FR3095838A1

FR3095838A1 - Procédé de gestion d’un filtre à particules d’un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne

Info

Publication number: FR3095838A1
Application number: FR2003761A
Authority: FR
Inventors: Alexandre Wagner; Benedikt Alt; Fabian Straub; Thomas Baumann; Christoph Schweizer; Michael Drung; Oliver Krannich; Rainer Maier; Tobias Zolg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2040-04-15
Also published as: US20200355107A1; CN111911267B; FR3095838B1; US11346268B2; DE102019206682A1; CN111911267A

Abstract

Titre : Procédé de gestion d’un filtre à particules d’un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne Procédé (100) consistant à : - établir (111, 116) un modèle de différence de pression qui modélise la pression différentielle (Δp) de part et d’autre du filtre à particules (210) comme fonction (220) d’un débit volumique dans le filtre à particules (210) avec une valeur de décalage (a0, C), - mesurer (120) plusieurs valeurs (245) pour la pression différentielle (Δp) pour différents débits volumiques et - résoudre (130) le modèle de différence de pression selon la pression différentielle (Δp) pour déterminer également la valeur de décalage (a0, C). Figure 1

Description

Procédé de gestion d’un filtre à particules d’un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne

Domaine de l’invention

La présente invention se rapporte à un procédé de gestion d’un filtre à particules d’un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne ainsi qu’un programme d’ordinateur, sur un support lisible par une machine gérant un appareil de commande électronique mettant en œuvre le procédé.

Etat de la technique

Pour réduire leurs émissions de particules, les véhicules sont équipés de filtres à particules retenant les particules générées par la combustion dans le moteur. L’accumulation des particules dans le filtre modifie son état de charge. Le débit volumique des gaz d’échappement, génère une différence de pression dans le filtre à particules qui varie en fonction de sa charge. Pour déterminer la charge du filtre, on mesure et on exploite la différence de pression dans le filtre. Toutefois, cette différence de pression (pression différentielle) est entachée d’erreurs car le capteur a un décalage qui varie au cours du fonctionnement. Selon l’état de la technique, l’apprentissage du décalage se fait seulement lorsque le moteur est à l’arrêt car alors la différence de pression mesurée (pression différentielle) correspond au décalage.

On peut régénérer le filtre dans un cycle de conduite avec les différents états du moteur et ainsi on réduit sa charge. Si la charge du filtre à particules est maximale, il faut en outre effectuer une régénération active du filtre à particules.

De plus, pour le diagnostic d’un remplacement de filtre, il faut comparer la pression différentielle du filtre vide avec celle du filtre installé. Pour cela, on calcule la différence de pression du filtre vide en utilisant un modèle. Les paramètres du modèle sont appliqués au préalable et sont identiques pour chaque filtre.

Exposé et avantages de l’invention

La présente invention a pour objet un procédé de gestion d’un filtre à particules dans un système de post-traitement de gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne consistant à établir un modèle de différence de pression qui modélise la pression différentielle de part et d’autre du filtre à particules comme fonction du débit volumique dans le filtre à particules avec une valeur de décalage, mesurer plusieurs valeurs pour la pression différentielle pour différents débits volumiques et résoudre le modèle de différence de pression selon la pression différentielle pour déterminer également la valeur de décalage.

Le procédé selon l’invention s’applique au fonctionnement du filtre à particules installé dans le système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne (ou moteur thermique).

Comme indiqué, selon une forme de réalisation préférentielle, le procédé permet de déterminer la valeur de décalage du modèle de pression différentielle du filtre à particules équipant le système de post-traitement des gaz d’échappement du moteur à combustion interne. Cette détermination se fait pendant le fonctionnement du moteur, ce qui implique que le procédé s’effectue à des températures différentes du filtre à particules et/ou avec une pression différente dans le filtre à particules.

Selon une première étape du procédé, on établit le modèle de pression différentielle qui donne la pression différentielle mesurée dans le filtre à particules comme fonction du débit volumique à travers le filtre à particules modélisé avec sa valeur de décalage. Ce décalage est également appelé « décalage de capteur ».

Selon une deuxième étape du procédé, on mesure plusieurs valeurs de la pression différentielle à différents débits volumiques, ce qui se fait pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne.

Selon une troisième étape du procédé, on résout le modèle de pression différentielle en fonction de cette pression différentielle, ce qui permet également de déterminer le décalage (ou valeur de décalage).

Le procédé a l’avantage, grâce au modèle de pression différentielle de qualité poussée et du signal de pression différentielle sans décalage, d’appliquer les fonctions de diagnostic pour caractériser le démontage du filtre à particules. A l’aide de ce modèle de pression différentielle de qualité élevée ou du signal de pression différentielle sans décalage, on peut tirer des conclusions concernant l’état de charge du filtre. L’information concernant l’état de charge du filtre est utilisée pour réaliser une fonction de régulation, optimisant le filtrage. Cette fonction de régulation pour optimiser le filtrage permet de réguler, par exemple la masse de suie fixée dans le filtre sur une valeur prédéfinie.

Un autre avantage du modèle de pression est qu’à l’aide du débit volumique on peut déterminer une valeur de modèle pour la pression différentielle qui est moins encombrée de bruit que la valeur mesurée.

Le modèle de pression différentielle peut en outre servir à réaliser une fonction de protection des composants du filtre.

Selon une forme de réalisation préférentielle, la fonction de la pression différentielle est un polynôme d’ordre n. La pression différentielle peut être la pression différentielle mesurée. Cette pression différentielle se décrit par la formule suivante :

Dans cette formule, Δp est la pression différentielle mesurée et la variable indépendante du polynôme d’ordre n est le débit volumique. Le débit volumese calcule à partir du débit massique mesuré, de la température mesurée ou modélisée T et de la pression absolue p mesurée ou modélisée dans le filtre à particules comme suit :

Dans ces formules, a0, a1,…,an-1,an sont les coefficients ; a0 est la valeur de décalage ou de décalage de capteur qui, pour=0 correspond à l’absence de pression dans le filtre à particules.

Les coefficients a0, a1,…,an-1,an sont supposés constants pendant un bref instant ; ils peuvent toutefois varier, par exemple, lors d’une variation de température ou de la viscosité des gaz d’échappement ou d’un paramètre dans le filtre à particules. En outre, les coefficients a0, a1,…,an-1,an dépendent de la charge du filtre à particules.

A la place d’une approximation globale avec une fonction polynomiale, on peut également appliquer une approximation localement linéaire. Pour cela, on fixe les intervalles discrets de débit volumique et ensuite on détermine une valeur moyenne pour le débit en pression et le débit volumique pour chaque intervalle. Ensuite, on interpole entre les valeurs moyennes, de sorte que l’on obtient une valeur de pression correspondante pour chaque valeur de débit volumique.

Selon une forme de réalisation préférentielle, on utilise, pour le calcul de la charge et/ou la détection du démontage du filtre, à la suite de la détermination des coefficients, soit la pression différentielle mesurée sans décalage, soit la pression différentielle modélisée.

Selon un autre développement préférentiel, on mesure au moins n valeurs de la pression différentielle pour différents débits volumiques.

Pour déterminer les coefficients a0, a1,…,an-1,an et ainsi également la valeur de décalage (ou décalage de capteur), de façon univoque, il faut avoir au moins n équations. Cela signifie qu’il faut avoir au moins n duplets différents de mesures (Δp, ) pour que le système d’équations puisse se résoudre. Le système d’équations s’écrit comme suit :

Cette solution a l’avantage de permettre de résoudre le système d’équations en particulier dans le cas d’un polynôme d’ordre n.

Selon une autre forme de réalisation préférentielle, le modèle de pression différentielle ou système d’équations se résout par récurrence. Cela se fait de préférence en appliquant le procédé des moindres carrés.

Comme les coefficients se déterminent en continu par récurrence, ils s’adaptent en continu à la température et à la viscosité des gaz d’échappement dans le filtre à particules. Cela permet d’avoir une précision très élevée du modèle.

Selon une forme de réalisation préférentielle, on fait la moyenne d’au moins deux mesures de la pression différentielle. On obtient ainsi, de façon avantageuse, des valeurs de mesure, robustes et sans bruit pour le duplet de mesures (Δp,). On peut fixer n intervalles différents de débit volumique. Chaque fois lorsqu’un débit volumique mesuré se trouve dans un de ces intervalles, on tient compte de la pression différentielle et du débit volumique pour former la valeur moyenne de l’intervalle correspondant. Dès que l’on a saisi un nombre minimum de valeurs de mesure dans un intervalle, cette valeur de mesure est considérée comme valable et pourra être utilisée pour déterminer les coefficients. Dès que pour n intervalles différents on a des valeurs moyennes valables, on peut déterminer les coefficients. Si l’on a plus de n valeurs moyennes valables, le système d’équations linéaires sera surdéfini ; cela conduit par interpolation à des résultats, en général à une détermination plus exacte des coefficients. Pour cette raison, on peut utiliser le nombre des valeurs moyennes valables comme critère de qualité pour les coefficients et ainsi pour la détermination du décalage.

Selon un autre mode de réalisation préférentiel, pour l’établissement du modèle de pression différentielle, on modélise la différence de pression aux bornes du filtre à particules comme fonction du débit volumique, de la pression et de la température dans le filtre à particules. Ainsi, de manière avantageuse, le modèle, contrairement au modèle évoqué ci-dessus, tient déjà compte de manière intrinsèque, des grandeurs caractéristiques du débit volumique, de la pression et de la température dans le filtre à particules et cette pression différentielle est optimisée ou adaptée en fonction de telles grandeurs.

Selon une forme de réalisation préférentielle, on utilise au moins deux modèles différents de pression différentielle.

De façon préférentielle, la fonction de la pression différentielle est modélisée par l’équation suivante :

Dans cette formule A’, A, B et C sont des coefficients ; le coefficient C est la valeur de décalage ou (décalage de capteur). µ est la viscosité des gaz d’échappement ; µ0 est une constante de corrélation de viscosité ; T est la température modélisée ou mesurée dans le filtre à particules ; T0 est la température constante 293 K ;est le débit volumique calculé à partir du débit massique mesuré, de la température mesurée ou modélisée et de la pression absolue mesurée ou modélisée dans le filtre à particules. Cela se fait à l’aide de l’équation d’état thermique des gaz idéaux qui est également souvent appelée équation des gaz :

Dans cette formule, R représente la constante spécifique des gaz. Cette valeur est considérée comme constante. ρ est la densité des gaz d’échappement, νρV=m entraîne pour une densité constante ρ=. Cette équation ainsi que l’équation d’état des gaz parfaits permettent d’écrire la pression différentielle comme suit :

Ce modèle alternatif a l’avantage de tenir compte non seulement du débit volumique, mais également en plus, de la pression et de la température dans le filtre à particules selon le modèle.

Ains, la pression p dans le filtre à particules se détermine à l’aide de la pression différentielle et de la pression pDS selon le filtre à particules par la formule suivante :

P= pDS +0,5Δp

La pression pDS après le filtre à particules est modélisée en fonction du débit volumique. Comme variante, la pression pDS après le filtre à particules est considérée comme égale à la pression ambiante penv de sorte que l’on a pDS - penv=Δpmuf. Δpmuf est la chute de pression dans l’atténuateur de bruit, elle est comparée aux pressions absolues pDS et penv ; cette valeur est très petite.

Par approximation, on a la formule 7 suivante :

Selon une autre forme de réalisation préférentielle, on détermine en au moins trois points de fonctionnement du moteur à combustion interne, le débit volumique, la pression différentielle, la température dans le filtre à particules et le débit volumique à travers le filtre à particules. Comme le débit massique, la pression différentielle Δp, la température T et le débit volumiquese mesurent, se modélisent ou se calculent à partir d’autres grandeurs et sont ainsi connus, on peut déterminer les coefficients A et B ainsi que la valeur de décalage C en déterminant ces grandeurs en au moins trois points de fonctionnement différents du moteur à combustion interne. On obtient un système d’équations qui se résout, par exemple, par le procédé des moindres carrés.

Pour un nouveau filtre, on applique ce procédé en production à la fin de la chaîne de montage. De cette manière, on tient compte de la dispersion des paramètres A et B propres à chaque filtre et on enregistre les valeurs apprises dans une mémoire fixe. Lorsque les coefficients A, B, C sont déterminés, on obtient la pression différentielle pour chaque fonctionnement à l’aide du modèle.

Selon une autre forme de réalisation préférentielle, pour une pression différentielle prédéfinie, maximale autorisée, à l’aide du modèle résolu de la pression différentielle, on détermine un débit volumique maximum autorisé.

Ce débit volumique maximum autorisé se calcule, par exemple, en application de la formule 8 suivante :

Le débit volumique maximum autorisé ainsi calculé peut se régler ensuite par des moyens propres au moteur.

On arrive ainsi avantageusement à protéger les composants du filtre à particules.

La valeur du débit volumique maximum autorisé peut présenter des écarts car pour la pression p et la température T dans le filtre, on a les valeurs actuelles et non pas les valeurs utilisées au moment du débit volumique maximum. Comme le débit volumique maximum se détermine néanmoins en continu, on peut, pour chaque calcul, tenir compte de la température actualisée et de la pression actualisée, ce qui réduit les écarts.

En outre, le modèle de pression peut être utilisé pour appliquer la fonction de régulation optimisant le filtrage par le filtre à particules.

Le programme d’ordinateur est conçu pour exécuter chaque étape du procédé, notamment lorsqu’il est exécuté par un appareil de commande électronique ou un appareil de calcul. Cela permet d’implémenter le procédé dans un appareil de commande usuel sans avoir à faire des modifications constructives. Le programme d’ordinateur est enregistré sur un support de mémoire, lisible par une machine. L’exécution du programme sur un appareil de commande électronique usuel utilise l’appareil de commande électronique déjà conçu pour exécuter un procédé de gestion d’un filtre à particules dans un système de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne.

Présentation des dessins

La présente invention sera décrite ci-après, à l'aide d'un exemple de procédé de gestion d’un filtre à particules équipant un système de post-traitement des gaz d’échappement représenté dans les dessins annexés dans lesquels :

représentation schématique d’un moteur à combustion interne équipé d’un filtre à particules appliquant le procédé selon un exemple de réalisation de l’invention,

ordinogramme schématique du procédé selon un exemple de réalisation de l’invention,

formation de la moyenne des mesures de la pression différentielle et du débit volumique en utilisant des intervalles de débit volumique selon un exemple de réalisation de l’invention et,

représentation de l’amélioration de la qualité du modèle par un grand nombre de valeurs de mesure, en moyenne,

représentation de l’augmentation de la qualité du modèle par un grand nombre de valeurs de mesure en moyenne.

Description du mode de réalisation de l’invention

La figure 1 montre un filtre à particules 210 installé en aval d’un moteur à combustion interne 200. La pression différentielle (encore appelée différence de pression) Δp dans le filtre à particules 210 permet de modéliser une fonction 220.

La figure 2 montre un procédé 100 de gestion du filtre à particules 210 équipant un système de post-traitement des gaz d’échappement du moteur à combustion 200 et qui détermine notamment la valeur de décalage du modèle de pression différentielle pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne.

Dans une première étape 105, on demande s’il faut choisir entre un premier et un second modèle de pression différentielle.

Si le premier modèle de pression différentielle est choisi, le procédé se poursuit par l’étape 111 ; si le second modèle de pression différentielle est choisi, le procédé se poursuit par l’étape 116.

Dans l’étape 111 on établit un modèle de pression différentielle qui donne la pression différentielle mesurée dans le filtre à particules 210 en fonction du débit volumique à travers le filtre à particules 210 modélisé avec une valeur de décalage a0 ; la fonction 220 de la pression différentielle Δp est un polynôme d’ordre n du débit volumique selon la formule 4.

Dans l’étape 121 suivante, on mesure plusieurs valeurs de la pression différentielle p pour différents débits volumiques

Dans l’étape 131 suivante on résout ce modèle de pression différentielle ou le système d’équations. Ainsi, on détermine également la valeur de décalage a0.

Après l’étape 131, on détermine dans l’étape 138, le débit volumique maximum autorisé pour une pression différentielle Δpmax maximale autorisée, prédéfinie, à l’aide de la résolution du modèle de pression différentielle, La commande du moteur garantit que l’on ne dépasse pas ce débit volumique maximum autorisé

Dans l’étape 138, le procédé revient à l’étape 121 ; on mesure alors plusieurs valeurs de la pression différentielle Δp pour différents débits volumiques. Ces nouvelles mesures sont mises en moyenne pour la pression différentielle Δp pour différents débits volumiquesavec les valeurs de mesure déterminées au préalable. En outre, on résout ainsi par récurrence le modèle de pression différentielle. On détermine également par itération le débit volumique maximum autorisémax.

Dans l’étape 116 on établit le modèle de pression différentielle qui modélise la pression différentielle mesurée (différence de pression mesurée) dans le filtre à particules 210 comme fonction du débit volumiquedans le filtre à particules 210 avec une valeur de décalage C ; la fonction 220 de la pression différentielle Δp est donnée par la formule 5. On modélise ainsi la pression différentielle Δp en fonction du débit volumique, de la pression p et de la température T dans le filtre à particules.

Dans l’étape 126 suivante, on mesure en six points de fonctionnement différents du moteur à combustion interne 200, le débit volumique, la pression différentielle Δp, la température T dans le filtre à particules 210 et le débit massiquetraversant le filtre à particules 210.

Dans l’étape 136 suivante on détermine le modèle de pression différentielle, c’est-à-dire que l’on résout le système d’équations. A ce moment on détermine également la valeur de décalage C.

Après l’étape 136, on passe à l’étape 138 pour déterminer la pression différentielle maximale autorisée prédéfinie Δpmax à l’aide du modèle résolu de pression différentielle, en déterminant un débit volumique maximum autorisémax. La commande du moteur garantit que le débit volumique maximum autorisémax ne sera pas dépassé.

Après l’étape 138, le procédé revient à l’étape 126. On mesure alors de nouveau plusieurs valeurs de la pression différentielle Δp pour différents débits volumiques. On fait la moyenne des nouvelles mesures de la pression différentielle Δp pour différents débits volumiquesavec les valeurs de mesure préalablement obtenues. En outre, on résout par récurrence le modèle de pression différentielle. On détermine également par itération le débit volumique maximum autorisémax.

La figure 3 montre les points de mesure de la pression différentielle Δp mesurée dans le filtre à particules 10 en fonction du débit volumique mesuré. La pression différentielle Δp est mesurée en Hectopascal (hPa) et le débit volumiqueest mesuré en (m3/h). La figure 3 définit trois intervalles de débit volumique 230. Si un débit volumique mesurése situe dans l’un des trois intervalles de débit volumique 230, on tient compte de la pression différentielle Δp du débit volumiquepour former la valeur moyenne de l’intervalle de débit volumique 230 correspondant. Dès qu’un nombre minimum de valeurs de mesure dans un intervalle de débit volumique 230 a été saisi, cette valeur moyenne sera considérée comme valable et pourra être utilisée pour déterminer les coefficients. Pour les trois intervalles de débit volumique 230 on a indiqué trois valeurs moyennes valables 240 par lesquelles passe la courbe adaptée 250 de la fonction 220 de ce premier modèle de pression différentielle.

Les figures 4 et 5 montrent tout comme la figure 3 des points de mesure pour la pression différentielle Δp mesurée dans le filtre à particules 10, comme fonction du débit volumique mesuré. La figure 4 montre le cas de la courbe adaptée 250 qui passe uniquement par les trois valeurs moyennes 240 alors que la figure 5 montre quatre valeurs moyennes 240. Il apparaît clairement que la courbe adaptée 250 de la figure 5 est mieux adaptée aux valeurs de mesure 245 que la courbe de la figure 4.

Claims

Procédé (100) de gestion d’un filtre à particules d’un système de post-traitement de gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne (200) consistant à :
établir (111, 116) un modèle de différence de pression qui modélise la pression différentielle (Δp) de part et d’autre du filtre à particules (210) comme fonction (220) du débit volumiquedans le filtre à particules (210) avec une valeur de décalage (a0, C),
mesurer (120) plusieurs valeurs (245) pour la pression différentielle (Δp) pour différents débits volumiqueset
résoudre (130) le modèle de différence de pression selon la pression différentielle (Δp) pour déterminer également la valeur de décalage (a0, C).
Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction (220) de la pression différentielle (Δp) est un polynôme d’ordre n.
Procédé (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’on mesure au moins n valeurs (245) pour la pression différentielle (Δp) pour différents débits volumiques.
Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modèle de pression différentielle est résolu par récurrence.
Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on fait la moyenne d’au moins deux mesures pour la pression différentielle (Δp).
Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’en établissant (110) le modèle de pression différentielle, on modélise la pression différentielle (Δp) sur le filtre à particules (210) comme fonction du débit volumique, de la pression (p) et de la température (T) dans le filtre à particules (210).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction (220) de la pression différentielle (Δp) est modélisée dans l’équation suivante :

dans laquelle (Δp) est la pression différentielle (Δp), et A, B, C sont des coefficients, le coefficient C étant la valeur de décalage, T étant la température dans le filtre à particules (210),étant le débit volumique dans le filtre à particules (210), ρ étant la densité des gaz d’échappement et ν étant un exposant constant.
Procédé (100) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu’en au moins trois points de fonctionnement différents du moteur à combustion (200), on détermine le débit volumique, la différence de pression (Δp), la température (T) dans le filtre à particules (210) et le débit massique ( ) à travers le filtre à particules (210).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour une pression différentielle prédéfinie, maximale, autorisée (Δpmax), on détermine un débit volumique maximum autoriséà l’aide de la résolution du modèle de pression différentielle.
Programme d’ordinateur conçu pour exécuter toutes les étapes du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 sur un support de mémoire lisible par une machine et lisible pour un appareil de commande électronique pour exécuter les étapes du procédé.