FR2950108A1 - Dispositif de diagnostic d'un filtre a particules. - Google Patents

Dispositif de diagnostic d'un filtre a particules. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un nouveau dispositif pour le diagnostic d'un filtre à particules fixé sur une ligne principale d'échappement d'un moteur à combustion interne, le dispositif de diagnostic comprenant, en aval du premier filtre à particules, un filtre de détection et un moyen de mesure d'un paramètre de sortie du filtre de détection. Le dispositif de diagnostic selon l'invention est caractérisé en ce que le filtre de détection est traversé par une première partie des gaz issus du filtre à particules, une deuxième partie des gaz issus du filtre à particules suivant la ligne principale d'échappement. Application au diagnostic des filtres à particules pour véhicule automobile à moteur à combustion thermique.

Description

Dispositif de diagnostic d'un filtre n particules Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un dispositif pour le diagnostic d'un filtre à particules fixé sur une ligne principale d'échappement d'un moteur à combustion interne, dispositif de diagnostic du type comprenant, en aval du premier filtre à particules, un filtre de détection et un moyen de mesure d'un paramètre de sortie du filtre de détection.
Pour limiter la pollution des véhicules automobiles à moteur à combustion interne, il est connu d'installer dans la ligne principale d'échappement des gaz du moteur un filtre à particules apte à limiter la quantité de particules dans le flux des gaz sortant en dessous d'une valeur seuil tolérée. Les filtres à particules les plus couramment utilisés sont composés d'un ensemble de canaux à parois filtrantes et bouchés alternativement à l'entrée ou à la sortie (figure 1). Les gaz d'échappement entrent ainsi par un canal et sortent par un autre après avoir traversé au moins une paroi filtrante. Dans les filtres réalisés en carbure de silicium (SiC), les canaux sont regroupés en segments liés entre eux par un joint qui permet de compenser la dilatation importante du carbure de silicium lors des transitoires thermiques. Les filtres à particules maintenant installés sur presque tous les véhicules automobiles sont très efficaces et permettent de limiter les émissions de particules à moins de 5 mg / km parcouru, niveau maximum toléré par la norme Euro 5 qui entrera en vigueur en 2010 et mesuré suivant le cycle de conduite normalisé NEUDC. Même si les filtres à particules sont connus pour être robustes et assurer convenablement leur fonction tout au long de la vie des véhicules sur lesquels ils sont installés, certains filtres peuvent être défaillants, suite à un défaut de fabrication par exemple, ou bien peuvent devenir défaillant, suite à des conditions de fonctionnement sévères par exemple. Les défaillances les plus connues se traduisent par une fissuration d'une paroi filtrante, d'un joint liant plusieurs segments et / ou d'un bouchon fermant un ou plusieurs canaux. Ces défaillances se traduisent par une émission de particules supérieure au seuil toléré par la législation. La norme OBD (On Board Diagnostic) en vigueur impose la mise en place de moyens de détection d'une défaillance d'un composant (en particulier le filtre à particules) susceptible d'entraîner une émission de polluants supérieure au seuil fixé par la législation. Ces moyens de détection doivent envoyer un signal visible au conducteur du véhicule pour signaler la nécessité de faire contrôler les émissions de polluants. Plusieurs types de moyens de détection sont en cours de d'évaluation ou de développement : • des capteurs résistifs : une plaque métallique positionnée dans le flux sortant du filtre à particules voit sa résistance augmenter lorsque des particules se collent dessus. Cependant, la plaque métallique s'encrasse de suie même lorsque la quantité de particules dans les gaz sortant est inférieure à la valeur seuil tolérée de sorte qu'il faut prévoir des moyens de régénération du capteur résistif à intervalle régulier • des capteurs à décharge électrique : deux électrodes sont disposées dans le flux des gaz sortant du filtre à particules et, lorsqu'une tension élevée prédéfinie est appliquée entre ces électrodes, une décharge électrique apparaît si la quantité de particules dans le flux de gaz est supérieure à une valeur seuil. Ces capteurs nécessitent cependant des dispositifs électroniques complexes pour la production d'une tension suffisante pour créer une décharge électrique. • des capteurs optiques : un signal optique traversant le flux des gaz sortant du filtre à particules permet de déterminer la quantité de particules présentes dans le flux. Ces capteurs sont cependant difficiles à maintenir en bon état de fonctionnement dans un environnement difficile tel que les gaz d'échappement. Toutes ces techniques sont complexes à mettre en oeuvre et manque de robustesse. Il n'est en conséquence pas encore envisagé de les utiliser sur des véhicules de série. Une autre technique envisagée dans le document Dl (KR20070062309) consiste à mettre un filtre de détection en aval du filtre à particules et à détecter la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre de détection. Une différence de pression proche de zéro signifie que le filtre de détection n'arrête pas de particules, c'est-à-dire que les particules présentent dans les gaz d'échappement en sortie du moteur ont été correctement filtrées dans le filtre à particules. Inversement, une différence de pression qui augmente signifie que le filtre de détection est encrassé par des particules non filtrées par le filtre à particules, c'est-à-dire que le filtre à particules est défaillant. Le principal inconvénient de la solution proposée dans Dl est que, en fonctionnement normal, le filtre de détection engendre une contre-pression importante dans le conduit d'échappement, notamment lors des points de fonctionnement du moteur où le débit des gaz est important. Une telle contre-pression entraîne une surconsommation de carburant et une diminution des performances du moteur. Par ailleurs, en cas de défaillance du filtre à particules, le filtre de détection s'encrasse et se transforme rapidement en bouchon sur la ligne d'échappement de sorte que le véhicule doit être immédiatement immobilisé sous peine d'endommager le moteur. Description de l'invention L'invention propose un nouveau dispositif de diagnostic, ne présentant pas les inconvénients des dispositifs antérieurs décrits ci-dessus. Plus précisément, l'invention propose un dispositif de diagnostic d'un filtre à particules fixé sur une ligne principale d'échappement d'un moteur à combustion interne, le dispositif de diagnostic comprenant, en aval du premier filtre à particules, un filtre de détection et un moyen de mesure d'un paramètre de sortie du filtre de détection représentatif d'un état de fonctionnement du filtre à particules. Le dispositif de diagnostic selon l'invention est caractérisé en ce que le filtre de détection est traversé par une première partie des gaz issus du filtre à particules, une deuxième partie des gaz issus du filtre à particules suivant la ligne principale d'échappement. Ainsi, en fonctionnement normal du véhicule, il n'y a pas de contrepression dans la ligne principale d'échappement. Par ailleurs, en cas de défaillance du filtre à particule et d'encrassement du filtre de détection, les gaz d'échappement peuvent continuer à s'écouler dans la ligne principale d'échappement, non obstruée. Il est donc possible de continuer à utiliser le véhicule. La partie des gaz traversant le filtre de détection est faible par rapport à la quantité totale des gaz sortant du filtre à particules, par exemple comprise entre 0.1 et 70%. De préférence, pour limiter l'influence du filtre de détection sur le fonctionnement de la ligne d'échappement, on limite la quantité de gaz traversant le filtre de détection à la quantité nécessaire et suffisante pour permettre la mesure du paramètre de sortie du filtre de détection avec la précision souhaitée. Ainsi, de préférence, on limite la partie des gaz traversant le filtre de détection à 0.1 à 5% de la 20 quantité totale des gaz sortant du filtre à particules. Avec une fraction des gaz d'échappement aussi faible, il est possible d'utiliser un filtre de détection de faibles dimensions. Ceci permet de limiter l'encombrement, tout en permettant une mesure précise. Selon des variantes de réalisation, le filtre de détection peut être installé dans une ligne secondaire d'échappement 5 parallèle à la ligne principale, ou bien dans une partie de la ligne principale, comme on le verra mieux dans des exemples. Selon des variantes également, le moyen de mesure peut être : • un capteur de température, de débit, de vitesse découlement ou de concentration en oxygène des gaz, positionné en sortie du deuxième filtre, ou 10 • un moyen de mesure de pression différentielle, comprenant un premier capteur de pression en amont du filtre de détection, un deuxième capteur de pression en aval du filtre de détection et un comparateur apte à déterminer une différence de pression entre une entrée et une sortie du filtre de détection. Ainsi, avec l'invention, il est possible d'utiliser des capteurs de mesure connus, simples et robustes. Le dispositif de diagnostic selon l'invention peut également comprendre un moyen d'alerte, pour produire un signal 15 d'alerte si un profil du paramètre de sortie du filtre de détection est différent d'un profil de référence. Le dispositif selon l'invention est notamment intéressant pour équiper des véhicules automobiles, tels que voiture, camions, tracteurs, etc. Mais il peut également être utilisé plus généralement pour le diagnostic de tout filtre à particules associé à un moteur thermique, tel que par exemple des moteurs sur des installations fixes, des bateaux, des engins de chantier, etc. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de diagnostic d'un filtre à particules, selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels : 25 • la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de diagnostic selon l'invention • les figures 2 à 8 présentent des variantes du dispositif de la figure 1. Description d'un mode de réalisation de l'invention Sur la figure 1 est représenté un filtre à particules 10 connu comprenant une entrée 11 destinée à être reliée à une 30 sortie d'échappement d'un moteur thermique. Une sortie 12 du filtre à particules 10 est reliée à une ligne principale d'échappement 13 dans laquelle les gaz d'échappement ont un débit total Qt lorsque le moteur thermique fonctionne normalement. Dans la ligne d'échappement, à une section donnée de la dite ligne d'échappement, la pression totale Ptotale est donnée par la relation : Ptotale = Pstatique + Pdynamique. La pression dynamique est fonction de la vitesse V de déplacement des gaz : Pdynamique = 1/2*rho*V*V, rho étant 35 la masse volumique des gaz d'échappement.
Le dispositif de diagnostic selon l'invention comprend, en aval du filtre à particules 10, un filtre de détection 14 et un moyen de mesure 15. Le filtre de détection 14 est positionné de sorte à recevoir seulement une partie du flux des gaz sortant du filtre à particules, et le moyen de détection 15 est fixé en sortie du filtre de détection.
Dans une première variante, le filtre de détection 14 est placé dans un conduit de dérivation ou ligne secondaire d'échappement 16. La ligne secondaire est dimensionnée (section, forme, etc.) de sorte que seulement 0.1 à 70% du total des gaz d'échappement soit dérivé vers la ligne secondaire et le filtre de détection. De préférence, on limite la section de sorte que seulement 0;1 à 5% du total des gaz d'échappement soit dérivé vers la ligne secondaire et le filtre de détection, pour limiter au mieux les conséquences sur le fonctionnement du moteur d'un encrassement du filtre de détection 14 lors d'une défaillance du filtre à particules 10. Une entrée 17 de la ligne secondaire est reliée à la ligne principale 13 en aval du filtre à particules 10 de sorte que la dite entrée 17 soit soumise à la pression totale Ptotale des gaz. Selon une variante, une sortie de la ligne secondaire est reliée à la ligne principale d'échappement de sorte que, en sortie de la ligne secondaire, les gaz ne soient soumis qu'à la pression statique.
Une sortie de la ligne secondaire est réalisée telle que, en sortie de la ligne secondaire, les gaz soient soumis à une pression inférieure ou égale à la pression statique Pstatique. Ainsi, la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la ligne secondaire est supérieure ou égale à la pression dynamique et une fraction des gaz est naturellement entraînée vers la ligne secondaire et le filtre de détection. Selon une variante, la sortie de la ligne secondaire est reliée à la ligne principale, les gaz sont ainsi soumis en sortie à la pression statique et la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la ligne secondaire est égale à Pdynamique = Ptotale - Pstatique. Selon une autre variante, la sortie de la ligne secondaire est laissée à l'air libre, les gaz sont ainsi soumis en sortie à la seule pression atmosphérique (inférieure à la pression statique) et la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la ligne secondaire est supérieure à la pression dynamique.
Le débit des gaz dans la ligne secondaire est fonction notamment : • de la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la ligne secondaire, • des pertes de charges dans la ligne secondaire, dues au filtre de détection et à la ligne secondaire (forme, section, longueur, rugosité des parois, etc.) La forme, les dimensions, le raccordement sur la ligne principale de la ligne secondaire sont donc dimensionnés pour que le débit secondaire des gaz soit suffisant pour permettre une détection d'un paramètre des gaz par le moyen de détection 14. Si nécessaire, plusieurs solutions peuvent être envisagées pour augmenter le débit secondaire. Il est possible de réduire localement la section de la ligne principale au voisinage de l'entrée de la ligne secondaire figure 3, rétrécissement 19). Ainsi, la vitesse des gaz, et donc également la pression dynamique, augmentent localement. Le débit secondaire, fonction de la pression dynamique, augmente en conséquence.
Il est également possible de mettre une vanne sur la ligne principale au voisinage de l'entrée de la ligne secondaire (à la place du rétrécissement 19), ce qui permet d'ajuster à volonté le débit secondaire. Mais l'installation d'une telle vanne est en général délicate et onéreuse à mettre en oeuvre. Il est encore possible, dans le cas d'une ligne principale comprenant en série un filtre à particules 10 et un élément additionnel (tel qu'un silencieux 20 ou un résonateur), de positionner l'entrée de la ligne secondaire entre la sortie du filtre à particules 10 et l'entrée de l'élément additionnel. La ligne secondaire est ainsi en dérivation par rapport à la ligne principale. Comme les pertes de charges dans la ligne principale sont augmentées par la présence de l'élément additionnel, le débit des gaz dans la ligne secondaire est augmenté. La sortie 18 de la ligne secondaire peut être laissée ouverte (figure 1), de sorte que les gaz d'échappement s'évacuent à l'air libre, de même que les gaz circulant dans la ligne principale. La sortie 18 peut également être reliée à la ligne principale en aval de l'entrée 17 (figures 2, 3). La sortie 18 peut encore être reliée à la ligne principale en aval de l'élément additionnel s'il y en a un (figure 4). La ligne secondaire peut être installée à l'intérieur d'un silencieux 20 pour un gain d'espace (figure 5).
Dans une deuxième variante, la ligne principale est divisée en deux parties dans une zone de détection en aval du filtre à particules et le filtre de détection est placé dans une des parties de la ligne principale 13. Dans l'exemple de la figure 6, un tronçon 21 de la ligne principale 13 est divisé en deux parties. La première partie dans laquelle le filtre de détection est installé a une section dimensionnée de sorte que seulement une petite partie des gaz d'échappement traversent le filtre de détection, la plus grande partie des gaz circulant dans l'autre partie de la ligne principale 13.
Dans une troisième variante, le filtre de détection est constitué d'une paroi filtrante 22 positionnée à l'intérieur de la ligne principale 13 et adaptée pour qu'une partie des gaz traverse la paroi filtrante 22 et qu'une autre partie ne traverse pas la paroi filtrante 22. Dans l'exemple de la figure 7, la paroi 22 est positionnée à l'intérieur d'un tronçon 23 de la ligne principale 13.
Le filtre de détection 14 (et également la paroi filtrante 22) a des propriétés filtrantes similaires à celles d'un filtre à particules : • si le filtre à particules 10 fonctionne normalement, le filtre de détection laisse passer toutes les particules que laisse passer le filtre à particules (c'est-à-dire les particules ou suies les plus petites et en très faible quantité résiduelle) ; le filtre de détection est ainsi quasi-transparent pour le flux de gaz qui le traverse, • si le filtre à particules 10 est défaillant, le filtre de détection bloque toutes les particules que le filtre à particules aurait dû filtrer si avait fonctionné correctement ; comme le filtre de détection a des capacités de détection (en terme de volume et de nombres de particules qu'il est en mesure d'absorber), le filtre de détection se colmate et ne laisse pratiquement plus passer les gaz.
Il s'ensuit que : • si le filtre à particules 10 fonctionne correctement, les paramètres du flux gazeux en sortie du filtre de détection suivent dans le temps une évolution similaire à celle des paramètres du flux de gaz sortant du filtre à particules (figure 8, courbe en pointillés), • si le filtre à particules 10 est défaillant, les variations dans le temps des paramètres du flux gazeux en sortie du filtre de détection 14 ne suivent plus les variations des paramètres correspondant du flux en sortie du filtre à particules et tendent rapidement vers zéro (figure 8, courbe en trait plein). Le filtre de détection peut être réalisé selon le même principe et avec les mêmes matériaux que le filtre à particules. Mais tout autre type de filtre peut être utilisé, pour autant qu'il ait les propriétés ci-dessus. On rappelle qu'en fonctionnement normal du filtre à particules, les paramètres du flux gazeux en sortie du filtre à particules varient énormément en amplitude, en fonction du régime moteur, du type de moteur, etc. Ceci est vérifié pour les paramètres du flux de gaz tels que la température, la pression, le débit, la vitesse d'écoulement, la concentration en oxygène, etc. Il est donc possible d'utiliser comme moyen de mesure en sortie du filtre de détection un capteur unique (figures 1, 4, 5) tel qu'un capteur de température, de pression, un débitmètre, un anémomètre, une sonde à oxygène, etc. Tous ces capteurs sont largement connus, ils ont l'avantage d'être robustes, efficaces même dans un environnement difficile comme les gaz d'échappement et ne nécessitent pas d'électronique de commande complexe. Il est également possible d'utiliser un moyen de mesure de pression différentielle (figures 2, 6, 7), comprenant un premier capteur de pression 24 en amont du filtre de détection 14, un deuxième capteur de pression 25 en aval du filtre de détection et un comparateur 26 apte à déterminer une différence de pression entre une entrée et une sortie du filtre de détection.
Pour être efficace, le filtre à particules est régénéré régulièrement lorsque le moteur thermique fonctionne. Pour régénérer le filtre à particules, on élève fortement la température des gaz d'échappement pour bruler les suies absorbées par le filtre à particules. Il n'est normalement pas nécessaire de régénérer le filtre de détection. Toutefois, comme une partie des gaz d'échappement sortant du filtre à particules traverse le filtre de détection, ce dernier est automatiquement régénéré chaque fois que le filtre à particules est régénéré. Dans certains cas, le filtre à particules est régénéré de temps en temps même s'il est défaillant. Dans ce cas, le filtre de détection doit être dimensionné pour se colmater rapidement en cas de défaillance du filtre à particules, pour qu'il soit possible de détecter cette défaillance avant la régénération du filtre à particules. On utilise dans un tel cas un filtre de détection de petite taille.
Le dispositif de diagnostic selon l'invention comprend également un moyen d'alerte (non représenté), pour surveiller les variations dans le temps du paramètre mesuré par le moyen de mesure et produire un signal d'alerte si le profil du signal mesuré est différent d'un profil de référence. Dans un mode de réalisation, le moyen d'alerte est un comparateur, qui compare l'amplitude du paramètre de sortie à un seuil de référence et produit le signal d'alerte lorsque l'amplitude du paramètre de sortie est inférieure au seuil de référence.
Dans un autre mode de réalisation, le moyen d'alerte comprend une mémoire et un comparateur. Dans la mémoire est mémorisé un profil de référence correspondant à l'évolution du paramètre détecté en fonction du temps dans le cas d'un fonctionnement normal du filtre à particules. Le profil de référence est par exemple obtenu par des essais sur le véhicule dans lequel est installé de dispositif de diagnostic, avant sa mise dans le commerce. Lors du fonctionnement du moteur thermique, le comparateur compare en continu le signal fourni par le moyen de mesure avec le profil de référence, et fourni le signal d'alerte lorsque le signal mesuré s'écarte de plus de X % du profil de référence. X est un pourcentage dont la valeur est à ajuster en fonction de propriétés souhaitées pour le dispositif de diagnostic (rapidité de détection d'une défaillance du filtre à particules, garantie qu'une alerte correspond effectivement à une défaillance du filtre à particules, etc.).10

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif pour le diagnostic d'un filtre à particules fixé sur une ligne principale d'échappement d'un moteur à combustion interne, le dispositif de diagnostic comprenant, en aval du premier filtre à particules, un filtre de détection et un moyen de mesure d'un paramètre de sortie du filtre de détection, le dispositif de diagnostic étant caractérisé en ce que le filtre de détection est traversé par une première partie des gaz issus du filtre à particules, une deuxième partie des gaz issus du filtre à particules suivant la ligne principale d'échappement.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première partie des gaz correspond à 0.1 à 70% des gaz issus du filtre à particules.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la première partie des gaz correspond à 0.1 à 5 % des gaz issus du filtre à particules.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le filtre de détection est placé dans une ligne secondaire d'échappement parallèle à la ligne principale d'échappement, la ligne secondaire d'échappement ayant une entrée de gaz et une sortie de gaz, l'entrée de gaz étant reliée à la ligne principale d'échappement en aval du filtre à particules.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, adapté pour une ligne principale d'échappement comprenant un élément additionnel tel qu'un silencieux ou un résonateur en aval du filtre à particules, dans lequel l'entrée de gaz de la ligne secondaire d'échappement est reliée à la ligne principale en aval de l'élément additionnel.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 4, adapté pour une ligne principale d'échappement comprenant un élément additionnel tel qu'un silencieux ou un résonateur en aval du filtre à particules, dans lequel l'entrée de la ligne secondaire d'échappement est reliée à la ligne principale entre le filtre à particules et le filtre de détection.
  7. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la sortie de la ligne secondaire est reliée à la ligne principale en aval du filtre de détection.
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la ligne secondaire, l'entrée de la ligne secondaire et la sortie de la ligne secondaire sont situées à l'intérieur de l'élément additionnel.
  9. 9. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la sortie de la ligne secondaire est reliée à la ligne principale en aval de l'entrée de la ligne secondaire.
  10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, dans lequel l'entrée de la ligne secondaire et éventuellement la sortie de la ligne secondaire sont reliées à la ligne principale de sorte que la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la ligne secondaire soit supérieure à une pression dynamique des gaz dans la ligne principale d'échappement.
  11. 11. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 10, dans lequel une section de la ligne principale présente un rétrécissement au voisinage de l'entrée de la ligne secondaire.
  12. 12. Dispositif selon l'unes des revendications 1 à 3, pour une ligne principale divisée en deux parties dans une zone de détection en aval du filtre à particules, dans lequel le filtre de détection est placé dans une des parties de la ligne principale.
  13. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le filtre de détection est constitué d'une paroi filtrante positionnée à l'intérieur de la ligne principale et adaptée pour qu'une partie des gaz traverse la paroi filtrante et qu'une autre partie ne traverse pas la paroi filtrante.
  14. 14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de mesure est : • un capteur de température, de débit, de vitesse découlement ou de concentration en oxygène des gaz d'échappement, positionné en sortie du deuxième filtre, ou • un moyen de mesure de pression différentielle, comprenant un premier capteur de pression en amont du filtre de détection, un deuxième capteur de pression en aval du filtre de détection et un comparateur apte à déterminer une différence de pression entre une entrée et une sortie du filtre de détection.
  15. 15. Dispositif de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen d'alerte, pour produire un signal d'alerte si un profil du paramètre de sortie du filtre de détection est différent d'un profil de référence.
  16. 16. Dispositif de diagnostic selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le filtre de détection a des propriétés de filtration telles que le filtre de détection est colmaté lorsque le taux de particules contenues dans les gaz issus du premier filtre est supérieur à un seuil d'alerte.
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