EP2084376A1 - Ligne d'echappement des gaz pour moteur a combustion interne equipee de systemes de depollution - Google Patents

Ligne d'echappement des gaz pour moteur a combustion interne equipee de systemes de depollution

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EP2084376A1
EP2084376A1 EP07866511A EP07866511A EP2084376A1 EP 2084376 A1 EP2084376 A1 EP 2084376A1 EP 07866511 A EP07866511 A EP 07866511A EP 07866511 A EP07866511 A EP 07866511A EP 2084376 A1 EP2084376 A1 EP 2084376A1
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exhaust line
engine
exhaust
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Withdrawn
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EP07866511A
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German (de)
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Frédéric TRONEL
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PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a gas exhaust line for a motor vehicle engine equipped with pollution control systems.
  • the pollutants resulting from the combustion of a motor vehicle engine whether it is a diesel engine or gasoline are mainly unburned hydrocarbons, nitrogen oxides (nitrogen monoxide NO and nitrogen dioxide NO 2 ), carbon oxides (carbon monoxide CO) and in the case of diesel engines and gasoline direct injection engines, carbonaceous solid particles.
  • the clearance of motor vehicles uses different after-treatment systems to remove the pollutants produced by the engine: the catalysts, and the particulate filter in the case of diesel engines.
  • the particulate filter can filter out solid particles present in the exhaust gas of diesel engines. Once trapped within the filter, the particles must be removed periodically by raising the temperature to 450-700 ° C within the filter to cause their combustion. This operation is commonly called “regeneration" of the particulate filter. Conventionally the energy required for regeneration is provided by an increase in the temperature of the exhaust gas.
  • the motor it is difficult for the motor to provide such a temperature, particularly in the case of the highest temperatures of 550 to 700 ° C.
  • the excess energy in the exhaust compared to the normal operation of the engine is provided by the use of post-injections, that is to say of late fuel injections, after the top dead center of the cycle, or by degradation of the combustion efficiency.
  • a post-injection it may burn completely or partially in the engine, generating an increase in the temperature of the exhaust gas or, if it is sufficiently late, lead to an increase in the amounts of CO and HC exhaust that oxidize upon arriving at the oxidation catalyst to generate heat.
  • This method causes a strong thermal stress on the catalyst closest to the engine which is subjected to each regeneration at a high temperature rise.
  • the turbocharger and the exhaust manifold are also subjected to high temperatures.
  • the heating methods from the engine lead to the dilution of diesel oil in the lubricating oil thereof, which is detrimental to its life.
  • This technology is of particular interest in the case where the oxidation catalyst is split into a part close to the engine outlet (called pre-catalyst) and a part further from this outlet, for example, under the vehicle body (called catalyst).
  • pre-catalyst a part close to the engine outlet
  • catalyst for example, under the vehicle body
  • the major drawback of this technology is the very high thermal load on the catalyst generating the exotherm (up to 400 or 500 ° C exotherm) and the need for a very high HC treatment capacity for the latter. to avoid smoke and odors in the exhaust.
  • the object of the invention is therefore to propose, in the case of an exhaust line comprising a catalyst associated with a particulate filter, a strategy for generating, upstream of the particulate filter, a sufficiently high temperature to cause total combustion of the particles, without excessive stress on the engine or the catalyst.
  • the subject of the present invention is a gas exhaust line for an internal combustion engine of a motor vehicle equipped with a first oxidation catalyst or pre-catalyst placed close to the exit of the engine gases and a particle filter associated with a second oxidation catalyst placed downstream of the pre-catalyst.
  • it comprises first means for generating an increase in the temperature of the gases leaving the engine, second means for causing an exothermic reaction in the pre-catalyst and third means for causing an exothermic reaction in the second catalyst. so as to distribute the generation of the temperature rise of the exhaust gas, necessitated by the regeneration of the particulate filter, between the engine, the pre-catalyst and the second catalyst.
  • the means for generating an increase in the temperature of the gas output of the engine are able to cause a degradation of the combustion efficiency.
  • the degradation of the combustion efficiency is obtained by under-setting the main fuel injection, that is to say by a later injection with respect to the top dead center of the cycle.
  • the degradation of the combustion efficiency is obtained by reducing the quantity of ai r admitted into the engine.
  • the means for generating an increase in the temperature of the gases leaving the engine makes it possible to obtain, upstream of the pre-catalyst, a gas temperature of between 200 and 650 ° C.
  • the means for causing an exothermic reaction in the pre-catalyst are able to trigger a post-fuel injection phase in the engine.
  • the post injection is late and between 90 to 240 ° angle of the crankshaft.
  • the temperature of the exothermic reaction in the precatalyst is between 20 and 200 ° C.
  • the means for generating an exothermic reaction in the catalyst is a fuel introduction device disposed between the pre-catalyst and the catalyst.
  • the temperature of the exothermic reaction in the catalyst is between 20 and 300 ° C.
  • the three means for heating the exhaust gases are activated successively as a function of the difference between the temperature of the gases at the outlet of the engine and that necessary upstream of the particulate filter to ensure the regeneration of the latter.
  • At least two of the exhaust gas heating means are activated simultaneously. "Both exothermic reactions are produced simultaneously and controlled to ensure the best compromise between HC treatment and fuel consumption.
  • the means to generate a rise in the temperature of the gas output of the engine are made preponderant compared to the other two gas heating means.
  • the control of the heating means is predefined by cartography.
  • the control of the heating means is a closed-loop control.
  • the regulation uses one or more temperatures measured, by sensor, at different points of the exhaust line.
  • the regulation acts on the sub-setting angle thereof, with respect to an angle of 90.degree. ° of the crankshaft n.
  • control modes are pre-determined by mapping and closed-loop control.
  • a cartographic control of the motor heating is coupled to a regulation by sensor for exothermic reactions in the precatalyst and in the catalyst.
  • the means for heating the exhaust gases are used either continuously, intermittently or in continuously variable amounts.
  • the second catalyst is located upstream of the particulate filter or integrated on the same support.
  • the fuel comprises an additive that aids the regeneration of the particulate filter.
  • FIG. 1 is a block diagram of an exhaust line according to the invention.
  • FIG. 2 is a graph of temperatures at different points of the exhaust line, depending on the speed of the engine.
  • FIG. 3 is a graph illustrating an example of a change of heating mode during a load reduction of the motor.
  • FIGS. 4, 5 and 6 illustrate examples of distributions of the heating modes on the motor field.
  • FIGS. 7 and 8 are examples of control of the various heating means and
  • FIG. 9 shows examples of injection sequence.
  • FIG. 1 illustrates an example of an exhaust line according to the invention.
  • This line comprises, as is known, a motor 1, for example a four-cylinder diesel engine, at the output of which there is an exhaust manifold 2 and a turbocharger 3, opening into the exhaust line.
  • a motor 1 for example a four-cylinder diesel engine, at the output of which there is an exhaust manifold 2 and a turbocharger 3, opening into the exhaust line.
  • This exhaust line comprises a first catalyst or pre-catalyst 4 placed near the engine gas outlet which makes it possible to treat the HC and CO emissions of the engine
  • a device 5 allows the introduction of fuel such as, for example, diesel into the exhaust line.
  • This device comprises, for example, introduction control means 6 from a fuel tank 7 of the vehicle or the fuel system of the vehicle.
  • the fuel introduction device 5 is disposed between the pre-catalyst 4 and a second catalyst 8 associated with a particulate filter 9.
  • the catalyst 8 and the particulate filter 9 are arranged at a sufficient distance from the means 5 for introducing fuel into the exhaust line to allow good homogenization of the gas / fuel mixture.
  • a high temperature between 400 and 800 ° C. (preferably between 450 and 700 ° C.), upstream of the particulate filter, without excessive stress on the engine or the catalyst in order to obtain the regeneration of said filtered.
  • the strategy consists of distributing the temperature rise between the engine, the pre-catalyst and the catalyst.
  • the rise in the temperature of the gases at the outlet of the engine 1 can be obtained by degradation of the combustion efficiency, for example by undercooling of the injection main, that is to say by a later injection compared to top dead center (TDC), by a post-injection totally burning in the engine, by winnowing admission or any combination of these known means.
  • TDC top dead center
  • FIG. 9b there is shown an injection sequence with undercurrent of the main injection, it can be seen that with respect to a conventional injection, as represented in FIG. 9a, the main injection is displaced from 2 to 20 ° C. crankshaft angle.
  • a gas temperature of between 200 and 650 ° C. Under the most common operating conditions of the engine this temperature range will be between 250 and 400 ° C. This corresponds to a temperature rise of 50 to 350 ° C compared to the non-regeneration mode of operation.
  • the exothermic reaction on the catalyst 8 is generated by the fuel introduction device 5 which sends into the catalyst hydrocarbons whose oxidation will cause a significant release of heat. It will be sought to obtain a temperature of the exothermic reaction thus created between 20 and 300 ° C., in most cases between 50 and 200 ° C.
  • the diagram of FIG. 2 represents the temperatures at the outlet of each of the elements contributing to the heating of the exhaust line, as a function of the speed of the engine: ⁇ 1 is the temperature at the outlet of the turbocharger 3, during normal engine operation, c that is, outside the regeneration phase of the particulate filter; ⁇ 2 is the temperature at the outlet of the turbocharger in the regeneration phase, ⁇ 3 is the temperature at the outlet of the pre-catalyst 4 and ⁇ 4 the temperature at the outlet of the catalyst 8. ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4 are, of course, the temperatures reached according to the teachings of the present invention.
  • Zone Z in gray, is the temperature zone for the regeneration of the particulate filter.
  • FIG. 3 illustrates the possible modes of activation of these various means when the engine load decreases during the regeneration period of the particulate filter.
  • the temperature at the motor output ⁇ 5 also decreases. In the part ® of the graph, this temperature is, however, sufficient for the temperature ⁇ 7, upstream of the particulate filter allows the regeneration thereof without the need for additional heating.
  • the exothermic reaction in the catalyst 8 and in the pre-catalyst 4 can be activated simultaneously but in variable proportions to find the best compromise between the treatment of HC emissions for which warming of the pre-catalyst is preferable but which penalizes the consumption, which is less important in the case where the catalyst is heated by fuel injection to the exhaust.
  • Figures 4 to 6 show such distributions on the motor field.
  • zone A of the graphs of FIGS. 4, 5 and 6 normal engine warm-up is sufficient, no additional strategy is involved.
  • zone D of the two graphs the motor heating is also activated.
  • the generation of exotherms is only used in the zones of the engine field where engine heating is difficult and a source of dilution of the fuel in the lubricating oil (zone F). In the other zones (zone G), the heating is generated solely by the motor.
  • the control of the heating means can be done in different ways.
  • mapping For example, in a predetermined manner, by mapping. At the same point of the engine speed / load curve is always the same value for each of the heating means. In this case, no specific sensor is needed.
  • This regulation can be done from one or more temperatures measured, by sensor, at different points of the line exhaust.
  • the temperatures can be measured between the outlet of the turbocharger 3 and the pre-catalyst 4, between the pre-catalyst 4 and the catalyst 8, and downstream of the catalyst 8.
  • an additional point can be raised downstream of the filter. particles 9.
  • the regulation of the means generating the exothermic reactions can also take into account the exhaust gas flow rate. This flow can be measured or estimated.
  • the regulation will act on the quantity and the phasing of it. If it is achieved by a delay of the main injection, the regulation will act on the sub-pitch angle and the amount thereof, with respect to a 90 ° angle of the crankshaft.
  • the piloting of the average flow rate of the fuel injected into the exhaust will still make it possible to vary the exothermic reaction of the catalyst.
  • This control can be performed from the temperature upstream of the particulate filter.
  • FIG. 7 shows a control mode in which a cartographic control of the motor heating is coupled to a sensor regulation for the exothermic reactions: the temperature T1 upstream of the catalyst is measured and compared with the temperature T2 which one it is desired to obtain upstream of the particulate filter, the amounts of heat that must be created in the pre-catalyst (Q1) and in the catalyst (Q2) are thus adjusted continuously.
  • the temperature T3 upstream of the particulate filter that allows the regulation, the quantities of heat in the pre-catalyst (Q3) and in the catalyst (Q4) are, they, piloted in all or nothing .
  • the heating means can be used during the regeneration phase, in the various applicable control modes, continuously, intermittently or in continuously variable quantities of the PID type, according to the formula:
  • Heating requirement Pre-positioning [motor point] + K p x (T-value) + K 1 xj (T-value) + K d x I T-value / Tm (T-value) xd (T-value) / dt
  • the quantity injected is thus calculated by summing a quantity dependent on the driving point, by an amount proportional to the difference between the temperature reached and the target temperature, by an amount proportional to the derivative relative to the time of the the difference between the temperature reached and the target temperature (which will be deducted if the difference between the temperature reached and the target temperature is positive and added if the difference is negative) and a quantity proportional to the integral of the temperature. difference over a time much greater than the scale of variation of temperatures.
  • the different heating means may use the same type of regulation or different modes.
  • the different injections used to obtain the exothermic reactions can also be split into several injections.
  • the invention makes it possible to minimize the stresses on all the elements of this line.
  • the pre-catalyst which mainly contributes to the depollution on regulatory cycle, will not undergo accelerated aging.
  • the amount of HC to be treated by the catalysts is low, in particular for the catalyst located upstream of the particulate filter, which receives the gases injected into the exhaust and under good conditions (hot upstream gases).
  • the risk of HC emissions is therefore lower.
  • This strategy also allows a limitation of heat losses and thus a gain in consumption during the regeneration phases of the particulate filter.
  • the heat generated in the form of an exothermic reaction at the level of the catalysts results in less heat loss than that created at the motor level.
  • the invention is applicable to all internal combustion engines equipped with a particulate filter, diesel engine, lean-burn gasoline engine ... It can also be used when the catalyst is situated upstream of the particulate filter, as in the example described above, only when the catalyst is directly impregnated in the particulate filter. In addition, and in all cases, a regeneration aid additive may be added to the fuel.

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Abstract

Ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne (1) de véhicule automobile équipée d'un premier catalyseur d'oxydation ou pré-catalyseur (4) placé à proximité de la sortie des gaz du moteur, et d'un filtre à particules (9) associé à un second catalyseur d'oxydation (8) placés en aval du pré-catalyseur. Elle comporte des premiers moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur (1), des deuxièmes moyens pour provoquer une réaction exothermique dans le pré-catalyseur (4) et des troisièmes moyens (5) pour provoquer une réaction exothermique dans le catalyseur (8) de façon à répartir la génération de l'élévation de température des gaz d'échappement, nécessitée par la régénération du filtre à particules (9), entre le moteur, le pré-catalyseur et le catalyseur.

Description

Ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne équipée de systèmes de dépollution.
L'invention concerne une ligne d'échappement de gaz pour moteur de véhicule automobile équipée de systèmes de dépollution.
Les polluants issus de la combustion d'un moteur de véhicule automobile que celui-ci soit un moteur Diesel ou essence, sont majoritairement des hydrocarbures imbrûlés, des oxydes d'azote (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2), des oxydes de carbone (monoxyde de carbone CO) et dans le cas des moteurs Diesel et des moteurs à injection directe à essence, des particules solides carbonées.
Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maîtrise des émissions de HC, de CO, de NOx et de particules est impérative et des technologies de post-traitement des gaz sont indispensables.
La dépollution des véhicules automobiles fait appel à différents systèmes de post-traitement pour éliminer les polluants produits par le moteur : les catalyseurs, et le filtre à particules dans le cas des moteurs Diesel.
Le filtre à particules permet d'éliminer par filtration les particules solides présentes dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel. Une fois piégées au sein du filtre, les particules doivent être éliminées périodiquement par élévation de la température jusqu'à 450 à 700 °C au sein du filtre afin d'entraîner leur combustion. Cette opération est couramment appelée « régénération » du filtre à particules. Classiquement l'énergie nécessaire à la régénération est fournie par une élévation de la température des gaz d'échappement.
Cependant demander au moteur de fournir une telle température présente des difficultés, en particulier dans le cas des températures les plus élevées comprises entre 550 à 700 °C. Classiquement le surplus d'énergie à l'échappement par rapport au fonctionnement normal du moteur est fourni par l'utilisation de post-injections, c'est-à-dire d'injections de carburant tardives, après le point mort haut du cycle, ou par une dégradation du rendement de la combustion.
Dans le cas de l'utilisation d'une post-injection celle-ci peut brûler totalement ou partiellement dans le moteur, générant une élévation de la température des gaz d'échappement ou, si elle est suffisamment tardive, entraîner une augmentation des quantités de CO et d'HC à l'échappement qui s'oxydent en arrivant sur le catalyseur d'oxydation afin de générer de la chaleur.
Cette méthode entraîne une contrainte thermique forte sur le catalyseur le plus proche du moteur qui est soumis à chaque régénération à une forte élévation de température. Par ailleurs le turbocompresseur et le collecteur d'échappement sont aussi soumis à des températures élevées. Enfin les méthodes de chauffage issues du moteur entraînent de la dilution de gazole dans l'huile de lubrification de celui-ci, ce qui est préjudiciable à sa durée de vie.
L'utilisation d'injection de gazole à l'échappement permet de résoudre la plupart de ces problèmes. Dans ce cas le chauffage issu du moteur est fortement réduit et la chaleur est générée par combustion du gazole introduit à l'échappement sur le catalyseur en amont du filtre à particules. La dilution d'huile alors est fortement réduite ainsi que les contraintes thermiques sur le collecteur d'échappement et le turbocompresseur.
Cette technologie présente un intérêt spécifique dans le cas où le catalyseur d'oxydation est scindé en une partie proche de la sortie du moteur (appelée pré-catalyseur) et une partie plus éloignée de cette sortie, par exemple, sous la caisse du véhicule (appelée catalyseur). Dans ce cas l'injection de gazole entre les deux catalyseurs permet de ne solliciter thermiquement que le second catalyseur lors des régénérations, le pré-catalyseur étant alors uniquement dédié à l'oxydation des HC et CO issus du moteur.
L'inconvénient majeur de cette technologie est la très forte sollicitation thermique du catalyseur générant l'exotherme (jusqu'à 400 ou 500 °C d'exotherme) et la nécessité d'une très grande capacité de traitement d'HC pour ce dernier afin d'éviter fumées et odeurs à l'échappement.
Le but de l'invention est donc de proposer, dans le cas d'une ligne d'échappement comportant un catalyseur associé à un filtre à particules, une stratégie visant à générer, en amont du filtre à particules, une température suffisamment élevée pour provoquer la combustion totale des particules, sans sollicitation excessive du moteur ou du catalyseur.
A cet effet, la présente invention a pour objet une ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne de véhicule automobile équipée d'un premier catalyseur d'oxydation ou pré-catalyseur placé à proximité de la sortie des gaz du moteur et d'un filtre à particules associé à un second catalyseur d'oxydation placés en aval du pré- catalyseur. Selon l'invention, elle comporte des premiers moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur, des deuxièmes moyens pour provoquer une réaction exothermique dans le pré-catalyseur et des troisièmes moyens pour provoquer une réaction exothermique dans le second catalyseur de façon à répartir la génération de l'élévation de température des gaz d'échappement, nécessitée par la régénération du filtre à particules, entre le moteur, le pré-catalyseur et le second catalyseur.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :
- Les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur sont aptes à provoquer une dégradation de l'efficacité de combustion.
• La dégradation de l'efficacité de combustion est obtenue par sous calage de l'injection principale de carburant, c'est-à-dire par une injection plus tardive par rapport au point mort haut du cycle.
• L'injection principale est retardée de 2 à 20 °d'angle du vilebrequi n par rapport à une i njection normale.
- la dégradation de l'efficacité de combustion est obtenue par réduction de la quantité d'ai r admise dans le moteur.
• Les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur permettent d'obtenir, en amont du pré-catalyseur, une température des gaz comprise entre 200 et 650 °C
• Les moyens pour provoquer une réaction exothermique dans le pré-catalyseur sont aptes à déclencher une phase de post injection de carburant dans le moteur.
• La post injection est tardive et comprise entre 90 à 240 ° d'angle du vilebrequi n .
• La température de la réaction exothermique dans le précatalyseur est comprise entre 20 et 200 °C.
• Le moyen pour générer une réaction exothermique dans le catalyseur est un dispositif d'introduction de carburant disposé entre le pré-catalyseur et le catalyseur.
• La température de la réaction exothermique dans le catalyseur est comprise entre 20 et 300 °C.
• Les trois moyens de chauffage des gaz d'échappement sont activés successivement en fonction de la différence entre la température des gaz à la sortie du moteur et celle nécessaire à l'amont du fi ltre à particules pour assurer la régénération de celui-ci .
• Au moins deux des moyens de chauffage des gaz d'échappement sont activés simultanément. " Les deux réaction exothermes sont produites simultanément et pilotées de façon à assurer le mei lleur compromis traitement des HC/consommation de carburant.
• A fort régi me du moteur et charge moyenne et forte, les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur sont rendus prépondérants par rapport aux deux autres moyens de chauffage des gaz.
• Le contrôle des moyens de chauffage est prédétermi né par cartographie.
- Le contrôle des moyens de chauffage est une régulation en boucle fermée.
• La régulation utilise une ou plusieurs températures relevées, par capteur, en différents points de la ligne d'échappement.
- La régulation des moyens générant les réactions exothermiques prend en compte le débit de gaz à l'échappement.
• Lorsque les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur opèrent par sous calage de l'i njection principale, la régulation agit sur l'angle de sous calage de celle-ci , par rapport à un angle de 90 ° du vilebrequi n .
• Pour réguler la réaction exothermique sur le pré-catalyseur on ajuste la quantité et le phasage de la post-i njection .
- Pour réguler la réaction exothermique sur le catalyseur, on pi lote le débit moyen du carburant i njecté à l'échappement.
• Pour assurer le contrôle de la stratégie de l'élévation de température des gaz, on combine les modes de contrôle prédéterminé par cartographique et par régulation en boucle fermée. Par exemple, une régulation cartographique du chauffage moteur est couplée à une régulation par capteur pour les réactions exothermiques dans le précatalyseur et dans le catalyseur.
• durant la phase de régénération , les moyens de chauffage des gaz d'échappement sont utilisés soit en continu , soit de façon i ntermittente, soit en quantités conti nûment variables.
• le second catalyseur est situé en amont du filtre à particules ou intégré sur le même support.
• le carburant comporte un additif d'aide à la régénération du filtre à particules.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre i ndicatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est un schéma synoptique d'une ligne d'échappement selon l'i nvention .
- La figure 2 est un graphique des températures en différents points de la ligne d'échappement, en fonction de la vitesse du moteur.
- La figure 3 est un graphique i llustrant un exemple de changement de mode de chauffage, lors d'une dimi nution de charge du moteur.
- Les figures 4, 5 et 6 i llustrent des exemples de répartitions des modes de chauffage sur le champ moteur. - Les figures 7 et 8 sont des exemples de contrôle des différents moyens de chauffage et,
- La figure 9 montre des exemples de séquence d'i njection .
Le schéma synoptique de la figure 1 i llustre un exemple de ligne d'échappement selon l'i nvention .
Cette ligne comprend, comme cela est connu , un moteur 1 , par exemple, un moteur Diesel à quatre cylindres, en sortie duquel se trouve un collecteur des gaz d'échappement 2 et un turbocompresseur 3, débouchant dans la ligne d'échappement.
Cette ligne d'échappement comporte un premier catalyseur ou pré-catalyseur 4, placé à proximité de la sortie des gaz du moteur qui permet de traiter les émissions d'HC et CO du moteur
En sortie du pré-catalyseur 4, un dispositif 5 permet l'introduction de carburant comme par exemple du gazole, dans la ligne d'échappement.
Ce dispositif comprend, par exemple, des moyens de pilotage de l'introduction 6 à partir d'un réservoir de carburant 7 du véhicule ou du circuit de carburant du véhicule.
Le dispositif 5 d'introduction de carburant est disposé entre le pré-catalyseur 4 et un second catalyseur 8 associé à un filtre à particules 9.
Le catalyseur 8 et le filtre à particules 9 sont disposés à une distance suffisante des moyens 5 d'introduction de carburant dans la ligne d'échappement pour permettre une bonne homogénéisation du mélange gaz/carburant.
Selon l'invention, on vise à générer une température élevée, entre 400 et 800 °C (de préférence entre 450 et 700 °C), en amont du filtre à particules, sans sollicitation excessive du moteur ou du catalyseur pour obtenir la régénération dudit filtre.
Pour ce faire, la stratégie consiste à répartir l'élévation de température entre le moteur, le pré-catalyseur et le catalyseur.
Dans ce but, on génère une élévation de la température des gaz en sortie du moteur 1 , et une réaction exothermique, dans le pré-catalyseur 4 et dans le catalyseur 8.
L'élévation de la température des gaz en sortie du moteur 1 peut être obtenue par dégradation de l'efficacité de combustion, par exemple par sous calage de l'injection principale, c'est-à-dire par une injection plus tardive par rapport au point mort haut (PMH), par une post-injection brûlant totalement dans le moteur, par vannage à l'admission ou toute combinaison de ces moyens connus.
Sur la figure 9b, on a représenté une séquence d'injection avec sous calage de l'injection principale, on voit que par rapport à une injection classique, telle que représentée figure 9a, l'injection principale est déplacée de 2 à 20 °d'angle du vilebrequin.
On vise ainsi à obtenir, en amont du pré-catalyseur 4, une température des gaz comprise entre 200 et 650 °C. Dans les conditions les plus courantes de fonctionnement du moteur cette plage de température sera comprise entre 250 et 400 °C. Ceci correspond à une élévation de température de 50 à 350 °C par rapport au mode de fonctionnement hors régénération.
La réaction exothermique sur le pré-catalyseur 4 sera obtenue à l'aide d'une post injection, celle-ci étant de préférence tardive, afin de limiter la dilution de l'huile de lubrification. Sur la figure 9b, on a représenté une telle post injection, comprise entre 90 à 240 ° d'angle du vilebrequin, alors qu'une post injection classique (figure 9c) est comprise entre 20 à 90 d'angle du vilebrequin. De préférence, cette post-injection tardive sera comprise entre 1 20 à 1 80 ° d'angle du vilebrequin.
Plus une post injection est proche de l'injection principale, plus elle génère de chaleur en sortie moteur. Au contraire, une post injection plus tardive, génère des émissions de CO, dus à sa combustion incomplète, et des HC. Plus la post injection est tardive, plus la quantité de chaleur produite est faible et plus les gaz d'échappement contiennent de HC.
Ces émissions de CO et de HC sont oxydés en arrivant sur le pré-catalyseur et génèrent de la chaleur. Afin de ne pas soumettre celui-ci à des températures trop élevées, la température de la réaction exothermique ainsi créée sera comprise entre 20 et 200 °C, dans la plus part des cas entre 50 et 1 50 °C.
La réaction exothermique sur le catalyseur 8 est engendrée par le dispositif d'introduction de carburant 5 qui envoie dans le catalyseur des hydrocarbures dont l'oxydation va provoquer un dégagement de chaleur important. On cherchera à obtenir une température de la réaction exothermique ainsi créée comprise entre 20 et 300 °C, dans la plus part des cas entre 50 et 200 °C.
Le diagramme de la figure 2 représente les températures en sortie de chacun des éléments contribuant à réchauffement de la ligne d'échappement, en fonction de la vitesse du moteur : Θ1 est la température en sortie du turbocompresseur 3, en fonctionnement normal du moteur, c'est-à-dire hors phase de régénération du filtre à particules ; Θ2 est la température en sortie du turbocompresseur en phase de régénération, Θ3 est la température en sortie du pré-catalyseur 4 et Θ4 la température en sortie du catalyseur 8. Θ2, Θ3, Θ4 sont, bien entendu, les températures atteintes selon les enseignements de la présente invention. La zone Z, en grisée, est la zone de température permettant la régénération du filtre à particules.
On voit que l'amplitude des courbes varient selon les plages de fonctionnement du moteur. Dans les zones où le moteur fonctionne à forte charge, par exemple la fin du cycle tel qu'illustré sur la figure, un seul ou seulement deux des trois moyens utilisés sont suffisants pour assurer l'élévation de température requise. Il est donc possible de commander, en conséquence, l'activation des différents moyens de chauffage.
La figure 3 illustre les modes d'activation possibles de ces différents moyens lorsque la charge du moteur décroît en période de régénération du filtre à particules. Lorsque la charge décroît, la température, en sortie moteur Θ5 décroît également. Dans la partie ® du graphique, cette température est, cependant, suffisante pour que la température Θ7, en amont du filtre à particules permette la régénération de celui-ci sans besoin de chauffage additionnel.
Dans la partie Φ du graphique, la température de sortie moteur devient insuffisante pour assurer seule la régénération. On injecte alors du carburant à l'échappement pour provoquer une réaction exothermique dans le catalyseur 8, la température Θ9 en sortie de celui-ci augmente de sorte que Θ7 reste dans la zone de régénération.
Dans la partie Φ , après une nouvelle baisse de la température Θ5 de sortie moteur, on provoque, en outre, une réaction exothermique dans le pré-catalyseur 4 de façon à augmenter la température Θ8 en sortie de celui-ci .
Enfin, si la température Θ5 du moteur baisse encore, dans le cas de la partie © du graphique, on déclenche, en outre, les moyens prévus pour élever la température du moteur Θ6.
Grâce à la l'activation successive des différents moyens de chauffage des gaz d'échappement, on constate que la température Θ7 en amont du filtre à particules est restée sensiblement constante.
Au lieu d'une activation successive, il peut être judicieux de prévoir une activation simultanée de deux ou trois des moyens de chauffage en modulant leurs effets. La réaction exothermique dans le catalyseur 8 et dans le pré-catalyseur 4 peuvent être activées simultanément mais en proportions variables pour trouver le meilleur compromis entre le traitement des émissions de HC pour lequel réchauffement du pré-catalyseur est préférable mais qui pénalise la consommation, laquelle est moins importante dans le cas où l'on réchauffe la catalyseur par injection de carburant à l'échappement.
Les figures 4 à 6 présentent de telles répartitions sur le champ moteur. Dans la zone A des graphiques des figures 4, 5, et 6, réchauffement normal des gaz engendré par le moteur est suffisant, aucune stratégie supplémentaire n'est mise en jeu.
Dans l'exemple de stratégie présenté figure 4, on provoque successivement une réaction exotherme dans le catalyseur 8 (zone B) et dans le pré-catalyseur 4 (zone C), tandis que dans l'exemple représenté figure 5 les deux réaction exothermes sont produites simultanément dans les deux zones B et C et pilotées de façon à assurer le meilleur compromis traitement HC/consommation.
Dans la zone D des deux graphiques, Le chauffage du moteur est également activé.
En plus de ces transitions, à fort régime du moteur et charge moyenne et forte, les forts débits des gaz d'échappement rendent les réaction exothermes plus difficiles à générer sans provoquer une trop forte émission d'HC, on privilégie donc le chauffage moteur, par rapport aux autres moyens (zone E des graphiques).
Dans le troisième exemple de stratégie représenté figure 6, la génération d'exothermes n'est utilisé que dans les zones du champ moteur où le chauffage du moteur est difficile et source de dilution du carburant dans l'huile de lubrification (zone F). Dans les autres zones (zone G), le chauffage est généré uniquement par le moteur.
Le contrôle des moyens de chauffage peut se faire de différentes façons.
Par exemple, de manière prédéterminée, par cartographie. A un même point de la courbe régime/charge du moteur correspond toujours la même valeur pour chacun des moyens de chauffage. Dans ce cas, aucun capteur spécifique n'est nécessaire.
Ou bien par régulation en boucle fermée. Cette régulation pouvant se faire à partir d'une ou plusieurs températures relevées, par capteur, en différents points de la ligne d'échappement. Les températures pourront être relevées entre la sortie du turbocompresseur 3 et le pré-catalyseur 4, entre le pré-catalyseur 4 et le catalyseur 8, et en aval du catalyseur 8. En complément, un point supplémentaire peut être relevé en aval du filtre à particules 9.
Outre la température, la régulation des moyens générant les réactions exothermiques peut aussi prendre en compte le débit de gaz à l'échappement. Ce débit pouvant être mesuré ou estimé.
En ce qui concerne le chauffage moteur, si celui-ci est réalisé au moyen d'une post-injection, la régulation agira sur la quantité et le phasage de celle-ci. S'il est réalisé au moyen d'un retard de l'injection principale, la régulation agira sur l'angle de sous calage et la quantité de celle-ci , par rapport à un angle de 90 ° du vilebrequin.
De même, on pourra ajuster la quantité et le phasage de la post-injection assurant la réaction exothermique sur le précatalyseur.
Le pilotage du débit moyen du carburant injecté à l'échappement permettra encore de faire varier la réaction exothermique du catalyseur. Ce pilotage peut être effectué à partir de la température en amont du filtre à particules.
Enfin, il est également possible de combiner ces modes de contrôle.
Par exemple, la figure 7 montre un mode de contrôle dans lequel une régulation cartographique du chauffage moteur est couplée à une régulation par capteur pour les réactions exothermiques : la température T1 en amont du catalyseur est mesurée et comparée à la température T2 que l'on veut obtenir en amont du filtre à particules, les quantités de chaleur qui doivent être crées dans le pré-catalyseur (Q1 ) et dans le catalyseur (Q2) sont ainsi ajustées en continu. Dans la figure 8, c'est la température T3 en amont du filtre à particules qui permet la régulation, les quantités de chaleur dans le pré-catalyseur (Q3) et dans le catalyseur (Q4) sont, elles, pilotées en tout ou rien.
Bien entendu, ces exemples ne sont pas limitatifs et l'on pourrait, sans sortir du cadre de l'invention choisir d'autres modes de pilotage des moyens de chauffage.
De même, les moyens de chauffage peuvent être utilisés durant la phase de régénération, dans les différents modes de régulation applicables, en continu, de façon intermittente ou en quantités continûment variables de type PID, selon la formule :
Besoin chauffage = Prépositionnement[point moteur] + Kp x (Tcible-Tmesurée) + K1 x j(Tcible-Tmesurée) + Kd x I Tcible- Tmesuréel /(Tcible-Tmesurée) x d(Tcible-Tmesurée)/dt
La quantité injectée étant ainsi calculée en faisant la somme d'une quantité dépendant du point moteur, d'une quantité proportionnelle à l'écart entre la température atteinte et la température cible, d'une quantité proportionnelle à la dérivée par rapport au temps de l'écart entre la température atteinte et la température cible (qui sera retranchée si l'écart entre la température atteinte et la température cible est positif et ajoutée si l'écart est négatif) et d'une quantité proportionnelle à l'intégrale de l'écart sur un temps très supérieur à l'échelle de variation des températures.
On précisera encore que les différent moyens de chauffage peuvent faire appel au même type de régulation ou à des modes différents.
Comme cela est bien connu, les différentes injections utilisées pour obtenir les réactions exothermiques peuvent aussi être scindées en plusieurs injections.
Comme on l'a bien compris, à la lecture de ce qui précède, en répartissant l'élévation de température de la ligne d'échappement, nécessitée par la régénération du filtre à particules, entre trois éléments de cette ligne, l'invention permet de minimiser les contraintes sur tous les éléments de cette ligne.
La dilution d'huile, au sein du moteur, et la température en sortie de celui-ci seront plus faibles.
Le pré-catalyseur, qui contribue principalement à la dépollution sur cycle réglementaire, ne subira pas de vieillissement accéléré.
Les réactions exothermiques restant limitées sur les deux catalyseurs, leur matériau n'a pas besoin de formulation spécifique, par rapport à ceux utilisés couramment.
La quantité d'HC à traiter par les catalyseurs est faible, en particulier pour le catalyseur situé en amont du filtre à particules, qui reçoit les gaz injectés à l'échappement et dans de bonnes conditions (gaz amont chauds). Le risque d'émissions parasites d'HC (fumées, odeur) est donc plus faible.
Cette stratégie permet aussi une limitation des pertes thermiques et donc un gain en consommation pendant les phases de régénération du filtre à particules. En effet, la chaleur générée sous forme de réaction exothermique au niveau des catalyseurs entraîne moins de pertes thermiques que celle crée au niveau du moteur.
Enfin cette stratégie permet une meilleure efficacité de régénération dans toutes les conditions et en particulier dans les zones de faible charge. Comme la cible de température fixée au moteur est plus faible (200-350 °C) elle peut-être obtenue dans toutes les conditions de roulage même les plus sévères (typiquement à faible vitesse).
L'invention est applicable à tous les moteurs à combustion interne équipés d'un filtre à particules, moteurs Diesel, moteur à essence à mélange pauvre... Elle peut être utilisée aussi bien lorsque le catalyseur est situé en amont du filtre à particules, comme dans l'exemple décrit plus haut, que lorsque le catalyseur est di rectement i mprégné dans le fi ltre à particules. En outre, et dans tous les cas, un additif d'aide à la régénération peut être ajouté au carburant.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Ligne d'échappement des gaz pour moteur à combustion interne de véhicule automobile équipée d'un premier catalyseur d'oxydation ou pré-catalyseur placé à proximité de la sortie des gaz du moteur, et d'un filtre à particules associé à un second catalyseur d'oxydation placés en aval du précatalyseur, caractérisée en ce qu'elle comporte des premiers moyens, aptes à provoquer une dégradation de l'efficacité de combustion, pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur (1 ), des deuxièmes moyens pour provoquer une réaction exothermique dans le précatalyseur (4) et des troisièmes moyens (5) pour provoquer une réaction exothermique dans le catalyseur (8) de façon à répartir la génération de l'élévation de température des gaz d'échappement, nécessitée par la régénération du filtre à particules (9), entre le moteur (1 ), le pré-catalyseur (4) et le catalyseur (8).
2. Ligne d'échappement selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la dégradation de l'efficacité de combustion est obtenue par sous calage de l'injection principale de carburant, c'est-à-dire par une injection plus tardive par rapport au point mort haut (PMH) du cycle.
3. Ligne d'échappement selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'injection principale est retardée de 2 à 20 ° d'angle du vilebrequin par rapport à une injection normale.
4. Ligne d'échappement selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la dégradation de l'efficacité de combustion est obtenue par réduction de la quantité d'air admise dans le moteur.
5. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur (1 ) permettent d'obtenir, en amont du pré-catalyseur (4), une température des gaz comprise entre 200 et 650 °C.
6. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens pour provoquer une réaction exothermique dans le pré-catalyseur (4) sont aptes à déclencher une phase de post injection de carburant dans le moteur.
7. Ligne d'échappement selon la revendication 6, caractérisée en ce que la post injection est tardive et comprise entre 90 à 240 ° d'angle du vilebrequin.
8. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la température de la réaction exothermique dans le pré-catalyseur (4) est comprise entre 20 et 200 °C.
9. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen pour générer une réaction exothermique dans le catalyseur (8) est un dispositif d'introduction de carburant (5) disposé entre le précatalyseur (4) et le catalyseur (8).
1 0. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la température de la réaction exothermique dans le catalyseur (8) est comprise entre 20 et 300 °C.
1 1 . Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trois moyens de chauffage des gaz d'échappement sont activés successivement en fonction de la différence entre la température des gaz à la sortie du moteur et celle nécessaire à l'amont du filtre à particules pour assurer la régénération de celui-ci.
1 2. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 1 0, caractérisée en ce que au moins deux des moyens de chauffage des gaz d'échappement sont activés simultanément.
1 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 2, caractérisée en ce que les deux réaction exothermes sont produites simultanément et pilotées de façon à assurer le meilleur compromis traitement des HC/consommation de carburant.
14. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que à fort régime du moteur et charge moyenne et forte, les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur sont rendus prépondérants par rapport aux deux autres moyens de chauffage des gaz.
1 5. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le contrôle des moyens de chauffage est prédéterminé par cartographie.
1 6. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le contrôle des moyens de chauffage est une régulation en boucle fermée.
1 7. Ligne d'échappement selon la revendication 1 6, caractérisée en ce que la régulation utilise une ou plusieurs températures relevées, par capteur, en différents points de la ligne d'échappement.
1 8. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 6 ou 1 7, caractérisée en ce que la régulation des moyens générant les réactions exothermiques prend en compte le débit de gaz à l'échappement.
1 9. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 6 à 1 8, caractérisée en ce que lorsque les moyens pour générer une élévation de la température des gaz en sortie du moteur (1 ) opèrent par sous calage de l'injection principale, la régulation agit sur l'angle de sous calage de celle-ci,.
20. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 6 à 1 9, caractérisée en ce que pour réguler la réaction exothermique sur le pré-catalyseur (4) on ajuste la quantité et le phasage de la post-injection.
21 . Ligne d'échappement selon l'une des revendications 9 à 20, caractérisée en ce que pour réguler la réaction exothermique sur le catalyseur (8), on pilote le débit moyen du carburant injecté à l'échappement.
22. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, pour assurer le contrôle de la stratégie de l'élévation de température des gaz, on combine les modes de contrôle prédéterminé par cartographique et par régulation en boucle fermée.
23. Ligne d'échappement selon la revendication 22, caractérisée en ce qu'une régulation cartographique du chauffage moteur est couplée à une régulation par capteur pour les réactions exothermiques dans le pré-catalyseur et dans le catalyseur.
24. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, durant la phase de régénération, les moyens de chauffage des gaz d'échappement sont utilisés en continu.
25. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisée en ce que, durant la phase de régénération, les moyens de chauffage des gaz d'échappement sont utilisés de façon intermittente.
26. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisée en ce que, durant la phase de régénération, les moyens de chauffage des gaz d'échappement sont utilisés en quantités continûment variables.
27. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le catalyseur (8) est situé en amont du filtre à particules (9).
28. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 26, caractérisée en ce que le catalyseur (8) et le filtre à particules (9) sont intégrés sur le même support.
29. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant comporte un additif d'aide à la régénération du filtre à particules.
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