EP2142782A2 - Procédé de réglage des paramètres d'injection, de combustion et/ou de post-traitement d'un moteur a combustion interne à auto-allumage - Google Patents

Procédé de réglage des paramètres d'injection, de combustion et/ou de post-traitement d'un moteur a combustion interne à auto-allumage

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EP2142782A2
EP2142782A2 EP08805550A EP08805550A EP2142782A2 EP 2142782 A2 EP2142782 A2 EP 2142782A2 EP 08805550 A EP08805550 A EP 08805550A EP 08805550 A EP08805550 A EP 08805550A EP 2142782 A2 EP2142782 A2 EP 2142782A2
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EP
European Patent Office
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fuel
biofuel
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type
injection
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Withdrawn
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EP08805550A
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German (de)
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Johan Fournel
Alain Lunati
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Original Assignee
SP3H SAS
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing polluting emissions at the source and optimizing the depollution of a diesel engine by modifying the injection, combustion and post-treatment parameters as a function of the content of biofuel content in the fuel.
  • ester-based agricultural compounds for example, in the commercial fuel minimizes overall greenhouse gas emissions, but also influences pollutant emissions, including nitrogen oxide (NOx) emissions. and particles.
  • pollutant emissions including nitrogen oxide (NOx) emissions. and particles.
  • Numerous studies such as "A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions” (United States Environmental Protection Agency, Air and Radiation EPA420-P-02-001 October 2002) have shown that the addition of ester to fuel impacts pollutant emissions from the engine with constant adjustment. This is explained by the notable chemical difference between the hydrocarbon molecules constituting the fossil fuel and the oxygenated compounds of the ester family, for example.
  • biofuels are incorporated in diesel in many countries and the percentage of biofuel in diesel is very variable. In particular, there are very different political directives from one country to another recommending the content of biofuel in fuel. On the other hand there are refining constraints imposed by the commercial specifications limiting the degrees of freedom in the incorporation of biofuel according to the refining bases constituting the fossil fuel.
  • Efforts are also made at the post-treatment stage, particularly for the particulate additive filter and the nitrogen oxide conversion system (DeNOx).
  • a constant content of additive in the fuel is regulated; each time the fuel tank is refilled, the quantity of additive to be injected is determined as a function of the volume of fuel introduced into the tank.
  • a safety margin is taken in the injection of the additive and this injection is not optimized according to the content and the type of biofuel in the fuel.
  • Nitrogen oxides (NOx) post-treatment systems use a reagent and a catalyst.
  • the most used method today involves as reagent a solution of urea allowing the release of ammonia converting nitrogen monoxide to nitrogen according to the following equation:
  • this DeNOx process includes a sensor measuring the concentration of nitrogen oxide downstream of the post-treatment system. This sensor directs the regulation in post control. The variability in the content and type of biofuel in the fuel and its impacts on particulate and NOx emissions are therefore nowadays understood by:
  • the non-optimized addition according to the content and type of biofuel in the fuel of the additives used for the post-treatment of the particles by the particulate additive filter induces either an excess dimensioning of the additive reservoir or a more frequent filling of the additive reservoir.
  • This tank The congestion constraints on board a vehicle limit the volume available for the additive tank.
  • the manufacturers want that the mileage intervals between two fillings of the additive tank are the largest possible and not at the expense of the motorist.
  • the use of the excess additive does not meet these constraints of space and interval between two fillings.
  • the post-control DeNOX system based on the NOx sensor located after the post-treatment is a reactive and corrective but non-preventive control, in indeed, the regulation increases the rate of reagent if the sensor detects a concentration of NOx greater than a target value and conversely limits the rate of reagent when the sensor detects a concentration of NOx lower than the target value.
  • the amplitude of the oscillations around the target value and the time required for regulation to reach this target value can be negatively affected by the content and type of biofuel in the fuel; this leads to a temporary increase in polluting emissions.
  • the particulate filter additive becomes a predominant solution for the depollution of diesel vehicles since the early 2000s and the systems
  • Anti-pollution standards are becoming more stringent, and vehicle and engine manufacturers must constantly reduce regulated exhaust emissions, such as nitrogen oxides and particulates, for each vehicle or engine sold, over its entire life cycle, and this by ensuring a minimum additional cost.
  • the document WO 94/08226 deals with an on-board method of determination by near-infrared spectroscopy of the properties of the fuel. This method does not include the determination of the rate of biofuel in the fuel supplying a diesel engine and does not provide any action to minimize pollutants at the source or to optimize the post-processing parameters of the engine.
  • Document WO 02095376 proposes to control the mode of operation of the engine according to the analysis of the exhaust gases.
  • Such a method uses a sensor on the exhaust line to respond to robustness requirements of the automotive market, for example, and this in a particularly difficult environment (acidity of the gases for example); this induces a significant additional cost.
  • the control of the engine parameters according to the analysis of the exhaust gas is by definition a reactive control and a posteriori inducing the presence of emissions during transient conditions in particular.
  • the document WO2006100377 describes the optimization of a combustion engine implementing a measurement of the molecular structure of the fuel by near infrared.
  • the present invention does not need to consider such a detail of molecular structure, but focuses on the characterization of chemical functions, families of chemical compounds and molecule group recognition to understand the rate and type of biofuel in fuel.
  • the invention aims to meet the need to determine the content and type of biofuel in the fuel in line with the fuel / pollutant torque, this by proposing a method of prepositioning the injection, combustion and post-treatment parameters. based on the content and type of fuel biofuel.
  • the invention makes it possible to preposition the injection and combustion parameters on the one hand so as to minimize the pollutant emissions at the source depending on the content and type of fuel biofuel and on the other hand. optimize post-treatment parameters so as to minimize the polluting emissions at the vehicle's exit while ensuring the better management of catalysts, additives and post-treatment reagents.
  • the process according to the invention is suitable for any type of biofuel (methyl or ethyl ester of
  • Such a method comprises: a step of determining the content of biofuel in the fuel, and / or a step of determining the type of biofuel in the fuel, - a step of modifying the injection settings (for example: advance to the fuel).
  • a step of modifying the combustion settings eg EGR exhaust flow rate, EGR cooling, Compression ratio in the case of Variable compression ratio engine, turbocharging settings such as the flow rate, the pressure and the intake air temperature
  • a modification step post-treatment settings eg: amount of reagent injected for DeNOx treatment, amount of additive injected particulate filter treatment with additive, amount of oxygen added for post oxidation of soot) depending on the content and / or type of biofuel of the fuel
  • This method is applied at a defined frequency and / or on an event. This process is applied at least to each fuel filling. The start of the process is directed by a significant positive variation of the fuel level indicated by the fuel gauge.
  • the implementation of the process involves prior calibration of the laws, parameters and mapping of injection, combustion and post-treatment. This calibration makes it possible to define distinct engine control strategies in order to take into account the content and / or the type of biofuel of the fuel.
  • Such a method makes it possible, by storing information relating to the content and / or the type of fuel biofuel, to minimize the polluting emissions during a cold start by optimizing the injection, combustion and post-treatment parameters. taking into account the latest stored information relating to the content and / or type of fuel biofuel.
  • the content and / or type of biofuel of the fuel is determined from a sensor.
  • This sensor is located on the fuel system comprising the filling system, the reservoir, the pump gauge module, the fuel filter or filters, the motor supply circuit and the return circuit to the tank.
  • the sensor for determining the content and / or type of fuel biofuel is based on a spectroscopic analysis using near-infrared technology.
  • the near infrared is particularly well suited to the qualitative diagnosis of fuels in the sense that the near infrared is a very sensitive method and that the near-infrared spectrum can be considered as the "DNA" of the product.
  • the near infrared is particularly repeatable.
  • the near infrared technology also allows the use of a spectrometer without moving parts of the dispersive network type, transformed Fourrier, emitting diodes and others. These technologies can be miniaturized.
  • the transmission and detection systems can be connected to each other via optical fiber.
  • the near infrared technology has the advantage of being easily integrated in a vehicle. And presents a great robustness involving low costs. It is possible to cite the reference works for the near infrared such as that of LG WEYER published in 1985 or the "Handbook of near infrared analysis” published in 1992 or more specific publications such as spectroscopic applications in petrochemistry and refining as presented in the articles by Jerome WORKMAN Jr in 1996 or M. VALLEUR in 1999.
  • the information contained in the near-infrared spectrum of the fuel is extracted by mathematical processing to determine the content and / or the type of fuel biofuel. This determination of the content and / or type of biofuel is taken into account for the optimization of the injection, combustion and post-treatment settings in order to minimize the pollutant emissions of the engine.
  • the rate and / or the type of biofuel are calculated from the determination of the molecular structure of the product.
  • the molecular structure of the product provides an extremely fine level of detail allowing precise apprehension of biofuel specificities such as chemical groups or chemical families, for example by the detection of the ester group via the analysis of the molecular structure.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel supply circuit of an engine in which the method according to the invention is implemented with an embodiment of the sensor.
  • Figure 2 is a schematic representation of a fuel supply circuit of an engine with the indication of the possible locations of the sensor.
  • FIG. 3 is a diagram showing the steps of the process and in particular the steps of determining the content and / or the type of biofuel in the fuel and the engine adjustment steps aimed at minimizing the pollutant emissions.
  • a method of minimizing the pollutant emissions of a vehicle equipped with a heat engine taking into account in the injection, combustion and post-treatment settings, the content and / or the type of fuel biofuel.
  • the engine is fueled by the fuel system (1), comprising a reservoir (2), a tank filling system (3) and a fuel supply circuit (4).
  • the circuit comprises for example one or more fuel pumps (5), one or more fuel filters (6) and the return circuit to the tank (7).
  • a spectroscopic sensor (8) is implanted in the fuel circuit (1) and is connected to the electronic or digital system (13) allowing the use the content and / or type of fuel biofuel in the management of injection, combustion and post-treatment parameters.
  • the senor In the case of near-infrared analysis, the sensor consists of a light source (9), a light separation system, a fuel sampling cell (10), photosensitive detection (11) and a dedicated calculator (12). It is possible to relocate the sampling system from the other components of the spectrometer via optical fibers.
  • the dedicated computer (12) is used to control the measurement sequences, adjust and check the correct operation of the sensor (8).
  • the calculator (12) contains the mathematical models for carrying out all the calculations associated with the near infrared spectrum processing allowing the self - diagnosis of the measurement system and the determination of the content and type of biofuel in the fuel.
  • the calculator (12) is connected to an electronic or digital system (13) allowing the use of information relating to the content and / or type of biofuel by the engine control for injection, combustion and post-treatment.
  • This electronic or digital system controls the actuators (A) for regulation.
  • the functions performed by the computer (12) can be supported and performed directly by the electronic or digital system (13).
  • the senor (8) can comprise either a single source and a single detector or several light sources and a single detector or a single source and several detectors or several light sources and several detectors. he In the case of the near infrared, it is possible to use interferential filters, Bragg gratings, dispersive gratings, liquid crystals, a Fourier Transform system or a linear camera for separating light.
  • the microanalysisr (8) can be sequentially or multiplexed.
  • the sensor (8) may be a near-infrared spectrometer with bars composed of several hundred photodiodes each recording the light intensity at a given wavelength.
  • the detector that composes the sensor (8) is a semiconductor based on silicon (Si) or a complex type of alloy (InGaAs, InAs, InSb, PbS, PbSe) with a high sensitivity or a component of the CMOS type or CCD.
  • the detector can be cooled or not.
  • the sensor (8) can be placed in the tank (position P1 in FIG. 2), at the level of the tank filling system (position P2 in FIG. 2), in the pump-gauge module (position P3 in FIG. 2). ), in the fuel supply system of the engine. In the latter case, the sensor (8) can be placed between the pump (5) and the filter (6) (position P4 in FIG. 2), in the fuel filter (position P5 in FIG. downstream of the fuel filter (position P6 in Figure 2). The sensor may also be located in the fuel return circuit (position P7 in FIG. 2). The sensor (8) is arranged to perform measurements in the spectral regions between 780 and 2500 nanometers (12820 cm 1-4000 cm "1).
  • sampling device is arranged to present an optical path, that is to say a thickness of product through which is measured, between 0.5 millimeters and 100 millimeters, that is to say optical paths corresponding to wavelength ranges from 50 millimeters to 100 millimeters in the first case, from 10 millimeters to 20 millimeters in the second case and from 0.5 millimeters to 5 millimeters in the latter case.
  • the sensor (8) is arranged to effect the near-infrared spectrum of the fuel flowing in the fuel supply circuit of the engine in reflectance, transmittance or absorbance.
  • the sensor (8) has a spectacle resolution (accuracy) adjustable from 1 cm “1 to 20 cm “ 1 preferably to 4 cm “1 .
  • the optical and sampling system of the sensor (8) can also be self-cleaning which makes it possible to avoid having to disassemble it in order to clean it.
  • Measurements of the near-infrared spectra of the fuel are made for example in absorbance in the wavelength regions considered.
  • the absorbance values measured at each selected wavelength are introduced into universal mathematical and statistical models previously calibrated on a reference databank, according to the known rules of chemometry to inform the multi-entry matrix for determining the content and type of biofuel in the fuel.
  • This qualitative information is made available to the engine control which modifies the setting (parameters, laws and maps) of the injection, the combustion and the post-treatment in order to optimize the settings in accordance with this content and the type of biofuel. the goal of minimizing polluting emissions from the engine.
  • the best settings, laws and / or mapping of injection, combustion and post-treatment of the engine are chosen by the electronic or digital system according to the usual information recorded by the various sensors and detectors but also by the sensor (8) which now provides information on the content and / or type of biofuel in the fuel.
  • the settings, laws and engine mapping can be chosen to minimize emissions in the engine exhaust iso engine performance or to increase the performance of the engine iso emissions.
  • Determinations of the content and type of fuel biofuel can be made by the sensor (8) regularly over time.
  • a detector of the volume of fuel present in the tank (2) can also be provided.
  • the start of the measurement of the sensor (8) is then controlled to occur each time the tank is filled (increase in volume in the tank).
  • a storage step of information relating to the content and / or type of biofuel is used to form a history of this content and type of biofuel.
  • the last grade and the last type of biofuel stored are used by the engine control to adjust the parameters, laws and mapping of injection, combustion and post-treatment according to the content and type of biofuel .
  • the method according to the innovation includes a self - diagnosis system making it possible to ensure the correct operation of the sensor (8).
  • the self - diagnosis detects the failure and informs the digital or electronic system in charge of the motor control of the fault.
  • This electronic or digital system takes the following actions under these conditions: • The system assumes that the content and / or type of biofuel in the fuel is the most unfavorable and adjusts the parameters, laws and mapping of injection, combustion and post-treatment to minimize pollutant emissions to the detriment of performance.
  • the system informs the user of the engine or the company responsible for its maintenance of the sensor failure (8).
  • FIG. 3 represents the various steps of the method: - step A: collection of the near-infrared spectrum of the fuel
  • step B self-diagnosis of the sensor applied to the near-infrared spectrum
  • step C Communication of the status of the determination of the content and / or the type of biofuel to the central diagnostic system (On Board Diagnostic)
  • step D determination of the content and / or the type of biofuel in the fuel from the mathematical treatment applied to the near-infrared spectrum of the fuel stage
  • E If the sensor is valid, transfer information relating to the content and / or type of biofuel to the system digital or electronic in charge of the motor control step
  • F selection or modification of the parameters, laws and / or maps adapted by the digital or electronic system in charge of the engine control;
  • step G adjustment of the engine according to the parameters, laws and / or adapted cartographies.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réglage des paramètres d'injection, de combustion et/ou de post-traitement d'un moteur à combustion interne à auto-allumage caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la teneur et du type de biocarburant présent dans le carburant alimentant le système d'injection. L'invention concerne également un système de motorisation et un équipement pour la mise en œuvre de ce procédé, mettant en œuvre un capteur (8) pour la détermination de la teneur et du type de biocarburant présent dans le carburant alimentant le système d'injection.

Description

PROCÉDÉ DE RÉGLAGE DES PARAMÈTRES D'INJECTION, DE
COMBUSTION ET/OU DE POST-TRAITEMENT D'UN MOTEUR A
COMBUSTION INTERNE À AUTO-ALLUMAGE
L ' invention concerne un procédé permettant la réduction d'émissions polluantes à la source et l'optimisation de la dépollution d'un moteur Diesel en modifiant les paramètres d'injection, de combustion et de post traitement en fonction de la teneur de biocarburant contenu dans le carburant.
L'ajout de composés d'origine agricole de type ester par exemple dans le carburant commercial minimise les émissions globales de gaz à effet de serre, mais influe aussi sur les émissions polluantes, notamment sur les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et les particules. De nombreuses études telles que « A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions » (United States Environmental Protection Agency , Air and Radiation EPA420-P-02-001 October 2002) ont démontré que l'ajout d'ester dans le carburant impacte les émissions polluantes du moteur à réglage constant. Ceci s 'expliquant par la différence chimique notable entre les molécules hydrocarbonées constituant le carburant fossile et les composés oxygénés de famille ester par exemple.
Ces biocarburants sont incorporés dans le gazole dans de nombreux pays et le pourcentage de biocarburant dans le gazole est très variable. Il existe notamment des directives politiques très différentes d'un pays à un autre recommandant la teneur en biocarburant dans le carburant. D'autre part il existe des contraintes de raffinage imposées par les spécifications commerciales limitant les degrés de liberté dans l'incorporation de biocarburant en fonction des bases de raffinage constituant le carburant fossile.
De nombreux procédés permettent d'estérifier les huiles végétales d'origine agricole dans le but de synthétiser des produits pouvant être incorporés au carburant. De plus, les huiles végétales ont des origines très diverses comme le colza, le palme, le soja et autres végétaux. Les futurs procédés permettront d'élargir la diversité des biocarburants en utilisant la biomasse et les graisses d'origine animales par exemple. La diversité des sources et des procédés d'estérification entraîne des différences importantes sur la structure chimique tel que le nombre de carbone constituant les chaînes hydrocarbonées de part et d'autre du groupement chimique ester. Ces spécificités chimiques notables entraînent des différences importantes en termes d'émission d'oxydes d'azote et de particules lors de leur combustion.
La diversité des procédés d'estérification, combinée aux multiples sources de matières premières, aux contraintes de raffinage et de qualité et aux différentes recommandations et directives des gouvernements, impliquent que les carburants dédiés aux moteurs Diesel distribués présentent une variabilité grandissante, notamment sur la teneur et/ou le type de biocarburant incorporé .
Les moteurs actuels doivent être en mesure de fonctionner et d'émettre une quantité de polluants inférieure aux normes en vigueur et ceci sur la gamme de variabilité des carburants distribués contenant une proportion et un type variables de biocarburant. Pour ce faire, cette contrainte est prise en compte dès le design du moteur et des gardes de sécurité sont prises au niveau du contrôle moteur. Le moteur n'est donc pas réglé à l'optimum pour tous les carburants, mais des compromis de réglages d'injection et de combustion sont réalisés pour que le fonctionnement du moteur soit assuré quel que soit le taux et/ou le type de biocarburant incorporé dans le carburant.
Des efforts sont aussi réalisés au niveau du post traitement, notamment pour le filtre à particules additivé et le système de transformation des oxydes d'azote (DeNOx).
Pour le bon fonctionnement du filtre à particule additivé, une teneur constante en additif dans le carburant est régulée ; à chaque nouveau remplissage du réservoir de carburant, la quantité d'additif à injecter est déterminée en fonction du volume de carburant introduit dans le réservoir. Pour que le filtre à particule fonctionne quels que soient la teneur et le type de biocarburant du carburant, une marge de sécurité est prise dans l'injection de l'additif et cette injection n'est pas optimisée en fonction de la teneur et du type de biocarburant dans le carburant.
Les systèmes de post traitement des oxydes d'azote (NOx) utilisent un réactif et un catalyseur. Le procédé le plus utilisé aujourd'hui implique comme réactif une solution d'urée permettant la libération d'ammoniaque convertissant le monoxyde d'azote en azote selon l'équation suivante :
4 NO + 4NH3 + O2 -> 4 N2 + 6H2O Ce procédé doit être finement contrôlé de manière à d'une part injecter suffisamment de réactif pour assurer la conversion des oxydes d'azote et d'autre part éviter d'injecter un excès d'additif qui entraînerait une libération d'ammoniaque dans l'atmosphère, néfaste pour l'environnement. Pour ce faire, ce procédé DeNOx inclut un capteur mesurant la concentration en oxyde d'azote en aval du système de post traitement. Ce capteur dirigeant la régulation en post contrôle. La variabilité en teneur et type de biocarburant dans le carburant et ses impacts sur les émissions de particules et NOx sont donc aujourd'hui appréhendés par :
• Une teneur en additif dans le gazole suffisante pour assurer le bon fonctionnement du filtre à particules additivé quel que soit le carburant et sa teneur et type de biocarburant.
• Un post contrôle basé sur le capteur de NOx situé en aval du post traitement pour injecter la juste quantité de réactif pour assurer la transformation des oxydes d'azote.
L'ajout non optimisé en fonction de la teneur et du type de biocarburant dans le carburant des additifs utilisés pour le post traitement des particules par le filtre à particules additivé induit soit un dimensionnement en excès du réservoir d'additif soit un remplissage plus fréquent de ce réservoir. Les contraintes d'encombrement à bord d'un véhicule limitent le volume disponible pour le réservoir d'additif. D'autre part, les constructeurs souhaitent que les intervalles de kilométrage entre deux remplissages du réservoir d'additif soient le plus grands possible et pas à la charge de l'automobiliste. L'utilisation de l'additif en excès ne répond pas à ces contraintes d'encombrement ni d'intervalle entre deux remplissages.
Le post contrôle du système DeNOX basé sur le capteur NOx situé en aval du post traitement est un contrôle réactif et correctif mais non préventif, en effet, la régulation augmente le taux de réactif si le capteur détecte une concentration de NOx supérieure à une valeur cible et inversement limite le taux de réactif lorsque le capteur détecte une concentration de NOx inférieure à la valeur cible. L'amplitude des oscillations autour de la valeur cible et le temps nécessaire à la régulation pour atteindre cette valeur cible peut être affectée de manière négative par la teneur et le type de biocarburant dans le carburant ; ceci entraînant une augmentation temporaire d'émissions polluantes .
Le filtre à particules additivé devient une solution prédominante pour la dépollution des véhicules Diesel depuis le début des années 2000 et les systèmes
DeNOx utilisant le réactif AdBlue par exemple équipent de plus en plus de véhicules Diesel depuis 2004.
Les normes anti-pollution sont de plus en plus sévères et les constructeurs de véhicules et motoristes se doivent constamment de réduire les émissions réglementées dans les gaz d'échappement, comme les oxydes d'azote et les particules, pour chaque véhicule ou moteur vendu, sur l'ensemble de son cycle de vie, et ceci en assurant un coût additionnel minimum.
Il existe donc un besoin d'améliorer la gestion de l'injection, de la combustion et du post traitement des moteurs Diesel en prenant en compte la teneur et/ou le type de biocarburant du carburant.
Le document US2004000275 traite d'un système d'injection de carburant fournissant à un véhicule la capacité d'évaluer le carburant dans son propre système permettant d'améliorer les paramètres d'injection. Ce système se limite à l'amélioration des réglages des paramètres d'injection et s'oriente vers le traitement des carburants pour moteurs à allumage commandés. De plus, ce document ne décrit pas la méthode de mesure embarquée de la qualité du carburant.
Le document WO 94/08226 traite d'un procédé embarqué de détermination par spectroscopie proche infrarouge des propriétés du carburant. Ce procédé ne comprend pas la détermination du taux de biocarburant dans le carburant alimentant un moteur Diesel et ne prévoit aucune action visant à minimiser les polluants à la source ni à optimiser les paramètres de post traitement du moteur.
Le document « Fluid Condition Monitoring Sensors for Diesel Engine Control » met en avant un système embarqué permettant d'appréhender le taux de « FAME » (Fatty Methyl Ester) dans le Gazole. Le procédé utilisé est un capteur infrarouge. La technologie infrarouge présente le désavantage majeur de la faible durée de vie de la source lumineuse ne répondant que partiellement aux contraintes de robustesse imposées par le marché automobile par exemple. De plus, ce procédé nécessite un capteur à application unique permettant exclusivement de mesurer le taux de biodiesel dans le Diesel ou le taux d'éthanol dans l'essence impliquant de fait un coût supplémentaire spécifique pour répondre à une problématique unique.
Le document WO 02095376 propose de contrôler le mode de fonctionnement du moteur en fonction de l'analyse des gaz d'échappement. Un tel procédé met en oeuvre un capteur sur la ligne d'échappement devant répondre aux exigences de robustesse du marché automobile par exemple, et ceci dans un environnement particulièrement difficile (acidité des gaz par exemple) ; ceci induisant un surcoût notable. D'autre part, le contrôle des paramètres du moteur en fonction de l'analyse des gaz d'échappement est par définition un contrôle réactif et à posteriori induisant la présence d'émissions lors des régimes transitoires notamment.
Le document WO2006100377 décrit l'optimisation d'un moteur à combustion mettant en œuvre une mesure de la structure moléculaire du carburant par proche infrarouge. La présente invention ne nécessite pas de considérer un tel détail de structure moléculaire, mais s'attache à la caractérisation de fonctions chimiques, de familles de composés chimiques et de reconnaissance de groupe de molécules permettant d'appréhender le taux et le type de biocarburant dans le carburant.
L'invention vise à répondre au besoin de détermination de la teneur et du type de biocarburant dans le carburant en adéquation avec le couple carburant/émissions polluantes, ceci en proposant un procédé de prépositionnement des paramètres d'injection, de combustion et de post traitement en se basant sur la teneur et le type de biocarburant du carburant.
À cet effet, l'invention permet de prépositionner d'une part les paramètres d'injection et de combustion de manière à minimiser les émissions polluantes à la source en fonction de la teneur et du type de biocarburant du carburant et d'autre part d'optimiser les paramètres de post traitement de manière à minimiser les émissions polluantes en sortie du véhicule tout en assurant la meilleure gestion des catalyseurs, additifs et réactifs de post traitement.
Le procédé selon l'invention est adapté pour tout type de biocarburants (Ester méthylique ou éthylique de
Colza, de palme, de tournesol et autres, ainsi que les biocarburants de seconde génération et les futurs biocarburants ) .
Un tel procédé comporte : une étape de détermination de la teneur en biocarburant dans le carburant, et/ou une étape de détermination du type de biocarburant dans le carburant, - une étape de modification des réglages d'injection (par exemple : avance à l'injection, nombre d'injections, durée d'injection, taux d'introduction du carburant, gestion de la suralimentation : Débit, Pression et température d'air admis, Variation de la section du distributeur de turbine dans le cas de turbine à géométrie variable) en fonction de la teneur et du type de biocarburant du carburant, une étape de modification des réglages de combustion (par exemple : taux de circulation des gaz d'échappement EGR, refroidissement de l'EGR, Taux de compression dans le cas de moteur à taux de compression variable, réglages de la suralimentation tels que le débit, la pression et la température d'air admis) en fonction de la teneur et/ou du type de biocarburant du carburant, une étape de modification des réglages de post traitement (par exemple : quantité de réactif injecté pour le traitement DeNOx, quantité d'additif injecté pour le traitement des particules par filtre à particule additivé, quantité d'oxygène ajouté pour la post oxydation des suies ) en fonction de la teneur et/ou du type de biocarburant du carburant. - une étape de stockage de l ' information relative à la teneur et/ou au type de biocarburant dans le carburant.
Ce procédé est appliqué à fréquence définie et/ou sur événement. Ce procédé est appliqué au moins à chaque remplissage en carburant. Le démarrage du procédé étant dirigé par une variation positive notable du niveau de carburant indiqué par la jauge à carburant.
La mise en œuvre du procédé implique préalablement la calibration des lois, paramètres et cartographie d'injection, de combustion et post traitement. Cette calibration permettant de définir des stratégies distinctes de contrôle moteur afin de prendre en considération la teneur et/ou le type de biocarburant du carburant.
Un tel procédé permet, grâce au stockage des informations relatives à la teneur et/ou au type de biocarburant du carburant, de minimiser les émissions polluantes lors d'un démarrage à froid en optimisant les paramètres d'injection, de combustion et de post traitement en prenant en compte la dernière information stockée relative à la teneur et/ou au type de biocarburant du carburant.
Un tel procédé permet de réconcilier les informations issues de la détermination du taux et du type de biocarburant du carburant selon notre invention avec d'autres capteurs existants (notamment le capteur de
NOx situé en aval du post traitement) dans le but de confirmer le bon fonctionnement de ces dits capteurs ou le cas échéant d'informer l'OBD (On Board Diagnostic) de la défaillance d'un ou de plusieurs de ces capteurs.
Selon une réalisation particulière, la teneur et/ou le type de biocarburant du carburant est déterminée à partir d'un capteur. Ce capteur est implanté sur le circuit carburant comprenant le système de remplissage, le réservoir, le module jauge pompe, le ou les filtres à carburant, le circuit d'alimentation du moteur et le circuit retour vers le réservoir.
Selon une réalisation particulière, le capteur permettant les déterminations de la teneur et/ou le type de biocarburant du carburant sont basées sur une analyse spectroscopique utilisant la technologie proche infrarouge. En effet, le proche infrarouge est particulièrement bien adapté au diagnostic qualitatif des carburants dans le sens où le proche infrarouge est une méthode très sensible et que le spectre proche infrarouge peut être considéré comme « l'ADN » du produit. De plus, le proche infrarouge est particulièrement répétable. La technologie proche infrarouge permet de plus l'utilisation d'un spectromètre sans pièce mobile de type réseau dispersif, transformé de Fourrier, diodes émettrices et autres. Ces technologies peuvent être miniaturisées. Les systèmes d'émission et de détection peuvent être reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire de fibre optique. Ainsi la technologie proche infrarouge présente l'avantage d'être facilement intégrable à bord d'un véhicule. Et présente une grande robustesse impliquant de faibles coûts. II est possible de citer les ouvrages de référence pour le proche infrarouge comme celui de L. G. WEYER publié en 1985 ou le « Handbook of near infrared analysis » publié en 1992 ou des publications plus spécifiques comme les applications spectroscopiques en pétrochimie et raffinage comme présentées dans les articles de Jérôme WORKMAN Jr en 1996 ou de M. VALLEUR en 1999.
L'information contenue dans le spectre proche infrarouge du carburant est extraite par traitement mathématique permettant de déterminer la teneur et/ou le type de biocarburant du carburant. Cette détermination de la teneur et/ou du type de biocarburant est prise en compte pour l'optimisation des réglages d'injection, de combustion et de post traitement dans le but de minimiser les émissions polluantes du moteur.
Selon une réalisation particulière, le taux et/ou le type de biocarburant sont calculés à partir de la détermination de la structure moléculaire du produit. La structure moléculaire du produit fournit en effet un niveau de détail extrêmement fin permettant d'appréhender avec précision les spécificités du biocarburant tels que les groupements chimiques ou les familles chimiques, par exemple par la mise en évidence du groupement ester par l'intermédiaire de l'analyse de la structure moléculaire.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, en référence aux figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur dans lequel le procédé selon l'invention est mis en œuvre avec un exemple de réalisation du capteur.
La figure 2 est une représentation schématique d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur avec l'indication des localisations possibles du capteur.
La figure 3 est un diagramme représentant les étapes du procédé et notamment les étapes de détermination de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant et les étapes de réglage du moteur visant à minimiser les émissions polluantes.
En référence à la figure 1, on décrit un procédé de minimisation des émissions polluantes d'un véhicule équipé d'un moteur thermique en prenant en compte dans les réglages d'injection, de combustion et de post traitement, la teneur et/ou le type de biocarburant du carburant.
Le moteur est alimenté en carburant par le circuit carburant ( 1 ) , comprenant un réservoir ( 2 ) , un système de remplissage du réservoir (3) et un circuit d'alimentation en carburant (4). Le circuit comprend par exemple une ou plusieurs pompes à carburant (5), un ou plusieurs filtres à carburant (6) et le circuit retour vers le réservoir (7).
Selon une réalisation représentée sur la figure 1, un capteur spectroscopique ( 8 ) est implanté dans le circuit carburant (1) et est relié au système électronique ou numérique (13) permettant l'utilisation de la teneur et/ou du type de biocarburant du carburant dans la gestion des paramètres d'injection, de combustion et de post traitement.
Dans le cas d'une analyse proche infrarouge, le capteur est constitué d'une source lumineuse (9), d'un système de séparation de lumière, d'une cellule d'échantillonnage du carburant (10), d'un système de détection photosensible (11) et d'un calculateur dédié (12). Il est possible de délocaliser le système d'échantillonnage des autres composants du spectromètre par l'intermédiaire de fibres optiques. Le calculateur dédié (12) permet de piloter les séquences de mesure, de régler et de contrôler le bon fonctionnement du capteur (8). Le calculateur (12) contient les modèles mathématiques permettant d'effectuer la totalité des calculs associés au traitement du spectre proche infrarouge permettant l' autodiagnostic du système de mesure et la détermination de la teneur et du type de biocarburant dans le carburant. Le calculateur (12) est relié à un système électronique ou numérique (13) permettant l'utilisation des informations relatives à la teneur et/ou au type de biocarburant par le contrôle moteur pour l'injection, la combustion et le post traitement. Ce système électronique ou numérique pilote les actuateurs (A) de régulation. Les fonctions réalisées par le calculateur (12) peuvent être prises en charge et réalisées directement par le système électronique ou numérique ( 13 ) .
Dans le cas du proche infrarouge, le capteur (8) peut comporter indifféremment une seule source et un seul détecteur ou plusieurs sources lumineuses et un seul détecteur ou une seule source et plusieurs détecteurs ou plusieurs sources lumineuses et plusieurs détecteurs. Il peut utiliser dans le cas du proche infrarouge notamment des filtres interférentiels, des réseaux de Bragg, des réseaux dispersifs, des cristaux liquides, un système à Transformée de Fourier ou une caméra linéaire pour séparer la lumière . Le microanalyseur ( 8 ) peut être à accès séquentiels ou multiplexes.
Le capteur (8) peut être un spectrometre proche infrarouge à barrette composées de plusieurs centaines de photodiodes qui enregistrent chacune l'intensité lumineuse à une longueur d'onde donnée. Le détecteur qui compose le capteur ( 8 ) est un semi-conducteur à base de Silicium (Si) ou d'un alliage de type complexe (InGaAs, InAs, InSb, PbS, PbSe) à haute sensibilité ou un composant de type CMOS ou CCD. Le détecteur peut être refroidi ou non.
Le capteur ( 8 ) peut être placé dans le réservoir (position Pl sur la figure 2), au niveau du système de remplissage du réservoir (position P2 sur la figure 2), dans le module jauge-pompe (position P3 sur la figure 2), dans le circuit d'alimentation en carburant du moteur. Dans ce dernier cas, le capteur (8) peut être placé entre la pompe (5) et le filtre (6) (position P4 sur la figure 2), dans le filtre à carburant (position P5 sur la figure 2) ou après en aval du filtre à carburant (position P6 sur la figure 2 ) . Le capteur peut être également implanté dans le circuit retour du carburant (position P7 sur la figure 2) . Le capteur (8) est agencé pour effectuer des mesures dans les régions spectrales comprises entre 780 et 2500 nanomètres (12820 cm'1 à 4000 cm"1).1On peut par exemple prévoir des plages de mesure successives comprises entre 780 nanomètres et 1100 nanomètres (12820 cm"1 à 9090 cm'1), 1100 nanomètres et 2000 nanomètres (9090 cm"1 à 5000 cm"1) et 2000 nanomètres et 2500 nanomètres (5000 cm"1 à 4000 cm"1). À cet effet, le système d'échantillonnage est agencé pour présenter un trajet optique, c'est-à-dire une épaisseur de produit au travers duquel se fait la mesure, comprise entre 0,5 millimètres et 100 millimètres, c'est-à-dire des trajets optiques correspondant aux plages de longueurs d'ondes de 50 millimètres à 100 millimètres dans le premier cas, de 10 millimètres à 20 millimètres dans le second cas et de 0.5 millimètres à 5 millimètres dans le dernier cas.
Le capteur (8) est agencé pour effectuer le spectre proche infrarouge du carburant circulant dans le circuit carburant d'alimentation du moteur en réflectance, transmittance ou absorbance .
Le capteur (8) possède une résolution spectacle (précision) réglable de 1 cm"1 à 20 cm"1 préférentiellement à 4 cm"1.
Le système optique et d'échantillonnage du capteur ( 8 ) peut être également autonettoyant ce qui permet d'éviter d'avoir à le démonter afin de le nettoyer.
Les mesures des spectres en proche infrarouge du carburant sont faîtes par exemple en absorbance dans les zones de longueurs d'onde considérées. Les valeurs des absorbances mesurées à chaque longueur d'onde sélectionnée sont introduites dans des modèles mathématiques et statistiques universels préalablement calibrés sur une banque de données de référence, selon les règles connues de la chimiométrie pour renseigner la matrice à entrées multiples permettant de déterminer la teneur et le type de biocarburant dans le carburant.
Cette information qualitative est mise à disposition du contrôle moteur qui modifie en fonction de cette teneur et du type de biocarburant le réglage (paramétrage, lois et cartographies ) de l'injection, de la combustion et du post traitement de manière à optimiser les réglages dans le but de minimiser les émissions polluantes issues du moteur.
Les meilleurs paramétrages, lois et/ou cartographies d'injection, de combustion et de post traitement du moteur sont choisis par le système électronique ou numérique en fonction des informations usuelles relevées par les différents capteurs et détecteurs mais également par le capteur ( 8 ) qui le renseigne désormais sur la teneur et/ou le type de en biocarburant dans le carburant.
Les paramétrages, lois et cartographie moteur peuvent être choisis pour minimiser limiter les émissions dans les gaz d'échappement à iso performance du moteur ou pour augmenter les performances du moteur à iso émissions.
Les déterminations de la teneur et du type de biocarburant du carburant peuvent être effectuées par le capteur (8) régulièrement dans le temps.
Selon une réalisation particulière, un détecteur du volume de carburant présent dans le réservoir (2) peut être également prévu. Le lancement de la prise de mesure du capteur ( 8 ) est alors commandé pour se produire à chaque fois que le réservoir est rempli (augmentation du volume dans le réservoir) . Une étape de stockage des informations relatives à la teneur et/ou au type de biocarburant est utilisée de façon à former un historique de cette teneur et de ce type de biocarburant. Lors du démarrage du moteur, la dernière teneur et le dernier type de biocarburant stocké sont utilisés par le contrôle moteur pour ajuster les paramètres, lois et cartographie d'injection, de combustion et de post traitement en fonction de la teneur et du type de biocarburant.
Le procédé selon l'innovation inclut un système d' autodiagnostic permettant de s'assurer du bon fonctionnement du capteur ( 8 ) . En cas de défaillance du capteur (8), l ' autodiagnostic détecte la panne et informe le système numérique ou électronique en charge du contrôle moteur de ladite panne. Ce système électronique ou numérique prend dans ces conditions les actions suivantes : • Le système suppose que la teneur et/ou le type de biocarburant dans le carburant sont les plus défavorables et règle en fonction les paramètres, lois et cartographies d'injection, de combustion et post traitement de manière à minimiser les émissions polluantes au détriment de la performance.
• Le système informe l'OBD (« On Board Diagnostic ») de la défaillance du capteur (8).
• Le système informe l'utilisateur du moteur ou la société chargée de sa maintenance de la défaillance du capteur (8).
La figure 3 représente les différentes étapes du procédé : - étape A : collecte du spectre proche infrarouge du carburant
- étape B : autodiagnostic du capteur appliqué sur le spectre proche infrarouge - étape C : Communication du statut de la détermination de la teneur et/ou du type de biocarburant au système centralisé de diagnostique (On Board Diagnostic) étape D : détermination de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant à partir du traitement mathématique appliqué au spectre proche infrarouge du carburant étape E : En cas de validité du capteur, transfert de l'information relative à la teneur et/ou au type de biocarburant au système numérique ou électronique en charge du contrôle moteur étape F : sélection ou modification des paramètres, lois et/ou cartographies adaptés par le système numérique ou électronique en charge du contrôle moteur; étape G : réglage du moteur en fonction des paramètres, lois et/ou cartographies adaptés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réglage des paramètres d'injection, de combustion et/ou de post-traitement d'un moteur à combustion interne à auto-allumage caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la teneur de biocarburant présent dans le carburant alimentant le système d'injection au moyen d'un capteur spectroscopique .
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur spectroscopique est un capteur proche infrarouge .
3. Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination du type de biocarburant présent dans le carburant alimentant le système d'injection.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajustement du taux d'injection de réactifs et ou d'additifs de posttraitement en fonction de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant alimentant le moteur.
5. Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajustement d'au moins un des paramètres d'injection tel que l'avance à l'injection, le nombre d'injection, les durées d'injection, le taux d'introduction du carburant, la gestion de la suralimentation ,tel que le débit, la pression et la température d'air admis, la variation de la section du distributeur de turbine dans le cas de turbine à géométrie variables en fonction de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant alimentant le moteur.
6. Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ajustement d'au moins un des paramètres de combustion tel que le taux de re-circulation des gaz d'échappement (EGR), le refroidissement des gaz d'échappement re-circulés, le taux de compression dans le cas de moteur à taux de compression variable et l'ouverture et la fermeture des soupapes en fonction de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant alimentant le moteur Diesel de manière à minimiser les émissions polluantes à la source.
7. Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de stockage des informations lié à la teneur et/ou au type de biocarburant dans le carburant et d'enregistrement dans une mémoire d'un historique de cette teneur et de ce type de biocarburant.
8. Procédé selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que les dernières informations stockées sont réutilisées pour prépositionner les paramètres d'injection, de combustion et de post traitement pour minimiser les émissions polluantes lors d'un démarrage du véhicule.
9. Procédé selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que ladite étape de détermination de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant et le prépositionnement et l'optimisation des paramètres d'injection, de combustion et de post traitement sont exécutées périodiquement et/ou sur ordre du système numérique ou électronique (13) en charge de la gestion du contrôle moteur, et/ou dès lors qu'un nouveau remplissage du réservoir (2) est effectué.
10. Procédé selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur et/ou le type de biocarburant dans le carburant sont déterminés à partir d'un capteur proche infrarouge (8) implanté sur le circuit carburant, comprenant le système de remplissage du réservoir, le réservoir (2), le module jauge pompe, le ou les filtres à carburant (6), le circuit d'alimentation en carburant du moteur et le circuit retour vers le réservoir.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur (8) est autonettoyant.
12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la teneur et du type de biocarburant dans le carburant inclus un autodiagnostic de la validité du capteur ( 8 ) et de la teneur et/ou du type de biocarburant déterminés.
13. Procédé selon les revendications 1 et 11, caractérisé en ce que lorsqu'un disfonctionnement du capteur ou de la détermination erronée de la teneur ou du type de biocarburant est diagnostiqué, le système de gestion du contrôle moteur prend en compte la teneur et le type de bio biocarburant dans le carburant les plus défavorables et règle les paramètres d'injection, de combustion et de post traitement de manière sécuritaire visant à minimiser les risques d'émissions polluantes au détriment de la performance du moteur.
14. Procédé selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les informations issues de la détermination de la teneur et/ou du type de biocarburant dans le carburant sont réconciliés et comparés avec les informations issus d'autres capteurs existants dans le but de confirmer le bon fonctionnement de l'ensemble de ces capteurs ou le cas échéant d'informer l'OBD (On board Diagnostic) de la défaillance d'un ou plusieurs de ces capteurs.
15. Procédé selon les revendications 1, 12 et 13, caractérisé en ce que lorsqu'un disfonctionnement d'un ou plusieurs capteurs est observé, l'utilisateur du véhicule est informé de manière visuelle ou sonore.
16. Procédé selon les revendications 1, 12, 13 et 14, caractérisé en ce que lorsqu'un disfonctionnement d'un ou plusieurs capteurs est observé, la société en charge de la maintenance du véhicule est informée par le biais de communication sans fil.
17. Système de motorisation comprenant un moteur à combustion interne à auto-allumage, un réservoir de carburant (2), un module jauge pompe, au moins un filtre à carburant (6), un circuit d'alimentation en carburant du moteur et un circuit retour vers le réservoir (7) caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capteur spectroscopique (8) implanté sur le circuit carburant, pour la détermination de la teneur de biocarburant dans le carburant.
18. Système de motorisation selon la revendication 17, caractérisé en ce que le capteur spectroscopique est un capteur proche infrarouge.
19. Équipement pour la mise en œuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 14 caractérisé en ce qu'il comprend un capteur spectroscopique (8) implanté sur le circuit carburant, et un calculateur pour la détermination de la teneur de biocarburant dans le carburant.
20. Équipement selon la revendication 19, caractérisé en ce que le capteur spectroscopique est un capteur proche infrarouge.
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