FR2955894A1 - Procede et dispositif pour determiner la temperature des gaz d'echappement dans le conduit des gaz d'echappement d'un moteur thermique - Google Patents

Abstract

Procédé pour déterminer la température des gaz d'échappement dans le conduit de gaz d'échappement d'un moteur thermique équipé d'un capteur de température thermiquement fidèle installé dans le conduit de gaz d'échappement. On détermine la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température et le débit massique de gaz d'échappement dans le conduit de gaz d'échappement et on détermine la température des gaz d'échappement en tenant compte de la variation en fonction du temps de la température mesurée et du débit massique de gaz d'échappement. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé pour déterminer la température des gaz d'échappement dans le conduit de gaz d'échappement d'un moteur thermique comportant un capteur de température thermiquement fidèle, installé dans le conduit des gaz d'échappement. L'invention se rapporte également à un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, le capteur de température étant relié à une unité de commande.

Etat de la technique La réglementation future prévoit de surveiller l'émission de particules d'un moteur thermique, notamment d'un moteur Diesel, en amont et/ou en aval d'un filtre à particules comme par exemple le filtre à particules d'un moteur Diesel (encore appelé filtre DPF) pendant le fonctionnement. La surveillance elle-même se fait dans le cadre d'un diagnostic dit « embarqué » effectué pendant le déplacement pour vérifier que le filtre fonctionne correctement. Il faut en outre prévoir la charge du filtre à particules Diesel pour le contrôle de la régénération, pour arriver à une très grande sécurité systématique et de pouvoir utiliser des matériaux de filtre économiques comme par exemple de la cordiérite. On peut également prévoir une régulation des caractéristiques de combustion du moteur thermique fondées sur une information relative à l'émission de particules. Les filtres à particules ont toutefois une capacité limitée pour recevoir des particules de noir de fumée et pour récupérer leur effet de nettoyage, il faut les régénérer dans des périodes déterminées. Une charge élevée en particules dans le filtre, se traduit par une augmentation forte, inacceptable de la contrepression exercée sur les gaz d'échappement.

Un procédé simple consiste habituellement à utiliser le parcours d'un trajet ou la durée de fonctionnement du moteur thermique pour effectuer une régénération du filtre à des intervalles fixes. Cela se fait de manière caractéristique tous les 250 à 1000 km. Dans le cas d'un filtre à particules de noir de fumée (filtre à particules), la régénération se fait par une élévation de la température des gaz

2 d'échappement à un niveau caractéristique compris entre 550°C et 650°C, par des interventions sur la préparation du mélange alimentant le moteur ou par des actions en aval du moteur. On lance ainsi une réaction exothermique qui produit la combustion des particules de noir de fumée et régénère le filtre à particules en une durée inférieure à quelques minutes (par exemple 20 minutes). Mais l'inconvénient de cette phase de fonctionnement est d'entraîner une élévation importante de la consommation de carburant et de produire une forte usure thermique du filtre à particules. C'est pourquoi, pour réduire la consommation en carburant, il est souhaitable de ne faire le cycle de régénération que lorsque cela est nécessaire. Pour surveiller la régénération, on installe des capteurs de température dans la conduite des gaz d'échappement pour surveiller les températures en amont ou en aval du filtre et tirer des conclusions sur l'état de régénération et protéger le filtre à particules contre les dommages liés aux températures trop élevées des gaz d'échappement. Selon l'état de la technique, il est en outre prévu de déterminer l'état de charge du filtre à particules à l'aide de capteurs de particules particuliers. Ces capteurs de particules sont utilisés en outre dans le cadre du diagnostic embarqué (encore appelé diagnostic OBD) par exemple pour surveiller les propriétés de filtres à particules. De tels capteurs de particules sont par exemple décrits dans les documents DE 10149333A1 et WO2003006976 A2. Ainsi, on connaît des capteurs de particules résistants et collecteurs, qui exploitent la variation des propriétés électriques d'une structure d'électrodes interdigitées pour le dépôt de particules. On peut avoir deux ou plusieurs électrodes qui s'interpénètrent comme des peignes. Les électrodes sont généralement couvertes par un manchon collecteur. Le nombre croissant de particules se déposant sur le capteur de particules, court-circuite les électrodes ce qui se traduit par une décroissance de la résistance électrique en fonction de l'augmentation du dépôt de particules, et par une impédance décroissante ou par la variation d'une grandeur caractéristique liée à la résistance ou à l'impédance telle que la tension et/ou une intensité. Pour l'exploiter, on fixe en général un seuil par exemple un seuil de courant de mesure entre les électrodes et on utilise

3 le temps jusqu'à ce que l'on atteigne le seuil, comme mesure de la quantité de particules déposées. En variante, on peut également exploiter la vitesse de variation d'un signal pendant le dépôt de particules. Si le capteur de particules est bien chargé, les particules qui se déposent au cours d'une phase de régénération, seront brûlées par un élément chauffant intégré au filtre à particules. Pour la régulation de la régénération, on détermine la température du filtre à particules à l'aide d'un capteur de température intégré, par exemple en forme de méandres métalliques, imprimées.

L'inconvénient des procédés décrits, est celui d'un coût élevé pour les capteurs de particules et le fait que la température des gaz d'échappement nécessite des capteurs de température qui répondent relativement rapidement. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif permettant la détermination économique de la température des gaz d'échappement dans le cas d'une dynamique suffisamment élevée. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on détermine la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température et le débit massique de gaz d'échappement dans le conduit de gaz d'échappement, et on détermine la température des gaz d'échappement en tenant compte de la variation en fonction du temps de la température mesurée et du débit massique de gaz d'échappement. Le signal de température fourni par le capteur de température suit la température des gaz d'échappement avec un retard et une inertie liée à son type de construction et à l'emplacement où il est installé. L'échange de chaleur entre les gaz d'échappement et le capteur de température est fondé sur la convection et dépend ainsi du débit massique des gaz d'échappement. La prise en compte de la vitesse de variation du signal de sortie permet dans le cas de capteurs lents, d'améliorer la précision de l'exploitation du signal pour des grandeurs de mesure variant relativement rapidement. Si l'on corrige le signal de

4 sortie fourni par le capteur de température par une correction déterminée à partir du débit massique des gaz d'échappement et de la vitesse de variation du signal de température, cela permet une détermination plus précise de la température des gaz d'échappement.

Cette température déterminée des gaz d'échappement, peut servir par exemple à contrôler la plausibilité de la libération pour le point de rosée pour d'autres capteurs tels qu'un capteur d'oxydes d'azote NOx. On améliore en outre la précision dans la détermination de la température des gaz d'échappement en déterminant la température des gaz d'échappement en tenant compte de la température mesurée par le capteur de température et/ou d'un coefficient d'application dépendant des conditions d'installation du capteur de température et de la masse thermique de la conduite des gaz d'échappement. Le coefficient d'application peut se déterminer à partir des mesures des courbes de température dans l'installation de gaz d'échappement et en tenant compte notamment de la masse thermique de l'installation des gaz d'échappement à l'emplacement du capteur de température. Si comme capteur de température, on utilise l'élément de capteur de température d'un capteur de particules installé dans la conduite des gaz d'échappement du moteur thermique, on évite l'installation d'un capteur de température supplémentaire dans le canal des gaz d'échappement, ce qui permet de diminuer le coût du système. Il s'est également avéré qu'il n'est plus nécessaire de tenir compte de la température du manchon de capture entourant le capteur de particules. Le problème de l'invention est également résolu par un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'unité de commande qui réunit les données du débit massique actuel des gaz d'échappement, applique un premier déroulement de programme pour déterminer la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température, et un second déroulement de programme pour déterminer la température des gaz d'échappement à partir de la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température, du débit massique de gaz d'échappement et d'un coefficient d'application enregistré dans l'appareil de commande.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un premier diagramme avec la température effective des gaz d'échappement et la température mesurée par un capteur de température, - la figure 2 montre un second diagramme de la température mesurée suivant une seconde variante et d'un débit massique de gaz d'échappement déterminé, - la figure 3 montre un troisième diagramme avec la température effective des gaz d'échappement, la température mesurée par le capteur de température et une température déterminée des gaz d'échappement.

Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention La figure 1 montre un premier diagramme 10 donnant le chronogramme d'une température effective 13 des gaz d'échappement et d'une température TsE, 14 mesurée avec le capteur de température. La température effective 13 des gaz d'échappement et la température mesurée TsE, 14, sont représentées suivant l'axe des températures 11 et l'axe des temps 12. La température mesurée TsE, 14 est déterminée par un élément de capteur de température, passif, du capteur de particules installé dans le conduit des gaz d'échappement du moteur thermique.

Les capteurs de particules se présentent par exemple sous la forme d'un capteur de particules, collecteur, avec deux électrodes interdigitées qui se pénètrent l'une l'autre pour constituer l'élément de capteur ; ils permettent de déterminer la teneur en noir de fumée des gaz d'échappement de moteurs Diesel, par exemple pour faire un diagnostic de charge d'un filtre à particules installé en amont. On régénère le capteur de particules à des intervalles réguliers. L'élément de capteur de température par résistance a pour fonction d'origine, de réguler la température du capteur de particules pendant que s'effectue le processus de libération. 5

6 Dans les systèmes connus de gaz d'échappement, on détermine non seulement la teneur en noir de fumée, mais également la température des gaz d'échappement avec un capteur de température particulier pour tirer par exemple des conclusions relatives à l'état de régénération du filtre à particules. Le capteur de température doit permettre de saisir également des variations rapides de la température des gaz d'échappement 13. Comme le montre le premier diagramme 10, la mesure de la température à l'aide de l'élément de capteur de température équipant de toute façon le capteur de particules, est trop lent pour répondre aux conditions imposées. La température mesurée TsE, 14 ne peut pas suivre la température réelle 13 des gaz d'échappement lorsque la température varie rapidement. L'élément de capteur de température par résistance est couplé thermiquement trop fortement à la conduite des gaz d'échappement, de sorte que cet élément a une inertie thermique correspondante. C'est pourquoi, on obtient principalement la température de l'élément de capteur du capteur de particules et non la température des gaz d'échappement 13. La figure 2 montre un second diagramme 20 représentant la variation en fonction du temps 23 de la température TsE, 14, mesurée à l'aide de l'élément de capteur de température d'un capteur de particules et pour un débit massique de gaz d'échappement 24 traversant le conduit de gaz d'échappement. La variation 23 en fonction du temps de la température mesurée TsE, 14, est représentée suivant un axe donnant le gradient de température 21 pour le même axe de temps 12 qu'à la figure 1. Le tracé du débit massique de gaz d'échappement 24, est donné sur l'axe de débit massique 22, par rapport à l'axe de temps 12. La température mesurée TsE, 14 par l'élément de capteur de température par résistance dépend des paramètres suivants : température des gaz d'échappement 13 (Tgaz d'échappement.), débit massique des gaz d'échappement 24 ((dm/dt)gaz d'échappement) et de la température de la paroi du tube (Tparoi tube) d'un manchon de prise prévu autour du capteur de particules : Tgaz d'échappement = f(dm/dt)gaz d'échappement, Tparoi tube)

7 La variation 23 en fonction du temps de la température du capteur de particules dépend principalement de l'échange de chaleur par convexion à partir des gaz d'échappement vers l'élément de capteur ; les paramètres dominants de la variation dynamique, sont le débit massique de gaz d'échappement 24 et la température de gaz d'échappement 13. La paroi du tube constituant le manchon de prise et sa température, peuvent être considérées comme un puits de chaleur ou une source de chaleur. Du fait de la masse thermique relativement élevée du canal de gaz d'échappement, on ne peut toutefois supposer que les variations de la température de la paroi de la conduite sont très lentes. En première approximation, on peut déterminer les variations de la température de l'élément de capteur du capteur de particules en fonction de l'élément de capteur de température par résistance en les réduisant exclusivement à la température des gaz d'échappement 13 et au débit massique des gaz d'échappement 24. La conduite des gaz d'échappement représente l'amortissement qu'il faut prendre en compte par exemple en utilisant un coefficient d'application. Le coefficient d'application dépend ainsi du comportement thermique ou de la masse thermique de l'installation des gaz d'échappement à l'emplacement où est monté le capteur de particules et peut par exemple se déterminer par une mesure d'essai. La température des gaz d'échappement 13 peut ainsi se calculer sur le fondement de la relation fonctionnelle suivante :

Tgaz d'échappement = f(dTSE/ dt, (dm/ dt)gaz d'échappement, coefficient d'application) La figure 3 montre un troisième diagramme 30 avec la température effective 13 des gaz d'échappement, la température TsE, 14 mesurée par le capteur de température et une température déterminée des gaz d'échappement 31 Tgaz d'échappement. Les températures 13, 14, 31 sont représentées suivant les axes de température et de temps 11, 12 comme à la figure 1. La température déterminée des gaz d'échappement 31 Tgaz d'échappement, a été obtenue suivant la relation indiquée ci-dessus à partir de la variation en fonction du temps 23 de la température 35 mesurée, du débit massique des gaz d'échappement 24 et du coefficient

8 d'application. Il apparaît que la température des gaz d'échappement 31 ainsi obtenue, correspond bien à la température réelle des gaz d'échappement 13 et que l'on peut saisir avec une précision suffisante des variations rapides de la température effective des gaz d'échappement 13. Le procédé permet ainsi de déterminer la température des gaz d'échappement 13 à l'aide d'un capteur de température ayant une inertie thermique et cela avec une dynamique suffisante pour d'autres applications. Cela permet d'éviter l'installation d'un capteur de température supplémentaire ce qui réduit le coût global lo du système. 15 NOMENCLATURE

10 premier diagramme 11 axe des températures 12 axe du temps 13 température réelle des gaz d'échappement 14 température mesurée TsE 20 second diagramme 21 axe du gradient de température io 22 axe du débit massique 23 variation en fonction du temps de la température mesurée 24 débit massique des gaz d'échappement 30 troisième diagramme 31 température des gaz d'échappement 15 20

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Procédé pour déterminer la température des gaz d'échappement dans le conduit de gaz d'échappement d'un moteur thermique comportant un capteur de température thermiquement fidèle, installé dans le conduit des gaz d'échappement, procédé caractérisé en ce qu' - on détermine la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température et le débit massique de gaz d'échappement dans le conduit de gaz d'échappement, et - on détermine la température des gaz d'échappement en tenant compte de la variation en fonction du temps de la température mesurée et du débit massique de gaz d'échappement. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la température des gaz d'échappement en tenant compte de la température mesurée par le capteur de température et/ou en tenant compte d'un coefficient d'application dépendant des conditions d'installation du capteur de température et de la masse thermique de la conduite des gaz d'échappement. 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de température est l'élément de capteur de température d'un capteur de particules installé dans le conduit des gaz d'échappement du moteur thermique. 4°) Dispositif pour déterminer la température des gaz d'échappement dans le conduit des gaz d'échappement d'un moteur thermique à l'aide d'un capteur de température thermiquement fidèle, installé dans le conduit de gaz d'échappement, le capteur de température étant relié à une unité de commande, dispositif caractérisé en ce que l'unité de commande réunit les données du débit massique actuel des gaz d'échappement, 11 - l'unité de commande applique un premier déroulement de programme pour déterminer la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température, et - l'unité de commande applique un second déroulement de programme pour déterminer la température des gaz d'échappement à partir de la variation en fonction du temps de la température mesurée par le capteur de température, du débit massique de gaz d'échappement et d'un coefficient d'application enregistré dans l'appareil de commande. lo 15