Brevet FR3090037A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : PROCEDE D'ADAPTATION D'UNE DUREE D'UNE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES [0001] La présente invention se situe dans le domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur thermique, en particulier dans l'élimination des particules. Plus précisément, l'invention porte sur un procédé d'adaptation d'une durée d'une régénération d'un filtre à particules. [0002] Lors de la combustion d'un mélange d'air et de carburant dans un moteur thermique, des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies à base de carbone et/ou de gouttelettes d'huile peuvent également être émises. Ces particules ont typiquement une taille comprise entre quelques nanomètres et un micromètre. Pour les piéger, on peut avantageusement prévoir des filtres à particules, usuellement constitués d'une matrice minérale, de type céramique, de structure alvéolaire, définissant des canaux disposés sensiblement parallèlement à la direction générale d'écoulement des gaz d'échappement dans le filtre, et alternativement obturés du côté de la face d'entrée des gaz du filtre et du côté de la face de sortie des gaz du filtre, comme cela est décrit dans le document EP2426326. [0003] Le filtre à particules permet de limiter les émissions de particules des moteurs thermiques par un fonctionnement alternatif entre deux phases de vie: - le stockage des particules issues de la combustion dans le moteur ou "chargement". Cette phase de fonctionnement est largement majoritaire. - la régénération du filtre à particules lorsque ce dernier est suffisamment chargé en particules. A cet effet, on augmente la température dans la ligne d'échappement, cc qui entraîne la combustion des suies dans le filtre à particules. A l'issue de la régénération, le filtre à particules est débarrassé des suies qu'il contenait et un nouveau cycle de chargement commence. [0004] La chauffe de la ligne d'échappement est obtenue par l'injection de carburant dans la chambre dc combustion après l'explosion du mélange air-carburant. Cette injection sert à générer un exotherme sur le catalyseur d'oxydation. La température dc combustion des suies cible peut être abaissée par l'ajout d'un additif d'aide à la régénération. [0005] L'additif d'aide à la régénération des suies est injecté dans le réservoir de carburant chaque fois que l'utilisateur ajoute du carburant, notamment du gazole. Cet additif se mélange aux particules lorsqu'elles sont générées par la combustion dans le moteur. Les particules collectées par le filtre à particules contiennent donc cet additif qui a la particularité d'abaisser leur température de combustion pour brûler une même quantité 2 de suies. Ainsi, les particules additivées ont besoin d'une température plus basse pour brûler, ce qui permet de réduire la quantité de post-injection de carburant et ainsi réduire la dilution de l'huile moteur. [0006] La quantité d'additif ajoutée au carburant est calculée pour garantir un ratio "additif/ carburant" cible choisi lors de la conception du filtre à particules. Ce ratio "additif/ carburant" permet d'assurer, pour différents niveaux d'émissions de suies, un ratio "additif/carbone" suffisant pour avoir une vitesse de combustion des suies importante pendant les phases de régénération du filtre à particules. 11 traduit la proportion entre l'additif et le carbone dans les suies. [0007] Ce ratio "additif/carbone", noté Ratiodddi. est défini de la manière suivante: [Math .1] Ratio Cons° GO (kg h ) Adiii GO(pprn) .10-3 1i '2d IC Suies (g /h) . Ratio C /suies [0008] Avec: - Conso GO (kg/h) étant la consommation de carburant, - Addi GO (ppm) étant la concentration d'additif introduit dans le carburant, typiquement 5ppm, - Suies (e/h) étant le débit des émissions de suies en sortie du moteur, - Ratio C/suies étant le ratio de carbone dans les suies, typiquement de l'ordre de 0.9. L'additif se stockant dans la partie carbonée des suies, il ne faut considérer que la partie carbonée pour l'estimation du ratio. 100091 Comme cela est illustré par la figure 1, l'impact du ratio "additif/carbone" Ratioaddic sur la vitesse de combustion Vsio, peut être partagé en deux zones, à savoir: - une zone linéaire Z lin suivant laquelle plus on ajoute de l'additif, plus on accélère la combustion des suies, - un plateau d'efficacité P eff suivant lequel malgré l'ajout d'additif, la vitesse de combustion n'augmente quasiment plus. 100101 Pour obtenir une combustion optimale, il est donc nécessaire d'avoir un ratio "additif/ carbone" des suies dans le filtre à particules situé sur le plateau d'efficacité P eff. Le filtre à particules est conçu pour fonctionner dans cette zone dans la majorité des situations de vie du véhicule automobile. 100111 11 est toutefois possible de disposer d'un ratio "additif/carbone insuffisant: - dans le cas où les émissions de suies sont très fortes, par exemple par grand froid et/ ou en altitude, - dans le cas où le ratio "additif/carburant" de consigne n'est. pas respecté notamment en cas de problème lié au système d'additivation, - dans le cas où la consommation de carburant devient, très élevée (cas peu probable), OLT 3 - un effet cumulatif des trois. [0012] Si le ratio "additif/carbone" tombe dans la zone linéaire Z lin lors de la régénération du filtre à particules, la combustion des suies sera alors plus lente que celle estimée par le superviseur du filtre à particules. A l'issue de la régénération, il restera des suies dans le filtre à particules alors que le calculateur estimera que celui-ci est vide. [0013] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé d'adaptation d'une durée de régénération d'un filtre à particules pour moteur thermique, comportant: - une étape d'estimation d'une masse de suies dans le filtre à particules à l'issue d'une régénération au moyen d'un modèle de combustion faisant intervenir une constante cinétique nominale d'une réaction de combustion des suies, - une étape de détermination d'une masse de suies réelle contenue à l'intérieur du filtre à particules à l'issue de la régénération, - et en cas de détection d'un écart entre la masse de suies réelle et la masse de suies estimée via le modèle de combustion, ledit procédé comporte en outre: - une étape de détermination d'un gain correctif à appliquer sur la constante cinétique nominale de la réaction de combustion des suies pour obtenir une constante cinétique réelle, et - une étape d'application de la constante cinétique réelle dans le modèle de combustion des suies. [0014] L'invention permet ainsi de réduire le risque de surcharge du filtre à particules, et d'éviter sa dégradation potentielle en cas de régénération violente sur un fort chargement en suies. L'invention présente également l'avantage de ne pas présager de la cause du mauvais ratio "additif/carbone". En effet, qu'il s'agisse d'un problème lié à l'additivation du carburant, une surémission de suies, une consommation de carburant mal estimée, ou un ratio carbone/suies différent de l'attendu, la solution mise en oeuvre reste la même. [0015] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte en outre une étape de recalage de la masse de suies estimée sur la masse réelle. [0016] Selon une mise en oeuvre, le modèle de combustion est un modèle de type Arrhenius. [0017] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape de calcul, lors de chaque régénération, d'une évolution d'une masse de suies estimée avec des variations de constante cinétique par rapport à la constante cinétique nominale, puis une étape de comparaison d'une masse finale réelle obtenue avec des masses finales estimées de façon à déterminer le gain correctif à appliquer sur la constante cinétique nominale. [0018] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte une étape d'application sys- tématique d'une même variation sur la constante cinétique nominale à chaque régénération lors d'une détection d'un écart entre la masse de suies réelle et la masse de suies estimée. [0019] Selon une mise en oeuvre, ledit procédé comporte l'étape d'attendre après la fin d'une régénération pour pouvoir considérer que la masse de suies réelle déterminée est fiable en se basant sur un critère de distance, de durée, ou une certaine quantité de suies émises par le moteur thermique depuis une dernière régénération. [0020] Selon une mise en oeuvre, le gain correctif est appliqué soit immédiatement après sa détermination, soit après plusieurs régénérations pour confirmer une valeur de gain correctif à appliquer, soit progressivement pour converger vers une valeur moyenne de gain correctif. [0021] Selon une mise en oeuvre, si un mauvais ratio entre une quantité d'additif et de carbone engendrant l'écart entre les masses de suies réelle et estimée est un phénomène transitoire, ledit procédé comporte une phase de rccalage inverse pour éviter de prolonger plus que nécessaire des futures régénérations. [0022] Selon une mise en oeuvre, la phase de recalage inverse peut être mise en oeuvre soit en revenant systématiquement à une constante cinétique initiale à l'issue de chaque régénération qui n'a pas entrain& d'écart entre la masse de suies réelle et la masse de suies estimée ou en ré-augmentant la constante cinétique progressivement, soit en attendant plusieurs régénérations sans recalage avant de chercher à augmenter la constante cinétique de façon à lisser son évolution. [0023] L'invention a également pour objet un calculateur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé d'adaptation d'une durée de régénération d'un filtre à particules tel que précédemment défini. [0024] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0025] [fig.1] La figure 1, déjà décrite, est une représentation graphique de l'évolution de la vitesse de combustion des suies en fonction du ratio "additif/carbone"; [0026] [fig.2] La figure 2 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique comportant un filtre à particules et un calculateur permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; [0027] [fig.3] La figure 3 est une représentation graphique de l'évolution temporelle de la masse de suies pour des variations du ratio "additif/carbone" par rapport à une valeur nominale correspondant à la limite entre la zone linéaire et le plateau d'efficacité; [0028] [fig.4a] La figure 4a montre des diagrammes temporels illustrant la gestion d'une régé- nération d'un filtre à particules dans le cas où le ratio "additif/carbone" est nominal; [0029] [fig.4b] La figure 4b montre des diagrammes temporels illustrant la gestion d'une régénération d'un filtre à particules dans le cas où le ratio "additif/carbone" n'est plus nominal et sans action correctrice du procédé selon l'invention; [0030] [fig.4c] La figure 4c montre des diagrammes temporels illustrant la gestion dune régénération d'un filtre à particules dans le cas où le ratio "additif/carbone" n'est plus nominal et avec une action correctrice du procédé selon l'invention. [0031] La figure 2 représente un moteur thermique 10, par exemple un moteur de type diesel, notamment destiné à équiper un véhicule automobile. Le moteur thermique 10 est relié à une ligne d'échappement 12 pour l'évacuation des gaz brûlés produits par le fonctionnement du moteur thermique 10. [0032] La ligne d'échappement 12 comprend un organe 14 de dépollution de polluant gazeux, par exemple un catalyseur d'oxydation, ou un catalyseur trois-voies. Le catalyseur trois-voies 14 permet notamment de réduire les oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone, d'oxyder les monoxydes de carbone en dioxyde de carbone, et les hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et en eau. [0033] La ligne d'échappement 12 comprend en outre un filtre à particules 16 pour filtrer des particules de suies dans les gaz d'échappement du moteur thermique 10. Le filtre à particules 16 est adapté à la filtration de particules de suies provenant de la combustion du carburant. [0034] Dans le filtre à particules 16, les gaz d'échappement traversent la matière composant le filtre à particules. Ainsi, lorsque le filtre à particules 16 est formé de canaux, chacun de ces canaux comprend une extrémité bouchée, de sorte que les gaz d'échappement s'écoulant dans le filtre à particules 16 passent de canaux en canaux, en traversant les parois des différents canaux du filtre à particules 16 pour sortir du filtre à particules 16. Le filtre à particules 16 pourra être à base d'une matrice céramique poreuse, par exemple en cordiérite, mullite, titanate d'aluminium ou carbure de silicium. S'il y a lieu, l'organe 14 de dépollution et le filtre à particules 16 pourront être implantés à l'intérieur d'une même enveloppe 17. [0035] La ligne d'échappement 12 est également munie d'un capteur 18 de mesure de pression différentielle entre l'entrée et la sortie du filtre à particules 16 à partir de laquelle il est possible de déduire une masse de suies accumulées. A cet effet, on utilise une cartographie établissant une corrélation, en fonction du débit d'air admis, entre la mesure de variation de pression et la masse de suies dans le filtre à particules 16. [0036] Un calculateur 20, par exemple le calculateur moteur ou un calculateur dédié, pilote une régénération du filtre à particules 16 lorsque la masse de suies dans le filtre à 6 particules dépasse un seuil. [0037] On décrit ci-après le procédé selon l'invention d'adaptation de la durée des régé- nérations du filtre à particules. Ce procédé est basé sur une comparaison entre l'efficacité des régénérations du filtre à particules 16 estimée par le calculateur 20 par un modèle physico-chimique embarqué et celle obtenue par la mesure de l'écart de pression aux bornes du filtre à particules 16, afin de recaler le modèle pour cstinier correctement la vitesse de combustion et arrêter les prochaines régénération du filtre à particules 16 au bon moment. [0038] Plus précisément, la détermination de la masse de suies stockées dans le filtre à particules 16 met en oeuvre couramment deux méthodes, à savoir: - une estimation du débit de suies en sortie moteur selon le point de fonctionnement régime/couple et d'autres paramètres éventuels (richesse, température d'eau...), moins une estimation dc la vitesse de combustion des suies brûlées pendant la régénération selon la température, le taux d'oxygène, le débit des gaz d'échappement etc... qui est ensuite intégrée pour fournir la masse dc suies dans le filtre à particules 16, dite méthode d'estimation de la masse de suies en boucle ouverte (ou niasse "BO"). Cela permet d'obtenir une niasse de suies estimée dans le filtre à particules 16. - une mesure dc contre-pression D P aux bornes du filtre à particules 16 qui est caractéristique de son état de chargement, dite méthode de détermination de la masse de suies en boucle fermée (ou niasse "BF"). Cela permet de déterminer une masse de suies réelle dans le filtre à particules 16. [0039] Pour des contraintes de surconsommation de carburant et de dilution d'huile moteur due à la post-injection, on cherche à optimiser le temps des régénérations du filtre à particules 16. En effet, une régénération doit être suffisamment longue pour vider le filtre à particules 16 mais il est inutile de la prolonger si le filtre à particules 16 est vide sous peine d'endommager le filtre. [0040] La mesure de la différence de pression D_P en cours de régénération n'étant pas ca- ractéristique de son état de chargement, il n'est pas possible de suivre l'avancement de la régénération en se basant sur l'estimation de la masse "BF". On utilise donc l'évolution de la masse "BO" basée sur l'estimation de la vitesse de combustion des suies Vs102 pour arrêter la phase de régénération lorsqu'on considère que le filtre à particules 16 est vide. [0041] L'estimation de la vitesse de combustion des suies Vs102 est réalisée via un modèle, notamment de type Arrhenius: [Math.2] 1; a e RTrnsuips V S 02 p7Mc 100421 Avec: 7 - Vs/02 étant la vitesse de combustion de suies par de l'oxygène, - ko étant la constante cinétique de la réaction de combustion, - Ea étant l'énergie d'activation de la réaction, - R étant la constante des gaz parfaits, - T étant la température dans le filtre à particules qui pourra être une température esti niée, -mtue. étant la masse de suies dans le filtre à particules, - Mc étant la masse molaire du carbone qui pourra être estimée, - Ro, étant la pression partielle en oxygène qui est fonction de la pression dans le filtre à particules et de la concentration en oxygène en amont du filtre à particules qui pourront être estimées. [0043] Le système étant conçu pour fonctionner avec un ratio "additif/carbone" sur le plateau d'efficacité P eff (cf. figure 1), on calibre la constante cinétique ko pour représenter la vitesse de combustion dans cette situation. Lorsque le ratio "additif/ carbone" dérive et se retrouve dans la zone linéaire Z lin, la vitesse de combustion des suies est réduite mais le calculateur 20 ne le détecte pas. A l'issue de la régénération, le calculateur 20 ayant utilisé la masse "BO" indique à tort que le filtre à particules 16 est vide. [0044] A l'issue d'une régénération du filtre à particules 16, en cas de détection d'un écart entre la masse de suies réelle M r déterminée par boucle fermée et la masse de suies estimée M_est par boucle ouverte, le calculateur 20 met alors en oeuvre trois actions: - le calculateur 20 recale la masse de suies estimée M_est par la boucle ouverte sur la masse de suies réelle M_r afin de retrouver une information de chargement réaliste du filtre à particules 16. - le calculateur 20 détermine le gain a à appliquer sur la constante cinétique nominale Kono,' dans le modèle de boucle ouverte pour obtenir une constante cinétique réelle Ko, afin de revenir sur le plateau d'efficacité P_eff: [Math.3] k0 a (1- a tio add c ).k anon, En outre, la détermination de cette constante cinétique réelle K. pourra permettre d'estimer le ratio "additif/carbone" réel des suies. - le calculateur 20 applique la constante cinétique réelle Ko, ainsi calculée dans le modèle de combustion des suies embarqué. [0045] Ainsi, lors des prochaines régénérations du filtre à particules 16, l'estimation de la masse de suies par boucle ouverte basée sur la constante cinétique réelle Kon, redevient pertinente et permet d'arrêter la régénération lorsque le filtre à particules 16 est réellement vide. 8 [0046] L'un des avantages de cette méthode est de ne pas présager de la cause du mauvais ratio "additif/carbone". En effet, qu'il s'agisse d'un problème lié à l'additivation du carburant, de surémissions de suies, d'une consommation de carburant mal estimée ou d'un ratio carbone/suies différent de l'attendu, la solution reste la même. [0047] Une version dégradée de la stratégie consiste à ne pas recaler la masse M est estimée en boucle ouverte sur la masse réelle M_r calculée en boucle fermée. L'efficacité de la stratégie est moindre mais le système va progressivement converger vers une situation où les deux masses de suies M_r et M est correspondent l'une avec l'autre. [0048] Pour déterminer le gain a à appliquer sur la constante cinétique nominale Kom,', à appliquer, plusieurs méthodes sont possibles. Suivant une première méthode, le calculateur 20 calcule lors de chaque régénération, quelle serait l'évolution de la masse de suies estimée M est avec des variations de constante cinétique par rapport à une constante cinétique nominale K01110 laquelle correspond à un ratio "additif/carbone" nominal Rnom, tel que cela est illustré sur la figure 3. Le calculateur 20 compare ensuite la masse finale réelle obtenue M_r avec les masses finales estimées M est pour déterminer le gain à appliquer sur la constante cinétique nominale K00. Une telle méthode est précise mais nécessite de simuler de nombreuses situations, ce qui est lourd en termes de programmation et de charge du calculateur 20. Alternativement, le calcul pourra être effectué sur un serveur distant dédié qui enverra la réponse au véhicule automobile. [0049] Suivant une deuxième méthode, le calculateur 20 applique systématiquement la même variation sur la constante cinétique nominale Kono,' à chaque régénération lors d'une détection d'un écart entre les masses M_r et M_est. Le recalage pourrait donc être long et moins efficace mais cela limite la charge du calculateur 20. [0050] Dans tous les cas, le calculateur 20 attend un certain délai après la fin d'une régé- nération pour pouvoir considérer que la masse réelle M_r déterminée par la boucle fermée est fiable. En effet, en cas de régénération partielle, l'inhomogénéité du champ de suies dans le filtre à particules peut entraîner une non-cohérence entre l'écart de pression D_P mesuré et le chargement du filtre à particules 16. Le délai d'attente pourra être basé sur un critère de distance depuis une dernière régénération, ou un temps, ou une certaine quantité de suies émises par le moteur 10. [0051] On peut choisir d'appliquer le gain a immédiatement après sa détermination. Cela permet de corriger rapidement une situation qui s'est dégradée récemment mais qui pourrait être transitoire. En variante, on attend plusieurs régénérations du filtre à particules 16 pour confirmer la valeur du gain a à appliquer. Cela permet d'être plus précis mais demande plus de temps pour converger, ce qui ne couvre pas les dégradations transitoires. En variante, une situation intermédiaire consiste à appliquer le gain a progressivement pour converger vers une valeur moyenne. 9 [0052] Si le mauvais ratio "additif/carbone" est un phénomène transitoire, il ne faut pas pénaliser définitivement le système. Le calculateur 20 met alors en oeuvre une phase de recalage inverse pour éviter de prolonger plus que nécessaire les futures régénérations. [0053] Cette phase de rccalage inverse peut être mise en place selon différentes options. Une première option consiste à revenir systématiquement à une constante cinétique initiale à l'issue de chaque régénération qui n'a pas entrainé d'écart entre la niasse de suies réelle M_r et la masse de suies estimée M_est ou la ré-augmenter progressivement pour éviter dc ro-dégrader brutalement la situation. Une deuxième option consiste à attendre plusieurs régénérations sans rccalage avant de chercher à augmenter la constante cinétique afin de lisser son évolution. [0054] Les figures 4a à 4e montre des diagrammes temporels illustrant respectivement une situation nominale, une situation où le ratio "additif/carbone" n'est plus nominal sans action de correction, ainsi qu'une situation où le ratio "additif/carbone" n'est plus nominal avec action de correction. [0055] La valeur S BO correspond au seuil de déclenchement de la régénération en boucle ouverte. La valeur BF correspond au seuil de déclenchement dc la régénération en boucle fermée. La valeur S sur correspond au seuil de surcharge du filtre à particules 16. Le signal Dern RG correspond aux demandes dc régénération. La valeur Ratioaddic correspond au ratio "additif/carbone", Rrnin étant la valeur minimale à atteindre. [0056] Comme on peut le voir sur la figure 4a, dans le cas d'un fonctionnement nominal, les émissions de suies réelles correspondent aux émissions estimées par le calculateur 20 dans les phases Pl. Ainsi, les masses réelle M_r et estimée M_est correspondent et le ratio "additif/carbone" est suffisant pour permettre une combustion efficace des suies pendant les régénérations. [0057] Lors des phases P2, le calculateur 20 déclenche des régénérations uniquement lorsqu'un chargement du filtre à particules atteint le seuil S_BO. Ces régénérations sont efficaces, dans la mesure où le calculateur 20 estime correctement que le filtre à particules 16 est vide à l'issue d'une régénération. [0058] Comme on peut le voir sur la figure 4b, au cours d'une phase Pl, le ratio "additif/ carbone" est insuffisant pour permettre une combustion suffisante lors d'une régénération du filtre à particules 16. La masse de suies estimée M_est et la masse de suies réelle M_r restent néanmoins cohérentes. [0059] A l'issue d'une première régénération au cours de la phase P2, le calculateur 20 considère qu'elle a été efficace alors qu'en réalité il reste encore une grande quantité de suies dans le filtre à particules 16. [0060] Au cours d'une phase P3, le chargement réel M_r continue à augmenter de manière décalée par rapport à l'estimation M_est. [0061] Les régénérations suivantes se produisant lors des phases P4 continuent à être peu efficaces et la surcharge de suies s'accumule. Le calculateur 20 reste aveugle car on n'a pas atteint le seuil de déclenchement d'une régénération en boucle fermé S BF. [0062] Comme on peut le voir sur la figure 4e, au cours de la phase Pl, le ratio "additif/ carbone" est insuffisant pour permettre une combustion suffisante lors d'une régénération du filtre à particules 16. La masse de suies estimée M est et la masse de suies réelle M r restent néanmoins cohérentes. [0063] A l'issue de la première régénération sur la phase P2, le calculateur 20 considère qu'elle a été efficace alors qu'en réalité il reste encore une grande quantité de suies dans le filtre à particules 16. [0064] Au cours de la phase P3, le chargement réel M r continue à augmenter de manière décalée par rapport à la niasse estimée M est. [0065] La stratégie selon l'invention est appliquée au cours de la phase P4: le calculateur 20 recale la masse estimée M est en boucle ouverte sur la masse réelle M r et détermine le gain correctif n à appliquer sur la constante cinétique nominale K0,101 pour que la niasse finale qu'aurait estimée le calculateur 20 lors de la dernière régénération corresponde à la masse réelle M r. [0066] La masse de suies estimée M est et la masse de suies réelle M r sont désormais co- hérentes sur la phase P5. [0067] La régénération suivante effectuée sur la phase P6 prend en compte la nouvelle constante cinétique et permet de vidanger correctement le filtre à particules 16. La durée de cette régénération est plus grande que celle de la première régénération sur la phase P2. 11