FR3072730A1 - Procede de pilotage d’un moteur thermique relie a un filtre a particules - Google Patents

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Abstract

Le procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne à allumage commandé (1), comportant un dispositif d'allumage (101) pilotant une avance à l'allumage, un dispositif d'injection pilotant une richesse, des cylindres (3) reliés à une ligne d'échappement (4) comprenant un filtre à particule (6), comprend, suite à une demande de régénération du filtre à particules, les étapes consistant à : a. donner une autorisation de régénération ; b. estimer ou évaluer une température des gaz d'échappement au niveau du filtre à particules ; c. modifier, en fonction d'une valeur estimée de la température des gaz d'échappement au niveau du filtre à particules : i. une avance à l'allumage de sorte à augmenter la température des gaz à l'échappement ; et/ou ii. une richesse de sorte à apporter de l'oxygène à l'échappement.

Description

[0001 ] L’invention concerne de manière générale le domaine des moteurs à combustion interne, notamment ceux montés sur un véhicule automobile. Plus particulièrement, l’invention concerne la régénération d’un filtre à particule équipant un moteur à combustion interne à allumage commandé.
[0002] Dans le domaine de l'industrie automobile, la réduction des polluants est un problème majeur. Les gaz d'échappement des moteurs thermiques à allumage commandé fonctionnant à l’essence contiennent peu de particules. Or, les normes de lutte contre la pollution étant de plus en plus sévère, il devient nécessaire d’éliminer ces particules. Donc, afin de respecter ces normes, l’utilisation d’un filtre à particules devient nécessaire sur la plupart des motorisations essence à allumage commandé, à injection directe dans un premier temps, à injection indirecte ensuite.
[0003] Le document FR2966870A1 décrit un filtre à particules ajouté dans le circuit d'échappement des gaz de combustion d’un moteur thermiques. Typiquement, ce filtre à particule est de type à parois filtrantes, en céramique, par exemple en cordiérite, ou en carbure de silicium, à travers lequel circulent les gaz d'échappement. Un tel filtre à particule est capable d'arrêter une forte proportion des suies engendrées par la combustion des combustibles dans le moteur thermique. Cependant, une accumulation trop importante des suies dans le filtre peut conduire à une augmentation de la perte de charge dans le dit filtre et par conséquence une diminution de la performance ainsi qu’une augmentation du risque de fusion de la céramique. Il est donc nécessaire de brûler régulièrement les suies collectées par les filtres à particules, par une opération appelée régénération du filtre.
[0004] Pour régénérer un filtre à particules chargé en suie, il faut apporter des calories et de l’oxygène de sorte à engendrer une auto combustion des suies au sein du filtre à particules. En fonctionnement classique, un moteur thermique à allumage commandé fonctionne majoritairement à richesse 1, voire à une richesse supérieure à 1 sur les fortes charges. Ceci implique l’absence d’oxygène en amont du filtre à particule. De plus, une zone importante de fonctionnement dudit moteur permet d’apporter les calories nécessaires et l’oxygène peut être apporté par des coupures d’injection lors de levers de pied ou lors des passages de rapport : cela permet simplement de remplir les conditions pour effectuer des régénérations passives du filtre à particule.
[0005] Il peut toutefois exister des situations pour lesquelles ces conditions ne sont pas réunies :
- soit du fait d’un profil de roulage à trop basse vitesse ne permettant pas de fournir les calories nécessaires à la régénération,
- soit du fait de la multiplicité de roulages courts, générant des émissions de particules supérieures à la capacité de régénération dans le laps de temps d’un roulage court durant lequel les conditions sont réunies.
[0006] Ce mode de fonctionnement nominal fait que, dans certaines conditions de roulage dites sévères, le faible niveau de température des gaz d’échappement et le faible taux de présence d’oxygène en amont du filtre à particules ne permet pas de brûler les suies stockées dans celui-ci. Il s’en suit un risque de surcharge du filtre à particules pouvant conduire à l’endommagement de ce dernier, voire sa destruction.
[0007] Il y a donc nécessité de pouvoir réaliser une régénération du filtre à particules dans ces situations.
[0008] Un but de l’invention est de fournir un procédé de pilotage d’un moteur à combustion interne à allumage commandé permettant de
-3réaliser une régénération sûre et efficace du filtre à particules dans toutes les situations de fonctionnement du moteur.
[0009] A cette fin, il est prévu, selon l’invention, un procédé de pilotage d’un moteur à combustion interne à allumage commandé le moteur à combustion interne comportant un dispositif d'allumage pilotant une avance à l'allumage, un dispositif d'injection pilotant une richesse, des cylindres reliés à une ligne d’échappement comprenant un filtre à particule, le procédé de pilotage, suite à une demande de régénération du filtre à particules, comprenant les étapes consistant à :
a. donner une autorisation de régénération,
b. estimer une température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules ;
c. modifier, en fonction d’une valeur estimée de la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules :
i. une avance à l’allumage de sorte à augmenter la température des gaz à l’échappement ; et/ou ii. une richesse de sorte à apporter de l’oxygène à l’échappement.
[0010] Ainsi, le fait d’estimer la température au niveau du filtre à particules, soit par mesure soit par calcul, permet de déterminer une modification de l’avance à l’allumage et/ou de la richesse à appliquer au moteur de sorte à atteindre de manière optimale les conditions (de température et/ou de présence oxygène) pour réaliser une régénération sûre et efficace du filtre à particules, une fois celle-ci autorisée, et ce, quel que soit la situation de fonctionnement du moteur.
[0011] Avantageusement, mais facultativement, le procédé de pilotage présente au moins l’une des caractéristiques techniques additionnelles suivantes :
- la modification d’une avance à l’allumage consiste à dégrader l’avance à l’allumage dans le sens d’un retard, ce qui augmente la température des gaz d'échappement ;
- la modification d’une richesse consiste à abaisser une valeur de la richesse en dessous de 1, ce qui garantit une présence d'oxygène dans le gaz d'échappement ;
- l’estimation ou évaluation de la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules consiste en une mesure, via un capteur de température, de la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules ;
- si la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules est inférieure à une première température seuil prédéterminée, l’étape c) consiste en une modification de l’avance à l’allumage seulement ;
- si la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules est supérieure à une deuxième température seuil prédéterminée supérieure ou égale à la première température seuil prédéterminée, l’étape c) consiste en une modification de la richesse seulement.
- si la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules est comprise entre les première et deuxième températures seuil prédéterminées, l’étape c) consiste en des modifications de l’avance à l’allumage et de la richesse ;
- des températures d’air en amont des cylindres et d’eau de refroidissement étant en outre mesurées lors de l’étape b), l’étape c) de modification est aussi fonction d’un couple de valeurs mesurées des températures d’air et d’eau de refroidissement ;
- si le couple de valeurs mesurées des températures d’air et d’eau de refroidissement est dans une zone défavorable (Zone B) prédéfinie de fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage commandé, alors la deuxième température seuil
-5prédéterminée est égale à la première température seuil prédéterminée ; et,
- la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particule est une température des gaz d’échappement en amont du filtre à particules.
[0012] Il est prévu aussi selon l’invention un calculateur comprenant des moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que des moyens de commande requis à mise en oeuvre d’un procédé de pilotage présentant au moins l’une des caractéristiques techniques précédentes [0013] Il est prévu aussi selon l’invention un véhicule comprenant un moteur à combustion interne à allumage commandé relié à une ligne d’échappement comprenant un filtre à particules et un calculateur selon la revendication précédente pour le pilotage du moteur à combustion interne.
[0014] D'autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d’un moteur à combustion interne à allumage commandé ;
la figure 2 est une représentation schématique d’un procédé de pilotage du moteur de la figure 1 selon l’invention ; et, la figure 3 est une représentation d’un abaque de températures d’air et d’eau de refroidissement du moteur de la figure 1 permettant de définir des zones favorable et défavorable de fonctionnement dudit moteur.
[0015] Dans la présente demande, il est fait référence à une avance à l'allumage. L'avance à l'allumage est définie par l'angle de rotation volant qui sépare l'instant d'étincelle du PMH (point mort haut) :
- un décalage du point d'allumage en direction du PMH correspond à une variation dans le sens retard ;
- une correction dans l'autre sens correspond à une variation dans le sens avance.
[0016] Dans la présente demande, il est également fait référence à une richesse d'injection. Une richesse de 1 représente un mélange airessence avec un dosage stoechiométrique, une richesse supérieure à 1 représente un mélange air-essence avec un excès de carburant, et une richesse inférieure à 1 représente un mélange air-essence avec un excès d'air.
[0017] La figure 1 représente un moteur à combustion interne à allumage commandé 1, tel qu’un moteur à essence, destiné à équiper un véhicule, notamment automobile, pour permettre le déplacement de celui-ci. Le moteur à combustion interne à allumage commandé 1 comporte un bloc moteur 2 avec des cylindres 3, ici au nombre de trois, pour la combustion. Le nombre de cylindres peut être différent, par exemple compris entre un cylindre et seize cylindres.
[0018] Le moteur à combustion interne à allumage commandé 1 est relié à une ligne d’échappement 4 pour l’évacuation des gaz brûlés produit par le fonctionnement dudit moteur à combustion interne à allumage commandé 1. La ligne d’échappement 4 comporte, dans le sens des gaz brûlés, depuis les cylindres 3, un collecteur d’échappement 9, puis une entrée 7 d’un organe de dépollution 5 de polluants gazeux, comme un catalyseur d’oxydation ou un catalyseur trois-voies.
[0019] La ligne d’échappement 4 comprend en outre, en aval de l’organe de dépollution 5, un filtre à particules 6 de filtration des particules de suies dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne à allumage commandé 1. Le filtre à particules 6 est adapté à la filtration de particules de suies provenant de la combustion d'essence (aussi appelé selon la terminologie anglo-saxonne « gasoline particulate filter » abrégé en GPF), qui se différencie des filtres à particules classiques assurant une filtration des particules de suies issues de la combustion du gazole.
[0020] Dans le filtre à particules 6, les gaz d'échappement traversent une matière composant le filtre à particules 6. Ainsi, lorsque le filtre à particules 6 est formé de canaux, chacun de ces canaux comprend une extrémité bouchée, de sorte que les gaz d'échappement s'écoulant dans le filtre à particules 6 passent de canaux en canaux en traversant les parois des différents canaux du filtre à particules 6 pour sortir du filtre à particules 6 au niveau d’une sortie d’échappement 8.
[0021] La ligne d’échappement 4 comporte en outre, ici, un capteur de température 61 positionné en amont du filtre à particules. Ce capteur de température 61 va permettre d’estimer ou d'évaluer par une mesure une température des gaz d’échappement Tgpf au niveau du filtre à particules 6, ici en amont de ce dernier. En variante de réalisation, le capteur de température mesure une température au sein du filtre à particules 6. Dans une variante encore de réalisation, la température des gaz d’échappement Tgpf est estimée par calcul.
[0022] Un dispositif d’allumage 101 est prévu pour assurer un pilotage d’une avance à l’allumage du moteur à combustion interne à allumage commandé 1. De même, un dispositif d’injection 102 est aussi prévu pour assurer le pilotage d’une richesse du moteur à combustion interne à allumage commandé 1.
[0023] Un calculateur 100 est également prévu pour assurer un pilotage du fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage commandé 1. Il est relié aux dispositifs d’allumage 101 et d’injection 102. Ce calculateur 100 comprend des moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que des moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé de pilotage selon l’invention que nous allons maintenant décrire plus en détail, en référence aux figures 2 et 3.
[0024] Au cours d’un fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage commandé 1, le calculateur 100 surveille qu’une demande
-8de régénération 10 du filtre à particules 6 est faite et qu’une autorisation de régénération 15 est donnée. Dans l’affirmative, le calculateur 100 va, dans une première étape du procédé de pilotage selon l’invention, estimer ou évaluer la température des gaz d’échappement Tgpf au niveau du filtre à particules 6, par exemple via une mesure à l’aide du capteur de température 61. Concomitamment, le calculateur 100 relève par mesure une température d’eau de refroidissement Teau et une température d’air Tair en amont des cylindres 3. Il est à noter que la température d’air Tair peut être soit la température d‘air extérieure, soit l’une des températures d’air entrée moteur (au col d’entrée d’air, au papillon, en amont de la soupape).
[0025] En fonction de la température des gaz d’échappement Tgpf, le calculateur 100 va, dans une deuxième étape 20, déterminer une modification, au niveau des cylindres 3, d’une avance à l’allumage 40 et/ou d’une richesse 50 à appliquer au moteur à combustion interne à allumage commandé 1. Cette modification s’effectue selon trois modes de combustion 31,32, 33 utilisés séquentiellement.
[0026] Le mode de combustion 31, appelé mode «chauffe», permet d’augmenter le plus rapidement possible la température des gaz d’échappement. Dans ce mode de combustion 31, le calculateur 100 ne modifie pas la richesse 50 qui reste alors à 1 ou supérieure à 1, mais il modifie l’avance à l’allumage 40. Lors de cette modification de l’avance à l’allumage 40, cette dernière va être dégradée dans le sens d’un retard. Ainsi, Avec une richesse égale à 1, la combustion étant plus stable qu’avec une richesse inférieure à 1, il est possible d’obtenir, via une telle dégradation de l’avance à l’allumage 40, la température de gaz d’échappement la plus élevée possible dans le respect du critère de stabilité du moteur à combustion interne à allumage commandé 1.
[0027] Le mode de combustion 33, appelé mode « 02 », permet d’apporter de l’oxygène dans les gaz d’échappement. Dans ce mode de combustion 31, le calculateur 100 ne modifie pas l’avance à l’allumage 40,
-9mais modifie la richesse 50. Lors de cette modification de la richesse 50, cette dernière est abaissée en dessous de 1 et ainsi apporter de l’oxygène nécessaire à la combustion des suies présentes dans le filtre à particules 6. Le mode de combustion 33 est appliqué lorsque la température des gaz d’échappement Tgpf est déjà élevée sans avoir recours à une dégradation de l’avance à l’allumage : c’est le cas, par exemple, d’un roulage à forte charge du moteur à combustion interne à allumage commandé 1.
[0028] Le mode de combustion 32, appelé mode « chauffe + 02 >> est une combinaison des deux modes de combustion 31 et 33 précédent. Lors de ce mode de combustion 32, le calculateur 100 modifie à la fois l’avance à l’allumage 40 et la richesse 50. Cela permet de maintenir la température des gaz d’échappement Tgpf à une valeur minimale et apporter suffisamment d’oxygène de sorte à réaliser une combustion des suies. Par rapport au mode de combustion 31, les températures en amont du filtre à particules 6 maximales atteignables sont plus faibles compte tenu de l’impact cumulé de l’abaissement de la richesse et de la dégradation d’avance sur la stabilité de combustion dans les cylindres 3 du moteur à combustion interne à allumage commandé 1.
[0029] Le passage d’un mode de combustion à l’autre se fait donc en fonction de la température des gaz d’échappement Tgpf estimée. A cette fin, le calculateur 100 compare la température des gaz d’échappement Tgpf à des première T1 et deuxième T2 températures seuil prédéterminées, la deuxième température seuil T2 étant supérieure ou égale à la première température seuil T1. Si la température des gaz d’échappement Tgpf est inférieure à la première température seuil T1, le calculateur 100 met en œuvre le mode de combustion 31 (mode « chauffe »). Si la température des gaz d’échappement Tgpf est supérieure à la deuxième température seuil T2, le calculateur 100 met en œuvre le mode de combustion 33 (mode « 02 ») ; enfin si la température des gaz d’échappement Tgpf est comprise entre les première T1 et deuxième T2 températures seuil, le calculateur 100 met en œuvre le mode de combustion 32 (mode « chauffe + 02 »).
- 10[0030] Afin d’obtenir un pilotage fin des modes de combustion 31, 32, 33 vis-à-vis d’un impact des modifications qu’ils impliquent sur l’agrément de conduite, le calculateur 100 peut utiliser deux types de transitions entre les modes de combustion 31,32, 33 en fonction de conditions de fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage commandé 1. Ces conditions de fonctionnement sont la température d’eau de refroidissement Teau et la température d’air Tair dont l’impact sur la stabilité moteur est important.
[0031] Chaque couple de valeurs (Tair, Teau) mesurées lors de la première étape par le calculateur 100 est positionné sur un abaque prédéterminé et enregistré dans la mémoire du calculateur 100 de sorte à identifier une zone de fonctionnement Zone A, Zone B du moteur à combustion interne à allumage commandé 1 correspondant audit couple de valeurs (Tair, Teau) mesurées. Un tel abaque est illustré en figure 3. La zone de fonctionnement Zone A est séparée de la zone de fonctionnement Zone B par une courbe C. Tous les couples de valeurs (Tair, Teau) mesurées situés dans la Zone A au-dessus de la courbe C sont dans une zone favorable de fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage commandé 1. Tous les couples de valeurs (Tair, Teau) mesurées situés dans la Zone B audessous de la courbe C sont dans une zone défavorable de fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage commandé 1.
[0032] Ainsi, lorsque le couple de valeurs (Tair, Teau) mesurées est dans la zone favorable de fonctionnent Zone A du moteur à combustion interne à allumage commandé 1, le calculateur 100 utilise une première transition dans laquelle les première T1 et deuxième T2 températures seuil sont différente, T2 étant supérieure strictement à T1.
[0033] Lorsque le couple de valeurs (Tair, Teau) mesurées est dans la zone défavorable de fonctionnent Zone B du moteur à combustion interne à allumage commandé 1, le calculateur 100 utilise une deuxième transition dans laquelle les première T1 et deuxième T2 températures seuil sont identiques, T1 égale T2. Dans ce cas, la calculateur 100 ne met oeuvre que soit le mode
- 11 de combustion 31 (mode « chauffe »), soit le mode de combustion 33 (mode « 02 »). En effet dans cette zone défavorable Zone B, l’impact de la température d’eau de refroidissement Teau et de la température d’air Tair sur la stabilité de combustion au sein des cylindres 3 est tel qu’une utilisation du 5 mode de combustion 32 (mode « chauffe + 02 ») est trop impactant sur l’agrément de conduite.
[0034] En variante, la température des gaz d’échappement Tgpf mesurée par le capteur de température 61 en amont du filtre à particule 6 est remplacée par une température intra filtre à particules estimés par le 10 calculateur 100.
[0035] Diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier pourront être apportées aux différents modes de réalisation de l’invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de pilotage d’un moteur à combustion interne à allumage commandé (1 ), le moteur à combustion interne comportant un dispositif d'allumage (101) pilotant une avance à l'allumage (40), un dispositif d'injection (102) pilotant une richesse (50), des cylindres (3) reliés à une ligne d’échappement (4) comprenant un filtre à particule (6), le procédé de pilotage, suite à une demande de régénération (10) du filtre à particules, comprenant les étapes consistant à :
    a. donner une autorisation de régénération (15),
    b. estimer une température des gaz d’échappement (Tgpf) au niveau du filtre à particules ;
    c. modifier, en fonction d’une valeur estimée de la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules :
    i. une avance à l’allumage (40) de sorte à augmenter la température des gaz à l’échappement ; et/ou ii. une richesse (50) de sorte à apporter de l’oxygène à l’échappement.
  2. 2. Procédé de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modification d’une avance à l’allumage consiste à dégrader l’avance à l’allumage dans le sens d’un retard.
  3. 3. Procédé de pilotage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la modification d’une richesse consiste à abaisser une valeur de la richesse en dessous de 1.
  4. 4. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'estimation de la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules consiste en une mesure, via un capteur de température (61 ), de la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules.
  5. 5. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que :
    • si la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules étant inférieure à une première température seuil prédéterminée, l’étape c) consiste en une modification de l’avance à l’allumage seulement ;
    • si la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules étant supérieure à une deuxième température seuil prédéterminée supérieure ou égale à la première température seuil prédéterminée, l’étape c) consiste en une modification de la richesse seulement.
    • Si la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particules est comprise entre les première et deuxième températures seuil prédéterminées, l’étape c) consiste en des modifications de l’avance à l’allumage et de la richesse.
  6. 6. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, des températures d’air en amont des cylindres et d’eau de refroidissement étant en outre mesurées lors de l’étape b), l’étape c) de modification est aussi fonction d’un couple de valeurs mesurées des températures d’air et d’eau de refroidissement.
  7. 7. Procédé de pilotage selon les revendications 6 et 5, caractérisé en ce que si le couple de valeurs mesurées des températures d’air et d’eau de refroidissement est dans une zone défavorable (Zone B) prédéfinie de fonctionnement du moteur à combustion interne à allumage
    5 commandé, alors la deuxième température seuil prédéterminée est égale à la première température seuil prédéterminée.
  8. 8. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la température des gaz d’échappement au niveau du filtre à particule est une température des gaz d’échappement en amont du filtre
    10 à particules.
  9. 9. Calculateur (7), caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que des moyens de commande requis à mise en oeuvre d’un procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 8.
    15
  10. 10. Véhicule comprenant un moteur (1) à combustion interne à allumage commandé relié à une ligne d’échappement comprenant un filtre à particules (6), caractérisé en ce qu’il comprend un calculateur selon la revendication 9 pour le pilotage du moteur (1) à combustion interne.
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