FR2925598A1 - Procede de post traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de post traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion caractérisé en ce que lors des phases de régénération d'un moyen d'oxydation (2), on effectue au moins une post-injection de carburant dans une chambre de combustion couplée à une injection provenant d'un injecteur à l'échappement (4) disposé dans la ligne d'échappement.
Description
PROCEDE DE POST TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION
La présente invention concerne le domaine des post traitement des gaz d'échappement et concerne plus particulièrement un procédé de post traitement des gaz d'échappement. Afin de répondre aux futures réglementations européennes, les moteurs diesel sont mis au point de façon à produire le moins possible d'émissions toxiques à l'échappement, le reste devant être converti par des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. Les moteurs Diesel, par leur fonctionnement spécifique, émettent dans leur gaz d'échappement des suies polluantes ou particules. Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un filtre, appelé filtre à particules, est implanté dans la ligne d'échappement, en aval des chambres de combustion du moteur. Ce filtre retient les particules qui s'accumulent en son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur. Cette accumulation de particules finit par boucher le filtre, créant une forte contre pression à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances.
Pour recouvrer les performances du moteur, on brûle les particules contenues dans le filtre à particules lors d'une phase de régénération. L'initialisation et le maintien de la combustion des particules dans le filtre s'obtiennent par élévation de la température interne du filtre à particules. La mise en action des différents moyens d'aide à la régénération est pilotée par le calculateur de contrôle moteur (ECU) qui détermine, en fonction de plusieurs paramètres dont le chargement en suies du filtre à particules, l'instant de la régénération ainsi que sa durée et les paramètres d'injection pendant cette phase. Pour améliorer l'efficacité de la régénération, il est nécessaire de produire une température interne au filtre à particules sensiblement comprise entre 570 et 650°C, favorable à l'oxydation des suies et supérieure à la température normale de l'échappement, et ce quelque soit le point de fonctionnement du moteur. Pour optimiser le traitement de l'ensemble des polluants, il est nécessaire de gérer au mieux les phases de stockage et de régénération de ces pièges, c'est-à-dire contrôler précisément la température en entrée du filtre à particules. Or, la thermique nécessaire à la régénération des éléments de stockage de particules est obtenue au moyen d'injections supplémentaires, soit pendant la phase de détente du cylindre, soit directement dans la ligne d'échappement. Le réglage de l'injection s'effectue par exemple par un bouclage sur la température en sortie du catalyseur d'oxydation, ou encore sur la température amont du filtre à particules. Actuellement, l'exotherme permettant de fournir la température nécessaire à la régénération du filtre à particules est réalisé par une postûinjection dans la chambre de combustion du moteur, ou par une injection supplémentaire directement dans la ligne d'échappement appelée par exemple injection du cinquième injecteur. Lorsque la post-injection est effectuée dans les cylindres du moteur, l'introduction de la quantité de carburant est réalisée grâce à l'ajout de deux post injections. La première post injection ou post injection proche consiste à injecter le carburant après l'injection principale, le vilebrequin ayant un angle entre 20 et 70° après le point mort haut. Cette injection est destinée à brûler complètement dans le cylindre de façon à produire une élévation de la température avant turbine et par conséquent en entrée du catalyseur. La post injection proche permet ainsi une production sensible d'énergie sur le vilebrequin. Toutefois, sur certains points de fonctionnement, la combustion n'est que partielle et génère une quantité de réducteurs, c'est-à-dire de l'exotherme dans le catalyseur d'oxydation. La deuxième post injection ou post injection éloignée consiste à injecter le carburant, le vilebrequin ayant un angle entre 100 et 150° après le point mort haut. Cette injection est destinée à produire la quantité de réducteurs (hydrocarbures (HC) imbrûlés) nécessaire pour atteindre le niveau de température en entrée du filtre à particules requis lors de leur traitement dans le catalyseur (DOC).L'énergie produite sur le vilebrequin est généralement nulle ou très faible. Ces post injections permettent d'obtenir une très bonne thermique en entrée du filtre à particules mais sont très pénalisantes du point de vue de la dilution - causée par le mélange de carburant avec l'huile moteur dû à la condensation sur les parois du cylindre - et du rendement puisqu'elles ont lieu dans des conditions de pression et de température dans le cylindre faibles.
Lorsque l'injection est effectuée dans la ligne d'échappement, l'injecteur supplémentaire ou cinquième injecteur, ne produit pas de dilution, mais son utilisation est limitée. En effet, son utilisation est restreinte par le débit et la température des gaz d'échappement provenant du moteur. Des problèmes de vaporisation, d'homogénéisation ou encore d'émission de polluants peuvent survenir sur de nombreux points de fonctionnement du moteur, ce qui ne permet pas de régénérer le filtre à particules sur une plage étendue par ce cinquième injecteur, et constitue une contrainte d'utilisation. Lors d'une phase de régénération du filtre à particules, le calculateur adapte l'utilisation de la post-injection et/ou du cinquième injecteur en fonction du point de fonctionnement. Dans les zones de fonctionnement où la thermique est suffisante, l'utilisation du cinquième injecteur est habituellement efficace. On maintient cette stratégie et on n'utilise pas de post-injection. Cette méthode classique permet donc un traitement efficace des hydrocarbures (HC) puisque la thermique dans le moyen d'oxydation (DOC) est suffisante et la régénération du filtre à particules est réalisée dans de bonnes conditions. Lors des points à faible régime/charge , l'utilisation d'un cinquième injecteur seul est problématique car le manque de thermique en entrée du DOC empêche l'amorçage de celui-ci et le traitement des HC est inexistant ce qui entraîne des pénalités sur l'émission de HC en sortie échappement. Il est possible d'utiliser la post-injection seule, ce qui permettrait d'augmenter la température en sortie du moteur, donc d'amorcer le catalyseur et d'avoir une bonne thermique en entrée du filtre à particules. Cependant, cette approche est très pénalisante en terme de dilution du carburant dans l'huile. Plusieurs solutions proposent de limiter la dilution dans l'huile du carburant lors des stratégies de régénération du filtre à particules. Le document WO200757268 propose par exemple de diviser la post-injection dans le but de limiter la dilution du carburant dans l'huile sur des points à faible débit. Le document JP2007023961 propose d'adapter la post-injection en fonction des cylindres. Les documents US20060016424 et EP1541844 proposent de diviser la post-injection pour diminuer la dilution.
D'autres solutions permettent d'améliorer la régénération du filtre à particules sur des points de fonctionnement à faible régime/charge ou pour augmenter la plage d'utilisation du cinquième injecteur. Le document FR2660012 propose de pulvériser le carburant directement dans le filtre à particules pour élargir l'utilisation du cinquième injecteur aux vitesses et températures faibles, ce qui n'implique par obligatoirement des points de fonctionnement faible régime/charge. Le document US20050000209 propose un système avec une préchambre de chauffage permettant de pulvériser du carburant chauffé directement dans la ligne d'échappement pour améliorer les thermiques sur certaines zones de fonctionnement. Ces solutions actuelles ne permettent pas diminuer la dilution du carburant dans l'huile. De plus, l'utilisation du cinquième injecteur notamment en faible régime/charge est impossible, et ses zones de fonctionnement sont limitées. Afin de pallier tous ces inconvénients, la présente invention propose une stratégie visant à diminuer le coût en dilution lié à l'utilisation de la post-injection tout en augmentant la zone d'utilisation de l'injecteur dans la ligne d'échappement. Dans ce but, un objet de l'invention est un procédé de post traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion caractérisé en ce que lors des phases de régénération d'un moyen d'oxydation, on effectue au moins une post-injection de carburant dans une chambre de combustion couplée à une injection provenant d'un injecteur à l'échappement disposé dans la ligne d'échappement.
Un procédé associant l'utilisation du cinquième injecteur et de la post-injection permet d'étendre la plage d'utilisation du cinquième injecteur et permet de limiter la dilution à faible régime/charge.
Selon d'autres caractéristiques, on peut effectuer la post-injection et l'injection à l'échappement sur des points de fonctionnement déterminés, on peut effectuer la post-injection et l'injection à l'échappement sur des points de fonctionnement de faible régime/charge, on peut effectuer une post-injection proche et au moins une post-injection éloignée, on peut diviser la post-injection éloignée en deux injections, on peut diviser le volume de carburant à injecter lors de la post-injection en un nombre d'injection post éloignée.
L'invention concerne également un dispositif de post traitement des gaz d'échappement mettant en oeuvre un tel procédé, ledit dispositif étant disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, et comportant un premier moyen d'oxydation, un deuxième moyen d'oxydation, placé en aval dudit premier moyen d'oxydation, un moyen d'introduction de carburant, disposé en amont du premier moyen d'oxydation relativement au sens de circulation des gaz d'échappement, entre la sortie du moteur à combustion et l'entrée du premier moyen d'oxydation, caractérisé en ce que le premier moyen d'oxydation est un catalyseur d'oxydation pour moteur diesel. Selon une autre caractéristique, le deuxième moyen d'oxydation peut être un filtre à particules.
L'invention concerne également une utilisation d'une injection d'un injecteur à l'échappement et d'au moins une post-injection éloignée lors d'une phase de régénération d'un moyen d'oxydation, le moyen d'oxydation étant de préférence un filtre à particules.
L'invention concerne également un véhicule comportant un tel dispositif de post traitement des gaz d'échappement.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif et sur lequel : - la figure 1 est une vue d'ensemble schématique du dispositif selon l'invention. - la figure 2 représente un schéma d'injection en fonction de l'angle du vilebrequin du moteur à combustion, par exemple pour un réglage où l'injection principale "main" est calée sensiblement à 0 W (vilebrequin), la "post-proche" sensiblement à 50°v, et la "post-éloignée" sensiblement à 120 °v.
A la figure 1, on a représenté un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé sur un conduit ou une ligne d'échappement 10, en aval d'un moteur à combustion 4, par exemple à quatre cylindres muni d'un système d'injection 5. La ligne 10 d'échappement comporte des moyens d'oxydation 1, 2 formés par un catalyseur d'oxydation catalytique pour moteur Diesel appelé DOC, en aval duquel est disposé un filtre à particules 2. La ligne d'échappement 10 comporte un moyen d'introduction en carburant 3, tel qu'un injecteur de carburant appelé cinquième injecteur, en amont du catalyseur d'oxydation catalytique 1 relativement au sens de circulation des gaz d'échappement, entre la sortie du moteur à combustion et l'entrée du catalyseur d'oxydation 1. Lors des phases de régénérations du filtre à particules 2, un procédé de post traitement des gaz d'échappement selon l'invention comporte une étape où l'on effectue au moins une post-injection de carburant couplée à une injection provenant de l'injecteur supplémentaire 3.
On effectue de préférence au moins une post-injection et l'injection à l'échappement sur des points de fonctionnement déterminés. En effet, comme cela est précisé dans la description ci-dessus, dans les zones où la thermique est suffisante, par exemple sensiblement entre 3 bars et 13 bars de pression moyenne effective (PME), l'injection provenant du cinquième injecteur suffit. La température en entrée du catalyseur d'oxydation catalytique 1 permet de traiter efficacement les hydrocarbures (HC) imbrûlés introduits. On effectue la post-injection et l'injection supplémentaire sur des zones de fonctionnement de faible régime/charge. Dans ces zones, on effectue une post-injection proche et au moins une post- injection éloignée. Tel que représenté à la figure 2, on divise la post-injection éloignée en deux post injections éloignées.
L'utilisation du cinquième injecteur couplé à cette triple post-injection permet avantageusement de conserver la thermique créée par la post injection proche tout en diminuant la dilution liée à la post injection éloignée. Il sera compris que le nombre de post injection éloignée est donné à titre d'exemple, le volume total de carburant à injecter lors de la post-injection éloignée pouvant être divisé en plusieurs injections de manière à obtenir une meilleure homogénéité du mélange gaz d'échappement û carburant et moins d'échanges avec les parois des cylindres. Cette triple post-injection permet une élévation de la température en entrée de la turbine du moteur, ce qui provoque une augmentation de la température en entrée du catalyseur d'oxydation catalytique 1 à un niveau supérieur à la température qui permet l'amorçage du catalyseur, ce qui permet de brûler les hydrocarbures traversant le catalyseur d'oxydation catalytique 1. L'injection provenant du cinquième injecteur combinée à cette triple post- injection permet d'étendre les zones de fonctionnement du cinquième injecteur à la zone de fonctionnement à faible régime/charge grâce au traitement des hydrocarbures dans le DOC 1. On crée ainsi une thermique en sortie du DOC 1 propice à une bonne régénération en entrée du filtre à particules, sans augmenter les émissions d'hydrocarbures en sortie échappement Ce procédé de post traitement des gaz d'échappement permet à la fois de réduire les émissions d'hydrocarbures et de diminuer la dilution du carburant dans l'huile tout en assurant une régénération efficace du filtre à particules dans les zones de fonctionnement à faible régime/charge.
Un tel procédé permet une meilleure maîtrise de la régénération du filtre à particules sur des zones de fonctionnement à faible régime/charge, et un traitement efficace des hydrocarbures dans ces zones grâce à l'augmentation de la température avant turbine et la température d'entrée du DOC 1. Ce procédé peut avantageusement être mis en œuvre par tout dispositif de post- traitement ayant besoin d'une thermique élevée associé à un DOC, tel qu'un piège d'oxyde d'azote (NOx-Trap) ou de sulfure d'hydrogène (H2S-Trap) ou autre. t
Claims (10)
1. Procédé de post traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion caractérisé en ce que lors des phases de régénération d'un moyen d'oxydation (2), on effectue au moins une post-injection de carburant dans une chambre de combustion couplée à une injection provenant d'un injecteur à l'échappement (4) disposé dans la ligne d'échappement.
2. Procédé de post traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue la post-injection et l'injection à l'échappement sur des points de fonctionnement déterminés.
3. Procédé de post traitement des gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue la post-injection et l'injection à l'échappement sur des points de fonctionnement de faible régime/charge.
4. Procédé de post traitement des gaz d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on effectue une post-injection proche et au moins une post-injection éloignée.
5. Procédé de post traitement des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on divise la post-injection éloignée en deux injections.
6. Procédé de post traitement des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on divise le volume de carburant à injecter lors de la post-injection en plusieurs injections. 30
7. Dispositif de post traitement des gaz d'échappement mettant en ouvre le procédé selon l'une revendications 1 à 5, ledit dispositif étant disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, et comportant a. un premier moyen d'oxydation (1),25b. un deuxième moyen d'oxydation (2), placé en aval dudit premier moyen d'oxydation (1), c. un moyen d'introduction de carburant (3), disposé en amont du premier moyen d'oxydation relativement au sens de circulation des gaz d'échappement, entre la sortie du moteur à combustion et l'entrée du premier moyen d'oxydation (1). caractérisé en ce que le premier moyen d'oxydation est un catalyseur d'oxydation pour moteur diesel (1).
8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le deuxième moyen d'oxydation (2) est un filtre à particules.
9. Utilisation d'une injection d'un injecteur supplémentaire (3) et d'au moins une post-injection éloignée lors d'une phase de régénération d'un moyen 1.5 d'oxydation (2), de préférence un filtre à particules.
10. Véhicule comportant un dispositif selon l'une des revendications 7 à 8.
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