FR2863654A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules a impregnation catalytique - Google Patents

Procede de regeneration d'un filtre a particules a impregnation catalytique Download PDF

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Abstract

Le procédé selon l'invention, pour la gestion du fonctionnement d'un moteur à combustion interne (1) équipé d'une ligne d'échappement comportant un catalyseur d'oxydation (2) suivi d'un filtre à particules à imprégnation catalytique (3), vise à améliorer la régénération du filtre à particules. On ajuste le réglage du moteur de manière à ce qu'il fournisse dans les gaz d'échappement un excédent d'hydrocarbures (HC) imbrûlés et de monoxyde de carbone (CO) par rapport à la quantité que le catalyseur d'oxydation est capable de traiter, de manière à assurer une réaction exothermique de cet excédent sur la phase catalytique du filtre à particules.

Description

Procédé de régénération d'un filtre à particules à
imprégnation catalytique.
La présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules à imprégnation catalytique. Elle vise plus particulièrement à améliorer l'efficacité de la régénération d'un tel filtre à particules.
On connaît déjà, pour des moteurs diesels notamment pour véhicules de tourisme, des filtres à particules, destinées à réduire les émissions de particules par ces moteurs. Les normes de pollution applicables aux automobiles sont de plus en plus sévères et l'utilisation d'un filtre à particule est actuellement la solution la plus efficace pour réduire des émissions de particules nocives.
Placé sur la ligne d'échappement du moteur, le filtre à particule permet, lors de phases de chargement du filtre, de collecter les particules par passage des gaz d'échappement à travers une paroi poreuse du dit filtre. Puis, lors de phases de régénération, les suies formées par les accumulations de particules retenues sur la paroi poreuse sont éliminées par combustion. Cette combustion nécessite généralement une température élevée de l'ordre de 500 à 600 C, qui peut être obtenue de diverses manières, mais en particulier en portant temporairement les gaz d'échappement à une température suffisante pour assurer la dite combustion.
Le processus de régénération est alors complexe et nécessite un contrôle du fonctionnement du moteur adapté afin d'éviter par exemple que des forts gradients thermiques n'endommage le filtre. De plus le processus de régénération doit être fiable et reproductible automatiquement, et ceci sans que les variations de conditions de fonctionnement du moteur soient perceptibles par l'utilisateur, par exemple le conducteur du véhicule en conditions de circulation normales.
Dans le document WO0127455, pour réchauffer les gaz d'échappement avant leur arrivée sur le filtre à particules ont utilise l'exothermicité d'un catalyseur d'oxydation placé sur la ligne d'échappement en amont du filtre à particules. En effet, les gaz d'échappement à la sortie du moteur contiennent naturellement des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO qui sont oxydés sur le catalyseur d'oxydation. Cette réaction d'oxydation est elle-même exothermique et en conséquence réchauffe les gaz d'échappement lorsqu'ils traversent l'élément catalyseur, les portant ainsi à une température plus apte à provoquer la combustion des particules dans le filtre à particules.
Toutefois, cet effet ne se produit que si le catalyseur d'oxydation est lui-même amorcé, c'est à dire s'il a atteint une température interne suffisante pour déclencher les réactions d'oxydations.
La gestion de ce processus est efficace mais néanmoins complexe, en particulier du fait qu'il faut de plus tenir compte des paramètres de réglage moteur propres à assurer son fonctionnement adéquat du point de vue mécanique, les conditions de fonctionnement étant très variables dans le cas de moteur d'automobiles.
Par ailleurs, on connaît aussi depuis plus récemment, des filtres à particules à catalyse, encore appelés filtres à particules à imprégnation catalytique. Ces filtres à particules particuliers assurent, en plus de la fonction de piégeage des particules indiquée préalablement, une fonction de catalyse d'oxydation par des composés contenus dans les gaz d'échappement, par exemple des oxydes d'azotes NOX dans le but de brûler les particules en continu dans le filtre à particule, grâce au catalyseur. On vise ainsi à assurer une régénération en continu du dit filtre à particule, propre à éviter les problèmes pouvant résulter de variations importantes de températures dans le filtre entre les périodes de chargement et de régénération du dit filtre.
La présente invention a pour but d'améliorer l'efficacité de la régénération pour de tels filtres à particules catalytiques.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet Procédé de régénération d'un filtre à particules à imprégnation catalytique équipant une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un catalyseur d'oxydation (2) en amont du filtre à particules à imprégnation catalytique, caractérisé en ce que, pour améliorer la régénération du filtre à particules, on ajuste le réglage du moteur de manière à ce qu'il fournisse dans les gaz d'échappement un excédent d'hydrocarbures imbrûlés, de monoxyde de carbone et/ou d'autres éléments réducteurs, par rapport à la quantité que le catalyseur d'oxydation est capable de traiter, de manière à assurer une réaction exothermique de cet excédent sur la phase catalytique du filtre à particules.
Ainsi, l'énergie dissipée par cette combustion catalytique des HC et CO intervenant au sein même du filtre à particule à pour effet d'en augmenter sa température suffisamment pour assurer la combustion des particules et donc la régénération du filtre.
Pratiquement, pour la gestion du fonctionnement du moteur, on définit donc: - un premier réglage du moteur tel qu'il produise des gaz d'échappement chauds et provoque un échauffement du catalyseur d'oxydation suffisant pour ]o l'amorcer, - un deuxième réglage du moteur tel qu'il produise des gaz d'échappement chauds ainsi que des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone en quantité adaptée pour brûler sur le catalyseur d'oxydation et apporter une énergie supplémentaire apte à augmenter la température des gaz d'échappement acheminés du dit catalyseur vers le filtre à particule et provoquer la régénération du dit filtre, un troisième réglage du moteur tel qu'il produise des gaz d'échappement chauds ainsi que des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone en excès par rapport à la quantité pouvant brûler sur le catalyseur d'oxydation, de manière à générer à l'intérieur du filtre à particule à imprégnation catalytique une énergie supplémentaire par combustion du dit excès au contact de la phase catalytique du filtre à particule, propre à augmenter la température et provoquer la régénération du filtre à particule, et on détermine le réglage adapté en fonction notamment des températures mesurées ou estimées dans le catalyseur et dans le filtre à particule, de manière à s'assurer que les dites températures sont suffisantes pour effectuer les dites réactions de combustion. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne équipé d'une ligne d'échappement comportant un catalyseur d'oxydation suivi d'un filtre à particules à imprégnation catalytique, ce moteur étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage du moteur agencés pour mettre en uvre le procédé tel que défini ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un exemple de mise en uvre du procédé selon l'invention dans un véhicule équipé d'un moteur diesel à turbocompresseur.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation 15 schématique de la ligne d'échappement du moteur, - la figure 2 illustre le refroidissement naturel que subiraient les gaz d'échappement le long de la ligne d'échappement, - la figure 3 illustre l'évolution de la 20 température des gaz d'échappement lorsque le catalyseur d'oxydation est amorcé - la figure 4 illustre l'évolution de la température des gaz d'échappement lorsque le catalyseur d'oxydation est amorcé et que le moteur est réglé pour fournir un excédent de HC et CO.
La figure 1 montre symboliquement la ligne d'échappement d'un moteur diesel à turbocompresseur 1, comprenant successivement, dans le sens de circulation des gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation 2 puis un filtre à particules à imprégnation catalytique 3.
Sur chacune des figures 2, 3 et 4, un point du tracé correspond à la température existant dans la zone de la ligne d'échappement située en correspondance sur la figure 1, c'est à dire en particulier Ti correspond à la température entre la sortie du moteur 1 et le catalyseur 2, la température T2 est la température à la sortie du catalyseur, avant le filtre à particules 3, et T3 est la température en sortie du filtre à particules.
La figure 2 illustre un mode de fonctionnement de base, dans lequel aucune exothermicité ne résulte des réactions de HC ou CO sur le catalyseur d'oxydation. La température des gaz d'échappement, représentée par le tracé 10, subit alors une diminution progressive le long de la ligne d'échappement.
La figure 3 illustre le mode de fonctionnement selon lequel on profite de l'exothermicité de la réaction d'oxydation des hydrocarbures HC imbrûlés dans le moteur et du monoxyde de carbone CO qui en sort, sur le catalyseur d'oxydation, pour augmenter la température des gaz d'échappement, comme on le voit sur la zone 11 du graphique. Ce mode de fonctionnement peut être déclenché à partir du moment ou la température T2 en sortie du catalyseur d'oxydation a atteint un certain seuil, significatif de l'amorçage du catalyseur. On règle alors le moteur de manière à ce qu'il fournisse la quantité de HC et CO adaptée pour provoquer l'élévation de température souhaitée par réaction sur le catalyseur, tout en assurant leur oxydation complète, comme l'illustre la portion 21 du tracé 20 représentatif de l'évolution de la teneur en HC et CO dans les gaz d'échappement.
L'élévation de température 11 des gaz d'échappement peut alors être mise à profit pour effectuer au moins en partie la régénération du filtre à particule.
La figure 4 illustre le mode de fonctionnement typique selon l'invention, selon lequel, après avoir constaté une température T3 en sortie du filtre à particule à imprégnation catalytique suffisamment élevée pour assurer l'amorçage de la fonction catalytique du dit filtre, on règle le moteur pour qu'il fournisse une quantité de HC et CO supplémentaire 22, en excès par rapport à la quantité pouvant être oxydée sur le catalyseur d'oxydation 2.
Il en résulte une quantité résiduelle 23 de HC et CO en sortie du catalyseur, qui arrive dans le filtre à particule 3 et y subit une oxydation exothermique au contact de la phase catalytique du dit filtre, jusqu'à oxydation complète de HC et CO, représentée par le repère 24. L'élévation de température 12 qui en résulte est mise à profit pour assurer la régénération du filtre à particule.
La température des gaz d'échappement subit donc deux élévations, d'une part de manière classique dans le catalyseur 2 et d'autre part à l'intérieur même du filtre à particule à imprégnation catalytique 3. Ces augmentation de température permettent de passer par exemple d'une température avant le catalyseur de l'ordre de 250 C, à une température en aval du dit catalyseur d'environ 280 à 300 C, et à une température d'environ 500 C ou plus dans le filtre à particule.
L'effet obtenu par le procédé selon l'invention est d'autant plus avantageux que l'énergie apportée est générée au sein même du filtre alors que dans les méthodes de l'art antérieur, les gaz d'échappement sont un vecteur indispensable pour apporter au filtre l'énergie requise pour sa régénération et générée soit par le moteur soit par le catalyseur placé en amont du filtre. Il en résulte notamment un gain en énergie en évitant les pertes sur la ligne d'échappement entre catalyseur et filtre à particule, et également une réduction des contraintes thermiques sur cette ligne, du fait que la température des gaz qui y circulent peut être relativement moindre pour une efficacité de la régénération au moins équivalente.
Les modifications de réglage du moteur requises l0 pour assurer ce fonctionnement sont assurées automatiquement notamment en fonction des températures T2 et T3 respectivement mesurées en sortie du catalyseur 2 et du filtre à particules 3. On pourra aussi, dans l'évaluation de l'amorçage du catalyseur 2 et de la phase catalytique du filtre à particule 3, estimer leurs températures internes à partir des températures mesurées en amont et en aval de chacun de ces dispositifs.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules à imprégnation catalytique (3) équipant une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) comportant un catalyseur d'oxydation (2) en amont du filtre à particules à imprégnation catalytique (3), caractérisé en ce que, pour améliorer la régénération du filtre à particules, on ajuste le réglage du moteur de manière à ce qu'il fournisse dans les gaz d'échappement un excédent d'éléments réducteurs, tels que hydrocarbures (HC) imbrûlés et monoxyde de carbone (CO), par rapport à la quantité que le catalyseur d'oxydation est capable de traiter, de manière à assurer une réaction exothermique de cet excédent sur la phase catalytique du filtre à particules.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajuste la quantité du dit excédent d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone en fonction de la température interne du filtre à particules (3).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on déduit la température interne du filtre à particule à partir de la mesure des températures en amont (T2) et en aval (T3) du dit filtre.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on définit: - un premier réglage du moteur tel qu'il produise des gaz d'échappement chauds et provoque un 30 échauffement du catalyseur d'oxydation (2) suffisant pour l'amorcer, - un deuxième réglage du moteur tel qu'il produise des gaz d'échappement chauds ainsi que des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone en quantité adaptée pour brûler sur le catalyseur d'oxydation (2) et apporter une énergie supplémentaire apte à augmenter la température des gaz d'échappement et provoquer la régénération du filtre à particule (3), - un troisième réglage du moteur tel qu'il produise des gaz d'échappement chauds ainsi que des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone en excès par rapport à la quantité pouvant brûler sur le catalyseur d'oxydation, de manière à générer à l'intérieur du filtre à particule à imprégnation catalytique une énergie supplémentaire par combustion du dit excès au contact de la phase catalytique du filtre à particule, propre à augmenter la température et provoquer la régénération du filtre à particule, et on détermine le réglage adapté en fonction notamment des températures mesurées ou estimées dans le catalyseur et dans le filtre à particule, de manière à s'assurer que les dites températures sont suffisantes pour effectuer les dites réactions de combustion.
5. Moteur à combustion interne (1) équipé d'une ligne d'échappement comportant un catalyseur d'oxydation (2) suivi d'un filtre à particules à imprégnation catalytique (3), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage du moteur agencés pour mettre en uvre le procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4.
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