FR2901840A1 - Procede et systeme de controle d'un dispositif de post-traitement des gaz d'echappement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle d'un dispositif de post-traitement (6) des gaz d'échappement d'un moteur, caractérisé en ce que l'on estime une température des gaz d'échappement à l'aide d'un réseau de neurones (15) et en ce qu'au moyen de ladite température estimée (S), on modifie au moins une procédure de commande du dispositif de post-traitement.L'invention concerne également un système de contrôle d'un dispositif de post-traitement, ainsi qu'un moteur et qu'un véhicule équipés d'un tel système.

Description

Le domaine de l'invention est celui de la dépollution d'un moteur à

combustion interne, en particulier à travers le pilotage des dispositifs de post-traitement montés en aval du collecteur d'échappement du moteur. L'invention concerne plus précisément un procédé et un système de contrôle d'un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement d'un moteur, ainsi qu'un moteur à combustion interne et qu'un véhicule équipés d'un tel système. Afin de répondre aux émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des dispositifs de post-traitement des gaz sont généralement io disposés dans la ligne d'échappement des moteurs. Ces dispositifs sont prévus pour réduire aussi bien les émissions du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés que celles des particules et des oxydes d'azote. Ces dispositifs fonctionnent de manière discontinue ou alternative en 15 ce qu'ils alternent des phases de stockage des polluants dans des pièges et des phases de conversion des polluants stockés en substances non polluantes par régénération des pièges. Afin d'être régénérés, les pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques garantissant des niveaux de thermique et/ou de 20 richesse adéquats. L'optimisation du traitement de l'ensemble des polluants nécessite ainsi de contrôler au mieux les phases de stockage et de régénération. II est notamment nécessaire d'estimer au cours du temps les masses piégées (c'est-à-dire les particules dans le cas du filtre à particule, les 25 oxydes d'azote dans le cas du piège à oxydes d'azote). De même, il est nécessaire de connaître l'évolution au cours du temps des masses converties lors des phases de régénération. Or l'évolution de ces masses lors des phases de stockage et de régénération dépend directement de la température du support de ces 30 pièges et des gaz qui les traversent. On cherche donc à connaître, sinon à contrôler, la température des gaz qui pénètrent dans ces pièges.

Par ailleurs, l'augmentation de la complexité des moteurs et de leurs modes de fonctionnement requiert des moyens de gestion électronique de plus en plus sophistiqués et par là même, des moyens de mesure ou d'estimation de plus en plus nombreux.

Actuellement, les différentes procédures de commande d'un dispositif de post-traitement sont contrôlées à l'aide d'un module de gestion qui utilise des estimations de température de gaz d'échappement déterminées soit à l'aide de capteurs physiques, soit à l'aide d'un modèle d'estimation de cette température mis en oeuvre par un calculateur électronique io embarqué. Mais plusieurs inconvénients sont liés à l'utilisation d'un capteur placé dans la ligne d'échappement. La précision d'un capteur est en effet inversement proportionnelle au champ d'utilisation. C'est à dire que plus on souhaite mesurer la is température sur une large plage d'utilisation, plus la précision de mesure est médiocre. Cette précision peut par ailleurs dériver avec le vieillissement thermique ou l'encrassement du capteur. De plus, le coût d'utilisation d'un capteur peut s'avérer important. Il faut effectivement associer au coût intrinsèque du capteur celui de la 20 connectique, du port d'entrée dans le calculateur et du pilote logiciel. Par ailleurs, il s'avère également nécessaire de disposer de moyens adaptés pour diagnostiquer l'état de fonctionnement du capteur. L'utilisation de modèles présente également des inconvénients. Si ces modèles sont généralement fidèles en régime de gaz permanent, ils 25 s'avèrent en effet plutôt médiocres en régime transitoire. De plus, de nombreux paramètres (paramètres physiques, variables d'état) nécessaires à ces modèles sont difficilement identifiables ou mesurables sur moteur. L'efficacité des procédures de commande d'un dispositif de post-traitement est alors réduite dans les phases thermiques 30 dynamiques.

Il s'avère donc souhaitable d'améliorer les procédures de commande des dispositifs de post-traitement en disposant d'un contrôle de ces procédures qui ne présente pas ces inconvénients de l'état de la technique.

L'invention a pour objectif de répondre à ce besoin, et propose à cet effet, selon un premier aspect, un système de contrôle d'un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement d'un moteur, comprenant des moyens pour modifier au moins une procédure de commande dudit dispositif, caractérisé en ce que lesdits moyens sont couplés avec un io estimateur à réseau de neurones adapté pour fournir une estimation de température des gaz d'échappement. Certains aspects préférés, mais non limitatifs du système selon l'invention sont les suivants : le réseau de neurones est un réseau récurrent à boucle de rétroaction ; 15 il est agencé de sorte que l'estimateur dispose en entrée d'une information relative à la température des gaz en amont du dispositif de post-traitement disposé sur la ligne d'échappement du moteur, et de sorte que l'estimateur fournit en sortie l'estimation de la température des gaz d'échappement en amont, dans ou en aval dudit dispositif de post- 20 traitement ; - l'estimateur comporte un module de post-traitement de l'estimation de température réalisée par le réseau de neurones ; - l'estimateur comporte un module de pré-traitement d'une ou plusieurs des variables en entrée ; 25 - lesdits moyens comprennent au moins une unité apte à exécuter une procédure de commande du dispositif de post-traitement, ainsi que des moyens de contrôle et de coordination de la ou desdites unités recevant en entrée ladite température estimée ; - les moyens de contrôle et de coordination sont constitués par une 30 machine d'état adaptée pour vérifier l'état actuel du fonctionnement du moteur et pour basculer ou non en conséquence de l'état actuel à un

autre état, venant alors modifier ou non l'une et/ou l'autre des procédures de commande du dispositif de post-traitement en agissant sur respectivement l'une et/ou l'autre des unités ; la procédure de commande du dispositif de post-traitement est une procédure sélectionnée parmi le groupe constitué d'une procédure de régulation d'une température, d'une procédure de diagnostic, d'une procédure de recalage des dérives, d'une procédure de gestion des régénérations et d'une procédure d'estimation de charge. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de contrôle io d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur, caractérisé en ce que l'on estime une température des gaz d'échappement à l'aide d'un réseau de neurones, et en ce qu'au moyen de ladite température estimée, on modifie au moins une procédure de commande du dispositif de post-traitement. 15 Selon encore d'autres aspects, l'invention concerne un moteur à combustion interne ainsi qu'un véhicule automobile équipés d'un système selon le premier aspect de l'invention. D'autres aspect, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation 20 préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un moteur à combustion interne selon un aspect de l'invention ; - la figure 2 est un schéma d'un système d'estimation d'une 25 température de gaz d'échappement mis en oeuvre dans le cadre de l'invention ; - la figure 3 est un schéma illustrant le couplage conforme à l'invention du système d'estimation de la figure 2 avec un module de gestion du fonctionnement d'un dispositif de post-traitement. 30 La figure 1 représente de manière schématique un moteur à combustion interne 1 destiné à équiper un véhicule tel qu'une

automobile. Le moteur 1 est par exemple un moteur Diesel suralimenté par turbocompresseur à quatre cylindres en ligne et injection directe de carburant. Le moteur 1 comprend un circuit d'admission 2 assurant son alimentation en air, un calculateur 3 de contrôle moteur, un circuit de carburant sous pression 4, et une ligne d'échappement 5 des gaz. L'injection du carburant dans les cylindres est assurée par des injecteurs, non représentés, débouchant dans les chambres de combustion et pilotés par le calculateur 3 à partir du circuit 4.

En sortie du moteur 1, les gaz d'échappement évacués dans la ligne d'échappement 5 traversent un ou plusieurs dispositifs de post-traitement 6 (par exemple filtre à particules, filtre à oxydes d'azote). Un turbocompresseur 7 comprend un compresseur disposé sur le circuit d'admission 2 et une turbine disposée sur la ligne d'échappement 5. Entre le compresseur et le moteur 1, le circuit d'admission 2 comprend un échangeur thermique 8 permettant de refroidir l'air comprimé à la sortie du compresseur et d'accroître ainsi sa masse volumique, un volet d'admission d'air 9 commandé par le calculateur 3, et un capteur de pression 10 relié au calculateur 3. En sortie du moteur 1, en amont de la turbine, la ligne d'échappement 5 comporte en outre des moyens 30 adaptés pour fournir une information relative à la température des gaz d'échappement en amont de la turbine. Lesdits moyens 30 sont par exemple constitués par une sonde de mesure de température ou encore par un estimateur prévu pour fournir une estimation de ladite température des gaz en amont de la turbine. Le moteur 1 comprend également un circuit de recyclage de gaz d'échappement 11 équipé d'une vanne 12 dont l'ouverture est pilotée par le calculateur 3 ; on peut ainsi réintroduire des gaz d'échappement dans le circuit d'admission 2. Un debitmètre d'air 13 est monté dans le

circuit d'admission 2 en amont du compresseur pour fournir au calculateur 3 des informations relatives au débit de l'air d'admission alimentant le moteur. Des capteurs 14, par exemple de pression ou de température, peuvent également être prévus.

Le calculateur 3 est adapté pour traiter les signaux en provenances des différents capteurs, en déduire les états du moteur et générer les signaux de commande appropriés à destination des différents actionneurs pilotés tels que les injecteurs. Le calculateur 3 commande ainsi la pression du carburant dans le io circuit 4 et l'ouverture des injecteurs, et ce, à partir des informations délivrées par les différents capteurs et en particulier de la masse d'air admise, du régime moteur, ainsi que d'étalonnages mémorisés permettant d'atteindre les niveaux de consommation et de performance souhaités. 15 Dans le cadre de l'invention, le moteur comporte en outre un estimateur 15 à réseaux de neurones prévu pour réaliser une estimation de la température des gaz d'échappement en amont du ou des systèmes de post-traitement 6. On notera que pour des raisons de simplicité et de partage d'un 20 certain nombre de ressources, notamment de calcul et de mémoire, il est particulièrement avantageux de disposer (comme cela est représenté sur la figure 1) l'estimateur 15 au sein du calculateur 3. Un module de gestion 20 (détaillé plus en avant par la suite) apte à modifier au moins un processus de fonctionnement du dispositif de post- 25 traitement 6 est couplé avec l'estimateur 15 de manière à recevoir en entrée l'information de température fournie par l'estimateur 15. Comme pour l'estimateur 15, ce module 20 est lui aussi avantageusement disposer (comme cela est représenté sur la figure 1) au sein du calculateur. 30 Comme cela est illustré sur la figure 2, l'estimateur 15 comprend un module de pré-traitement 16, un réseau de neurones 17 et un

module de post-traitement 18. L'estimateur 15 comporte une boucle de rétroaction prévue pour retourner en entrée du réseau de neurones une ou plusieurs des variables en sortie dudit réseau. L'estimateur 15 comprend par ailleurs une entrée relative à l'information relative à la température des gaz d'échappement en amont du dispositif de post-traitement 6, telle que fournie par exemple par les moyens 30. L'estimateur peut également comporter une ou plusieurs autres entrées relatives à des grandeurs physiques représentatives d'état du io moteur, telles que par exemple le débit des gaz ; la pression des gaz en amont de la turbine ; la contre-pression des gaz en aval de la turbine ; la position des ailettes du turbocompresseur ; la vitesse du véhicule ; la température de l'air ambiant ; la position de la vanne de recyclage des gaz d'échappement ; la pression de suralimentation mesurée par le ls capteur de pression disposé en aval du compresseur, de l'échangeur thermique et du volet d'admission d'air ; la température de l'air dans le circuit d'admission. L'estimateur peut également recevoir en entrée le régime du moteur, le débit de carburant, le débit d'air. 20 Le réseau de neurones 17 est constitué d'un certain nombre de neurones définis par leurs paramètres (poids, biais), par apprentissage et par leurs fonctions d'activation. La sortie s d'un neurone est liée aux entrées (el, e2, ..., en) du neurone par s = F (ei*w1+ e2*w2+...+en*wn + b), où F est la fonction d'activation du 25 neurone, wI, w2, ...wn les poids et b le biais. Le nombre de neurones du réseau, les valeurs des poids et des biais des différents neurones sont des paramètres susceptibles de calibration qui peuvent en particulier être déterminés lors d'une phase d'apprentissage qui sera décrite plus en avant par la suite. 30 Le module de pré-traitement 16 permet de traiter une ou plusieurs des variables en entrée de l'estimateur en réalisant des calculs basés sur des

relations physiques connues. Le module de pré-traitement 16 permet en particulier de réduire le nombre d'entrées du réseau de neurones 17 en calculant une ou plusieurs variables al, a2 chacune représentative d'une ou plusieurs grandeur(s) physique(s), mesurable(s) ou non, absente(s) en entrée du calculateur 3, à partir de plusieurs variables d'entrée. Le module 16 permet aussi de filtrer certaines entrées susceptibles de prendre des valeurs aberrantes. Le réseau de neurones 17 dispose d'une voie de sortie relative à l'estimation de température désirée, ainsi qu'éventuellement une ou lo plusieurs autres voies de sorties relatives à des grandeurs d'état non mesurables destinées à être rebouclées, directement ou indirectement, vers l'entrée du réseau 17. Le module de post-traitement 18 permet de traiter l'estimation de température disponible en sortie du réseau de neurones 17 pour émettre un 15 signal S de température estimée en sortie de l'estimateur, à disposition en particulier du module de gestion 20 des différentes procédures de commande du dispositif de post-traitement 6. Le traitement réalisé par le module de post-traitement 18 peut être par exemple un filtrage permettant de rendre l'estimateur robuste en 20 limitant le retour vers l'entrée d'une donnée aberrante. Comme mentionné précédemment, une ou plusieurs des variables en sortie du réseau de neurones suivent une boucle de rétroaction et sont ainsi retournées en entrée du réseau de neurones. Certaines des variables en sortie du réseau peuvent être traitées 25 (par exemple filtrées, retardées ou associées à d'autres entrées dans le module de pré-traitement) avant d'être retournées en entrée du réseau. En référence à la figure 2, on a ainsi illustré le cas où des grandeurs d'état 161, 1(32, /33 (non mesurables et connues uniquement lors de l'apprentissage) disponibles en sortie du réseau 17 sont rebouclées 30 vers l'entrée dudit réseau 17.

On a aussi illustré le cas où la sortie S de l'estimateur (c'est-à-dire l'estimation de la température en aval de la turbine disposée sur la ligne d'échappement des gaz) disponible en sortie du module de post-traitement 18 (et dont la valeur est ici mesurable lors de l'apprentissage) est d'une part rebouclée directement vers l'entrée du réseau 17, et d'autre part rebouclée après avoir été retardée (cf. retardateur représenté par le symbole z-') vers l'entrée 'du réseau 1. En mettant en oeuvre une telle rétroaction d'une ou plusieurs des variables en sortie du réseau de neurones, le réseau 17 utilise en entrée de io sa fonction d'estimation une ou de plusieurs des valeurs prédites aux pas de calculs précédents par cette même fonction d'estimation, et cela que ces valeurs aient été ou non mesurées lors de la phase d'apprentissage. Un tel rebouclage de rétroaction présente l'avantage de permettre la prise en compte de phénomènes fortement dynamiques voire non linéaires. is Le réseau de neurones 17 peut ainsi être qualifié de récurrent ou dynamique, et diffère à ce propos d'une solution statique, sans boucle de rétroaction, telle que celle par exemple exposée dans la publication FR 2 864 155. L'estimateur 15 permet finalement d'obtenir une estimation de la 20 température en aval de la turbine et en amont d'un dispositif de post-traitement. L'estimateur peut ainsi être vu comme mettant en oeuvre une fonction de transfert prenant en entrée une information relative à la température en amont de la turbine, ainsi qu'éventuellement une ou plusieurs autres informations relatives notamment à des grandeurs 25 physiques, pour fournir en sortie l'estimation de température désirée. En référence à la figure 3, on a représenté le module de gestion 20 apte à modifier au moins une procédure de commande du dispositif de post-traitement 6. Le module 20 est couplé avec l'estimateur 15 de manière à recevoir en 30 entrée l'information de température des gaz d'échappement S fournie par l'estimateur 15. i0

Le module comporte au moins une unité 41, 42, 43, 44 adaptée pour exécuter une procédure de commande du dispositif de post-traitement 6, ainsi que des moyens 30 adaptés pour contrôler et coordonner les différentes unités 41, 42, 43, 44.

A titre d'exemples de procédures de commande du dispositif de fonctionnement 6, chaque procédure étant susceptible d'être exécutée par une unité 41, 42, 43, 44 correspondante, on peut notamment citer : - une procédure de régulation d'une température du dispositif 6 (par exemple la température en entrée, en interne ou encore en io sortie dudit système 6) - une procédure de gestion des régénérations (cas des filtres à particules), purges (cas des pièges à Nox), de l'exotherme (catalyseur d'Ox), etc., adaptée au type de dispositif de post-traitement 6 utilisé; 15 - une procédure de diagnostic du dispositif 6 ; une procédure de recalage des dérives du dispositif 6 ; - une procédure d'estimation de charge spécifique au type de dispositif 6 (suies pour le filtre à particules, Nox et Sox pour le Nox Trap...) ; 20 - etc. Les moyens 30 prennent par exemple, comme cela est schématiquement représenté sur la figure 3, la forme d'une machine d'état adaptée pour vérifier l'état actuel du fonctionnement du moteur et pour basculer ou non en conséquence de l'état actuel à un autre état 25 (un état étant représenté par un cercle sur la figure 3), venant alors modifier ou non l'une et/ou l'autre des procédures de commande du dispositif de post-traitement 6 en agissant sur respectivement l'une et/ou l'autre des unités 41-44. Dans le cadre de la présente invention la machine d'état 30 est 30 notamment alimentée par l'estimation de température S fournie par l'estimateur 15 à réseau de neurones récurrent (ou dynamique). 2901840 Il

La solution proposée par l'invention diffère ainsi des systèmes de contrôle proposés dans l'état de la technique utilisant des modèles de température simplistes dans leur approche (cartographie, modèle physique du 1er ordre, etc.), linéaires ou non récurrents. 5 Grâce à l'aspect récurrent et non linéaire du réseau de neurones, il s'avère possible de prendre en considération des phénomènes fortement dynamiques voire non linéaires pour la gestion du dispositif de post-traitement. Par ailleurs, la solution selon l'invention présente l'avantage d'être io peu consommatrice des ressources du calculateur 3 (en terme de charge de calcul et de ressource mémoire nécessaire) et d'utiliser un nombre restreint de paramètres. Elle s'avère ainsi relativement facile d'implémentation. En outre, dans la mesure où une base de données 19 utile à 15 l'apprentissage de la fonction d'estimation mise en oeuvre par l'estimateur 15 est suffisamment représentative de l'ensemble des conditions d'utilisation, la solution selon l'invention permet d'estimer avec précision (de l'ordre de quelques degrés) la température des gaz d'échappement, et cela que l'on se trouve en régime permanent ou 20 transitoire. Il en découle un gain notable sur la précision des données fournies par le module de gestion 20 au dispositif de post-traitement 6, via les unités 41-44 d'exécution de procédures de commande. La description ci-après concerne les différentes phases de mise en oeuvre du système selon l'invention. 25 Une première phase concerne la conception et la calibration du module de gestion 20 du dispositif de post-traitement 6. Il s'agit notamment de réaliser l'implémentation dans le calculateur 3 du module de gestion 20. On décide en particulier durant cette phase des stratégies de post-traitement qui vont être adoptées.

On agence en outre au cours de cette même phase les différentes unités 41-44 adaptées pour chacune exécuter une procédure de commande du dispositif de post-traitement 6. Une seconde phase concerne la validation du module de gestion du dispositif de post-traitement (validation de la stratégie post-traitement). Il s'agit par exemple d'une phase de test sur véhicule réalisée en utilisant un capteur de température physique, ce qui permet de décorréler le fonctionnement du système conforme à l'invention du fonctionnement d'un système de l'état de la technique (utilisant par exemple un capteur physique). Une troisième phase concerne la conception et la calibration de l'estimateur 15. Il s'agit d'un processus itératif entre la collecte des données nécessaires à la conception et à la calibration du réseau de neurones, et la définition des entrées permettant de réaliser au mieux (précision, robustesse) et à moindre coût (nombre d'entrées, nombre de calculs, nombre et difficulté des essais) l'estimateur souhaité. L'estimateur est ensuite validé au cours d'une quatrième phase en réalisant un certain nombre de tests, et en particulier un ensemble de tests de roulage représentatif du fonctionnement normal du véhicule, puis en comparant les résultats de ces tests avec les résultats obtenus par mise en oeuvre d'un système de l'état de la technique utilisant un capteur physique. Enfin, au cours d'une cinquième phase, on vient valider l'ensemble du système de contrôle du dispositif de post-traitement en réitérant la seconde phase (validation du module de gestion) mais en utilisant cette fois ci l'estimateur de température neuronal.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Système de contrôle d'un dispositif de post-traitement (6) de gaz d'échappement d'un moteur (1), comprenant des moyens (20) pour modifier au moins une procédure de commande dudit dispositif (6), caractérisé en ce que lesdits moyens (20) sont couplés avec un estimateur (15) à réseau de neurones (17) adapté pour fournir une estimation de température (S) des gaz d'échappement.

2. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réseau de neurones (15) est un réseau récurrent à boucle de rétroaction.

3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que l'estimateur (15) dispose en entrée d'une information relative à la température des gaz en amont du dispositif de post-traitement (6) disposé sur la ligne d'échappement (5) du moteur, et de sorte que l'estimateur fournit en sortie l'estimation de la température des gaz d'échappement en amont, dans ou en aval dudit dispositif (6).

4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'estimateur (15) comporte un module de post-traitement (18) de l'estimation de température réalisée par le réseau de neurones (17).

5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'estimateur (15) comporte un module de pré-traitement d'une ou plusieurs des variables en entrée

6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (20) comprennent au moins une unité (41-44) apte à 30 exécuter une procédure de commande du dispositif de post-traitement, ainsi que des moyens (30) de contrôle et de coordination de la ou desdites unités (41-44) recevant en entrée ladite température estimée.

7. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens (30) de contrôle et de coordination sont constitués par une machine d'état adaptée pour vérifier l'état actuel du fonctionnement du moteur et pour basculer ou non en conséquence de l'état actuel à un autre état, venant alors modifier ou non l'une et/ou l'autre de procédures de commande du dispositif de post-traitement (6) en agissant sur respectivement l'une et/ou l'autre des unités (41-44).

8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la procédure de commande du dispositif de post-traitement est une procédure sélectionnée parmi le groupe constitué d'une procédure de régulation d'une température, d'une procédure de diagnostic, d'une procédure de recalage des dérives, d'une procédure de gestion des régénérations et d'une procédure d'estimation de charge.

9. Procédé de contrôle d'un dispositif de post-traitement (6) des gaz d'échappement d'un moteur, caractérisé en ce que l'on estime une température des gaz d'échappement à l'aide d'un réseau de neurones (15) et en ce qu'au moyen de ladite température estimée, on modifie au moins une procédure de commande du dispositif de post-traitement.

10. Moteur à combustion interne (1) comportant un système de contrôle d'un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.

11. Véhicule automobile comportant un système selon l'une quelconque 3o des revendications 1 à 8.