PARTICULES

L’invention a trait au domaine de la dépollution des moteurs à combustion, plus particulièrement à un procédé d’estimation de la charge en suies d'un filtre à particules ainsi qu’un véhicule équipé d’une ligne d’échappement comprenant un filtre à particules et d’un calculateur apte à mettre en oeuvre le procédé.

Le document de brevet publié DE 10 2017 100 500 A1 divulgue un procédé de contrôle de la régénération d’un filtre à particules comprenant plusieurs zones de forme annulaire dans lesquelles la charge en suies et la température sont déterminées séparément. Le déclenchement de la régénération intervient lorsque l’anneau en périphérie atteint une masse critique. Le document a pour objet d’éviter une combustion incomplète des suies dans la périphérie du filtre. Le système connu a le défaut de ne pas prendre en compte l’ensemble du filtre à particules.

Le document de brevet publié FR 2989422 divulgue un procédé d’estimation de la charge en suies d’un filtre à particules basé sur des mesures de pression de gaz d'échappement en entrée et sortie d'un filtre à particules ainsi que sur une mesure d’un débit des gaz d’échappement. Ce document ne prend pas en compte le problème d’inhomogénéité de la charge en suies, ce qui réduit la plausibilité de l’estimation de la charge en suies.

L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif d’améliorer l’estimation de la charge en suies d’un filtre à particules.

L’invention a pour objet un procédé pour estimer la charge en suies d’un filtre à particules dans un conduit de gaz d’échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes : modéliser le filtre à particules en au moins deux zones, remarquable par déterminer pour chaque zone du filtre à particules, un paramètre représentatif d’une densité d’une charge en suies dans la zone en question et sélectionner un mode de détermination d’une masse de suies accumulées dans l’ensemble du filtre à particules en dépendance d’au moins deux paramètres représentatifs de la densité de la charge en suies déterminés à l’étape précédente.

Avantageusement, le mode de détermination de la masse de suies accumulées dans le filtre à particules est au moins une détermination de la masse de suies dans le filtre à particules basée sur au moins une différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre à particules ou une détermination de la masse de suies dans le filtre à particules basée sur la somme des masses déterminées pour chaque zone.

Avantageusement, le paramètre représentatif de la densité de la charge en suies pour une zone donnée est basé sur une masse de suies accumulées déterminée pour la zone en question.

Avantageusement, la sélection du mode de détermination de la masse de suies accumulées dans le filtre à particules est fonction d’une comparaison entre les au moins deux paramètres représentatifs de la densité de la charge en suies.

Avantageusement, la détermination de la masse de suies dans le filtre à particules est basée sur au moins une différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre à particules lorsque au moins deux valeurs correspondant aux au moins deux paramètres représentatifs de la densité de la charge en suies sont égales ou la valeur absolue d’un écart entre deux des au moins deux valeurs est inférieure ou égale à un premier seuil.

Avantageusement, la détermination de la masse de suies dans le filtre à particules est basée sur la somme des masses déterminées pour chaque zone du filtre à particules, lorsque les au moins deux valeurs correspondant aux au moins deux paramètres représentatifs de la densité de la charge en suies sont différentes ou la valeur absolue de l’écart entre deux des au moins deux valeurs est supérieure au premier seuil.

Avantageusement, chaque zone du filtre à particules est modélisée avec un modèle OD et au moins une des variables modélisées pour une des au moins deux zones est(sont) au moins une température dans la zone en question, une exotherme de combustion dans la zone en question, un débit de suies brûlées dans la zone en question et/ou une masse de suies accumulées dans la zone en question. Avantageusement, au moins une des entrées du modèle OD pour la zone en question est(sont) au moins une pression partielle d’Oxygène en amont du filtre à particules, un débit de gaz d’échappement , un débit de suies, et/ou une température des gaz d’échappement entrant dans la zone en question.

Avantageusement, une pluralité de cylindres de délimitation des au moins deux zones est prévue, chacune des au moins deux zones étant délimitée en partie par au moins un cylindre parmi les cylindres de délimitation, les cylindres de délimitation étant coaxiaux ou parallèles entre eux.

L’invention concerne aussi un véhicule comportant un moteur à combustion interne à injection directe et/ou allumage commandé, une ligne d'échappement comprenant un filtre à particules et un calculateur adapté à mettre en œuvre le procédé.

Préférentiellement, le paramètre représentatif de la densité de la charge en suies pour une zone donnée est le rapport entre la masse de suies accumulées dans la zone rapportée au volume effectif de la zone.

L’invention peut également avoir pour objet un procédé pour estimer la charge en suies d'un filtre à particules dans un conduit de gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, comprenant les étapes suivantes :

- modéliser le filtre à particules en au moins deux zones ;

- déterminer pour au moins une de ces zones du filtre à particules une masse de suies ;

remarquable en ce que

la au moins une de ces zones du filtre à particules est modélisée avec un modèle OD et au moins une des variables modélisées pour la zone en question est(sont) au moins une température dans la zone en question, une exotherme de combustion dans la zone en question, un débit de suies brûlées dans la zone en question et/ou une masse de suies accumulées dans la zone en question.

Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent d'éviter de sous-estimer la quantité de suies dans le filtre à particules et éviter une libération excessive d’énergie en phase de régénération, évitant une usure thermique prématurée du filtre à particules. Elles permettent aussi d’établir des données susceptibles de recalibrer le modèle d’estimation de charge en suies.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels :

- La figure 1 illustre un logigramme du procédé selon l’invention ;

- La figure 2 représente un filtre à particules avec deux zones modélisées ;

- La figure 3 illustre deux modèles OD correspondant aux deux zones avec les grandeurs d’entrée et les variables modélisées associées ;

- La figure 4 représente deux configurations de filtres à particules comprenant deux zones.

La figure 1 décrit les étapes qui permettent d'estimer la charge en suies d'un filtre à particules 10 (acronyme FAP) dans un conduit de gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne selon l’invention. Des masses de suies accumulées msuiesi , m _SUies 2 sont déterminées dans deux zones 1 1 , 12 du filtre à particules à l’aide d’une modélisation numérique, par exemple. La figure 2 représente les deux zones 1 1 , 12 dont l’une occupe une position centrale tandis que l’autre est en périphérie du filtre à particules 10. Un paramètre d1 , d2 représentatif d’une densité d’une charge en suies dans une zone donnée 1 1 , 12 tel qu’une densité d1 , d2 est ensuite évalué pour chaque zone 1 1 , 12. La densité de charge en suies pour une zone donnée 1 1 , 12 peut être définie comme étant le rapport entre la masse de suies accumulée m _SUies 1 , m _Suies 2 dans la zone 1 1 , 12 rapportée au volume effectif de la zone V1 , V2. Le volume effectif V1 , V2 d’une zone donnée 1 1 , 12 peut être défini par le volume de la zone 1 1 , 12 du filtre à particules 10 ou par le volume des canaux de la zone 1 1 , 12 en question. Egalement, si les zones 1 1 , 12 ont le même volume effectif V1 ,V2, le paramètre d1 , d2 représentatif de la densité de la charge en suies peut être relié directement à la masse m _Suies 1 , m _Suies 2 de suies accumulées dans la zone 1 1 , 12 en question.

La connaissance des valeurs des densités d1 , d2 permet d’évaluer l’homogénéité de la charge en suies dans le filtre à particules 10. Dans certaines conditions, il peut arriver que la périphérie du filtre à particules soit plus chargée en suies que la partie centrale, car la périphérie est relativement plus froide, subissant plus de pertes thermiques que la partie centrale. En conséquence, la partie périphérique du filtre à particules 10 profite moins du phénomène d’autocombustion des suies, s’activant pour une température seuil. Un manque d’homogénéité de la charge en suies fausse l’estimation de la charge en suies. La présente invention propose d’améliorer la détermination de la charge en suies même lorsque le filtre à particules 10 n’est pas chargé en suies de manière homogène.

A cette fin, l'invention sélectionne une méthode d’estimation de charge en suies adaptée à l’état d’homogénéité du filtre à particules 10. Le mode de détermination de la masse m de suies accumulées dans le filtre à particules dans son ensemble est établi en dépendance d’une comparaison entre les deux densités d1 , d2 estimées à l’étape précédente. Si les valeurs correspondant aux deux densités d1 , d2 sont égales ou la valeur absolue de leur écart est inférieure ou égale à un premier seul, il est établi que le chargement en suies du filtre est homogène, et une masse m de suies accumulée dans le filtre à particules peut être évaluée en fonction d’une différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre à particules 10 et optionnellement du débit volumique traversant le filtre à particules 10. Ce mode de détermination de la charge en suies est avantageux, car il découle d’une mesure directe. En effet, la masse m de suies accumulée dans le filtre à particules basée sur des mesures peut servir dans la prise de décision, par exemple pour le déclenchement d’une régénération du filtre à particules 10. Cette masse m peut aussi servir à recalibrer les modèles utilisés pour déterminer les masses msuiesi , m _SU ies2. Il se peut qu’un modèle 0D du filtre à particules (complet) 10 soit aussi recalibré.

Si les valeurs correspondant aux deux densités d1 , d2 sont différentes ou la valeur absolue de leur écart est supérieur au premier seul, il est établi que le chargement en suies dans le filtre à particules est inhomogène. Le masse m de suies accumulées dans le filtre à particules basée sur une différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre à particules 10 et optionnellement sur le débit volumique traversant le filtre à particules n’est pas plausible, car les gaz d’échappement passent préférentiellement dans la partie centrale du filtre à particule 10 moins chargée en suies que la périphérie. Etant donné que la correspondance entre la différence de pression et la masse de suies est calibrée pour une masse homogène, le mode de détermination de la masse m de suies basée sur une différence de pression sous-estime la masse réelle de suies accumulées dans le filtre à particules 10. La masse m de suies accumulées déterminée par une différence de pression ne peut donc pas servir dans la prise de décision, par exemple pour le déclenchement d’une régénération du filtre à particules 10. Dans ce cas, la masse m de suies accumulées basée sur la somme des masses m _SUiesi , msuies2 est préférée à une valeur déduite d’une mesure (par exemple différence de pression), et ce jusqu’à ce qu’il soit estimé que le chargement en suies est redevenu homogène.

En plus des deux modes décrits précédemment, il existe d’autres modes de détermination d’une masse m de suies accumulées dans un filtre à particules tels qu’une méthode de radiofréquence, un modèle 0D du filtre à particules complet, ou un modèle du filtre découpé en plus de deux zones. L’invention ne doit pas être limitée aux deux modes présentés en figure 1 , c.-à-d. la somme des masses m1 , m2 ou une masse de suies accumulée dans le filtre à particules basé sur au moins une différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre à particules.

Le filtre à particules 10 pour les moteurs à allumage commandé, notamment le moteur essence, est dénommé GPF (Acronyme anglo-saxon pour désigner Gasoline Particulate Filter). Dans la suite, afin de faciliter la lecture, il sera fait référence au filtre à particules ou son acronyme FAP, tout en considérant qu’il englobe aussi le concept GPF.

Comme illustré en figure 3, le filtre à particules 10 peut être décomposé en deux modèles 21 , 22 (sous-modèles). Chaque modèle 21 , 22 correspond à une zone 1 1 , 12 du filtre à particules et peut être décrit par modèle du type OD. Un modèle OD est basé sur une ou des équation(s) différentielle(s) dépendant du temps uniquement, contrairement aux modèles 1 D, 2D et 3D qui intègrent une ou des composante(s) spatiales. Le modèle OD selon un mode de réalisation de l’invention est basé sur un bilan de la quantité de suies (conservation de la masse) et un bilan de puissance thermique (conservation d’énergie) dans chaque zone 1 1 , 12 comme illustrée ci- dessous. Le modèle OD pour chaque zone du filtre à particules 10 peut suivre révolution de 4 variables : une température dans la zone en question TFAPI , TFAP2, une exotherme de combustion dans la zone en question ExoTi , ExoÏ2, un débit de suies brûlées dans ladite zone en question Qmsuiescombi , Qm _Suies Comb2 et une masse de suies dans la zone en question msuiesi , m _Suies 2. Les grandeurs d’entrée du modèle OD pour chaque zone du filtre à particules sont une pression partielle d’Oxygène O2 en amont du filtre à particules, un débit de gaz d’échappement Qmgazi , Qmgaz2, un débit des suies Qmsuiesi , Qm _Suies 2 et une température des gaz d’échappement Tgazi , Tgaz2 entrant dans la zone en question.

Pour chaque zone 1 1 , 12, les variables et les grandeurs d’entrée sont indicées i: 1 , 2. La première équation du modèle se rapporte à la conservation de la masse.

avec

⁰ Qrn _{suies i} I ^e débit de suies entrant dans la zone i = 1 , 2 ;

⁰ Qm _sutes comb i I ^e débit de suies brûlées dans la zone i, défini par une loi de type Arrhenius :

avec

o k ₀ la constante cinétique de la réaction suies + 02 -> C02 ; o E _a l’énergie d’activation de cette réaction ;

⁰ JFAP i la température dans la zone i ;

^{0 m} _suies i la masse de suies dans la zone i ;

o R _q2 la pression partielle en 02.

Un bilan de puissance thermique pour déterminer une température de la zone i moyenne est donné par l’équation suivante :

avec

O Qm Q&Z f le débit d’échappement entrant dans la zone i ; o T _{gaz i} la température du débit d’échappement entrant dans la zone i ;

° ^c v _gaz ^{et C} V _FAP ^les capacités thermiques de la zone i ;

o m _{FAP i} la masse de la zone i ;

o hij Sij Tij la contribution des échanges thermiques :

o hij le coefficient d’échange conducto-convectif de la surface j de la zone i ;

o Sij la surface d’échange j de la zone i ;

o Tij la température externe au niveau de surface d’échange j de la zone i ;

o ExoT i l’exotherme de combustion des suies déduit de la vitesse de combustion définie précédemment et de l’enthalpie de la réaction de la zone i :

o T _pAp i la température de la zone i calculée au pas de temps précédent ;

o At le pas de temps du calcul.

La figure 3 représente aussi un module 20 d’estimation permettant de déterminer les grandeurs d’entrée, comme le débit des gaz d’échappement Qmgazi , Qmgaz2 et de suies Qirisuiesi , Qmsuies2, la température des gaz d’échappement entrant Tgazi , Tgaz2 pour chaque zone 1 1 ,12 du modèle 21 , 22 à partir de valeurs mesurées et/ou modélisées, par exemple par cartographie. Le débit des gaz d’échappement Qmgazi , Qmgaz2, le débit de suies Qm _SUiesi , Qm _SuieS 2 et la température des gaz d’échappement Tgazi , Tgaz2 entrant dans chaque zone 1 1 , 12 peuvent être modélisés par des cartographies respectives qui sont fonction d’au moins un des paramètres suivants : régime moteur, couple, un débit des gaz d’échappement en amont du FAP Qmgaz et/ou une température des gaz d’échappement en amont du FAP Tgaz. Alternativement, la température des gaz d'échappement Tgazi entrant dans la zone centrale 1 1 peut être estimée à partir d’une cartographie d’offset (terme anglo-saxon signifiant décalage) de température qui peut dépendre du débit des gaz d’échappement amont du FAP Qmgaz et/ou température des gaz d’échappement en amont du FAP Tgaz, et/ou de la vitesse du véhicule.

Étant donné que la zone centrale 1 1 du filtre à particules 10 n’est pas en contact direct avec l’air ambiant, la conduction thermique entre la zone centrale 1 1 et la zone périphérique 12 peut être considérée comme négligeable. La contribution aux échanges thermiques des autres surfaces telles que les surfaces frontales de la zone centrale 1 1 , est aussi négligeable. En conséquence, la zone centrale 1 1 peut être modélisée comme étant adiabatique. Ce qui se traduit par une surface nulle d’échange Slj = 0 pour chaque surface j de la zone centrale 1 1 . Les paramètres liés aux échanges thermiques de la zone centrale sont repris dans les équations suivantes :

Pour la zone périphérique 12, seuls les échanges de la paroi externe sont pris en considération dans les équations suivantes :

o h le coefficient d’échange conducto-convectif entre le FAP (c.-à-d. la zone périphérique 12 et l’air ambiant) ;

o S la surface d’échange entre le FAP et l’air ambiant ;

o T _amb la température ambiante.

La figure 4 représente deux illustrations schématiques du filtre à particules 10 modélisé avec les deux zones 1 1 , 12. Comme représentées en figure 4, les deux zones 1 1 , 12 sont délimitées par une surface cylindrique commune. Les deux zones 1 1 , 12 peuvent être coaxiales ou parallèles. Le modèle ne doit pas être limité à deux zones 1 1 , 12, il est possible d’en utiliser plus.