FR2904051A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules - Google Patents

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Abstract

Procédé de régénération d'un filtre à particules installé sur la ligne d'échappement du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comportant au moins :- une étape d'admission (3) dans une chambre de combustion du moteur, durant laquelle les gaz nécessaires à la combustion du carburant sont injectés dans ladite chambre de combustion par un ensemble de soupapes d'admission appropriées,- une étape de compression (4) du mélange injecté,- une étape de combustion-détente (1) du mélange,- une étape d'échappement (2), au cours de laquelle les gaz issus de la combustion sont éjectés de la chambre de combustion par un ensemble de soupapes d'échappement appropriées,lesdites soupapes d'admission et d'échappement étant successivement ouvertes puis fermées respectivement durant les étapes d'admission (3) et d'échappement (2), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion pendant l'une ou l'autre des étapes d'admission (3) ou de compression (4) et en ce qu'il comporte au moins une étape d'ouverture d'au moins une soupape d'échappement pendant l'étape de compression (4).

Description

PROCEDE DE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES La présente invention se
rapporte au domaine de la régénération des filtres à particules placés sur une ligne d'échappement pour piéger les particules et suies contenues dans les gaz issus de la combustion dans un moteur à combustion interne, notamment dans les moteurs diesel des véhicules automobiles. Afin d'optimiser les performances de ces filtres, ceux-ci doivent être régulièrement régénérés, opération durant laquelle les particules et suies qui ont été piégées sont détruites thermiquement. Cette opération ne pouvant être menée à bien efficacement que si la température à l'entrée du filtre est suffisamment élevée (typiquement supérieure à 650 C), différentes stratégies sont mises en place afin d'augmenter la température des gaz dans cette région et de favoriser la destruction thermique recherchée. L'une de ces stratégies, connue, consiste à réaliser une post-injection de carburant, soit directement dans la chambre de combustion pendant le cycle de détente, soit sur la ligne d'échappement du moteur, à l'entrée d'un organe de dépollution (par exemple un catalyseur d'oxydation) placé en amont du filtre à particules. Une autre de ces stratégies, présentée, par exemple, par le document EP1176289, consiste à implanter, dans la ligne d'échappement du moteur, en amont du filtre à particules, un injecteur supplémentaire, la combustion du carburant injecté par cet injecteur permettant d'atteindre, à l'entrée du filtre à particules, la température recherchée.
La présente invention se rapporte à la première stratégie évoquée ci-dessus, dans laquelle une post-injection est réalisée dans le moteur pendant le cycle de détente du mélange. Cette injection se fait généralement tard pendant l'étape de détente, afin que le rendement de combustion du carburant injecté soit très faible : ceci permet, d'une part, de générer des imbrûlés, et, d'autre part, de limiter l'impact de cette combustion sur le couple du moteur. Il est connu, par exemple par le document WO2004074658, d'associer à cette post-injection tardive la présence d'une vanne variable permettant de 2904051 2 moduler la pression ou le débit à l'entrée du filtre à particules. Dans un tel dispositif, la chute de pression dans le filtre à particules, considérée comme indicateur de l'encrassement de celui-ci, est utilisée comme paramètre permettant de piloter le déclenchement de la régénération du filtre : 5 l'ouverture variable de la vanne permet alors de piloter le processus de régénération, en modifiant la température et le débit pénétrant dans le filtre. Réalisée de manière tardive, la post-injection précitée peut néanmoins atteindre des débits relativement importants, de l'ordre, par exemple, de 10 20mg/coup, et peut alors conduire à des dilutions importantes de carburant dans le film d'huile présent sur les parois de la chambre de combustion. En effet, au moment du cycle auquel est réalisée la post-injection, c'est-à-dire dans la dernière partie de la étape de détente, la pression dans la chambre de combustion est faible, et la pénétration des jets de carburant est importante : 15 à partir d'un certain débit, le jet impacte les parois et il s'en suit une dilution d'une partie du carburant dans le film d'huile, pouvant atteindre plusieurs pourcents en volume par heure de fonctionnement. La viscosité de l'huile chute alors rapidement, et le risque que la lubrification comme la protection mécanique ne puissent alors plus être assurées dans des conditions 20 satisfaisantes augmente. Le but de la présente invention est de permettre la génération d'imbrûlés via une post-injection tardive, tout en réduisant les phénomènes de dilution du carburant post-injecté dans le film d'huile.
25 L'invention atteint son but grâce à procédé de régénération d'un filtre à particules installé sur la ligne d'échappement du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comportant au moins : une étape d'admission dans une chambre de combustion du moteur, 30 durant laquelle les gaz nécessaires à la combustion du carburant sont injectés dans ladite chambre de combustion par un ensemble de soupapes d'admission appropriées, une étape de compression du mélange injecté, 2904051 3 une étape de combustion-détente du mélange, une étape d'échappement, au cours de laquelle les gaz issus de la combustion sont éjectés de la chambre de combustion par un ensemble de soupapes d'échappement appropriées, 5 lesdites soupapes d'admission et d'échappement étant successivement ouvertes puis fermées respectivement durant les étapes d'admission et d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion pendant l'une ou l'autre des étapes d'admission ou de compression et en ce qu'il comporte au moins une étape 10 d'ouverture d'au moins une soupape d'échappement pendant l'étape de compression. Avantageusement, la ré-ouverture de ladite au moins une soupape d'échappement est réalisée durant la deuxième partie de l'étape de compression du moteur.
15 Avantageusement, l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la ré-ouverture de ladite au moins une soupape d'échappement est partielle, le degré d'ouverture de ladite au moins une soupape d'échappement est 20 ajusté, grâce à un dispositif approprié piloté par le système de contrôle du moteur, en fonction de la quantité d'imbrûlés nécessaire dans la ligne d'échappement du moteur pour générer une température préalablement déterminée à l'entrée du filtre à particules, le débit injecté lors de ladite au moins une étape d'injection durant 25 l'une ou l'autre des étapes d'admission ou de compression est suffisamment faible pour que le contact entre le carburant et les parois de la chambre de combustion soit minimal. Le procédé de régénération selon l'invention peut également être associé à une post-injection tardive destinée à augmenter la température à l'entrée du 30 filtre à particules de la ligne d'échappement du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées dans lesquelles : 2904051 4 la figure 1 est un graphique représentant la position des différentes soupapes d'admission et d'échappement durant les différentes étapes du cycle de fonctionnement d'un moteur à combustion interne ne mettant pas en oeuvre le procédé de régénération selon l'invention, 5 la figure 2 est un graphique représentant la position des différentes soupapes d'admission et d'échappement durant les différentes étapes du cycle de fonctionnement d'un moteur à combustion interne mettant en oeuvre le procédé selon l'invention.
10 L'invention sera décrite dans ce qui suit dans son application à un moteur comportant deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement : il est à noter que cette application n'est pas limitative, et que le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre quel que soit le nombre de soupapes d'admission et d'échappement que comporte le moteur. 15 air l'ensemble des figures, les lignes verticales en traits pointillés épais délimitent les différentes étapes du cycle de fonctionnement du moteur. Durant un cycle moteur classique, les soupapes d'échappement et d'admission sont alternativement ouvertes, puis fermées, correspondant aux 20 étapes d'admission, de compression, de combustion-détente, puis d'échappement du moteur. La figure 1 présente les courbes de levée de ces soupapes en fonction de l'angle du vilebrequin, pour les différentes étapes du cycle : les courbes respectivement en trait plein et en trait pointillés 25 représentent l'ouverture, puis la fermeture, des soupapes d'échappement, les deux courbes en traits mixtes représentent l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission. Il est à noter que si, pour plus de lisibilité des figures, les courbes représentant 30 la levée des deux soupapes d'échappement ont été légèrement décalées l'une par rapport à l'autre, ainsi que celles représentant la levée des deux soupapes d'admission, l'ouverture comme la fermeture de ces différentes soupapes deux à deux est, en réalité, simultanée.
2904051 5 Lors de la première partie d'une étape de combustion-détente 1, les soupapes d'admission et d'échappement sont baissées, la chambre de combustion étant ainsi isolée. A la fin de la étape de combustion-détente 1, les 5 soupapes d'échappement sont successivement levées puis baissées, sensiblement entre un état de point mort bas et un état de point mort haut du piston, définissant l'étape d'échappement 2 du cycle. De manière connue, et ainsi que le présentent les figures, l'ouverture des soupapes d'échappement commence dans les derniers instants de l'étape de combustion-détente 1. Une 10 fois l'étape d'échappement 2 terminée et les soupapes d'échappement rabaissées, les soupapes d'admission sont successivement levées puis baissées, pour des valeurs d'angle de vilebrequin sensiblement comprises entre 360 et 540 , sensiblement entre l'état de point mort haut précédemment évoqué et un nouvel état de point mort bas du piston, définissant ainsi l'étape d'admission 3 15 du cycle au cours de laquelle les gaz comburants sont admis dans la chambre de combustion. Une fois l'étape d'admission 3 terminée et les soupapes d'admission refermées, l'étape de compression 4 peut être amorcée, pour des valeurs d'angle de vilebrequin sensiblement comprises entre 540 et 720 , puis suivie d'une nouvelle étape de combustion-détente 1' d'un nouveau cycle du 20 moteur. Selon l'invention, au moins une étape d'injection de carburant est réalisée durant l'une ou l'autre des étapes d'admission 3 ou de compression 4, et au moins l'une des soupapes d'échappement est ré-ouverte pendant l'étape 25 de compression 4 (la ré-ouverture d'une seule soupape d'échappement est présentée sur la figure 2). Une partie du carburant est alors directement entraînée dans la conduite d'échappement, sans avoir subi le processus de combustion : il s'en suit une augmentation de la quantité d'imbrûlés dans la ligne d'échappement, favorable à l'augmentation de température recherchée à 30 l'entrée du filtre à particules pour la régénération de celui-ci. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la ré-ouverture de ladite au moins une soupape d'échappement sera faite préférentiellement vers la fin de l'étape de compression 4, afin de bénéficier au mieux de la surpression 2904051 6 créée dans la chambre de combustion pour l'évacuation du carburant dans la ligne d'échappement. Par exemple et de manière non limitative, la ré-ouverture de ladite au moins une soupape pourra débuter lorsque l'angle du vilebrequin sera sensiblement de l'ordre de 90 avant le point mort haut du 5 piston lors de l'étape de compression 4. Avantageusement, toutefois, la totalité des soupapes ré-ouvertes sera refermée suffisamment tôt pour que ne puisse survenir aucune interférence avec la suite du cycle du moteur, et, en particulier, pour éviter tout risque d'impact avec le piston. La figure 2 illustre le mode de réalisation préféré de l'invention décrit 10 ci-dessus. Selon ce mode de réalisation, l'une des soupapes d'échappement, dont la courbe de levée est représentée en trait continu, est partiellement ré-ouverte durant la deuxième partie de l'étape de compression 4, par exemple et de manière non limitative, pour des angles de vilebrequin sensiblement compris entre 630 et 720 . Le mélange est préparé durant l'étape d'admission 3 et le 15 début de l'étape de compression 4, sensiblement entre les positions à 360 et 630 du vilebrequin, puis une partie du mélange carburé est évacuée lors de l'ouverture partielle de la soupape d'échappement. Il est à noter que les deux soupapes d'échappement peuvent être ré-ouvertes afin de faciliter l'évacuation de la partie de mélange désirée et les besoins en imbrûlés dans la ligne 20 d'échappement. Avantageusement, le degré d'ouverture des soupapes d'échappement pourra également être ajusté, grâce à un dispositif de commande approprié piloté par le système de contrôle du moteur, en fonction de la quantité d'imbrûlés nécessaire pour ajuster la température aux valeurs souhaitées à l'entrée du filtre à particules.
25 Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une étape d'injection de carburant sera avantageusement réalisée durant l'une ou l'autre des étapes d'admission 3 ou de compression 4. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, cette étape d'injection sera réalisée de manière à minimiser la 30 dilution du film d'huile. A cette fin, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le débit injecté lors de cette étape sera suffisamment faible pour prévenir tout impact du carburant sur les parois de la chambre de combustion. Avantageusement, mais de manière non limitative, ainsi que le présente la 2904051 7 flèche F sur la figure 2, cette étape d'injection pourra être phasée sensiblement entre 360 et 450 vilebrequin. Cette étape d'injection permettra d'augmenter encore la quantité d'imbrûlés évacués lors de la ré-ouverture, décrite ci-dessus, d'au moins l'une des soupapes d'échappement. Il est à noter 5 que, si les besoins en imbrûlés sont très importants, cette étape pourra être fractionnée en plusieurs étapes élémentaires dont le débit sera suffisamment faible pour que l'impact sur les parois de la chambre de combustion soit minimisé.
10 L'invention permet ainsi, de manière simple, d'enrichir en imbrûlés les gaz circulant dans la ligne d'échappement. Il est à noter que, puisque la partie du mélange évacuée grâce à la ré-ouverture partielle d'au moins une des soupapes d'échappement n'a pas subi de combustion, la structure de couple généré par le moteur sera peu affectée par le procédé selon l'invention, 15 contrairement au cas d'une post-injection classique, lors de laquelle le carburant injecté subit partiellement la combustion, pouvant ainsi affecter de manière sensible les performances du moteur. Associée à une post-injection lorsque les besoins en imbrûlés dans la ligne d'échappement sont élevés pour atteindre la température souhaitée à 20 l'entrée du filtre à particules, la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention permettra de diminuer les quantités à injecter lors de cette post-injection, ce qui contribuera également à limiter la dilution du film d'huile lors de celle-ci, tout en conservant les performances du moteur. Lorsque les besoins en imbrûlés sont plus faibles pour atteindre la 25 température souhaitée à l'entrée du filtre à particules, le procédé selon l'invention pourra être mis en oeuvre seul, sans nécessité de post-injection.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules installé sur la ligne d'échappement du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comportant au moins: une étape d'admission (3) dans une chambre de combustion du moteur, durant laquelle les gaz nécessaires à la combustion du carburant sont injectés dans ladite chambre de combustion par un ensemble de soupapes d'admission appropriées, une étape de compression (4) du mélange injecté, une étape de combustion-détente (1) du mélange, une étape d'échappement (2), au cours de laquelle les gaz issus de la 15 combustion sont éjectés de la chambre de combustion par un ensemble de soupapes d'échappement appropriées, lesdites soupapes d'admission et d'échappement étant successivement ouvertes puis fermées respectivement durant les étapes d'admission (3) et d'échappement (2), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape 20 d'injection de carburant dans ladite chambre de combustion pendant l'une ou l'autre des étapes d'admission (3) ou de compression (4) et en ce qu'il comporte au moins une étape d'ouverture d'au moins une soupape d'échappement pendant l'étape de compression (4). 25
2. Procédé de régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ré-ouverture de ladite au moins une soupape d'échappement est réalisée durant la deuxième partie de l'étape de compression (4) dans le moteur.
3. Procédé de régénération selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, 30 caractérisé en ce que la ré-ouverture de ladite soupape d'échappement est partielle. 2904051 9
4. Procédé de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le degré d'ouverture de ladite au moins une soupape d'échappement est ajusté, grâce à un dispositif approprié piloté par le système de contrôle du moteur, en fonction de la quantité d'imbrûlés nécessaire dans la 5 ligne d'échappement du moteur pour générer une température préalablement déterminée à l'entrée du filtre à particules.
5. Procédé de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit injecté lors de l'étape d'injection durant l'une ou 10 l'autre des étapes d'admission (3) ou de compression (4) est suffisamment faible pour que le contact entre le carburant et les parois de la chambre de combustion soit minimal.
6. Procédé de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est associé à une post-injection tardive destinée à augmenter la température à l'entrée du filtre à particules de la ligne d'échappement du moteur.
7. Moteur à combustion interne pour un véhicule automobile dont la ligne d'échappement est munie d'un filtre à particules, mettant en oeuvre procédé de régénération dudit filtre à particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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