FR2859240A1 - Procede de traitement d'un filtre a particules pour l'epuration de gaz d'echappement d'un moteur a combustion et dispositif de traitement d'un filtre a particules - Google Patents

Procede de traitement d'un filtre a particules pour l'epuration de gaz d'echappement d'un moteur a combustion et dispositif de traitement d'un filtre a particules Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'un filtre à particule 3 pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion 1, par injection d'ozone dans les gaz d'échappement, caractérisé en ce que l'ozone est injecté lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure ou égale à 250°C, la quantité d'ozone injectée étant supérieure à la quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement.

Description

Procédé de traitement d'un filtre à particules pour l'épuration de gaz
d'échappement d'un moteur à combustion et dispositif de traitement d'un filtre à particules
La présente invention concerne un procédé de traitement d'un filtre à particules pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion, en particulier dans une ligne d'échappement de moteur Diesel, ainsi qu'un dispositif de traitement d'un filtre à particules.
Pour épurer les gaz d'échappement de machines à combustion interne, notamment de moteurs à allumage spontané, on installe des systèmes dits d'épuration de gaz d'échappement dans une ligne d'évacuation des gaz d'échappement. De tels systèmes d'épuration de gaz d'échappement peuvent notamment comprendre des systèmes à catalyseurs ou des filtres à particules. Ces derniers ont une grande importance, en particulier dans les moteurs Diesel reconnus pour émettre des quantités de particules de suie beaucoup plus importantes que les moteurs à allumage spontané et pour lesquels la réglementation tend à devenir de plus en plus sévère.
Les filtres à particules sont normalement intégrés, avec un carter qui les comprend, dans le tronçon de gaz d'échappement de la machine à combustion interne. Ils sont constitués d'un élément de filtrage monolithique ou segmenté qui est traversé par le gaz d'échappement à filtrer. La porosité du filtre à particules est alors choisie en fonction des propriétés des composants à séparer et des conditions imposées par la technique des fluides.
Toutefois, les particules de suies sont retenues dans le filtre à particules, qui se colmate progressivement, ce qui entraîne une augmentation de la pression en amont de la ligne d'échappement. Ceci a pour conséquence d'engendrer une surconsommation importante de carburant, voire le calage du moteur.
Il apparaît donc nécessaire d'éliminer régulièrement les suies accumulées dans le filtre à particules, pour empêcher un colmatage de ce dernier.
Pour ce faire, on peut employer la méthode, dite de régénération thermique, consistant à éliminer les particules par oxydation avec l'oxygène de l'air, à des températures toutefois supérieures à 550 C. Ces températures ne peuvent cependant être atteintes qu'avec des stratégies de contrôle du moteur spécifiques pouvant engendrer des surconsommations de carburant.
Il est également connu de réaliser cette régénération du filtre à particule en oxydant les particules de suie avec de l'ozone.
La demande EP 1026373 décrit ainsi un dispositif de purification de gaz d'échappements comprenant une source d'ozone qui libère de l'ozone dans les gaz avant leur passage dans un filtre à particule.
Le brevet US 6,557,340 décrit un système de traitement des gaz d'échappement Diesel comprenant un filtre à particules, un générateur d'ozone, les particules des gaz d'échappement étant oxydées par l'ozone avant leur passage dans le filtre à particules. L'ozone est produit à partir des gaz d'échappement par un générateur plasma positionné dans la ligne d'échappement.
Toutefois, ces procédés sont énergétiquement chers et ne permettent pas de contrôler de manière satisfaisante la masse des suies dans le filtre à particules.
La présente invention propose un procédé de traitement d'un filtre à particules remédiant à ces inconvénients.
En particulier, la présente invention propose un procédé de traitement d'un filtre à particules qui permet de maintenir la masse de suies piégées dans le filtre à particules à un niveau constant, voire qui permet une non-accumulation des suies. Le procédé permet également de réduire notablement la consommation de carburant, ce qui le rend économiquement attractif. Il autorise en outre un contrôle efficace et adapté au fonctionnement du moteur de la masse de suies présentes dans le filtre à particules L'invention a également pour objet un dispositif de traitement d'un filtre à particules pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion.
Le procédé de traitement d'un filtre à particules pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion selon l'invention comprend l'injection d'ozone dans les gaz d'échappement lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure ou égale à 250 C, la quantité d'ozone injectée étant supérieure à la quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement.
Les NOx (x=1 ou x=2) désignent les gaz NO et NO2.
L'ozone étant plus réactif avec NO qu'avec NO2, la quantité d'ozone injectée est de préférence supérieure à la quantité de NO présente dans les gaz d'échappement.
L'injection d'ozone dans les gaz d'échappement peut être effectuée en amont du filtre à particules. Dans ce cas, pour une meilleure oxydation des particules de suies, l'ozone est de préférence injecté à contrecourant des gaz d'échappement.
L'injection d'ozone peut également être effectuée directement dans le filtre à particules.
La quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement peut être déterminée à l'aide d'une cartographie préétablie du fonctionnement du moteur, ou mieux à l'aide d'un ou plusieurs capteurs situés entre le moteur et le filtre à particules.
De préférence, l'ozone est injecté lorsque la quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement est inférieure ou égale à 100 ppm.
Pour optimiser le procédé, on peut insérer un dispositif destiné à piéger les NOx entre le moteur et le filtre à particules. Pour diminuer la quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement, on peut également faire recirculer les gaz d'échappement en prélevant une partie des gaz d'échappement en sortie du moteur pour les réinjecter à l'admission dans les cylindres du moteur. Cette méthode, dite EGR (Exhaust Gas Recirculation, recirculation des gaz d'échappement en anglais), présente toutefois l'inconvénient de produire plus de suies.
Afin de afin de traiter les produits issus de l'oxydation des suies par l'ozone, on peut réaliser une imprégnation catalytique sur les canaux du filtre à particules, ou placer un catalyseur d'oxydation, notamment à base de platine, en aval du filtre à particules. En effet, les produits majoritaires d'oxydation des particules de suies sont CO et CO2 avec un rapport CO/CO2 de l'ordre de 0,4. A titre d'exemple, pour un moteur de véhicule particulier dont les émissions satisfont à la norme européenne EURO 3 (0,04g de suie émise par kilomètre), le dégagement de CO dû au traitement des suies par l'ozone est de 0,038g/km. Ces émissions sont faibles au regard de la limite tolérée (0, 5g de CO par km), mais il peut être utile de les traiter.
L'utilisation d'un catalyseur à base de platine en aval du filtre à particules permet également de détruire l'ozone résiduel n'ayant pas réagi avec les particules de suies. L'ozone résiduel peut également être éliminé par un catalyseur spécifique à base par exemple d'oxydes de cuivre et/ou de manganèse.
On peut également envisager d'ajuster la quantité d'ozone injecté en fonction de la masse de suies accumulées dans le filtre à particules. Le contrôle de la masse de suies peut être réalisé à l'aide d'un capteur de pression qui mesure la différence de pression en amont et en aval du filtre à particules. Dans ce cas, l'injection d'ozone est réalisée lorsque les deux conditions suivantes sont réunies:a) la température des gaz d'échappements est inférieure ou égale à 250 C, et b) la masse de suies présentes dans le filtre à particules est supérieure à une valeur prédéterminée. La valeur prédéterminée de masse de suies pourra être fixée préalablement selon la nature du filtre et les paramètres du moteur; elle est de préférence comprise entre 0 et 5g.
L'invention a également pour objet un dispositif de traitement d'un filtre à particules pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion de véhicule automobile. Le dispositif comprend une ligne d'échappement en sortie du moteur sur laquelle est positionné le filtre à particules, un dispositif d'injection d'ozone relié à la ligne d'échappement par un conduit, et alimenté en air par une pompe à air et un dispositif de prise d'air destiné à capter l'air extérieur au véhicule, la pompe à air et le dispositif de prise d'air étant munis chacun d'une vanne, ainsi qu'un dispositif de pilotage relié au moteur, au dispositif d'injection d'ozone, à la pompe à air et aux vannes de la pompe à air et du dispositif de prise d'air.
De préférence, le conduit est coudé et est dirigé à contre-courant des gaz d'échappement.
De préférence, l'injection d'ozone est effectuée dans le filtre à particules.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif du procédé de l'invention, et illustré par la figure annexée, qui montre de manière schématique un dispositif de traitement par injection d'ozone d'un filtre à particule selon ce mode de réalisation de l'invention.
La figure montre un moteur 1 en sortie duquel se trouve une ligne d'échappement 2 sur laquelle est positionné un filtre à particules 3. Un dispositif d'injection d'ozone 4 alimenté en air par une pompe à air 5 et par un dispositif de prise d'air 6 destiné à capter l'air extérieur au véhicule, est relié à la ligne d'échappement 2 par un conduit 7 qui débouche dans la ligne d'échappement 2 entre le moteur 1 et la filtre à particules 3. Le débit d'air est contrôlé par des vannes 8 et 9. La vanne 8 est située entre la pompe à air 5 et le dispositif d'injection d'ozone 4, tandis que la vanne 9 est située entre le dispositif de prise d'air 6 et le dispositif d'injection d'ozone 4. Un dispositif de pilotage 10 est relié au moteur 1, au dispositif d'injection d'ozone 4, à la pompe à air 5, ainsi qu'aux vannes 8 et 9.
Dans la suite de la description, toutes les opérations d'injection d'ozone, de fourniture ou de coupure d'air, d'injection de carburant, sont commandées par le dispositif de pilotage 10.
La température et la teneur en NOx des gaz d'échappements en sortie de moteur 1 sont déterminées à l'aide de capteurs non représentés. Lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure à 250 C et que la quantité de NOx est inférieure à une quantité donnée, par exemple comprise entre 50 et 100 ppm, de l'ozone est injecté, grâce au dispositif d'injection d'ozone 4, dans la ligne d'échappement 2 en amont du filtre à particules 3.
Pour diminuer la quantité de NO), présente dans les gaz d'échappement, on peut avantageusement insérer un dispositif d'absorption des NOX entre le moteur 1 et le conduit 7. On pourra ainsi injecter de l'ozone plus régulièrement pour contrôler plus facilement la masse de suies.
Pour produire de l'ozone, le dispositif d'injection d'ozone 4 est alimenté en air par la pompe à air 5 et le manche à air 6. La pompe à air 5 est utilisée lorsque le véhicule est à l'arrêt, tandis que le dispositif de prise d'air 6 est employé lorsque le véhicule est en mouvement, afin de capter l'air extérieur grâce à la vitesse du véhicule. Le dispositif de prise d'air 6 permet ainsi d'éviter de faire fonctionner la pompe à air 5 lorsque le véhicule est en roulement. Ainsi, à l'arrêt, les vannes 8 et 9 sont respectivement ouverte et fermée, et l'alimentation en air est fournie par la pompe à air 5. Lorsque le véhicule roule, les vannes 8 et 9 sont respectivement fermée et ouverte, l'alimentation en air étant assurée par le dispositif de prise d'air 6.
L'ozone peut être produit soit par une décharge micro-onde, soit par une décharge électrique par application d'une haute tension entre deux électrodes, ou bien encore par exposition du flux d'air à des radiations au moyen de lampes qui émettent dans l'ultraviolet. Le débit d'ozone est contrôlé par le débit d'air dans le dispositif d'injection d'ozone 4 et par la puissance consommée par le dispositif d'injection d'ozone 4.
Le conduit 7 via lequel est réalisé l'injection d'ozone dans la ligne d'échappement 2 peut être positionné à tout endroit de la ligne d'échappement 2, entre le moteur 1 et le filtre à particules 3. Il est préférable que le conduit 7 débouche dans l'axe, au centre de la ligne d'échappement 2. De même, pour une meilleure diffusion de l'ozone, le conduit 7 peut être coudé à son extrémité et orienté à contre-courant des gaz issus du moteur 1, tel qu'illustré sur la figure. De cette façon, la distribution d'ozone est plus homogène, ce qui permet de traiter davantage de particules de suies, et ainsi de traiter l'ensemble des canaux du filtre à particules. On préfère également injecter l'ozone au plus près du filtre à particules 3, idéalement à une distance inférieure ou égale à 5 cm, afin de limiter les pertes d'ozone par des réactions chimiques et par des effets thermiques. On peut également imaginer que le conduit 7 se divise en plusieurs tubes, éventuellement percés de trous, pour améliorer encore la diffusion d'ozone, et le mettre ainsi en contact avec un nombre élevé de particules de suies.
En variante, l'injection d'ozone peut avoir lieu directement dans le filtre à particules 3. Ce mode d'injection permet de mettre en contact plus rapidement l'ozone avec les particules de suie, la réaction se faisant plus vite et plus complètement, limitant les pertes d'ozone.
La réactivité des suies avec l'ozone est d'autant plus importante que la température du lit de suie est élevée. Pour limiter le refroidissement par le flux d'air, les vannes 8 et 9 sont de préférence fermées lorsque le dispositif d'injection d'ozone ne fonctionne pas.
Le procédé peut également être adapté aux différentes phases de fonctionnement du moteur. Le procédé convient particulièrement au ralenti, c'est-à-dire lorsque le moteur est débrayé, et que sa vitesse de rotation est comprise entre 750 et 850 tours/min. Les conditions de température et de quantité de NOX selon l'invention sont alors généralement satisfaites. Il convient également lors de déplacements à faibles vitesse, notamment en ville. Lors d'un fonctionnement du moteur en vitesse élevée, la température des gaz d'échappement et la quantité de NOX présente dans les gaz d'échappement seront souvent trop élevées pour permettre l'injection d'ozone. Les suies s'accumuleront alors dans le filtre à particules jusqu'au rétablissement des conditions de l'invention.
Si la masse de suies accumulées dans le filtre à particules 3 dépasse un seuil considéré comme critique pour le fonctionnement du moteur, et que les conditions de l'invention ne sont pas vérifiées, on peut procéder à la régénération thermique du filtre à particules 3, c'est-à-dire qu'on élève la température des gaz d'échappement au-delà de 550 C afin de brûler les suies. Cette élévation de température est réalisée par des injections supplémentaires de carburant, permettant d'augmenter la température des gaz d'échappement et d'atteindre la température d'auto- inflammation des particules de suies.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'un filtre à particule (3) pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1), par injection d'ozone dans les gaz d'échappement, caractérisé en ce que l'ozone est injecté lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure ou égale à 250 C, la quantité d'ozone injectée étant supérieure à la quantité de NOX présente dans les gaz d'échappement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ozone est injecté lorsque la quantité de NOX présente dans les gaz d'échappement est inférieure ou égale à 100 ppm.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité d'ozone injectée est supérieure à la quantité de NO présente dans les gaz d'échappement.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ozone est injecté à contre-courant des gaz d'échappement.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection d'ozone dans les gaz d'échappement est effectuée en amont du filtre à particules (3).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'injection d'ozone dans les gaz d'échappement est effectuée dans le filtre à particules (3).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'injection d'ozone a lieu lorsque sont réunies les deux conditions suivantes: a) la température des gaz d'échappement est inférieure ou égale à 250 C, et b) la masse de suies présentes dans le filtre à particules est supérieure à une valeur prédéterminée.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en, ce que la valeur prédéterminée de masse de suies est comprise entre 0 et 5g.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de traitement de l'ozone résiduel et/ou des produits d'oxydation des particules de suie, à l'aide d'un catalyseur d'oxydation placé en aval du filtre à particules.
10. Dispositif de traitement d'un filtre à particules (3) pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion de véhicule automobile permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement (2) en sortie du moteur (1) sur laquelle est positionné le filtre à particules (3), un dispositif d'injection d'ozone (4) relié à la ligne d'échappement par un conduit (7), et alimenté en oxygène par une pompe à air (5) et un dispositif de prise d'air (6) destiné à capter l'air extérieur au véhicule, la pompe à air (5) et le dispositif de prise d'air (6) étant munis chacun d'une vanne (8,9), ainsi qu'un dispositif de pilotage (10) relié au moteur (1), au dispositif d'injection d'ozone (4), à la pompe à air (5) et aux vannes (8,9) de la pompe à air (5) et du dispositif de prise d'air (6).
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le conduit (7) est coudé et orienté à contre-courant des gaz issus du moteur (1).
12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'injection d'ozone est effectuée dans le filtre à particules (3).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'un catalyseur d'oxydation est placé en aval du filtre à particules.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le catalyseur d'oxydation est à base de platine.
15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le catalyseur d'oxydation est à base d'oxyde de cuivre et/ou de manganèse.
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