FR2885172A1 - Procede de regeneration par combustion d'un filtre a particules pour moteur - Google Patents
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Abstract
Procédé de régénération d'un filtre à particules, le filtre à particules comportant au moins une cavité dotée de parois filtrantes, le procédé comprenant au moins une première catégorie de régénération dans laquelle la température des parois filtrantes est augmentée pour qu'elle soit comprise dans une première plage de températures de régénération assurant ainsi la combustion de suies contenues du filtre à particules.Après la mise en oeuvre de la première catégorie de régénération :a) on génère une valeur représentative du colmatage du filtre à particules par des résidus non détruits durant la première catégorie de régénération,b) puis, si cette valeur générée passe une valeur de seuil prédéterminée (P1), alors on déclenche volontairement une seconde catégorie de régénération du filtre à particules dans laquelle la température des parois filtrantes comprise dans une seconde plage de températures supérieure à la première.
Description
PROCEDE DE REGENERATION
La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des procédés de régénération d'un filtre à 5 particules.
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules appartenant à une ligne d'échappement de gaz brûlés d'un moteur à combustion, le filtre à particules comportant au moins une cavité dotée de parois filtrantes, le procédé comprenant au moins une première catégorie de régénération dans laquelle la température des parois filtrantes est augmentée pour qu'elle soit comprise dans une première plage de températures de régénération assurant ainsi la combustion de suies contenues du filtre à particules.
L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs à combustion tels que des moteurs Diesels a pour effet de générer des particules de carbone, qui ne peuvent être brûlées efficacement dans le moteur. Cela se traduit par l'apparition à l'échappement de fumées noires, caractéristiques de ce type de motorisation. Ces particules sont générées en masse lors du démarrage du moteur et lors des phases d'accélération. Pour réduire la pollution générée, il est fréquent d'utiliser des filtres à particules opérant une filtration mécanique des gaz brûlés.
Ces filtres à particules sont généralement constitués d'un élément semiporeux qui permet le passage des gaz brûlés mais qui retient les composés particulaires qui sont des suies (élément de base dans la matrice des gaz brûlés) et des résidus d'huiles. Les suies et des résidus d'huiles s'accumulent dans le filtres avec la distance parcourue par le véhicule. Plus la quantité de suies et de résidus contenue dans le filtre augmente et plus le médiat filtrant se colmate entraînant une forte augmentation de la pression en amont du filtre à particules. Cette forte augmentation de la pression en amont du filtre peut devenir néfaste pour le bon fonctionnement du moteur.
C'est la raison pour laquelle de nombreux fabricant de filtres à particules ont développé diverses solutions visant à décolmater/nettoyer/régénérer un filtre à particules.
Un filtre à particules, permettant un tel nettoyage, est par exemple décrit dans le document brevet EP 1316687A1.
Ce document présente un filtre à particules comportant deux ouvertures séparées l'une de l'autre par une paroi filtrante.
Afin de régénérer le filtre à particules, c'est-à-dire afin de le décolmater au moins partiellement, ce document décrit un procédé tel que défini précédemment et consistant à augmenter la température des gaz d'échappement pour brûler les suies. Toutefois certains matériaux sont imbrûlés et continuent à colmater le filtre.
Pour réduire cet inconvénient, le filtre est alors inversé dans la ligne d'échappement. Pour cela ce filtre possède des ouvertures pouvant indifféremment servir d'entrée et de sortie de gaz brûlés, permettant ainsi d'inverser à volonté le sens des flux de fluide dans le filtre. Ce changement de sens de flux se fait en démontant le filtre de la ligne d'échappement puis en le remontant de façon inversée dans la ligne.
Avant inversion, les gaz brûlés arrivent sur une face de la paroi filtrante, traversent celle-ci puis sortent sur une autre face opposée de la paroi. Les suies et les résidus s'accumulent sur la face sur laquelle 5 arrivent les gaz brûlés. Une fois le filtre inversé, les gaz brûlés sortent par la face qui était jusqu'alors la face sur laquelle arrivaient les gaz brûlés. Cette inversion de flux de gaz provoque le décolmatage au moins partiel du filtre à particules, ce qui en prolonge la 10 durée de fonctionnement.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un procédé permettant de régénérer un filtre à particules.
A cette fin, le procédé de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce qu'après la mise en oeuvre de la première catégorie de régénération: a) on génère une valeur représentative du colmatage du filtre à particules par des résidus non détruits durant la première catégorie de régénération, cette valeur représentative étant générée par au moins une mesure d'au moins une pression (P) de gaz brûlés circulants dans la ligne d'échappement, b) puis, si cette valeur générée représentative du colmatage passe une valeur de seuil prédéterminée (Pl), alors ultérieurement on déclenche volontairement une seconde catégorie de régénération du filtre à particules dans laquelle la température des parois filtrantes est augmentée jusqu'à atteindre une seconde plage de températures supérieure à la première, assurant ainsi le compactage d'au moins une partie des résidus non détruits durant la première catégorie de régénération.
Grâce au procédé de l'invention, on évalue la part du colmatage du filtre qui est liée à la présence de résidus (principalement des résidus imbrûlés lors de la ou des régénérations précédentes). Pour cela on génère une valeur représentative du colmatage du filtre (par exemple la valeur de la pression en amont du filtre à particules) et si cette valeur dépasse une valeur seuil prédéterminée alors on provoque volontairement une nouvelle régénération à une température supérieure à celle de la première catégorie de régénération. Les résidus imbrûlés lors de la première catégorie de régénération ont tendance à se compacter lorsque chauffés dans la seconde plage de températures et à se désolidariser au moins partiellement des parois filtrantes qu'ils colmataient jusqu'alors. Une partie des résidus est alors transportée par les flux de gaz brûlés vers une zone du filtre libérant ainsi d'anciennes zones colmatées et augmentant la durée d'utilisation du filtre avant son remplacement.
Un premier avantage de l'invention est que l'on génère deux types de régénération, en fonction des besoins réels en régénération.
La première catégorie de régénération se fait dans une plage de températures assez faible par rapport à la seconde plage de températures dans laquelle se déroule la seconde catégorie de régénération. La première catégorie de régénération est donc utilisée pour traiter principalement les suies qui peuvent être en grande partie supprimées sans utiliser de haut niveau d'énergie thermique.
La second régénération est quant à elle mise en oeuvre uniquement lorsque nécessaire, c'est-à-dire lorsque le colmatage lié aux résidus est trop important et ne peut être traité par combustion dans la première plage de températures.
Ce procédé est donc économique énergiquement parlant puisque les forts niveaux d'énergie thermique sont uniquement utilisés s'il y a dépassement de la valeur de seuil prédéterminée.
Préférentiellement la première plage de températures est comprise entre 450 et 600 C et la seconde plage de températures est au moins supérieure à 900 C. Toutefois, il est possible d'abaisser ces plages de températures en utilisant par exemple des catalyseurs de réactions.
On peut également faire en sorte qu'au moins après avoir réalisé la première régénération, on observe au moins un paramètre représentatif de la masse de suie accumulée dans le filtre à particules, et on fait en sorte de ne déclencher la seconde catégorie de régénération qu'à la condition que la combustion de cette masse de suie accumulée permette l'élévation de la température des parois filtrantes dans la seconde plage de températures.
Afin d'atteindre la seconde plage de température, il est nécessaire de maîtriser l'apport en énergie thermique par l'entrée de gaz brûlés et la sortie d'énergie thermique par le rejet de ces gaz brûlés hors du filtre. Il est également nécessaire de quantifier l'énergie thermique pouvant être générée par la combustion des suies.
Cette quantité d'énergie générée par la combustion des suies est calculée avant même de déclencher la seconde catégorie de régénération. Grâce à l'évaluation de la quantité de suie contenue dans le filtre, on calculer l'apport thermique par les gaz brûlés juste nécessaire pour réaliser la seconde catégorie de régénération avant même de la déclencher. Ainsi le niveau d'énergie dépensé pour réaliser la seconde catégorie de régénération est réduit au minimum car il peut être quantifié à priori.
On peut également faire en sorte que ledit au moins un paramètre représentatif de la masse de suie accumulée dans le filtre soit l'évolution d'au moins une pression de gaz brûlés dans la ligne d'échappement et/ou le temps de fonctionnement du moteur. En effet après avoir réalisé la première catégorie de régénération, la pression des gaz dans la ligne va évoluer en grande partie à cause du nouveau colmatage du filtre, ce colmatage étant fonction de la masse de suie accumulée dans le filtre depuis la première catégorie de régénération. Si la pression des gaz mesurée est la pression en amont du filtre, alors celle-ci augmente avec le temps d'utilisation du moteur et avec la masse de suie accumulée dans le filtre depuis la première catégorie de régénération.
Si la pression de gaz brûlés mesurée est la pression en aval du filtre, alors celle-ci à tendance à diminuer du fait de la perte de charge liée au colmatage du filtre par les suies.
Si la pression est mesurée en amont et en aval alors le paramètre représentatif de la masse de suie accumulée peut être l'écart entre ces pressions amont et aval.
Egalement la masse de suies accumulées est fonction du temps de fonctionnement du moteur. Dans chacun de ces cas, il est possible d'évaluer la masse de suies et donc calculer son apport énergétique lors de leur combustion.
On peut également faire en sorte de mesurer au moins une température dans la ligne d'échappement, et de ne déclencher la seconde catégorie de régénération qu'à la condition que cette température soit supérieure à une température de déclenchement prédéterminée.
La température est l'un des facteurs importants déterminant les conditions énergétiques dans le filtre. Cette température doit rester inférieure à la température d'allumage des suies tant qu'on ne souhaite pas déclencher la seconde catégorie de régénération, et doit être relativement proche de la température d'allumage lorsque l'on souhaite déclencher la combustion des suies et la seconde catégorie de régénération.
En connaissant la température d'au moins une partie de la ligne d'échappement, on peut préciser la quantité d'énergie nécessaire pour que les parois filtrantes atteignent la seconde plage de températures nécessaire pour réaliser la seconde catégorie de régénération.
On peut également faire en sorte de mesurer le débit de gaz brûlés dans la ligne d'échappement, et de ne déclencher la seconde catégorie de régénération qu'à la condition que ce débit soit inférieur à un débit seuil de déclenchement prédéterminé.
Le débit de gaz brûlés est en effet une condition permettant d'évaluer le niveau d'énergie à apporter pour réaliser la seconde catégorie de régénération. En effet si le débit des gaz brûlés est trop élevé alors l'énergie apportée par la combustion des suies est en grande partie dissipée dans les gaz brûlés qui ont une température inférieure à la température de combustion des suies. Dans un tel cas la seconde catégorie de régénération est incomplète, il est donc nécessaire de n'autoriser cette seconde catégorie de régénération que lorsque le débit de gaz brûlés et adapté.
A contrario, si le débit de gaz brûlés est trop faible alors il y a un manque d'énergie thermique et l'apport en énergie pour autoriser la seconde catégorie de régénération doit être important. Dans ce cas la seconde catégorie de régénération n'est également pas autorisée.
Idéalement pour autoriser le déclenchement de la seconde catégorie de régénération, le débit de gaz brûlés doit être compris dans une plage de débit prédéterminée et dont la limite supérieure est constituée par ledit débit seuil.
Idéalement, les conditions de déclenchement de la seconde catégorie de régénération sont la masse des suies accumulées dans le filtre, la température d'au moins une partie de la ligne d'échappement et le débit des gaz brûlés dans la ligne d'échappement. Ces conditions sont cumulées entre elles pour déterminer si l'on déclenche ou non la seconde catégorie de régénération.
On peut également faire en sorte que pour réaliser la comparaison de la valeur générée représentative du colmatage avec la valeur de seuil prédéterminée, on enregistre dans une mémoire ladite valeur générée représentative et ladite valeur de seuil prédéterminée puis on compare ces valeurs à l'aide d'une unité électronique de comparaison.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure la représente une coupe transversale d'un canal de filtration dont paroi filtrante intérieurement recouverte de résidus; la figure lb représente une coupe longitudinale du 10 canal de la figure la; la figure ic représente une courbe de variation de la pression dans la ligne d'échappement en fonction de la distance parcourue par un véhicule équipé d'un moteur et d'un filtre à particules; la figure 2a est une vue en coupe transversale du canal de filtration de la figure la, durant la seconde catégorie de régénération; la figure 2b est une vue en coupe longitudinale du canal de la figure lb, après mise en oeuvre de la seconde 20 catégorie de régénération; la figure 2c représente une courbe de variation de la pression de gaz dans la ligne d'échappement en fonction de la distance parcourue par un véhicule équipé d'un moteur et d'un filtre à particules et après mise en oeuvre de la seconde catégorie de régénération.
Le canal de filtration 5 du filtre 1 des figures la et lb est recouvert intérieurement de résidus 4 et de suies ce qui génère une surpression P dans la ligne d'échappement située en amont de la paroi filtrante 3, c'est à dire dans ce cas à l'intérieur du canal de filtration 5.
La figure lc, est une courbe représentant l'évolution de la pression P en amont du filtre à particules 1 (c'est-à-dire la pression dans la ligne d'échappement, entre le filtre et le moteur) en fonction de la distance D parcouru par le véhicule sur lequel est implanté ledit moteur. La pression en amont du filtre augmente de façon sensiblement exponentielle en fonction de la distance parcourue D jusqu'à atteindre une pression Plim (à une distance Dlim parcourue par le véhicule) qui est une pression au-delà de laquelle le fonctionnement du moteur se dégrade. Habituellement, on fait en sorte de remplacer ou régénérer le filtre à particules avant que la pression P en amont du filtre 1 n'atteigne cette valeur Plim.
Grâce au procédé de l'invention, la durée de vie du filtre à particules est prolongée en déclenchant une régénération du filtre à haute température Treg2 avant d'atteindre la limite de pression Plim (ce déclenchement se fait à la distance Dl). Le procédé de régénération selon l'invention consiste: - à identifier la part de colmatage du filtre 1 qui est liée principalement au résidus 4 et la part du colmatage qui est liée principalement aux suies; - à déclencher des régénérations adaptées au type de colmatage de filtre donné à supprimer, c'est-à-dire soit une régénération à basse température Tregi pour un filtre principalement colmaté par des suies soit une régénération à haute température Treg2 pour un filtre principalement colmaté par des résidus.
Pour cela on réalise une première catégorie de régénération à basse température Tregl ce qui permet de brûler les suies (les résidus restent imbrûlés car seules les suies brûlent à Trgel), puis on mesure la pression P en amont du filtre dans la ligne d'échappement. Tant que cette pression mesurée P reste inférieure à une valeur seuil PO donnée qui est inférieure à Plim, alors on ne réalise pas de régénération à haute température Treg2 et on continu en cas de besoin à réaliser des régénérations à basse température Tregl notées première catégorie de régénération . Par contre, si après avoir réalisé une régénération à basse température Tregl, on observe que la pression mesurée P est supérieure ou égale à une valeur préétablie PO ou éventuellement Pi (Pl étant supérieur à PO et inférieur à Plim), alors on sait que la prochaine régénération devra être une régénération à haute température Treg2 notée seconde catégorie de régénération . Pour réaliser cette régénération à haute température, on fait en sorte d'avoir des conditions réactionnelle permettant d'augmenter la température des parois filtrantes 3 pour quelle soit proche d'une température Treg2 à laquelle les résidus 4 se compactent.
Pour obtenir ces conditions thermiques, on peut dégrader le rendement du moteur en réalisant une poste injection de carburant et/ou chauffer les parois filtrantes 3 du filtre à l'aide d'éléments chauffants électriques et/ou brûler des suies contenues dans le filtre.
Idéalement on cherche à brûler une quantité de suies suffisante pour que la température dans le filtre 1 soit proche de Treg2. Pour cela, dès que l'on a détecté que la valeur représentative mesurée après la première catégorie de régénération passe un seuil donné prédéterminé PO alors on fait en sorte d'accumuler la quantité de suies nécessaire à l'atteinte de la température Treg2 lors de la seconde catégorie de régénération. Pour cela on continu à mesurer l'évolution de la pression P dans la ligne d'échappement.
Le filtre continuant à se colmater en grande partie par des suies, on peut évaluer la quantité de suies dans le filtre en observant la seule évolution de la pression P. Lorsque cette pression P passe une valeur prédéterminée qui peut être égale à Pl, alors on autorise la seconde catégorie de régénération ou régénération à haute température Treg2.
Une manière d'autoriser cette seconde catégorie de régénération, consiste à augmenter la température des gaz d'échappement par une ou plusieurs post-injections de carburant ce qui conduit à initier la combustion des suies.
En brûlant, la masse de suies produit une augmentation de la température des parois filtrantes 3 qui est proche de Treg2, c'est à dire supérieure à 900 C. Cette masse de suies est prévue pour permettre le maintien en température des parois filtrantes pendant un temps donné nécessaire au compactage des résidus 4.
Les résidus 4 se compactent et se décollent des parois filtrantes 3 sous l'effet de la chaleur puis s'accumulent dans une zone du filtre 6. Les résidus qui étaient jusqu'alors répartis uniformément le long des canaux de filtration du filtre sont ainsi transportés et concentrés dans la zone donnée 6 du filtre ce qui abaisse considérablement à iso-masse de résidu 4 dans le filtre, le niveau de contre-pression P. Ceci est nettement apparent sur la vue de la figure 2c qui représente l'évolution de la pression en amont du filtre 1 en fonction de la distance D. Lorsque l'on déclenche la seconde catégorie de régénération, c'est-à-dire lorsque l'on atteint la pression P1, la température dans le filtre est proche de Treg2, les résidus 4 se compactent comme cela est visible sur les figures 2a et 2b puis la pression P baisse jusqu'à atteindre un niveau de pression P2.
Ainsi la durée de vie du filtre peut être augmentée sans avoir à intervenir manuellement sur le filtre et en réduisant autant que possible le nombre de régénérations.
Claims (8)
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (1) appartenant à une ligne d'échappement de gaz brûlés d'un moteur à combustion, le filtre à particules comportant au moins une cavité (2) dotée de parois filtrantes (3), le procédé comprenant au moins une première catégorie de régénération dans laquelle la température (T) des parois filtrantes (3) est augmentée pour qu'elle soit comprise dans une première plage de températures de régénération (Tregl) assurant ainsi la combustion de suies contenues du filtre à particules (1), le procédé étant caractérisé en ce qu'après la mise en oeuvre de la première catégorie de régénération: a) on génère une valeur (P) représentative du colmatage du filtre à particules par des résidus (4) non détruits durant la première catégorie de régénération, cette valeur représentative (P) étant générée par au moins une mesure d'au moins une pression (P) de gaz brûlés circulants dans la ligne d'échappement, b) puis, si cette valeur générée (P) représentative du colmatage passe une valeur de seuil prédéterminée (PO), alors ultérieurement on déclenche volontairement une seconde catégorie de régénération du filtre à particules dans laquelle la température (T) des parois filtrantes est augmentée jusqu'à atteindre une seconde plage de températures (Treg2) supérieure à la première (Tregl), assurant ainsi le compactage d'au moins une partie des résidus non détruits (4) durant la première catégorie de régénération.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les températures Treg2) de la seconde plage de températures sont au moins supérieures à 900 C.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les températures (Tregl) de la première plage de températures sont au moins supérieures à 450 C et inférieures à 600 C.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins après avoir réalisé la première catégorie de régénération, on observe au moins un paramètre (P) représentatif de la masse de suie accumulée dans le filtre à particules (1), et on fait en sorte de ne déclencher la seconde catégorie de régénération qu'à la condition que la combustion de cette masse de suie accumulée permette l'élévation de la température des parois filtrantes (3) dans la seconde plage de températures (Treg2).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit au moins un paramètre représentatif de la masse de suies accumulée dans le filtre est l'évolution d'au moins une pression (P) de gaz brûlés dans la ligne d'échappement et/ou le temps de fonctionnement du moteur (D).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on mesure au moins une température (T) dans la ligne d'échappement, et on fait en sorte de ne déclencher la seconde catégorie de régénération qu'à la condition que cette température mesurée soit supérieure à une température de déclenchement prédéterminée.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on mesure le débit de gaz brûlés dans la ligne d'échappement, et on fait en sorte de ne déclencher la seconde catégorie de régénération qu'à la condition que ce débit soit inférieur à un débit seuil de déclenchement prédéterminé.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour réaliser la comparaison de la valeur générée représentative du colmatage avec la valeur de seuil prédéterminée (PO), on enregistre dans une mémoire ladite valeur générée représentative et ladite valeur de seuil prédéterminée puis on compare ces valeurs à l'aide d'une unité électronique de comparaison.
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