EP1197643B1 - Procédé et dispositif de régéneration d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile - Google Patents

Procédé et dispositif de régéneration d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile Download PDF

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EP1197643B1
EP1197643B1 EP01402642A EP01402642A EP1197643B1 EP 1197643 B1 EP1197643 B1 EP 1197643B1 EP 01402642 A EP01402642 A EP 01402642A EP 01402642 A EP01402642 A EP 01402642A EP 1197643 B1 EP1197643 B1 EP 1197643B1
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filter
temperature
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actuation
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Pierre Blanche
Benoît Thuault
Romuald Chaumeux
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Renault SAS
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/027—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/029—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus the exhaust gas treating apparatus being a particulate filter
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2430/00—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics
    • F01N2430/06—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics by varying fuel-air ratio, e.g. by enriching fuel-air mixture
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    • F02D41/024—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D2041/026—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus using an external load, e.g. by increasing generator load or by changing the gear ratio
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/08—Exhaust gas treatment apparatus parameters
    • F02D2200/0812—Particle filter loading

Definitions

  • the present invention relates to a method of regeneration of a particulate filter placed in the exhaust line of an internal combustion engine propelling a motor vehicle. More particularly, the present invention relates to such a method according to which the imminence of clogging of the filter is detected and this clogging is prevented by sweeping the filter with an exhaust gas stream at a temperature at least equal to auto-ignition temperature of the particles.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of the annexed drawing of the exhaust line of an internal combustion engine 1, more particularly of the Diesel type.
  • This conventionally comprises a catalytic converter 2 for oxidation of unburned chemical species leaving the engine, a filter 3 designed to retain, in particular, particles of soot and other residues (oil, fuel additives, etc.) carried by engine exhaust.
  • These means commonly comprise a differential pressure sensor 4 placed at the terminals of the particulate filter 3 to deliver, to control means constituted by a management computer 5 of the engine 1, a signal representative of the measured differential pressure, corresponding to the loss. of the exhaust gas during the crossing of the filter, this pressure drop is even stronger than the clogging of the filter is more advanced.
  • the computer 5 triggers a regeneration of the filter by combustion of the particles retained in the filter.
  • the temperature of the exhaust gas passing through the filter above the autoignition temperature of these particles, of the order of 600 ° C.
  • the necessary increase in exhaust gas temperature can also be caused by momentarily degrading the efficiency of the engine by appropriate control of the operating point of the engine (reduction of the ignition advance angle, retardation the opening of the fuel injectors) or by a suitable control of peripheral members (throttle valve for adjusting the air flow entering the engine, exhaust gas recirculation control valve in this engine, etc. ).
  • US-A-4,719,751 discloses a method of regenerating a particulate filter placed in the exhaust line of an internal combustion engine propelling a motor vehicle equipped with a plurality of consumers of electrical energy drawn from the operation of said engine, according to which the imminence of a clogging of said filter is detected and this clogging is prevented by sweeping the filter with an exhaust gas stream at a temperature at least equal to the autoignition temperature of said particles , characterized in that, upon detection of said impending clogging during operation of the engine in idle mode, the activation of at least one of said energy consumers is called said activation contributing to increase the temperature of said gases exhaust to said self-ignition temperature
  • the present invention therefore aims to provide a method of regenerating a particulate filter placed in the exhaust line of a motor vehicle, designed to ensure efficient regeneration of the filter, including when the engine propelling the vehicle operates in idle mode.
  • the increase in the temperature of the exhaust gas thus obtained allows to bring the exhaust gas to a temperature of 600 ° C suitable for unclogging the filter by pyrolysis of soot particles or other residues it contains.
  • the device according to the invention comprises, in addition to the devices or bodies already described in the preamble of the present description, "consumers” C 1 , C 2 , C 3 , ... these consumers being constituted by various equipment of a motor vehicle supplied with electrical energy by a distribution network 6 of this energy, this network being powered by an alternator 7 mechanically coupled to the output shaft of the engine 1.
  • the alternator 7 then operates as a transducer, converting mechanical energy received from the engine into electrical energy suitable for supplying consumers C 1 , C 2 , C 3 .
  • the aforementioned energy consumers are conventionally activated either by the driver of the vehicle or by a command issued by the computer 5, then duly programmed to issue such a command.
  • a plurality C 1 , C 2 , C 3 ... of such consumers can be activated under the control of the computer 5.
  • the computer compares the current engine speed, known by conventional measuring means, not shown, to a value of threshold (for example 1000rpm) below which it is considered that the engine operates in idle mode and delivers then exhaust gas at a relatively low temperature, for example 200 ° C, very insufficient to allow destruction by pyrolysis soot particles and other residues that threaten to clog the particulate filter.
  • threshold for example 1000rpm
  • the computer is duly programmed so that, if the speed of the motor is then below this threshold value, the computer automatically activates one or more consumers C 1 , C 2 , C 3 ... so as to to increase the electric power delivered by the alternator 7, and therefore the mechanical power that the engine 6 must provide to the alternator, so that the latter can feed the activated consumers.
  • the computer 5 For the engine 6 to provide this additional mechanical power, the computer 5 must increase the fuel flow admitted into the cylinders of the engine. The consequence of this increase is an increase in the temperature of the exhaust gases leaving the engine.
  • the temperature increase of the gases thus obtained with that obtained from an increase in the idling speed of the engine (800 to 1000 rpm, for example), and to that which is drawn a deterioration of the combustion of the air / fuel supply of the engine, and thus of the efficiency of the engine, it is possible, according to the invention, to heat the exhaust gas above the temperature of 600 ° About C, which makes possible the self-ignition of the particles contained in the filter 3, and thus the cleaning by pyrolysis of this filter.
  • This degradation and this increase in the idling speed can both be controlled by the computer 5.
  • the map shown in FIG. 2 illustrates the efficiency of the exhaust gas heating process explained above.
  • This map represents the temperature of the exhaust gas, upstream of the particle filter 3, as a function of the engine R speed (in rpm) and the torque C delivered by this engine (in Nm).
  • the computer 5 deactivates the temporarily activated consumers and returns the operating point of the motor to the position prior to the initiation of the regeneration.
  • the computer can proceed by observing the evolution of the pressure drop in the filter, seen by the sensor differential pressure 4, or by detection, with the aid of a temperature sensor placed downstream of the filter, the passage of a peak temperature, significant that the amount of particles burned in the filter is reduced. It is also advantageous to observe the concentration of the carbon monoxide exhaust gas at the outlet of the filter.
  • the method according to the invention for heating the exhaust gas by activating energy consumers mounted in a motor vehicle makes it possible, by participating in the heating of the gases used to burn the particles retained in the filter, to shorten the duration of degradation of the efficiency of the engine when using this means to ensure this pyrolysis. It also makes it possible to reduce or eliminate the periods of time (traffic jams) during which any regeneration is impossible.
  • the process according to the invention could be used in combination with the use of a chemical additive added to the engine fuel, to lower the autoignition temperature of the particles retained in the filter. It is thus also possible for the regeneration of the filter to be triggered by detection of the crossing of a distance traveled by the vehicle (for example 500 km) or of a volume of fuel consumed by the engine, corresponding substantially to two successive blockages of the engine. filtered.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé de régénération d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile. Plus particulièrement, la présente invention est relative à un tel procédé suivant lequel on détecte l'imminence d'un colmatage du filtre et on prévient ce colmatage en balayant le filtre avec un courant de gaz d'échappement à une température au moins égale à la température d'auto-inflammation des particules.
  • On a représenté schématiquement à la figure 1 du dessin annexé la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne 1, plus particulièrement du type Diesel. Celle-ci comprend classiquement un pot catalytique 2 d'oxydation des espèces chimiques imbrûlées sortant du moteur un filtre 3 conçu pour retenir, notamment, des particules de suie et d'autres résidus (huile, additifs de carburant, ...) portées par les gaz d'échappement du moteur.
  • Ce filtre s'encrassant progressivement sous l'effet de l'accumulation de ces particules, il est nécessaire de prévoir des moyens de décolmatage du filtre, mis en oeuvre périodiquement. Ces moyens comprennent couramment un capteur de pression différentielle 4 placé aux bornes du filtre à particules 3 pour délivrer, à des moyens de commande constitués par un calculateur 5 de gestion du moteur 1, un signal représentatif de la pression différentielle mesurée, correspondant à la perte de charge des gaz d'échappement pendant la traversée du filtre, cette perte de charge étant d'autant plus forte que l'encrassement du filtre est plus avancé.
  • Au franchissement d'un seuil par cette perte de charge, le calculateur 5 déclenche une régénération du filtre par combustion des particules retenues dans le filtre. Pour ce faire il faut faire passer la température des gaz d'échappement passant dans le filtre, au-dessus de la température d'auto-inflammation de ces particules, de l'ordre de 600°C environ. Ce résultat peut être obtenu à l'aide d'un brûleur. On peut aussi provoquer l'accroissement nécessaire de la température des gaz d'échappement en dégradant momentanément le rendement du moteur par une commande appropriée du point de fonctionnement de celui-ci (réduction de l'angle d'avance à l'allumage, retardement de l'ouverture des injecteurs de carburant) ou par une commande convenable d'organes périphériques (papillon de réglage du débit d'air entrant dans le moteur, vanne de commande de recirculation des gaz d'échappement dans ce moteur, etc...).
  • Le US-A-4 719 751 divulgue un procédé de régénération d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile équipé d'une pluralité de consommateurs d'énergie électrique tirée du fonctionnement dudit moteur, suivant lequel on détecte l'imminence d'un colmatage dudit filtre et on prévient ce colmatage en balayant le filtre avec un courant de gaz d'échappement à une température au moins égale à la température d'auto-inflammation desdites particules, procédé caractérisé en ce que, à la détection dudit colmatage imminent lors d'un fonctionnement du moteur en régime de ralenti, on commande l'activation d'au moins un desdits consommateurs d'énergie ladite activation contribuant à faire croître la température desdits gaz d'échappement jusqu'à ladite température d'auto-inflammation
  • L'utilisation de brûleurs ou de bougies de chauffage électrique pour atteindre la température d'auto-inflammation des particules, présente l'inconvénient d'être coûteuse. Quant au procédé de relèvement de la température des gaz d'échappement par dégradation du rendement du moteur, s'il s'avère satisfaisant dans des conditions de roulage normal du véhicule, il n'en est pas de même quand le moteur du véhicule tourne à un régime de ralenti. Quand le véhicule est pris dans un embouteillage et que son moteur tourne alors au ralenti pendant une longue période de temps, il peut même devenir impossible de régénérer le filtre à particules par ce moyen. Cela est particulièrement dommageable quant au bon fonctionnement du moteur du fait que les embouteillages constituent une part importante de la circulation automobile en zone urbaine.
  • La présente invention a donc pour but de fournir un procédé de régénération d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement d'un véhicule automobile, conçu pour assurer une régénération efficace du filtre, y compris quand le moteur propulsant le véhicule fonctionne en régime de ralenti.
  • On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de régénération du type décrit iem dans la revendication 1.
  • Comme on le verra plus loin, l'accroissement de la température des gaz d'échappement ainsi obtenu, éventuellement combiné à celui qui résulte d'une dégradation provoquée du rendement du moteur et éventuellement encore, d'un accroissement du régime de ralenti, permet de porter les gaz d'échappement à une température voisine de 600°C convenant au décolmatage du filtre par pyrolyse des particules de suie ou d'autres résidus qu'il contient.
  • D'autres avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel:
    • la figure 1 est un schéma d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de régénération suivant la présente invention, schéma déjà partiellement décrit en préambule de la présente description, et
    • la figure 2 est une cartographie de la température des gaz d'échappement en fonction du régime du moteur et du couple délivré par celui-ci, cette cartographie illustrant l'efficacité du procédé de régénération de filtre à particules suivant la présente invention.
  • On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où il apparaît que le dispositif suivant l'invention comprend, outre les appareils ou organes déjà décrits en préambule de la présente description, des "consommateurs" C1, C2, C3, ... ces consommateurs étant constitués par divers équipements d'un véhicule automobile alimentés en énergie électrique par un réseau de distribution 6 de cette énergie, ce réseau étant alimenté par un alternateur 7 couplé mécaniquement à l'arbre de sortie du moteur 1. L'alternateur 7 fonctionne alors en transducteur, convertissant de l'énergie mécanique reçue du moteur en énergie électrique propre à alimenter les consommateurs C1, C2, C3... .
  • A titre d'exemple de consommateurs ainsi alimentés équipant classiquement un véhicule automobile, on peut citer : les bougies de préchauffage électrique du mélange air/carburant d'un moteur Diesel, un groupe moto-ventilateur de circulation d'air dans l'habitacle d'un véhicule automobile, un compresseur de groupe de climatisation de cet habitacle (ou "climatiseur"), des résistances électriques de chauffage de l'eau d'un circuit de chauffage d'air, ou de chauffage des sièges du véhicule, etc, etc....
  • Les consommateurs d'énergie précités sont classiquement activés soit par le conducteur du véhicule, soit par une commande émise par le calculateur 5, alors dûment programmé pour émettre une telle commande.
  • Suivant la présente invention, on prévoit qu'une pluralité C1, C2, C3... de tels consommateurs sont activables sous la commande du calculateur 5.
  • Le procédé de régénération du filtre à particules 3 selon la présente invention, mis en oeuvre à l'aide du dispositif de la figure 1, s'établit alors comme suit.
  • Quand le capteur de pression différentielle 4 délivre au calculateur 5 un signal représentatif de l'imminence d'un colmatage du filtre 3, le calculateur compare le régime actuel du moteur, connu par des moyens de mesure classiques, non représentés, à une valeur de seuil (par exemple 1000t/mn) en-dessous de laquelle on considère que le moteur fonctionne en régime de ralenti et délivre alors des gaz d'échappement à une température relativement basse, par exemple 200°C, très insuffisante pour permettre une destruction par pyrolyse des particules de suie et autres résidus qui menacent de colmater le filtre à particules.
  • Suivant la présente invention, le calculateur est dûment programmé pour que, si le régime du moteur est alors inférieur à cette valeur de seuil, le calculateur active automatiquement un ou plusieurs des consommateurs C1, C2, C3... de manière à faire croître la puissance électrique délivrée par l'alternateur 7, et donc la puissance mécanique que le moteur 6 doit fournir à cet alternateur, pour que ce dernier puisse alimenter les consommateurs activés.
  • Pour que le moteur 6 puisse fournir cette puissance mécanique supplémentaire, le calculateur 5 doit faire croître le débit de carburant admis dans les cylindres du moteur. La conséquence de cet accroissement est un accroissement de la température des gaz d'échappement sortant du moteur.
  • On a pu chiffrer à plus de 100°C l'accroissement de température que l'on peut ainsi obtenir par l'activation de consommateurs d'énergie électrique.
  • En combinant, éventuellement, l'accroissement de température des gaz ainsi obtenus à celui que l'on tire d'un accroissement du régime de ralenti du moteur (de 800 à 1000 t/mn par exemple), et à celui qu'on tire d'une dégradation de la combustion du mélange air/carburant d'alimentation du moteur, et donc du rendement du moteur, on parvient, suivant l'invention, à réchauffer les gaz d'échappement au-dessus de la température, de 600°C environ, qui rend possible l'auto-inflammation des particules contenues dans le filtre 3, et donc le nettoyage par pyrolyse de ce filtre. Cette dégradation et cet accroissement du régime de ralenti peuvent être tous deux commandés par le calculateur 5.
  • La cartographie représentée à la figure 2 illustre l'efficacité du processus de réchauffement des gaz d'échappement explicité ci-dessus. Cette cartographie représente la température des gaz d'échappement, en amont du filtre à particules 3, en fonction du régime R du moteur (en tr/mn) et du couple C délivré par ce moteur (en N.m).
  • Lors d'un fonctionnement normal en régime de ralenti, au point de fonctionnement P1, on observe que les valeurs de régime (environ 800 tr/mn) et de couple (15 N.m) typiques d'un tel fonctionnement conduisent à la production de gaz d'échappement à une température inférieure à 200°C.
  • En combinant l'activation, suivant la présente invention, de consommateurs alors hors service, avec une remontée du régime de ralenti de 800 à 1000 tr/mn et une dégradation du rendement du moteur, on peut faire monter la température des gaz d'échappement à plus de 600°C (point de fonctionnement P2), température qui convient pour assurer le nettoyage par pyrolyse du filtre à particules 3. On remarquera que l'activation des consommateurs a provoqué, à cet effet, une remontée de 15 à 120 N.m du couple délivré par le moteur, du fait de l'accroissement de l'énergie absorbée par l'alternateur.
  • On remarquera aussi que la spectaculaire remontée de la température des gaz d'échappement ainsi obtenue est une conséquence de la forte raideur de la surface représentée à la figure 2, entre les points de fonctionnement P1 et P2.
  • Quand la régénération du filtre est terminée, le calculateur 5 désactive les consommateurs temporairement activés et ramène le point de fonctionnement du moteur à la position antérieure au déclenchement de la régénération.
  • Pour arrêter la régénération du filtre, le calculateur peut procéder par observation de l'évolution de la perte de charge dans le filtre, vue par le capteur de pression différentielle 4, ou par détection, à l'aide d'un capteur de température placé en aval du filtre, du passage d'un pic de température, significatif de ce que la quantité de particules brûlée dans le filtre se réduit. On peut avantageusement procéder aussi par observation de la concentration des gaz d'échappement en monoxyde de carbone, à la sortie du filtre.
  • On remarquera que le procédé suivant l'invention, de réchauffage des gaz d'échappement par activation de consommateurs d'énergie montés dans un véhicule automobile permet, en participant au réchauffement des gaz utilisés pour brûler les particules retenues dans le filtre, de raccourcir la durée de la dégradation du rendement du moteur quand on utilise ce moyen pour assurer cette pyrolyse. Il permet aussi de réduire ou de supprimer les périodes de temps (embouteillages) pendant lesquelles toute régénération est impossible.
  • Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que le procédé suivant l'invention pourrait être utilisé en combinaison avec l'utilisation d'un additif chimique ajouté au carburant du moteur, pour abaisser la température d'auto-inflammation des particules retenues dans le filtre. C'est ainsi aussi que la régénération du filtre pourrait être déclenchée par détection du franchissement d'une distance parcourue par le véhicule (500 km par exemple) ou d'un volume de carburant consommé par le moteur, correspondant sensiblement à deux colmatages successifs du filtre.

Claims (6)

  1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (3) placé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) propulsant un véhicule automobile équipé d'une pluralité de consommateurs d'énergie électrique (C1, C2, C3...) délivrée par un alternateur (7) entraîné par ledit moteur (1), suivant lequel on détecte l'imminence d'un colmatage dudit filtre (3) et on prévient ce colmatage en balayant le filtre (3) avec un courant de gaz d'échappement à une température au moins égale à la température d'auto-inflammation desdites particules, procédé caractérisé en ce que, à la détection dudit colmatage imminent lors d'un fonctionnement du moteur (1) en régime de ralenti, on commande l'activation d'au moins un desdits consommateurs d'énergie (C1, C2, C3...), ladite activation contribuant à faire croître la température desdits gaz d'échappement jusqu'à ladite température d'auto-inflammation par augmentation de la puissance mécanique du moteur fournie à l'alternateur, et en ce que simultanément à ladite activation on commande une accélération du régime de ralenti contribuant à l'élévation de la température des gaz d'échappement.
  2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, simultanément à ladite activation, on commande une dégradation de la combustion du mélange air/carburant consommé par le moteur (1), pour assurer un réchauffage additionnel des gaz d'échappement.
  3. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le ou les consommateurs d'énergie activés (C1, C2, C3...) sont choisis dans le groupe formé par : des bougies de préchauffage du mélange air/carburant consommé par le moteur, un groupe moto-ventilateur, un compresseur de climatiseur, des moyens de chauffage électrique d'un dispositif de conditionnement d'air, des résistances électriques.
  4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend a) des moyens (4) de détection de l'imminence du colmatage du filtre à particules (3) traversé par les gaz d'échappement du moteur (1), b) des moyens de mesure du régime du moteur (1) et c) des moyens (5) pour commander l'activation d'au moins un des consommateurs d'énergie (C1, C2, C3) équipant le véhicule quand lesdits moyens de détection (4) signalent l'imminence d'un colmatage dudit filtre (3) alors que lesdits moyens de mesure signalent un fonctionnement du moteur (1) en régime de ralenti.
  5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (5) commandent une dégradation de la combustion du mélange air/carburant consommé par le moteur (1), simultanément à ladite activation d'au moins un desdits consommateurs d'énergies (C1, C2, C3).
  6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (5) commandent un accroissement du régime de ralenti, simultanément à ladite activation d'au moins un desdits consommateurs d'énergie (C1, C2, C3).
EP01402642A 2000-10-12 2001-10-12 Procédé et dispositif de régéneration d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile Expired - Lifetime EP1197643B1 (fr)

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EP1197643A1 EP1197643A1 (fr) 2002-04-17
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