FR2801636A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules - Google Patents

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Abstract

L'invention propose un procédé de régénération d'un filtre à particules (16) pour un moteur (12) à combustion interne, par lequel on commande, de façon cyclique, la mise en oeuvre de moyens de régénération appropriés dés que la valeur du niveau de chargement du filtre en particules produites par le moteur (12) excède une valeur de seuil prédéterminée, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil est adaptée notamment au fonctionnement du moteur (12) de façon à minimiser la surconsommation de carburant du moteur générée par le filtre à particules, surconsommation qui se décompose en une première surconsommation liée à la mise en oeuvre desdits moyens de régénération et une seconde surconsommation due à la contre-pression produite par le filtre dans la tubulure d'échappement.

Description

"Procédé de régénération d'un filtre à particules" L'invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé de régénération d'un filtre à particules pour un moteur à combustion, notamment un moteur diesel ou à essence à mélange pauvre, par combustion des particules stockées dans le filtre.
Les moteurs diesels et certains moteurs à essence émettent des substances polluantes telles que des particules. On connaît des systèmes de traitement des gaz d'échappement qui permettent de diminuer les emissions de particules ou suies.
En particulier une méthode consiste à les filtrer à l'aide d'un filtre appelé filtre à particules. Ce dernier se colmatant au fur et à mesure de l'accumulation des particules il est donc necessaire de le régénérer périodiquement.
Une solution pour opérer cette régénération consiste à brûler les particules filtrées,.
Pour provoquer la combustion des particules, il est necessaire de les porter à une température d'environ 550 C. Cependant, les gaz d'échappement des moteurs diesels n'atteignent que rarement cette température puisque par exemple en ville, la température des gaz d'échappement évolue entre 150 et 250 C. II faut alors augmenter la température des gaz d'échappement de façon qu'ils atteignent la température de combustion des particules dans le filtre a particules. L'augmentation de température des gaz d'échappement est réalisée dans les moteurs et/ou au niveau du filtre à particules. L'augmentation de la température des gaz d'échappement dans le moteur est par exemple obtenue par la postcombustion d'une certaine quantité de carburant. L'augmentation de la température des gaz échappement dans le filtre à particules est par exemple obtenue par des moyens de chauffage situés en amont ou à l'intérieur du filtre.
Dans tous les cas, une quantité supplémentaire de carburant est consommée périodiquement que ce soit directement, par la postcombustion d'une certaine quantité de carburant, ou indirectement par consommation d'une certaine quantité de carburant pour fournir au moteur puissance supplémentaire nécessaire à la production l'énergie consommée par les moyens de chauffage.
régénération du filtre à particules est mise en oeuvre selon stratégies prédéterminées, par exemple ' partir du dépassement d'une certaine masse de suies stockées dans le filtre.
Par ailleurs, le filtre à particules provoque une perte de charge dans la ligne d'échappement, perte de charge plus ou moins importante selon le chargement du filtre à particules et cela a pour conséquence une augmentation de la charge du moteur pour compenser la perte de charge correspondant, d'où une augmentation de la consommation instantanée moteur.
Dans le but d'optimiser la consommation carburant liée à présence du filtre à particules et à sa gestion, l'invention propose un procédé de régénération filtre à particules pour un moteur à combustion interne, lequel on commande, de façon cyclique, la mise en ceuvre moyens de régénération appropriés dés que la valeur niveau de chargement du filtre en particules produites le moteur excède une valeur de seuil prédéterminée, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil est adaptée notamment au fonctionnement du moteur de façon à minimiser la sur consommation de carburant du moteur générée par le filtre à particules, surconsommation qui se décompose en une première surconsommation liée à la mise en oeuvre desdits moyens régénération et une seconde surconsommation due à la contre-pression produite par le filtre dans la tubulure d'échappement.
Selon d'autres caractéristiques du procédé - la première surconsommation est déterminée comme le rapport d'une première quantité de carburant, nécessaire à la mise en oeuvre des moyens de régénération, par une variable donnée qui est déterminée entre la fin de la régéneration précédente et l'instant où le niveau de chargement du filtre à particules atteint une valeur de seuil prédéterminée ; - première quantité de carburant est déduite de la valeur niveau de chargement du filtre à particules et/ou du point fonctionnement du moteur ; - première quantité de carburant est déduite des plages fonctionnement du moteur ; - première quantité de carburant est constante ; - seconde surconsommation est déterminée comme le rapport la seconde quantité de carburant injectée de façon supplémentaire dans le moteur, pour maintenir les perfor mances du moteur malgré la contre-pression à l'échappement, dont la valeur croit avec le chargement en particules filtre, par une variable donnée qui est déterminée entre la de la régénération précédente et l'instant où le niveau de chargement du filtre à particules atteint une valeur de seuil prédéterminée ; - la seconde quantité de carburant est obtenue par sommation/intégration des quantités élémentaires de carburant qui sont déduites pour une période donnée, du fonctionnement du moteur et du chargement en particules du filtre à particules ; - la seconde quantité de carburant est obtenue par sommation/intégration des quantités élémentaires de carburant qui sont déduites pour une période donnée de plage de fonctionnement du moteur et du chargement en particules du filtre à particules ; - seuil de régénération est défini comme etant la valeur niveau de chargement du filtre à particules pour laquelle la seconde surconsommation atteint sensiblement la valeur la première surconsommation ; - valeur du niveau de chargement du filtre à particules est déduite de la mesure de la perte de charge entre l'entrée et la sortie du filtre à particules et du point de fonctionnement du moteur. D'autres caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la comprehension de laquelle on se reportera dessins annexes dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur à combustion équipée d'un filtre à particules ; - la figure 2 est un diagramme qui représente l'évolution des quantités de carburant consommées, dues à la présence de filtre à particules, au cours d'un cycle de stockage et de régénération du filtre à particules ; - la figure 3 est un diagramme qui représente l'évolution dans le temps de la quantité de carburant Q2 due à la présence du filtre à particules, consommée par le moteur; - la figure 4 est un diagramme qui représente l'évolution dans temps de la quantité de carburant consommée pour la phase régénération du filtre à particules ; - la figure 5 qui représente l'évolution dans 1e temps de la masse de suies stockée dans le filtre à particules, pour un point fixe du fonctionnement du moteur ; - la figure 6 est un diagramme qui représente l'évolution dans le temps de la quantité de carburant dont la consommation est due à la présence du filtre particules, pour un point fixe de fonctionnement du moteur ; - la figure 7 est un diagramme qui représente une fonction f(T) qui permet de déterminer la valeur de la durée optimale séparant deux phases de régénération. On a représenté sur la figure 1, un système de traitement 10 des gaz de d'échappement G d'un moteur à combustion 12. Le moteur 12 est un moteur diesel ou un moteur à essence fonctionnant en mélange pauvre tel qu'un moteur à essence à injection directe.
ligne 14 d'échappement permet l'écoulement des gaz G moteur vers l'atmosphère. Un système de traitement 10 destiné à purifier les gaz d'échappement G se situe à l'intérieur de la ligne 14. II se compose principalement d'un filtre à particules 16 situé dans une chambre 18.
Avantageusement, le filtre à particules 16 peut être recouvert d'une imprégnation catalytique.
Le filtre à particules 16 se présente avec une face d'entrée et une face de sortie des gaz G. II est composé de canaux alternativement bouchés et ouverts en entrée et sont inversement ouverts et bouchés en sortie. Les parois du filtre à particules 16 sont poreuses.
ligne 14 d'échappement peut aussi être equipée d'un capteur pression différentielle 20 qui est relié à un système électronique de traitement d'informations 22. Le capteur de pression différentielle 20 permet de déterminer la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre à particules 16.
Le système électronique de traitement d'informations 22 peut aussi être relié à un capteur tel qu'un capteur de position de la pédale d'accélérateur du véhicule ou d'un capteur de vitesse véhicule.
fonctionnement du système de traitement 10 est le suivant.
Les gaz d'échappement G produits par le moteur 12 sont envoyés dans la ligne 14.
Lors de leur passage dans la chambre 18 particules contenues dans les gaz G sont arrêtées par le filtre a particules 16. Périodiquement les particules ainsi piégées dans le filtre à particules 16 sont brûlées au cours d'une phase de régénération qui est déclenchée selon une stratégie qui sera détaillée plus loin.
La phase de régénération du filtre à particules 16 nécessite d'atteindre une température des gaz d'échappement supérieure ou égale à la température de combustion des particules, c'est-à-dire d'environ 550 C. II est donc nécessaire, selon le point de fonctionnement du moteur, d'augmenter la température des gaz d'échappement.
Le réchauffement des gaz d'échappement G peut être obtenu par l'injection, notamment par post-injection, d'une quantite de carburant Q1 supplémentaire. La combustion de la quantite Q1 fournie l'énergie suffisante pour que la température des d'échappement G passe momentanément à la température de combustion des particules.
La première quantité Q1 de carburant est injectée dans le moteur 12 par des moyens de régénération de façon à déclencher la régénération du filtre 16, elle peut être déduite de la valeur niveau de chargement du filtre à particules 16 et/ou du point ou des plages de fonctionnement du moteur 12.
La valeur du niveau de chargement du filtre à particules 16 peut être déterminée à partir de la mesure de la perte de charge entre l'entrée et la sortie de filtre à particules 16 et de point de fonctionnement de moteur 12.
Lors de chaque régénération, représentées un indice i allant de 1 à 3 sur les figures, des moyens de regénération injectent une quantité supplémentaire, notée i sur les figures, dans le moteur 12 qui consomme alors la quantité supplémentaire Q1 i.
On détermine une première surconsommation S1 comme étant le rapport de la quantité supplémentaire Q1 i carburant nécessaire à la mise en oeuvre de la stratégie de regénération, par une variable donnée telle que le temps, les kilomètres parcourus ou la masse de suies accumulée MS, déterminee entre la fin de la régénération précédente et l'instant où valeur niveau de chargement du filtre à particules 16 atteint valeur seuil prédéterminée.
ailleurs, au cours du fonctionnement du moteur le filtre provoque une contre-pression, dépendant du point de fonctionnement du moteur 12 et du chargement en particules du filtre 16, dans la tubulure d'échappement, ce qui nuit performances du moteur 12. En effet, le moteur consomme alors une quantité de carburant Q2 supplémentaire servant à compenser la contre-pression. La quantité de carburant Q2 est obtenue par sommation ou par intégration des quantités élémentaires de carburant dQ2 qui sont déduites pour une période donnée, d'une plage de fonctionnement donnée moteur 12 et du chargement du filtre à particules 16. Soit Q2i quantité de carburant cumulée consommée entre régénération i-1 et la régénération i.
plage de fonctionnement donnée du moteur 12 est déterminee, par exemple, par le système électronique traitement d'informations 22 à partir de signaux issus capteurs tels que le capteur de position de la pédale d'accélérateur du véhicule ou du capteur de vitesse du véhicule.
On détermine une seconde surconsommation S2 comme le rapport de la quantité supplémentaire Q2i de carburant injectée de façon supplémentaire dans le moteur 12 pour maintenir ses performances malgré la contre-pression à l'échappement, résultant du chargement du filtre à particules 16, une variable donnée telle que le temps, les kilomètres parcourus ou la masse de suies accumulée MS, déterminee entre fin de la régénération précédente et l'instant où valeur niveau de chargement du filtre à particules 16 atteint une valeur de seuil prédéterminée. exemple, système électronique de traitement 22 permet a partir d'un capteur tel que le capteur de pression différentielle 20 de déterminer la masse de suie MS stockée dans filtre à particules 16.
figure 2 représente l'évolution de la première S1 et de la seconde S2 surconsommations au cours d'une période de référence T.
La stratégie de régénération du filtre à particules 16 selon l'invention vise à minimiser la surconsommation totale Qtot de carburant générée par le filtre 16 qui est somme dans le temps des quantités Q1 et Q2 de carburant
Figure img00080002

en optimisant les phases de régénération, notamment en fonction point de fonctionnement du moteur et de masse de suie stockée dans le filtre à particules 16.
phase de régénération est déclenchée lorsque la valeur niveau de chargement du filtre à particules 16 excède une valeur de seuil prédéterminée qui est adaptée notamment au fonctionnement du moteur 12 de façon à minimiser la surconsommation totale Qtot.
II existe une masse minimale MSmin et une masse maximale MSmax de suies acceptables dans le filtre 16. En deçà de la masse minimale Msmin, la stratégie de régénération n'est pas efficace. La quantité de suies stockée est insuffisante pour assurer l'inflammation et la propagation de la combustion. Au-delà de la masse maximale MSmax, la régénération risque d'être destructive pour le matériau constituant le filtre à particules 16, le dégagement de chaleur qui est provoqué par la combustion étant alors trop important. Entre ces deux valeurs limites, la stratégie de régénération peut être déclenchée à tout moment.
La quantité de carburant Q1 i nécessaire à la régénération du filtre à particules 16 peut être choisie constante ou bien au contraire être adaptée aux conditions de fonctionnement du moteur 12 et/ou au changement du filtre à particules 16.
quantité Q2i dépend de la contre-pression dans la tubulure d'échappement qui est due d'une part au filtre même d'autre part, à la masse de suies qui est accumulee dans le filtre et qui obture partiellement les canaux du filtre à particules 16, Q2i dépend également du fonctionnement du moteur 12.
Sur la figure 3 est représentée l'évolution de la quantité Q2i en fonction du temps. Des instants tmin et tmax correspondent aux instants auxquels la masse de suies atteint les masses MSmin et MSmax respectivement. L'instant tseuil correspond à l'instant auquel la régénération déclenchée. Les ondulations visibles sur la courbe correspondent à différents points de fonctionnement du moteur. En effet, la vitesse de chargement du filtre 16 en particules dépend du point de fonctionnement du moteur. Par exemple, plus le moteur fonctionne sous une forte charge, plus le chargement du filtre 16 en particules est rapide.
Au lieu de déterminer la stratégie de régénération en fonction d'un kilométrage donné ou bien d'une masse de suies moyenne stockée dans le filtre 16 avant la mise en oeuvre de la phase de régénération, il y a un gain potentiel important en terme de consommation de carburant à déclencher la phase de régénération de manière optimale.
effet, si les phases de régénération sont déclenchées trop " les quantités Q1 liées à la régénération du filtre à particules 16 sont pénalisantes, inversement, si les phases de régénération sont déclenchées trop tard, les quantités Q2i liées à la contre-pression sont pénalisantes.
analyse de l'évolution dans le temps des quantites consommees est réalisée par une unité de calcul pour minimiser la surconsommation moyenne Qtot/T, où T est durée d'un cycle de stockage et de régénération du filtre à particules 16. L'instant auquel le minimum de la surconsommation moyenne Qtot/T est atteint correspond sensiblement à l'instant optimal de déclenchement de la phase régénération du filtre à particules 16.
La régénération du filtre à particules est donc mise oeuvre de façon à minimiser la quantité carburant Qtot "surconsommée" par le moteur 12 au cours de durée T.
Dans un mode de réalisation, illustré aux figures 4 à 7, on détermine la durée de régénération optimale Topt de la phase de stockage et de régénération, dans un cas pour lequel moteur 12 évolue dans une plage de fonctionnement adaptée pour lequel la quantité Q1 i est une quantité de carburant determinée et constante pour chaque régénération, c'est-à-dire la quantité de carburant Q1 i constante est consommée, quelle que soit la masse de suies MS stockée dans le filtre à particules 16 lors du déclenchement de la régénération.
La figure 4 représente l'évolution dans le temps de la quantité de carburant Q1 i liée à la régénération du filtre à particules 16 au cours de trois cycles de stockage/ régénération. Dans ce mode de réalisation la quantité de carburant Q1i est égale à une constante K consommée ponctuellement à la fin de chaque durée T.
La quantité de carburant Q1 consommée au cours du cycle n i de durée T est Q1 = K La figure 5 représente l'évolution de masse de suies au cours du temps. Trois cycles de stockage de régénération de durée T égale sont reproduits.
La masse de suies stockée MS dans le filtre à particules 16 entre deux régénérations s'écrit sous la forme d'une fonction linéaire du temps t: MS = a.*t avec a qui est un coefficient de remplissage du filtre à particules 16 qui dépend du fonctionnement du moteur 12.
Figure img00110001
La <SEP> figure <SEP> 6 <SEP> représente <SEP> évolution <SEP> de <SEP> la <SEP> quantité <SEP> de
<tb> carburant <SEP> Q2i <SEP> liée <SEP> à <SEP> la <SEP> présence <SEP> du <SEP> filtre <SEP> 16.
<tb>
quantité <SEP> de <SEP> carburant <SEP> Q2i <SEP> dont <SEP> la <SEP> consommation
<tb> résulte <SEP> chargement <SEP> du <SEP> filtre <SEP> à <SEP> particules <SEP> 16 <SEP> est <SEP> la <SEP> forme
<tb> dQ2i/dt <SEP> = <SEP> [3*MS
<tb> avec <SEP> [i <SEP> est <SEP> un <SEP> coefficient <SEP> qui <SEP> dépend <SEP> du <SEP> fonctionnement <SEP> du
<tb> moteur
<tb> Pour <SEP> la <SEP> durée <SEP> T, <SEP> on <SEP> a
<tb> dQ2i/dt <SEP> = <SEP> j3*MS=(3*a*t
<tb> dQ2i <SEP> = <SEP> P*a*t*dt
<tb> Puis, <SEP> par <SEP> intégration <SEP> sur <SEP> la <SEP> durée <SEP> T, <SEP> on <SEP> a <SEP> finalement
<tb> = <SEP> (p*(x*T2)/2
<tb> conséquent <SEP> la <SEP> quantité <SEP> totale <SEP> Qtoti <SEP> carburant
<tb> supplémentaire <SEP> consommée <SEP> au <SEP> cours <SEP> d'uncycle <SEP> stockage <SEP> et
<tb> de <SEP> régenération <SEP> est <SEP> de <SEP> la <SEP> forme
<tb> Qtoti <SEP> = <SEP> Q1 <SEP> i+Q2i=K+[(a*(3*T2)/2]
<tb> surconsommation <SEP> du <SEP> filtre <SEP> à <SEP> particules <SEP> 16 <SEP> au <SEP> cours <SEP> de
<tb> la <SEP> durée <SEP> est <SEP> la <SEP> consommation <SEP> moyenne <SEP> Qmi <SEP> telle <SEP> que
<tb> = <SEP> Qtoti/T
<tb> =K/T+(a*j3*T/2)
<tb> est <SEP> minimale <SEP> lorsque <SEP> K/T+(a*p*T/2) <SEP> minimum.
<tb> Soit <SEP> f(T) <SEP> = <SEP> (a**T/2)+K/T.
<tb>
f(T) <SEP> est <SEP> représentée <SEP> à <SEP> la <SEP> figure <SEP> 7. <SEP> On <SEP> obtient <SEP> une <SEP> valeur
<tb> Topt <SEP> pour <SEP> laquelle <SEP> f(T) <SEP> est <SEP> minimum <SEP> lorsque <SEP> la <SEP> derivée <SEP> de <SEP> f(T)
<tb> par <SEP> rapport <SEP> à <SEP> T <SEP> est <SEP> nulle. <SEP> C'est-à-dire
<tb> (a*P/2)-(K/Tmin2) <SEP> = <SEP> 0
<tb> d'où
Figure img00110002
Topt <SEP> = <SEP> [2*K/(a*[3)] -5
<tb> Pour <SEP> ce <SEP> mode <SEP> de <SEP> réalisation <SEP> la <SEP> durée <SEP> optimale <SEP> de
<tb> régénération <SEP> est <SEP> Topt <SEP> = <SEP> [2*KI(a*p)] -5
<tb> Dans <SEP> ce <SEP> cas <SEP> Qtoti <SEP> = <SEP> 2*K, <SEP> c'est-à-dire <SEP> que <SEP> l'optimum <SEP> de <SEP> la
<tb> régénération <SEP> correspond <SEP> à <SEP> l'égalité <SEP> entre <SEP> les <SEP> quantités <SEP> Q1 <SEP> i <SEP> et
<tb> Q2i. Donc, lorsque le fonctionnement du moteur 12 évolue dans une plage de fonctionnement donnée et lorsque la quantité Q1 est une quantité déterminée et constante, la phase de régénération est mise en oeuvre de façon optimum lorsque la quantité de carburant Q2 "surconsommée" par le moteur est égale à la quantité de carburant Q1 nécessaire à la phase de régenération.
Le mode de réalisation décrit ci-dessus n'est pas limitatif de présente invention. Ainsi, la quantité de carburant peut-être fonction de la masse de particules et/ou fonctionnement du moteur 12.

Claims (10)

<U>REVENDICATIONS</U>
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (16) pour un moteur (12) à combustion interne, lequel on commande, de façon cyclique, la mise en oeuvre moyens de régénération appropriés dés que la valeur niveau de chargement du filtre en particules produites par moteur (12) excède une valeur de seuil prédéterminée, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil est adaptée notamment au fonctionnement du moteur (12) de façon à minimiser la surconsommation de carburant du moteur générée par le filtre à particules, surconsommation qui se décompose en une première surconsommation (S1) liée à la mise en oeuvre desdits moyens de régénération et une seconde surconsommation (S2) à la contre-pression produite par le filtre dans la tubulure d'echappement.
2. Procédé de régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première surconsommation (S1) est déterminée comme le rapport d'une première quantité (Q1) de carburant, nécessaire à la mise en couvre moyens de regénération, par une variable donnée qui est determinée entre fin de la régénération précédente et l'instant où le niveau de chargement du filtre à particules (16) atteint une valeur de seuil prédéterminée.
3. Procédé de régénération selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première quantité de carburant (Q1) est déduite de la valeur du niveau de chargement du filtre à particules et/ou du point de fonctionnement du moteur (12).
4. Procédé de régénération selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première quantité de carburant (Q1) est déduite des plages de fonctionnement du moteur.
5. Procédé de régénération selon la revendication caractérisé en ce que la première quantité (Q1) de carburant est constante.
6. Procédé de régénération selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde surconsommation (S2) est déterminée comme le rapport la seconde quantité (Q2) de carburant injectée de façon supple- mentaire dans le moteur (12), pour maintenir les performances du moteur (12) malgré la contre-pression à l'échappement, dont la valeur croit avec le chargement en particules du filtre par une variable donnée qui est déterminée entre la fin de régénération précédente et l'instant où le niveau de chargement du filtre à particules (16) atteint une valeur de seuil prédéterminée.
7. Procédé de régénération selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la seconde quantité (Q2) de carburant est obtenue par sommationlintégration des quantites élementaires (dQ2) de carburant qui sont déduites pour période donnée (T), du fonctionnement du moteur (12) et du chargement en particules du filtre à particules (16).
8. Procédé de régénération selon la revendication precédente, caractérisé en ce que la seconde quantité (Q2) de carburant est obtenue par sommationlintégration des quantités élémentaires (dQ2) de carburant qui sont déduites pour une période donnée (T) de plage de fonctionnement du moteur (12) et du chargement en particules du filtre à particules (16).
9. Procédé de régénération selon l'une quelconques revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil de régénération est défini comme étant la valeur du niveau de chargement du filtre à particules (16) pour laquelle la seconde surconsommation (Q2) atteint sensiblement la valeur de la première surconsommation (Q1).
10. Procédé de régénération selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur du niveau de chargement filtre à particules (16) est déduite de la mesure de la perte charge entre l'entrée et la sortie du filtre à particules (16) et point de fonctionnement du moteur (12).
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