EP1943415A1 - Mesure de l'homogeneite de depot des suies dans un filtre a particules et controle de la regeneration dudit filtre - Google Patents

Mesure de l'homogeneite de depot des suies dans un filtre a particules et controle de la regeneration dudit filtre

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EP1943415A1
EP1943415A1 EP06831302A EP06831302A EP1943415A1 EP 1943415 A1 EP1943415 A1 EP 1943415A1 EP 06831302 A EP06831302 A EP 06831302A EP 06831302 A EP06831302 A EP 06831302A EP 1943415 A1 EP1943415 A1 EP 1943415A1
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EP
European Patent Office
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filter
homogeneity
regeneration
measuring
soot
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06831302A
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German (de)
English (en)
Inventor
David Pinturaud
Caroline Tardivat
Patrick Jacques Dominique Girot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D46/42—Auxiliary equipment or operation thereof
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    • B01D46/444—Auxiliary equipment or operation thereof controlling filtration by flow measuring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D46/24—Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403—Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418—Honeycomb filters
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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
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the invention relates to the field of honeycomb structural particle filters used in an exhaust line of an engine for the removal of soot, typically produced by the combustion of a diesel fuel in a combustion engine. internal combustion. More particularly, the invention relates to a method for measuring the homogeneity of soot deposition in such a filter and to a method for controlling the regeneration of a filter.
  • Diesel engines Compression-ignition engines, known as “diesel” engines, are known to produce a large amount of soot. This results from hydrocarbon pyrolysis phenomena in the absence of oxygen even within the combustion flame and the insufficiency of the temperature within the combustion chamber to burn all the soot particles thus produced. . These soot, when emitted outside the vehicle, serve as seeds on which unburned hydrocarbons condense, thus constituting solid particles that can be inhaled and whose small size allows progression to the pulmonary alveoli.
  • pollutant gaseous emissions are in particular unburned hydrocarbons and nitrogen oxides (NOx) or carbon monoxide (CO).
  • Soot filtration devices commonly referred to as “particulate filters” generally consist of a porous ceramic filter media.
  • This support generally has a honeycomb structure, one of the faces of said structure allowing the admission of the exhaust gas to be filtered and the other side the evacuation of the filtered exhaust gas. Between these faces, respectively hereinafter referred to as upstream and downstream faces, the filtering structure has a set of longitudinal and parallel channels separated by porous walls, said channels being closed at one of their ends in order to force the exhaust gases to cross said porous walls.
  • the peripheral part of the structure is surrounded by a cement called coating cement.
  • the filter is also surrounded by a sheath, often called “canning" and consists of a fiberglass mat and a metal casing.
  • the filters sometimes consist of an assembly of monolithic and parallelepiped elements called “segments” and having a honeycomb structure, said elements being assembled using a cement. Examples of such so-called “segmented” filters are described in patent applications EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923 or WO 2004/065088.
  • the most commonly used ceramics are cordierite (Mg 2 Al 4 Si 2 O 8 ) or silicon carbide (SiC), the latter being preferred for its properties of thermal conductivity and corrosion resistance.
  • the particulate filter is loaded with soot particles, which are deposited on the porous walls.
  • soot particles which are deposited on the porous walls.
  • the combustion kinetics may be slower than in the combustion chamber, which allows to lower the soot combustion temperature to about 600 0 C. This increase is insufficient, however, to ensure combustion soot within the filter over the entire operating range of the engine. It is therefore necessary to provide, following a filtration cycle, a regeneration cycle, during which the soot is burned.
  • the particulate filter thus operates according to the following modes: filtration and almost simultaneous combustion of soot when the temperature of the exhaust gases allows it, - retention and accumulation of soot particles in the filter when the temperature of the exhaust gas is too weak, regeneration of the filter before the losses due to the accumulation of soot become unacceptable.
  • the progressive clogging of the filter during the soot retention phase in fact causes an increase in the pressure drop resulting in an increase in the consumption of the engine.
  • the regeneration step is done by raising the temperature of the exhaust gas using a post injection, which is to inject late into the engine cycle of the fuel that will burn in the exhaust line.
  • the filter undergoes high temperatures. These temperatures being moreover inhomogeneous within the material because the soot particles preferentially deposit in the central part of the filter as well as in its downstream part, the filter is subjected to a large thermal shock, capable of generating within the material micro-cracking resulting in a partial or total loss of its filtration capacity.
  • the more or less homogeneous character of the distribution of soot in the filter is therefore a particularly important parameter to evaluate since it directly influences the heat shock that the filter can undergo and the invention therefore aims to propose a method allowing to evaluate the homogeneity of soot deposition in a particulate filter.
  • the subject of the invention is a method for measuring the homogeneity of the soot deposition in a particulate filter that can be used in an exhaust line of an engine comprising the steps of measuring, simultaneously or successively, the respective characteristic quantities of at least two gas flows each having passed through a different longitudinal portion of said filter and then comparing the characteristic quantities thus measured.
  • longitudinal portion means a portion of the filter extending between its upstream and downstream faces parallel to the longitudinal channels.
  • a longitudinal portion may thus comprise a single longitudinal channel as well as the porous walls of the filter which delimit it, or a set of longitudinal channels.
  • a longitudinal portion may for example correspond to a segment.
  • the characteristic quantity of the gas flow is advantageously chosen from the speed or the flow rate, the speed being particularly preferred because of the relative ease of its measurement.
  • the gas used depends on the conditions of implementation of the process.
  • the gas When the latter is used in line (that is to say in the exhaust line of the engine in operation), the gas will be the exhaust gas of said engine.
  • This type of measurement can also be performed offline, for example on a test bench, and a gas such as air can be used.
  • the different measurements of the characteristic quantities of the flow can be carried out successively or simultaneously. The latter case is preferred because it does not require means for transverse displacement of the measuring means.
  • the inventors have been able to demonstrate that the amount of soot present in a particulate filter varies linearly with the speed or the flow rate of a gas flow having passed through said filter, which makes it possible to determine precisely the first of these parameters by comparing the measured speed with predetermined values obtained for example after a calibration performed on a filter of the same type taking particular account of the pressure upstream of the filter.
  • This speed or flow rate measurement can moreover be implemented to more precisely and more reliably control the regeneration process of the filter compared to the usual control methods involving the measurement of the pressure drop across the filter. because the variation of the pressure drop with the amount of soot is not linear.
  • the direct comparison between the speeds or flow rates of different gas flows having passed through different longitudinal portions (for example different longitudinal channels) of the filter makes it possible to evaluate the homogeneity of soot deposition in the filter, without prior calibration.
  • the respective speeds of a series of gas flows each of which passes through a different longitudinal portion of the filter are measured, said longitudinal portions being spaced apart by a determined pitch along an axis or along two orthogonal axes d a transverse plane.
  • the pitch is then preferably equal to or less than the width of a longitudinal channel.
  • the respective velocity of two gas flows having respectively crossed a longitudinal portion located substantially in the center of the filter and a longitudinal portion located substantially at the periphery of said filter are measured, and an absolute difference in velocities is determined. ⁇ V, this last quantity being characteristic of the homogeneity of the filter.
  • This method has the advantage of greater simplicity since only two means for measuring the speed are necessary. It also takes into account that the soot is generally deposited in greater number in the center of the filter, the extreme speed values are therefore usually respectively in the center and periphery of the filter.
  • a measurement of the flow rate of the gas flow can replace the measurement of the speed of said flow.
  • the inventors have also demonstrated that taking into account the measurement of the homogeneity of soot deposition in the filter makes it possible to improve the regulation or the control of the regeneration.
  • the quantity of soot deposited is usually evaluated online by measuring the pressure drop, that is to say by measuring the pressure differential between the faces of the filter. It is currently according to this parameter that the conditions of the regeneration are determined, the latter being initiated or completed when the pressure drop reaches certain values.
  • the pressure drop measurement is, however, related only to the total amount of soot deposited in the filter and not to the homogeneity of the soot deposition, and the inventors have shown that it may occur that regeneration ends when there is still a large heterogeneity of soot deposition likely to damage the filter during a subsequent regeneration. Such regeneration, described as imperfect in the rest of the text, is therefore detrimental to a long service life of particulate filters.
  • the invention therefore also aims to improve the control of regeneration conditions to prevent the filter undergoes too intense thermal shocks may weaken it.
  • the subject of the invention is a method for controlling the regeneration of a particulate filter comprising the steps of measuring the homogeneity of the soot deposition in said filter and of adjusting the parameters of said regeneration as a function of the homogeneity value obtained.
  • the parameters of the regeneration to be modified to prevent imperfect regeneration occur are preferably the duration and / or the post injection rate.
  • Measuring the homogeneity of the soot deposition in the particulate filter is preferably carried out according to the method described above, that is to say by measuring the respective characteristic quantities of at least two gas flows each having passed through. a different longitudinal portion of said filter, and then by comparison between them the characteristic quantities (such as the flow rate or the speed) thus measured.
  • Measuring the homogeneity of soot deposition in the particulate filter is preferably not the only measure that can be used to control the regeneration process. It is preferable that the regeneration be partly controlled by the known methods of the prior art, especially the methods using a pressure drop measurement or the processes of initiating a regeneration when a number of kilometers traveled is reached.
  • the opportune moment for initiating and / or completing a regeneration can for example be partly determined by measuring the pressure drop across the filter and then comparing the measured value with a predetermined value.
  • Measuring the homogeneity of the soot deposition can then be taken into account alternately or simultaneously: punctually at the beginning of a regeneration initiated by a measurement of the pressure drop, for example to control the flow rate of the post injection, punctually at the end of a regeneration, issue determined by a pressure drop measurement, for example to decide whether or not the extension of the post injection duration,
  • the homogeneity of the deposition of soot in the filter is measured at the beginning of the regeneration (or just before the start of the regeneration), and the post injection flow rate is reduced if said homogeneity does not occur. is not satisfactory, especially if the measured value is beyond a predetermined value.
  • the decrease in the post-injection flow rate is relative to the value that would have had this flow without taking into account the homogeneity of soot deposition.
  • the homogeneity of the deposition of soot in the filter is measured at the end of the regeneration, and, if said homogeneity is not satisfactory, the duration of the post injection is prolonged, generally of a duration. sufficient for homogeneity to become satisfactory again.
  • the method according to the invention then comprises a first step of diagnosis of the imperfect nature of the regeneration which has just taken place, in particular by comparison between the obtained homogeneity value and a predetermined value, and then, in case the regeneration is diagnosed as imperfect, a second step of lengthening the post-injection duration.
  • the elongation time can be predetermined or correlated with obtaining an acceptable homogeneity value.
  • the method according to the invention can in particular be carried out after a controlled regeneration in a manner known from the prior art, in particular by measuring the pressure drop across the filter, and this is only the outcome of the regeneration that the homogeneity of soot deposition is evaluated, and that a correction is applied in the form of an extension of the post-injection duration, possibly accompanied by an increase in the post-injection flow, when it has been found to be imperfect.
  • the duration of the extension of the postinjection can be predetermined: it can be for example a given percentage of the normal duration of the regeneration.
  • the regeneration can also be stopped as soon as the homogeneity value becomes satisfactory, in particular when it falls below a predetermined value.
  • the measurement of the homogeneity of soot deposition in the filter is carried out by measuring the respective velocity of two gas flows having respectively crossed a longitudinal portion located substantially in the center of the filter and a longitudinal portion located substantially peripherally. of said filter, and determination of an absolute difference in velocities ⁇ V, it is preferably diagnosed that the regeneration is imperfect if the absolute difference in velocities ⁇ V exceeds a predetermined value ⁇ ⁇ ⁇ , and, if the regeneration is diagnosed as imperfect, the the post-injection duration is increased by a time necessary for the absolute difference in velocities ⁇ V to fall below a second predetermined value ⁇ V 2 .
  • the post-injection duration can be increased by a predetermined time, a new measurement of the homogeneity of soot deposition being carried out at the end of the elongated regeneration making it possible to determine whether the latter is still imperfect and whether a new elongation of the duration is necessary.
  • the predetermined values discussed above may be alternatively fixed threshold values or values that may be modified according to the operating parameters of the motor and / or the filter.
  • the precise determination of the ad hoc values is within the abilities of the person skilled in the art and it would be of no interest to include in the present description precise values that apply only in particular cases.
  • the present invention relates to a device for implementing the method of measuring the soot deposition homogeneity or regeneration control method described above.
  • such a device comprises in particular: means for driving a gas such as air into the filter, means for confining the air flow introduced into the filter, flow control means and / or the pressure of the air introduced into the filter, measuring means, at the output of the filter, of a characteristic quantity of a flow of gas such as air through the filter element or elements.
  • the measuring means are, for example, chosen from propeller anemometers, hot wires, pitot tubes, hot-ball systems, hot-film systems, PIV-type systems. velocimetry image), LDA type systems
  • the method according to the invention is advantageously implemented by the use of at least one means for measuring a characteristic quantity (for example speed or flow) of a flow of gas and possibly means of comparison and control of the regeneration in an exhaust line of an engine, preferably a diesel engine.
  • the invention therefore also relates to an exhaust line of an engine (in particular Diesel) comprising a particulate filter and at least one means for measuring the velocity or flow rate of at least two gas flows each having passed through a different longitudinal portion of said filter.
  • Diesel in particular Diesel
  • the or each means for measuring the speed or the flow rate of a gas flow is preferably situated immediately after the downstream face of the filter facing the corresponding longitudinal portion.
  • the exhaust line comprises two means for measuring the speed or the flow rate of gas, said means being fixed and located respectively at the center and at the periphery of the filter.
  • the exhaust line comprises a means for measuring the velocity of a moving gas flow in a transverse plane.
  • the first mode is however preferred for reasons of ease of implementation.
  • the or each means for measuring the speed of a gas flow is preferably a Pitot tube.
  • the other means mentioned above can also be used, but the pitot tube is preferred, for reasons of cost, and because it can be made in a metal resistant to temperatures of more than 1000 ° C.
  • the exhaust line preferably comprises a regeneration control system.
  • This system comprises means for comparing the speeds or flow rates of the exhaust gas flows in order to deduce a value of homogeneity, means for comparing this value of homogeneity with a predetermined value, as well as means for controlling the parameters of the regeneration, in particular its duration and the post-injection flow rate.
  • the comparison means may consist of any type of onboard computer known to those skilled in the art.
  • the predetermined values may alternatively be fixed threshold values or values that may be modified according to the operating parameters of the motor and / or the filter.
  • the embodiments of the invention below illustrate the invention without limiting it.
  • FIG. 1 illustrates a device for implementing the "off-line” measurement method for the homogeneity of the soot deposition.
  • Example 1 relates to an "off-line" implementation of the method for measuring homogeneity of soot deposition and diagnosis of the state of regeneration of the filter.
  • a particulate filter is loaded with soot and then regenerated on an engine bench according to a protocol which will be detailed later.
  • the measurement of the homogeneity of the soot deposition is then carried out using the device of FIG. 1, detailed below.
  • the filter used combines in a filter block several monolithic elements in honeycomb.
  • the extruded elements are recrystallized silicon carbide (R-SiC). After firing, they are machined and then bonded to each other by bonding with a SiC silicon carbide cement, the structure thus obtained being then coated with a coating cement, according to well-known techniques.
  • R-SiC recrystallized silicon carbide
  • SiC silicon carbide cement
  • the manufacture of such filtering structures is in particular described in the patent applications EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923 or WO 2004/065088.
  • the engine bench used for the soot loading of the filter and the regeneration includes a diesel engine of 2.0 L displacement with direct injection.
  • the fuel used is a diesel fuel containing less than 50 ppm of sulfur.
  • the operating point of the motor is as follows: speed of 3000 rpm for a torque of 50 Nm.
  • so-called "normal” regeneration cycle includes a post-injection lasting 10 minutes.
  • soot loading and / or regeneration the homogeneity of soot deposition is evaluated "off-line" using the device of FIG.
  • This device is composed of a tubular member 1 on which are arranged in succession:
  • an air filter 2 This filter is optional and its function is to avoid the accumulation in the system of the dust present in the ambient air.
  • This valve makes it possible to roughly regulate the flow rate and the pressure at the inlet of the particle filter 4.
  • this valve 3 may be advantageous to couple this valve 3 with a valve of This valve 5 is for example of the guillotine type and allows to work with a flow of air whose temperature is substantially constant.
  • the contribution of this valve 5 advantageously allows a precision on the flow rate of less than 1 m 3 / h (cubic meter per hour) as well as a facilitated regulation of the pressure near and upstream of the particle filter 4, in the direction of air movement.
  • the blower makes it possible to drive the air into the filter 4.
  • the maximum flow rate of blown air is 350 m 3 / h. 4 °) a flowmeter 7:
  • the flow meter allows verification and control of the air flow during handling.
  • a length of tube 8 fitted between the blower 6 and the divergent 9 The length of the tube 8 between the blower and the divergent is advantageously taken greater than approximately 50 times the diameter of the tube.
  • Such a configuration makes it possible in particular to obtain a substantially constant speed of the gas flow lines at the outlet of the tube 8, that is to say a stabilized flow of gas at the inlet of the diverging portion. 6 °) a divergent 9:
  • the apex angle of the divergent is preferably less than 7 °, for example 6 °. Such a configuration allows in particular a homogeneity of the gas stream lines arriving at the input of the particle filter.
  • the inlet of the filter and the outlet of the divergent are directly joined.
  • the envelope 10 of the filter (called “canning" in the loom) had a length greater than that of the filter 4, so that there is a space between the outlet 11 of the divergent 9 and the inlet 12 of the filter 4.
  • a pressure sensor 13 The function of the pressure sensor is to check and control the absolute and / or relative pressure in the part of the divergent immediately upstream of the particle filter, in the direction of progression of the air.
  • the measurement system may be chosen according to the invention from any known system in the field of fluid mechanics for measuring the velocity of a gas flow. Without this being considered restrictive, it is possible, for example, according to the invention to use one or more mobile propeller anemometers sweeping the downstream surface of the particle filter at the outlet of the present device, a series or battery of anemometers.
  • one or more hot son or a set of hot son the speed of the gas being measured according to the heat loss of the son or son, one or more pitot tubes, hot-ball systems, hot-film systems, PIV-type systems, laser doppler-anemometry (LDA) systems measuring doppler effect related to the velocity of the air.
  • LDA laser doppler-anemometry
  • a preferred measurement system consists of a movable anemometer in a transverse plane.
  • the distance between the rear face 16 of the filter and the air measuring system 15 is in general a compromise between the dimensions generated by the dimensions of the measurement system itself and the power of the air flow at the outlet of the air. filtered.
  • the distance filter / measuring system is between 0 and a few centimeters, preferably between 0 and 2 cm.
  • the divergent has an apex angle of 6 °.
  • the system for measuring the speed of the gases consists of a propeller anemometer of the brand Schiltknecht, marketed by the company RBI Instrumentations, mounted on two cylinders arranged in a cross, which thus allow its mobility along two X and Y displacement axes of the transverse plane.
  • the anemometer with a diameter of 9 mm, is located 2 mm from the downstream face of the filter.
  • the pressure upstream of the filter is 12 mbar.
  • the system moves stepwise on a first line in the X direction, the pitch being set at 1.8 mm.
  • the pitch is chosen equal to the width of a channel, so as to obtain optimal discrimination.
  • the filter is loaded with 3 different soot levels: 0.69 g / L, 1.46 g / L and 5.54 g / L (it is grams of soot per liter of filter).
  • Table 2 shows the velocities measured downstream of the filter, at the center and at the periphery of the filter for each of the soot loading levels. More precisely, the three measurements are made on a line of the X axis, for values of X respectively of 2.5 cm (Pi), 8.5 cm (C) and 12.5 cm (P 2 ). The last column indicates the relative speed variation between the center and the periphery of the filter, expressed in percentages.
  • the air velocity downstream of the filter varies according to the amount of soot deposited in the filter. It can also be observed that for low values of soot amounts (0.69 and 1.46 g / L), the deposit is relatively homogeneous between the center and the periphery of the filter, since the speed values are substantially identical. It is observed, however, that for large amounts of soot, under the loading conditions used, the deposit is very inhomogeneous, with larger amounts being deposited in the center of the filter.
  • the heterogeneity of the deposit is here characterized by the comparison of two or three flow rates of a gas (in this case air) having passed through two or three different longitudinal portions of the filter.
  • This example illustrates the "on-line” implementation of methods for measuring the homogeneity of soot deposition and regeneration control according to the invention.
  • a particulate filter is subjected to a number of cycles each comprising a soot loading at 7g / L followed by a regeneration.
  • the regeneration is controlled only by the measured pressure drop.
  • the regeneration conditions are also controlled by measuring the homogeneity of soot deposition in the filter.
  • the particle filter used is similar to that of Example 1.
  • the same engine bench is also used, except that the exhaust line now comprises two Pitot tubes downstream of the filter and placed respectively at center and at the periphery of the filter. These pitot tubes make it possible to measure in line the speed of two exhaust gas flows having each passed through a longitudinal portion, respectively central and peripheral, of the filter.
  • the homogeneity of the soot deposition in the filter is characterized as being the absolute value of the velocity difference ⁇ V between the two measured velocities.
  • the exhaust line thus comprises means for comparing the two measured speeds, calculating the value of ⁇ V and comparing the latter with a predetermined value, as well as means making it possible to control certain parameters of the regeneration when the value of ⁇ V exceeds this value. predetermined value, testifying to an excessive heterogeneity of soot deposition.
  • a “pressure loss efficiency” or “efficiency of ⁇ P” is defined by the ratio between the value of the pressure loss after soot loading minus the value of the pressure loss after regeneration and the value of the pressure drop after loading. in soot reduced by the pressure loss value of a new filter.
  • the regeneration is initiated when the pressure drop efficiency is less than a predetermined value, in this case 90%, corresponding here to a quantity of soot of 7 g / L.
  • a so-called "normal” regeneration is initiated, which comprises, as in Example 1, a 10-minute post-injection for a motor speed corresponding to a speed of 1700 rpm and a torque of 95.degree. Nm.
  • This regeneration makes it possible to reduce the value of pressure drop to a value corresponding to a yield of ⁇ P of 90% or more.
  • the parameters of the regeneration are not modified according to the homogeneity of soot deposition.
  • the value of ⁇ V when at the end of a normal regeneration (said issue being determined by the measurement of the efficiency of ⁇ P) the value of ⁇ V is greater than a predetermined value ⁇ ⁇ ⁇ equal to 2 m / s, (corresponding to imperfect regeneration) an extension of the post injection duration of about 20% is applied.
  • This increase in duration is chosen because it makes it possible to strongly lower the value of ⁇ V.
  • other implementation protocols of the invention can be chosen and adapted depending on the operating conditions (type of motor and filter etc.).
  • the increase in post-injection duration may be accompanied by an increase in the post-injection flow rate.
  • the elongation time may not be fixed but be connected to a certain value ⁇ V 2 , the regeneration being stopped when the value of ⁇ V falls below this value ⁇ V 2 .
  • Tables 3 and 4 show the results respectively obtained for the comparative mode and the mode according to the invention.
  • the filter has undergone 8 cycles each comprising a soot loading and a regeneration as defined above.
  • the tables indicate several measured data at the end of normal regeneration: the efficiency of ⁇ P, the value of ⁇ V, and, if appropriate, the increase of the post injection duration compared with the normal duration, the latter corresponding to 10 minutes.
  • control of the regeneration by the measurement of the pressure drop alone and without taking into account the homogeneity of soot deposition in the filter is therefore likely to create imperfect regenerations associated with a high heterogeneity of soot deposition and may give rise thermal shocks and mechanical degradation of the filters during subsequent regenerations.
  • Table 4 illustrates the embodiment according to the invention.
  • the parameters of the regeneration are modified at the end of a normal regeneration diagnosed as imperfect, in particular when the heterogeneity of soot in the filter is too important.
  • the .DELTA.V value 2.2 is greater than the predetermined value ⁇ ⁇ ⁇ equal to 2. This regeneration is then diagnosed as imperfect, an increase of 20% the duration of post injection is applied. This second part of the 6 th cycle, denoted 6-2, allows to reduce the value .DELTA.V to an acceptable value and a second prolongation of the post-injection time is not applied.
  • the filter for cracks or even mechanical weakening After the 8 th regeneration, the filter for cracks or even mechanical weakening.
  • the method of diagnosis and control of the regeneration according to the invention therefore makes it possible to increase the service life of the particulate filters and / or to allow the use of less efficient materials in terms of thermomechanics.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de mesure de l'homogénéité du dépôt de suies dans un filtre à particules (4) comprenant les étapes consistant à mesurer, simultanément ou successivement, les grandeurs caractéristiques respectives d'au moins deux écoulements de gaz ayant chacun traversé une portion longitudinale différente dudit filtre (4) puis à comparer entre elles les grandeurs caractéristiques ainsi mesurées. Elle a également pour objet un procédé de contrôle de la régénération d'un filtre à particules (4) comprenant les étapes consistant à mesurer l'homogénéité du dépôt de suies dans ledit filtre (4) et à adapter les paramètres de ladite régénération en fonction de la valeur d'homogénéité obtenue.

Description

MESURE DE L'HOMOGENEITE DE DEPOT DES SUIES DANS UN FILTRE A PARTICULES ET CONTRÔLE DE LA REGENERATION DUDIT FILTRE.
L'invention se rapporte au domaine des filtres à particules de structure en nid d'abeille utilisés dans une ligne d'échappement d'un moteur pour l'élimination des suies, typiquement produites par la combustion d'un carburant diesel dans un moteur à combustion interne. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de mesure de l'homogénéité de dépôt des suies dans un tel filtre et à un procédé de contrôle de la régénération d'un filtre.
Les moteurs à allumage par compression, appelés moteurs « Diesel » sont connus pour produire une quantité de suies importante. Cela résulte de phénomènes de pyrolyse d'hydrocarbure en l'absence d'oxygène au sein même de la flamme de combustion et à l'insuffisance de la température au sein de la chambre de combustion pour brûler l'intégralité des particules de suies ainsi produites. Ces suies, lorsqu'elles sont émises à l'extérieur du véhicule, servent de germes sur lesquels viennent condenser les hydrocarbures imbrûlés, constituant ainsi des particules solides pouvant être inhalées et dont la petite taille permet une progression jusqu'aux alvéoles pulmonaires. Pour limiter l'émission des suies à l'extérieur du véhicule et respecter les normes environnementales toujours plus sévères, il est connu de disposer sur la ligne d'échappement des dispositifs de filtration, éventuellement associés à ou incluant des dispositifs catalytiques, ces derniers ayant pour but la transformation d'émissions gazeuses polluantes en gaz inertes. Parmi les émissions gazeuses polluantes figurent notamment les hydrocarbures imbrûlés ainsi que les oxydes d'azote (NOx) ou le monoxyde de carbone (CO).
Les dispositifs de filtration de suies, appelés couramment « filtres à particules » sont en général constitués d'un support filtrant en céramique poreuse.
Ce support présente généralement une structure en nid d'abeille, une des faces de ladite structure permettant l'admission des gaz d'échappement à filtrer et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement filtrés. Entre ces faces, respectivement appelées dans la suite du texte faces amont et aval, la structure filtrante présente un ensemble de canaux longitudinaux et parallèles entre eux séparés par des parois poreuses, lesdits canaux étant obturés à l'une de leurs extrémités afin de forcer les gaz d'échappement à traverser lesdites parois poreuses. Pour une bonne étanchéité de l'ensemble, la partie périphérique de la structure est entourée d'un ciment appelé ciment de revêtement. Le filtre est également entouré d'un gainage, fréquemment appelé « canning » et constitué d'un mat en fibres de verre et d'une enveloppe métallique. Afin de conférer une meilleure résistance aux chocs thermiques, les filtres sont parfois constitués d'un assemblage d'éléments monolithiques et parallélépipédiques appelés « segments » et présentant une structure en nid d'abeille, lesdits éléments étant assemblés à l'aide d'un ciment. Des exemples de tels filtres dits « segmentés » sont décrits dans les demandes de brevets EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923 ou encore WO 2004/065088.
Les céramiques le plus souvent utilisées sont la cordiérite (Mg2AI4Si2Oi8) ou le carbure de silicium (SiC), ce dernier étant préféré pour ses propriétés de conductivité thermique et de résistance à la corrosion.
Au cours du fonctionnement du moteur, le filtre à particules se charge en particules de suie, lesquelles se déposent sur les parois poreuses. De la même manière que dans la chambre de combustion se pose le problème de la température minimale nécessaire pour permettre la combustion des suies. Les suies étant retenues dans le filtre, la cinétique de combustion peut être plus lente que dans la chambre de combustion, ce qui permet d'abaisser la température de combustion des suies à environ 6000C. Ce gain est toutefois insuffisant pour assurer une combustion des suies au sein du filtre sur toute la plage de fonctionnement du moteur. Il est donc nécessaire de prévoir, à la suite d'un cycle de filtration, un cycle de régénération, au cours duquel les suies sont brûlées.
Le filtre à particules fonctionne donc selon les modes suivants : filtration et combustion quasi-simultanée des suies lorsque la température des gaz d'échappement le permet, - rétention et accumulation des particules de suies dans le filtre lorsque la température des gaz d'échappement est trop faible, régénération du filtre avant que les pertes de charge dues à l'accumulation des suies ne deviennent inacceptables.
Le colmatage progressif du filtre lors de la phase de rétention des suies provoque en effet une augmentation de la perte de charge se traduisant par une augmentation de la consommation du moteur.
L'étape de régénération se fait par élévation de la température des gaz d'échappement à l'aide d'une post injection, qui consiste à injecter tardivement dans le cycle moteur du carburant qui va brûler dans la ligne d'échappement.
Lors de la régénération, et du fait de la combustion exothermique des suies, le filtre subit des températures élevées. Ces températures étant en outre inhomogènes au sein du matériau du fait que les particules de suies se déposent préférentiellement dans la partie centrale du filtre ainsi que dans sa partie aval, le filtre est soumis à un choc thermique important, susceptible de générer au sein du matériau des micro-fissurations entraînant une perte partielle ou totale de sa capacité de filtration.
Le caractère plus ou moins homogène de la répartition des suies dans le filtre est par conséquent un paramètre particulièrement important à évaluer puisqu'il influe directement sur le choc thermique que peut subir le filtre et l'invention a donc pour but de proposer un procédé permettant d'évaluer l'homogénéité du dépôt de suies dans un filtre à particules.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure de l'homogénéité du dépôt de suies dans un filtre à particules susceptible d'être utilisé dans une ligne d'échappement d'un moteur comprenant les étapes consistant à mesurer, simultanément ou successivement, les grandeurs caractéristiques respectives d'au moins deux écoulements de gaz ayant chacun traversé une portion longitudinale différente dudit filtre puis à comparer entre elles les grandeurs caractéristiques ainsi mesurées.
Il faut entendre par « portion longitudinale » une portion du filtre s'étendant entre ses faces amont et aval parallèlement aux canaux longitudinaux.
Une portion longitudinale peut ainsi comprendre un seul canal longitudinal ainsi que les parois poreuses du filtre qui le délimitent, ou bien un ensemble de canaux longitudinaux. Dans le cas où le filtre est segmenté, une portion longitudinale peut par exemple correspondre à un segment.
La grandeur caractéristique de l'écoulement de gaz est avantageusement choisie parmi la vitesse ou le débit, la vitesse étant particulièrement préférée du fait de la relative facilité de sa mesure.
Le gaz employé dépend des conditions de mise en œuvre du procédé.
Lorsque ce dernier est utilisé en ligne (c'est-à-dire dans la ligne d'échappement du moteur en fonctionnement), le gaz sera le gaz d'échappement dudit moteur. Ce type de mesure peut également être réalisé hors ligne, par exemple sur un banc d'essais, et un gaz tel que l'air peut être employé.
Les différentes mesures des grandeurs caractéristiques de l'écoulement peuvent être réalisées successivement ou simultanément. Ce dernier cas est préféré car il ne nécessite pas de moyens de déplacement transversal du moyen de mesure.
Les inventeurs ont pu mettre en évidence que la quantité de suies présentes dans un filtre à particules variait linéairement avec la vitesse ou le débit d'un écoulement de gaz ayant traversé ledit filtre, ce qui permet de déterminer avec précision le premier de ces paramètres en comparant la vitesse mesurée avec des valeurs prédéterminées obtenues par exemple après un étalonnage réalisé sur un filtre de même type en tenant en particulier compte de la pression en amont du filtre. Cette mesure de vitesse ou de débit peut d'ailleurs être mise en œuvre pour contrôler de manière plus précise et plus fiable le processus de régénération du filtre par rapport aux procédés de contrôle habituels faisant intervenir la mesure de la perte de charge au travers du filtre, car la variation de la perte de charge avec la quantité de suies de suies n'est pas linéaire. La comparaison directe entre les vitesses ou les débits de différents écoulements de gaz ayant traversé différentes portions longitudinales (par exemple différents canaux longitudinaux) du filtre permet quant à elle d'évaluer l'homogénéité de dépôt des suies dans le filtre, sans étalonnage préalable. Selon un premier mode de réalisation, on mesure les vitesses respectives d'une série d'écoulements de gaz ayant traversé chacun une portion longitudinale différente du filtre, lesdites portions longitudinales étant espacées d'un pas déterminé selon un axe ou selon deux axes orthogonaux d'un plan transversal. Le pas est alors de préférence égal ou inférieur à la largeur d'un canal longitudinal.
On peut ainsi réaliser une cartographie de vitesses selon un plan transversal et évaluer l'homogénéité du dépôt des suies par diverses méthodes mathématiques, telles que la comparaison entre les vitesses extrêmes, ou encore le calcul de l'écart type de la distribution de vitesses. Ce type de mesure peut également être effectué en prenant en compte le débit de l'écoulement de gaz et non sa vitesse.
Selon un autre mode de réalisation, on mesure la vitesse respective de deux écoulements de gaz ayant respectivement traversé une portion longitudinale située sensiblement au centre du filtre et une portion longitudinale située sensiblement en périphérie dudit filtre, et l'on détermine une différence absolue de vitesses ΔV, cette dernière grandeur étant caractéristique de l'homogénéité du filtre. Ce procédé présente l'avantage d'une plus grande simplicité, puisque seuls deux moyens de mesure de la vitesse sont nécessaires. Il tient compte en outre du fait que les suies se déposent généralement en plus grand nombre au centre du filtre, les valeurs de vitesse extrêmes se trouvant donc habituellement respectivement au centre et en périphérie du filtre. Ici encore, une mesure du débit de l'écoulement de gaz peut remplacer la mesure de la vitesse dudit écoulement.
Les inventeurs ont également mis en évidence que la prise en compte de la mesure de l'homogénéité du dépôt des suies dans le filtre permettait d'améliorer la régulation ou le contrôle de la régénération.
La quantité de suies déposée est habituellement évaluée en ligne par mesure de la perte de charge, c'est-à-dire par mesure du différentiel de pression entre les faces du filtre. C'est actuellement en fonction de ce paramètre que les conditions de la régénération sont déterminées, cette dernière étant amorcée ou achevée lorsque la perte de charge atteint des valeurs déterminées. La mesure de perte de charge n'est toutefois reliée qu'à la quantité totale de suies déposée dans le filtre et non à l'homogénéité du dépôt des suies, et les inventeurs ont mis en évidence qu'il peut se produire qu'une régénération s'achève alors qu'il subsiste une hétérogénéité de dépôt des suies importante susceptible d'endommager le filtre lors d'une régénération ultérieure. Une telle régénération, qualifiée d'imparfaite dans la suite du texte, est donc préjudiciable à une longue durée de vie des filtres à particules. L'invention a donc également pour but d'améliorer le contrôle des conditions de la régénération afin d'éviter que le filtre ne subisse des chocs thermiques trop intenses susceptibles de le fragiliser.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle de la régénération d'un filtre à particules comprenant les étapes consistant à mesurer l'homogénéité du dépôt de suies dans ledit filtre et à adapter les paramètres de ladite régénération en fonction de la valeur d'homogénéité obtenue.
Une adaptation des conditions de la régénération en fonction de la mesure d'homogénéité permet alors d'éviter les régénérations imparfaites. On évite ainsi de faire subir des chocs thermiques trop intenses au filtre et l'on peut alors allonger la durée de vie des filtres et/ou autoriser l'emploi de matériaux présentant une moindre performance en termes de propriétés thermomécaniques.
Les paramètres de la régénération à modifier pour éviter qu'une régénération imparfaite se produise sont de préférence la durée et/ou le débit de post injection. La mesure de l'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre à particules est de préférence réalisée selon le procédé décrit précédemment, c'est-à-dire par la mesure des grandeurs caractéristiques respectives d'au moins deux écoulements de gaz ayant chacun traversé une portion longitudinale différente dudit filtre, puis par la comparaison entre elles des grandeurs caractéristiques (telles que le débit ou la vitesse) ainsi mesurées.
La mesure de l'homogénéité du dépôt des suies dans le filtre à particules n'est de préférence pas la seule mesure susceptible d'être utilisée pour contrôler le processus de régénération. Il est préférable que la régénération soit en partie contrôlée par les procédés connus de l'art antérieur, notamment les procédés utilisant une mesure de la perte de charge ou les procédés consistant à déclencher une régénération lorsqu'un nombre de kilomètres parcouru est atteint. Le moment opportun pour amorcer et/ou achever une régénération peut par exemple être en partie déterminé par la mesure de la perte de charge au travers du filtre puis par comparaison de la valeur mesurée avec une valeur prédéterminée. La mesure de l'homogénéité du dépôt de suies peut alors être prise en compte alternativement ou simultanément : de manière ponctuelle au début d'une régénération amorcée par une mesure de la perte de charge, par exemple pour contrôler le débit de la post injection, de manière ponctuelle à l'issue d'une régénération, issue déterminée par une mesure de perte de charge, par exemple pour décider ou non de l'allongement de la durée de post injection,
Selon un premier mode de réalisation, l'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre est mesurée au début de la régénération (ou juste avant le début de la régénération), et l'on diminue le débit de post injection si ladite homogénéité n'est pas satisfaisante, en particulier si la valeur mesurée se situe au-delà d'une valeur prédéterminée. La diminution du débit de post-injection se fait relativement à la valeur qu'aurait eu ce débit sans prise en compte de l'homogénéité de dépôt des suies.
Selon un second mode de réalisation, l'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre est mesurée en fin de régénération, et, si ladite homogénéité n'est pas satisfaisante, l'on allonge la durée de post injection, généralement d'une durée suffisante pour que l'homogénéité redevienne satisfaisante. Le procédé selon l'invention comprend alors une première étape de diagnostic du caractère imparfait de la régénération qui vient de se dérouler, notamment par comparaison entre la valeur d'homogénéité obtenue et une valeur prédéterminée, puis, au cas où la régénération est diagnostiquée comme imparfaite, une seconde étape d'allongement de la durée de post-injection. La durée d'allongement peut être prédéterminée ou corrélée avec l'obtention d'une valeur d'homogénéité acceptable. Simultanément à l'allongement de la durée de post injection, il est possible d'adapter d'autres paramètres de la régénération, par exemple d'augmenter le débit de post-injection. Le procédé selon l'invention peut en particulier être réalisé à l'issue d'une régénération contrôlée de manière connue de l'art antérieur, notamment par la mesure de la perte de charge au travers du filtre et ce n'est qu'à l'issue de la régénération que l'homogénéité de dépôt des suies est évaluée, et qu'un correctif est appliqué sous forme d'un allongement de la durée de post injection, éventuellement accompagné d'une augmentation du débit de post-injection, lorsque cette dernière a été jugée imparfaite. La durée de l'allongement de la postinjection peut être prédéterminée : il peut s'agir par exemple d'un pourcentage donné de la durée normale de la régénération. La régénération peut également être stoppée dès lors que la valeur d'homogénéité redevient satisfaisante, notamment lorsqu'elle passe en deçà d'une valeur prédéterminée.
En particulier, lorsque la mesure de l'homogénéité de dépôt de suies dans le filtre est réalisée par mesure de la vitesse respective de deux écoulements de gaz ayant respectivement traversé une portion longitudinale située sensiblement au centre du filtre et une portion longitudinale située sensiblement en périphérie dudit filtre, et détermination d'une différence absolue de vitesses ΔV, on diagnostique de préférence que la régénération est imparfaite si la différence absolue de vitesses ΔV dépasse une valeur prédéterminée Δ\Λ, et, si la régénération est diagnostiquée comme imparfaite, l'on augmente la durée de post injection d'un temps nécessaire pour que la différence absolue de vitesses ΔV passe en dessous d'une deuxième valeur prédéterminée ΔV2. On peut alternativement augmenter la durée de post injection d'un temps prédéterminé, une nouvelle mesure de l'homogénéité de dépôt des suies étant effectuée à la fin de la régénération allongée permettant de déterminer si cette dernière est encore imparfaite et si un nouvel allongement de la durée est nécessaire.
Les valeurs prédéterminées discutées ci-dessus peuvent être alternativement des valeurs de seuil fixées ou bien des valeurs susceptibles d'être modifiées selon les paramètres de fonctionnement du moteur et/ou du filtre. La détermination précise des valeurs ad hoc est à la portée de l'homme du métier et il serait sans intérêt de faire figurer dans la présente description des valeurs précises ne s'appliquant qu'à des cas particuliers. Selon un autre aspect, la présente invention se rapporte à un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de mesure de l'homogénéité de dépôt des suies ou du procédé de contrôle de la régénération précédemment décrits.
Lesdits procédés peuvent être mis en œuvre dans différentes situations, telles que par exemple « en ligne », c'est-à-dire dans une ligne d'échappement du moteur d'un véhicule automobile ou encore (dans le cas du procédé de mesure de l'homogénéité) « hors ligne », en particulier sur un banc d'essai visant à étudier expérimentalement les performances d'un filtre et/ou les caractéristiques de la régénération les mieux adaptées à un filtre donné. Dans ce dernier cas, un tel dispositif comprend notamment : des moyens pour impulser un gaz tel que l'air dans le filtre, des moyens de confinement du débit d'air introduit dans le filtre, des moyens de régulation du débit et/ou de la pression de l'air introduit dans le filtre, - des moyens de mesure, en sortie du filtre, d'une grandeur caractéristique d'un écoulement de gaz tel que l'air au travers du ou des éléments filtrants.
Lorsque la grandeur caractéristique est la vitesse, les moyens de mesure sont par exemple choisis parmi les anémomètres à hélices, les fils chauds, les tubes de Pitot, les systèmes à boule chaude, les systèmes à film chaud, les systèmes de type PIV (Particules image velocimetry), les systèmes de type LDA
(laser doppler anemometry) mesurant l'effet doppler lié à la vitesse de l'air.
Dans le cas d'une mise en œuvre en ligne, le procédé selon l'invention est avantageusement mis en œuvre par l'utilisation d'au moins un moyen de mesure d'une grandeur caractéristique (par exemple vitesse ou débit) d'un écoulement de gaz et éventuellement de moyens de comparaison et de contrôle de la régénération dans une ligne d'échappement d'un moteur, de préférence un moteur Diesel.
L'invention a donc également pour objet une ligne d'échappement d'un moteur (notamment Diesel) comprenant un filtre à particules et au moins un moyen de mesure de la vitesse ou du débit d'au moins deux écoulements de gaz ayant chacun traversé une portion longitudinale différente dudit filtre.
Le ou chaque moyen de mesure de la vitesse ou du débit d'un écoulement de gaz est de préférence situé immédiatement après la face aval du filtre en regard de la portion longitudinale correspondante.
Selon un premier mode de réalisation, la ligne d'échappement comprend deux moyens de mesure de la vitesse ou du débit d'écoulement de gaz, lesdits moyens étant fixes et situés respectivement au centre et en périphérie du filtre.
Selon un second mode de réalisation, la ligne d'échappement comprend un moyen de mesure de la vitesse d'un écoulement de gaz mobile dans un plan transversal. Le premier mode est toutefois préféré pour des raisons de facilité de mise en œuvre.
Lorsque la vitesse est la grandeur caractéristique mesurée, le ou chaque moyen de mesure de la vitesse d'un écoulement de gaz est de préférence un tube de Pitot. Les autres moyens cités précédemment peuvent également être employés, mais le tube de Pitot est préféré, pour des raisons de coût, et parce qu'il peut être réalisé dans un métal résistant aux températures de plus de 10000C.
Afin de mettre en œuvre le procédé de contrôle de la régénération selon l'invention, la ligne d'échappement comprend de préférence un système de contrôle de la régénération. Ce système comprend des moyens pour comparer les vitesses ou débits des écoulements de gaz d'échappement afin d'en déduire une valeur d'homogénéité, des moyens pour comparer cette valeur d'homogénéité avec une valeur prédéterminée, ainsi que des moyens pour commander les paramètres de la régénération, en particulier sa durée et le débit de post-injection.
Les moyens de comparaison peuvent être constitués par tout type de calculateur embarqué connu de l'homme du métier. Les valeurs prédéterminées peuvent être alternativement des valeurs de seuil fixées ou bien des valeurs susceptibles d'être modifiées selon les paramètres de fonctionnement du moteur et/ou du filtre. Les exemples de réalisation de l'invention ci-dessous illustrent l'invention sans toutefois la limiter.
La figure 1 illustre un dispositif de mise en œuvre du procédé de mesure « hors ligne » de l'homogénéité du dépôt de suies. EXEMPLE 1
L'exemple 1 concerne une mise en œuvre « hors ligne » du procédé de mesure de l'homogénéité de dépôt de suies et de diagnostic de l'état de régénération du filtre.
Dans cet exemple, un filtre à particules est chargé en suies puis régénéré sur un banc moteur selon un protocole qui sera détaillé plus loin. La mesure de l'homogénéité du dépôt de suies est ensuite réalisée à l'aide du dispositif de la figure 1 , détaillé ci-après.
Le filtre employé associe en un bloc filtrant plusieurs éléments monolithiques en nid d'abeille. Les éléments extrudés sont en carbure de silicium recristallisé (R-SiC). Après cuisson ils sont usinés puis assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment à base de carbure de silicium SiC, la structure ainsi obtenue étant ensuite enduite d'un ciment de revêtement, selon des techniques bien connues. La fabrication de telles structures filtrantes est en particulier décrite dans les demandes de brevets EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923 ou encore WO 2004/065088.
Ses caractéristiques géométriques sont reportées dans le tableau 1 :
Tableau 1 Le banc moteur employé pour le chargement en suies du filtre et la régénération comprend un moteur Diesel de cylindrée de 2,0 L à injection directe. Le carburant utilisé est un gazole contenant moins de 50 ppm de soufre. Lors du chargement en suies, le point de fonctionnement du moteur est le suivant : vitesse de 3000 tours/min pour un couple de 50 Nm.
Lors de la régénération, la vitesse est de 1700 tours/min pour un couple de 95 Nm. Un cycle de régénération dit « normal » comprend une post-injection d'une durée de 10 minutes. Après chargement en suies et/ou régénération, l'homogénéité de dépôt des suies est évaluée « hors ligne » à l'aide du dispositif de la figure 1.
Ce dispositif est composé d'un organe tubulaire 1 sur lequel sont disposés en succession :
1 °) un filtre à air 2: Ce filtre est facultatif et a pour fonction d'éviter l'accumulation dans le système des poussières présentes dans l'air ambiant.
2°) une vanne papillon 3:
Cette vanne permet de réguler de manière grossière le débit et la pression à l'entrée du filtre à particule 4. Cependant, pour les valeurs les plus basses du débit d'air, il peut être avantageux de coupler cette vanne 3 avec une vanne de précision 5. Cette vanne 5 est par exemple du type guillotine et permet de travailler avec un flux d'air dont la température est sensiblement constante. L'apport de cette vanne 5 permet avantageusement une précision sur le débit inférieur à 1 m3/h (mètre cube par heure) ainsi qu'une régulation facilitée de la pression à proximité et en amont du filtre à particule 4, dans le sens de déplacement de l'air. La précision sur la pression obtenue est de l'ordre de 1 mbar (1 bar = 0,1 MPa).
3°) une soufflante 6:
La soufflante permet d'impulser l'air dans le filtre 4. Le débit maximum d'air insufflé est de 350 m3/h. 4°) un débitmètre 7 :
Le débitmètre permet la vérification et le contrôle du débit d'air au cours de la manipulation.
5°) une longueur de tube 8 ajustée entre la soufflante 6 et le divergent 9 : La longueur du tube 8 entre la soufflante et le divergent est avantageusement prise supérieure à environ 50 fois le diamètre du tube. Une telle configuration permet notamment d'obtenir une vitesse sensiblement constante des lignes de courant du gaz en sortie du tube 8, c'est-à-dire un flux stabilisé du gaz à l'entrée du divergent. 6°) un divergent 9:
Pour éviter tout décollement du flux d'air au niveau des parois du divergent et tout phénomène de turbulence, l'angle au sommet du divergent est de préférence inférieur à 7°, par exemple de 6°. Une telle configuration permet notamment une homogénéité des lignes de courant du gaz arrivant à l'entrée du filtre à particule.
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, on accole directement l'entrée du filtre et la sortie du divergent. On ne sortirait cependant pas de l'invention si l'enveloppe 10 du filtre (appelé « canning » dans le métier) présentait une longueur supérieure à celle du filtre 4, de telle sorte qu'il existe un espace entre la sortie 11 du divergent 9 et l'entrée 12 du filtre 4. Par exemple, les essais effectués par le demandeur ont montré des résultats satisfaisants lorsqu'un filtre de longueur 6" (1 pouce = 2,54 cm) était distant de 4" de l'entrée du filtre, un canning de longueur 10" étant utilisé (cf. figure 1 ).
7°) un capteur de pression 13 : Le capteur de pression a pour fonction de vérifier et contrôler la pression absolue et/ou relative dans la partie du divergent se trouvant immédiatement en amont du filtre à particules, dans le sens de progression de l'air.
8°) optionnellement un capteur de température 14, à proximité de l'entrée du filtre 12. 9°) un système de mesure 15 de la vitesse de l'air : Le système de mesure peut être choisi selon l'invention parmi tout système connu dans le domaine de la mécanique des fluides pour mesurer la vitesse d'un flux gazeux. Sans que cela puisse être considéré comme restrictif, il est par exemple possible selon l'invention d'utiliser - un ou plusieurs anémomètres à hélice mobiles balayant la surface aval du filtre à particule en sortie du présent dispositif, une série ou batterie d'anémomètres fixes ou mobile et/ou placés à différents endroits en face arrière du filtre, un ou plusieurs fils chauds, voire un ensemble de fils chauds, la vitesse des gaz étant mesurée en fonction de la déperdition de chaleur du ou des fils, un ou plusieurs tubes de Pitot, les systèmes à boule chaude, les systèmes à film chaud, - les systèmes de type PIV (Particules image velocimetry), les systèmes de type LDA (laser doppler anemometry) mesurant l'effet doppler lié à la vitesse de l'air.
Un système de mesure 15 préféré consiste en un anémomètre mobile dans un plan transversal. La distance entre la face arrière 16 du filtre et le système de mesure 15 de l'air est en général un compromis entre les encombrements engendrés par les dimensions du système de mesure lui-même et de la puissance du flux d'air en sortie du filtre.
Pratiquement, on choisit une configuration dans laquelle cette distance est minimisée pour éviter tout phénomène de « rétromélange » des courants gazeux en sortie susceptible de gêner la mesure de la vitesse des gaz.
En général la distance filtre/système de mesure est comprise entre 0 et quelques centimètres, de préférence entre 0 et 2 cm.
Pour la mise en œuvre de l'exemple 1 , le divergent présente un angle au sommet de 6°. Le système de mesure de la vitesse des gaz est constitué d'un anémomètre à hélice de la marque Schiltknecht, commercialisé par la société RBI Instrumentations, monté sur deux vérins disposés en croix, qui permettent ainsi sa mobilité selon deux axes de déplacement X et Y du plan transversal. L'anémomètre, de diamètre 9 mm, est situé à 2 mm de la face aval du filtre. La pression en amont du filtre est de 12 mbars.
Le système effectue un déplacement pas à pas sur une première ligne dans la direction X, le pas étant fixé à 1 ,8 mm. Le pas est choisi égal à la largeur d'un canal, de façon à obtenir une discrimination optimale. Une fois la ligne suivant X complétée, le système descend d'un cran suivant Y. A chaque déplacement de l'anémomètre dans la direction X ou Y, une mesure locale de la vitesse des gaz est effectuée. Une cartographie complète XY des flux est ainsi obtenue.
Le filtre est chargé avec 3 niveaux de suies différents : 0,69 g/L, 1 ,46 g/L et 5,54 g/L (il s'agit de grammes de suies par litre de filtre).
Le tableau 2 ci-dessous présente les vitesses mesurées en aval du filtre, au centre et à la périphérie du filtre pour chacun des niveaux de chargement en suie. Plus précisément, les trois mesures sont faites sur une ligne de l'axe X, pour des valeurs de X respectivement de 2,5 cm (Pi), 8,5 cm (C) et 12,5 cm (P2). La dernière colonne indique la variation relative de vitesse entre le centre et la périphérie du filtre, exprimée en pourcents.
Tableau 2
Les résultats montrent que la vitesse de l'air en aval du filtre varie en fonction de la quantité de suies déposée dans le filtre. On peut également observer que pour de faibles valeurs de quantités de suies (0,69 et 1 ,46 g/L), le dépôt est relativement homogène entre le centre et la périphérie du filtre, puisque les valeurs de vitesse sont sensiblement identiques. On observe en revanche que pour de fortes quantités de suies, dans les conditions de chargement utilisées, le dépôt est très inhomogène, de plus fortes quantités se déposant au centre du filtre. L'hétérogénéité du dépôt est donc ici caractérisée par la comparaison de deux ou trois vitesses d'écoulement d'un gaz (en l'occurrence d'air) ayant traversé deux ou trois portions longitudinales différentes du filtre.
EXEMPLE 2
Cet exemple illustre la mise en œuvre « en ligne » des procédés de mesure de l'homogénéité du dépôt de suies et de contrôle de la régénération selon l'invention.
Un filtre à particules est soumis à un certain nombre de cycles comprenant chacun un chargement en suies à 7g/L suivi d'une régénération. Selon un premier mode comparatif, la régénération n'est contrôlée que par la perte de charge mesurée. Selon un mode conforme à l'invention, les conditions de régénération sont également contrôlées par la mesure de l'homogénéité de dépôt des suies dans le filtre.
Dans cet exemple, le filtre à particules employé est similaire à celui de l'exemple 1. Le même banc moteur est également employé, à ceci près que la ligne d'échappement comprend désormais deux tubes de Pitot en aval du filtre et placés respectivement au centre et à la périphérie du filtre. Ces tubes de Pitot permettent de mesurer en ligne la vitesse de deux écoulements de gaz d'échappement ayant traversé chacun une portion longitudinale respectivement centrale et périphérique du filtre.
L'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre est caractérisée comme étant la valeur absolue de la différence de vitesses ΔV entre les deux vitesses mesurées. La ligne d'échappement comprend donc des moyens pour comparer les deux vitesses mesurées, calculer la valeur de ΔV et comparer cette dernière avec une valeur prédéterminée, ainsi que des moyens permettant de commander certains paramètres de la régénération lorsque la valeur de ΔV dépasse cette valeur prédéterminée, témoignant d'une trop forte hétérogénéité de dépôt des suies.
On définit un « rendement de perte de charge » ou encore « rendement de ΔP » par le rapport entre la valeur de perte de charge après chargement en suie diminuée de la valeur de perte de charge après régénération et la valeur de perte de charge après chargement en suie diminuée de la valeur de perte de charge d'un filtre neuf. La régénération est engagée lorsque le rendement de perte de charge est inférieur à une valeur prédéterminée, en l'occurrence 90%, correspondant ici à une quantité de suies de 7 g/L. A l'issue du chargement en suies, une régénération dite « normale » est amorcée, laquelle comprend comme pour l'exemple 1 une post injection de 10 minutes pour un régime moteur correspondant à une vitesse de 1700 tours/min et un couple de 95 Nm. Cette régénération permet de ramener la valeur de perte de charge à une valeur correspondant à un rendement de ΔP de 90% ou plus. Selon le mode comparatif de l'exemple, les paramètres de la régénération ne sont pas modifiés en fonction de l'homogénéité de dépôt des suies.
Selon le mode conforme à l'invention, lorsqu'à l'issue d'une régénération normale (ladite issue étant déterminée par la mesure du rendement de ΔP) la valeur de ΔV est supérieure à une valeur prédéterminée Δ\Λ égale à 2 m/s, (correspondant à une régénération imparfaite) un allongement de la durée de post injection d'environ 20% est appliqué. Cette augmentation de durée est choisie car elle permet d'abaisser fortement la valeur de ΔV. Il est bien évident que d'autres protocoles de mise en œuvre de l'invention peuvent être choisis et adaptés en fonction des conditions opératoires (type de moteur et de filtre etc.). En particulier, l'augmentation de la durée de post injection peut être accompagnée d'une augmentation du débit de post injection. La durée d'allongement peut être non pas fixée mais être reliée à une certaine valeur ΔV2, la régénération étant stoppée lorsque la valeur de ΔV passe en deçà de cette valeur ΔV2.
Les tableaux 3 et 4 présentent les résultats respectivement obtenus pour le mode comparatif et le mode selon l'invention. Dans les deux cas, le filtre a subi 8 cycles comprenant chacun un chargement en suies et une régénération tels que définis précédemment.
Pour chaque cycle, les tableaux indiquent plusieurs données mesurées en fin de régénération normale : le rendement de ΔP, la valeur de ΔV, et le cas échéant l'augmentation de la durée de post injection par rapport à la durée normale, cette dernière correspondant à 10 minutes.
Tableau 3 (mode comparatif)
Les valeurs élevées de rendement de perte de charge à l'issue de la régénération montrent que cette dernière est efficace en terme de diminution de la quantité globale de suies. On observe toutefois corrélativement une augmentation importante du différentiel de vitesses entre le centre et la périphérie ΔV d'un cycle à l'autre, qui démontre une dégradation de l'homogénéité de répartition des suies dans le filtre. Les 6 èemmee e Λ+t -rème _
I réΛg«éA«néΛrations peuvent être qualifiées d'imparfaites dans les conditions de l'essai puisqu'elles sont associées à un différentiel de vitesses supérieur à 2 m/s. A l'issue de la 8eme régénération toutefois, l'homogénéité retrouve une valeur satisfaisante. L'examen du filtre montre qu'un décolmatage brutal s'est produit, accompagné d'une fissuration du filtre.
Le contrôle de la régénération par la mesure de la perte de charge seule et sans prendre en compte l'homogénéité de dépôt des suies dans le filtre est donc susceptible de créer des régénérations imparfaites associées à une forte hétérogénéité de dépôt des suies et pouvant donner lieu à des chocs thermiques et à une dégradation mécanique des filtres lors des régénérations ultérieures.
Le tableau 4 illustre le mode de réalisation conforme à l'invention.
Tableau 4 (mode selon l'invention)
A la différence du mode comparatif illustré par le tableau 3, les paramètres de la régénération, ici la durée de la post injection, sont modifiés à l'issue d'une régénération normale diagnostiquée comme imparfaite, en particulier lorsque l'hétérogénéité de dépôt des suies dans le filtre est trop importante.
A l'issue de la 6eme régénération normale, notée 6-1 , la valeur de ΔV de 2,2 est supérieure à la valeur prédéterminée Δ\Λ égale à 2. Cette régénération étant alors diagnostiquée comme imparfaite, une augmentation de 20% de la durée de post injection est appliquée. Cette deuxième partie du 6eme cycle, notée 6-2, permet de ramener la valeur de ΔV à une valeur acceptable et un deuxième allongement de la durée de post injection n'est donc pas appliqué.
A l'issue de la 8e régénération, le filtre ne présente aucune fissure ni même fragilisation mécanique. Le procédé de diagnostic et de contrôle de la régénération selon l'invention permet donc d'augmenter la durée de vie des filtres à particules et/ou de d'autoriser l'emploi de matériaux moins performants en terme de thermomécanique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de l'homogénéité du dépôt de suies dans un filtre à particules susceptible d'être utilisé dans une ligne d'échappement d'un moteur comprenant les étapes consistant à mesurer, simultanément ou successivement, les grandeurs caractéristiques respectives d'au moins deux écoulements de gaz ayant chacun traversé une portion longitudinale différente dudit filtre puis à comparer entre elles les grandeurs caractéristiques ainsi mesurées.
2. Procédé selon la revendication 1 , tel que la grandeur caractéristique est choisie parmi la vitesse ou le débit.
3. Procédé selon la revendication précédente, tel que l'on mesure les vitesses respectives d'une série d'écoulements de gaz ayant traversé chacun une portion longitudinale différente dudit filtre, lesdites portions longitudinales étant espacées d'un pas déterminé selon un axe ou selon deux axes orthogonaux d'un plan transversal.
4. Procédé selon la revendication précédente, tel que le pas est égal ou inférieur à la largeur d'un canal longitudinal.
5. Procédé selon la revendication 2, tel que l'on mesure la vitesse respective de deux écoulements de gaz ayant respectivement traversé une portion longitudinale située sensiblement au centre du filtre et une portion longitudinale située sensiblement en périphérie dudit filtre, et tel que l'on détermine une différence absolue de vitesses ΔV.
6. Procédé de contrôle de la régénération d'un filtre à particules comprenant les étapes consistant à mesurer l'homogénéité du dépôt de suies dans ledit filtre et à adapter les paramètres de ladite régénération en fonction de la valeur d'homogénéité obtenue.
7. Procédé selon la revendication précédente, tel que la mesure de l'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre à particules est réalisée selon le procédé des revendications 1 à 5.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, tel que, l'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre étant mesurée au début de la régénération, on diminue le débit de post-injection si ladite homogénéité n'est pas satisfaisante.
9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, tel que, l'homogénéité du dépôt de suies dans le filtre étant mesurée en fin de régénération, on allonge la durée de post-injection si ladite homogénéité n'est pas satisfaisante.
10. Procédé selon la revendication précédente, tel que l'on mesure l'homogénéité de dépôt de suies dans le filtre selon le procédé de la revendication 5 en fin de régénération et que, si la différence absolue de vitesses ΔV dépasse une valeur prédéterminée Δ\Λ, l'on augmente la durée de post injection d'un temps nécessaire pour que la différence absolue de vitesses ΔV passe en dessous d'une deuxième valeur prédéterminée ΔV2.
11. Ligne d'échappement d'un moteur, de préférence Diesel, comprenant un filtre à particules et au moins un moyen de mesure de la vitesse ou du débit d'au moins deux écoulements de gaz ayant chacun traversé une portion longitudinale différente dudit filtre.
12. Ligne d'échappement selon la revendication précédente, telle que le ou chaque moyen de mesure de la vitesse ou du débit d'un écoulement de gaz est situé immédiatement après la face aval du filtre en regard de la portion longitudinale correspondante.
13. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 11 ou 12, comprenant deux moyens de mesure de la vitesse ou du débit d'écoulement de gaz, lesdits moyens étant fixes et situés respectivement au centre et en périphérie du filtre.
14. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 11 ou 12 comprenant un moyen de mesure de la vitesse d'un écoulement de gaz, ledit moyen étant mobile dans un plan transversal.
15. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 11 à 14, comprenant en outre un système de contrôle de la régénération, lequel comprend des moyens pour comparer les vitesses ou débits des écoulements de gaz d'échappement afin d'en déduire une valeur d'homogénéité, des moyens pour comparer cette valeur d'homogénéité avec une valeur prédéterminée, ainsi que des moyens pour commander les paramètres de régénération.
16. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 11 à 15, telle que le ou chaque moyen de mesure de la vitesse d'un écoulement de gaz est un tube de Pitot.
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