FR2928175A1 - Procede de traitement des suies emises par un moteur thermique a essence. - Google Patents

Procede de traitement des suies emises par un moteur thermique a essence. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement des suies contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique (10) ayant pour carburant de l'essence et fonctionnant selon une alternance de cycles homogènes (24, 26, 28) et stratifiés (23, 25, 27), caractérisé en ce qu'il consiste à placer un filtre à particules (19) dans la ligne des gaz d'échappement (17) du moteur, la combustion desdites suies étant réalisée dans le filtre à particules en utilisant la chaleur des gaz d'échappement lorsque le moteur fonctionne en cycle homogène

Description

1
PROCEDE DE TRAITEMENT DES SUIES EMISES PAR UN MOTEUR THERMIQUE A ESSENCE [0001 La présente invention concerne un procédé de traitement des suies 5 contenues dans les gaz d'échappement émis par un moteur à essence fonctionnant selon une alternance de cycles homogènes et stratifiés.
[0002] Les gaz d'échappement des moteurs Diesel renferment des suies contenant des particules solides néfastes pour l'environnement. De ce fait, la plupart des véhicules équipés d'un moteur Diesel sont munis d'un filtre à 10 particules. Ce filtre, placé dans la ligne d'échappement des gaz de combustion, est généralement réalisé en céramique et se compose d'une multitude de canaux parallèles qui piégent les particules contenues dans les gaz. Des moyens, tels qu'un capteur de pression différentielle (entre l'amont et l'aval du filtre), permettent de déterminer lorsque le filtre est bouché. Afin 15 de déboucher le filtre, le contrôleur de bord du véhicule commande un fonctionnement particulier du moteur de sorte que la température du moteur, et des gaz d'échappement s'élève jusqu'à une température permettant la combustion des particules piégées dans le filtre.
[0003] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques à essence 20 contiennent beaucoup moins de particules que ceux des moteurs Diesel. Cependant, les normes de lutte contre la pollution sont de plus en plus sévères et il est souhaitable, sinon nécessaire, d'éliminer ces particules. Ainsi, la demande de brevet JP20003303878 A2 propose un système permettant d'agir sur l'allumage de façon à augmenter la concentration 25 d'oxygène dans les gaz d'échappement, ce qui permet la combustion des particules piégées dans un filtre à particules.
[0004] La demande de brevet FR2834755 Al décrit un procédé selon lequel les particules produites par la combustion de l'essence dans une chambre de combustion sont oxydées par un dispositif de commande des 2
gaz d'échappement disposé dans la ligne d'échappement. Le moteur comprend des moyens de changement de commande du rapport air/carburant afin d'augmenter ou diminuer la quantité d'oxygène dans les gaz d'échappement. II est par exemple indiqué, page 26, lignes 27-34, que si la matière particulaire s'est déposée sur le filtre, la commande par contre-réaction pauvre est effectuée en établissant un facteur de correction du rapport air/carburant FAF2 de façon à déplacer le rapport air/carburant vers le coté pauvre... . Comme on le réalisera à la lecture de la description qui suit, cette façon de faire ne semble pas compatible avec l'enseignement de la présente invention.
[0005] Ces méthodes de l'art antérieur présentent l'inconvénient d'avoir à modifier le fonctionnement des moteurs et/ou d'ajouter des dispositifs supplémentaires, ce qui augmente le coût des véhicules.
[0006] La présente invention concerne un procédé de régénération des suies à l'aide d'un filtre, le procédé ne nécessitant aucun changement de fonctionnement du moteur à essence, ni dispositif supplémentaire, à l'exception d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement.
[0007] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de traitement des suies contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique ayant pour carburant de l'essence, le moteur fonctionnant selon une alternance de cycles homogènes et stratifiés. Selon l'invention, un filtre à particules est placé dans la ligne des gaz d'échappement du moteur et la combustion desdites suies est réalisée dans le filtre à particules en utilisant la chaleur des gaz d'échappement lorsque le moteur fonctionne en cycle homogène.
[0008] Le fonctionnement en cycle homogène est obtenu lorsque la richesse du mélange air/carburant est sensiblement égale ou supérieure à 1. 3
[0009] La combustion des suies peut avantageusement être obtenue en combinant les phases de fonctionnement du moteur en cycle homogène avec les périodes de levée de pied de la pédale d'accélérateur.
[0010] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels :
- la figure 1 montre, en coupe et schématiquement, une partie du moteur et de la ligne d'échappement, et - la figure 2 est un diagramme illustrant le principe de fonctionnement de l'invention.
[0011] Sur la figure 1, le moteur à essence 10 comporte de façon classique un carter 11 contenant un vilebrequinl2, une chambre à combustion 14 fermée par un piston 13, par une soupape d'admission 15 et par une soupape d'échappement 16, une ligne d'échappement 17 des gaz d'échappement pour l'évacuation de ces gaz. La ligne d'échappement 17 peut comporter un catalyseur classique à trois voies 18 et, conformément à l'invention, la ligne comporte un filtre à particules 19. Ce dernier peut être d'un type classique utilisé pour les moteurs Diesel. II est alors constitué d'un bloc cylindrique 20 en céramique, de la cordiérite par exemple, percé de canaux longitudinaux 21 dans lesquels les suies, formées essentiellement de particules solides, peuvent être piégées. Le filtre peut être régénéré en éliminant les particules du filtre par combustion, en élevant la température du filtre, et des gaz d'échappement, jusqu'à atteindre une température suffisante pour réaliser la combustion des suies (en général la température de combustion est comprise entre 550 °C et 600°C). Le filtre à particules peut être placé en amont ou en aval du catalyseur 18. 4
[0012] La présente invention concerne les moteurs à essence fonctionnant selon une alternance de cycles homogènes et stratifiés. Ce type de fonctionnement permet des gains de consommation de carburant importants. Le moteur est de préférence du type à injection directe. Le régime homogène est obtenu lorsque la richesse du mélange air/essence est voisine de 1 ou même supérieure à 1 et lorsque le mélange air-carburant est homogène. Le régime stratifié est généralement obtenu lorsque la richesse du mélange air/carburant est inférieure à 1. Selon le procédé de l'invention, la chaleur fournie par un moteur à essence fonctionnant en régime homogène est suffisante pour régénérer le filtre par combustion des suies, dans utilisation de stratégie de pilotage du moteur.
[0013] Le schéma de la figure 2 illustre le procédé de l'invention. Une alternance de plusieurs cycles successifs 23, 24, 25, 26, 27 et 28 est représentée, les cycles en hachurés 23, 25 et 27 représentant le fonctionnement du moteur à essence en mode stratifié, et donc correspondant à une richesse R du mélange air-essence inférieure à 1 (la richesse R étant définie par le rapport air/essence). Les cycles 24, 26 et 28 représentent le fonctionnement du moteur à essence en mode homogène et donc avec une richesse R 1. La courbe 29 représente la température des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement au niveau du filtre à particules. Le seuil de température 30 correspond à la température minimale nécessaire pour obtenir la régénération du filtre (température généralement comprise entre 550°C et 600°C). La courbe 31 montre la masse de suies stockées dans le filtre à particules en fonction des différents cycles de fonctionnement du moteur. La courbe 32 indique la masse de suies produite par le moteur (quantité de suies à l'entrée de la ligne d'échappement). Le seuil 33 correspond à la masse limite de suies produite par le moteur, masse de saturation du filtre à ne pas dépasser pour ne pas boucher le filtre.
[0014] On remarque que la température en sortie du moteur (courbe 29) est 30 inférieure au seuil de régénération (seuil 30) lorsque le moteur fonctionne en mode stratifié (la température diminuant jusqu'à une valeur souvent inférieure à 450 °C) et que la température s'élève, en mode homogène, au-delà du seuil de régénération 30. Les suies sont produites principalement lorsque le moteur fonctionne en mode stratifié (cycle 23, 25, 27 ; courbe 32) 5 alors que relativement peu de suies sont produites lorsque le moteur fonctionne en mode homogène. En mode stratifié, les suies sont stockées dans le filtre à particules (courbe 31) et, en mode homogène, la température atteinte par les gaz d'échappement (courbe 29) est suffisante pour obtenir la combustion des suies stockées dans le filtre à particules. On réalise donc qu'une alternance de cycles stratifiés et homogènes suffit à régénérer le filtre à particules et que le seuil limite 33 de bouchage du filtre n'est jamais atteint.
[0015] En mode homogène, l'oxygène de l'air admis dans les chambres de combustion est normalement consommé par la combustion. Cependant lors des levées de pied de la pédale d'accélérateur, l'oxygène continue d'arriver dans le moteur mais n'est pas complètement consommé pour la combustion. De façon avantageuse, on peut bénéficier de cet apport d'oxygène dans les gaz d'échappement lors des phases de levée de pied pour favoriser la combustion des suies : l'oxygène non consommé dans les cylindres est consommé dans la ligne d'échappement et favorise l'élévation en température du filtre à particules. On combine ainsi les cycles en mode homogène avec les périodes de levée de pied.
[0016] En résumé, en fonctionnement stratifié, le moteur émet des particules qui sont stockées dans le filtre à particules , puis, durant le phases de fonctionnement en mode stratifié, les particules sont brûlées grâce à l'élévation de température des gaz d'échappement et à l'oxygène présent dans les gaz, la combustion étant favorisée par l'apport d'oxygène lors des phases de levée de pied. 6
[0017] Les passages d'un mode homogène à un mode stratifié, ou inversement, sont relativement fréquent pour un moteur essence et de ce fait, il n'est pas nécessaire d'utiliser un dispositif supplémentaire ou de programmer le contrôleur du moteur pour obtenir une alternance de cycles de fonctionnement homogène et stratifié. Cependant si le besoin existait, il serait possible de programmer le contrôleur pour obtenir l'alternance de cycles.
[0018] L'invention permet de mettre en place un système de post-traitement des suies pour limiter le nombre de particules émises dans l'atmosphère, sans avoir à ajouter un dispositif spécial ou à développer une fonction spécifique pour le contrôleur du fonctionnement moteur. Du fait de la régénération quasi continue, il est possible d'employer un filtre à particules de faible volume. Le filtre peut être catalysé.
[0019] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, sur la figure 2, les cycles 23-28 ont été représentés de durées égales. II est bien évident pour l'homme du métier que les cycles peuvent être de durées variables.

Claims (3)

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement des suies contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique (10) ayant pour carburant de l'essence et fonctionnant selon une alternance de cycles homogènes (24, 26, 28) et stratifiés (23, 25, 27), caractérisé en ce qu'il consiste à placer un filtre à particules (19) dans la ligne des gaz d'échappement (17) du moteur, la combustion desdites suies étant réalisée dans le filtre à particules en utilisant la chaleur des gaz d'échappement lorsque le moteur fonctionne en cycle homogène.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fonctionnement en cycle homogène est obtenu lorsque la richesse du mélange air/carburant est sensiblement égale ou supérieure à 1.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la combustion des suies est obtenue en combinant les phases de fonctionnement du moteur en cycle homogène avec les périodes de levée de pied de la pédale d'accélérateur. 25
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