FR2932532A3 - Systeme de depollution d'un moteur thermique pour vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

Ce système de dépollution s'adresse à un moteur thermique (1) comprenant une ligne d'échappement (3) pourvue d'un catalyseur d'oxydation (4) - ou DOC - et d'un système de post-traitement (5) placé en aval du DOC, ce système comportant un injecteur (7) à débit régulé adapté pour injecter périodiquement du carburant dans la ligne d'échappement, en amont dudit DOC, ainsi agencé que la réaction catalytique au sein du DOC (4) provoque une réaction exothermique et génère de la chaleur apte à régénérer le système de post-traitement (5) ; il est pourvu en outre d'une électrovanne (8) permettant d'ajuster le débit de carburant alimentant l'injecteur (7) Industrie automobile.

Description

La présente invention concerne un système de dépollution d'un moteur thermique pour véhicule automobile. Les lignes d'échappement de moteurs à mélange pauvre (moteurs Diesel notamment) sont équipées de systèmes de post-traitement sophistiqués et complexes, afin de pouvoir satisfaire aux exigences de plus en plus contraignantes de la réglementation et des normes, concernant les seuils admissibles d'émission de gaz polluants des véhicules automobiles. De tels systèmes permettent de réduire en particulier les émissions de particules et d'oxydes d'azote (NOx), en plus du monoxyde de carbone et des 10 hydrocarbures imbrûlés. Contrairement aux catalyseurs d'oxydation traditionnels, ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative, en ce sens qu'en fonctionnement normal du moteur ils piègent les polluants, pour les traiter ultérieurement, lors des phases de régénération (ou purges). Ces phases s'opèrent 15 par mise en oeuvre de modes de combustion spécifique qui garantissent les niveaux thermiques (température) et/ou de richesse nécessaires. Lorsqu'on envisage une phase de régénération d'un filtre à particules -usuellement désigné FAP -, la désulfuration d'un piège à NOx, afin d'éliminer le souffre qui y est stocké et de lui restituer ainsi son efficacité, ou plus 20 généralement pour le traitement de polluants à thermique élevée, on choisit un point de fonctionnement du moteur qui est favorable au processus de régénération. Pour en améliorer l'efficacité, il est nécessaire de produire une température interne aux systèmes de post-traitement qui soit supérieure à la température normale des gaz d'échappements, et ceci quel que soit le point de 25 fonctionnement du moteur. A titre indicatif, s'agissant d'un FAP, l'oxydation des suies s'y fait de manière optimale vers 600°C. Lors des phases de régénération, un catalyseur d'oxydation - usuellement désigné DOC - peut être utilisé pour élever la température des gaz d'échappement en aval de celui-ci. Pour ce faire, des éléments réducteurs sont 30 injectés dans la ligne d'échappement, soit par post-injection dans les cylindres du moteur, soit par injection dans la ligne d'échappement, soit les deux à la fois.
La réaction catalytique de ces éléments réducteurs dans le DOC provoque une réaction exothermique et génère ainsi la chaleur nécessaire à la régénération du système de post-traitement situé en aval. Le réglage de l'injection des éléments réducteurs peut se faire par 5 exemple par un bouclage sur la température en sortie du DOC. L'invention a plus précisément pour objet un système du type exposé ci-dessus, dans lequel les éléments réducteurs sont injectés directement dans la ligne d'échappement du moteur, en sortie de ce dernier - et non par post injection à l'intérieur même du moteur-. Ces éléments peuvent être injectés sous forme liquide 10 ou sous forme de vapeur dans les gaz d'échappement, afin qu'ils réagissent au sein du DOC et crée la réaction exothermique voulue. En pratique, les éléments réducteurs peuvent être constitués simplement par des composants du carburant alimentant le moteur, de l'essence ou du gazole s'il s'agit d'un moteur Diesel. 15 Sur un système traditionnel de ce type, le carburant est amené à l'injecteur à partir du réservoir à carburant au moyen d'un conduit de transfert équipé d'une pompe, spécifique ou non. C'est l'ajustement du débit de l'injecteur, au cours des phases de régénération, qui permet de contrôler le processus, en régulant le débit de carburant 20 rentrant dans la ligne d'échappement. Un tel système donne globalement satisfaction. Cependant, en cas de dysfonctionnement de l'injecteur, la régulation en température n'est pas correcte et peut induire une perte d'efficacité des régénérations si la thermique mise en oeuvre est insuffisante, ou une dégradation des 25 systèmes de post-traitement si la thermique mise en oeuvre est trop élevée. A cet égard, il convient de mentionner qu'au cours du vieillissement du véhicule, l'injecteur risque de se gripper et de rester bloqué en position fermée ou ouverte. Dans la première hypothèse (blocage en position fermée) il n'y a pas 30 de risque de dégradation. Cependant, les régénérations des systèmes de post-traitement sont peu efficaces, voire inefficaces s'il n'y a pas de post-injection. Dans la seconde hypothèse (blocage en position ouverte), le débit injecté étant trop élevé, il se pose un risque de surchauffe et de détérioration des systèmes de post-traitement, notamment par fissuration, susceptibles de nécessiter 35 leur remplacement ; de plus des fumées blanches sont émises en sortie de l'échappement.
Dans une telle hypothèse, il faut procéder à l'arrêt immédiat du moteur dans l'attente d'un changement de pièce(s). Il peut également arriver que l'injecteur reste bloqué dans une position intermédiaire (mi-ouverte) de sorte que le débit de carburant fourni aux gaz d'échappement n'est plus maîtrisé et n'est pas adapté à tous les points de fonctionnement. Il peut en résulter des purges inefficaces en cas de débit trop faible, et une surchauffe de la ligne d'échappement en cas de débit trop important. La présente invention a pour but de pallier ces difficultés. L'invention concerne donc un système de dépollution d'un moteur thermique, notamment (mais non forcément) d'un moteur Diesel, pour véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement pourvue d'un catalyseur d'oxydation - ou DOC - et d'un système de post-traitement placé en aval du DOC, ce système comportant un injecteur à débit régulé adapté pour injecter périodiquement des éléments réducteurs dans la ligne d'échappement, en amont dudit DOC, ainsi agencé que la réaction catalytique de ces éléments réducteurs au sein du DOC provoque une réaction exothermique et génère de la chaleur adaptée à la régénération dudit système de post-traitement situé en aval. Conformément à l'invention, ce système est pourvu en outre d'une électrovanne permettant d'ajuster le débit des éléments réducteurs alimentant 20 l'injecteur. Dès lors que l'injecteur fonctionne normalement, l'électrovanne est maintenue en permanence dans son état de pleine ouverture (à son débit maximal), si bien que le système agit de manière conventionnelle, conformément à l'état de la technique. 25 En revanche, si l'injecteur est défaillant de sorte qu'il occupe un état d'ouverture excessive, par exemple parce qu'il reste grippé en position exagérément ouverte, il est possible de réduire le débit de l'électrovanne de telle façon que le débit global corresponde à la valeur souhaitée. Les risques de surchauffe et leurs conséquences évoqués plus haut 30 sont ainsi éliminés. Bien entendu, si la défaillance fait que l'injecteur demeure bloqué en position fermée, ou quasiment fermée, l'assistance de l'électrovanne pour corriger le débit n'est plus possible, ou est insuffisante, et il faut dans ce cas changer l'injecteur. 35 Une telle intervention, cependant, n'est pas extrêmement urgente en pratique.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention : - comme indiqué ci-dessus, ladite électrovanne est adaptée pour ajuster le débit des éléments réducteurs alimentant l'injecteur en cas de défaillance de ce dernier, notamment en cas de blocage de l'injecteur dans une position partiellement ou complètement ouverte ; - lesdits éléments réducteurs sont fournis par le carburant destiné à alimenter le moteur ; - ladite électrovanne est montée sur un conduit de transfert pourvu 10 d'une pompe, qui relie un réservoir à carburant à l'injecteur ; - ledit injecteur est adapté pour injecter les éléments réducteurs en phase liquide dans la ligne d'échappement ; - ledit injecteur est adapté pour injecter les éléments réducteurs en phase gazeuse dans la ligne d'échappement ; 15 - le système de post-traitement situé en aval dudit DOC comprend un filtre à particules ; - le système de post-traitement situé en aval dudit DOC comprend un piège à NOx. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 20 lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description est faite en référence au dessin annexé, Figure 1, qui est une vue schématique d'un système de dépollution d'un moteur thermique pour véhicule automobile, conforme à l'invention. Le moteur 1 est un moteur à explosion du type Diesel qui comprend 25 de manière classique une culasse comportant plusieurs chambres de combustion, par exemple au nombre de quatre ; la référence 10 représente le système d'injection qui alimente le moteur en carburant, en l'occurrence du gazole. Ce carburant est stocké dans un réservoir 2 équipant le véhicule. Les moyens d'alimentation du moteur en carburant ne sont pas représentés sur la figure 30 afin de ne pas l'alourdir inutilement. En aval de la culasse, le moteur comprend une turbine de turbocompresseur 11. Elle est mise en mouvement par les gaz d'échappement sortant des chambres de combustion afin de comprimer les gaz ou le mélange entrant dans le circuit d'admission du moteur.
Les références A et E représentent respectivement l'admission et l'échappement, la circulation des gaz brûlés issus du moteur se faisant de la gauche vers la droite sur la figure.
En aval de la turbine 11 s'étend une ligne d'échappement 3. Elle a la forme d'une enveloppe tubulaire comprenant des portions d'entrée 30 et de sortie 31 des gaz brûlés. Cette enveloppe contient deux unités de post-traitement montées en série qui, dans l'exemple illustré, consistent (d'amont vers l'aval) en un catalyseur d'oxydation Diesel - ou DOC - 4 et en un filtre à particules - ou FAP- 5. En aval du FAP, la ligne d'échappement 3 est pourvue en outre d'un pot d'échappement (non représenté). Ce système comporte un injecteur 7 monté sur la tubulure d'entrée 30 de la ligne d'échappement 3, en amont par conséquent du DOC 4.
Une pompe 6, spécifique ou non, permet d'amener à l'injecteur 7, au moyen d'un conduit de transfert 20, du carburant puisé dans le réservoir 2. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le système est pourvu d'une électrovanne 8. Celle-ci est montée sur le conduit 20, entre la pompe 6 et l'injecteur 7 à débit variable.
Ce dernier est adapté pour assurer de manière périodique l'injection d'une certaine quantité de carburant en phase liquide ou en phase gazeuse (par vaporisation) à l'intérieur de la portion 30 afin de l'incorporer dans les gaz brûlés qui ont quitté le moteur et qui rentrent dans le DOC 4. Un calculateur de gestion (non représenté) pilote le système. Le FAP possède un substrat à paroi poreuse qui piège les particules de suie, de sorte qu'il rejette des gaz épurés. Lorsque le seuil de saturation du filtre est atteint, ce qui est détecté par exemple par la variation de perméabilité du substrat, une phase de régénération du FAP est mise en oeuvre. A cet effet, le calculateur de gestion commande l'injection de carburant au moyen de l'injecteur 7. Les éléments réducteurs composant le carburant réagissent au sein du DOC pour y créer une réaction exothermique qui élève sensiblement la température des gaz et, corrélativement du substrat du FAP, qui à titre indicatif voit sa température portée à environ 600°C. Ceci a pour effet de transformer les suies en gaz carbonique et en vapeur d'eau, de sorte qu'elles peuvent traverser la paroi poreuse du substrat et sont 30 35 évacuées dans l'atmosphère via le pot d'échappement. La paroi du substrat se trouve ainsi progressivement désencrassée et retrouve petit à petit sa perméabilité. L'injecteur 7 est à débit variable, qui est contrôlé en permanence pour que le niveau de température dans le FAP soit optimal.
A cet effet le débit d'injection en carburant peut être asservi à une mesure de température en sortie du DOC (et en entrée du FAP), avec une loi telle que la valeur du débit décroît lorsque la température augmente, et inversement. Lorsque la perméabilité du substrat du FAP atteint une valeur seuil, la phase de régénération est stoppée, par arrêt de l'injection dans la ligne d'échappement, ce qui peut être obtenu par fermeture complète de l'injecteur 7. On repasse alors en fonctionnement normal. L'électrovanne 8 est également à débit variable, par exemple à tiroir mobile permettant une variation continue de la section de passage du fluide qui la traverse, et est aussi pilotée par le calculateur de gestion.
En mode de fonctionnement normal, l'électrovanne 8 est avantageusement à l'état fermé, empêchant le transfert de carburant à l'injecteur 7 (qui est inactif). En phase de régénération, l'électrovanne 8 est actionnée pour passer à l'état de pleine ouverture.
Le débit d'injection de carburant dans la portion 30 de la ligne d'échappement est régulé uniquement par l'injecteur 7 lui-même, comme cela se passe avec les dispositifs connus, du moins tant qu'il n'y a pas de dysfonctionnement au niveau de cet injecteur. En revanche, si l'injecteur devient défaillant et reste bloqué dans une position exagérément ouverte, l'électrovanne 8 prend le relais et est actionnée dans le sens de la fermeture pour laisser passer dans le conduit de transfert 20 un débit seulement partiel, de sorte que le débit fourni au niveau de l'injecteur soit globalement réduit et ramené à un niveau correct, conforme à la loi de commande Débit/Température contrôlée par le calculateur de gestion.
Afin que cette loi puisse être respectée, le degré de fermeture de l'électrovanne 8 est bien entendu contrôlé pour s'adapter au degré d'ouverture (anormale) de l'injecteur 7, de sorte que les deux débits se compensent en quelque sorte. Un capteur du degré d'ouverture de l'injecteur 7 peut être prévu à cet 35 effet, qui fournit au calculateur de gestion un signal de valeur représentative de ce degré d'ouverture.
Si la défaillance de l'injecteur 7 est telle qu'il ne répond plus de manière souhaitée à certaines consignes, il est possible de le faire passer à l'état complètement ouvert, le contrôle du débit de carburant injecté se faisant alors exclusivement par manoeuvre de l'électrovanne 8.
Il va de soit que si l'injecteur est bloqué en position de fermeture, totale ou quasi-totale, l'électrovanne 8 ne peut pas corriger le processus, même s'il est lui-même grand ouvert. La régénération ne peut s'opérer, ou se fait mal. Cette situation toutefois n'est pas dramatique sur les plans de la sécurité ou de la fiabilité de la ligne d'échappement. Il est simplement nécessaire de changer l'injecteur au cours d'une prochaine intervention sur le véhicule. Une architecture conforme à la présente invention a donc notamment pour intérêt, au final : - de sécuriser les systèmes de post-traitement situés en aval de 15 l'injecteur ; - de permettre de continuer à utiliser l'injection de carburant dans les gaz d'échappement même après certaines défaillances de l'injecteur, et ainsi d'obtenir malgré tout des purges efficaces des systèmes de post-traitement ; - d'éviter une surconsommation inutile de carburant lorsque 20 l'injecteur est dégradé. Une telle architecture, comme déjà dit, ne s'applique pas forcément à un moteur Diesel ; elle peut s'appliquer à tout moteur thermique, notamment à essence, dès lors que son système de dépollution comporte un injecteur à l'échappement. La ligne d'échappement peut comporter une ou plusieurs unités de post-traitement autres qu'un FAP, par exemple un piège à NOx, éventuellement associé(s) à un FAP, positionné(s) en aval du DOC, dès lors que leur régénération (en l'occurrence l'élimination des NOx stockés) peut être réalisée grâce à la chaleur générée par la réaction exothermique qui s'est opérée dans le DOC. Les éléments réducteurs injectés peuvent être des composés chimiques distincts du carburant utilisé pour la combustion du moteur. 25 30

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Système de dépollution d'un moteur thermique (1) pour véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement (3) pourvue d'un catalyseur d'oxydation - ou DOC ù (4) et d'un système de post-traitement (5) placé en aval du DOC, ce système comportant un injecteur (7) à débit régulé adapté pour injecter périodiquement des éléments réducteurs dans la ligne d'échappement (3), en amont dudit DOC (4) , ainsi agencé que la réaction catalytique de ces éléments réducteurs au sein du DOC provoque une réaction exothermique et génère de la chaleur adaptée à la régénération dudit système de post-traitement (5) situé en aval, caractérisé par le fait qu'il est pourvu en outre d'une électrovanne (8) permettant d'ajuster le débit des éléments réducteurs alimentant l'injecteur (7).
  2. 2. Système de dépollution selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite électrovanne (8) est adaptée pour ajuster le débit des éléments réducteurs alimentant l'injecteur (7) en cas de défaillance de ce dernier, notamment en cas de blocage de l'injecteur (7) dans une position partiellement ou complètement ouverte.
  3. 3. Système de dépollution selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il s'applique à un moteur Diesel.
  4. 4. Système de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdits éléments réducteurs sont fournis par le carburant destiné à alimenter le moteur (1).
  5. 5. Système de dépollution selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite électrovanne (8) est montée sur un conduit de transfert (20) pourvu d'une pompe (6), qui relie un réservoir à carburant (2) à l'injecteur (7).
  6. 6. Système de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit injecteur (7) est adapté pour injecter les éléments réducteurs en phase liquide dans la ligne d'échappement.
  7. 7. Système de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit injecteur (7) est adapté pour injecter les éléments réducteurs en phase gazeuse dans la ligne d'échappement.
  8. 8. Système de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le système de post-traitement situé en aval dudit DOC (4) comprend un filtre à particules (5).
  9. 9. Système de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le système de post-traitement situé en aval dudit DOC (4) comprend un piège à NOx.
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