WO2008050051A1 - Procede de controle de la temperature des gaz dans un circuit d'echappement de moteur a combustion interne - Google Patents

Procede de controle de la temperature des gaz dans un circuit d'echappement de moteur a combustion interne Download PDF

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WO2008050051A1
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exhaust
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Pascal Barrillon
Emmanuel Poilane
Catherine Goubault
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Renault S.A.S
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the temperature of the gases in an exhaust system of an internal combustion engine and also covers a device for implementing the method.
  • Such a catalyst must be regenerated periodically by exploiting the engine in a rich regime for a certain time in order to decompose the nitrates by releasing
  • the exhaust system normally comprises a particle filter, for example catalytic, whose inner wall is covered with a layer of impregnated material of precious metals, called "Wash Coat", providing an oxidation function intended to reduce the combustion temperature of the soot particles.
  • a particle filter for example catalytic, whose inner wall is covered with a layer of impregnated material of precious metals, called “Wash Coat", providing an oxidation function intended to reduce the combustion temperature of the soot particles.
  • This rise in temperature can be obtained by degrading the motor efficiency by appropriate means of regeneration aid.
  • the invention provides a solution to such problems through a method for controlling the temperature of the gases in an exhaust circuit of an internal combustion engine and, in particular, to control the output thermal power for a first system post-treatment type oxidation catalyst or NO x -Trap in a temperature window close to the maximum temperature of use avoiding, in particular, possible temperature peaks.
  • such a control can be performed from a measurement of the internal temperature of the catalyst by means of sensors placed inside thereof.
  • the implantation of a sensor within the catalyst is difficult and presents risks for the integrity of the monolith constituting the catalyst. It is therefore preferable to place the temperature sensor downstream of the catalyst, the management of the thermal output of the first post-processing system being ensured, in a control system called "by state feedback" from a measurement of the temperature of the gases leaving this system.
  • a control system called "by state feedback" from a measurement of the temperature of the gases leaving this system.
  • the response of such a system is slow and very delayed and, moreover, very sensitive to changes in the inertia of the monoliths caused by variations in the temperature of the gases at the inlet of the post-treatment system and / or variations in their flow.
  • the temporal characteristics of the response of such a process to the control step limit the performance of a feedback control in terms of setpoint tracking and it may be impossible to avoid overruns. the maximum permissible temperature.
  • the process because of the sensitivity of the process to changes in operating conditions, it will be very difficult to achieve a fairly stable control over the entire operating field of the engine without describing its parameters for each of the operating conditions, which means that is inadmissible in terms of memory space dedicated to this function.
  • the subject of the invention is a new control method allowing regulation of the internal thermal of the catalyst without depend on the conditions of observation of the state of the system for the development of the appropriate command.
  • the invention therefore relates to the control of the internal temperature of a post-treatment member placed in an exhaust circuit of an internal combustion engine, at least some pollutants contained in the exhaust gas. exhaust of the engine being stored, in normal operating phases, in at least one post-treatment unit which is alternatively subjected to regeneration phases to remove stored pollutants, by raising and maintaining the temperature in the post organ treatment in the vicinity of a setpoint temperature.
  • the value of the desired power required to obtain the set temperature in the post-treatment unit taking into account the losses and, on the other hand, the input heat output provided by the gases in the post-treatment unit, which corresponds to the sum of their direct heating power due to their temperature, and their potential exothermic reaction power in the post-treatment unit, and the composition of said exhaust gas, before entering the post-processing unit, so as to compensate for the difference thus determined in advance between the incoming power and the target power by a corresponding modification of the potential power of reaction exoth ermique.
  • the target power is determined from a measurement of the temperature of the gases at the outlet of the post-treatment unit, their flow rate and their heat capacity.
  • the relative proportions of reducing agents and oxidants in the exhaust gases are adjusted in order to modify the desired value of the potential power of the exothermic reaction. oxidation of the reducing agents in the post-treatment unit.
  • the proportion of reducing agents in the exhaust gas is adjusted by a post-injection of a controlled flow rate of fuel, either in at least one combustion chamber of the engine, or directly in the exhaust system. upstream of the post-processing unit.
  • a control unit determines the estimated values of the necessary reference power and the incoming thermal power supplied by the gases and a signal corresponding to the difference thus calculated is displayed on a control unit of a post flow. fuel injection for adjusting the potential power of exothermic reaction of the gases in the post-treatment unit.
  • the control unit takes into account the variation of internal energy of the fuel. post-treatment unit due to the change to the set temperature.
  • the instantaneous value of this variation of internal energy of the post-treatment unit is calculated taking into account its mass, its heat capacity and the temperature difference to be compensated.
  • Figure 1 is a general diagram of the intake and exhaust circuits of a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Figure 2 is a diagram of an exhaust circuit equipped with post-processing systems.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of variation, over time, of the flow of the exhaust gases according to the engine speed and the corresponding variation of the incoming thermal power and the necessary reference power.
  • Figure 4 is a diagram of a temperature control system for implementing the method.
  • Figure 5 is a diagram of a more advanced control system, proportional and integral control.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a conventional arrangement of the intake and exhaust circuits 2 connected to a combustion chamber 10 of an engine into which an injector 11 flows.
  • FIG. 1 shows other well-known arrangements which can, moreover, be the subject of multiple variants and do not require a detailed description.
  • an output circuit 20 which, to reduce pollution, comprises at least one post-processing member 21.
  • This post-treatment unit usually of the oxidation catalyst or NO x -Trap type, makes it possible to retain and store the nitrogen oxides contained in the exhaust gas and is usually associated with a particulate filter which retains in the form of soot, the particles contained in the gases.
  • the exhaust circuit 2 of an internal combustion engine 1 1 usually comprises, downstream of the turbine 13, a first post-treatment member 21 of the oxidation catalyst type and a second member 22 such as a particulate filter, the gases thus cleaned up being discharged into the atmosphere by an evacuation circuit 23.
  • the pollutants accumulated, in normal operation, in the two after-treatment members 21, 22 are removed in regeneration phases, generally by raising the temperature of the gases by adjusting the engine in a rich mixture.
  • the injector January 1 is controlled, usually by a control unit receiving the information transmitted by various sensors and associated with a model that periodically controls the passage to the regeneration phase and the maintenance of the desired temperature level desired .
  • the temperature T e and the flow rate Q eCh of the exhaust gases measured, for example, by sensors 31 placed upstream or downstream of the turbine 13, vary at each instant as a function of the engine speed controlled by the driver. .
  • curve 3 shows the possible evolution, over time, of the exhaust gas flow rate, which varies according to the engine demand, that is to say from the position of the acceleration pedal and gear engaged on the gearbox.
  • the exhaust gases leaving via the pipe 20 ' have the same flow rate Q eCh and their temperature T 3 which can be measured by a sensor 15, corresponds to the internal temperature of the catalyst 21.
  • the problem of the invention is therefore to maintain this temperature T 3 , throughout the duration of the regeneration phase, in the vicinity of a set temperature for which the operation of the catalyst is optimal but which must not be exceeded to avoid deterioration of the catalyst.
  • the outgoing thermal power is equal to:
  • the principle of thermal management is to provide in the catalyst 21 an average input thermal power substantially equal to the outgoing thermal power, that is to say, the power discharged to the desired set temperature.
  • This incoming thermal power consists, on the one hand, of the thermal power supplied directly by the heat of the gases because of their temperature Te and their flow rate Q eC h and, on the other hand, of the potential power provided indirectly by the exothermic reaction capacity of the oxygen masses or reductants present in the exhaust gas and which react partially or totally in the catalyst.
  • This exothermic reaction provides, in effect, additional energy W exo which is added to the direct heating power of the gases to raise the temperature in the catalyst.
  • This input thermal power can therefore be calculated from a measurement, an estimation or the modeling of the temperature T e and the flow rate Q eCh of the gases in the pipe 20, at the inlet of the catalyst 21, as well as of their composition, in particular oxygen or reducing emissions, which make it possible to determine their heat capacity C p and the potential power of exothermic reaction W exo .
  • the curves 3 and 31 give, respectively, an example of evolution over time, as a function of the engine speed, the gas flow rate Q eC h and the incoming power W e .
  • Curve 32 indicates the corresponding change in the reference power W c that the gases should bring to obtain the outgoing power W 3 which corresponds to the set temperature, taking into account the losses W p according to the equation:
  • the idea of the invention therefore consists in controlling the potential energy W exo that can be produced by the exothermic oxidation reaction of the reducing agents inside the catalyst 21, so as to supply the gases entering the catalyst with the addition of energy required to obtain the target temperature to be reached in the catalyst.
  • the composition of the exhaust gas, before entering the catalyst is adjusted in order to modify the potential power of the exothermic reaction of the value necessary for the incoming power to be equal to the desired power to obtain the desired temperature.
  • control unit can advantageously act on the fuel injection post-injection rate.
  • control unit may comprise a calculation block 4 of the incoming power W e which receives, on its inputs 41, 42, signals respectively corresponding to the temperature T e and at the flow rate Q ech gas measured, for example, by sensors 31 and, on its input 43, a signal corresponding to the potential power of exothermic reaction that can be estimated or calculated taking into account the composition of the gases.
  • a calculation block 5 determines the desired power W c needed to obtain the desired setpoint temperature, based on the information displayed on its inputs 51, 52, 53 relating to the set temperature T 3 , the gas flow rate Q ech and the energy loss W p in the catalyst, which can be estimated or determined by modeling.
  • the signals corresponding to the incoming power W e and to the reference power W c , which are emitted at the outputs 44, 54 of the calculation blocks 4, 5 are displayed on a comparator 45 which emits a signal corresponding to the difference ⁇ w at the input 61 of a calculation block 6 which determines the correction to be made to the potential power of the exothermic reaction corresponding to the engine speed at the instant considered, in order to compensate for the calculated power difference ⁇ w so as to determine the potential exothermic power W ' eX o to obtain, in the catalyst 21, the desired thermal power W c according to the equation:
  • the calculation block 6 thus emits, at its output 62, a signal corresponding to this desired exothermic power.
  • This signal is displayed on the control system 7 of the injector 1 1 which continuously adapts the post-injection flow rate in order to bring the missing power ⁇ w thus determined by anticipation, based on an estimate of the instantaneous thermal powers. . It is thus possible to maintain, at each instant, the temperature in the catalyst 21 at an optimum value by avoiding temperature peaks.
  • the invention is not limited to the details of the embodiment which has just been described as a simple example but covers, on the contrary, all the variants remaining in the same protective frame.
  • an injector in the circuit d 20, upstream of the post-processing member 21, so that the release of heat on the catalyst, by oxidation of the additional flow rate of reducers, completes the energy flow brought by the exhaust at the outlet of the engine 1 1.
  • a second control term taking into account the internal temperature (s) of the monolith, these temperatures being able to be measured by means of sensors or determined using a thermal model.
  • a system shown diagrammatically in FIG. 5, also comprises calculation blocks 4 and 5 for respectively determining the incoming power W e and the desired power W c and deriving the missing power ⁇ w .
  • C (T) the heat capacity of the substrate which depends on the temperature and ⁇ T the difference between the set temperature and the temperature of the catalyst at the instant considered. , which is given by the thermal model.
  • the signal corresponding to this delta of the internal energy is displayed at the input 63 of the calculation block 6 which, as previously, receives on its input 61 the signal ⁇ w corresponding to the difference between the power W e and the power of setpoint W c .
  • the calculation block 6 can thus calculate the instantaneous thermal power delta with respect to the difference between the target power and the incoming power, taking into account the delta of the internal energy resulting from the monolith temperature model, according to the equation :
  • the device 7 for controlling the injector 1 1 can adapt the post-injection flow rate so that the modified exothermic reaction power W ' e ⁇ 0 thus obtained makes it possible, by compensating for the missing power ⁇ w, to obtain the power setpoint necessary to achieve, in the catalyst, the desired desired temperature.
  • the control of the temperature at the outlet of the catalyst also makes it possible to optimally perform the regeneration, by combustion of the soot, of the particulate filter 22.
  • the invention could also be adapted to other regeneration systems, such as the desulphatation of a NO x -Trap catalyst or a 4-way system placed downstream of the oxidation catalyst, and would also make it possible to optimize the adsorption efficiency of the oxides of nitrogen in the catalyst or a 4-way system, as well as the efficiency of their treatment on a SCR type system.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de contrôle de la température interne d'un catalyseur dans le circuit d'échappement (2) d'un moteur (10), dans lequel le catalyseur (21 ) est soumis périodiquement à des phases de régénération par élévation de la température des gaz à une température de consigne. Selon l'invention, à partir de la température (Te) et du débit (QeCh) des gaz, et compte tenu de leur composition, on détermine la puissance de consigne Wc nécessaire à l'obtention de la température de consigne T3 et la puissance entrante We correspondant à la somme de la puissance de chauffage direct due à la température Te des gaz et de leur puissance potentielle de réaction exothermique Wexo dans le catalyseur (21 ) et l'on ajuste la composition des gaz avant l'entrée dans le catalyseur (21) de façon à compenser la différence entre la puissance entrante We par une modification correspondante de la puissance potentielle de réaction exothermique.

Description

Procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit d'échappement de moteur à combustion interne
L'invention a pour objet un procédé de contrôle de la température des gaz dans un circuit d'échappement de moteur à combustion interne et couvre également un dispositif pour la mise en œuvre du procédé.
On sait qu'il est nécessaire de réduire la pollution produite par les moteurs à combustion interne. Pour diminuer les émissions de polluants, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre.
En particulier, pour réduire les émissions d'oxydes d'azote NOx dans un mélange globalement oxydant tel que les gaz d'échappement d'un moteur en mélange pauvre, on dispose habituellement, dans le système d'épuration, un catalyseur comportant un moyen d'accumulation des oxydes d'azote dénommé "NOx-
Trap" qui est intégré dans la ligne d'échappement et dans lequel sont piégés les oxydes d'azote émis pendant le fonctionnement normal du moteur en mélange pauvre. Le fonctionnement d'un tel catalyseur d'accumulation d'oxydes d'azote est décrit en détail, par exemple, dans le document EP-A-O 580 389.
Un tel catalyseur doit être régénéré périodiquement en exploitant le moteur en régime riche pendant un certain temps afin de décomposer les nitrates en libérant du
NOx qui est alors réduit en azote par les réducteurs tels que H2, HC, et CO contenus dans les gaz d'échappement, de la façon décrite dans le document cité plus haut. De même, pour éliminer les particules de suies présentes dans les gaz d'échappement, le circuit d'échappement comporte, normalement, un filtre à particules, par exemple catalytique, dont la paroi intérieure est recouverte d'une couche d'un matériau imprégné de métaux précieux, appelée "Wash Coat", assurant une fonction d'oxydation destinée à diminuer la température de combustion des particules de suies.
Pour éviter le colmatage d'un tel filtre à particules par les suies, il est nécessaire de procéder périodiquement à une régénération qui consiste à brûler les suies en élevant la température des gaz d'échappement aux environs de 6000C.
Cette élévation de température peut être obtenue en dégradant le rendement moteur par des moyens appropriés d'aide à la régénération.
Pour optimiser le traitement de l'ensemble des polluants, il est nécessaire de gérer au mieux les phases de stockage et de régénération des organes de post-traitement en maîtrisant, autant que possible, la puissance thermique développée au sein de ces pièges afin d'optimiser la combustion des suies dans le cas du filtre à particules et le chargement ou la réduction des oxydes d'azote dans le cas du piège à NOx ou NOx-Trap. En effet, ces réactions de combustion, d'oxydation, d'adsorption ou de réduction sont directement dépendantes de la température du support de ces pièges et des gaz qui les traversent.
L'invention apporte une solution à de tels problèmes grâce à un procédé permettant de contrôler la température des gaz dans un circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne et, en particulier, de contrôler la puissance thermique en sortie pour un premier système de post-traitement de type catalyseur d'oxydation ou NOx-Trap dans une fenêtre de température proche de la température maximale d'utilisation en évitant, notamment, d'éventuels pics de température.
De façon connue, un tel contrôle peut être réalisé à partir d'une mesure de la température interne du catalyseur au moyen de capteurs placés à l'intérieur de celui- ci.
Cependant, l'implantation d'un capteur au sein du catalyseur est difficile et présente des risques pour l'intégrité du monolithe constituant le catalyseur. Il est donc préférable de placer le capteur de température en aval du catalyseur, la gestion de la thermique en sortie du premier système de post-traitement étant assurée, dans un système de contrôle dit "par retour d'état" à partir d'une mesure de la température des gaz en sortie de ce système. Toutefois, la réponse d'un tel système est lente et très retardée et, par ailleurs, très sensible aux changements d'inertie des monolithes occasionnés par des variations de la température des gaz à l'entrée du système de post-traitement et/ou des variations de leur débit. De ce fait, les caractéristiques temporelles de la réponse d'un tel procédé à l'échelon de commande limitent les performances d'un contrôle par retour d'état en termes de suivi de consignes et il peut être impossible d'éviter des dépassements de la température maximale admissible. De plus, en raison de la sensibilité du procédé aux changements de conditions de fonctionnement, il sera très difficile de réaliser un contrôle assez stable sur l'ensemble du champ de fonctionnement du moteur sans décrire ses paramètres pour chacune des conditions de fonctionnement, ce qui est inadmissible en termes d'espace-mémoire dédié à cette fonction.
Pour éviter ces inconvénients, l'invention a pour objet un nouveau procédé de contrôle permettant une régulation de la thermique interne du catalyseur sans dépendre des conditions d'observation de l'état du système pour l'élaboration de la commande adéquate.
D'une façon générale, l'invention concerne donc le contrôle de la température interne d'un organe de post-traitement placé dans un circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne, au moins certains polluants contenus dans les gaz d'échappement du moteur étant stockés, dans des phases de fonctionnement normal, dans au moins un organe de post-traitement qui est alternativement soumis à des phases de régénération pour éliminer les polluants stockés, par élévation et maintien de la température dans l'organe de post-traitement au voisinage d'une température dé consigne.
Conformément à l'invention, à partir d'une mesure ou d'une estimation du débit et de la température des gaz d'échappement avant l'entrée dans l'organe de post-traitement et compte tenu de leur composition, on détermine, d'une part, la valeur de la puissance de consigne nécessaire à l'obtention de la température de consigne dans l'organe de post-traitement, compte tenu des pertes et, d'autre part, la puissance calorifique entrante apportée par les gaz dans l'organe de post-traitement, qui correspond à la somme de leur puissance de chauffage direct due à leur température, et de leur puissance potentielle de réaction exothermique dans l'organe de post-traitement, et l'on ajuste la composition desdits gaz d'échappement, avant l'entrée dans l'organe de post-traitement, de façon à compenser la différence ainsi déterminée à l'avance entre la puissance entrante et la puissance de consigne par une modification correspondante de la puissance potentielle de réaction exothermique.
De préférence, la puissance de consigne est déterminée à partir d'une mesure de la température des gaz à la sortie de l'organe de post-traitement, de leur débit et de leur capacité calorifique.
De façon particulièrement avantageuse, pour compenser la différence entre la puissance entrante et la puissance de consigne, on ajuste les proportions relatives de réducteurs et d'oxydants dans les gaz d'échappement afin de modifier de la valeur voulue la puissance potentielle de réaction exothermique d'oxydation des réducteurs dans l'organe de post-traitement.
Selon une autre caractéristique préférentielle, la proportion de réducteurs dans les gaz d'échappement est ajustée par une post-injection d'un débit contrôlé de carburant, soit dans au moins une chambre de combustion du moteur, soit directement dans le circuit d'échappement, en amont de l'organe de post-traitement. A cet effet, une unité de contrôle détermine les valeurs estimées de la puissance de consigne nécessaire et de la puissance thermique entrante apportée par les gaz et un signal correspondant à la différence ainsi calculée est affiché sur une unité de commande d'un débit de post-injection de carburant permettant d'ajuster la puissance potentielle de réaction exothermique des gaz dans l'organe de post-traitement.
Dans un mode de réalisation plus perfectionné, pour déterminer le débit de post-injection du carburant permettant de compenser la différence entre la puissance de consigne et la puissance thermique entrante, l'unité de contrôle prend en compte la variation d'énergie interne de l'organe de post-traitement due au passage à la température de consigne. A cet effet, la valeur instantanée de cette variation d'énergie interne de l'organe de post-traitement est calculée en tenant compte de sa masse, de sa capacité calorifique et de la différence de température à compenser.
D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront dans la description suivante de certains modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexés.
La figure 1 est un schéma général des circuits d'admission et d'échappement d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne.
La figure 2 est un schéma d'un circuit d'échappement équipé de systèmes de post-traitement.
La figure 3 est un diagramme montrant un exemple de variation, au cours du temps, du débit des gaz d'échappement selon le régime du moteur et la variation correspondante de la puissance thermique entrante et de la puissance de consigne nécessaire. La figure 4 est un schéma d'un système de contrôle de température pour la mise en œuvre du procédé.
La figure 5 est un schéma d'un système de contrôle plus perfectionné, à commande proportionnelle et intégrale.
Sur la figure 1 , on a représenté schématiquement une disposition classique des circuits d'admission 1 et d'échappement 2 reliés à une chambre de combustion 10 d'un moteur dans laquelle débouche un injecteur 1 1 .
De façon classique, une partie des gaz d'échappement est renvoyée dans le circuit d'admission 1 par un circuit de recyclage 12, la plus grande partie des gaz d'échappement passant d'abord par une turbine 13 à géométrie variable qui entraîne un compresseur 14 de l'air d'admission. Le schéma de la figure 1 montre d'autres dispositions bien connues qui peuvent, d'ailleurs, faire l'objet de multiples variantes et ne nécessitent pas une description détaillée.
A la sortie de la turbine, les gaz d'échappement sont renvoyés à l'atmosphère par un circuit de sortie 20 qui, pour réduire la pollution, comporte au moins un organe de post-traitement 21 .
Cet organe de post-traitement, habituellement du type catalyseur d'oxydation ou NOx-Trap permet de retenir et de stocker les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et est associé, habituellement, à un filtre à particules qui retient, sous forme de suies, les particules contenues dans les gaz.
Ainsi, comme le montre schématiquement la figure 2, le circuit d'échappement 2 d'un moteur à combustion interne 1 1 comporte habituellement, en aval de la turbine 13, un premier organe de post-traitement 21 du type catalyseur d'oxydation et un second organe 22 tel qu'un filtre à particules, les gaz ainsi dépollués étant rejetés à l'atmosphère par un circuit d'évacuation 23.
De façon classique, les polluants accumulés, en fonctionnement normal, dans les deux organes de post-traitement 21 , 22, sont éliminés dans des phases de régénération, généralement en élevant la température des gaz par réglage du moteur en mélange riche. Pour cela, l'injecteur 1 1 est piloté, habituellement, par une unité de contrôle recevant les informations transmises par divers capteurs et associée à un modèle qui commande périodiquement le passage en phase de régénération et le maintien de la température au niveau de consigne souhaité.
Cependant, la température Te et le débit QeCh des gaz d'échappement mesurés, par exemple, par des capteurs 31 placés en amont ou en aval de la turbine 13, varient à chaque instant en fonction du régime du moteur commandé par le conducteur.
Par exemple, sur le diagramme de la figure 3, la courbe 3 montre l'évolution possible, au cours du temps, du débit des gaz d'échappement qui varie en fonction du régime demandé au moteur, c'est-à-dire de la position de la pédale d'accélération et du rapport engagé sur la boîte de vitesses.
On connaît également, par mesure, estimation ou modélisation, la composition des gaz d'échappement et l'on peut donc en déduire leur capacité calorifique Cp.
Après avoir traversé le catalyseur 21 , les gaz d'échappement qui sortent par la conduite 20' ont le même débit QeCh et leur température T3 qui peut être mesurée par un capteur 15, correspond à la température interne du catalyseur 21 . Le problème de l'invention est donc de maintenir cette température T3, pendant toute la durée de la phase de régénération, au voisinage d'une température de consigne pour laquelle le fonctionnement du catalyseur est optimal mais qui ne doit pas être dépassée pour éviter une détérioration du catalyseur.
La puissance thermique sortante, exprimée en joule par seconde, est égale à :
Ws = Ts * Qech * Cp (1 )
Le principe de la gestion thermique consiste à apporter dans le catalyseur 21 une puissance thermique entrante moyenne sensiblement égale à cette puissance thermique sortante, c'est-à-dire à la puissance évacuée à la température de consigne désirée. Cette puissance thermique entrante est constituée, d'une part, de la puissance thermique apportée directement par la chaleur des gaz en raison de leur température Te et de leur débit QeCh et, d'autre part, de la puissance potentielle apportée indirectement par la capacité de réaction exothermique des masses d'oxygène ou de réducteurs présents dans les gaz d'échappement et qui réagissent partiellement ou totalement dans le catalyseur. Cette réaction exothermique fournit, en effet, un complément d'énergie Wexo qui s'ajoute à la puissance de chauffage direct des gaz pour élever la température dans le catalyseur.
La puissance entrante We, exprimée en J/s, peut donc s'écrire :
We = Te * Qech * Cp + Wexo (2)
Cette puissance thermique entrante peut donc être calculée à partir d'une mesure, d'une estimation ou de la modélisation de la température Te et du débit QeCh des gaz dans la conduite 20, à l'entrée du catalyseur 21 , ainsi que de leur composition, en particulier des émissions d'oxygène ou de réducteurs, qui permettent de déterminer leur capacité calorifique Cp et la puissance potentielle de réaction exothermique Wexo.
De même, il est possible d'estimer ou de déterminer par modélisation les pertes thermiques éventuelles Wp dans le catalyseur 21 . Sur le diagramme de la figure 3, les courbes 3 et 31 donnent, respectivement, un exemple d'évolution au cours du temps, en fonction du régime du moteur, du débit de gaz QeCh et de la puissance entrante We.
La courbe 32 indique l'évolution correspondante de la puissance de consigne Wc que les gaz devraient apporter pour obtenir la puissance sortante W3 qui correspond à la température de consigne, compte tenu des pertes Wp selon l'équation :
Wc = Ws +Wp (3)
Compte tenu du régime du moteur, il existe donc, à chaque instant, une différence qui doit être compensée :
Δw = Wc - We (4)
entre la puissance entrante apportée par les gaz et la puissance de consigne, cette différence pouvant varier à chaque instant.
L'idée de l'invention consiste donc à piloter l'énergie potentielle Wexo que peut produire la réaction exothermique d'oxydation des réducteurs à l'intérieur du catalyseur 21 , de façon à apporter aux gaz entrant dans le catalyseur le complément d'énergie nécessaire pour obtenir la température de consigne qu'il faut atteindre dans le catalyseur. Pour cela, la composition des gaz d'échappement, avant leur entrée dans le catalyseur, est ajustée afin de modifier la puissance potentielle de réaction exothermique de la valeur nécessaire pour que la puissance entrante soit égale à la puissance de consigne permettant d'obtenir la température souhaitée.
Pour réaliser cet ajustement de la composition des gaz réducteurs, l'unité de contrôle peut avantageusement agir sur le débit de post-injection de carburant.
A cet effet, comme le montre schématiquement la figure 4, l'unité de contrôle peut comporter un bloc de calcul 4 de la puissance entrante We qui reçoit, sur ses entrées 41 , 42, des signaux correspondant respectivement à la température Te et au débit Qech des gaz mesurés, par exemple, par des capteurs 31 et, sur son entrée 43, un signal correspondant à la puissance potentielle de réaction exothermique qui peut être estimée ou calculée en tenant compte de la composition des gaz.
Un bloc de calcul 5 détermine la puissance de consigne Wc nécessaire pour obtenir la température de consigne souhaitée, à partir des informations affichées sur ses entrées 51 , 52, 53, relatives à la température de consigne T3, au débit des gaz Qech et à la perte d'énergie Wp dans le catalyseur, qui peut être estimée ou déterminée par modélisation.
Les signaux correspondant à la puissance entrante We et à la puissance de consigne Wc, qui sont émis aux sorties 44, 54 des blocs de calcul 4, 5 sont affichés sur un comparateur 45 qui émet un signal correspondant à la différence Δw à l'entrée 61 d'un bloc de calcul 6 qui détermine la correction à apporter à la puissance potentielle de réaction exothermique correspondant au régime du moteur à l'instant considéré, afin de compenser la différence de puissance calculée Δw de façon à déterminer la puissance potentielle exothermique W'eXo permettant d'obtenir, dans le catalyseur 21 , la puissance thermique de consigne Wc selon l'équation :
Wc = Te * Qech * Cp + W'exo (5)
Le bloc de calcul 6 émet donc, à sa sortie 62, un signal correspondant à cette puissance exothermique de consigne. Ce signal est affiché sur le système 7 de commande de l'injecteur 1 1 qui adapte en permanence le débit de post-injection afin d'apporter la puissance manquante Δw ainsi déterminée par anticipation, en se basant sur une estimation des puissances thermiques instantanées. II est ainsi possible de maintenir, à chaque instant, la température dans le catalyseur 21 à une valeur optimale en évitant les pics de température.
Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre de simple exemple mais couvre, au contraire, toutes les variantes restant dans le même cadre de protection. Par exemple, au lieu d'adapter le débit de réducteurs en post-injection tardive dans le cylindre, de façon à augmenter le potentiel exothermique résultant du réglage initial du point de fonctionnement du moteur, il serait possible de placer un injecteur dans le circuit d'échappement 20, en amont de l'organe de post-traitement 21 , de telle sorte que le dégagement de chaleur sur le catalyseur, par oxydation du débit supplémentaire de réducteurs, complète le flux énergétique apporté par les gaz d'échappement à la sortie du moteur 1 1 .
D'autre part, il est possible également d'ajouter à la commande qui vient d'être décrite un deuxième terme de commande tenant compte de la ou des température(s) interne(s) du monolithe, ces températures pouvant être mesurées au moyen de capteurs ou bien déterminées à l'aide d'un modèle thermique. Un tel système, représenté schématiquement sur la figure 5, comporte donc également des blocs de calcul 4 et 5 pour déterminer respectivement la puissance entrante We et la puissance de consigne Wc et en déduire la puissance manquante Δw. Cependant, dans ce système, on ajoute à la commande précédente un deuxième terme de commande élaboré par un bloc de calcul 8 qui reçoit sur ses entrées 81 les mêmes informations T3, Te, Wexo, QeCh, Wp pour en déduire le delta de l'énergie interne du catalyseur ΔEιnt en fonction de la température, selon l'équation :
ΔEin, = m * Qech * C(T) * ΔT (6)
dans laquelle m est la masse ou fraction de masse du monolithe utile à la commande, C(T) la capacité calorifique du substrat qui dépend de la température et ΔT la différence entre la température de consigne et la température du catalyseur à l'instant considéré, qui est donnée par le modèle thermique.
Le signal correspondant à ce delta de l'énergie interne est affiché à l'entrée 63 du bloc de calcul 6 qui, comme précédemment, reçoit sur son entrée 61 le signal Δw correspondant à la différence entre la puissance We et la puissance de consigne Wc. Le bloc de calcul 6 peut ainsi calculer le delta de puissance thermique instantanée par rapport à la différence entre la puissance de consigne et la puissance entrante, compte tenu du delta de l'énergie interne résultant du modèle de température du monolithe, selon l'équation :
Δw = Wc + We + ^- (7) dt
Ainsi, le dispositif 7 de commande de l'injecteur 1 1 peut adapter le débit de post-injection afin que la puissance modifiée de réaction exothermique W'eχ0 ainsi obtenu permette, en compensant la puissance manquante Δw d'obtenir la puissance de consigne nécessaire pour atteindre, dans le catalyseur, la température de consigne souhaitée.
De plus, les performances dynamiques, en particulier le temps de montée en température pourrait être améliorées en ajoutant un mode de contrôle thermique utilisant la connaissance de l'énergie interne du monolithe au moyen d'un modèle thermique de celui-ci.
De même, une consigne dynamique de température permettrait d'améliorer encore les performances du procédé selon l'invention. Dans le cas qui vient d'être décrit d'un catalyseur d'oxydation du type
NOx-Trap, le contrôle de la température à la sortie du catalyseur permet également de réaliser de façon optimale la régénération, par combustion des suies, du filtre à particules 22.
Cependant, dans la mesure où elle permet de contrôler en permanence la température dans l'organe de post-traitement en tenant compte, à chaque instant, des caractéristiques des gaz d'échappement résultant du régime du moteur, l'invention pourrait aussi être adaptée à d'autres systèmes de régénération, tels que la désulfatation d'un catalyseur NOx-Trap ou d'un système 4 voies placé en aval du catalyseur d'oxydation et permettrait aussi d'optimiser l'efficacité d'adsorption des oxydes d'azote dans le catalyseur ou un système 4 voies, ainsi que l'efficacité de leur traitement sur un système du type SCR.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de contrôle de la température interne d'un organe de post-traitement dans un circuit d'échappement (2) d'un moteur à combustion interne (10) produisant des gaz d'échappement dont le débit et la température varient en fonction du régime du moteur (10) à chaque instant, au moins certains polluants contenus dans les gaz d'échappement étant stockés, dans les phases de fonctionnement normal du moteur, dans au moins un organe de post-traitement (21 ) qui est alternativement soumis à des phases de régénération pour éliminer les polluants stockés, par élévation et maintien de la température dans l'organe de posttraitement (21 ) au voisinage d'une température de consigne T3, caractérisé par le fait que, à partir d'une mesure ou d'une estimation du débit QeCh et de la température Te des gaz d'échappement avant l'entrée dans l'organe de post-traitement (21 ) et compte tenu de leur composition, on détermine, d'une part, la valeur de la puissance de consigne Wc nécessaire à l'obtention de la température de consigne dans l'organe de post-traitement (21 ), compte tenu des pertes Wp et, d'autre part, la puissance calorifique entrante We apportée par les gaz dans l'organe de post-traitement (21 ), qui correspond à la somme de leur puissance de chauffage direct due à leur température, et de leur puissance potentielle de réaction exothermique Wexo dans l'organe de post-traitement (21 ) et que l'on ajuste la composition desdits gaz d'échappement avant l'entrée dans l'organe de post-traitement (21 ), de façon à compenser la différence ainsi déterminée à l'avance, entre la puissance entrante We et la puissance de consigne Wc , par une modification correspondante de la puissance potentielle de réaction exothermique Wexo.
2 Procédé de contrôle selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la puissance de consigne Wc est déterminée à partir de la température T3 des gaz mesurée à la sortie de l'organe de post-traitement (21 ), de leur débit QeCh et de leur capacité calorifique Cp.
3. Procédé de contrôle selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour compenser la différence entre la puissance entrante We et la puissance de consigne Wc, on ajuste les proportions relatives de réducteurs et d'oxydants dans les gaz d'échappement afin de modifier de la valeur voulue la puissance potentielle Wexo de réaction exothermique d'oxydation des réducteurs dans l'organe de posttraitement (21 ).
4. Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que la proportion de réducteurs dans les gaz d'échappement est ajustée par une post-injection d'un débit contrôlé de carburant, soit dans au moins une chambre de combustion (10) du moteur, soit directement dans le circuit d'échappement (2), en amont de l'organe de post-traitement (21 ).
5. Procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une unité de contrôle (4, 5) détermine les valeurs estimées de la puissance de consigne nécessaire Wc et de la puissance thermique entrante We apportée par les gaz et qu'un signal correspondant à la différence ainsi calculée est affiché sur une unité de commande (6, 7) d'un débit de post-injection de carburant permettant d'ajuster la puissance potentielle exothermique Wexo des gaz.
6. Procédé de contrôle selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pour déterminer le débit de post-injection de carburant permettant de compenser la différence entre la puissance de consigne Wc et la puissance thermique entrante We, l'unité de commande (6, 7) prend en compte la variation d'énergie interne ΔEιnt de l'organe de post-traitement (21 ) due au passage à la température de consigne T3.
7. Procédé de contrôle selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour déterminer la puissance de réaction exothermique à apporter par une post-injection de carburant, l'unité de commande (6, 7) ajoute à la différence estimée entre la puissance de consigne Wc et la puissance thermique entrante We, la valeur instantanée de la variation d'énergie interne ΔEιnt de l'organe de post-traitement (21 ) en tenant compte de sa masse m, de sa capacité calorifique Cp et de la différence de température à compenser Δτ.
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