondant au filtre à particules non chargé. Selon un développement avantageux du procédé, comme décrit ci-dessus, il est prévu de déterminer la charge du filtre à particules 35 à partir de l'intégrale de la différence des courbes d'amplitude de la fonc- 3061931 6 tion de transfert du filtre à particules et de la fonction de transfert de référence entre la fréquence de départ et une fréquence limite supérieure déduite de la fréquence limite de l'unité d'exploitation, l'intégration ne s'appliquant qu'aux différences positives. En formant l'intégrale on élimine 5 les signaux parasites, ce qui est avantageux du point de vue de la robustesse et de la précision du procédé. Selon une variante avantageuse, la charge du filtre à particules s'obtient en formant l'intégrale de la différence de l'amplitude de la courbe de fréquence, mesurée actuellement, de la pression en aval du 10 filtre à particules et de la courbe de fréquence de référence, correspondante, qui se déduit comme modèle à partir de la vitesse de rotation et de la charge du moteur à combustion interne, l'intégration entre la fréquence de départ et la fréquence limite supérieure déduite de la fréquence limite d'une unité d'exploitation ne se faisant que les différences positives. Dans 15 cette variante, il suffit d'un capteur de pression en aval du filtre à particules, ce qui est avantageux. L'invention a également pour objet un dispositif pour l'application du procédé de diagnostic tel que défini ci-dessus et comportant des installations pour la mise en oeuvre de ce procédé et en particu- 20 lier des unités de calcul pour former les différences et les intégrales ainsi que les unités fonctionnelles pour déterminer les courbes de fréquence et des unités de comparaison pour comparer à des valeurs de fréquence pré-définies. Les fonctions peuvent être assurées par un programme dans l'unité de diagnostic. L'unité de diagnostic peut être constituée par une 25 unité distincte ou par un composant intégré dans une commande de moteur principal. Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins 30 annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un exemple d'environnement technique de l'invention, - la figure 2 est un schéma d'une autre variante de l'environnement technique dans laquelle est appliqué le procédé de l'invention. 35 3061931 7 Description de modes de réalisation La figure 1 montre l'environnement technique schématique dans lequel est appliqué le procédé de l'invention. La figure montre à titre d'exemple un moteur à combustion interne 10 tel qu'un moteur à essence 5 dont les gaz d'échappement sont évacués par une conduite de gaz d'échappement 11 équipée d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement. Dans l'exemple représenté, cette installation peut être à plusieurs étages. Dans le sens de passage des gaz d'échappement (veine des gaz d'échappement 14) dans l'exemple de réalisation, on a tout 10 d'abord un catalyseur 12 réalisé comme catalyseur trois voies avec en aval, un filtre à particules 13. Habituellement, la conduite des gaz d'échappement 11 est équipé de sondes de gaz d'échappement ainsi que d'autres capteurs qui ne sont toutefois pas représentés dans le schéma de principe et dont les signaux sont appliqués à une commande de moteur 15 (unité de commande électronique ECU). Pour le diagnostic du filtre à particules 13, il est prévu un capteur de pression 15 en amont du filtre à particules 13 ainsi qu'un autre capteur de pression 16 en aval du filtre à particules 13 pour déterminer la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre à parti- 20 cules 13. Le signal de sortie des capteurs de pression 15, 16 est appliqué à une unité de diagnostic 17 qui effectue le diagnostic du filtre à particules 13 dans le cadre d'un diagnostic embarqué (procédé ou diagnostic OBD). Cette unité de diagnostic 17 peut faire partie de la commande, principale ECU, du moteur. 25 Le catalyseur 12 et le filtre à particules 13 peuvent être réa- lisés sous la forme d'un catalyseur "quatre voies" (FWC) qui est un filtre à particules 13 à revêtement catalytique. Selon l'invention, on exploite non seulement la différence de pression quasi statique à partir de la différence de pression en amont et 30 en aval du filtre à particules 13, mais également les courbes de pression dynamiques en amont et en aval du filtre à particules 13. Comme les fréquences élevées sont amorties plus fortement dans le filtre à particules que les fréquences basses, en exploitant les fréquences élevées on pourra détecter plus facilement la charge du filtre à particules 13 qu'en exploitant 35 les fréquences basses ou les différences de pression quasi statiques. On 3061931 8 utilise ainsi l'effet selon lequel lorsque le filtre à particules 13 est chargé, le moteur est plus amorti et moins bruyant que pour un filtre à particules régénéré 13. Les modifications suivantes sont prévues pour le système 5 qui favorisent cette exploitation : - les capteurs de pression 15, 16 sont conçus pour permettre de mesurer le cas échéant également les variations de pression à des fréquences supérieures, - le filtre électrique passe-bas est réalisé comme élément RC adapté au 10 branchement des capteurs de pression 15, 16 pour les fréquences su- périeures, - les capteurs de pression 15, 16 sont reliés aux broches d'un microcontrôleur convenant pour la mesure de fréquence ou encore le microcontrôleur est configuré pour faire des mesures de pression dans des 15 intervalles plus courts. L'unité de diagnostic 17 intégrée fonctionnellement en général dans l'appareil de commande du moteur détermine les courbes de fréquences de la pression Um en amont du filtre à particules 13 et de la pression Y(()) en aval du filtre à particules 13 permettant de calculer la 20 fonction de transfert du filtre à particules 13. G(w) = Y(w) / U(W) (1) Si la fonction de transfert actuelle du filtre à particules 13 25 G(()) diffère fortement de la fonction de transfert de référence Gom du filtre à particules 13 non chargé, on peut dans ce cas conclure que le filtre à particules 13 est chargé. En pratique, la charge b est l'intégrale de la différence des courbes d'amplitude pour des fonctions de transfert mesurées, calculée comme suit : 30 b= i (2) Dans cette formule : cog est la fréquence limite du filtre passe-bas RC de l'unité de dia- 35 gnostic 17, 3061931 9 coo est la fréquence de départ dans la plage ir,Xcoocog on intègre seulement des différences positives. Si l'état de charge x calculé à partir de l'état charge bmax pour le filtre à particules 13, plein, avec 5 x = b / bmax (3) dépasse la limite de 100%, on lance une régénération du filtre à particules. 10 En variante, avec seulement un capteur de pression 16 en aval du filtre à particules 13 on peut diagnostiquer la charge. Un dispositif correspondant est représenté schématiquement à la figure 2. On calcule la charge b en partant de l'intégrale de la différence de l'amplitudes des courbes de fréquence, celle mesurée actuelle- 15 ment Yom et la courbe de fréquence de référence Yom en aval du filtre à particules 13, la courbe de fréquence de référence Yom se calculant à partir d'un modèle en utilisant la vitesse de rotation et la charge du moteur : b= (4) 20 Dans cette formule : - Cag représente la fréquence limite du filtre passe-bas RC dans l'unité de diagnostic 17, - coo représente la fréquence de départ dans la plage ir,X6O060g, 25 - l'intégration ne se fait que sur les différences positives. Le procédé de diagnostic de la charge de particules permet d'utiliser des capteurs de pression 15, 16 plus économiques et dont les valeurs de mesure de pression absolue quasi stationnaires peuvent dériver sous l'effet de la température et/ou du vieillissement sans fausser de ma- 30 nière importante le résultat de la mesure. Le procédé de diagnostic est enregistré avantageusement dans le cas d'un programme, dans l'unité de diagnostic 17 et peut notamment s'utiliser dans le cas de moteurs à essence avec les futurs filtres à particules essence mais en principe également avec les moteurs diesel. 35 3061931 10 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Moteur à combustion interne 11 Conduite des gaz d'échappement 5 12 Catalyseur 13 Filtre à particules 14 Veine des gaz d'échappement 15 Capteur de pression 16 Capteur de pression 10 17 Unité de diagnostic REVENDICATIONS1°) Procédé de diagnostic de la charge d'un filtre à particules (13) faisant partie d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement dans la conduite des gaz d'échappement (11) d'un moteur à combustion interne (10) 5 selon lequel pour surveiller le filtre à particules (13) on utilise un ou plusieurs capteurs de pression (15, 16) qui détectent également les variations de pression de fréquence supérieure au-delà d'une pression quasi stationnaire et avec lesquelles on exploite des courbes de pression dynamique, 10 procédé caractérisé en ce qu' on compare la courbe de fréquence de la pression dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement en aval du filtre à particules (13) à une courbe de fréquence de la pression en amont du filtre à particules (13) ou à une courbe de fréquence de référence déterminée selon un modèle et 15 en cas de dépassement de certains seuils d'écart entre les courbes de fréquence, on lance des mesures pour régénérer le filtre à particules (13). 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 20 on compare les courbes de fréquence notamment par rapport aux variations de pression quasi stationnaires pour des fréquences supérieures. 3°) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que 25 pendant le diagnostic de la charge du filtre à particules (13), on règle de manière ciblée le moteur à combustion interne (10) pour générer des composantes de fréquence aussi élevées que possible dans la conduite des gaz d'échappement (11), * on choisit l'intensité suffisamment grande des composantes de fré- 30 quence pour permettre un diagnostic de la charge ou on augmente l'intensité jusqu'à ce qu'un diagnostic soit possible. 4°) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 3061931 12 dans le cas de moteurs à combustion interne (10) à essence, on règle l'angle d'allumage dans le sens du retard pour que la combustion dans le cylindre du moteur (10) ne soit pas encore terminée bien que l'échappement du cylindre soit ouvert ou encore on règle l'angle d'allumage vers un instant plus tôt. 5°) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans le cas d'un moteur à combustion interne (10) diesel, on effectue une post-injection suffisamment en retard pour que la combustion ne soit pas encore terminée bien que l'échappement du cylindre soit déjà ouvert ou encore on supprime une préinjection et on fait l'injection principale à un instant plus tôt. 6°) Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu' on effectue le diagnostique de la charge du filtre à particules (13) selon des modes de fonctionnement du moteur réservé à cela. 7°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu' on effectue le diagnostic de préférence dans des zones non habitées et pour cela on exploite les données GPS ou les données de vitesse du véhicule. 8°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour le diagnostic de la charge on détermine la courbe de fréquence de la pression en amont du filtre à particules (13) et de la pression en aval du filtre à particules (13) et on calcule à partir de la fonction de transfert du filtre à particules (13) et par comparaison à une fonction de transfert de référence pour un filtre à particules (13) non chargé, on détermine l'état de charge du filtre à particules (13). 3061931 13 9°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on détermine la charge du filtre à particules (13) à partir de l'intégrale de la différence des courbes d'amplitude de la fonction de transfert du filtre à 5 particules (13) et de la fonction de transfert de référence entre une fréquence de départ et une fréquence limite supérieure déduite de la fréquence limite d'une unité d'exploitation, et on intègre seulement les différences positives. 10 10°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu' on calcule la charge en particules en formant l'intégrale de la différence des amplitudes de la courbe de fréquences mesurée actuellement de la pression en aval du filtre (13) et d'une courbe de fréquences correspon- 15 dante obtenue selon un modèle à partir du régime et de la charge du moteur à combustion interne (10), * on détermine l'intégration entre la fréquence de départ et une fré- quence limite supérieure déduite de la fréquence limite d'une unité d'exploitation, et 20 * on intègre seulement les différences positives. 11°) Dispositif notamment unité de diagnostic (17) pour diagnostiquer la charge d'un filtre à particules (13) faisant partie d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement dans la conduite des gaz d'échappement 25 (11) d'un moteur à combustion interne (10), selon lequel pour surveiller le filtre à particules (13) on utilise un ou plusieurs capteurs de pression (15, 16) à l'aide desquels on détecte les variations de pression de fréquence supérieure dépassant une pression quasi stationnaire et on les exploite avec des courbes de pression dynamiques, 30 dispositif caractérisé en ce que l'unité de diagnostic (17) comporte des moyens pour exécuter le procédé selon les revendications 1 à 10 et en particulier des unités de calcul pour former la différence et pour former l'intégrale ainsi que des unités fonctionnelles pour déterminer les courbes de fréquences et des unités de 35 comparaison pour comparer à des valeurs de fréquence prédéfinies.