Brevet FR3063769A1 — publié le 20180914

PROCÉDÉ DE SURVEILLANCE DE L'ÉTAT DE FONCTIONNEMENT D'UN FILTRE À PARTICULES ET SYSTÈME DE POST- TRAITEMENT DE GAZ D'ÉCHAPPEMENT [001] L'invention concerne de manière générale la dépollution des gaz d'échappement émis par le moteur thermique d'un véhicule. [2] Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de surveillance de l'état de fonctionnement d'un filtre à particules. L'invention se rapporte également à un système de post-traitement des gaz d'échappement incluant un filtre à particules et dans lequel est mis en oeuvre le procédé susmentionné. L'invention se rapporte enfin à un véhicule équipé d'un tel système de post-traitement des gaz d'échappement et à un programme d'ordinateur. [3] Dans les véhicules automobiles, les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement sont devenus aujourd'hui indispensables pour la conformité avec les normes environnementales. Les émissions polluantes réglementées sont notamment le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HO), les oxydes d'azote (N0x) et les particules de suies. [4] Pour la suppression des particules de suies dans les gaz d'échappement, il est bien connu, notamment sur les motorisations de type Diesel, d'équiper les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement avec un filtre à particules. Avec la prochaine entrée en vigueur de la norme environnementale dite « Euro 6.3 », les filtres à particules se généralisent aussi dans les motorisations de type essence. [5] Les filtres à particules sont efficaces pour diminuer la pollution particulaire. Cependant, l'accumulation progressive des particules de suies retenues dans les couches poreuses du filtre provoque une perte de charge dans la ligne d'échappement du moteur thermique. Des régénérations périodiques à haute température sont nécessaires pour éliminer par combustion les particules de suies accumulées. [6] Durant la vie du véhicule, le filtre à particules se dégrade à cause les conditions thermiques sévères auxquelles il est soumis lors des régénérations. Une fissuration du 30 filtre peut se produire lors d'une phase de régénération très sévère et rendre le filtre défaillant vis-à-vis de l'émission des particules, par exemple, dans le cas d'un filtre 3063769 2 colmaté où la combustion des suies se produirait en excès d'oxygène et avec un faible débit des gaz. Une fissuration du filtre peut également intervenir brutalement du fait d'une manipulation malveillante. [007] La fissuration du filtre conduit à des émissions de particules qui dépassent le seuil 5 maximum fixé par la réglementation. Cet évènement « fissuration » doit être détecté par le système de diagnostic embarqué, dit OBD pour « On Board Diagnostic » en anglais. Il doit aussi être signalé à l'utilisateur du véhicule par l'activation d'un voyant sur le tableau de bord, à savoir, le voyant MIL pour « Malfunction Indicator Lamp » en anglais, pour l'informer qu'une réparation du véhicule est requise. 10 [008] Par FR2976620 et FR2963640, il est connu de détecter une fissuration du filtre à particules à partir d'une pression différentielle, représentative d'une perte de charge, cette pression différentielle étant fournie par un capteur qui mesure la pression absolue en amont et en aval du filtre. [009] A partir de la pression différentielle entre l'entrée et la sortie du filtre, il est 15 possible d'obtenir une évaluation de la perte d'efficacité de la filtration. Cependant, dans l'état de la technique, la détection de la perte d'efficacité à partir de la pression différentielle manque de précision. De plus, la quantité de suies dans le filtre représente un élément perturbant dans le diagnostic d'une fissuration du filtre, ainsi que la dispersion propre au capteur de pression différentielle, la dispersion de fabrication de la céramique 20 du filtre et la dispersion de la mesure du débit des gaz d'échappement. L'adjonction d'un capteur de suies pour mesurer la quantité de suies autoriserait un meilleur diagnostic, mais un tel capteur présente l'inconvénient d'un accroissement du coût qui est d'autant plus pénalisant que ce capteur n'est pas utilisable pour d'autres stratégies de commande. [0010] Il existe donc un besoin pour un procédé de surveillance de l'état de 25 fonctionnement d'un filtre à particules qui permette une détection fiable de la présence d'une fissure dans celui-ci. [0011] Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de surveillance de l'état de fonctionnement d'un filtre à particules dans un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, le procédé faisant appel à une mesure d'une pression différentielle entre une entrée et une sortie du filtre à particules. Conformément à l'invention, le procédé comprend : 3063769 3 un apprentissage en continu d'un ratio d'efficacité de filtration du filtre à particules pour établir un ratio de référence, le ratio d'efficacité de filtration étant calculé entre la pression différentielle mesurée et une pression différentielle intègre fournie par un modèle du filtre à particules ; 5 - une comparaison d'une valeur courante du ratio d'efficacité de filtration au ratio de référence ; et - une détection d'une fissure dans le filtre à particules en fonction du résultat de la comparaison. [0012] Selon une caractéristique particulière, la mesure de pression différentielle 10 intervient lorsque des conditions préalables prédéterminées sont satisfaites. [0013] Selon une autre caractéristique particulière, les conditions préalables prédéterminées comprennent au moins l'une quelconque des conditions suivantes : - un débit volumique estimé des gaz d'échappement en amont du filtre à particules compris dans un intervalle de valeur prédéterminé ; 15 - un point de fonctionnement du filtre à particules stabilisé ou quasi- stabilisé ; - une masse de suies estimée dans le filtre à particules nulle ou inférieure à un seuil prédéterminé ; - une pression extérieure comprise dans un intervalle de valeur 20 prédéterminé ; - une température extérieure comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé ; - un régime moteur minimum et un mode de combustion prédéterminé ; - une distance totale parcourue depuis une dernière régénération du filtre à 25 particules comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé ; et - une dernière régénération non surchargée, avec une masse de suies avant le déclenchement de la régénération inférieure à un seuil prédéterminé. 3063769 4 [0014] Selon encore une caractéristique particulière, le ratio d'efficacité de filtration est calculé entre une moyenne mesurée de plusieurs échantillons de pression différentielle mesurée et une moyenne intègre de plusieurs échantillons de pression différentielle intègre. 5 [0015] Selon encore une caractéristique particulière, la moyenne mesurée est obtenue à partir d'au moins deux échantillons successifs de pression différentielle mesurée et la moyenne intègre est obtenue à partir d'au moins deux échantillons correspondants de pression différentielle intègre. [0016] Selon encore une caractéristique particulière, l'apprentissage est effectué sur une 10 ou plusieurs occurrences successives des conditions préalables prédéterminées. [0017] Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule comprenant un filtre à particules équipé d'un capteur de pression différentielle et une unité de commande, et comprenant un module logiciel implanté dans l'unité de commande pour la mise en oeuvre 15 du procédé décrit brièvement ci-dessus. [0018] Selon d'autres aspects, l'invention concerne aussi un véhicule équipé du système décrit brièvement ci-dessus pour un post-traitement des gaz d'échappement émis par le moteur thermique du véhicule, et un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé décrit brièvement ci- 20 dessus, lorsque le programme est exécuté par un processeur. [0019] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la Fig.1 est vue d'ensemble d'une forme de réalisation particulière d'un système 25 de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention ; - la Fig.2 est un algorithme montrant des étapes du procédé selon l'invention pour la surveillance de l'état de fonctionnement d'un filtre à particules ; et - les Figs.3 et 4 sont des courbes montrant des évolutions dans le temps d'un ratio d'efficacité de filtration utilisé dans le procédé selon l'invention. 3063769 5 [0020] Une forme de réalisation particulière 1 d'un système de post-traitement de gaz d'échappement dans lequel est mis en oeuvre le procédé selon l'invention pour la surveillance de l'état de fonctionnement du filtre à particules est maintenant décrite en référence à la Fig.1. 5 [0021] Le système de post-traitement de gaz d'échappement 1 décrit ici est destiné à une motorisation de type Diesel. Cependant, on notera que l'invention ne se limite pas à une application aux moteurs thermiques de type Diesel et est applicable aussi aux moteurs thermiques à essence. [0022] Comme montré à la Fig.1, le système de post-traitement de gaz d'échappement 1 10 comprend essentiellement un catalyseur d'oxydation 2, un dispositif compact 3 de post-traitement des gaz d'échappement EG et une unité électronique de commande 4. [0023] Le dispositif compact de post-traitement de gaz d'échappement 3 comprend ici un catalyseur SCR 30 et un filtre à particules 31. Le catalyseur SCR 30 et le filtre à particules 31 sont représentés à la Fig.1 comme deux composants séparés. On notera toutefois que 15 le dispositif compact 3 pourra avantageusement être du type dit « Système Compact Liquide » et intégrer la couche catalytique SCR, dite « washcoat », sous une forme imprégnée dans le filtre à particules. [0024] Le filtre à particules 31 est équipé d'un capteur de pression différentielle 310 qui mesure une pression différentielle dP entre l'entrée et la sortie du filtre. Différents autres 20 capteurs et composants 32 équipent le dispositif compact 3 et ne seront pas détaillés ici. [0025] La pression différentielle dP, comme d'autres signaux de mesure des capteurs, est fournie à un port d'entrée/sortie 40 de l'unité électronique de commande 4. La pression différentielle dP est utilisée par la commande du système 1, notamment par la commande de régénération du filtre à particules, et par le procédé de surveillance du filtre à particules. 25 [0026] Dans cette forme de réalisation particulière, l'unité électronique de commande 4 est l'unité de contrôle moteur du véhicule. Comme indiqué plus haut, l'unité 4 comporte un port d'entrée/sortie 40 à travers lequel transitent les différents signaux nécessaires à la commande des composants fonctionnels du système de post-traitement de gaz d'échappement 1. Un port de communication 41 est également prévu dans l'unité 4 et 30 autorise une connexion de celle-ci à un réseau de communication de type CAN du véhicule. Un module logiciel dédié est implanté dans l'unité 4 pour la mise en oeuvre du 3063769 6 procédé de surveillance de filtre à particules selon l'invention, par l'exécution d'instructions de code de programme par un processeur de l'unité 4. [0027] Un mode de réalisation du procédé de surveillance de filtre à particules selon l'invention est maintenant décrit de manière détaillée à l'aide de l'algorithme montré à la 5 Fig.2 et des courbes des Figs.3 et 4. [0028] Comme montré à la Fig.2, le processus de surveillance comporte huit étapes principales Si à S8. [0029] Les étapes Si à S4 concernent essentiellement l'acquisition de mesures de pression différentielle pour le calcul d'un ratio d'efficacité de filtration. Les étapes S5 à S8 10 concernent essentiellement l'apprentissage en continu d'un ratio de référence et la détection d'une fissuration du filtre. [0030] A l'étape Si, il est attendu que des conditions préalables optimales CP0 soient satisfaites pour une mesure de la pression différentielle dP destinée au calcul du ratio RI. [0031] Ces conditions préalables optimales CP0 peuvent comprendre notamment une, 15 plusieurs ou l'ensemble des conditions suivantes : - un débit volumique estimé Qvol des gaz d'échappement EG en amont du filtre à particules qui doit être compris dans un intervalle de valeur prédéterminé [QvOlmin, Qvolmax] ; - un point de fonctionnement PF du filtre qui soit stabilisé ou quasi-stabilisé ; 20 - une masse de suies estimée MSE dans le filtre qui soit nulle ou inférieure à un seuil prédéterminé ; - une pression extérieure PA qui doit être comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé [PAmin, PAmax] ; - une température extérieure TA qui doit être comprise dans un intervalle de valeur 25 prédéterminé [TAmin, TAmax] ; - un régime moteur minimum EM et un mode de combustion MC prédéterminé ; - une distance totale DI parcourue depuis la dernière régénération du filtre qui doit être comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé [DTmin, DImax] ; et 3063769 7 - une dernière régénération RGD non surchargée, c'est-à-dire, une régénération qui se soit déroulée dans des conditions normales, avec une masse de suies avant le déclenchement de la régénération qui était inférieure à un seuil prédéterminé. [0032] On notera que les informations nécessaires à la mise en oeuvre du procédé selon 5 l'invention sont disponibles dans l'unité électronique de commande 4, ou bien sont accessibles à travers le réseau CAN auquel est relié l'unité 4. En effet, l'unité 4 héberge la stratégie de commande de l'ensemble du système de post-traitement 1 et dispose des informations utilisées par la chaîne de traitement, notamment la pression différentielle dP du filtre, la pression PA et la température TA extérieures, le régime moteur EM, etc., ainsi 10 que celles utilisées par le superviseur du filtre à particules, à savoir, le débit volumique estimé Qvol, la masse de suies estimée MSE, la distance DT et le temps depuis la dernière régénération. Le mode de combustion MC du moteur thermique est renseigné par le coordinateur des modes de combustion. [0033] L'étape conditionnelle S10 est prévue pour détecter la satisfaction des conditions 15 préalables optimales CP0. L'indicateur F0=1 signale que les conditions préalables CP0 sont satisfaites. Tant que l'indicateur Fcp0 # 1, la sortie N est active et le processus de surveillance boucle en attente sur les étapes 51, S10. Lorsque Fcp0 = 1, la sortie Y de l'étape conditionnelle S10 devient active et le processus passe aux étapes S2 et S3. [0034] Les étapes S2 et S3 sont des étapes d'acquisition d'échantillons, dP, et dPI,, qui 20 sont exécutées en parallèle et associées à des étapes S21 et S31 de calcul de moyennes, dP'y et dPI'y, respectivement. [0035] A l'étape S2, à chaque fois qu'intervient une occurrence F0=1, étape S10, la valeur de la pression différentielle dP du filtre est affectée à l'échantillon dP,. Le processus boucle de l'étape S2 vers les étapes 51, S10 jusqu'à ce que N échantillons dPi, dP,, 25 dPN aient été prélevés. L'étape conditionnelle S20 interrompt le bouclage lorsque le nombre d'échantillons N est atteint. Les échantillons dP, à dPN sont sommés et la somme obtenue ZdP, est divisée par N, en S21, pour obtenir une moyenne de pression différentielle mesurée dP'y. [0036] A l'étape S3, à chaque fois qu'intervient une occurrence F0=1, étape S10, une 30 valeur d'une pression différentielle intègre dPI fournie par un modèle de filtre intègre, S30, est affectée à l'échantillon dPI,. 3063769 8 [0037] La pression différentielle intègre dPI est celle qui serait obtenue avec un filtre neuf, ou intègre, ayant une efficacité de filtration de 100%. Comme montré en S30, la pression dPI est donnée par un modèle de filtre intègre en fonction du débit volumique Qvol des gaz d'échappement. Le modèle de filtre intègre pourra être réalisé avec une 5 cartographie ou par calcul. [0038] Le processus boucle de l'étape S3 vers les étapes Si, S10 jusqu'à ce que N échantillons dP11, dPln, dPIN aient été prélevés. L'étape conditionnelle S20 interrompt le bouclage lorsque le nombre d'échantillons N est atteint. Les échantillons dPli à dPIN sont sommés et la somme obtenue ZdP1,-, est divisée par N, en S31, pour obtenir une 10 moyenne de pression différentielle intègre dPI'y. [0039] Le nombre d'échantillons N pour le calcul des moyennes de pressions différentielles dPmoy et dPlmoy sera au moins égal à 2. De manière générale, le nombre d'échantillons N sera calibré selon les applications, de manière à obtenir la robustesse voulue. 15 [0040] A l'étape S4, le ratio d'efficacité de filtration RI est calculé, RI = (dP'y / dPI'y). [0041] Les étapes S5 et S6 correspondent à l'apprentissage en continu d'un ratio de référence d'efficacité de filtration RIA à partir des ratios RI calculés successivement. [0042] L'étape S5 limite en valeurs haute et basse le ratio RI. [0043] Dans ce mode de réalisation, l'étape S6 applique une intégration par calcul de 20 moyenne sur M valeurs successives du ratio RI calculé à l'étape S4, de manière à obtenir le ratio de référence, ou ratio appris, RIA ayant une robustesse suffisante. L'apprentissage du ratio RIA demande donc un nombre d'occurrences Fcp0=1 qui est égal à MxN. Le nombre M sera calibré selon les applications ou de manière dynamique par le processus. Toujours à l'étape S6, à la fin de l'apprentissage, le ratio appris RIA est stocké dans une 25 mémoire non-volatile NVM. [0044] A l'étape S7, il est calculé une différence de ratio ART = (RIA RI) entre le ratio courant RI, calculé à l'étape S4, et le ratio appris RIA stocké dans la mémoire NVM. [0045] A l'étape conditionnelle S70, il est détecté si la différence de ratio ART dépasse ou pas un seuil prédéterminé TH. Si la différence de ratio ART est supérieur au seuil TH (sortie 30 Y), le processus de surveillance détecte une fissure dans le filtre à particules et un code 3063769 9 de défaut FAPN0K est délivré à l'étape S8. Dans le cas contraire, le processus de surveillance boucle vers les étapes Si, S10, en attente d'une prochaine occurrence F0=1. [0046] Les courbes de la Fig.3 montrent les évolutions dans le temps de la pression 5 différentielle dP et du ratio d'efficacité de filtration RI. Pendant la première période Pi, les courbes relevées correspondent à un roulage avec un filtre à particules intègre, c'est-à-dire, un filtre ayant une efficacité de filtration de 100%. Pendant la deuxième période P2, le filtre à particules est fortement dégradé de manière subite et ne garde qu'une efficacité de filtration de 55% dans cet exemple. Au temps fi , correspondant à la dégradation subite du 10 filtre à particules, la courbe RI présente une variation négative Dm- de valeur importante. Cette variation importante Dm- est supérieure au seuil de détection TH (Fig.2, S70) et autorise la détection d'une fissuration du filtre à particules. [0047] Les courbes de ratio d'efficacité de filtration RT1 et R12, montrées à la Fig.4, sont obtenues par simulation à partir de première et deuxième mesures de pression 15 différentielle dP1 et dP2. Les courbes RT1 et R12 montrent la robustesse de la détection obtenue avec le procédé de l'invention vis-à-vis de la dispersion de la pression différentielle dP. [0048] La pression différentielle dP1 est ici la mesure nominale. La pression différentielle dP2 est ici une mesure dérivée de dP1 à laquelle a été ajoutée une dispersion globale 20 élevée -dP supérieure à 3 écarts-types, dP2 = dP1-3.dP. Une telle dispersion supérieure à 3 écarts-types a une très faible probabilité de se réaliser. La dispersion globale -dP représente la somme des dispersions dues à la précision de mesure du capteur de pression différentielle, la disparité sur la fabrication du filtre et la précision sur l'évaluation du débit volumique des gaz. 25 [0049] Au temps t2, correspondant à l'application de la dispersion -3.dP, la courbe R12 subit une variation négative DORT. Au temps t3, correspondant à la dégradation subite du filtre à particules, de même que pour la courbe RI de la Fig.3, la courbe R12 présente une variation négative D2RT de valeur importante, analogue à celle D1 m- de la courbe RT1. Comme cela apparaît à la Fig.4, la variation DORT introduite par l'application de la 30 dispersion -dP reste bien inférieure aux variations D2RT, D1RT qui correspondent à l'évènement de fissuration du filtre à détecter. L'évènement de fissuration peut donc être aisément discriminé avec le seuil TH. Le procédé selon l'invention autorise une détection 3063769 10 robuste d'une fissure dans le filtre à particules, détection qui n'est pas impactée par la dispersion. [0050] L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation particuliers qui ont été décrits ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, 5 pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Procédé de surveillance de l'état de fonctionnement d'un filtre à particules (31) dans un système de post-traitement (1) des gaz d'échappement (EG) d'un moteur thermique, ledit procédé faisant appel à une mesure d'une pression différentielle entre une entrée et une sortie dudit filtre à particules (31), caractérisé en ce qu'il comprend : un apprentissage en continu d'un ratio d'efficacité de filtration (RI) dudit filtre à particules (31) pour établir un ratio de référence (RIA), ledit ratio d'efficacité de filtration (RI) étant calculé entre ladite pression différentielle mesurée (dP, dP,) et une pression différentielle intègre (dPI, dPI,) fournie par un modèle (S30) du filtre à particules (31) ; une comparaison (S7, S70) d'une valeur courante dudit ratio d'efficacité de filtration (RI) audit ratio de référence (RIA) ; et une détection (S8) d'une fissure dans ledit filtre à particules (31) en fonction du résultat de ladite comparaison (S7, S70). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mesure de pression différentielle (dP, dP,) intervient lorsque des conditions préalables prédéterminées (CPO) sont satisfaites. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites conditions préalables prédéterminées (CPO) comprennent au moins l'une quelconque des conditions suivantes : - un débit volumique estimé (Qvol) des gaz d'échappement (EG) en amont dudit filtre à particules (31) compris dans un intervalle de valeur prédéterminé (Qvolmin, Qvolmax) ; - un point de fonctionnement (PF) dudit filtre à particules (31) stabilisé ou quasi-stabilisé ; 3063769 12 - une masse de suies estimée (MSE) dans ledit filtre à particules (31) nulle ou inférieure à un seuil prédéterminé ; - une pression extérieure (PA) comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé (PAnn, PA'x) ; 5 - une température extérieure (TA) comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé (TAnn, TA'x) ; - un régime moteur minimum (EM) et un mode de combustion (MC) prédéterminé ; - une distance totale (DT) parcourue depuis une dernière régénération 10 (RGD) dudit filtre à particules comprise dans un intervalle de valeur prédéterminé DImax) ; et - une dernière régénération (RGD) non surchargée, avec une masse de suies avant le déclenchement de la régénération inférieure à un seuil prédéterminé. 15 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit ratio d'efficacité de filtration (RT) est calculé entre une moyenne mesurée (dP'y) de plusieurs échantillons de pression différentielle mesurée (dPn) et une moyenne intègre (dPI',y) de plusieurs échantillons de pression différentielle intègre (dPIn). 20 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite moyenne mesurée (dP'y) est obtenue à partir d'au moins deux dits échantillons successifs de pression différentielle mesurée (dP,-,) et ladite moyenne intègre (dPI'y) est obtenue à partir d'au moins deux dits échantillons correspondants de pression différentielle intègre (dPIn). 25 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et la revendication 2, caractérisé en ce que ledit apprentissage est effectué sur une ou plusieurs occurrences successives desdites conditions préalables prédéterminées. 3063769 13 7. Système de post-traitement (1) des gaz d'échappement (EG) d'un moteur thermique de véhicule comprenant un filtre à particules (31) équipé d'un capteur de pression différentielle (310) et une unité de commande (4), caractérisé en ce qu'il comprend un module logiciel implanté dans ladite unité de commande (4) 5 pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite unité de commande (4) est l'unité de contrôle moteur dudit véhicule. 9. Véhicule comportant un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un 10 système (1) selon la revendication 7 ou 8 pour un post-traitement des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique. 10. Programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, lorsque ledit programme est exécuté par un processeur (4).