FR2880914A1 - Ligne d'echappement pour moteur de vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

Cette ligne d'échappement (1) pour moteur de véhicule automobile, équipée de moyens de dépollution des gaz d'échappement de ce moteur, comportant au moins des moyens formant catalyseur d'oxydation (2) et des moyens formant filtre à particules (3), est caractérisée en ce que les moyens formant filtre à particules (3) comprennent au moins un premier (4) et un second (5) éléments de filtre à particules dont le second (5) est connecté en parallèle sur le premier (4) à travers des moyens de contrôle (6) de la circulation des gaz dans ce second élément de filtre à particules (5), en fonction de la charge du moteur.

Description

La présente invention concerne ligne d'échappement pour moteur de véhicule
automobile.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une telle ligne d'échappement équipée de moyens de dépollution des gaz d'échappement du moteur, comportant au moins des moyens formant catalyseur d'oxydation et des moyens formant filtre à particules.
Les polluants issus de la combustion d'un moteur Diesel ou essence sont majoritairement les hydrocarbures imbrûlés, les oxydes d'azote (monoxyde d'azote NO et dioxyde NO2), les oxydes de carbone (monoxyde de carbone CO) , et, dans le cas des moteurs Diesel et des moteurs à injection directe essence, des particules. Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maîtrise des émissions de HC, de CO, de NOx et des particules, est impérative et des technologies de post-traitement des gaz d'échappement sont indispensables.
La maîtrise des émissions de particules peut être réalisée par l'introduction d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement des moteurs Diesel. Les particules sont piégées dans les canaux d'entrée d'un média filtrant et sont brûlées périodiquement par élévation de la température des gaz à l'entrée du filtre ou par chauffage de ce dernier, afin d'éviter un colmatage du filtre. Ce dispositif permet une filtration efficace des particules mais entraîne une contre-pression à l'échappement qui augmente avec le débit gazeux et qui est la cause d'une baisse des performances à forte charge et d'une surconsommation du moteur.
Sur des points de forte charge, par exemple en roulage sur autoroute, la température des gaz d'échappement,est suffisante pour brûler en continu les particules accumulées dans le filtre. En revanche, à plus faible charge moteur, il est nécessaire d'avoir recours à des moyens de chauffage (post-injection, exotherme sur le catalyseur d'oxydation) pour brûler les particules accumulées dans le filtre.
Dans ce dernier cas, il serait bénéfique d'avoir un filtre de petit volume afin de chauffer efficacement les particules accumulées et de minimiser la pénalité de consommation due à la régénération. En revanche, à forte charge, il serait intéressant d'augmenter la surface de filtration du filtre et sa surface frontale, afin de diminuer la contre- pression générée à haut débit de gaz.
Le but de l'invention est donc de proposer une ligne d'échappement qui permette de résoudre ces problèmes.
A cet effet, l'invention a pour objet une ligne d'échappement pour moteur de véhicule automobile, équipée de moyens de dépollution des gaz d'échappement de ce moteur, comportant au moins des moyens formant catalyseur d'oxydation et des moyens formant filtre à particules, caractérisée en ce que les moyens formant filtre à particules comprennent au moins un premier et un second éléments de filtre à particules dont le second est connecté en parallèle sur le premier à travers des moyens de contrôle de la circulation des gaz dans ce second élément de filtre à particules, en fonction de la charge du moteur.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de contrôle de la circulation des gaz sont adaptés pour permettre la circulation des gaz dans le second élément de filtre à particules si la charge du moteur dépasse une valeur de seuil prédéterminée et pour l'interrompre dans le cas contraire; - les moyens de contrôle de la circulation des gaz comprennent une vanne pilotée; - la charge du moteur est déterminée à partir de la pression différentielle aux bornes du premier élément de filtre à particules et/ou de la température des gaz d'échappement et/ou de paramètres de contrôle du fonctionnement du moteur; - les deux éléments de filtre à particules sont disposés côte à côte dans la ligne d'échappement; - les deux éléments de filtre à particules sont disposés l'un autour de 25 l'autre dans la ligne d'échappement; -les deux éléments de filtre à particules sont disposés dans un même organe de la ligne d'échappement; les deux éléments de filtre à particules sont disposés dans des organes différents de la ligne d'échappement; - les deux éléments de filtre à particules présentent des formes et des dimensions identiques; - les deux éléments de filtre à particules présentent des formes et des dimensions différentes; - le filtre à particules est catalysé ; - les moyens de dépollution comprennent en outre un piège à NOx; - le carburant d'alimentation du moteur comporte un additif destiné à se déposer avec les particules auxquelles il est mélangé, sur les moyens de dé-pollution pour faciliter leur régénération; - les moyens de dépollution sont imprégnés avec une formulation SCR assurant une fonction d'oxydation COiHC; - le carburant comporte un additif formant piège à NOx; - le moteur est associé à un turbocompresseur; - le moteur est associé à des moyens d'alimentation à rampe corn- mune d'injection de carburant dans les cylindres de celui-ci, adaptés pour mettre en oeuvre par modification des paramètres de contrôle du fonctionnement du moteur, au moins une stratégie de régénération des moyens formant filtre à particules, en utilisant au moins une post- injection; et - elle comporte des moyens d'inhibition du fonctionnement des 15 moyens de contrôle lorsqu'une régénération forcée est en cours.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.1 représente un schéma synoptique illustrant la structure d'une ligne d'échappement selon l'invention: - les Fig.2, 3 et 4 illustrent le fonctionnement de moyens de contrôle de la circulation des gaz entrant dans la constitution d'une telle ligne d'échappement; - la Fig.5 illustre une courbe représentative de la contrepression dans une telle ligne; - les Fig.6 et 7 représentent des organigrammes illustrant le fonctionnement de celle-ci; et - les Fig. 8, 9, 10, 11, 12 et 13 illustrent différentes implantations possibles de premier et second éléments de filtre à particules entrant dans la constitution d'une telle ligne.
On a en effet illustré sur les figures 1 à 4, une ligne d'échappement pour moteur de véhicule automobile, cette ligne étant désignée par la référence générale 1.
Une telle ligne est équipée de moyens de dépollution des gaz d'échappement du moteur, comportant au moins des moyens formant catalyseur d'oxydation, désignés par la référence générale 2 et des moyens formant filtre à particules, désignés par la référence générale 3.
Ces moyens formant catalyseur d'oxydation et ces moyens formant filtre à particules sont par exemple disposés en série dans la ligne d'échappement entre le moteur et un silencieux d'échappement.
Selon l'invention, les moyens formant filtre à particules comprennent au moins un premier et un second éléments de filtre à particules désignés par les références générales 4 et 5 respectivement sur cette figure, dont le second, par exemple 5, est connecté en parallèle sur le premier 4, à travers des moyens de contrôle de la circulation des gaz dans ce second élément de filtre à particules, en fonction de la charge du moteur, par exemple par un calculateur de contrôle moteur.
En fait, les moyens de contrôle de la circulation des gaz comprennent par exemple une vanne pilotée, désignée par la référence générale 6, permettant de contrôler la circulation ou l'interruption de la circulation des gaz d'échappement dans le second élément de filtre à particules 5, en fonction de la charge du moteur.
Ainsi, et comme cela est illustré plus clairement sur les figures 2, 3 et 4, lorsque le moteur fonctionne à faible charge (Fig.2), c'est-à-dire à faible débit de gaz d'échappement et à faible contre-pression d'échappement, la vanne 6 est fermée et les gaz ne circulent que dans l'élément de filtre à particules 4.
Par contre et comme cela est illustré sur la figure 3, à forte charge, c'est-à-dire à fort débit de gaz d'échappement et à forte température, la vanne 6 est ouverte, de sorte que du gaz circule dans les deux éléments de filtre à parti-cules 4 et 5 et que ceux-ci sont régénérés en continu.
La figure 4 illustre le cas où la vanne 6 est fermée, à la suite de la détection d'une régénération active ou forcée de l'élément de filtre à particules 4, comme cela sera décrit plus en détail par la suite.
En effet, lorsqu'une telle régénération forcée est détectée, le fonctionnement de la vanne 6 est inhibé.
On conçoit alors que dans une telle ligne d'échappement, contenant des moyens formant filtre à particules, on peut prévoir un ou plusieurs conduits de dérivation, chacun équipé d'un média filtrant de dérivation en parallèle sur un filtre à particules principal.
Une vanne en amont du filtre à particules permet alors l'ouverture ou la fermeture de ce ou de ces conduits.
Le fait de n'ouvrir le ou les conduits en dérivation que lorsque la charge du moteur, c'est-à-dire par exemple la température des gaz d'échappement et/ou la contre-pression est suffisamment élevée, fait que les particules piégées dans les autres éléments formant filtre à particules sont brûlées en continu, et qu'il n'y a pas d'accumulation de suies dans ces éléments.
La charge du moteur peut également être illustrée par des paramètres de contrôle du fonctionnement de ce moteur tels que par exemple le régime, la position de la pédale d'accélérateur, etc...
En fait, le ou les éléments de filtre en dérivation, peuvent être constitués d'éléments identiques au filtre principal ou de structure différente.
Ce ou ces filtres en dérivation peuvent également être constitués d'un matériau identique ou différent de celui du filtre principal, ils peuvent également avoir des formes et des tailles différentes ou identiques.
De même, ce média filtrant peut également être recouvert ou non de catalyseur.
En phase de fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque les gaz d'échappement du moteur sont à basse température, seul le filtre principal est actif, les gaz circulant à travers celui-ci.
Les particules contenues dans ces gaz s'accumulent alors dans ce filtre. Ce filtre peut alors être régénéré de façon classique en utilisant une stratégie 25 classique de contrôle de fonctionnement du moteur ou de la ligne.
En phase de fonctionnement à forte charge, et à haute température des gaz d'échappement, la vanne 6 donnant accès au filtre en dérivation s'ouvre. L'augmentation de la surface filtrante, c'est-à-dire celle du filtre principal et celle du ou des filtres en dérivation, permet alors d'abaisser la contre-pression à l'échappement, favorisant les performances du moteur, comme cela est illustré sur la figure 5.
Les particules piégées dans le ou les filtres en dérivation sont alors régénérées en continu grâce à la température élevée des gaz d'échappement.
On conçoit ainsi que l'on diminue l'impact négatif en forte charge d'un filtre à particules sur un moteur à combustion interne équipé d'un tel filtre, en rai-son de la contre-pression exercée par ce dernier.
Par ailleurs, on ne modifie pas la stratégie d'utilisation et de régénération du filtre principal qui est alors simplement adaptée aux caractéristiques notamment géométriques de ce filtre.
Ainsi, par exemple, et comme cela est illustré sur la Fig.5, si l'on obtient grâce à une telle structure de ligne, une baisse de 100 millibars de contre-pression à l'échappement, ceci se traduit approximativement par une augmenta- tion de 1,2 % de la puissance max du moteur.
Ainsi par exemple, un moteur délivrant 155 Kwatts avec un filtre à particules standard, peut délivrer une puissance max de 157 Kwatts avec une structure de ligne telle que décrite.
Ceci permet aussi d'alléger les contraintes mécaniques liées à la contrepression.
Comme cela a été indiqué précédemment, la charge du moteur peut être déterminée, par exemple, à partir de la pression différentielle aux bornes des moyens formant filtre à particules el: notamment du premier élément de filtre, et/ou de la température des gaz d'échappement.
Ceci est par exemple illustré sur la figure 6, qui représente un organigramme de contrôle du fonctionnement de la vanne 6, à partir d'une mesure de la pression différentielle et de la température des gaz.
Ainsi, sur cette figure, en 10, on a illustré une étape d'acquisition de la pression différentielle, par exemple à partir d'une sonde de pression désignée par la référence générale 11, connectée aux bornes du premier élément de filtre à particules.
En 12, cette pression est comparée à une valeur de seuil minimale.
Si la pression différentielle mesurée est inférieure à la valeur de seuil, aucune action n'est exercée. Par contre, si cette valeur est supérieure à la valeur de seuil, la température des gaz d'échappement est mesurée en 13, par exemple, à partir d'une sonde de température des gaz désignée par la référence générale 14.
Si la température des gaz est inférieure à une valeur de seuil minimale, telle que comparée en 15, il n'y a pas d'action. Par contre, si la tempéra- ture des gaz d'échappement est supérieure à cette valeur de seuil, on vérifie si une régénération active ou forcée des moyens formant filtre à particules est enclenchée ou non. Cette vérification est opérée en 16, par exemple par un calculateur de contrôle de fonctionnement du moteur 17.
En 18, si une régénération est en cours, on n'engage aucune action. Par contre, si aucune régénération n'est en cours, on ouvre la vanne 6 pour per-mettre une circulation des gaz dans le second élément de filtre à particules 5, comme cela est illustré par l'étape 19.
Une version simplifiée de c:et organigramme est donnée sur la figure 7 où l'on peut constater que seule une mesure de température est opérée en 20, à partir de la sonde de température 14, afin que la température des gaz soit comparée à une valeur de seuil minimale en 21. Si la température des gaz est inférieure à cette valeur de seuil, aucune action n'est engagée. Par contre, si la température des gaz est supérieure à cette valeur de seuil, on vérifie en 22, grâce au calculateur 17, si une régénération active du premier élément de filtre à particules 4 est enclenchée ou non. A partir de ce test en 23, si aucune régénération n'est en cours, on ouvre la vanne 6 lors de l'étape 24. Par contre, si une régénération est en cours, aucune action n'est engagée.
Bien entendu, différentes dispositions de ces éléments de filtre à particules peuvent être envisagées comme cela est illustré sur les figures 8 à 13.
Ainsi par exemple, ces éléments de filtre peuvent être disposés dans un même organe de la ligne d'échappement également appelé canning .
Ils peuvent également être disposés dans des organes différents de cette ligne d'échappement.
De plus, ceux-ci peuvent être disposés par exemple côte à côte dans cet organe, comme cela est illustré sur les figures 8, 9, 11 et 13.
Ils peuvent également être disposés l'un autour de l'autre comme cela est illustré sur les figures 10 et 12.
Bien entendu, différentes dispositions peuvent être envisagées selon 30 que ces éléments de filtre présentent des dimensions différentes ou des dimensions identiques.
La dimension de ces éléments formant filtre à particules est alors adaptée en fonction du moteur.
Ce moteur peut d'ailleurs être associé à des moyens d'alimentation à rampe commune d'injection de carburant dans les cylindres de celui-ci, adaptés pour mettre en oeuvre par modification des paramètres de contrôle du fonctionnement du moteur, au moins une stratégie de régénération des moyens formant filtre à particules, en utilisant par exemple au moins une post-injection, de façon classique.
Ce moteur peut également être associé à un turbocompresseur. Différents modes de réalisation de ces moyens de dépollution peuvent également être envisagés.
C'est ainsi par exemple que le filtre à particules peut être catalysé ou non.
De même, ces moyens de dépollution peuvent ou non comporter un piège à NOx.
Le carburant d'alimentation du moteur peut ou non comporter un addi- tif destiné à être déposé avec les particules auxquelles il est mélangé, sur les moyens de dépollution, pour faciliter leur régénération en abaissant la température de combustion des particules.
De même, ces moyens de dépollution peuvent ou non être imprégnés avec une formulation SCR, assurant une 'fonction d'oxydation CO/HC.
Enfin, le carburant peut également ou non comporter un additif formant piège à NOx.
On conçoit alors qu'une telle ligne présente un certain nombre d'avantages dans la mesure où elle permet de réduire la contre-pression exercée par le filtre à particules, sur le moteur, notamment à forte charge, par rapport à l'utilisation d'un filtre à particules standard.
Une telle ligne n'a pas non plus d'impact sur la stratégie de gestion du moteur, en particulier lors des régénérations.
La régénération forcée des moyens formant filtre à particules est également facilitée dans la mesure où l'élément de filtre principal peut présenter une taille réduite et qu'il n'y a pas d'accumulation de particules dans l'élément de filtre à particules en dérivation.
Enfin, une telle ligne d'échappement peut trouver des applications pour des moteurs notamment Diesel ou essence à injection directe.

Claims (18)

REVENDICATIONS
1. Ligne d'échappement pour moteur de véhicule automobile, équipée de moyens de dépollution des gaz d'échappement de ce moteur, comportant au moins des moyens formant catalyseur d'oxydation (2) et des moyens formant filtre à particules (3), caractérisée en ce que les moyens formant filtre à particules (3) comprennent au moins un premier (4) et un second (5) éléments de filtre à particules dont le second (5) est connecté en parallèle sur le premier (4) à travers des moyens (6) de contrôle de la circulation des gaz dans ce second élément de filtre à particules (5), en fonction de la charge du moteur.
2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (6) de contrôle de la circulation des gaz sont adaptés pour per-mettre la circulation des gaz dans le second élément de filtre à particules (5) si la charge du moteur dépasse une valeur de seuil prédéterminée et pour l'interrompre dans le cas contraire.
3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de contrôle de la circulation des gaz comprennent une vanne pilotée (6).
4. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la charge du moteur est déterminée à partir de la pression différentielle aux bornes du premier élément de filtre à particules et/ou de la température des gaz d'échappement et/ou de paramètres de contrôle du fonctionnement du moteur.
5. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux éléments de filtre à particules (4, 5) 25 sont disposés côte à côte dans la ligne d'échappement (1).
6. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les deux éléments de filtre à particules (4, 5) sont disposés l'un autour de l'autre dans la ligne d'échappement.
7. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux éléments de filtre à particules (4, 5) sont disposés dans un même organe de la ligne d'échappement.
8. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les deux éléments de filtre à particules (4, 5) sont disposés dans des organes différents de la ligne d'échappement.
9. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 7 ou 8, caractérisée en ce que les deux éléments de filtre à particules (4, 5) présentent des formes et des dimensions identiques.
10. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les deux éléments de filtre à particules (4, 5) présentent des formes et des dimensions différentes.
11. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le filtre à particules est catalysé.
12. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de dépollution comprennent en outre un piège à NOx.
13. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant d'alimentation du moteur comporte un additif destiné à se déposer avec les particules auxquelles il est mélan- gé, sur les moyens de dépollution pour faciliter leur régénération.
14. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de dépollution sont imprégnés avec une formulation SCR assurant une fonction d'oxydation CO/HC.
15. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant comporte un additif formant piège à NOx.
16. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur est associé à un turbocompresseur.
17. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur est associé à des moyens d'alimentation à rampe commune d'injection de carburant dans les cylindres de celui-ci, adaptés pour mettre en oeuvre par modification des paramètres de contrôle du fonctionnement du moteur, au moins une stratégie de régénération des moyens formant filtre à particules, en utilisant au moins une post-injection.
18. Ligne d'échappement selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'inhibition du fonctionnement des moyens de contrôle (6) lorsqu'une régénération forcée est en cours.
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