FR2872852A1 - Procede de regulation de la regeneration d'un filtre a particules - Google Patents

Procede de regulation de la regeneration d'un filtre a particules Download PDF

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Abstract

Procédé de régulation de la régénération d'un filtre à particules par contrôle de la puissance thermique fournie à celui-ci par le moteur du véhicule, caractérisé en ce que cette puissance est déterminée en temps réel sur la base d'un bilan énergétique de l'activité du filtre permettant de quantifier à chaque instant la puissance thermique dont dispose le filtre et de la comparer à une puissance thermique permettant d'optimiser la régénération.

Description

PROCEDE DE RE&ULATTON bE LA RE&ENERATZON D'UN FILTRE A
PARTICULES, L'invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne, plus précisément des moteurs Diesel. Elle concerne les moteurs Diesel équipés d'un filtre à particules, et en particulier son adéquation avec le fonctionnement du moteur.
Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de régulation de la régénération d'un filtre à particules par contrôle de la puissance i0 thermique fournie à celui-ci par le moteur du véhicule.
Elle repose sur un besoin d'optimiser le fonctionnement d'un filtre à particules, notamment lors de sa régénération, l'efficacité du filtre étant recherchée pour pouvoir espacer les régénérations, et limiter la dilution du gasoil dans l'huile.
Selon l'état de la technique connue, le contrôle de la régénération des filtres à particules est assuré en pilotant, soit la température en entrée du filtre à particules, à partir de stratégies d'injection appropriées, soit le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement, comme indiqué dans la publication WO02095197. Les dispositions habituelles dans ce domaine sont de limiter le débit d'air admis dans le moteur par un volet situé dans la ligne d'admission du moteur, ou la recirculation d'une partie des gaz brûlés.
Ce type de solution a pour inconvénient principal de ne pas prendre en compte l'ensemble de la problématique liée à la régénération, qui est pour l'essentiel une opération de combustion des suies retenues dans le filtre.
Cette réaction nécessite dans un premier temps une quantité d'énergie importante pour être amorcée, puis un apport énergétique relativement faible pour être entretenue dans les meilleures conditions. Par ailleurs, l'énergie disponible au sein du filtre, dépend à la fois de la température, du taux d'oxygène dans les gaz d'échappement, du débit des gaz d'échappement, de sorte qu'on ne peut pas réussir à optimiser la gestion de l'énergie fournie au filtre pour initier ou entretenir la combustion des suies, en agissant sur une seule de ces variables.
be plus, les conditions aux bornes du filtre varient, car elles sont fortement liées aux conditions de roulage du véhicule. Ainsi lorsque le conducteur lâche le pied ou décélère, on assiste à une chute rapide de l'énergie apportée au filtre par le moteur. Si on est en phase de régénération ou sur le point d'initier celle-ci, il faut être capable de rétablir rapidement i0 des conditions favorables à la régénération, en dépit de l'évolution des conditions de roulage.
L'invention vise à prendre en compte l'ensemble des conditions de fonctionnement aux bornes du filtre à particules, en vue d'optimiser la gestion de l'apport énergétique au sein de celui-ci.
bans ce but, elle propose que la puissance thermique fournie au filtre par le moteur du véhicule soit déterminée en temps réel sur la base d'un bilan énergétique de l'activité du filtre, en quantifiant à chaque instant la puissance thermique qui doit lui être fournie pour amorcer, entretenir ou stopper la combustion des suies.
Plus précisément, la puissance fournie est déterminée en temps réel sur la base d'un bilan énergétique de l'activité du filtre permettant de quantifier à chaque instant la puissance thermique dont dispose le filtre et de la comparer à une puissance thermique permettant d'optimiser la régénération.
be préférence, la consigne de régulation est l'apport énergétique fourni par le moteur thermique du véhicule au filtre à particules.
Cette régulation repose sur une réduction de la différence entre la puissance thermique fournie par le moteur thermique, et la puissance thermique requise par la stratégie de régulation active.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 met en évidence l'impact de la température interne du filtre sur le temps de régénération, et - la figure 2 illustre le procédé de l'invention Sur la figure 1, on voit l'impact de la température du filtre sur le temps de la régénération: plus on atteint rapidement une température interne du filtre suffisante, plus la régulation est stable, et plus la régénération sera rapide.
Comme indiqué plus haut, l'optimisation de la gestion de la température du filtre est difficilement réalisable en n'agissant que sur une seule variable de régulation, étant donné l'inertie des phénomènes physiques et chimiques mis en jeu.
Conformément à l'invention, il est donc proposé de combiner des actions sur plusieurs variables, en considérant la puissance thermique consommée par le filtre pour la régénération, et l'énergie dont il a besoin pour disposer le plus rapidement possible (et aussi longtemps qu'elle est requise), de la puissance nécessaire pour mettre en oeuvre la stratégie de régénération active, qui est imposée par l'unité de contrôle du moteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le bilan énergétique aux bornes du filtre à particules exploite un modèle de combustion des suies incluant la cinétique de la réaction. Ce modèle permet de calculer la vitesse spécifique de combustion. Il peut également exploiter un modèle de transferts thermiques, modélisant les échanges par conduction, convection et rayonnement entre le filtre et son environnement externe; ce deuxième volet du bilan énergétique inclut aussi bien les aspects de calorifugeage de la ligne d'échappement, que l'impact de la vitesse du véhicule sur les échanges thermiques entre le filtre et l'extérieur.
Les émissions de suies en entrée du filtre provenant de la combustion du gasoil dans le cylindre, peuvent aussi être modélisées. Enfin, le bilan sera normalement bouclé, en considérant l'énergie que le filtre cède à chaque instant aux gaz d'échappement.
Par ailleurs, le fait de considérer l'énergie comme variable d'état du filtre pour optimiser son fonctionnement, permet d'agir sur plusieurs variables ayant une influence sur le bilan énergétique. Ainsi, au lieu de réguler sur une seule variable, l'invention propose d'agir sur plusieurs variables.
Conformément à l'invention, les combinaisons de variables d'action de la régulation sont définies de manière à maximiser la vitesse de combustion des suies dans le filtre tout en minimisant le taux de dilution du gasoil dans l'huile pour une consigne énergétique donnée. Cette optimisation prend en compte le respect des performances du moteur pendant chaque phase spécifique de fonctionnement.
Comme indiqué plus haut, le bilan d'énergie fait aux bornes du filtre, permet de connaître les échanges internes et externes du filtres à particules et de son environnement, ce qui permet de quantifier la puissance thermique qui doit être fournie au filtre par le moteur pour amorcer, entretenir ou stopper la combustion des suies.
De plus, l'intervention de plusieurs variables d'action élargit le champ d'action de la régulation. Dans le cadre de la régulation proposée par l'invention, il est ainsi possible d'agir sur le débit et le phasage des injections, sur le débit d'air, le turbo (par l'intermédiaire de la régulation de la pression de suralimentation) et enfin sur le taux de gaz d'échappement qui est réadmis dans le moteur (EGR), cette liste de variables n'étant pas exhaustive.
Ces variables d'actions permettent de prendre en compte dans la régulation, certains désagréments engendrés par la régénération, tels que l'accroissement de la consommation de carburant et la dilution du gasoil dans l'huile, et de privilégier par exemple des stratégies limitant le taux de dilution du gasoil dans l'huile.
L'invention exploite un certain nombre de modèles mathématiques, regroupés dans une stratégie de régulation implantée par exemple dans l'unité de contrôle moteur, ou calculateur moteur.
Un premier modèle permet d'effectuer un bilan énergétique aux bornes du filtre. Ce premier modèle peut être composé lui-même d'un modèle de combustion des suies incluant la cinétique de la réaction, d'un modèle calculant la vitesse spécifique de combustion, et d'un modèle de transferts thermiques, modélisant les échanges par conduction, convection et rayonnement entre le filtre et son environnement externe. Les émissions de suies en entrée du filtre provenant de la combustion du gasoil dans le cylindre sont modélisées de préférence en aval, et on récupère uniquement la valeur finale de la modélisation pour le bilan énergétique.
La régulation proposée exploite une comparaison entre la puissance thermique que le filtre nécessite selon la stratégie active, et celle dont il dispose. L'énergie nécessaire pour que le filtre applique la stratégie de régénération active, constitue la consigne de régulation. Cette consigne peut être cartographiée en fonction du régime et de la charge du moteur, et 2872852 -6- également en fonction de la stratégie de régénération active. En dehors des phases de régénération, la consigne, c'est-à-dire la quantité d'énergie nécessaire au filtre, est nulle. Entre les points d'appui de la cartographie, la consigne peut être déterminée par interpolation linéaire.
La différence entre la puissance mesurée aux bornes du filtre et la puissance nécessaire (c'est à dire la copnsigne), est effectuée de préférence dans une unité du type PIb (Proportionnel Intégral Dérivé). La régulation consiste à réduire cette différence. Comme indiqué plus haut, cette régulation peut s'effectuer en agissant sur le débit et le phasage de l'injection, sur le débit d'air frais, sur la pression de suralimentation et sur le taux de gaz d'échappement reconduit à l'admission.
Selon, la puissance thermique fournie par le moteur, des corrections sont apportées sur chacune des variables en fonction de l'énergie demandée dans le filtre. Ces combinaisons optimales de valeurs des variables d'action sont cartographiées en fonction de la puissance thermique à fournir par le moteur. Cette optimisation a pour objectif premier, de maximiser la vitesse spécifique de combustion des particules dans le filtre, tout en minimisant le taux de dilution du gasoil dans l'huile et en conservant les performances du moteur.
Conformément à l'invention, chaque variable intervenant dans la régulation de l'énergie du filtre à particules possède de préférence une cartographie indépendante. Grâce à cette disposition, les actions sur chacune des variables inclues dans la régulation, sont définies de façon optimale, quelle que soit la demande d'énergie dans le filtre.
En se reportant à la figure 2, on voit que la première étape de calcul du procédé, mesure la puissance aux bornes du filtre (étape 1). Le calculateur moteur fournit par ailleurs une valeur de consigne de puissance aux bornes du filtre pour appliquer la stratégie de régénération active (étape 2). Les consignes d'énergie du filtre à particules sont établies en fonction du régime et de la charge du moteur. Sur chaque point de fonctionnement intégré dans la cartographie du moteur, on détermine s l'énergie correspondant à une vitesse spécifique de régénération maximale. En dehors des phases de régénération, cette consigne est nulle.
Les consignes d'énergie du filtre, qui sont établies en fonction du régime et de la charge, doivent à la fois maximiser la vitesse spécifique de combustion des suies dans le filtre, tout en étant compatibles avec les lo possibilités du moteur, en particulier en respectant des seuils de vitesse de combustion prédéterminés.
La différence entre l'énergie mesurée et la consigne déterminée effectuée à l'étape 3, est ensuite filtrée (étape 4).
A chaque point de fonctionnement, la régulation intervient donc sur une ou plusieurs des variables d'action 5 à 12, listées sur la figure. La régulation peut ainsi modifier, soit le phasage et le débit des injections, soit le débit d'air, soit la pression de suralimentation, soit le taux de gaz d'échappement reconduit à l'admission, soit plusieurs de ces paramètres en même temps. Ces modifications ont pour but de réduire le plus rapidement possible l'écart entre la puissance thermique du filtre et celle qu'il nécessite pour maximiser la vitesse spécifique de combustion des suies et minimiser la dilution.
Conformément à l'invention, la combinaison des réglages de chaque variable intervenant dans l'apport d'énergie du moteur thermique au filtre est établie de manière à minimiser le taux de dilution du gasoil dans l'huile, en conservant les performances du moteur.
2872852 -8- Cette combinaison est établie pour différents seuils de demande d'énergie. On obtient ainsi pour chaque variable intervenant dans la régulation de l'énergie du filtre, une cartographie fonction de l'énergie demandée. La cohérence entre ces cartographies consiste à maximiser la vitesse de combustion des particules, tout en minimisant le taux de dilution du gasoil dans l'huile, quelle que soit la consigne d'énergie.
Afin de garantir un fonctionnement optimum du moteur, il est aussi souhaitable, que ces cartographies soient du type monotone . Enfin, pour chaque consigne d'énergie, des coefficients de régulation, fonction du régime et de la charge du moteur, permettent de gérer la rapidité, la précision et la stabilité de la régulation.
En conclusion, il faut souligner que le procédé de l'invention, a pour objectif d'optimiser le temps de réponse de la régulation. Le gain en efficacité apporté par la mise en oeuvre de ce procédé est significatif, aussi bien en temps, qu'en masse de particules brûlées.
Il repose sur une approche globale de la gestion énergétique du filtre, qui exploite un bilan énergétique des échanges entre le filtre et son environnement, pour en déduire à chaque instant l'énergie qui doit être fournie au filtre pour optimiser la régénération.

Claims (14)

-9-REVENbICATIONS
1. Procédé de régulation de la régénération d'un filtre à particules par contrâle de la puissance thermique fournie à celui-ci par le moteur du véhicule, caractérisé en ce que cette puissance et déterminée en temps réel sur la base d'un bilan énergétique de l'activité du filtre permettant de quantifier à chaque instant la puissance thermique dont dispose le filtre et de la comparer à une puissance thermique permettant d'optimiser la régénération.
2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bilan énergétique aux bornes du filtre à particules exploite un modèle de combustion des suies incluant la cinétique de la réaction.
3. Procédé de régulation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la variable de régulation et l'apport énergétique fourni par le moteur 15 thermique du véhicule au filtre à particules.
4. Procédé de régulation selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'elle repose sur la réduction de la différence entre la puissance thermique fournie par le moteur thermique et la puissance thermique requise par stratégie de régulation active.
5. Procédé de régulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la régulation s'opère en combinant des actions sur plusieurs variables.
6. Procédé de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les variables d'action de la régulation, incluent le débit et le phasage des 25 injections de carburant.
2872852 -10-
7. Procédé de régulation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les variables d'action de la régulation incluent le débit d'air d'admission.
8. Procédé de régulation selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les variables d'action de la régulation incluent la pression de suralimentation.
9. Procédé de régulation selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les variables d'action de la régulation incluent le taux de recirculation des gaz d'échappement reconduits à l'admission.
io
10. Procédé de régulation selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les corrections apportées sur chaque variable d'action sont cartographiées pour optimiser la régénération en fonction de la puissance thermique à fournir par le moteur.
11. Procédé de régulation selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque variable d'action a une cartographie indépendante.
12. Procédé de régulation selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que des combinaisons optimales de valeurs de ces variables d'action sont cartographiées en fonction de la puissance thermique à fournir par le moteur.
13 Procédé de régulation selon la revendication 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que ce l'optimisation de la régulation vise à maximiser la vitesse spécifique de combustion des suies en minimisant le taux de dilution du gasoil.
14. Procédé de régulation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que l'optimisation de la régulation vise à réduire le plus rapidement possible, l'écart entre la puissance thermique du filtre et la 2872852 - 11 - puissance nécessaire pour maximiser la vitesse spécifique de combustion des suies et minimiser la dilution.
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