FR2932216A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules pour vehicule automobile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur de véhicule comprenant une succession de phases de régénération en vu de détruire une quantité déterminée de particules présentes dans le filtre à particules, caractérisé en ce qu'on utilise un filtre à particules à base de cordiérite et en ce que chaque phase de régénération a une durée inférieure ou égale à 400 secondes, préférentiellement comprise entre 100 et 350 secondes, et encore préférentiellement de l'ordre de 300 secondes.

Description

Procédé de régénération d'un filtre à particules pour véhicule automobile

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de l'automobile, et plus particulièrement de la régénération de filtres à particules

ETAT DE LA TECHNIQUE Les véhicules automobiles sont aujourd'hui responsables d'un certain nombre d'émissions toxiques, notamment dues à l'échappement, qui doivent être traitées par des systèmes adéquats. Les moteurs diesel ont un fonctionnement spécifique qui implique une émission de suies polluantes dans leur gaz d'échappement, ces suies étant également appelées particules. Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un filtre est implanté dans la ligne d'échappement, en aval de la chambre à combustion du moteur. Ce filtre est adapté pour retenir les particules qui s'accumulent en son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, d'où son appellation filtre à particules . Toutefois, les particules accumulées finissent par boucher le filtre, ce qui peut créer une forte contre-pression au niveau de l'échappement du moteur. Les gaz d'échappement ont ainsi du mal à s'échapper du moteur ce qui diminue considérablement ses performances. Les performances du moteur peuvent être retrouvées en détruisant les particules qui sont contenues dans le filtre à particules. Cette procédure, dite de régénération du filtre à particules, consiste généralement à brûler les particules contenues dans le filtre à particules. 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. Pour obtenir une régénération efficace, il est donc nécessaire de produire une température interne au filtre à particule favorable à l'oxydation des suies, généralement comprise entre 570 et 650°C. Cette température est néanmoins supérieure à la température normale des gaz circulant dans la ligne d'échappement, et ce quelque soit le point de fonctionnement du moteur. Il est donc nécessaire de mettre en place des systèmes de régénération du filtre à particules qui sont adaptés pour élever la température pendant une durée donnée dans la ligne d'échappement, et plus particulièrement au niveau du filtre à particules. Une solution pour se faire consiste à injecter du carburant tardivement dans le cycle de combustion, ou à tout le moins après la phase de combustion à proprement parler du cycle de combustion. Le carburant injecté tardivement permet d'augmenter la température avant turbine par combustion dans le cylindre formant la chambre à combustion dans laquelle coulissent les pistons. Ce carburant complémentaire peut également permettre d'augmenter la température en entrée du filtre à particules par traitement des réducteurs dans le catalyseur d'oxydation. Ces stratégies dites de post-injection, qui ont pour fonction d'enrichir les gaz d'échappement par le mélange d'air et de carburant, conduisent toutefois à un niveau important de dilution de l'huile de lubrification du moteur. Ce phénomène a pour conséquence d'altérer les propriétés de cette huile, ce qui a un impact direct sur l'intervalle de vidange qui doit être plus fréquente. C'est pourquoi il est actuellement recherché des solutions visant à atteindre les niveaux de température nécessaires à la régénération du filtre à particules tout en limitant au maximum la dilution qui en découle. Il existe aujourd'hui un certain nombre de solutions qui visent à diminuer la dilution entrainée par la régénération du filtre à particules. Il a par exemple été proposé des solutions permettant de diminuer le besoin de chauffe par post-injection ; ces solutions consistent par exemple à mettre en place un système de recirculation des gaz chauds en entrée du moteur, ou de mettre en place un dispositif dédié à la chauffe du filtre à particules. Ces solutions sont toutefois coûteuses et complexes à mettre en place, de sorte qu'un besoin existe pour une stratégie de régénération alternative visant à diminuer les dilutions non désirées. Un but de la présente invention est donc de fournir un procédé de régénération de filtre à particules permettant de résoudre l'un au moins des inconvénients précités. En particulier, un but de la présente invention est de proposer une stratégie de régénération de filtre à particules qui limite la dilution de l'huile de lubrification du moteur.

EXPOSE DE L'INVENTION A cette fin, on propose un procédé de régénération d'un filtre à particules implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur de véhicule comprenant une succession de phases de régénération en vu de détruire une quantité déterminée de particules présentes dans le filtre à particules, caractérisé en ce qu'on utilise un filtre à particules à base de cordiérite et en ce que chaque phase de régénération a une durée inférieure à 400 secondes.

Des aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé de régénération sont les suivants : - chaque phase de régénération a une durée comprise entre 100 et 350 secondes, et de manière préférée une durée de l'ordre de 300 secondes; - la phase de régénération comprend une post-injection dite éloignée consistant en l'injection de carburant dans un cylindre du moteur entre 100 et 150 degrés après le point mort haut du piston circulant dans le cylindre ; - la phase de régénération comprend une post-injection dite proche consistant en l'injection de carburant dans un cylindre du moteur entre 20 et 70 degrés après le point mort haut du piston circulant dans le cylindre ; - la phase de régénération comprend une injection d'un mélange d'air et de carburant directement dans la ligne d'échappement avant le filtre à particules, préférentiellement en amont du catalyseur d'oxydation ; - le filtre à particules comprend des monolithes de cordiérite ; - chaque phase de régénération est lancée lorsque la quantité de particules dans le filtre à particules a atteint une valeur seuil correspondant à la quantité de particules détruite pendant la durée choisie pour la phase de régénération.

DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un graphique illustrant l'évolution de l'efficacité d'une stratégie de régénération pour un filtre à particules à base de cordiérite par rapport à un filtre à particules à base de carbure de silicium, par rapport à une durée totale de régénération de 600 secondes ; - la figure 2 est un graphique illustrant l'évolution des masses de suies régénérées au cours d'une régénération pour un filtre à particules à base de cordiérite par rapport à une régénération pour un filtre à particules à base de carbure de silicium, sur une durée totale de régénération de 600 secondes.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La régénération d'un filtre à particules consiste à élever la température dans la ligne d'échappement à un niveau compris entre 550 et 700°C, de préférence entre 570 et 650°C.

Une solution courante de régénération de filtre à particules consiste à effectuer une post-injection, c'est à dire une injection de carburant dans le cylindre constituant la chambre à combustion après l'injection de carburant utilisé lors de la phase de combustion du cycle de combustion. Plus précisément, ce carburant est injecté après que la phase de combustion soit effectuée, c'est-à-dire lorsque le piston est en phase descendante dans le cylindre après la compression. On définit la phase descendante du piston par rapport à ce qui est appelé le point mort haut qui correspond au moment où le piston coulissant dans le cylindre atteint une position extrémale dans laquelle la compression est maximale, conduisant à la combustion du mélange présent dans la chambre de combustion. Cette phase descendante du piston peut être caractérisée par le déplacement angulaire de la bielle associée audit piston. Il existe en particulier deux types de post-injection, effectuées plus ou moins tardivement par rapport à la fin de la phase de combustion. Il existe en effet une post-injection dite proche, qui consiste à injecter le carburant entre 20 et 70 degrés 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 la turbine et par conséquent en entrée du catalyseur contenant le filtre à particules. Il y a donc bien une production sensible d'énergie au niveau de la chambre de combustion, et donc sur le vilebrequin, mais il existe également certains points de fonctionnement pour lesquels la combustion n'est que partielle, ce qui permet de générer une quantité de réducteurs circulant avec les gaz d'échappement et permettant donc une création de chaleur au niveau du catalyseur. Il existe en outre la post-injection dite éloignée, qui consiste à injecter le carburant entre 80 et 150 degrés après le point mort haut ; l'injection a donc lieu à la fin de la phase de détente du cycle de combustion, près du point mort bas. Cette injection étant plus tardive, elle génère une quantité plus importante de réducteurs circulant dans la ligne d'échappement. Ces réducteurs permettront, lors de leurs traitements dans le catalyseur, d'atteindre le niveau de température requis au niveau du filtre à particules pour une régénération des particules, c'est- à-dire une température comprise entre 550 et 700°C. Selon cette stratégie de post-injection, l'énergie produite au niveau du vilebrequin est généralement nulle ou très faible. La post-injection éloignée est en général préférée à la post-injection proche puisque la quasi-totalité de l'énergie créée par la post-injection éloignée est dégagée au niveau du filtre à particules, et est donc utilisée pour la régénération de ce dernier. Une certaine dilution est toutefois créée par ce type de post-injection, la dilution étant d'autant plus élevée que la régénération est longue. Une autre solution de régénération du filtre à particules consiste à utiliser un injecteur placé directement dans la ligne d'échappement, de préférence proche du catalyseur, de manière à injecter du carburant au plus proche du filtre à particules. Son utilisation est toutefois limitée, puisqu'elle est notamment restreinte par le débit et la température des gaz d'échappement provenant du moteur. Cela peut en outre créer des problèmes de vaporisation, d'homogénéisation, ou encore d'émission de polluants non-désirés pour de nombreux points de fonctionnement du moteur. La régénération du filtre à particules par injection directe dans la ligne d'échappement n'étant pas optimale, cette solution est en général couplée à une stratégie de post-injection proche de manière à augmenter la thermique dans la ligne d'échappement. Il y aura donc dans ce cas un nouveau problème de dilution qu'il convient de régler. Ces différentes stratégies de régénération de filtre à particules peuvent bien entendu être combinées pour optimiser la régénération du filtre à particules.

Pour limiter la dilution de l'huile de lubrification du moteur, on propose d'utiliser un filtre à particules fabriqué dans un matériau ayant une faible conductivité thermique pour favoriser la formation rapide de points chauds. En effet, puisque la chaleur générée depuis la ligne d'échappement jusque vers le catalyseur est accumulée au niveau du filtre à particules et se dissipe très peu du fait du matériau peu conducteur. Cette structure particulière du filtre à particules permet donc une montée en chaleur plus rapide, et plus durable, ce qui va favoriser une régénération également plus rapide des particules. Ceci a une conséquence directe sur la dilution créée par la régénération, puisque le temps de régénération peut être réduit.

De manière préférée, on utilise un filtre à particule à base de cordiérite, matériau à faible conductivité thermique. Ce matériau est également avantageux pour ses bonnes tenues thermiques et son faible coût de production.

Selon un mode de réalisation particulier, la structure à base de cordiérite du filtre à particules se présente sous la forme de monolithes. Les éléments à base de cordiérite, sous forme de monolithes ou non, pourront également présenter une structure en nid d'abeilles de manière à alléger au maximum le filtre à particules.

Par rapport à des structures à base de carbure de silicium (SiC), un filtre à particules à base de cordiérite produit une plus faible contre-pression à l'échappement, et possède en outre un faible coefficient de dilatation thermique. A titre d'exemple on peut utiliser des monolithes en cordiérite tels que la cordiérite AC ACT et la cordiérite JM01 R produit et commercialisé respectivement par les sociétés CORNING et DENSO, et dont les caractéristiques sont récapitulées dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 Cordiérite AC ACT Cordiérite JMOIR Structure Monolithique Monolithique Porosité (%) 51 50 Diamètre moyen de pore (pm) 18 - 19 22,5 Épaisseur de paroi (minch) 15 (b) 15 CPSI 300 (b) 250 Densité apparente du matériau 1,23 1,26 (g/cm3) Capacité Thermique Volumétrique 2 79 (J/cm3.K) @ 500°C Coefficient d'Expansion Thermique < 6 < 10 (xl0e-7 / °C) CPE (mbar) 100 80 @ 450 m3/h - à Og/L Suies CPE (mbar) 390 390 @ 450 m3/h - à 10g/L Suies SML (g/L) à Te = 630°C et critère 5 5,5 Tmax = 1100°C SML (g/L) à Te = 630°C et critère 8 Tmax = 1200-1250°C Température Interaction chimique 1100-1150 1100-1150 résidus avec substrat (°C) Société CORNING DENSO Les montées en température d'un filtre à particules à base de cordiérite 15 étant beaucoup plus rapides qu'un filtre à particules classique, on peut réduire de manière significative le temps de régénération tout en permettant qu'une quantité importante de particules soit régénérée. Le principe de la stratégie de régénération proposée est donc d'utiliser un filtre à particules à base de cordiérite et d'appliquer des méthodes de régénération classiques pendant un temps de régénération réduit, typiquement inférieur ou égal à 400 secondes au lieu des 600 secondes généralement nécessaires. De manière préférée, on choisit un temps de régénération encore plus court, compris entre 100 et 350 secondes, et de manière encore préférée de l'ordre de 300 secondes. Les figures 1 et 2 mettent en avant la rapidité de régénération pour un filtre à particules à base de cordiérite par rapport à un filtre à particules à base de carbure de silicium.

La figure 1 illustre en particulier l'évolution de l'efficacité de régénération d'une même stratégie de régénération utilisée pour un filtre à particules à base de cordiérite d'une part et pour un filtre à particules à base de carbure de silicium d'autre part, sur une durée de régénération de l'ordre de 600 secondes. La courbe Cl représente l'évolution de l'efficacité de régénération pour le filtre à particules à base de cordiérite, tandis que la courbe C2 illustre l'évolution de l'efficacité de régénération pour un filtre à particules à base de carbure de silicium.

Une analyse de ces courbes d'évolution indique que la régénération sur un filtre à particules à base de cordiérite atteint un taux d'efficacité élevé beaucoup plus rapidement que lors d'une régénération avec un filtre à particules à base de carbure de silicium. On rappelle que l'efficacité maximale (100%) est définie par rapport à la période de 600 secondes correspondant au temps de régénération pratiqué aujourd'hui dans les méthodes de régénération. On constate en effet que la régénération sur un filtre à particules à base de cordiérite atteint plus de 40% de son efficacité maximale après seulement 100 secondes, alors que sur la même période, la régénération pour un filtre à particules à base de carbure de silicium atteint moins de 6% de son efficacité maximale. L'écart est encore plus grand pour des temps de régénération de l'ordre de 250 et 300 secondes, puisque la régénération sur un filtre à particules à base de cordiérite atteint respectivement 68% et 70% de son efficacité maximale, alors que la régénération pour un filtre à particules à base de carbure de silicium n'atteint respectivement que 17% et 30% de son efficacité maximale. L'écart reste important pour des temps de régénération plus longs de l'ordre de 400 secondes, puisque la régénération sur un filtre à particules à base de cordiérite atteint 80% de son efficacité maximale, alors que la régénération pour un filtre à particules à base de carbure de silicium est à environ 60% de son efficacité maximale. La figure 2 illustre l'évolution des masses de suies éliminées au cours du temps, pendant une période de 600 secondes. La courbe C3 illustre l'évolution des masses régénérées pour un filtre à particules à base de cordiérite, tandis que la courbe C4 illustre l'évolution des masses régénérées pour un filtre à particules à base de carbure de silicium. On constate à l'analyse des courbes C3 et C4, que la quantité de masse régénérée par un filtre à particules à base de cordiérite est plus importante plus rapidement que pour un filtre à particules à base de carbure de silicium. En effet, selon la courbe C3 pour un filtre à particule à base de cordiérite, on constate que près de 9 grammes de particules ont été éliminées au bout de 300 secondes de régénération, par rapport à une masse totale régénérée légèrement supérieure à 12 grammes au bout d'un temps de régénération classique de l'ordre de 600 secondes. Pour un filtre à particules à base de carbure de silicium, il y a, au bout de 300 secondes de régénération, moins de 5 grammes de particules éliminées, alors que la masse totale de particules régénérées au bout de 600 secondes est supérieure à 15 grammes.

On en déduit qu'en réduisant la durée de régénération de moitié, on ne perd que environ 30 % de masses régénérées pour un filtre à particules à base de cordiérite, alors que pour un filtre à particules en carbure de silicium, on perd environ 65% de masses régénérées. Cela confirme que la régénération d'un filtre à particules à base de cordiérite a une efficacité beaucoup plus rapide qu'un filtre à particules classique. Ceci provient comme on l'a dit de la faible inertie thermique de la cordiérite.

L'utilisation d'un filtre à particules à base de cordiérite associée à des phases de régénération d'une durée réduite, inférieure ou égale à 400 secondes, préférentiellement de l'ordre de 300 secondes, permet de diminuer fortement la dilution La quantité de masse régénérée étant toutefois inférieure au bout de 300 secondes qu'elle ne peut l'être au bout d'une phase de régénération d'une durée de 600 secondes, il convient d'augmenter la fréquence de ces phases de régénération au cours du temps. La mise en action des dispositifs de régénération est en général pilotée par un 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 les paramètres d'injection pendant cette phase. Pour ne pas boucher le filtre à particules, il conviendra donc de régler le calculateur de contrôle moteur de sorte que les régénérations soient lancées pour un seuil de masses de suies plus faible que lors des stratégies de régénération classiques ayant une durée plus longue et donc détruisant une quantité de particules plus importante. On pourra par exemple prendre comme valeur seuil la masse de suies détruite pendant la durée choisie pour une phase de régénération. Malgré cette augmentation de la fréquence des phases de régénération, la stratégie de régénération proposée reste globalement plus courte pour une même masse de particules à régénérer, ceci étant dû au fait que la régénération avec un filtre à particules à base de cordiérite est efficace très rapidement. Le temps de régénération d'une quantité déterminée de particules étant réduit, la dilution qui découle de la régénération est également réduite.

A titre d'exemple, on constate expérimentalement un gain en dilution de l'ordre de 30% pour régénérer une masse de suies donnée avec la stratégie de régénération proposée, utilisant un filtre à particules à base de cordiérite et des cycles de régénération successifs d'une durée sensiblement égale à 300 secondes par rapport à une stratégie classique utilisant des cycles de régénération successifs d'une durée de 600 secondes, avec un filtre à particules également à base de cordiérite.

La stratégie de régénération proposée permet donc une forte diminution de la dilution de l'huile par le carburant, et ce y compris par rapport aux stratégies de régénération actuelles pour les filtres à particules à base de cordiérite pour lesquelles les phases de régénération ont des durées de l'ordre de 600 secondes. En outre, la stratégie de régénération proposée implique une forte diminution des risques d'interruption des régénérations successives puisque chaque phase de régénération a une durée beaucoup plus courte que la normale.

Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici. Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée du procédé de régénération de filtre à particules selon l'invention.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de régénération d'un filtre à particules implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur de véhicule comprenant une succession de phases de régénération en vu de détruire une quantité déterminée de particules présentes dans le filtre à particules, caractérisé en ce qu'on utilise un filtre à particules à base de cordiérite et en ce que chaque phase de régénération a une durée inférieure ou égale à 400 secondes.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque phase de 10 régénération a une durée comprise entre 100 et 350 secondes.
3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque phase de régénération a une durée sensiblement égale à 300 secondes.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une phase de régénération comprend une post-injection dite éloignée consistant en l'injection de carburant dans un cylindre du moteur entre 100 et 150 degrés après le point mort haut du piston circulant dans le cylindre.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une phase de régénération comprend une post-injection dite proche consistant en l'injection de carburant dans un cylindre du moteur entre 20 et 70 degrés après le point mort haut du piston circulant dans le cylindre.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une phase de régénération comprend une injection de carburant directement dans la ligne d'échappement avant le filtre à particules. 30
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le filtre à particules comprend des monolithes de cordiérite.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque phase de régénération est lancée lorsque la quantité de particules 35 dans le filtre à particules a atteint une valeur seuil correspondant à la quantité de particules détruite pendant la durée d'une phase de régénération. 15 20 25