WO2008059166A1 - Procede de calibrage et de gestion d'une ligne d'echappement comprenant un filtre a particules - Google Patents

Procede de calibrage et de gestion d'une ligne d'echappement comprenant un filtre a particules Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the field of particulate filters especially used in an exhaust line of an engine for the removal of soot produced by the combustion of a fuel for example diesel in an internal combustion engine.
  • the present invention more particularly relates to a method of calibrating and managing an exhaust line comprising such a particulate filter, to optimize its operation.
  • Filtration structures for soot contained in the exhaust gas of an internal combustion engine are well known in the prior art. These structures most often have a honeycomb structure, one of the faces of the structure for the admission of the exhaust gases to be filtered and the other side the exhaust of the filtered exhaust gases.
  • the structure comprises, between the intake and discharge faces, a set of adjacent ducts or channels of axes parallel to each other separated by porous filtration walls, which ducts are closed to one or the other of their ends for delimiting input chambers s 'opening according to the inlet face and outlet chambers s' opening according to the discharge face.
  • the part Peripheral structure is most often surrounded by a coating cement.
  • the channels are alternately closed in an order such that the exhaust gases, during the crossing of the honeycomb body, are forced to pass through the sidewalls of the inlet channels to join the outlet channels. In this way, the particles or soot are deposited and accumulate on the porous walls of the filter body.
  • the filter bodies are porous ceramic material, for example based on cordierite or silicon carbide.
  • the particulate filter is gradually loaded with unburned hydrocarbons whose accumulation eventually degrades the performance of the filter and those of the engine. This accumulation results in an increase in the pressure drop, that is to say the differential pressure between the upstream and downstream of the filter in the exhaust line of the engine. For proper operation of the engine, it is therefore necessary to "clean" periodically in situ the filter, an operation that is performed by the combustion of particles in the filter. In known manner, during its implementation, the particulate filter is thus subjected to a succession of filtration phases
  • soot particles emitted by the engine are retained and are deposited inside the filter.
  • soot particles are burned inside the filter, in order to restore its filtration properties and reduce the pressure drop.
  • the regeneration operation can be triggered after a certain time interval or time. distance traveled, without taking into account the actual soot load of the filter accumulated over time.
  • the regeneration can be triggered when the filter reaches a certain soot load which is determined according to the increase in the pressure drop caused on the line by the filter.
  • No. 2,829,798 proposes a more elaborate system comprising a step of determining the soot loading state of a catalyzed filter either by estimation via a model or by a measurement of pressure drop, the choice between measurement and estimation depending on driving conditions.
  • EP 587 146 is also known, a method for regenerating a particulate filter including control means based on a measurement of the pressure drop.
  • the regeneration of the filter is triggered if the loading of the filter exceeds a predetermined value.
  • This loading is deduced from the differential pressure between the inlet and the outlet of the filter and a characteristic quantity of the volume flow rate of the gases passing through the filter.
  • regeneration phase management methods always refer to predetermined threshold values of the pressure drop beyond which regeneration begins and eventually ends. These threshold values are most often described as extrapolated from a model or as determined in advance and averaged over a representative population of filters.
  • the first object of the present invention is to overcome the aforementioned problems of recycling phase management by proposing a method of calibration and management specific to each filter, furthermore making it possible to optimize, secure and simplify operations specific to regeneration, compared to the methods described in the prior art. Such improved management ultimately increases the life of the filter in the exhaust line.
  • a second object of the present invention is to provide a simple and economical method for qualifying filters on the basis of more flexible specifications than at present.
  • the present invention relates to a method for calibrating and / or managing an exhaust line of a motor vehicle comprising an X-particle filter, said method comprising the following steps: a) an initial step on a population representative of said filter, for measuring the increase in the pressure drop ( ⁇ P MSL ) Q as a function of the flow rate Q of the exhaust gases passing through said filter, ( ⁇ P MSL ) Q being associated with a limit loading in particles of soot present in a filter, triggering threshold of a regeneration phase of the filter during engine operation, b) a measurement step, as a function of the flow rate of gas Q passing through the filter and in the absence of soot particles, of the pressure drop ( ⁇ P (x) without SU i eS ) specific Q of said filter X, c) a step of determining, on the basis of the values obtained by steps a) and b), a limit value of pressure drop ( ⁇ P (X ) i im ) Q , threshold for triggering a regeneration
  • the threshold value of pressure drop ( ⁇ P ( X) i im ) Q typically corresponds to a pressure drop generated by a soot load supported by the filter X and specific thereto, beyond which a significant risk of regeneration severe is present, potentially leading to irreversible degradation of the filter. Unlike the prior art, this limit value of the pressure drop is not predetermined (for example from measurements performed on a representative family of filters) but according to the invention is specific to the filter X on which the present process has been implemented. According to the invention, ( ⁇ P MSL ) Q corresponds to the specific contribution to the pressure drop of the sum of the soot particles present in the pores and on the internal walls of the filter, at the triggering threshold of a regeneration phase.
  • This value is for example determined early during a measurement campaign carried out on a representative population of filters.
  • the pressure drop measurements are performed on a bench configured to substantially correspond to the technical data of the exhaust line of the vehicle incorporating said filter. It is also possible to determine, on the same series of filters, as a function of the gas flow rate, an average value of the pressure drop caused by a loaded filter at its soot mass limit, that is to say in such a way that a regeneration phase causes its irreversible degradation.
  • ⁇ P MSL ) Q which is a mean on the representative sample of the filters, is obtained by difference between the values obtained previously of the pressure drop of the charged filters at their soot limit mass and of the loss of load caused by these same filters when they are clean.
  • the procedure for determining the soot mass limit may be as follows:
  • a population of new filters of at least ten filters is successively subjected to the following steps:
  • each filter is mounted with its caning on a motor bench equipped with a device for measuring the pressure drop, so as to reproduce a line exhaust, ideally corresponding to that fitted to the vehicle that will have the filter format and characterized.
  • the engine for example of the DWlOA type of PSA 2L Diesel injection, is operated at full power at 4000 rpm for 30 minutes in order to thermally stabilize the mounted filters as previously described, that is to say say with their sheathing.
  • the filters are then disassembled and weighed with their sheathing to determine an initial mass.
  • the filters are then reassembled on the engine bench and subjected for different durations to engine operation at 3000 rpm for a torque of 50 Nm to be loaded with different soot masses.
  • the numbered filters are then weighed and the mass of soot determined for each filter by the difference between the mass obtained and the initial mass.
  • the filters thus loaded are reassembled on the line to undergo a severe regeneration defined as follows: after stabilization at an engine speed of 1700 revolutions / minute for a torque of 95 Nm for 2 minutes, a post-injection is performed with 70 ° phasing for a post-injection flow rate of 18mm 3 / stroke. Once soot combustion initiated, more precisely when the pressure drop decreases for at least 4 seconds, the engine speed is lowered to 1050 revolutions / minute for a torque of 40 Nm for 5 minutes to accelerate the combustion of soot. The filter is then run at 4000 rpm for 30 minutes to remove the remaining soot.
  • the filters thus regenerated are inspected after cutting to reveal the possible presence of cracks visible to the naked eye. On all the filters, it is thus possible to determine a soot limit mass, threshold of occurrence of cracks.
  • the values of the limit loadings in soot particles are functions of the intrinsic thermomechanical resistance of the filters and they therefore mainly depend on the intrinsic characteristics of the filter, in particular on the nature of the material constituting its filtering walls and its microstructure (volume of open porosity, pore size distribution, thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, modulus of rupture and elasticity, etc.) without it being possible today to model this relationship of dependence.
  • steps b) and c) are performed on the filter (X) when it is installed in the exhaust line of the vehicle.
  • ( ⁇ P (x) without SU i eS ) Q is determined from different operating points of the engine, in particular from the measurement or estimation of the exhaust gas flow for each of the points of the engine. operation.
  • steps b) and c) are performed on a new filter, for example at the vehicle manufacturing factory outlet.
  • steps b) and c) are performed at regular intervals on a used filter but free of soot, for example after a prolonged phase of regeneration of the filter.
  • an additional component is preferably added to the value ( ⁇ P MSL ) Q to take account of the increase in the pressure loss caused by unburnt residues during successive regeneration cycles.
  • Said additional component may for example be estimated from the mileage of the vehicle and / or pre-recorded technical data.
  • the filter may further comprise a catalytic component and the filter may be based on silicon carbide SiC.
  • the invention also relates to a management system of an exhaust line incorporating means for implementing a method according to one of the preceding claims.
  • FIG. attached figure illustrates a schematic view of an internal combustion engine whose exhaust line is equipped with a particulate filter and means implementing the method according to the invention.
  • an internal combustion engine referenced 1 for example a diesel engine for a four-cylinder motor vehicle and direct fuel injection.
  • the engine 1 is equipped with a system or exhaust line 5 including means for the filtration 6 of the emitted particles.
  • the engine 1 is supplied with air through an intake circuit 2.
  • One or more sensors 9 equip this intake circuit to provide a calculator engine control 3 information concerning the pressure, the temperature or the flow rate of the intake air.
  • the fuel supply is provided for example by electromagnetic injectors 10 opening into the combustion chambers of the engine and driven by the computer 3 from a pressurized fuel system 4 of the common rail type.
  • the exhaust gas discharged via line 5 passes through a particle filter 6.
  • Different sensors, in particular pressure and temperature sensors 7, are placed upstream and downstream of the filter 5 and supply the engine control computer 3 information on the corresponding parameters.
  • the injection computer 3 therefore controls from the information supplied by the various sensors and in particular from the admitted air mass and the engine speed, as well as from formulas and stored calibrations allowing optimal adjustment of the engine, the operation of the injectors and in particular the instant of injection start and the duration of opening of the injectors, that is to say the amount of fuel injected and therefore the wealth of the mixture filling the combustion chambers.
  • the injection computer 3 consists, in a known way, of a microprocessor or a central unit of the CPU type, RAM RAMs, ROM ROMs, A / D digital-to-digital converters and input and output interfaces. output required.
  • the microprocessor of the injection computer 3 comprises electronic circuits and appropriate software for processing the signals coming from different connected sensors, deriving the states of the motor and generating the appropriate control signals at their destination. in particular different controlled actuators as described above. It may also possibly control means for regeneration assistance, for example a burner, a control system of the EGR valve type or a turbocharger control system.
  • the computer 3 is also adapted to ensure the proper functioning of the exhaust system and in particular of the particle filter 6.
  • the computer 3 deduces, from the information provided in particular by the sensors 7 and 8, the threshold of tripping and possibly stopping regeneration phases according to adapted and evolving strategies, as will be described later.
  • This regeneration phase essentially consists in increasing the temperature of the exhaust gases passing through the filter 6 so as to ignite the trapped particles.
  • the computer 3 is in particular adapted to implement the calibration and management method according to the invention, as described above.
  • a mapping of the average increase in the pressure drop ( ⁇ P MSL ) Q associated with the soot particles is implemented in the computer 3.
  • This mapping comprises the law of variation of the average value ( ⁇ P MSL ) Q as a function of the flow rate Q of the exhaust gas passing through said filter.
  • ( ⁇ P MSL ) Q is the average pressure loss generated by the mass of soot particles present in a filter at the trigger threshold of a regeneration phase.
  • this mapping of the average parameter ( ⁇ P MSL ) Q also takes into account any necessary correction, in particular related to the influence and the effects of the possible variations of the temperature of the gases in the exhaust line.
  • This mapping has been determined in advance by any known technique, for example from a test campaign carried out on a population of filters of the same nature, that is to say substantially obtained from the same initial materials and using a substantially identical manufacturing process. Preferably said mapping is obtained as previously described.
  • a measurement of the pressure drop caused by the on-board filter is performed at different engine speeds.
  • the operator in charge of driving the new vehicle on the storage car park stabilizes the engine at 1000 rpm without triggering speed for the time necessary for the computer to obtain a first value of the loss.
  • specific charge to the on-line filter, corresponding to a first gas flow which is for example measured by a sensor 9.
  • the same protocol is applied for different values of the engine rotation speed, for example between 2000 and 3000 rpm.
  • the computer will thus recover a plurality of measurements of the loss of charges, each corresponding to a gas flow.
  • the calculator By applying a model of extrapolation of the pressure drop, the calculator obtains a cartography of the pressure drop ( ⁇ P (x) without SU i eS ) specific Q of the on-line filter on the exhaust line.
  • the calculator calculates instantaneously, on the basis of the maps thus available, a new mapping of the limit value of the pressure drop ( ⁇ P ( X) i im ) Q , trigger threshold of a regeneration phase, by the application of the simple relation
  • the value thus calculated is characteristic and specific to the filter x and therefore much more accurate than the predetermined trigger values of the prior art.
  • the computer 3 then triggers in a conventional manner the successive regeneration phases from the measurements obtained with the various sensors 7, 8 and 9 when this is necessary.
  • the triggering procedures described in the applications FR 2 774 421, FR 2829 798 or EP 587 146 may for example be used.
  • the present method of calibration and management can advantageously also be used dynamically, scalable and extended over the lifetime of the filter and / or the vehicle.
  • the previously exposed protocol can be reiterated by the computer during a filter change. It can also be implemented at periodic intervals, for example every 10,000 km, on a filter in service but freed from its soot, that is to say typically after a regeneration having a prolonged duration, for example double, compared to the nominal duration of a simple regeneration, this to be certain that all the soot were burned.
  • Such a use then preferably incorporates however the revaluation of the term ( ⁇ P MSL ) Q.
  • An additional pressure drop is preferably integrated with ( ⁇ P MSL ) Q , which reflects the increase in the pressure drop caused by the presence of unburnt residues accumulated on the filter during successive cycles.
  • This additional component may, for example, be measured beforehand on a representative population of said filter as a function of the mass of residues in a manner similar to the method for measuring the component ( ⁇ P MSL ) Q , for example as previously described.
  • the mass of residues can also be estimated for example according to the model of the vehicle and according to the mileage.
  • the process can be applied to a catalyzed filter, the process is not limited exclusively to vehicle combustion systems but can be used on any static diesel, gasoline or other fuel system, whenever a process occurs Regeneration of a filter.

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Abstract

L invention se rapporte à un procédé de calibrage et/ou de gestion d une ligne d échappement d un véhicule à moteur comprenant un filtre à particules(X), ledit procédé comprenant une étape initiale, sur une population représentative dudit filtre, de mesure de l augmentation de la perte de charge engendrée par un chargement limite en particules de suies présentes dans un filtre, seuil de déclenchement d une phase de régénération du filtre, une étape de mesure,en l absence de particules de suies, de la perte de charge spécifique dudit filtre(X)et une étape de détermination, sur la base des valeurs obtenues par les étapes a) et b), d une valeur limite de perte de charge, seuil de déclenchement d une phase de régénération. L invention se rapporte en outre à un système de gestion d une ligne d échappement intégrant des moyens de mise en oeuvre du procédé.

Description

PROCEDE DE CALIBRAGE ET DE GESTION D'UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT COMPRENANT UN FILTRE A PARTICULES
L' invention se rapporte au domaine des filtres à particules notamment utilisés dans une ligne d'échappement d'un moteur pour l'élimination des suies produites par la combustion d'un carburant par exemple diesel dans un moteur à combustion interne.
La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de calibrage et de gestion d'une ligne d'échappement comprenant un tel filtre à particules, permettant d'en optimiser le fonctionnement.
Il est bien connu que la présence d'un filtre à particules dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur diesel, permet de diminuer considérablement la quantité des particules, poussières et autres suies émises dans l'atmosphère et de satisfaire ainsi aux normes anti-pollution.
Les structures de filtration pour les suies contenues dans les gaz d'échappement de moteur à combustion interne sont bien connues de l'art antérieur. Ces structures présentent le plus souvent une structure en nid d'abeille, une des faces de la structure permettant l'admission des gaz d'échappement à filtrer et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement filtrés. La structure comporte, entre les faces d'admission et d'évacuation, un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses de filtration, lesquels conduits sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s ' ouvrant suivant la face d'admission et des chambres de sortie s ' ouvrant suivant la face d'évacuation. Pour une bonne étanchéité, la partie périphérique de la structure est le plus souvent entourée d'un ciment de revêtement. Les canaux sont alternativement obturés dans un ordre tel que les gaz d'échappement, au cours de la traversée du corps en nid d'abeille, sont contraints de traverser les parois latérales des canaux d'entrée pour rejoindre les canaux de sortie. De cette manière, les particules ou suies se déposent et s'accumulent sur les parois poreuses du corps filtrant. Le plus souvent, les corps filtrants sont en matière céramique poreuse, par exemple à base de cordiérite ou de carbure de silicium.
Au cours du fonctionnement du moteur à combustion interne, le filtre à particules se charge progressivement d'hydrocarbures imbrûlés dont l'accumulation finit par dégrader les performances du filtre et celles du moteur. Cette accumulation se traduit en effet par une augmentation de la perte de charge, c'est-à-dire à la pression différentielle entre l'amont et l'aval du filtre dans la ligne d'échappement du moteur. Pour un bon fonctionnement du moteur, il s'avère donc nécessaire de « nettoyer » périodiquement in situ le filtre, opération qui est effectuée par la combustion des particules dans le filtre. De façon connue, durant sa mise en œuvre, le filtre à particules est ainsi soumis à une succession de phases de filtration
(accumulation des suies) et de régénération (élimination des suies) . Lors des phases de filtration, les particules de suies émises par le moteur sont retenues et se déposent à l'intérieur du filtre. Lors des phases de régénération, les particules de suie sont brûlées à l'intérieur du filtre, afin de lui restituer ses propriétés de filtration et en diminuer la perte de charge.
Cependant, si les opérations de régénération sont mal maîtrisées, par exemple déclenchées trop tard, la structure poreuse peut alors être soumise à des contraintes thermomécaniques extrêmement intenses, qui peuvent entraîner des fissurations susceptibles sur la durée d'entraîner une perte sévère des capacités de filtration de l'unité, voire sa désactivation complète. Plus largement, une bonne maîtrise de la régénération permettrait notamment d'éviter les problèmes suivants :
- une sous évaluation du niveau réel de chargement en suies du filtre à particules : le risque est alors la détérioration du filtre ou éventuellement du catalyseur lorsque le filtre incorpore une composante catalytique. La régénération étant trop tardive, la combustion des suies accumulées en trop grand nombre dans certaines parties du filtre conduit à un emballement de la combustion au niveau de points ou zones très chaudes et à l'apparition de fissures, voire à une destruction du filtre dans les cas extrêmes,
- une surévaluation du niveau réel de chargement en suie du filtre à particules : la conséquence est alors une fréquence de régénérations trop élevée et par conséquent une surconsommation élevée en carburant et surtout 1' endommagement prématuré du moteur provoqué par une importante dilution d'huile liée à l'augmentation des durées de post injection.
Pour essayer de résoudre ces problèmes, différents procédés de gestion ont déjà été décrits : Suivant un premier mode de gestion, de la manière la plus simple possible, l'opération de régénération peut être déclenchée au bout d'un certain intervalle de temps ou de distance parcourue, sans tenir compte de la charge en suie réelle du filtre amassée au cours du temps. En appliquant un tel principe, en cas d'un fonctionnement non conforme du moteur provoquant une augmentation anormale des émissions de particules, le risque d' endommagement du filtre devient important puisque les régénérations seront opérées avec une quantité de suie supérieure à la masse limite en suie.
Suivant un mode de gestion plus complexe, la régénération peut être déclenchée lorsque le filtre atteint une certaine charge en suies qui est déterminée en fonction de l'augmentation de la perte de charge occasionnée sur la ligne par le filtre.
Ainsi, plusieurs procédés et dispositifs ont été développés pour optimiser les opérations de régénération, qui utilisent une estimation du chargement réel du filtre. Cette estimation de la charge réelle en suie est le plus souvent déduite de la mesure de la pression différentielle régnant entre l'amont et l'aval du filtre.
Parmi ceux-ci, on peut citer la demande FR 2 774 421 qui propose un procédé de gestion de la régénération s' appuyant sur une valeur seuil maximale de la perte de charge pour le déclenchement de la phase de régénération. La demande FR
2 829 798 propose un système plus élaboré comprenant une étape de détermination de l'état de chargement en suie d'un filtre catalysé soit par une estimation via un modèle soit par une mesure de perte de charge, le choix entre mesure et estimation dépendant des conditions de roulage.
On connaît également de la demande EP 587 146, un procédé de régénération d'un filtre à particules incluant de des moyens de contrôle basés sur une mesure de la perte de charge. Selon ce document, la régénération du filtre est déclenchée si le chargement du filtre excède une valeur prédéterminée. Ce chargement est déduit de la pression différentielle régnant entre l'entrée et la sortie du filtre et d'une grandeur caractéristique du débit volumique des gaz traversant le filtre. Tous les procédés décrits à ce jour ne tiennent cependant pas compte des variations possibles des propriétés de filtration qui existent d'un filtre à un autre, même si ceux-ci sont de même nature, c'est-à-dire obtenus sur la base des mêmes matériaux et par un procédé de fabrication analogue .
En particulier, dans toutes les configurations décrites à ce jour, il est constant que les procédés de gestion des phases de régénération font toujours référence à des valeurs seuils prédéterminées de la perte de charge au-delà de laquelle commence et éventuellement se termine la régénération. Ces valeurs seuils sont le plus souvent décrites comme extrapolées d'un modèle ou comme déterminées à l'avance et moyennées sur une population représentative de filtres.
On voit donc que la résolution du problème spécifique du contrôle des phases de régénération de filtres dans une ligne d'échappement évolue vers des systèmes complexes et coûteux de gestion, les procédés les plus avancés nécessitant par exemple la prise en compte de données de plus en plus nombreuses pour caractériser l'état de chargement du filtre (tels que perte de charge, régime moteur, température, débit de gaz traversant le moteur, etc..) .
Parallèlement à cette complexification et toujours dans un but de contrôler plus efficacement les phases de régénération, les constructeurs automobiles imposent maintenant des cahiers des charges de plus en plus sévères en ce qui concerne les spécifications des filtres à particules.
Ces spécifications concernent notamment les caractéristiques du filtre en terme de filtration et de perte de charge. En particulier la dispersion de la perte de charge, c'est-à-dire sa variation d'un filtre à un autre, doit être la plus faible possible autour d'une valeur cible.
Le premier objet de la présente invention est de remédier aux problèmes précédemment exposés de gestion des phases de recyclage en proposant un procédé de calibrage et de gestion propre à chaque filtre, permettant en outre d'optimiser, de sécuriser et de simplifier les opérations propres à la régénération, par rapport aux procédés décrits dans l'art antérieur. Une telle gestion améliorée permet au final d'augmenter la durée de vie du filtre dans la ligne d' échappement .
Un second objet de la présente invention est de fournir un procédé simple et économique permettant de qualifier des filtres sur la base de spécifications plus souples qu'à l'heure actuelle. En particulier, par application de la présente invention, il devient possible de qualifier une population de filtres dont les variations, d'un filtre à un autre, de la perte de charge engendrée sur une ligne d'échappement sont relativement importantes, sans pour autant augmenter les risques de détérioration du moteur ou d' endommagement du filtre en raison d'un déclenchement trop précoce ou trop tardif de la phase de régénération.
Plus précisément, la présente invention se rapporte à un procédé de calibrage et/ou de gestion d'une ligne d'échappement d'un véhicule à moteur comprenant un filtre à particules X, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) une étape initiale, sur une population représentative dudit filtre, de mesure de l'augmentation de la perte de charge (ΔPMSL)Q en fonction du débit Q des gaz d'échappement traversant ledit filtre, (ΔPMSL)Q étant associée à un chargement limite en particules de suies présentes dans un filtre, seuil de déclenchement d'une phase de régénération du filtre lors du fonctionnement du moteur, b) une étape de mesure, en fonction du débit de gaz Q traversant le filtre et en l'absence de particules de suies, de la perte de charge (ΔP(x)sans SUieS)Q spécifique dudit filtre X, c) une étape de détermination, sur la base des valeurs obtenues par les étapes a) et b) , d'une valeur limite de perte de charge (ΔP(X)iim)Q, seuil de déclenchement d'une phase de régénération, ladite valeur étant caractéristique dudit filtre et obtenue par exemple par la relation :
(AP(X)IXm)Q = (ΔP(χ)Sans suies ) Q + (ΔPMSL)Q^
La valeur seuil de perte de charge (ΔP(X)iim)Q correspondant typiquement à une perte de charge engendrée par une charge en suies supportée par le filtre X et spécifique à celui-ci, au delà de laquelle un risque important de régénération sévère est présent, pouvant conduire potentiellement à une dégradation irréversible du filtre. Au contraire de l'art antérieur, cette valeur limite de la perte de charge n'est pas prédéterminée (par exemple à partir de mesures effectuées sur une famille représentative de filtres) mais selon l'invention est spécifique du filtre X sur lequel le présent procédé a été mis en œuvre. Selon l'invention, (ΔPMSL)Q correspond à la contribution spécifique à la perte de charge de la somme des particules de suies présentes dans les pores et sur les parois internes du filtre, au seuil de déclenchement d'une phase de régénération. Cette valeur est par exemple déterminée précocement lors d'une campagne de mesures effectuée sur une population représentative de filtres. Par exemple, on peut mesurer sur une série d'au moins 10 filtres propres, c'est-à-dire sans suies ni résidus, en fonction du débit de gaz traversant les filtres, une valeur moyenne de la perte de charge occasionnée dans une ligne d'échappement par la structure poreuse, en l'absence de toute particule. De préférence, les mesures de pertes de charge sont réalisées sur un banc configuré pour correspondre sensiblement aux données techniques de la ligne d'échappement du véhicule incorporant ledit filtre. On peut également déterminer, sur cette même série de filtres, en fonction du débit de gaz, une valeur moyenne de la perte de charge occasionnée par un filtre chargé à sa masse limite en suies, c'est-à-dire de telle manière qu'une phase de régénération provoque sa dégradation irréversible. On obtient ainsi, en fonction du débit Q, un terme (ΔPMSL)Q, moyenne sur l'échantillon représentatif des filtres, par différence entre les valeurs obtenues précédemment de la perte de charge des filtres chargés à leur masse limite en suies et de la perte de charge occasionnée par ces mêmes filtres lorsque ceux-ci sont propres.
De façon surprenante, les études effectuées par la demanderesse ont montré que les variations du terme (ΔPMSL)Q ainsi déterminé étaient relativement faibles d'un filtre à un autre au sein d'une population de filtre, pourvu que leurs conditions de fabrication soient sensiblement identiques.
Par exemple, le mode opératoire de détermination de la masse limite en suies peut être le suivant :
Une population de filtres neufs d'au moins dix filtres est soumise successivement aux étapes suivantes : Dans un premier temps, chaque filtre est monté avec son caning sur un banc moteur équipé d'un dispositif de mesure de la perte de charge, de manière à reproduire une ligne d'échappement, idéalement correspondant à celle équipant le véhicule qui disposera du format de filtre ainsi caractérisé.
Dans un deuxième temps, le moteur, par exemple du type DWlOA de PSA 2L injection Diesel, est mis en marche à pleine puissance à 4000 tours/minute pendant 30 minutes afin de stabiliser thermiquement les filtres montés comme décrit préalablement, c'est-à-dire avec leur gainage. Les filtres sont ensuite démontés et pesés avec leur gainage pour déterminer une masse initiale. Les filtres sont alors remontés sur le banc moteur puis soumis pendant des durées différentes à un fonctionnement du moteur à 3000 tours/minute pour un couple de 50 Nm afin d'être chargés à différentes masses de suie. Les filtres numérotés sont ensuite pesés et la masse de suie déterminée pour chaque filtre par la différence entre la masse obtenue et la masse initiale.
Les filtres ainsi chargés sont remontés sur la ligne pour subir une régénération sévère définie comme suit: après une stabilisation à un régime moteur de 1700 tours/minute pour un couple de 95Nm pendant 2 minutes, une post-injection est réalisée avec 70° de phasage pour un débit de post injection de 18mm3/coup. Une fois la combustion des suies initiée, plus précisément lorsque la perte de charge diminue pendant au moins 4 secondes, le régime du moteur est abaissé à 1050 tours/minute pour un couple de 40Nm pendant 5 minutes afin d'accélérer la combustion des suies. Le filtre est ensuite soumis à un régime moteur de 4000 tours/minute pendant 30 minutes afin d'éliminer les suies restantes.
Les filtres ainsi régénérés sont inspectés après découpe pour révéler la présence éventuelle de fissures visibles à l'oeil nu. Sur la totalité des filtres, on peut ainsi déterminer une masse limite en suie, seuil d'apparition de fissures . En général, les valeurs des chargements limites en particules de suie sont fonctions de la résistance thermomécanique intrinsèque des filtres et elles dépendent donc principalement des caractéristiques intrinsèques du filtre, en particulier de la nature du matériau constituant ses parois filtrantes et de sa microstructure (volume de porosité ouverte, distribution de taille de pores, conductivité thermique, coefficient d'expansion thermique, module de rupture et d'élasticité, etc..) sans que l'on puisse aujourd'hui précisément modéliser cette relation de dépendance .
De préférence, les étapes b) et c) sont effectuées sur le filtre (X) lorsque celui-ci est installé dans la ligne d'échappement du véhicule. Par exemple, (ΔP(x)sans SUieS)Q est déterminée à partir de différents points de fonctionnement du moteur, en particulier à partir de la mesure ou de l'estimation du débit des gaz d'échappement pour chacun des points de fonctionnement.
La valeur (ΔP(x)sans SUies)Q peut être déterminée par application d'un modèle d'extrapolation de la perte de charge, par exemple du type quadratique : (ΔP(x)sans SUieS)Q = aQ2 + bQ + c où a, b et c sont des coefficients déterminables typiquement par une méthode du type moindre carré. Selon un mode possible, les étapes b) et c) sont effectuées sur un filtre neuf, par exemple à la sortie d'usine de fabrication du véhicule.
Selon un autre mode, les étapes b) et c) sont effectuées à intervalles réguliers sur un filtre usagé mais exempt de suies, par exemple après une phase prolongée de régénération du filtre.
Dans ce mode, on intègre alors de préférence à la valeur (ΔPMSL)Q une composante additionnelle, pour tenir compte de l'augmentation de la perte de charge occasionnée par des résidus imbrûlables au cours des cycles de régénération successifs .
Ladite composante additionnelle peut par exemple être estimée à partir du kilométrage du véhicule et/ou de données techniques préenregistrées.
Selon l'invention, le filtre peut comprendre en outre une composante catalytique et le filtre peut être à base de carbure de silicium SiC.
L' invention se rapporte également à un système de gestion d'une ligne d'échappement intégrant des moyens de mise en œuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes .
Les buts, aspects et avantages de la présente invention, seront mieux compris à la lecture de la description présentée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et en se référant à la figure annexée. La figure illustre une vue schématique d'un moteur à combustion interne dont la ligne d'échappement est équipée d'un filtre à particules et de moyens mettant en oeuvre le procédé selon l'invention.
Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés sur la figure jointe. La structure générale d'un moteur à combustion interne référencé 1 est représentée, par exemple un moteur diesel pour véhicule automobile à quatre cylindres et injection directe de carburant. Le moteur 1 est équipé d'un système ou ligne d'échappement 5 incluant des moyens de la filtration 6 des particules émises. De façon classique, le moteur 1 est alimenté en air à travers un circuit d'admission 2. Un ou plusieurs capteurs 9 équipent ce circuit d'admission pour fournir à un calculateur de contrôle moteur 3 des informations concernant la pression, la température ou encore le débit de l'air d'admission.
L'alimentation en carburant est assurée par exemple par des injecteurs électromagnétiques 10 débouchant dans les chambres de combustion du moteur et pilotés par le calculateur 3 à partir d'un circuit de carburant sous pression 4 de type rampe commune.
En sortie du moteur 1, les gaz d'échappement, évacués par la ligne 5 traversent un filtre à particules 6. Différents capteurs, en particulier des capteurs de pression 7 et de température 8 sont placés en amont et en aval du filtre 5 et fournissent au calculateur de contrôle moteur 3 des informations sur les paramètres correspondants.
De façon connue, en dehors des phases de régénération, le calculateur d'injection 3 commande donc à partir des informations délivrées par les différents capteurs et en particulier de la masse d'air admise et du régime moteur, ainsi qu'à partir de formules et de calibrations mémorisées permettant le réglage optimal du moteur, le fonctionnement des injecteurs et notamment l'instant de début d'injection et la durée d'ouverture des injecteurs, c'est-à-dire la quantité de carburant injectée et donc la richesse du mélange remplissant les chambres de combustion.
Le calculateur d'injection 3 se compose de manière connue d'un microprocesseur ou d'une unité centrale du type CPU, de mémoires vives RAM, de mémoires mortes ROM, de convertisseurs analogiques-numériques A/D et des interfaces d'entrée et de sortie nécessaires.
De façon connue, le microprocesseur du calculateur d'injection 3 comporte des circuits électroniques et des logiciels appropriés pour traiter les signaux en provenance de différents capteurs reliés, en déduire les états du moteur et générer les signaux de commande appropriés à destination notamment des différents actuateurs pilotés tel que décrits précédemment. Il peut également commander éventuellement des moyens d'aide à la régénération, par exemple un brûleur, un système de contrôle du type vanne EGR ou un système de pilotage de turbocompresseur.
Selon l'invention, le calculateur 3 est également adapté pour assurer le bon fonctionnement du système d'échappement et notamment du filtre à particules 6. En particulier, le calculateur 3 déduit, à partir des informations fournies notamment par les capteurs 7 et 8, le seuil de déclenchement et éventuellement d'arrêt des phases de régénération selon des stratégies adaptées et évolutives, comme il sera décrit par la suite. Cette phase de régénération consiste essentiellement à augmenter la température des gaz d'échappement traversant le filtre 6 de façon à enflammer les particules piégées.
Différents moyens pour élever la température des gaz d'échappement peuvent être employés. Cette élévation de la température des gaz d'échappement est par exemple réalisée par une simple commande des injecteurs en injectant en phase détente une quantité additionnelle de carburant et ce, pendant un nombre donné de cycles du moteur.
Le calculateur 3 est en particulier adapté pour mettre en oeuvre le procédé de calibration et de gestion selon l'invention, tel que décrit précédemment.
Plus précisément, selon l'invention, une cartographie de l'augmentation moyenne de la perte de charge (ΔPMSL)Q associée aux particules de suie est implantée dans le calculateur 3. Cette cartographie comprend la loi de variation de la valeur moyenne (ΔPMSL)Q en fonction du débit Q des gaz d'échappement traversant ledit filtre. Tel que déjà décrit, on rappelle que (ΔPMSL)Q est la perte de charge moyenne engendrée par la masse des particules de suie présentes dans un filtre, au seuil de déclenchement d'une phase de régénération. Bien évidemment, cette cartographie du paramètre moyen (ΔPMSL)Q tient compte également de toute correction nécessaire, notamment liée à l'influence et aux effets des variations possibles de la température des gaz dans la ligne d'échappement. Cette cartographie a été déterminée au préalable par toute technique connue, par exemple à partir d'une campagne de tests pratiquée sur une population de filtres de même nature, c'est-à-dire sensiblement obtenus à partir des mêmes matériaux initiaux et en utilisant un procédé de fabrication sensiblement identique. De préférence ladite cartographie est obtenue tel qu'il a été précédemment décrit.
Selon l'invention, dès les premiers tours de roue du véhicule, une mesure de la perte de charge occasionnée par le filtre embarqué est réalisée à différents régimes du moteur. Par exemple, à titre purement illustratif, l'opérateur en charge de conduire le véhicule neuf sur le parking de stockage, stabilise le moteur à 1000 tr/min sans enclencher de vitesse pendant le temps nécessaire au calculateur pour obtenir une première valeur de la perte de charge spécifique au filtre embarqué dans la ligne, correspondant à un premier débit de gaz, qui est par exemple mesuré par un capteur 9. Le même protocole est appliqué pour des valeurs de la vitesse de rotation du moteur différentes, par exemple comprise entre 2000 et 3000 tr/min.
Le calculateur va ainsi récupérer une pluralité de mesures de la perte de charges, chacune correspondant à un débit de gaz.
Par l'application d'un modèle d'extrapolation de la perte de charge le calculateur obtient une cartographie de la perte de charge (ΔP(x)sans SUieS)Q spécifique du filtre embarqué sur la ligne d'échappement.
Par exemple, le modèle d'extrapolation est du type quadratique (ΔP(x)sans SUie)Q = aQ2 + bQ + c, et la détermination des coefficients a, b et c est obtenue par une méthode de type moindre carré.
Le calculateur calcule alors de manière instantanée, sur la base des cartographies ainsi disponibles, une nouvelle cartographie de la valeur limite de la perte de charge (ΔP(X)iim)Q, seuil de déclenchement d'une phase de régénération, par l'application de la relation simple
(AP(X)I11n)Q = (ΔP(x)sans suies)Q + (ΔPMSL)Q. Selon l'invention, la valeur ainsi calculée est caractéristique et spécifique du filtre x et donc beaucoup plus précise que les valeurs de déclenchement prédéterminées de l'art antérieur. Sur la base de cette nouvelle cartographie, le calculateur 3 déclenche ensuite de manière classique les phases de régénération successives à partir des mesures obtenues grâce aux différents capteurs 7, 8 et 9 lorsque cela est nécessaire. Les procédures de déclenchement décrites dans les demandes FR 2 774 421, FR 2829 798 ou encore EP 587 146 peuvent par exemple être utilisées.
Cette détermination « in situ », spécifique à chaque filtre, permet très avantageusement de qualifier des filtres sur la base de spécifications plus souples qu'à l'heure actuelle. En particulier, il devient possible d'utiliser sans conséquence une population de filtres dont les variations, d'un filtre à un autre, de la perte de charge engendrée sur une ligne d'échappement, avec ou sans suies, sont relativement importantes, sans augmenter les risques de détérioration du moteur ou d' endommagement du filtre en raison d'un déclenchement trop précoce ou trop tardif de la phase de régénération. En outre, le procédé tel qu'il vient d'être décrit a aussi l'avantage de s'affranchir des variations liées aux éventuelles imprécisions dans les mesures effectuées en laboratoire en raison par exemple de l'utilisation d'un type différent de capteurs, puisque les différentes mesures
(pression, température) sont déterminées avec les capteurs du véhicule intégrant le filtre à calibrer.
Sans sortir du cadre de l'invention, le présent procédé de calibration et de gestion peut avantageusement également être utilisé de façon dynamique, évolutive et prolongée sur toute la durée de vie du filtre et/ou du véhicule. Par exemple, le protocole précédemment exposé peut être réitéré par le calculateur lors d'un changement de filtre. Il peut être également mis en œuvre à intervalles périodiques, par exemple tous les 10 000 kilomètres, sur un filtre en service mais débarrassé de ses suies, c'est-à-dire typiquement après une régénération ayant une durée prolongée, par exemple double, par rapport à la durée nominale d'une régénération simple, ceci afin d'être certain que l'ensemble des suies ont été brûlées.
Une telle utilisation incorpore alors de préférence cependant la réévaluation du terme (ΔPMSL)Q. Une perte de charge additionnelle est de préférence intégrée à (ΔPMSL)Q, qui traduit l'augmentation de la perte de charge occasionnée par la présence des résidus imbrûlables accumulés sur le filtre au cours des cycles successifs. Cette composante additionnelle peut par exemple être préalablement mesurée sur une population représentative dudit filtre en fonction de la masse de résidus de façon similaire à la méthode de mesure de la composante (ΔPMSL)Q, par exemple telle que précédemment exposée. La masse de résidus peut notamment aussi être estimée par exemple selon le modèle du véhicule et en fonction du kilométrage.
D'autres réalisations sont bien évidemment possibles sans sortir du cadre de l'invention. En particulier :
- le procédé peut être appliqué sur un filtre catalysé, le procédé n'est pas limité exclusivement aux système de combustion sur véhicule mais peut être utilisé sur tout système statique diesel, essence ou d'un autre carburant, dès lors qu'intervient un processus de régénération d'un filtre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de calibrage et de gestion d'une ligne d'échappement d'un véhicule à moteur comprenant un filtre à particules (X) , ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) une étape initiale, sur une population représentative dudit filtre, de mesure de l'augmentation de la perte de charge (ΔPMSL)Q en fonction du débit Q des gaz d'échappement traversant ledit filtre, (ΔPMSL)Q étant associée à un chargement limite en particules de suies présentes dans un filtre, seuil de déclenchement d'une phase de régénération du filtre, lors du fonctionnement du moteur, b) une étape de mesure, en fonction du débit de gaz Q traversant le filtre et en l'absence de particules de suies, de la perte de charge (ΔP(x)sans SUieS)Q spécifique dudit filtre (X) , c) une étape de détermination, sur la base des valeurs obtenues par les étapes a) et b) , d'une valeur limite de perte de charge (ΔP(X)iim)Q, seuil de déclenchement d'une phase de régénération, ladite valeur étant caractéristique dudit filtre et obtenue par la relation :
(ΔP(χ)lim)Q = (ΔP(x)sans su;Les) Q + (ΔPMSL)Q^
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les étapes b) et c) sont effectuées sur le filtre (X) lorsque celui- ci est installé dans la ligne d'échappement du véhicule.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel
(ΔP(X)sans suies) Q est déterminée à partir de différents points de fonctionnement du moteur, en particulier à partir de la mesure ou de l'estimation du débit des gaz d'échappement pour chacun des points de fonctionnement.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la valeur (ΔP(x)sans Suies) Q est déterminée par application d'un modèle d'extrapolation de la perte de charge, par exemple du type quadratique : (ΔP(x)sans suies) Q = aQ2 + bQ + c où a, b et c sont des coefficients déterminables typiquement par une méthode du type moindre carré.
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les étapes b) et c) sont effectuées sur un filtre neuf, par exemple à la sortie d'usine de fabrication du véhicule .
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les étapes b) et c) sont effectuées à intervalles réguliers sur un filtre usagé mais exempt de suie, par exemple après une phase prolongée de régénération du filtre.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on intègre à la valeur (ΔPMSL)Q une composante additionnelle, pour tenir compte de l'augmentation de la perte de charge occasionnée par des résidus imbrûlables au cours des cycles de régénération successifs.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite composante additionnelle est estimée à partir du kilométrage du véhicule et/ou de données techniques préenregistrées .
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le filtre comprend en outre une composante catalytique .
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le filtre à base de carbure de silicium SiC.
11. Système de gestion d'une ligne d'échappement intégrant des capteurs de pression (7) et de température (8) placés en amont et en aval du filtre (5) reliés au calculateur de contrôle moteur (3) , ledit calculateur étant adapté à la mise en œuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes et incorporant une cartographie de l'augmentation moyenne de la perte de charge (ΔPMSL)Q associée à un chargement limite en particules de suies, au seuil de déclenchement d'une phase de régénération.
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