Brevet FR3053733A1 — publié le 20180112

PROCEDE D'ADAPTATION D'UNE ESTIMATION D'UNE VITESSE DE COMBUSTION DES SUIES D'UN FILTRE A PARTICULES DE MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention porte sur un procédé d'adaptation d'une estimation d'une vitesse de combustion des suies d'un filtre à particules de moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec tous les véhicules équipés d'un filtre à particules, en particulier les véhicules de type diesel. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques comportent habituellement des éléments polluants et notamment des particules qui sont rejetées dans l'atmosphère. Afin de supprimer ces rejets, des filtres sont placés dans la ligne d'échappement des gaz pour bloquer les particules. Ces filtres à particules (FAP) sont généralement des cylindres en céramique composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns). Les particules sont piégées dans ces canaux sous forme de suies ce qui a pour effet d'encrasser progressivement le filtre. Il est donc nécessaire de régénérer le filtre périodiquement. [0003] A cette fin, le filtre est chauffé afin de brûler les particules piégées. Une technique de régénération consiste à chauffer le filtre à l'aide des gaz d'échappement en élevant la température de ces gaz. Classiquement, le surplus d'énergie à l'échappement nécessaire à l'élévation de température par rapport au fonctionnement normal du moteur est fourni par l'utilisation de post-injections, c'est-à-dire d'injections de carburant tardives, après le point mort haut du cycle, ou par une dégradation du rendement de la combustion, ou encore par une injection de carburant directement dans la ligne d'échappement. [0004] Il a été observé expérimentalement que lors de certaines situations de vie, la vitesse de combustion réelle des suies dans le filtre à particules est plus importante que celle modélisée par le contrôle moteur. La régénération est donc prolongée alors que le filtre à particules est déjà vide. Cela a pour effet de diminuer l'efficacité de lubrification du moteur par introduction excessive de carburant dans l'huile moteur et d'augmenter la consommation de carburant pendant la phase de régénération du filtre à particules. [0005] En particulier, il a été constaté que l'augmentation de vitesse de combustion des suies se produit lorsque la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement est stable. L'invention propose donc de modifier l'estimateur embarqué de vitesse de combustion des 3053733 2 suies pour prendre en compte cette sur-combustion des suies lors des phases de stabilité d'oxygène. [0006] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé d'adaptation d'une estimation d'une vitesse de combustion des suies d'un filtre à particules dans une ligne 5 d'échappement de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce que, lors d'une phase de régénération du filtre à particules, le procédé comporte: - une étape d'estimation d'une vitesse de combustion des suies suivant un modèle d'estimation standard, - une étape de détection d'une stabilisation d'une concentration en oxygène dans des gaz 10 d'échappement, et - une étape de modification du modèle d'estimation standard par pondération de la vitesse de combustion des suies par un gain suite à la détection de la stabilisation de la concentration en oxygène. [0007] L'invention permet ainsi une estimation optimale de la sur-combustion des suies 15 dans le filtre à particules. Il est ainsi possible de définir un temps de régénération au juste nécessaire pour limiter la surconsommation en carburant et la dilution d'huile moteur. En outre, l'invention permet une estimation précise de la température du filtre à particules lors des régénérations sévères pour évaluer correctement son niveau de dégradation potentielle. 20 [0008] Selon une mise en oeuvre, la stabilisation de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement est détectée via une moyenne glissante d'une dérivée de la concentration en oxygène. [0009] Selon une mise en oeuvre, la concentration en oxygène est estimée en amont du filtre à particules. 25 [0010] Selon une mise en oeuvre, la concentration en oxygène en amont du filtre à particules est basée sur une estimation d'un calculateur moteur. [0011] Selon une mise en oeuvre, la concentration en oxygène en amont du filtre à particules est obtenue par l'utilisation d'un capteur positionné dans la ligne d'échappement. 3053733 3 [0012] Selon une mise en oeuvre, lorsque la concentration en oxygène se stabilise, le modèle modifié de calcul de la vitesse de combustion des suies dans le filtre à particules est le suivant: Ea Msuies py tes/02 N Vsu - = gainStab 02' k0 RT M 02 Avec: 5 19suies/02 N étant la vitesse de combustion des suies par l'oxygène tenant compte de la sur-combustion des suies lors de phases de stabilisation d'oxygène; - /cc) étant une constante cinétique de la réaction de combustion; - Ea étant une énergie d'activation de la réaction; - R étant une constante des gaz parfaits; 10 - T étant une température dans le filtre à particules; - Msuies étant une masse de suies dans le filtre à particules et Mc une masse molaire de carbone; - PY02 étant une pression partielle en oxygène, fonction d'une pression dans le filtre à particules et d'une concentration en oxygène en amont du filtre à particules; 15 - gainstab 02 étant un gain sur la cinétique de combustion des suies. [0013] L'invention a également pour objet un calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé tel que précédemment défini. [0014] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à 20 l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0015] La figure 1 montre un diagramme des étapes du procédé selon l'invention d'adaptation d'une estimation d'une vitesse de combustion des suies d'un filtre à particules; 25 [0016] La figure 2 est un diagramme d'un filtre selon l'invention permettant de détecter une stabilisation d'oxygène; [0017] La figure 3 est un diagramme illustrant l'intégration du gain issu du diagramme de la figure 2 dans le calcul de la vitesse de combustion des suies selon l'invention; 3053733 4 [0018] La figure 4 est une représentation graphique d'un exemple de réponse du filtre de détection de la stabilisation d'oxygène. [0019] La figure 1 montre un diagramme des étapes du procédé d'adaptation d'une estimation d'une vitesse de combustion des suies v - suies/02 N d'un filtre à particules dans 5 une ligne d'échappement de moteur thermique, notamment de véhicule automobile. [0020] Lors d'une étape 100 de régénération du filtre à particules, le calculateur moteur estime, dans une étape 101, la vitesse de combustion des suies Vsuies/02 suivant un modèle d'estimation standard dit modèle d'Arrhenius. [0021] Suite à la détection au moyen d'un filtre de la stabilisation de la concentration en 10 oxygène Cons 02 dans les gaz d'échappement dans une étape 102, on modifie le modèle d'estimation standard, dans une étape 103, par pondération de la vitesse de combustion des suies Vsuies/02 par un gain gainstab 02. Autrement dit, le modèle d'estimation d'Arrhenius est pondéré par le gain gainstab 02 pour obtenir le modèle modifié de calcul de la vitesse de combustion des suies suivant: E rn 2 0 -=2 -suies M 2 Vsuies/02 N = gainstab 02 ' Vsuies102 = gainstab 0 - k0 e RT 15 Avec: - 19suies/02 N étant la vitesse de combustion des suies par l'oxygène tenant compte de la sur-combustion des suies lors de phases de stabilisation d'oxygène; - 19suies/02 étant une vitesse de combustion des suies par l'oxygène calculée suivant le modèle standard d'Arrhenius; 20 - k0 étant une constante cinétique de la réaction de combustion; - Ea étant une énergie d'activation de la réaction; - R étant une constante des gaz parfaits; - T étant une température dans le filtre à particules; - Msuies étant une masse de suies dans le filtre à particules et Mc une masse molaire de 25 carbone; - PY 02 étant une pression partielle en oxygène, fonction d'une pression dans le filtre à particules et d'une concentration en oxygène en amont du filtre à particules; - gainstab 02 étant un gain sur la cinétique de combustion des suies. 3053733 5 [0022] La figure 2 montre un exemple de réalisation d'un filtre permettant de détecter une stabilisation d'oxygène. Ce filtre reçoit en entrée la concentration d'oxygène Cons 02 en amont du filtre à particules. Cette concentration en oxygène Cons 02 est estimée par le calculateur moteur à partir de la quantité de carburant injecté et de la quantité 5 d'oxygène entrant dans le moteur. En variante, la concentration d'oxygène Cons 02 en amont du filtre à particules pourrait toutefois être mesurée au moyen d'un capteur dédié. [0023] Le bloc 201 calcule une dérivée de la concentration en oxygène Cons 02. Le bloc 201 est par exemple un dérivateur à pas de temps discret. Cela permet de détecter une pente faible dans l'évolution de la concentration d'oxygène correspondant à une phase de 10 stabilisation de cette concentration. [0024] Le bloc 202 met à la puissance V la valeur de sortie U du dérivateur 201, de telle façon que les valeurs faibles de dérivées tendent vers 0. Autrement dit, le bloc 202 permet d'amplifier les faibles valeurs de dérivées. [0025] Afin de lisser les variations de concentration en oxygène, un filtre passe-bas 203 15 est appliqué en sortie du bloc 202. Il est à noter que le filtre passe-bas 203 pourra être configuré notamment avec une période d'échantillonnage et une valeur initiale non nulle pour éviter l'application d'un gain élevé au début de sa mise en oeuvre. Une valeur booléenne permet également sa réinitialisation. [0026] Une cartographie 204 permet de fournir le gain gainstab 02 à partir de la sortie du 20 filtre passe-bas 203. Plus la valeur en sortie du filtre 203 est basse, plus le gain gainstab 02 à appliquer à la vitesse de combustion des suies est élevé, car cela correspond à une phase de fonctionnement dans laquelle la concentration en oxygène est stable. Plus la valeur en sortie du filtre 203 est élevée, plus le gain gainstab 02 à appliquer à la vitesse de combustion des suies est faible car cela correspond à une phase de 25 fonctionnement dans laquelle la concentration en oxygène n'est pas stabilisée. [0027] La stabilisation de la concentration en oxygène Cons 02 dans les gaz d'échappement pourra ainsi être détectée via une moyenne glissante de la dérivée de la concentration en oxygène Cons 02. [0028] La figure 3 est un diagramme illustrant l'intégration du gain gainstab 02 issu du 30 diagramme de la figure 2 dans le calcul de la vitesse de combustion des suies v - suies/02 N- 3053733 6 [0029] Plus précisément, une température interne T_deg du filtre à particules est estimée par le calculateur moteur. Un bloc 301 permet de transformer la température T_deg en degrés Celsius fournie par le calculateur moteur en une température T_K en Kelvin par ajout de la valeur 273 à la température T_deg. 5 [0030] Le bloc 302 multiplie la sortie de température T_K du bloc 301 par la constante des gaz parfait R. L'ensemble est multiplié par -1 via le bloc 303. [0031] Le bloc 304 permet de calculer le rapport entre l'énergie d'activation Ea prédéterminée et le produit -RT issu du bloc 303. [0032] Le commutateur 305 permet de sélectionner une valeur exponentielle calculée en 10 fonction de la comparaison entre la valeur -Ea/RT issue du bloc 304 et une valeur seuil S réalisée par le bloc 306. En effet, dans le cas où la valeur -Ea/RT est supérieure à la valeur seuil S, le commutateur 305 sélectionne la valeur en sortie de la première cartographie 307 et du premier gain G D1. Tandis que dans le cas où la valeur -Ea/RT est inférieure à la valeur seuil S, le commutateur 305 sélectionne la valeur en sortie de la 15 deuxième cartographie 308 et du deuxième gain G D2. [0033] Un bloc 309 multiplie la valeur exponentielle ainsi calculée par la constante cinétique de la réaction de combustion ko. Il est à noter que le gain gainstab 02 issu de la cartographie précédente est appliqué via le bloc 309. On obtient ainsi en sortie du bloc Ea 309 le produit gainstab 02. ko e RT . En variante, le gain gainstab 02 pourra être appliqué 20 via un autre bloc multiplicatif, comme par exemple le bloc 310 ou 311 décrits ci-après. [0034] La sortie du bloc 309 est multipliée par la pression partielle en oxygène P2;,j2 pour _Ea ' obtenir le produit gainstab 02. ko e RT. 13j via le bloc 310. 2 [0035] La sortie du bloc 310 est multipliée par le rapport Msuies via le bloc 311 pour Mc _a m . sutes obtenir le produit gainstab 02.ko e r, correspondant au calcul souhaité pour Mc 25 estimer au plus près la vitesse de combustion des suies v - suies/02 N du filtre à particules dans des phases de concentration en oxygène stabilisée. 3053733 7 [0036] Les différents blocs pourront être implémentés de manière fonctionnelle dans le calculateur moteur du véhicule automobile qui comportera une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. [0037] La figure 4 est une représentation graphique d'un exemple de réponse du filtre de 5 détection de la stabilisation d'oxygène. [0038] On remarque que sur des cycles Cl où la concentration en oxygène Cons 02 se stabilise, la sortie du filtre Sf tend vers 0 et le gain gainstab 02 sur la cinétique de combustion des suies devient supérieur à 1. Cela est observable sur les cycles Cl typés autoroute et lors des régénérations sévères RGS du filtre à particules. Par ailleurs, sur les 10 cycles C2, la réponse de la sortie du filtre Sf est différente de 0 et le gain gainstab 02 sur la cinétique de combustion des suies vaut 1. REVENDICATIONS1. Procédé d'adaptation d'une estimation d'une vitesse de combustion des suies (Vsuies102 N) d'un filtre à particules dans une ligne d'échappement de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce que, lors d'une phase de régénération du filtre à particules, ledit procédé comporte: - une étape (101) d'estimation d'une vitesse de combustion des suies (Vsuies/02) suivant un modèle d'estimation standard, - une étape (102) de détection d'une stabilisation d'une concentration en oxygène (Cons 02) dans des gaz d'échappement, et - une étape (103) de modification du modèle d'estimation standard par pondération de la vitesse de combustion des suies ( ^Vsuies/02) par un gain (gainstab 02) suite à la détection de la stabilisation de la concentration en oxygène (Cons 02). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la stabilisation de la concentration en oxygène (Cons 02) dans les gaz d'échappement est détectée via une moyenne glissante d'une dérivée de la concentration en oxygène (Cons 02). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la concentration en oxygène (Cons 02) est estimée en amont du filtre à particules. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la concentration en oxygène (Cons 02) en amont du filtre à particules est basée sur une estimation d'un calculateur moteur. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la concentration en oxygène (Cons 02) en amont du filtre à particules est obtenue par l'utilisation d'un capteur positionné dans la ligne d'échappement. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, lorsque la concentration en oxygène (Cons 02) se stabilise, le modèle modifié de calcul de la vitesse de combustion des suies dans le filtre à particules est le suivant: Ea Msuies su py tes/02 N V - = gainStab 02 ' ko e-RT M 02 1'10 3053733 9 Avec: - 19suies/02 N étant la vitesse de combustion des suies par l'oxygène tenant compte de la sur-combustion des suies lors de phases de stabilisation d'oxygène; - /cc, étant une constante cinétique de la réaction de combustion; 5 - Ea étant une énergie d'activation de la réaction; - R étant une constante des gaz parfaits; - T étant une température dans le filtre à particules; - Msuies étant une masse de suies dans le filtre à particules et Mc une masse molaire de carbone; 10 - PY 02 étant une pression partielle en oxygène, fonction d'une pression dans le filtre à particules et d'une concentration en oxygène en amont du filtre à particules; - gainStab 02 étant un gain sur la cinétique de combustion des suies. 7. Calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes.