FR2923531A1 - OPTIMIZED MANAGEMENT OF A PARTICLE FILTER. - Google Patents
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Abstract
Procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un procédé de gestion d'un filtre à particules comprenant une phase de fonctionnement normal dans lequel le filtre accumule les particules de suies des gaz d'échappement jusqu'à une valeur maximale (mmax) prédéfinie et une phase de régénération durant laquelle les particules accumulées sont brûlées pour régénérer le filtre, caractérisé en ce que la phase de régénération consiste à toujours effectuer une régénération partielle afin de conserver une masse résiduelle minimale (mmin) de particules dans le filtre à particules de sorte que ce dernier remplisse toujours la fonction de filtrage des particules même aux instants immédiats après la phase de régénération.A method for reducing pollutant emissions of a motor vehicle engine, comprising a method of managing a particulate filter comprising a normal operating phase in which the filter accumulates soot particles of the exhaust gases to a value predefined maximum (mmax) and a regeneration phase during which the accumulated particles are burned to regenerate the filter, characterized in that the regeneration phase consists in always performing a partial regeneration in order to maintain a minimum residual mass (mmin) of particles in the regeneration phase. the particle filter so that the latter always fulfills the particle filter function even at the immediate moments after the regeneration phase.
Description
RENI046FR PJ8037 IA dépôt DA 1 L'invention concerne un procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur d'un véhicule automobile, notamment basé sur la gestion particulière d'un filtre à particules. Elle concerne aussi un dispositif mettant en oeuvre ce procédé ainsi qu'un véhicule automobile en tant que tel équipé d'un tel dispositif. The invention relates to a method for reducing the pollutant emissions of an engine of a motor vehicle, in particular based on the particular management of a particulate filter. It also relates to a device implementing this method and a motor vehicle as such equipped with such a device.
Malgré l'optimisation du fonctionnement des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement des moteurs de type diesel, les moteurs génèrent un premier type d'émission polluante consistant en l'émission de particules polluantes qui sont constituées de suies produites lors de la combustion imparfaite dans le moteur. Selon l'état de la technique, il est connu de piéger ces particules présentes dans les gaz d'échappement par l'implantation d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement en aval des chambres de combustion du moteur. Un tel filtre est conçu de façon à pouvoir retenir les particules se trouvant dans les gaz d'échappement qui traversent le filtre. Au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre-pression importante à l'échappement du moteur, ainsi qu'une augmentation de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, ce qui diminue considérablement les performances du moteur. Despite the optimization of the operation of internal combustion engines, and more particularly of diesel type engines, engines generate a first type of pollutant emission consisting of the emission of polluting particles which consist of soot produced during imperfect combustion. in the engine. According to the state of the art, it is known to trap these particles present in the exhaust gas by the implementation of a particulate filter in the exhaust line downstream of the combustion chambers of the engine. Such a filter is designed to be able to retain particles in the exhaust gas that pass through the filter. As the motor is used, the particles accumulate in the filter and eventually result in significant backpressure to the engine exhaust, as well as an increase in the differential pressure across the filter. particles, which considerably reduces engine performance.
Afin de rétablir les performances du moteur, on pratique une régénération du filtre à particules par combustion des particules qui s'y sont accumulées. Cette opération de combustion est rendue possible par une élévation de la température interne du filtre à particules par augmentation de la thermique des gaz d'échappement. Pour ce faire, on procède généralement à une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant juste après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet RENI046FR PJ8037 IA dépôt DA 2 d'augmenter la température des gaz à l'échappement. Le filtre à particules est généralement associé à un dispositif catalyseur monté en amont du filtre, de façon à diminuer les émissions polluantes. Le dispositif catalytique peut être intégré dans le filtre à particules lui-même, qui peut alors comprendre un matériau catalytique, tel que du platine. Les hydrocarbures imbrûlés et l'oxyde de carbone provenant des injections retardées et des injections tardives dans les chambres de combustion peuvent s'oxyder sur le matériau catalytique en augmentant la température au sein du filtre à particules. In order to restore the engine performance, the particle filter is regenerated by combustion of the particles that have accumulated therein. This combustion operation is made possible by an increase in the internal temperature of the particulate filter by increasing the thermal of the exhaust gas. In order to do this, a delayed fuel injection is generally carried out in the combustion chambers of the engine. In particular, fuel can be injected just after the top dead center during the expansion phase, which has the effect of increasing the exhaust gas temperature. The particulate filter is generally associated with a catalyst device mounted upstream of the filter, so as to reduce the polluting emissions. The catalytic device may be integrated into the particulate filter itself, which may then include a catalytic material, such as platinum. The unburned hydrocarbons and carbon monoxide from delayed injections and late injections into the combustion chambers can oxidize on the catalytic material by raising the temperature within the particulate filter.
Ainsi, classiquement, les filtres à particules fonctionnent donc de manière périodique, en deux phases. Lors d'une première phase, le filtre stocke des particules émises par le moteur, et lors d'une deuxième phase, les particules stockées dans le filtre sont brûlées afin de régénérer le filtre. Thus, conventionally, particulate filters therefore operate periodically, in two phases. During a first phase, the filter stores particles emitted by the engine, and during a second phase, the particles stored in the filter are burned in order to regenerate the filter.
Dans l'état de la technique, la régénération du filtre à particules se fait périodiquement dès que la masse de particules dans le filtre devient trop importante. Cette régénération est déclenchée automatiquement, alors que le moteur fonctionne, sans que le conducteur du véhicule en ait conscience. Cette gestion des filtres à particules repose sur des systèmes d'estimation de la quantité massique de particules présentes dans le filtre à particules à partir de la contre-pression à l'échappement ou à partir de la différence de pression, appelée également pression différentielle, aux bornes du filtres à particules, et à partir de modèles de fonctionnement du filtre. Dès que l'estimation de la masse de particules dépasse une valeur seuil prédéfinie, la régénération est déclenchée. Les documents FR2781251 et EP1281843 illustrent certaines solutions de l'état de la technique pour déterminer la quantité de particules du filtre. Dans l'état de la technique, la régénération est programmée pour entraîner idéalement la disparition de toutes les particules accumulées dans le filtre, et en tout cas REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 3 au moins 80% de ces particules, en choisissant par exemple un temps de régénération suffisant pour brûler cette quantité maximale recherchée. Le filtre à particules de l'état de la technique est donc géré de sorte de fonctionner selon le schéma de la figure 1, dans lequel la masse m de particules est accumulée progressivement dans une première phase a de fonctionnement normal du moteur, jusqu'à une valeur maximale mmax avant d'être intégralement brûlée, dans une phase b de régénération, pour repartir vers un nouveau cycle a identique à partir d'un filtre vierge. In the state of the art, the regeneration of the particulate filter is done periodically as soon as the mass of particles in the filter becomes too large. This regeneration is triggered automatically, while the engine is running, without the driver of the vehicle being aware of it. This particulate filter management is based on systems for estimating the mass quantity of particles present in the particulate filter from the exhaust backpressure or from the pressure difference, also called the differential pressure. at the terminals of the particle filter, and from the operating models of the filter. As soon as the estimate of the mass of particles exceeds a predefined threshold value, the regeneration is triggered. Documents FR2781251 and EP1281843 illustrate certain solutions of the state of the art for determining the quantity of particles of the filter. In the state of the art, the regeneration is programmed to ideally cause the disappearance of all the particles accumulated in the filter, and in any case at least 80% of these particles, for example by choosing a time regeneration sufficient to burn this desired maximum amount. The particulate filter of the state of the art is thus managed so as to operate according to the diagram of FIG. 1, in which the mass m of particles is progressively accumulated in a first phase a of normal operation of the engine, up to a maximum value mmax before being completely burned, in a phase b of regeneration, to start again to a new identical cycle from a blank filter.
Un second type d'émissions polluantes des moteurs diesel consiste en l'émission d'oxydes d'azote (NOx). La figure 2 illustre schématiquement un dispositif courant de l'état de la technique adapté pour réduire ces émissions polluantes. Sur cette figure, un moteur diesel 1 est alimenté en air par une entrée 2, un compresseur 3, un échangeur 4 puis une admission moteur 5. Pour diminuer l'émission en NOx des gaz d'échappement sortant sur l'échappement 6 du véhicule, une solution, connue sous la dénomination anglo-saxonne d'EGR (Exhaust Gaz Recirculation) haute pression, consiste en une recirculation 8 des gaz d'échappement en sortie du moteur, traversant un échangeur 9 avant de rejoindre l'admission moteur 5. Cette recirculation haute pression est en général associée avec une autre recirculation, connue sous sa dénomination d'EGR basse pression, qui consiste en une recirculation 10 d'une partie des gaz d'échappement récupérés vers la sortie du véhicule, après leur passage par différents dispositifs de traitements, un catalyseur 11, un NOx-Trap 12, un filtre à particules 13 tel que décrit précédemment, avant leur réadmission à l'entrée du compresseur 3. Une vanne d'échappement 7 permet de régler la quantité de gaz basse pression à recirculer. A second type of pollutant emissions from diesel engines consists of the emission of nitrogen oxides (NOx). Figure 2 schematically illustrates a current device of the state of the art adapted to reduce these pollutant emissions. In this figure, a diesel engine 1 is supplied with air through an inlet 2, a compressor 3, an exchanger 4 and an engine intake 5. To reduce the NOx emission of the exhaust gas leaving the exhaust 6 of the vehicle a solution, known under the name Anglo-Saxon EGR (Exhaust Gas Recirculation) high pressure, consists of a recirculation 8 of the exhaust gas at the engine outlet, passing through a heat exchanger 9 before reaching the engine inlet 5. This high-pressure recirculation is generally associated with another recirculation, known as its low-pressure EGR, which consists of a recirculation of a part of the exhaust gas recovered towards the exit of the vehicle, after passing through different treatment devices, a catalyst 11, a NOx-Trap 12, a particulate filter 13 as described above, before their readmission to the compressor inlet 3. An exhaust valve 7 allows re-entry. set the amount of low pressure gas to recirculate.
REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 4 Le couplage des deux solutions anti-pollution présentées ci-dessus, EGR et filtre à particules, est notamment illustré par le document WO2006008600. Un inconvénient d'un tel dispositif provient du fait qu'après la régénération du filtre à particules, il est constaté que le filtre laisse passer les particules pendant environ 10 minutes. Une partie de ces particules recircule par le système EGR basse pression vers le compresseur et la ligne d'admission. L'accumulation de ces courtes périodes de passage des particules risque d'entraîner à long terme une défaillance du compresseur et en tous cas un encrassement néfaste de toute la ligne d'admission. Une autre partie des particules est rejetée dans l'atmosphère. La gestion actuelle du filtre à particules est donc insatisfaisante, et notamment particulièrement incompatible avec les situations de combinaison du filtre à particules avec un dispositif EGR. REN046FR PJ8037 IA depot DA 4 The coupling of the two anti-pollution solutions presented above, EGR and particulate filter, is particularly illustrated by the document WO2006008600. A disadvantage of such a device comes from the fact that after regeneration of the particulate filter, it is found that the filter passes the particles for about 10 minutes. Part of these particles recirculates through the low pressure EGR system to the compressor and the intake line. The accumulation of these short periods of passage of the particles may result in long-term compressor failure and in any case a harmful fouling of the entire intake line. Another part of the particles is released into the atmosphere. The current management of the particulate filter is therefore unsatisfactory, and particularly particularly incompatible with the situations of combination of the particulate filter with an EGR device.
L'objet de l'invention est donc d'améliorer la gestion du traitement antipollution des moteurs, particulièrement les moteurs diesel. The object of the invention is therefore to improve the management of antipollution treatment engines, particularly diesel engines.
A cet effet, l'invention repose sur un procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un procédé de gestion d'un filtre à particules comprenant une phase de fonctionnement normal dans lequel le filtre accumule les particules de suies des gaz d'échappement jusqu'à une valeur maximale prédéfinie et une phase de régénération durant laquelle les particules accumulées sont brûlées pour régénérer le filtre, caractérisé en ce que la phase de régénération consiste à toujours effectuer une régénération partielle afin de conserver une masse résiduelle minimale de particules dans le filtre à particules de sorte que ce dernier remplisse toujours la fonction de filtrage des particules même aux instants immédiats après la phase de régénération.30 REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 5 Selon un mode d'exécution, la phase de régénération consiste à ne jamais éliminer plus de 80% des particules accumulées. For this purpose, the invention is based on a method of reducing the pollutant emissions of a motor vehicle engine, comprising a method of managing a particle filter comprising a normal operating phase in which the filter accumulates the soot particles. an exhaust gas up to a predefined maximum value and a regeneration phase during which the accumulated particles are burned to regenerate the filter, characterized in that the regeneration phase consists in always carrying out a partial regeneration in order to maintain a residual mass particle filter in the particle filter so that the latter always fulfills the particle filtering function even at the immediate moments after the regeneration phase.30 REN046EN PJ8037 IA DA depot 5 According to one embodiment, the regeneration phase consists of never to eliminate more than 80% of accumulated particles.
Selon un mode d'exécution, le procédé peut comprendre une phase préalable de calibrage du filtre à particules pour déterminer la masse minimale de particules présentes dans le filtre à particules à partir de laquelle le filtre à particules permet le filtrage d'au moins 99% des particules. According to one embodiment, the method may comprise a preliminary phase of calibration of the particulate filter to determine the minimum mass of particles present in the particulate filter from which the particulate filter allows the filtering of at least 99% particles.
Le procédé de diminution des émissions polluantes peut comprendre l'estimation de la masse régénérée à partir d'un modèle de combustion, ce modèle permettant la déduction du temps de régénération nécessaire. The process for reducing pollutant emissions may include estimating the regenerated mass from a combustion model, this model making it possible to deduce the necessary regeneration time.
Selon un mode d'exécution, le procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile comprend de plus une recirculation basse pression de gaz d'échappement en aval du filtre à particules. According to one embodiment, the process for reducing the pollutant emissions of a motor vehicle engine further comprises a low pressure recirculation of exhaust gas downstream of the particulate filter.
L'invention porte aussi sur un dispositif de diminution de la pollution d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un filtre à particules et une unité de gestion de ce filtre à particules, apte à la gestion du fonctionnement du filtre à particules selon deux phases, une première phase durant laquelle le filtre stocke des particules émises par le moteur jusqu'à une valeur maximale prédéfinie, et une deuxième phase de régénération durant laquelle les particules stockées dans le filtre sont brûlées afin de régénérer le filtre, caractérisé en ce que l'unité de gestion du filtre à particules comprend un calculateur apte à limiter la phase de régénération de sorte de toujours conserver une masse résiduelle prédéfinie de particules dans le filtre à particules.30 REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 6 Selon un mode d'exécution, le filtre à particules utilise au moins un matériau poreux à faible inertie thermique de type cordiérite. The invention also relates to a device for reducing the pollution of a motor vehicle engine, comprising a particle filter and a management unit of this particulate filter, capable of managing the operation of the particle filter in two phases. , a first phase during which the filter stores particles emitted by the engine up to a predefined maximum value, and a second regeneration phase during which the particles stored in the filter are burned in order to regenerate the filter, characterized in that particle filter management unit comprises a computer adapted to limit the regeneration phase so as always to maintain a predefined residual mass of particles in the particulate filter. particle filter uses at least one porous material with low thermal inertia cordierite type.
Selon un mode d'exécution, le dispositif peut comprendre un système 5 d'injection à l'échappement pour limiter la dilution de l'huile, et disposé proche de la sortie turbine pour limiter les pertes thermiques. According to one embodiment, the device may comprise an exhaust injection system 5 to limit the dilution of the oil, and disposed close to the turbine outlet to limit heat losses.
Le dispositif de diminution de la pollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile peut de plus comprendre un circuit de recirculation 10 EGR basse pression des gaz d'échappement entre la zone aval du filtre à particules et un compresseur. The device for reducing the pollution of the exhaust gases of a motor vehicle may further comprise a low-pressure EGR recirculation circuit 10 between the downstream zone of the particulate filter and a compressor.
Enfin, l'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un dispositif tel que décrit précédemment. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 20 la figure 1 représente les cycles de fonctionnement d'un filtre à particules selon l'état de la technique ; la figure 2 représente un dispositif anti-pollution d'un moteur utilisant la combinaison d'un filtre à particules avec un dispositif EGR ; 25 la figure 3 représente schématiquement les cycles de fonctionnement d'un filtre à particules selon un mode d'exécution de l'invention. Finally, the invention also relates to a motor vehicle comprising a device as described above. These objects, features, and advantages of the present invention will be set forth in detail in the following description of a particular non-limiting embodiment in connection with the accompanying figures in which: FIG. 1 shows the operating cycles a particle filter according to the state of the art; FIG. 2 shows an engine anti-pollution device using the combination of a particulate filter with an EGR device; FIG. 3 diagrammatically represents the operating cycles of a particle filter according to one embodiment of the invention.
La figure 3 illustre le concept de l'invention, selon lequel les phases de régénération b' d'un filtre à particules sont volontairement partielles, de 15 REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 7 manière à toujours laisser une quantité de masse minimale résiduelle prédéfinie mmin dans le filtre à particules. FIG. 3 illustrates the concept of the invention, according to which the regeneration phases b 'of a particulate filter are deliberately partial, of the regeneration method so as to always leave a predefined minimum residual mass quantity mmin in the particle filter.
En appliquant un tel principe de fonctionnement, on note que pour une valeur résiduelle de masse suffisante mmin, le filtre conserve sa capacité de filtration après la phase de régénération b'. Ainsi, avec un tel fonctionnement, le filtre à particules remplit à tout moment sa fonction de filtrage, même en début de cycle a', contrairement à l'état de la technique, ce qui évite par exemple la pollution d'un circuit EGR basse pression associé et en tous cas le rejet dans l'atmosphère de particules. By applying such an operating principle, it is noted that for a residual value of sufficient mass mmin, the filter retains its filtration capacity after the regeneration phase b '. Thus, with such an operation, the particle filter fulfills at all times its filtering function, even at the beginning of cycle a ', contrary to the state of the art, which avoids, for example, the pollution of a low EGR circuit. associated pressure and in any case the release into the atmosphere of particles.
Pour cela, le dispositif selon l'invention peut être similaire à celui de la figure 2 de l'état de la technique, comprenant les mêmes dispositifs représentés, mais étant gérés différemment par un calculateur non représenté qui met en oeuvre le procédé selon l'invention. For this, the device according to the invention may be similar to that of FIG. 2 of the state of the art, comprising the same devices shown, but being managed differently by an unrepresented computer which implements the method according to the invention. invention.
Ce procédé comprend notamment l'étape consistant à stopper la phase de régénération dès qu'une masse de suies minimale mmin est atteinte. Pour cela, le calcul de la masse dans le filtre à particules peut être basé sur les informations fournies par un modèle de combustion intégré au calculateur semblable à ceux existants dans l'état de la technique. A titre d'exemple, cette masse résiduelle peut être considérée satisfaisante en brûlant moins de 80% de la masse de suies accumulée. Le modèle de combustion utilisé permet de déduire un temps de régénération nécessaire. This method comprises in particular the step of stopping the regeneration phase as soon as a minimum soot mass mmin is reached. For this, the calculation of the mass in the particulate filter can be based on the information provided by a combustion model integrated in the calculator similar to those existing in the state of the art. By way of example, this residual mass can be considered satisfactory by burning less than 80% of the accumulated soot mass. The combustion model used makes it possible to deduce a necessary regeneration time.
La masse résiduelle mmin sera adaptée en fonction des dispositifs précis. Des mesures empiriques pourront être réalisées afin de détecter les particules traversant le filtre à particules en fonction du temps, ce qui permettra de calibrer la masse résiduelle minimale à définir pour remplir la REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 8 fonction technique de filtrage des particules. On la définira par exemple comme la masse minimale de particules permettant le filtrage d'au moins 99% des particules. The residual mass mmin will be adapted according to the precise devices. Empirical measurements can be made to detect the particles passing through the particle filter as a function of time, which will enable the minimum residual mass to be defined to be fulfilled to fulfill the technical function of filtering the particles. It will be defined for example as the minimum mass of particles for filtering at least 99% of the particles.
Cette masse minimale mmin dépend notamment du matériau utilisé pour le filtre à particules, du réglage des paramètres de la régénération comme la température. Toutefois, le principe selon l'invention est particulièrement utile aux filtres à particules utilisant des matériaux poreux, de type cordiérite par exemple, qui laissent davantage passer les particules. This minimum mass mmin depends in particular on the material used for the particulate filter, the adjustment of the regeneration parameters such as the temperature. However, the principle according to the invention is particularly useful for particulate filters using porous materials, cordierite type for example, which allow more pass the particles.
Le fait d'effectuer des régénérations partielles conduit à effectuer davantage de régénérations plus courtes. Cette situation augmente les risques de surconsommation du moteur et de dilution d'huile. Pour limiter cet impact, il est possible de choisir un filtre à particules disposant d'un temps de chauffe réduit, par exemple en utilisant des petits volumes de filtres à particules et des matériaux de type Cordiérite à faible inertie thermique. Il est possible d'utiliser un filtre à particules couplé avec un système d'injection à l'échappement pour limiter la dilution de l'huile, et disposé proche de la sortie turbine pour limiter les pertes thermiques. Performing partial regenerations leads to more shorter regenerations. This situation increases the risk of overconsumption of the engine and oil dilution. To limit this impact, it is possible to choose a particle filter with a reduced heating time, for example by using small volumes of particulate filters and Cordierite type materials with low thermal inertia. It is possible to use a particle filter coupled with an exhaust injection system to limit the dilution of the oil, and disposed close to the turbine outlet to limit heat losses.
Cette invention est destinée à contrôler le chargement en particules d'un filtre à particules qui peut être implanté sur tous les véhicules à moteur essence ou diesel. De plus, elle est compatible avec tout autre dispositif anti-pollution tel que par exemple l'EGR, un Nox Trap...25 This invention is intended to control the particulate loading of a particulate filter that can be implemented on all gasoline or diesel powered vehicles. In addition, it is compatible with any other anti-pollution device such as for example the EGR, a Nox Trap ... 25
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