FR2926596A1 - Strategie de controle thermique d'un systeme de post-traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne et dispositif associe - Google Patents

Strategie de controle thermique d'un systeme de post-traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne et dispositif associe Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement (1) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (6), caractérisée en ce que, si la température du système de post-trainement (1) est inférieure à sa température d'amorçage, on n'autorise le passage des gaz d'échappement au travers dudit système de post-traitement (1) que si leur température est supérieure à une température de référence.L'invention concerne également un dispositif associé à la mise en oeuvre de ces stratégies.

Description

1 Stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et dispositif associé.
L'invention a trait au domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Un moteur à combustion interne produit, lors de son fonctionnement, des gaz d'échappement issus de la combustion du carburant. A défaut de pouvoir calibrer le moteur afin qu'il ne rejette qu'une quantité de polluants réglementés admissible, les gaz d'échappement doivent subir un traitement afin de réduire les polluants réglementés à un niveau inférieur aux seuils normalisés avant leur rejet dans l'atmosphère. Le moyen de traitement des gaz est généralement situé dans le circuit d'échappement du moteur. On parle alors de post-traitement des gaz.
Les polluants réglementés en Europe sont les oxydes d'azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrulés (HC) et les particules. Selon le type de moteur, essence ou Diesel, les niveaux de ces différents polluants émis changent et les normes sont différentes. Les normes sur le rejet des ces espèces polluantes dans l'atmosphère sont de plus en plus restrictives. Il existe de nombreux types de systèmes de post-traitement des gaz d'échappement tels que les catalyseurs 3 voies, catalyseur d'oxydation, catalyseur de réduction des NOx, FAP, piège à NOx. La plupart de ces systèmes sont des pains alvéolés offrant une grande surface de contact entre les gaz à traiter et les parois. Les parois sont recouvertes de métaux précieux par exemple du platine, rhodium, ou palladium, qui sont utilisés comme catalyseurs des réactions d'oxydoréduction des espèces polluantes avec l'environnement gazeux. Typiquement, les particules sont collectées puis oxydées dans les filtres à particules (FAP). Les NOx peuvent être réduits dans un milieu réducteur (riche) en présence d'un catalyseur. De même le CO et les HC peuvent être oxydés dans un milieu oxydant (pauvre) en présence d'un catalyseur. Les éléments du système de post-traitement contenant des métaux précieux sont particulièrement onéreux. La quantité et le type de métaux précieux disposés dans les catalyseurs sont des enjeux stratégiques pour les constructeurs de moteur. L'un des problèmes des systèmes de dépollution actuels est qu'ils ne sont efficaces qu'au delà d'une température donnée. Les catalyseurs ne fonctionnent avec une efficacité satisfaisante qu'à partir d'une certaine température, et les filtres à particules doivent régulièrement atteindre une température suffisante pour oxyder les suies qu'ils contiennent et se régénérer. Dans la suite de ce mémoire on désignera par température d'amorçage d'un système de post-traitement, une température déterminée pour atteindre l'efficacité voulue d'un système de post-traitement. Cette température dépend du système de post-traitement considéré, de son application, et du niveau d'efficacité souhaité. Les systèmes de post-traitement actuels montent en température grâce à l'enthalpie des gaz d'échappement qui les traversent. Il existe donc un délai d'amorçage qui rend certains systèmes de post-traitement inefficaces durant les premières secondes de fonctionnement du moteur (entre 30 et 800 secondes selon le système, le type de moteur et son application).
Malheureusement, ces premières secondes sont souvent les plus contributrices en termes de génération de polluants. Les normes actuelles sont basées sur la production totale de polluants au cours de cycles d'homologation normalisés.
Le cycle européen actuel commence à froid, avec un moteur arrêté. Comme les premières secondes de fonctionnement du moteur sont les plus génératrices de HC et CO, l'amorçage du système de traitement de ces polluants est un point crucial. Ce point est d'autant plus problématique que l'emploi de nouvelles technologies visant à optimiser le rendement des moteurs s'oppose à une montée rapide en température. Par exemple, afin de lutter contre la production de NOx formés à haute température (NOx thermiques), les combustions à forte dilution de charge vont se généraliser tant pour les moteurs essence que Diesel, impliquant de forts taux de recyclage des gaz d'échappement (EGR), ou une combustion en mélange homogène dite HCCI. Cette dilution de charge à pour effet de diminuer la température de combustion mais aussi la température des gaz d'échappement. Par ailleurs, les moteurs essence et Diesel actuels sont de plus en plus efficaces grâce, notamment, à la suralimentation. Cette récupération d'énergie à l'échappement implique une diminution de la température des gaz après la turbine. Cette tendance va en contradiction avec l'amorçage thermique des systèmes de post-traitement situés en aval de la turbine. Il existe plusieurs solutions plus ou moins complexes pour pallier à ce problème d'amorçage thermique. La plupart des solutions consistent à augmenter très fortement la température des gaz d'échappement pour faire chauffer le catalyseur rapidement.
Les brevets US7261086 et US20060086081 proposent, pour chauffer le système de post-traitement, d'ajuster l'admission d'air du moteur en modifiant les caractéristiques de la combustion. Le brevet US5878567 propose simplement de rapprocher le système de post-traitement du moteur. Au travers du brevet US6523342, certains constructeurs proposent de découpler les fonctions et ajouter un pré-catalyseur très près de la sortie des cylindres et un autre catalyseur plus en aval dans la ligne d'échappement. Cette solution représente un surcoût assez conséquent.
Une technique couramment utilisée pour les moteurs essence est de dégrader la combustion dans le cylindre en injectant du carburant très tard dans le cycle moteur et de brûler une partie de la charge de carburant peu de temps avant l'ouverture des soupapes d'échappement. Cette technique est efficace mais entraîne certains inconvénients, comme la dilution du carburant dans le film d'huile et une surconsommation, et produit en outre des HC et CO qui ne seront pas traités par le catalyseur encore inefficace. Une autre technique utilisée pour les moteurs essence consiste à injecter du carburant à l'échappement. Dans le brevet US20050132650, les HC sont catalysés dans un catalyseur 20 et dégagent de l'énergie directement dans les gaz d'échappement. Dans une autre variante proposée dans le brevet US7231760, une injection d'air à l'échappement (IAE) permet d'oxyder ces HC résiduels dans les conduits d'échappement et ainsi créer un dégagement d'énergie qui va chauffer le catalyseur. Ce système est efficace mais coûte relativement cher 25 car il implique l'installation d'un injecteur et d'un circuit d'air supplémentaires.
Enfin, le brevet EP465183 propose de disposer des résistances chauffantes dans le catalyseur afin d'accélérer son amorçage thermique. Ces solutions présentent cependant des inconvénients. En effet soit elles impliquent une surconsommation de carburant et modifient la combustion, soit elles représentent un coût important avec l'ajout de systèmes onéreux. Il est par ailleurs connu au travers des brevets US6024928 qu'il est possible de réduire les émissions polluantes d'un moteur à combustion interne en disposant un premier pain catalytique, éventuellement capable d'absorber les polluants lorsque le système de post-traitement est encore froid, en amont dudit système de post-traitement. Lorsque le système de post-traitement a atteint sa température d'amorçage, les gaz d'échappement sont dérivés afin de ne plus traverser ce premier pain catalytique. Ce dispositif, s'il diminue la quantité de polluant émise, nécessite l'emploi un premier et d'un second pain catalytique onéreux, et n'optimise en rien leur montée en température.
L'objectif de l'invention est donc de proposer un système permettant d'améliorer la montée en température d'un système de post-traitement, et particulièrement d'un catalyseur, lors phases d'amorçage, et tout particulièrement des démarrages à froid d'un moteur à combustion interne, sans engendrer de surcoût important. Dans l'invention, la solution consiste à n'envoyer les gaz d'échappement dans le système de post-traitement que lorsqu'ils sont en mesure de le chauffer, c'est-à- dire lorsque leur température est supérieure à une température de référence. Cette température de référence peut être prédéterminée, et par exemple égale à la température d'amorçage du moyen de post-traitement, ou variable au cours du temps, et être typiquement égale à tout instant à la température du système de post- traitement à cet instant donné. Par la même, nous évitons le passage de gaz frais dans le système de post-traitement, susceptibles de refroidir ce dernier durant sa phase de montée en température. Pour ce faire, on peut envoyer sélectivement tout ou partie des gaz 5 d'échappement vers le système de post-traitement ou dans un conduit de dérivation ( by-pass ) autour du système de post-traitement. Pour cela, on dispose dans le circuit un système de vannage ayant un temps de réponse relativement court, typiquement entre 0,5 et 2 secondes, permettant d'orienter tout ou partie du flux de gaz d'échappement vers l'une 10 ou l'autre des branches, c'est-à-dire vers le système de post-traitement ou dans le by-pass. L'invention porte en particulier sur une stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, caractérisée en ce que, si la température du système de 15 post- traitement est inférieure à sa température d'amorçage, on n'autorise le passage des gaz d'échappement au travers dudit système de post-traitement que si leur température est supérieure à une température de référence. Dans les phases d'amorçage d'un système de post-traitement, l'invention 20 propose de ne laisser passer que les gaz suffisamment chauds dans le système de post-traitement et de by-passer les gaz susceptibles de refroidir ce dernier. Il est prévu dans l'invention un dispositif de contrôle du système de vannage comportant un moyen pour évaluer la différence entre la température des 25 gaz d'échappement en amont du système de post-traitement d'une part et la température du système de post- traitement à tout instant ou la température d'amorçage du système de post-traitement d'autre part.
Les moyens d'évaluations des données nécessaires au pilotage du système peuvent être des capteurs (température et/ou débit), des modèles physiques, ou des interpolations dans des cartographies couvrant l'ensemble des points de fonctionnement du moteur.
Cette stratégie s'applique tant que le système de post-traitement n'a pas atteint sa température d'amorçage, notamment suite aux démarrages à froid du moteur. Sur certaines applications, typiquement sur de petits véhicules, le moteur est peu sollicité, la température des gaz d'échappement n'est pas très élevée, et les catalyseurs peuvent se désamorcer. Cette stratégie sera également utilisée si la température du système de post-traitement vient, au cours de son utilisation, à descendre à nouveau en dessous de la température d'amorçage. On parlera donc de phase d'amorçage d'un système de post-traitement dès lors que ledit système est en dessous sa température d'amorçage et que l'on souhaite l'échauffer pour lui faire atteindre ou dépasser cette température. Selon différentes variantes de l'invention, de nombreuses lois d'asservissement du système de by-pass peuvent être appliquées afin d'optimiser la montée en température du système de post-traitement. Deux principes peuvent notamment être appliqués. Dans une variante de l'invention, le by-pass est ouvert tant que la température des gaz d'échappement est en dessous de la température d'amorçage du système de post-traitement. Le by-pass est fermé lorsque la température des gaz d'échappement est au dessus de la température d'amorçage du système de post-traitement ou que le système de post-traitement est au dessus de sa température d'amorçage.
Dans une autre variante, le by-pass est ouvert tant que la température des gaz d'échappement est en dessous de la température du système de post-traitement. Le by-pass est fermé lorsque la température des gaz d'échappement est au dessus de la température du système de post-traitement ou que le système de post-traitement est au dessus de sa température d'amorçage. On comprend donc que l'une des caractéristiques remarquable de l'invention est que les gaz d'échappement sont alternativement orientés vers l'une ou l'autre des branches du système éventuellement à plusieurs reprises pendant une phase d'amorçage, selon les points de fonctionnement du moteur. L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel.
La figure 1 représente l'évolution de la température des gaz d'échappement dans le catalyseur d'oxydation d'une application automobile Diesel de deux litres de cylindrée au cours d'un cycle d'homologation européen. La figure 2 représente schématiquement le système mis en jeu dans l'invention.
Afin de comprendre le principe de l'invention il faut décrire l'évolution de la température des gaz d'échappement durant les premières secondes de fonctionnement d'un moteur. C'est ce qui est représenté sur la figure 1, dans le cadre d'un cycle d'homologation normalisé européen (MVEG). Le graphique présente en abscisse le temps écoulé en secondes depuis le démarrage à froid du moteur, et en ordonnée respectivement la température en degré Celsius des gaz d'échappement et la vitesse en km/h du véhicule selon le cycle d'homologation européen.
La courbe en trait continu représente la température des gaz d'échappement, la courbe en pointillés représente la vitesse du véhicule. Le moteur génère des gaz chauds lorsque l'utilisateur fait une demande de couple (phases d'accélération par exemple). A contrario, le moteur laisse passer des gaz frais (pas ou peu de combustion dans les cylindres) lors des phases de décélération ou de roulage peu chargé. L'inventeur a observé que la température augmente très fortement lors des phases d'accélération du véhicule, dans les situations d'appel de couple, moteur chargé. La température diminue lorsque le véhicule roule à une vitesse stabilisée ou décélère, dans les situations de faible demande de couple et moteur peu chargé. On observe alors des chutes de température dans le catalyseur de plus de 50°C lors des décélérations. Ces chutes brutales de température sont fortement pénalisantes dans la montée en température du système de post-traitement.
Par ailleurs, les transferts thermiques dans le système de post-traitement sont d'autant plus importants que le débit de gaz le traversant est important. Ainsi, pour le moteur Diesel étudié, les plus grandes variations de température sont observées pour les régimes du moteur les plus élevés et les charges les plus faibles. Typiquement, les points les plus critiques sont les décélérations avec un régime moteur élevé. Dans ce cas, le système de post-traitement voit passer une grande quantité de gaz froids. Dans le cadre de l'application ici figurée et malgré les oscillations de températures entre les phases de chauffage et refroidissement durant les premières secondes du cycle, la température du catalyseur d'oxydation augmente globalement pour atteindre sa température d'amorçage à la troisième accélération du cycle, environ quatre vingt secondes après le démarrage à froid. Ce temps peut être très sensiblement supérieur sur d'autres applications.
La présente invention, mettant en jeu le dispositif schématiquement représenté sur la figure 2, propose d'augmenter la vitesse d'amorçage thermique des systèmes de post-traitement 1 durant les premières secondes de fonctionnement du moteur. Le dispositif mis en jeu pour la réalisation de l'invention comporte un conduit de dérivation 2, ou by-pass , autour du système de post-traitement 1 des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Un système de vannage 3 est positionné dans le conduit d'échappement en entrée ou en sortie du by-pass 2 afin d'orienter les gaz sélectivement vers le système de post-traitement 1 ou dans le by- pass 2. Ce système de vannage 3 est commandé par un système de contrôle 4 prenant notamment en compte le débit et la température des gaz d'échappement, pouvant être connue grâce un capteur de température 5 positionné dans le conduit d'échappement en amont dudit système de vannage, modélisée avec des modèles physiques, ou déduite d'une cartographie embarquée dans le calculateur. Le by-pass 2 utilisé doit être capable de laisser passer l'ensemble du débit de gaz d'échappement. Ce by-pass 2 peut être composé de un ou plusieurs tubes raccordant l'amont et l'aval du système de post-traitement. Le système de by-pass doit avantageusement éviter les échanges thermiques entre le by-pass et le système de post-traitement. A priori, sans une isolation thermique efficace entre les deux compartiments, les by-pass situés au centre des catalyseurs, à travers la brique catalytique, ne semblent pas être les meilleures solutions technologiques, et on privilégiera donc un by-pass externe au système de post-traitement.
Le système de vannage 3 peut être équipé d'une vanne, d'un papillon ou tout autre système permettant de diriger le flux gazeux sélectivement vers le système de post-traitement 1 ou vers le by-pass 2. Ce système de guidage du flux peut être un simple système binaire qui dirige l'ensemble des gaz d'échappement vers l'une ou l'autre voie, aux seuls inévitables débits de fuite près. Cela permet d'adopter un système de vannage peu onéreux. Le temps de réponse de ce système de vannage 3 est du même ordre de grandeur que la montée en charge du moteur, soit typiquement entre 0,5 et 5 2 secondes. Cela permet d'adopter un système d'autant moins onéreux. Ce système de vannage 3 peut être placé en amont, en aval, ou dans le système de post-traitement 1. Ce système de vannage 3 peut aussi être constitué par deux systèmes d'obturation ou plus : l'un dans le circuit de by-pass 2 et l'autre devant le 10 système de post-traitement 1. Lorsque l'un est ouvert, l'autre est fermé, permettant ainsi la sélection de la branche du circuit dans laquelle sont dirigés les gaz d'échappement. Ce système de vannage 3 ne laisse passer dans le système de post-traitement 1 que les gaz suffisamment chauds et envoie dans le circuit de 15 by-pass 2 les gaz susceptibles de refroidir celui ci. Avec ce système et la stratégie associée, la température du système de post-traitement 1 ne cesse de croitre au cours du temps, car ce dernier n'est à aucun moment refroidi par des gaz froids. Le système de post-traitement 1 peut alors atteindre plus rapidement sa température d'amorçage. La seule diminution de température 20 du système de post-traitement 1 est due à la conduction et à la radiation thermique lors des phases de by-pass des gaz d'échappement. Cette perte de température est faible, de l'ordre de quelques degrés sur la période considérée entre deux pics de température (appels de couple par l'utilisateur), soit quelques secondes sur le cycle d'homologation MVEG.
25 Les gaz by-passés ne sont pas traités par le système de post-traitement 1 qui de toutes façons, n'ayant pas atteint sa température d'amorçage, n'aurait pas été efficace. Cependant, certains systèmes de post-traitement, comme par exemple le catalyseur d'oxydation des moteurs Diesel, jouent aussi un rôle de piège à hydrocarbures imbrûlés (HC) lors des premières secondes de fonctionnement du moteur. En effet, les parois du catalyseur adsorbent certains HC lorsqu'elles sont froides et désorbent ces HC lorsqu'elles chauffent. Pour conserver cette fonctionnalité dans le cadre de l'invention, une variante du dispositif propose de dissocier les fonctions et de placer un élément permettant de stoker ces HC en amont ou en aval du by-pass et du système de post-traitement chauffé, le temps qu'il atteigne sa température d'amorçage. Une autre variante propose d'utiliser un filtre à particule comme piège à HC en l'imprégnant d'éléments adsorbants. Ce filtre à particule est généralement présent dans le circuit d'échappement des motorisations Diesel en aval du catalyseur d'oxydation qui fera alors l'objet de la stratégie décrite dans l'invention. Les HC sont alors piégés le temps que les systèmes de post-traitement atteignent leur température nominale. Ces HC sont ensuite oxydés sous l'effet de la température. Le système de contrôle 4 indique à l'actionneur les instants d'ouverture ou d'obstruction du by-pass 2 et du circuit contenant le système de post-traitement 1 en fonction du débit des gaz d'échappement, de leur température et de la température du système de post-traitement 1 par rapport à une température de référence. Le débit des gaz d'échappement peut être connu à partir du régime et de la charge en air du moteur. L'évaluation du débit de gaz d'échappement ne nécessite pas l'implantation d'un capteur supplémentaire dans la ligne d'échappement. La température des gaz d'échappement peut être connue grâce à une sonde de température 5 déjà présente dans la ligne d'échappement ou grâce à une cartographie réalisée sur banc d'essai. De même, la température du système de post-traitement 1 peut être mesurée par une sonde en contact avec celui- ci ou par une sonde mesurant la température des gaz sortant de celui-ci. La température du système de post- traitement 1 peut également être calculée en fonction de son inertie thermique, de la température et de la quantité de gaz d'échappement l'ayant traversé. L'invention s'applique dans les phases d'amorçage, c'est à dire tant que le système de post-traitement n'a pas atteint sa température d'amorçage suite à un démarrage à froid ou dans le cas d'un désamorçage du système de post-traitement 1 en roulage, si sa température chute sous sa température d'amorçage. Selon les variantes de l'invention, la température de référence choisie peut être une température prédéterminée supérieure ou égale à la température d'amorçage du système de post-traitement 1, ou une température variable à tout instant égale à la température du système de post-traitement à cet instant. L'invention ainsi décrite permet une montée en température rapide d'un système de post-traitement, sans avoir à mettre en place de dispositif couteux ou à modifier sensiblement les paramètres de fonctionnement du moteur. Cette méthode de chauffe des systèmes de post-traitement peut a contrario être utilisée pour jouer le rôle inverse et refroidir des dispositifs de post-traitement. Il suffit alors d'inverser les lois de commande et de ne favoriser que le passage de gaz frais dans le système de post-traitement lorsque sa température dépasse une température maximale admissible. L'invention concerne alors une stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dans laquelle les gaz d'échappement sont dirigés vers le système de post-traitement lorsque la température du système de post-traitement (1) est supérieur ou égale à une température maximale admissible et que la température des gaz d'échappement est inférieure à cette température maximale admissible.

Claims (10)

  1. Revendications
    : 1. Stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement (1) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (6), caractérisée en ce que, si la température du système de post-traitement (1) est inférieure à sa température d'amorçage, on n'autorise le passage des gaz d'échappement au travers dudit système de post-traitement (1) que si leur température est supérieure à une température de référence.
  2. 2. Stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement (1) des I0 gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (6) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les gaz d'échappement sont en outre dirigés vers ledit système de post-traitement (1) lorsque la température du système de post-traitement (1) est supérieur ou égale à une température maximale admissible et que la température des gaz 15 d'échappement est inférieure à cette température maximale admissible.
  3. 3. Stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ce que ladite température de référence est une température prédéterminée, supérieure ou égale à la 20 température d'amorçage du système de post-traitement (1).
  4. 4. Stratégie de contrôle thermique d'un système de post-traitement (1) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (6) selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ce que ladite température de référence est variable et est égale à la température du 25 système de post-traitement.
  5. 5. Dispositif propre à la mise en oeuvre d'une stratégie selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un système de post-traitement (11, un circuit de by-pass (2) dudit système de post-traitement (1), un système de vannage (3) permettant d'envoyer16 sélectivement les gaz d'échappement dans le système de post-traitement (1) ou dans le circuit de by-pass (2), un dispositif de contrôle (4) pour commander l'ouverture du by-pass lorsque les gaz ne sont pas autorisés à traverser le système de post-traitement, un moyen de détermination (5) de la température des gaz d'échappement en amont du moyen de post-traitement (1), et un moyen de comparaison de a température de référence et de la température des gaz d'échappement en amont du moyen de post-traitement (1).
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte un Io moyen de comparaison de la température d'amorçage du système de post-traitement (1) et de la température des gaz d'échappement en amont du moyen de post-traitement (1).
  7. 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de détermination de la température du système de post- 15 traitement (1), et un moyen de comparaison de a température du système de post-traitement et de la température des gaz d'échappement en amont du moyen de post-traitement (1).
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que le système de vannage a un temps de réponse compris entre 0.5 20 et 2 secondes.
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, en amont ou en aval du circuit de by-pass, un système d'adsorption des hydrocarbures imbrûlés.
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9 caractérisé en ce que le système de post-traitement (1) est un catalyseur d'oxydation automobile.
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