FR2914692A1 - Procede de determination en temps reel de la masse de particules brulee par regeneration passive dans un filtre a particules de vehicule automobile - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules brûlée dans un filtre à particules disposé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile.L'invention concerne également l'utilisation de ce procédé pour contrôler et/ou commander un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, ou pour dimensionner et paramétrer un tel filtre.
Description
PROCEDE DE DETERMINATION EN TEMPS REEL DE LA MASSE DE PARTICULES BRULEE
PAR REGENERATION PASSIVE DANS UN FILTRE A PARTICULES DE VÉHICULE AUTOMOBILE L'invention concerne un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules brûlée dans un filtre à particules disposé dans la ligne d'échappement
d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile.
L'invention concerne également l'utilisation de ce procédé pour contrôler et/ou commander un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, ou pour dimensionner et paramétrer un tel filtre.
Par particules, on entend au sens de la présente invention les suies polluantes émises pour les moteurs à combustion interne, et notamment les moteur Diesel, pour leur fonctionnement spécifique.
Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un filtre est implanté dans la ligne d'échappement, en aval des chambres de combustion du moteur. Ce filtre, appelé filtre à particules (FAP), a pour fonction de retenir les particules qui s'accumulent en son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur.
Les moteurs à combustion interne émettent également des réducteurs tels que HC, CO, H... Ces réducteurs s'oxydent en présence d'oxygène, de matériaux catalytiques (tel que le platine) et une température élevée. Par conséquent, afin de diminuer ces émissions polluantes de réducteurs, on dispose également dans la ligne d'échappement, soit un catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules (FAP), soit directement un matériau catalytique au sein du filtre (que l'on nomme alors filtre à particules catalytique).
Lorsque le filtre est jugé plein par accumulation de particules en son sein, il est nécessaire de le régénérer. En effet, une accumulation excessive de particules peut boucher le filtre, et créer ainsi une forte contre pression à l'échappement du moteur (c'est-à-dire que les gaz ont du mal à s'échapper du moteur), ce qui en diminue considérablement les performances. On procède à la régénération du filtre à particules par combustion des particules contenues dans ce filtre. L'initialisation et le maintien de la combustion des particules dans le filtre s'obtiennent par élévation de la température interne du filtre à particules. La régénération peut être passive ou active.
La régénération active consiste à une injection retardée dans les chambres de combustion du moteur, c'est-à-dire que l'on injecte du gasoil après le point mort haut (PMH), lors de la phase de détente. Ce gasoil brûle dans le catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, augmentant ainsi la température de ce dernier. Ce processus intervient dans une gamme de température comprise entre 570 C et 650 C.
La régénération passive consiste à convertir les particules stockées dans le catalyseur en molécules de 002 suivant la réaction : C + 2 NO2 CO2 + 2 NO. Ce processus de régénération passive intervient clans une gamme de températures comprise entre 350 C et30 500 C et se produit de façon continue lorsque le véhicule roule à vitesse soutenue, par exemple sur autoroute. La combustion des suies déposées dans le filtre n'est possible que grâce à l'effet conjugué d'un élément oxydant (tel que l'Oxygène, ou le dioxyde d'azote) et de la température (cf. ci-dessus). Cela se caractérise par la création de petits tunnels dans la couche de suie, diminuant fortement la contre pression en amont du filtre à particules.
Il est important de connaître à chaque instant la masse de particules brûlée dans le filtre lors d'une phase de régénération passive, pour optimiser la gestion du déroulement des phases de régénération et contrôler l'intégrité du filtre.
Or, la plupart des modèles actuels de détermination de la masse de suies présente sur le filtre à particules ne prend pas ou mal en compte le phénomène de régénération passive, ou bien de manière peu précise à partir de lois de cinétique.
Ainsi, la demande de brevet français FR 2 864 146 de la présente demanderesse décrit un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules présente dans un filtre à particules de véhicule automobile. Dans le procédé de FR 2 864 146, la masse de suies brûlée par régénération passive est prise en compte dans le calcul de la masse de suies présente dans le filtre à particules, en utilisant les lois de cinétique des réactions chimiques de combustion des particules par ._es oxydes d'azote NOX et par l'oxygène présents dans les gaz d'échappement. Or, ces lois de cinétique, qui sont des lois empiriques faisant intervenir les énergies d'activation des réactions de combustion par les oxydes d'azote et l'oxygène ne permettent pas de déterminer avec une précision suffisante la masse de suies brûlée par =régénération passive, et donc la masse de suies stockée dans le filtre à particules. Ces lois cinétiques décrivent des phénomènes théoriques et moins complexes qu'en réalité, ce qui rend le calcul imprécis. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules brûlée par régénération passive dans un filtre à particules, en utilisant des cartographies physiques donnant l'impact relatif des principaux paramètres intervenant lors d'un processus de régénération passive.
Cette invention permet de prendre en compte l'ensemble des phénomènes physiques mis en jeu sans les décrire mais en prenant en compte les facteurs déterminants, ce qui permet d'avoir une très bonne exactitude dans les calculs.
L'utilisation de ces cartographies en lieu et place d'équations de cinétique, conduit à une amélioration notable de la précision de calcul de la masse de particules brûlée, et donc de la masse de suies stockée dans le filtre à particules.
La présente invention concerne donc un procédé de détermination en temps réel de la masse de particules brûlée par régénération passive dans un filtre à particules équipant la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes successives suivantes que l'on répète à des intervalles de temps At : i. détermination à l'instant t de la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules, ii. détermination des valeurs des paramètres 5 suivants : o concentration en oxydes d'azote des gaz d'échappement entrant dans le filtre à particules [NOX(t)] à l'instant t, o masse de particules émise par le moteur 10 me(t) à l'instant t, o masse de particules présente dans le filtre mc(t-At) obtenue lors du cycle d'opérations précédent à l'instant t-At, vi. détermination, à l'instant t, de la masse de 15 particules mRGP(t) brûlée par régénération passive dans le filtre à particules, vii. calcul, à l'instant t, de la masse de particules présente sur le filtre mc(t) suivant la formule (I) :
20 (I) mc(t) = mc(t-At) + me(t) - mRGP(t) où At est l'intervalle de temps entre les instants t-At et t,
25 v. enregistrement de la valeur de la masse de particules mc(t) présente sur le filtre calculée à l'instant t, pour l'utiliser dans la suite d'opérations suivante à l'instant t+At. Selon l'invention, l'étape (iii) de détermination 30 de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive dans le filtre à particules comprend la détermination des coefficients suivants : • KNOx correspondant à l'impact relatif de la concentration en oxydes d'azote [NOx(t)] sur la masse des particules mRGp(t) brûlée par régénération passive. • KTfap correspondant à l'impact relatif de la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules sur la masse des particules mRGp(t) brûlée par régénération passive. •KM, correspondant à l'impact relatif de la masse de particules présente dans le filtre mc(t-At) à l'instant t-At sur la masse des particules mRGp(t) brûlée par régénération passive. Les coefficients KNOx r KTfapr et KMc sont définis dans des cartographies physiques en fonction respectivement de la concentration en oxyde d'azote [NOx(t)], de la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules, et de la masse de particules présente dans le filtre mc(t-At) à l'instant t-At. Ces coefficients permettent de donner l'impact des paramètres précités sur la masse de particules mRGp(t) brûlée par régénération passive à L'instant, qui est calculée suivant la formule (II):
mRGP (t) ù KNOx X KTfap X KMc .
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, l'étape (iii) de détermination de la masse de particules mRGp(t) brûlée par régénération 30 passive dans le filtre à particules (3) prend également en compte la combustion des particules par l'oxygène compris dans les gaz d'échappement.
Pour cela, on détermine un coefficient KO2 lié à l'impact relatif de la concentration en oxygène à l'instant t [02(t)] dans les gaz d'échappement sur la masse des particules mRGP(t) brûlée par régénération passive, de sorte que le calcul de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive à l'instant est réalisé suivant la formule (III) : (I) mRGP(t) = KNOx x KTfap X KMC X K02 Cela permet de déterminer de manière plus précise et plus rapide la masse de particules mRGP(t) brûlée par 15 régénération passive.
Toutefois, l'impact de la combustion des
particules par l'oxygène compris dans les gaz d'échappement peut être considéré comme négligeable par rapport à celui de la combustion par les oxydes d'azote
20 présents dans les gaz d'échappement. Par conséquent, on utilise plus généralement la formule (II) que la formule (III) pour le calcul de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive.
La concentration en oxydes d'azote dans les gaz
25 d'échappement [NOx(t)] et/ou la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement [02(t)] peuvent être mesurées au moyen de capteurs, ou à partir de la mesure de paramètres de fonctionnement du moteur.
Ainsi par exemple, la concentration en oxydes 30 d'azote dans les gaz d'échappement [NOx(t)] peut être déterminée par la mesure à l'aide d'un capteur de NOx. Cela permet d'améliorer non seulement la précision de calcul de la masse de particules mRGp(t) brûlée par régénération passive, mais aussi sa rapidité d'obtention. De la même manière, la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement [02(t)] peut également être déterminée par mesure, notamment à l'aide d'une sonde à oxygène ou d'une sonde de richesse, dite sonde lambda. Cela permet également d'améliorer la précision de calcul de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive et sa rapidité d'obtention.
Si la concentration en oxydes d'azote [NOX(t)] et en oxygène [02(t)] dans les gaz d'échappement sont déterminées à l'aide de paramètres de fonctionnement du moteur, on procède de la manière suivante : - on mesure à l'instant t des paramètres de fonctionnement du moteur au moyen de capteurs, puis - on relève à l'instant t, en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, sur des tables préalablement établies, la concentration en oxydes d'azote [NOX(t)] et/ou la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement [02 (t) ] . Les paramètres du moteur que l'on mesure à l'aide de capteurs sont généralement la vitesse de rotation du moteur Ne (à l'aide d'un capteur de vitesse), et la charge du moteur Q (à l'aide d'un capteur de charge).
La température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules peut être déterminée par la mesure à l'aide d'un capteur de température ou en utilisant un modèle physique basé sur les paramètres moteur.
L'invention concerne également l'utilisation du procédé selon l'invention, pour contrôler et/ou commander un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile Enfin, l'invention concerne également l'utilisation du procédé selon l'_nvention, pour le dimensionnement et le paramétrage d'un filtre à particules de véhicule automobile. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur et de sa ligne d'échappement équipée d'un filtre à particules, - la figure 2 représente, pour différentes situations de roulage, la comparaison des évolutions temporelles de : o la masse de particules présente dans le filtre calculée selon le procédé de l'invention, o la masse de particules présente dans le filtre calculée selon un procédé de l'art antérieur, o la masse de particules présente dans le filtre mesurée par pesée, et o la masse de particules émise par le moteur. En référence à la figure 1, un moteur 1 est relié à une ligne d'échappement des gaz 2 équipée d'un filtre à particules 3. En amont du filtre 3, par rapport au sens de circulation des gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation 4 est installé sur la ligne d'échappement pour oxyder le monoxyde d'azote des gaz d'échappement en oxydes d'azote. Un capteur de température 5 est prévu sur la ligne d'échappement, en entrée du filtre à particules 3. Des capteurs de vitesse du moteur 6 et de la charge du moteur 7 sont prévus au niveau du moteur pour mesurer la vitesse Ne du moteur (nombre de tours par minute) et la charge Q du moteur correspondant à l'enfoncement de la pédale d'accélérateur. Des capteurs de pression 8 et 9 sont placés 5 respectivement en entrée et en sortie du filtre à particules 3. Les différents capteurs 5 à 9 sont reliés à un calculateur 10 dans lequel des tables, ou cartographies, caractéristiques du moteur sont enregistrées. Ces tables 10 sont pré-établies par des mesures préalablement réalisées pour chaque moteur. Les tables permettant de calculer les différents coefficients correspondant à chaque variable d'entrée sont calibrées sur banc d'essais au moyen de mesures en régime établi. Le modèle, ainsi que sa 15 calibration appropriée, sont ensuite intégrés au calculateur embarqué. Il est également possible de disposer dans la ligne d'échappement 2 un piège à NOx 11 entre le catalyseur d'oxydation 4 et le moteur 1.
20 Le procédé de détermination de la masse de particules m (t) présente à l'instant t dans le filtre est maintenant, décrit. Ce procédé consiste à répéter à des intervalles de temps At déterminés la suite d'opérations décrite ci-25 après. Dans une première opération, on mesure, à l'instant t, la température T(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules en utilisant le capteur de température 5. La valeur obtenue est enregistrée dans 30 le calculateur 10. Sensiblement simultanément, on mesure à l'instant t: les paramètres de fonctionnement du moteur Ne et Q au moyen des capteurs 6 et 7. Les valeurs mesurées sont également enregistrées dans le calculateur 10. Ensuite, le calculateur 10 utilise des tables pré- établies qui dépendent des valeurs Ne et Q pour relever les valeurs des paramètres suivants en utilisant comme entrées les valeurs Ne et Q mesurées à l'instant t: o concentration en oxygène [02(t)] et o concentration en oxydes d'azote [NOX(t)] des gaz d'échappement entrant dans le filtre à 10 particules. Ces valeurs relevées correspondent aux valeurs à l'instant t et sont enregistrées dans le calculateur 10. II est toutefois possible de remplacer cette opération de lecture sur des tables par des mesures de capteur placés 15 en entrée du filtre pour mesurer les concentrations en oxygène [02(t)] et en oxydes d'azote [NOx(t)]. Le calculateur 10 procède ensuite au calcul de la de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive dans le filtre à particules (3). A partir de 20 cartographies physiques donnant l'impact relatif des principaux paramètres précédemment cités, le calculateur 10 affecte, à chaque paramètre, une pondération qui se traduit par un coefficient comme suit: ^ KNOX correspondant à l'impact relatif de la 25 concentration en oxyde d'azote [NOX (t) ] sur la masse des particules mRGP(t) brûlée par régénération passive, ^ KTfap correspondant à l'impact relatif de la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules (3) sur la masse des particules 30 rRGP (t ) brûlée par régénération passive, KM, correspondant à l'impact relatif de la masse de particules présente dans le filtre mc(t-At) à F l'instant t-At sur la masse des particules mRGp(t) brûlée par régénération passive. A partir de ces coefficients, le calculateur 10 calcule la masse de particules mRGp(t) brûlée par 5 régénération passive à l'instant suivant la formule (III) : (III) mRGP (t) = KNOx x KTfap x KMc x Kaz A l'opération suivante, le calculateur calcule la masse de particules présente sur le filtre à l'instant t, 10 m,(t), suivant la formule (I) : (I) mc(t) = mc(t-At) + me(t) ù mRGP(t) La valeur de la masse de particules mc (t) présente sur le filtre, calculée à l'instant t, est alors enregistrée pour être utilisée comme valeur d'entrée dans 15 la suite d'opérations suivante à l'instant t+At, notamment dans les opérations (iv) et (v). La suite d'opérations décrite ci-dessus est ensuite exécutée à nouveau à l'instant t+At. A l'instant initial ti, aucune masse mc(t-At) 20 n'étant disponible, le calculateur utilise alors une masse de particules présente sur le filtre mpression (ti) estimée en utilisant de manière classique à partir de la perte de charge ou de la différence de pression AP à l'instant ti entre l'entrée et la sortie du filtre 3.
25 Cette différence de pression est par exemple calculée en utilisant comme valeurs d'entrées les mesures des capteurs de pression 8 et 9. La suite d'opérations utilisée pour calculer la masse de particules selon l'invention est exécutée de 30 préférence à des intervalles de temps At de l'ordre d'une 12 seconde. Bien entendu, d'autres valeurs peuvent être utilisées. Sur la figure 2 sont représentées, pour différentes situations de roulage, les évolutions temporelles comparées de : o la masse de particules présente dans le filtre calculée selon le procédé de l'invention (me), o la masse de particules présente dans le filtre calculée selon le procédé de FR 2864146 (mAA), 10 o la masse de particules présente dans le filtre mesurée par pesée (mp), et o la masse de particules émise par le moteur (me) La figure 2A représente les évolutions temporelles 15 précitées pour un roulage de type conduite en ville, c'est-à-dire une conduite plutôt chahutée et avec de nombreux arrêts (vitesse maximale de 50km/h). La figure 2B représente les évolutions temporelles précitées pour un roulage de type conduite sur route, 20 c'est-à-dire une conduite peu chahutée (vitesse pouvant aller jusqu'à 70-80km/h environ). La figure 2C représente les évolutions temporelles précitées pour un roulage de conduite sur autoroute vitesse de (110km/h) environ.
25 Ces figures montrent que, pour les trois types de roulage envisagés, l'évolution de la masse de particules dans le filtre calculée selon le procédé de l'invention est comparable à celle de la masse pesée. Tel n'est pas le cas si le calcul est fait selon le procédé de l'art 30 antérieur. En effet, l'évolution de la masse de suies dans le filtre calculée selon le procédé de FR2864146 suit l'évolution de la masse de suies me émise par le moteur. Ces résultats illustrent que le phénomène de régénération est bien pris en compte dans le procédé de l'invention, contrairement à celui de FR2864146.
Claims (10)
1. Procédé de détermination en temps réel de la masse de particules brûlée par régénération passive dans 5 un filtre à particules (3) équipant la ligne d'échappement (2) d'un moteur à combustion interne (1), comprenant les étapes successives suivantes que l'on répète à des intervalles de temps At : i. détermination à l'instant t de la température 10 Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules (3), ii. détermination des valeurs des paramètres suivants : o la concentration en oxydes d'azote des gaz 15 d'échappement entrant dans le filtre à particules [NOX(t)] à l'instant t, o la masse de particules émise par le moteur me(t) à l'instant t, o la masse de particules présente dans le filtre 20 mc(t-At) obtenue lors du cycle d'opérations précédent à l'instant t-At, iii. détermination, à l'instant t, de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive dans le filtre à particules (3), 25 iv. calcul, à l'instant t, de la masse de particules présente sur le filtre mc(t) suivant la formule (I) . (I) mc(t) = mc(t-At) + me(t) ù mRGP(t) v. enregistrement de la valeur de la masse de 30 particules mc(t) présente sur le filtre calculée àl'instant t, pour l'utiliser dans la suite d'opérations suivante à l'instant t+At caractérisé en ce que l'étape (iii) de détermination de la masse de particules mRGP(t) brûlée par 5 régénération passive comprend : o la détermination des coefficients suivants : ^ KNOX correspondant à l'impact relatif de la concentration en oxyde d'azote [NOX (t) ] sur la masse des particules mRGP(t) brûlée par régénération passive, 10 ^ KTfap correspondant à l'impact relatif de la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules (3) sur la masse des particules mRGP(t) brûlée par régénération passive, ^ KMc correspondant à l'impact relatif de la 15 masse de particules présente dans le filtre mc(t-At) à l'instant t-ht sur la masse des particules mRGP(t) brûlée par régénération passive, o le calcul de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive à l'instant suivant la 20 formule (II) . (II) mRGP(t) KNOX X KTfap x KMc.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (iii) de détermination de la masse de particules mRGP(t) brûlée par régénération passive dans le 25 filtre à particules (3) prend également en compte la combustion des particules par l'oxygène compris dans les gaz d'échappement, en déterminant un coefficient KO2 lié à l'impact relatif de la concentration en oxygène à l'instant t [02(t)] dans les gaz d'échappement sur la 30 masse des particules mRGP(t) brûlée par régénération passive, de sorte que le calcul de la masse de particulesmRGP(t) brûlée par régénération passive à l'instant est réalisé suivant la formule (III) . (III) mRGP (t) = KNOx x KTfap X KMc x K02
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la concentration en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement [NOx(t)] et/ou la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement [02(t)] sont mesurées au moyen de capteurs.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on mesure à l'instant t des paramètres de fonctionnement du moteur (Ne, Q) au moyen de capteurs (6, 7), puis on relève à l'instant t, en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur (Ne, Q), sur des tables préalablement établies, la concentration en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement [NOx(t)] et/ou la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement [02(t)] .
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules (3) est mesurée à l'aide d'un capteur de température (5).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce que la température Tfap(t) des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules (3) est déterminée en utilisant un modèle physique basé sur les paramètres moteur.
7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mesure des paramètres de fonctionnement du 30 moteur comprend les étapes consistant à :^ capter la vitesse de rotation du moteur, Ne, en utilisant un capteur de vitesse (6), ^ capter la charge du moteur, Q, en utilisant un capteur de charge (7).
8. Utilisation du procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, pour contrôler et/ou commander un procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile.
9. Utilisation selon la revendication 8, dans laquelle le procédé de détermination est utilisé lorsque la température en entrée du filtre est comprise entre 350 C et 500 C environ.
10. Utilisation du procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 7, pour le dimensionnement et le paramétrage d'un filtre à particules de véhicule automobile
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