FR2907845A1 - Ligne d'echappement d'un moteur diesel et procede de regeneration d'un filtre a particules - Google Patents

Ligne d'echappement d'un moteur diesel et procede de regeneration d'un filtre a particules Download PDF

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Abstract

Un procédé de régénération d'un FàP (4a,4b) d'une ligne d'échappement d'un moteur diesel, destiné à éliminer pendant le fonctionnement du dit moteur au moins une partie des particules de suies fixées dans le dit FàP, comprend les étapes suivantes :-production d'ozone dans un flux d'air par un dispositif ozoneur (14),-injection du dit flux d'air chargé en ozone dans la ligne d'échappement en un point d'injection (5a,5b) situé en aval du moteur et en amont du FàP,-dérivation du flux des gaz d'échappement à partir d'un point de dérivation (2) de la ligne d'échappement situé en amont du dit point d'injection (5a,5b), et poursuite de l'injection d'ozone dans le dit FàP pour réaliser la dite régénération. Le procédé est utilisé en particulier dans une ligne d'échappement comprenant deux FàPs (4a,4b) montés en parallèle, un système de by-pass (2) permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux FàPs, un ozoneur (14), un système de vanne (7) permettant de distribuer l'ozone sortant de l'ozoneur (14) entre deux points d'injection (5a,5b) agencés en parallèle respectivement en amont du premier et du deuxième FàP et en aval du dit by-pass (2).

Description

1 La présente invention concerne une ligne d'échappement d'un moteur
diesel et un procédé de régénération d'un filtre à particules intégré dans cette ligne, le procédé étant destiné à extraire pendant le fonctionnement du moteur au moins une partie des particules de suies fixées dans le filtre à particules. On installe de façon de plus en plus systématique des systèmes d'épuration de gaz dans la ligne d'échappement de moteurs diesels. Ces systèmes d'épuration peuvent comprendre des systèmes à catalyseur, des pièges à NOx et/ou des filtres à particules, appelés couramment FàP en abrégé. Cette abréviation sera utilisée dans la suite du présent texte pour désigner un filtre à particules. L'emploi de ces FàP a une grande importance dans les moteurs diesels, connus pour émettre des quantités de particules de suies beaucoup plus importantes que les moteurs à essence, les réglementations concernant les émissions des moteurs tendant à devenir de plus en plus sévères. Les FàP sont normalement logés dans un carter intégré dans un tronçon de la ligne d'échappement du moteur. Ils sont constitués d'un élément filtrant monolithique ou segmenté qui est traversé par le gaz d'échappement à filtrer. La porosité du FàP est choisie en fonction des propriétés des composants à séparer et des conditions imposées par la technique des fluides chargés. Les particules de suie sont retenues dans l'élément filtrant qui se colmate progressivement en cours d'utilisation, ce qui entraîne une augmentation de la pression en amont dans la ligne d'échappement, qui a pour conséquence d'engendrer une surconsommation importante de carburant, voire le calage du moteur. Il est donc nécessaire de procéder régulièrement à des opérations de régénération pour éliminer les suies accumulées dans le FàP.
JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 2 Une méthode de régénération connue, dite de régénération thermique, consiste à éliminer les particules de suies par oxydation avec l'oxygène de l'air contenu dans les gaz d'échappement dans des conditions de richesse <1, à des températures supérieures à 550 C. Ces conditions 5 opératoires ne peuvent cependant être atteintes qu'avec des stratégies spécifiques de contrôle du moteur, qui sont intrusives vis-à-vis du fonctionnement de ce moteur et peuvent engendrer des surconsommations de carburant et des problèmes de lubrification.
10 On a également proposé l'utilisation de NO2 pour oxyder les suies. Le brevet US 6,546,717 décrit un procédé de traitement de gaz d'échappement dans lequel les NOx sont d'abord oxydés en NO2 par injection d'ozone dans ces gaz. Dans une deuxième étape, effectuée en aval, NO2 est réduit en N2 soit en passant sur un catalyseur soit en 15 servant à oxyder les suies fixées dans un FàP. La demande EP 1 026 373 décrit un dispositif de purification de gaz d'échappement comprenant une source d'ozone qui libère de l'ozone dans ces gaz avant leur passage dans un FàP, en vue de la régénération 20 de ce dernier. Les gaz passent sur un catalyseur d'oxydation en amont du point d'injection de l'ozone dans la ligne d'échappement. Le brevet US 6,557,340 décrit un système de traitement de gaz d'échappement dans lequel de l'ozone est produit par un générateur à 25 plasma positionné dans la ligne d'échappement en amont du FàP. L'ozone oxyde les NOx des gaz d'échappement en NO2. Les particules de suie fixées dans le FàP sont oxydées par NO2, éventuellement par 03 selon les conditions de fonctionnement du moteur. Une oxydation des suies fixées dans un FàP par NO2, telle que la 30 proposent les procédés mentionnés ci-dessus, nécessite pour être efficace une température élevée et par conséquent un flux de gaz JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 3 d'échappement chauds. Or la molécule d'ozone devient instable lorsque la température s'élève. Cette molécule tend à se décomposer à des températures supérieures à 200 C. Lorsque l'ozone est produit dans un flux de gaz d'échappement chaud, une partie de cet ozone est 5 redécomposée et par conséquent perdue. Ce phénomène limite considérablement l'efficacité de ces procédés. La demande de brevet FR 2 859 240 décrit un procédé de traitement d'un FàP dans lequel de l'ozone est produit à partir d'air atmosphérique 10 et injecté dans le flux des gaz d'échappement lorsque la température de ces derniers est inférieure à 250 C et que la quantité de NOx présente dans les gaz est faible, de sorte que la quantité d'ozone produite est utilisée de façon optimale pour l'oxydation des suies. Mais ces conditions physico-chimiques des gaz d'échappement ne se rencontrent que 15 lorsque le moteur tourne au ralenti ou lorsque le véhicule circule à faible vitesse. Le procédé ne peut donc pas être mis en oeuvre lorsque le moteur tourne longtemps à haut régime. La demande de brevet FR 2 877 588 décrit également à un procédé de 20 ce type, appliqué à une ligne d'échappement comprenant en série un catalyseur d'oxydation, un piège à NOx et un FàP. L'utilisation de la quantité d'ozone produit est optimisée en injectant celui-ci, selon les conditions de fonctionnement du moteur, telles que démarrage, ralenti, ou accélérations, soit en amont du catalyseur d'oxydation, soit en amont 25 du piège à NOx, soit en amont du FàP. La gestion relativement complexe de ce procédé permet d'étendre sa plage d'utilisation, mais ne permet cependant pas sa mise en oeuvre lorsque le moteur tourne longtemps à haut régime. Le but de l'invention est de proposer un procédé de régénération d'un 30 FàP qui ne présente pas les défauts des procédés de l'état de la technique mentionnés ci-dessus. Plus particulièrement, le but de JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 4 l'invention est de proposer un procédé de régénération pouvant être mis en oeuvre indépendamment des conditions momentanées de fonctionnement du moteur, qui ne nécessite pas une modification de ces conditions, et qui utilise de façon optimisée la production d'ozone 5 Ces buts sont atteints grâce à un procédé de régénération d'un FàP d'une ligne d'échappement d'un moteur diesel, le dit procédé étant destiné à éliminer pendant le fonctionnement du dit moteur au moins une partie des particules de suies fixées dans le dit FàP, comprenant les 10 étapes suivantes : -production d'ozone dans un flux d'air par un dispositif ozoneur, -injection du dit flux d'air chargé en ozone dans la ligne d'échappement en un point d'injection situé en aval du moteur et en amont du FàP, -dérivation du flux des gaz d'échappement à partir d'un point de 15 dérivation de la ligne d'échappement situé en amont du dit point d'injection, et poursuite de l'injection d'ozone dans le dit FàP pour réaliser la dite régénération. Le dit flux d'air peut être prélevé sur le circuit de suralimentation d'air du 20 moteur. Le dit flux d'air peut traverser une pompe à air mise en action si la pression de suralimentation est inférieure à la pression des gaz dans la ligne d'échappement et stoppée si la pression de suralimentation est 25 supérieure à la pression des gaz dans la ligne d'échappement. L'ozone peut être produit par un moyen choisi parmi les plasmas non thermiques, les décharges micro-ondes, les décharges électriques sous haute tension et les radiations ultraviolettes. JS\ 2.R442.12FR.dpt 30 2907845 5 Le débit d'air dans l'ozoneur et la puissance électrique consommée par l'ozoneur peuvent être ajustés de façon à produire la quantité souhaitée d'ozone dans des conditions de consommation énergétique minimale de l'ozoneur.
5 La périodicité du procédé de régénération peut-être prédéterminée, soit en fonction du temps de fonctionnement du moteur, soit en fonction d'un kilométrage parcouru. La durée de l'étape de dérivation peut être prédéterminée; la durée de l'étape de dérivation peut en particulier être 10 comprise entre 10 secondes et 20 minutes. Alternativement, la mise en route d'un processus de régénération et la durée de l'étape de dérivation peuvent être déterminées par une mesure de pression dans la ligne d'échappement en amont du FàP, ou par un 15 dispositif estimateur de suies, disposé dans le FàP. A la fin d'une étape de régénération, les gaz d'échappement sont redirigés dans le FàP et la production d'ozone peut être arrêtée.
20 Le procédé selon l'invention peut être appliqué à la régénération d'une ligne d'échappement comprenant deux FàPs montés en parallèle, et un système de by-pass permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux FàPs, un système de vannes permettant de distribuer l'ozone sortant de l'ozoneur entre deux points d'injection 25 agencés en parallèle respectivement en amont du premier et du deuxième FàP et en aval du by-pass. Chacun des deux FàP peut être alternativement en phase de chargement et en phase de régénération. Une pluralité d'étapes de chargement et de 30 dérivation peuvent alterner par cycles, et la production de l'ozone est continue pendant les dits cycles. JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 6 Selon un autre aspect, l'invention propose une ligne d'échappement de moteurs diesels comportant un FàP, un dispositif de by-pass en amont dudit FàP et une conduite de dérivation permettant aux gaz 5 d'échappement de by-passer ledit FàP et d'être réinjectés en aval dudit FàP, un ozoneur et une conduite d'air passant par le dit ozoneur, ladite conduite d'air débouchant dans la conduite des gaz d'échappement en aval du dispositif de by-pass et en amont du FàP, et un calculateur capable de piloter un procédé selon l'invention.
10 La ligne d'échappement peut comporter une pompe à air et un débitmètre montés sur la conduite d'air alimentant l'ozoneur. L'invention propose en particulier une ligne d'échappement comprenant 15 deux FàPs montés en parallèle, un système de by-pass permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux FàPs, un ozoneur, un système de vanne permettant de distribuer l'ozone sortant de l'ozoneur entre deux points d'injection agencés en parallèle respectivement en amont du premier et du deuxième FàP, et en aval du 20 dit by-pass. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à l'homme du métier de la description ci-dessous d'un mode d'exécution et des figures accompagnantes, dans lesquelles -la figure 1 est une représentation schématique d'un mode d'exécution du circuit d'alimentation en air +ozone d'une ligne d'échappement, -la figure 2 est une représentation schématique d'un mode d'exécution d'une ligne d'échappement.
30 JS\ 2.R442.12FR.dpt 25 2907845 7 L'ozone ne peut pas être stocké dans un véhicule et doit donc être produit à bord de celui-ci par un ozoneur embarqué, c'est-à-dire une unité de production d'ozone alimentée en air. L'ozone peut être produit soit par une décharge micro-ondes, soit par une décharge électrique par 5 application d'une haute tension entre deux électrodes, soit par exposition du flux d'air à des radiations produites par des lampes émettant dans l'ultraviolet. L'air peut être pris dans l'atmosphère ambiante ou dans une alimentation d'air d'une autre partie du véhicule.
10 La figure 1 montre un dispositif de production du mélange air + ozone alimentant la ligne d'échappement du moteur. Du haut vers le bas sont représentés schématiquement - le circuit d'alimentation 11 en air du moteur, le flux d'air étant symbolisé par des flèches en traits pleins, orientés de gauche vers la droite de la 15 figure 1 ; -une partie de l'air est dérivée dans une canalisation 10 vers une pompe 12; - en aval de la pompe 12 est disposé à un débitmètre 13 ; -un ozoneur 14 à décharge électrique ; 20 -une conduite 6 à la sortie de l'ozoneur alimente la ligne d'échappement via un système de vanne à trois voies 7. Dans le dispositif montré par la figure 1 l'air est prélevé sur le circuit 11 de suralimentation d'air du moteur, mais sans éliminer la pompe à air 12 25 dédiée à l'ozoneur. La pression de suralimentation, donnée par le calculateur du véhicule, est comparée à la pression mesurée dans la ligne d'échappement, au niveau du point d'injection de l'ozone dans cette ligne. Si la pression de suralimentation est nettement supérieure à la pression mesurée dans la ligne d'échappement, la pompe à air 12 peut- 30 être stoppée et le débit d'air contrôlé seulement par le débitmètre 13 pour limiter la consommation énergétique du système. Si la pression de JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 8 suralimentation est du même ordre que ou inférieure à la pression dans la ligne, la pompe est mise en marche. Le débit d'ozone est déterminé et contrôlé par le débit d'air dans 5 l'ozoneur et par la puissance électrique consommée par l'ozoneur. Pour produire la quantité souhaitée d'ozone avec la plus faible consommation énergétique de l'ozoneur possible, il est avantageux de fixer le débit d'air et la puissance électrique à des valeurs uniques, pour faire fonctionner l'ozoneur dans une condition énergétique optimale. A titre d'exemple non 10 limitatif, la consommation électrique de l'ozoneur est typiquement de l'ordre de 100 W et le débit d'air est de l'ordre de 1,5 I/s. La figure 2 illustre schématiquement un mode d'exécution d'une partie d'une ligne d'échappement concernée par l'invention. A gauche de la 15 figure est située la conduite 1 d'arrivée des gaz d'échappement issus du moteur. Le dispositif de by-pass 2 dirige les gaz d'échappement soit vers la conduite 3a soit vers la conduite 3b. La conduite 3a débouche dans un FàP 4a et la conduite 3b dans un deuxième FàP 4b. Les conduits de sortie des deux FàP se rejoignent en un point de raccordement 8 de la 20 ligne principale 9 d'échappement. Le système de vanne 7 dirige le flux d'air chargé en ozone provenant de la conduite 6 soit dans le conduit 5a, soit dans le conduit 5b, qui débouchent respectivement dans les conduites 3a et 3b en aval du by-pass 2 et en amont des FàP respectifs 4a et 4b.
25 Lorsque le FàP 4a est à régénérer, les gaz d'échappement sont déviés par le by-pass 2 vers la branche 3b-8 de la ligne. Le mélange air+ozone arrivant par la canalisation 6 est injecté dans les conduites 5a et 3a au moyen du système de vanne 7 et passe dans le FàP 4a. L'ozone oxyde 30 les suies stockées dans le FàP 4a en les transformant en composés gazeux entraînés par le flux d'air vers la conduite 9. L'homme du métier JS\ 2. R442.12FR.dpt 2907845 9 observera que du fait de la dérivation des gaz d'échappement par le by-pass 2, l'ozone n'est pas mélangé aux NOx et n'est pas consommé par ceux-ci, et qu'après une phase initiale de refroidissement du FàP par le flux d'air, celui-ci est à une température telle que l'ozone n'est plus 5 décomposé thermiquement. L'homme du métier observera également que l'exécution du procédé de régénération ne fait pas intervenir de modification du régime moteur ou de la richesse du mélange qui l'alimente.
10 En vue de la régénération du FàP 4a, la branche 3b-8 pourrait n'être qu'une simple conduite de dérivation, qui ne comporterait pas le FàP 4b. Mais alors, les suies émises par le moteur durant le processus de régénération du FàP 4a passeraient momentanément directement dans l'atmosphère, ce qui risque d'être contraire aux réglementations en 15 vigueur. La présence du FàP 4b dans la branche de dérivation 3b-8 évite cet inconvénient. Lorsque le FàP 4b est chargé en suies et à son tour à régénérer, les gaz d'échappement sont dirigés par le by-pass 2 dans la branche 3a-4a-8 de la ligne d'échappement et l'ozone est injecté par le système de vanne 7 dans les conduits 5b,3b, et dans le FàP 4b qu'il 20 régénère. Lorsque le niveau de suie dans l'un des FàP 4a ou 4b atteint un niveau seuil donné, on procède à sa régénération. Ce seuil est détecté soit par une mesure de pression en amont du FàP, soit par un estimateur de suie 25 stocké dans le FàP. De préférence on opte pour un seuil à bas niveau, typiquement 5g, pour limiter la contre pression dans la ligne d'échappement et par conséquent la surconsommation d'énergie liée à la perte de charge due aux suies stockées dans les FàP.
30 La présente invention propose donc une méthode de régénération non intrusive vis-àvis du moteur, tout en minimisant la surconsommation de JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 10 carburant, les conditions de fonctionnement du moteur, y compris la richesse du mélange alimentant le moteur diesel n'étant pas affectées par l'exécution des étapes de procédé exposées ci-dessus. Ce procédé peut être appliqué en particulier à la régénération d'une ligne 5 d'échappement comprenant 2 FàPs montés en parallèle, alternativement en phase de chargement et en phase de régénération, et ce à tout moment et quel que soit le régime de fonctionnement du moteur à ce moment. Une opération de régénération peut s'effectuer typiquement tous les 500 km parcourus. JS\ 2.R442.12FRdpt

Claims (14)

  1. Revendications
    : 1. Procédé de régénération d'un FàP (4a,4b) d'une ligne d'échappement d'un moteur diesel, le dit procédé étant destiné à éliminer pendant le fonctionnement du dit moteur au moins une partie des particules de suies fixées dans le dit FàP, caractérisé par les étapes suivantes : -production d'ozone dans un flux d'air par un dispositif ozoneur (14), - injection du dit flux d'air chargé en ozone dans la ligne d'échappement en un point d'injection (5a,5b) situé en aval du moteur et en amont du FàP, -dérivation du flux des gaz d'échappement à partir d'un point de dérivation (2) de la ligne d'échappement situé en amont du dit point d'injection (5a,5b), et poursuite de l'injection d'ozone dans le dit FàP pour réaliser la dite régénération.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit flux d'air est prélevé sur le circuit (11) de suralimentation d'air du moteur.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dit flux d'air traverse une pompe (12) à air mise en route si la pression de suralimentation est inférieure à la pression des gaz dans la ligne d'échappement et stoppée si la pression de suralimentation est supérieure à la pression des gaz dans la ligne d'échappement.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ozone est produit par un moyen choisi parmi les plasmas non thermiques, les décharges micro-ondes, les décharges électriques sous haute tension et les radiations ultraviolettes. JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 12
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le débit d'air dans l'ozoneur (14) et la puissance électrique consommée par l'ozoneur sont ajustés de façon à produire la quantité souhaitée d'ozone dans des conditions de consommation énergétique 5 minimale de l'ozoneur.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de l'étape de dérivation est prédéterminée, en particulier que la durée de l'étape de dérivation est comprise entre 10 le 10 secondes et 20 minutes.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1-5, caractérisé en ce que la durée de l'étape de dérivation est déterminée par une mesure de pression en amont du FàP.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que à la fin d'une dite étape de dérivation, les gaz d'échappement sont redirigés dans le FàP (4a,4b) et que la production d'ozone est arrêtée. 20
  9. 9. Application d'un procédé selon l'une des revendication 1-8 à la régénération d'une ligne d'échappement comprenant deux FàPs (4a,4b) montés en parallèle, et un système de by-pass (2) permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les 25 deux FàPs, caractérisée par l'utilisation d'un système de vannes (7) permettant de distribuer l'ozone sortant de l'ozoneur (14) entre deux points d'injection (5a,5b) agencés en parallèle respectivement en amont du premier et du deuxième FàP et en aval du by-pass (2). 30 JS\ 2.R442.12FR.dpt 15 2907845 13
  10. 10. Application selon la revendication 9, caractérisée en ce que chacun des deux FàP (4a,4b) est alternativement en phase de chargement et en phase de régénération. 5
  11. 11. Application selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce qu'une pluralité d'étapes de chargement et de dérivation alternent par cycles, et que la production de l'ozone est continue pendant les dits cycles. 10
  12. 12. Ligne d'échappement de moteurs diesels comportant un FàP (4a,4b), caractérisée par la présence d'un dispositif de by-pass (2) en amont dudit FàP et d'une conduite de dérivation permettant aux gaz d'échappement de by-passer ledit FàP et d'être réinjectés en aval (8) dudit FàP, par la présence d'un ozoneur (4) et d'une 15 canalisation d'air passant par le dit ozoneur, ladite canalisation débouchant dans la ligne d'échappement en aval du dispositif de bipass et en amont du FàP, et par la présence d'un calculateur capable de piloter un procédé selon l'une des revendications 1-8. 20
  13. 13. Ligne d'échappement selon la revendication 12, caractérisée par la présence d'une pompe à air (12) et d'un débitmètre (13) montés sur la canalisation d'air (6).
  14. 14. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 12 ou 13 pour 25 mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 9-11, comprenant deux FàPs (4a,4b) montés en parallèle , un système de by-pass (2) permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux FàPs, caractérisée par la présence d'un ozoneur (14), d'un système de vanne (7) permettant de distribuer l'ozone 30 sortant de l'ozoneur (14) entre deux points d'injection (5a,5b) JS\ 2.R442.12FR.dpt 2907845 14 agencés en parallèle respectivement en amont du premier et du deuxième FàP et en aval du dit by-pass (2). JS\ 2.R442.12FR.dpt
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