PROCEDE ET Dl SPOSI Tl F DE CONTROLE DE LA REGEN ERATI ON D'UN

SYSTEME DE DEPOLLUTI ON

La présente invention se situe dans le domaine des moteurs à combustion interne et plus particulièrement les moteurs type Diesel, puisqu'ils rejettent des particules. En effet, cette invention concerne notamment la gest ion des f ilt res à part icules ou FAP.

Elle s'applique notamment sur tout véhicule équipé d'un filtre à particules, mais aussi dans le cas de l'utilisation d'un injecteur additionnel pour des stratégies de purge d'un piège à oxyde d'azote (NOxTrap), ou sa désuif atat ion.

Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est à dire qu'en fonctionnement normal ils piègent les polluants, pour les traiter uniquement lors de phases de régénération. Pour être régénérés, ces filtres, ou pièges, nécessitent des modes de combustion spécifiques, afin de garantir les niveaux de thermique et /ou de richesse nécessaires.

Pour régénérer les filtres à particules, on peut procéder à une ou plusieurs injections retardées dans les chambres de combustion du moteur, après le point mort haut (FMH), lors de la phase de détente, ces injections ayant pour effet d'augmenter la température des gaz à l'échappement. Le gasoil injecté longtemps après le PMH, ne brûle pas dans la chambre de combustion, mais dans la partie catalytique de la ligne d'échappement. Toujours afin de diminuer les émissions polluantes, on peut en effet disposer en plus du FAP, soit un catalyseur d'oxydation (DOC) dans la ligne d'échappement, en amont du FAP, soit directement un matériau catalytique (tel que le platine) au sein du FAP. Cest sur ces sites catalytiques, que les HC et CO des injections tardives s'oxydent, augmentant la température des gaz.

Enfin, en augmentant le débit d'une post injection éloignée, celle-ci provoque de fortes émissions de HC et de CXD en sortie du moteur. Ces agents réducteurs réagissent dans le catalyseur d'oxydation avec l'oxygène présent dans les gaz d'échappement, en produisant de la chaleur, qui contribue à augmenter la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules.

Ainsi, la régénération d'un filtre à particules peut utiliser la chaleur produite par un catalyseur d'oxydation généralement placé en amont du filtre à particules, et celle de la phase catalytique dont est revêtu le filtre à particules catalytique. Cette dernière réalise la fonction d'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone non traités par le catalyseur d'oxydation. Elle peut aussi utiliser la chaleur produite par la phase d'oxydation du filtre à particules catalytique, lorsqu'il n'y a pas de catalyseur d'oxydation en amont de celui-ci.

La mise en action des différents moyens d'aide à la régénération, est généralement pilotée par le calculateur de contrôle moteur, qui détermine, en fonction de plusieurs paramètres, dont le chargement en suies du filtre à particules, l'instant de la régénération, ainsi que sa durée et les paramètres d' inj ect ion pendant cette phase.

Or, pour améliorer l'efficacité de la régénération, il est nécessaire de produire une température interne au filtre, favorable à l'oxydation des suies

(570-650 ⁰ C), supérieure à la température normale de l'échappement, et ce quel que soit le point de fonctionnement du moteur. De même, pour optimiser le traitement de l'ensemble des polluants, il est nécessaire de gérer au mieux les phases de stockage et de régénération de ces pièges. Ces opérations nécessitent donc de contrôler la température en entrée du filtre à particules, au moment des phases de régénération, et la dilution due à la post injection.

Actuellement, la chaleur nécessaire à la régénération des éléments de stockage de particules, est générée au moyen d'injections supplémentaires, soit

pendant la phase de détente du cylindre, soit directement dans la ligne d'échappement. Le réglage de l'injection s'effectue en général par un bouclage sur la température en sortie du catalyseur d'oxydation T _SD ocau moyen d'un Pl D (Proportionnel, Intégrateur, Dérivateur), qui applique une correction calculée pour réguler cette température.

Les deux actionneurs dont on dispose pour réaliser l'exotherme attendu dans la phase catalytique de la ligne d'échappement, ne sont pas égaux devant le critère dilution de carburant dans l'huile de lubrification.

L'utilisation d'une post- injection dans le cylindre crée un surcoût important en matière de dilution, alors que le recours à l'injection directe à l'échappement, peut permettre d'assouplir la mise au point du système sur cet aspect .

La présente invention a pour objectif de maximiser les performances de régénération du filtre à particules, en privilégiant l'injection de réducteurs dans la ligne d'échappement à la post-injection, afin de limiter le coût dilution lié à l'utilisât ion de la post -injection.

Dans ce but, elle propose que le débit de carburant introduit, soit affecté aux injections directes dans la ligne d'échappement et/ou aux injections retardées dans les chambres de combustion, selon la valeur de la température de la paroi.

De préférence, l'injection de carburant dans la ligne d'échappement est limitée à une zone des plus faibles charges, et à une zone des plus fortes charges du moteur, et le débit de carburant injecté dans la ligne d'échappement est limité à un débit maximum, au delà duquel le carburant injecté ne serait pas complètement oxydé dans celle-ci.

L'invention propose aussi un dispositif comprenant un premier capteur de température en amont de la turbine, un catalyseur d'oxydation, un deuxième capteur de température mesurant la température en entrée d'un système de

dépollution, le système de dépollution, et un moyen de détermination de température de paroi de la ligne d'échappement.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante, d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins, sur lesquels :

- la figure 1 montre un exemple d'application de l'invention,

- la figure 2 montre la répartition des injections en fonction des condit ions à l'échappement ,

- la figure 3 présente la méthode de détermination de la température de paroi,

- la f igure 4 est un schéma bloc de la commande, et

- la figure 5, présente des tracés de saturation de la quantité de carburant injecté dans la ligne d'échappement (cinquième injecteur), pour trois t empér at ur es de par oi . La figure 1 illustre de façon non limitative l'application de l'invention sur un moteur de véhicule. Elle fait apparaître un moteur à quatre cylindres 1, la turbine 2 et le compresseur 3 d'un turbocompresseur, ainsi qu'une boucle EGR et son ref roidisseur 4. Dans la ligne d'échappement, on trouve un catalyseur d'oxydation 7 (DOC), suivi d'un filtre à particules 8 (FAP). Un injecteur de carburant à l'échappement 9, dit cinquième injecteur, est placé en amont du catalyseur 7. Les différents capteurs associés, sont un capteur de température avant turbine (T _avt ) 11, un capteur de température d'entrée de filtre à particules (T _efap ) 13, un capteur de température en sortie de filtre à particules (Tes _f a _p ) 14, une sonde à oxygène 16, et un capteur de pression différentielle 17, ou capteur de pression relative, entre l'amont du filtre et l'atmosphère. Enfin, le schéma mentionne le papillon d'admission du moteur 8, la valve EGR 19, et les moyens d'isolation de la ligne d'échappement 21. Le calculateur moteur associé 22, reçoit et traite les signaux émis par les capteurs mentionnés, ainsi que

d'autres informations en provenance de consommateurs électriques 23, du groupe moto ventilateur 25, d'un thermostat piloté 26, et de capteurs de température et de pression atmosphérique 27, 28.

Dans le cadre de l'invention, l'inj ecteur supplémentaire positionné dans la ligne d'échappement, ou cinquième inj ecteur 9, peut cependant être placé, soit en amont soit en aval de la turbine, sans que cet emplacement ait d'incidence sur la stratégie proposée. Le dispositif concerné par l'invention comprend donc les éléments suivants: un inj ecteur à l'échappement 9, un premier capteur de température 11 en amont de la turbine, un catalyseur d'oxydation 8, un deuxième capteur de température 12 mesurant la température

T _efap en entrée d'un système de dépollution, le système de dépollution 8, et un moyen de détermination de température de paroi T _parol , de la ligne d'échappement. Conformément à l'invention, le moyen de température de paroi peut être un modèle de calcul intégré dans le calculateur, ou un capteur de température de paroi (non représenté). Enfin, le système de dépollution 8 peut être, soit un filtre à particules, soit un autre système tel qu'un piège à oxydes d'azotes, et l'inj ecteur à l'échappement 9 peut être positionné en amont, ou en aval, de la turbine.

Comme indiqué plus haut, l'invention prévoit de répartir la quantité du carburant Q _re d, permettant d'atteindre la température désirée en entrée du filtre à particule, entre un inj ecteur supplémentaire implanté dans le passage des gaz d'échappement , et la post-inj ect ion.

Rus précisément, la quantité de réducteurs Q _red commandée par la stratégie de contrôle de température en entrée du filtre à particules sera affectée à l'inj ecteur supplémentaire, Q ₅ ,^, en premier lieu et/ ou à la post injection Q _p0 ,, selon la valeur instantanée de la température de la paroi T _par0 ι, de la ligne d'échappement .

L'invention part du principe que l'inj ecteur à l'échappement ne peut pas être utilisé sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur. En effet, la zone caractérisée par un faible débit des gaz à l'échappement et une faible température de la paroi, ne permet pas une vaporisation satisfaisante du carburant injecté. Par sécurité, il peut aussi être préférable de ne pas utiliser l'inj ecteur à l'échappement dans les zones caractérisées par un fort débit des gaz à l'échappement et une température de paroi élevée, ceci en raison de temps de séjour des réducteurs dans le catalyseur d'oxydation trop faibles, pour permettre d'oxyder la totalité des réducteurs. Conformément à la figure 2, l'injection de carburant dans la ligne d'échappement est donc utilisée uniquement dans certaines plages de fonctionnement du moteur, et limitée par exemple à une zone des plus faibles charges, et à une zone des plus fortes charges du moteur.

La t empér at ur e de la paroi peut être déterminée, soit par un capteur, soit par un modèle intégré dans le calculateur du moteur, en fonction de différents paramètres. Afin de déterminer la température de la paroi T _par0 ι, il est en effet possible d'utiliser un capteur ou un modèle de calcul, intégré par exemple dans le calculateur de contrôle moteur, qui permet de donner une valeur instantanée de T _parol . Cette température est une fonction de différents paramètres mentionnés sur la figure 3, incluant la température des gaz d'échappement avant la turbine d'un turbocompresseur T _avt , la température d'eau T _eau du moteur, le débit des gaz d'échappement Q _eCh , et le débit d'air Q _alr

(mesuré par exemple à l'admission). Le modèle peut utiliser tous ces paramètres, ou seulement une partie d'entre eux, en fonction du point de fonctionnement moteur.

La quantité de carburant à injecter Q _red dépend de la température de la paroi, de la température en sortie du catalyseur d'oxydation DOC ou de la température en entrée du FAP T _efap , et du point de fonctionnement moteur

(débit des gaz d'échappement). La quantité de carburant Q _re d est calculée au moyen d'un module intégré dans le calculateur contrôle moteur. Ce module, illustré par la figure 4, est composé d'un réglage de base du débit de réducteur à injecter (supposé indépendant de l'actionneur), cartographie par point de fonctionnement régi me/ couple moteur, et d'une correction généré par un correcteur de type PID (Proportionnel Intégrateur Dérivateur) dépendant de l'écart de la mesure de température d'entrée du filtre à particules à la température de consigne T _cons .

La capacité de conversion du DOC, qui dépend de la température de la paroi et du débit des gaz le traversant, définit un débit maximum pour le cinquième injecteur, au-delà duquel une partie des réducteurs injecté à l'échappement ne sera pas oxydée. Pour tenir compte de cette contrainte, l'invention prévoit que le débit de carburant Q _5mj injecté dans la ligne d'échappement soit limité à un débit maximum Qι _nJ max, au delà duquel le carburant injecté ne serait pas complètement oxydé dans celle-ci. Rus précisément, le carburant est injecté en priorité dans la ligne d'échappement, tant que le débit injecté Q _mj est inférieur au débit maximum oxydable complètement dans celle-ci Q _lnJ max-

La figure 5 illustre le principe de saturation haute de débit du cinquième injecteur, pour différentes températures de paroi T _parol i, T _parol 2,

T _P a _r oi3- Dans les deux zones où cet injecteur ne peut pas être utilisé, la post- injection sera autorisée, si la stratégie de contrôle de température à l'entrée du FAP requiert la production d'un exotherme dans le DOC.

Lorsque l'utilisation du cinquième injecteur est autorisée, il est saturé en premier, de manière à privilégier son utilisation jusqu'à saturation, en reportant le surplus commandé sur lapost-injection :

- si Qred <05mj maxi, alors Q _51n ] = Qred et Q _po n= O

- si Q _r ed maxi, alors Q _5lnJ ≈Qsmj maxi et Q _pol1 =Q _red - Q _5lnJ maxi.

Ainsi, le surplus de carburant Q _p0 , par rapport au débit oxydable dans la ligne d'échappement Q _mjm a _x , est introduit par des injections retardées dans les chambres de combustion du moteur. De préférence, le calculateur 22 du moteur commande le débit de carburant Q _re d dans l'injecteur dédié de la ligne d'échappement 9, jusqu'à un niveau de saturation du catalyseur 7 d'oxydation, avant de reporter le surplus commandé par la régénération du filtre 8 sur des injections retardées de carburant dans les chambres de combustion du moteur. En cas d'activation simultanée de l'injection à l'échappement et de la post injection, il est préférable que latot alité du carburant injectée suive une rampe de progression, pour rejoindre la valeur de consigne, de manière à éviter qu'une partie du carburant injectée traverse le catalyseur sans avoir réagi. Avec un tel profil d'injection, les réducteurs traversant le catalyseur, en cas de fort débit des gaz à l'échappement et de température de paroi élevée, ont plus de chance de s'oxyder.

Afin d'améliorer la dynamique du système, la présente invention propose de faire varier en priorité le débit de l'injecteur à l'échappement en réponse à une variation de la consigne de débit globale. De cette façon, la post - injection est insensible à la variation de la consigne. Cependant, comme il est préférable de diminuer au maximum la dilution due à la post -injection, l'invention prévoit de rétablir l'équilibre (c'est-à-dire, d'avoir le débit maximal de réducteurs possible à l'échappement et le minimal dans les chambres de combustion du moteur) en augmentant progressivement le débit de réducteurs à l'échappement.

Le modèle de stratégie d'injection de réducteurs dans la ligne d'échappement est intégré à l'ECU du véhicule. Les principales étapes de la stratégie sont les suivantes :

• le modèle détermine tout d'abord une quantité supplémentaire de carburant à injecter (Q _red ) pour le point de fonctionnement considéré, à partir d'une cartographie.

• la mesure de la température en sortie du DOC (ou en entrée du FAP) permet de corriger cette quantité de réducteur, afin de se rapprocher le plus près possible de la température désirée (température consigne) en ent rée du FAP (T _SD oc = T _EF AP)-

• la commande gère ensuite la répartition du carburant supplémentaire entre le cinquième injecteur (Q _51n] ) et lapost injection (Q _po n) suivant les caractéristiques des gaz d'échappement (T _parol et Q _E C _H )- II est possible que seul le cinquième injecteur, ou que seule l'injection tardive, ne fonctionne.

En dernier lieu, il faut préciser que la précision du modèle de calcul de température de paroi, peut limiter l'utilisation de la stratégie proposée. En effet, il est important de pouvoir utiliser l'injecteur additionnel sur la plage de régime charge la plus importante possible, mais il est également important de ne pas l'utiliser, lorsque latempérature de paroi est trop faible. La marge prise sur la valeur de la Tparoi, va directement impacter le champ régime/ charge accessible.