EP1694953B1

EP1694953B1 - Procede de commande pour la regeneration d'un filtre a particules

Info

Publication number: EP1694953B1
Application number: EP04805796A
Authority: EP
Inventors: Vincent Brochon; Yann Chazal; Hervé MERLAUD; Sylvère RONDELE
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: FR2862087B1; FR2862087A1; JP4764826B2; EP1694953A1; KR20060117947A; ATE424504T1; JP2007510855A; WO2005047680A1; DE602004019808D1

Description

L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs à mélange pauvre, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone, qui ne peuvent être brûlées efficacement dans le moteur. Cela se traduit par exemple par l'apparition, en sortie de la ligne d'échappement, de fumées noires. Ce phénomène est une source de pollution que l'on cherche à réduire.
La présence d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement du moteur permet de diminuer considérablement la quantité de particules, poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et de satisfaire aux normes antipollution.
Des dispositifs de régénération permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter le colmatage de ce dernier. Les particules de suies sont des éléments essentiellement carbonés, et leur combustion consomme de l'oxygène pour former du gaz carbonique.
Ceci est effectué en élevant la température au sein du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 550 à 650 °C, température à partir de laquelle les particules de carbone retenues dans le filtre s'enflamment spontanément.
Le déclenchement de la régénération du filtre est contrôlé par un calculateur qui détermine si la régénération doit avoir lieu et, quand elle est en cours, si elle peut continuer. Pour cela, le calculateur reçoit des informations sur le fonctionnement du véhicule. Ces informations comprennent par exemple les températures du liquide de refroidissement du moteur, des gaz en amont et en aval du filtre à particules, la vitesse du véhicule, la masse de suie accumulée dans le filtre à particules et la distance parcourue depuis la dernière régénération.
Le calculateur vérifie des conditions sur ces informations et ne déclenche la régénération que si toutes les conditions sont satisfaites. La régénération est maintenue, même si certaines conditions ne sont plus satisfaites pendant une durée inférieure à un seuil prédéterminé, de l'ordre d'une à deux minutes. Si au moins une condition n'est plus satisfaite pendant une durée supérieure audit seuil, alors le processus de régénération est interrompu.
Pour déclencher et maintenir la régénération, les conditions de fonctionnement du moteur sont modifiées pour augmenter la température des gaz d'échappement avant leur passage dans le filtre à particules. Ces modifications concernent souvent l'injection de carburant, qui peut être retardée pour au moins une chambre de combustion du moteur. Dans certains cas également, on réalise une post-injection de carburant, lors de la phase finale du temps de détente. Cette dernière injection n'apporte aucune puissance mécanique supplémentaire au moteur, mais augmente la température des gaz d'échappement. Ces modifications augmentent la consommation de carburant et également la quantité de carburant qui se dissout dans l'huile du moteur, en passant par l'espace entre le cylindre et le piston.
Avec une nouvelle génération de filtres à particules catalytiques, qui intègrent les fonctions de pot catalytique et de filtre à particules, on doit agir pendant toute la durée de la régénération pour maintenir les conditions permettant la combustion des suies piégées dans le filtre. Les inconvénients mentionnés précédemment sont donc prolongés pendant toute la durée de la régénération. De plus, ils sont aggravés dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, dans lesquelles peu de chaleur est naturellement apportée aux gaz d'échappement.
L'augmentation de la quantité de carburant diluée dans l'huile du moteur a.pour effet de faire varier les caractéristiques de l'huile, éventuellement jusqu'à un point où le moteur pourrait se détériorer.
Le document US 2003/200952 A1 décrit une méthode d'estimation de la variation d'un taux de dilution de carburant dans l'huile d'un moteur pendant le fonctionnement du moteur, la variation du taux de dilution étant une fonction, dans chacune des chambres de combustion, des paramètres suivants:

un nombre de phases d'injection dans la chambre de combustion pour un cycle; et
pour chaque phase d'injection, la quantité de carburant injecté et la position d'un piston dans la chambre de combustion lors de l'injection.

C'est donc un objectif de l'invention de proposer une méthode permettant de connaître au mieux la dilution du carburant dans l'huile du moteur pour empêcher la régénération lorsque cette dilution est supérieure à une limite admissible.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet une méthode d'estimation de la variation d'un taux de dilution de carburant dans l'huile d'un moteur Diesel pendant le fonctionnement du moteur. Selon l'invention, la variation du taux de dilution est une fonction des conditions de l'injection du carburant dans chacune des chambres de combustion.
L'inventeur a en effet constaté que les paramètres les plus influents sur la dilution du carburant dans l'huile étaient les conditions d'injection du carburant. En prenant en compte ces conditions, 1 on peut estimer au mieux le taux de dilution de carburant dans l'huile d'un moteur.
La variation du taux de dilution est donc une fonction des paramètres suivants : un nombre de phases d'injection dans la chambre de combustion pour un cycle ; pour chaque phase d'injection, la quantité de carburant injecté et la position d'un piston dans la chambre de combustion lors de l'injection ; et la pression d'alimentation en carburant. En outre, on calcule un coefficient pour chaque phase d'injection, le coefficient comprenant un terme multiplicatif égal au produit du débit de carburant pendant ladite phase et de la position angulaire du vilebrequin au début de ladite phase d'injection, et un terme diviseur égal à la pression d'alimentation en carburant, le taux de variation des dilution étant une fonction de la somme desdits coefficients sur toutes les phases d'injection. L'inventeur a constaté que de tels coefficients pouvaient valablement représenter la contribution de chaque phase d'injection à la variation du taux de dilution de carburant dans l'huile.
Toutes les phases d'injection sont ainsi prises en compte, ainsi que leurs paramètres individuels.
De manière particulière, la variation du taux de dilution est calculée sur une phase d'injection retardée dont le rendement est dégradé par rapport à une injection normale, et sur une phase de post-injection ne participant pas à la fourniture de puissance au moteur. Ce type de fonctionnement est fréquemment utilisé pour commander une régénération. La phase de post-injection est bien prise en compte, contrairement à certaines méthodes d'évaluation se basant uniquement sur la charge du moteur, évaluée par exemple par un débit d'air ou une pression d'air à l'admission.
De manière particulière, le coefficient de l'injection retardée comporte en outre un terme multiplicateur égal au taux de variation égal au taux de variation de la quantité de carburant injecté entre l'injection retardée et l'injection normale, et le coefficient de la post-injection comporte en outre un terme multiplicateur égal au rapport des quantité de carburant injecté de la post-injection et de l'injection retardée.
Préférentiellement, la variation du taux de dilution est une fonction continue, nulle lorsque la somme desdits coefficients sur toutes les phases d'injection est inférieure à un seuil d'influence, et affine au-delà dudit seuil d'influence. L'inventeur a constaté, par la comparaison avec des séries de mesures, qu'une telle fonction représentait valablement la variation du taux de dilution.
L'invention a aussi pour objet une méthode d'estimation d'un taux de dilution de carburant dans l'huile d'un moteur Diesel pendant le fonctionnement du moteur, le taux de dilution étant une intégration sur le temps de la variation du taux de dilution estimée comme indiqué précédemment.
L'invention a aussi pour objet un procédé de commande d'un système de motorisation comportant un moteur, un filtre à particules recevant des gaz d'échappement du moteur pour retenir les particules des gaz d'échappement, le procédé traitant des informations et commandant le moteur pour obtenir la régénération du filtre à particules lorsque nécessaire, caractérisé en ce que le procédé établit une estimation du taux de dilution de carburant dans l'huile par la méthode précédente d'estimation d'un taux de dilution de carburant dans l'huile d'un moteur, le procédé autorisant la régénération si l'estimation du taux de dilution est inférieure à un seuil de dilution prédéterminé.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi desquels :

la figure 1 est une vue schématique d'un système de motorisation conforme à l'invention ;
La figure 2 est un chronogramme de différents modes d'injection de carburant ;
la figure 3 est un organigramme de la commande de régénération du filtre à particules ;
la figure 4 est un graphique représentant la variation de taux de dilution en fonction d'une somme de coefficients.

Un système de motorisation mettant en oeuvre la méthode selon l'invention et représenté sur la figure 1, comporte un moteur 1 du type Diesel suralimenté par un turbocompresseur 2 et dont les gaz d'échappement sont traités par un filtre à particules catalytique 3. Le moteur 1 est alimenté en air par un circuit d'air comprenant une prise d'air 11, un compresseur 12 du turbocompresseur 2, une conduite de refoulement 13 et une tubulure d' admission 14 débouchant dans des chambres de combustion du moteur 1, une seule chambre 15 étant représentée.
Les gaz d'échappement produits par la combustion sont évacués de la chambre 15 par une tubulure d'échappement 16, traversent une turbine 17 du turbocompresseur, puis le filtre à particules catalytique 3. Un circuit de recyclage des gaz d'échappement comporte un piquage 18 sur la tubulure d'échappement, une vanne de sélection 19 orientant les gaz d'échappement vers la conduite de refoulement soit en passant par un refroidisseur 20, soit par une conduite directe 21.
Un calculateur 24 reçoit des informations sur le fonctionnement du système de motorisation et commande le moteur 1. Il détermine en particulier les conditions dans lesquelles est réalisée l'injection de carburant dans le moteur.. En se référant à la figure 2, un diagramme des temps de l'injection est représenté dans trois conditions différentes. Le diagramme a pour abscisse la position angulaire ϕ du vilebrequin, le zéro représentant la position du piston au point mort haut (PMH) pour la chambre de combustion considérée.
Lors d'une injection normale, lorsque aucune régénération n'est commandée, l'injection est réalisée en deux temps, à savoir une pré-injection 51 suivie d'une injection principale 52. L'injection principale 52 débute à une position ϕin du vilebrequin, en général avant l'atteinte du point mort haut.
Lorsqu'une régénération est commandée, l'injection est retardée, mais comporte toujours une pré-injection 27, suivie d'une injection principale 28. L'injection principale 28 débute à une position ϕir du vilebrequin, en général après l'atteinte du point mort haut. Si la température des gaz d'échappement a besoin d'être encore plus relevée, une post-injection 29 est réalisée. La post-injection 29 débute à une position ϕip du vilebrequin.
Le calculateur 24 détermine si la régénération doit être pilotée ou non. Pour cela, il établit si certains critères sont satisfaits. Lorsque tous les critères sont satisfaits, un signal de commande de la régénération est délivré. Le calculateur maintient le signal de commande de la régénération pendant une durée prédéterminée après qu'au moins un critère n'est plus satisfait. Parmi ces critères, le calculateur prend en compte un critère sur le taux de dilution Pdil de carburant dans l'huile du moteur. Le taux de dilution est estimé par le calculateur, et si l'estimation du taux de dilution Pdil est supérieure à un seuil de dilution Sdil prédéterminé, le critère n'est plus satisfait. L'estimation du taux de dilution est décrite plus loin.
Pour l'élaboration de ce critère, on se réfère à l'organigramme de la figure 3. Dans une étape d'initialisation 30, l'estimation du taux de dilution Dpil est initialisé soit à une valeur nulle si l'huile est neuve, soit à une valeur précédemment estimée et mémorisée. A l'étape de test 31, on oriente vers une étape 32 si aucune régénération n'est en cours, ou vers une étape 33 dans le cas contraire.
Lors de l'étape 32, un terme dPdil est calculé par l'opposé du produit d'une fonction Févap d'évaporation du carburant contenu dans l'huile et d'un pas de temps dt. La fonction Févap est calculée à partir d'une cartographie mémorisée, en fonction de la vitesse de rotation N et du débit de carburant Qc.
Lors de l'étape 33, un terme dPdil est calculé par le produit d'une variation du taux de dilution DQc et d'un pas de temps dt. La variation du taux de dilution DQc est calculée selon une méthode conforme à l'invention, exposée ci-après, à partir des caractéristiques d'injection du carburant.
Après l'évaluation de l'une des étapes 32 ou 33, le nouveau taux de dilution Pdil(n) est calculé en ajoutant au taux de dilution au pas de temps précédent Pdil(n-1) le terme dPdil. On réalise ainsi une intégration numérique de la variation du taux de dilution DQc.
Aux étapes 35 et 36, on s'assure que le taux de dilution ne deviendra pas négatif. Ensuite, à l'étape 37, le taux de dilution Pdil est comparé au seuil de dilution Sdil prédéterminé : s'il est supérieur, le critère n'est pas satisfait et une régénération est interdite (étape 38). Dans le cas contraire, une régénération est autorisée (étape 39).
A l'étape 40, on attend l'écoulement du pas de temps dt avant de procéder à un nouveau pas de calcul, en reprenant à l'étape 31.
La variation du taux de dilution DQc est calculée selon la formule suivante : ${\begin{cases} DQc = 0 si Cir + Cip < Sc \\ DQc = a \times (Cir + Cip - Sc) si Cir + Cip \geq Sc \end{cases}$

avec :

Cir : un coefficient de l'injection retardée ;
Cip : un coefficient de la post-injection ;
Sc : un seuil d'influence prédéterminé ;
a : un coefficient de proportionnalité.

Le graphique de la figure 3 représente cette fonction avec C = Cir+Cip. Le coefficient d'injection retardée est défini par la formule suivante : $Cir = D_{ir - in} \frac{Qir \times ϕ_{ir}}{Pc}$

avec :

Dir-in : taux de variation du débet d'injection entre l'injection retardée et l'injection normale ;
ϕir : position angulaire du vilebrequin lorsque l'injection retardée débute, par rapport au point mort haut du piston de la chambre de combustion considérée ;
Qir : quantité de carburant injecté pendant la phase d'injection retardée ;
Pc : pression de rampe commune alimentant l'injecteur en carburant.

Le coefficient de post-injection est défini par la formule suivante : $Cip = D_{ip - or} \frac{Qip \times ϕ_{ip}}{Pc}$
avec :

Dip-ir : rapport du débit d'injection de la post-injection sur celui de l'injection retardée ;
Qip : quantité de carburant injecté pendant la phase post-injection ;
ϕip : position angulaire du vilebrequin lorsque la post-injection débute.

Ces équations ont été vérifiées par la comparaison du résultat de ces équations avec des résultats d'essais de fonctionnement. Le taux de dilution de carburant dans l'huile du moteur a été mesuré après un fonctionnement du moteur à conditions constantes pendant une durée d'une heure. La mesure du taux de dilution est réalisée par exemple par chromatographie. Après détermination statistique du coefficient de proportionnalité et du seuil d'influence, les simulations sont corrélées à 86 % avec les résultats de mesure.
La méthode selon l'invention peut s'appliquer à l'ensemble des chambres de combustion si elles sont commandés de la même manière, ou individuellement si les conditions particulières d'injection sont appliquées uniquement à certaines chambres de combustion.

Claims

Méthode d'estimation de la variation d'un taux de dilution de carburant dans l'huile d'un moteur Diesel pendant le fonctionnement du moteur (1), la variation du taux de dilution (DQc) étant une fonction, dans chacune des chambres de combustion (15), des paramètres suivants :
- un nombre de phases d'injection dans la chambre de combustion (15) pour un cycle ;

- pour chaque phase d'injection, la quantité de carburant injecté (Qin, Qir, Qip) et la position d'un piston (ϕin, ϕir, ϕip) dans la chambre de combustion (15) lors de l'injection, caractérisé en ce que, la variation du taux de dilution est fonction en outre de la pression d'alimentation (Pc) en carburant, et en ce que, on calcule un coefficient pour chaque phase d'injection, le coefficient (Cir, Cip) comprenant un terme multiplicatif égal au produit de la quantité de carburant injecté (Qir, Qip) pendant ladite phase et de la position angulaire du vilebrequin (ϕir, ϕip) au début de ladite phase d'injection, et un terme diviseur égal à la pression d'alimentation (Pc) en carburant, le taux de variation de dilution (DQc) étant une fonction de la somme (C) desdits coefficients (Cir, Cip) sur toutes les phases d'injection.
Méthode selon la revendication 1, dans laquelle la variation du taux de dilution (DQc) est calculée sur une phase d'injection retardée (27, 28) dont le rendement est dégradé par rapport à une injection normale (25, 26), et sur une phase de post-injection (29) ne participant pas à la fourniture de puissance au moteur.
Méthode selon la revendication 1, dans laquelle le coefficient de l'injection retardée (Cir) comporte en outre un terme multiplicateur (Dir-in) égal au taux de variation de la quantité de carburant injecté entre l'injection retardée (Qir) et l'injection normale (Qin).
Méthode selon la revendication 1, dans laquelle le coefficient de la post-injection (Cip) comporte en outre un terme multiplicateur (Dir-ip) égal au rapport des quantités de carburant injecté dé la post-injection (Qip) et de l'injection retardée (Qir).
Méthode selon la revendication 1, dans laquelle la variation du taux de dilution est une fonction continue, nulle lorsque la somme (C) desdits coefficients (Cir, Cip) sur toutes les phases d'injection est inférieure à un seuil d'influence (Sc), et affine au-delà dudit seuil d'influence (Sc).
Méthode d'estimation d'un taux de dilution de carburant (Pdil) dans l'huile d'un moteur Diesel pendant le fonctionnement du moteur, le taux de dilution étant une intégration sur le temps de la variation du taux de dilution (DQc) estimée selon l'une des revendications précédentes.
Procédé de commande d'un système de motorisation comportant un moteur (1), un filtre à particules (3) recevant des gaz d'échappement du moteur (1) pour retenir les particules des gaz d'échappement, le procédé traitant des informations et commandant le moteur (1) pour obtenir la régénération du filtre à particules (3) lorsque nécessaire, caractérisé en ce que le procédé établit une estimation du taux de dilution (Pdil) de carburant dans l'huile par une méthode selon la revendication 7, le procédé autorisant la régénération si l'estimation du taux de dilution (Pdil) est inférieure à un seuil de dilution prédéterminé (Sdil).