FR2933624A1 - Dispositif de filtrage de particules et ensemble moteur muni d'un tel dispositif. - Google Patents

Dispositif de filtrage de particules et ensemble moteur muni d'un tel dispositif. Download PDF

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Abstract

Ce dispositif de filtrage de particules, pour moteur à combustion interne (10) doté d'un circuit (46) de recirculation de gaz d'échappement dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée d'une ligne (18) d'échappement du moteur et est ramenée dans un collecteur d'admission (14) du moteur, comporte un premier filtre à particules (28) disposé de manière à être traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission et un second filtre à particules (52) disposé, en aval du premier, de manière à être également traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission. Le second filtre à particules (52) est conçu pour filtrer, comme le premier filtre à particules (28), des particules issues de la combustion interne.

Description

Dispositif de filtrage de particules et ensemble moteur muni d'un tel dispositif [0001 ] La présente invention concerne un dispositif de filtrage de particules et un ensemble moteur muni d'un tel dispositif.
[0002] L'invention s'applique en particulier aux moteurs à combustion interne dotés d'un circuit de recirculation de gaz d'échappement dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée d'une ligne d'échappement du moteur et est ramenée dans un collecteur d'admission du moteur. Cette partie des gaz d'échappement est dite recyclée.
[0003] Dans certains moteurs Diesel munis de turbocompresseurs, les gaz recyclés sont dérivés de la ligne d'échappement en amont de la turbine du turbocompresseur et reconduits dans le collecteur d'admission en aval du compresseur du turbocompresseur après refroidissement. Le circuit de recirculation des gaz d'échappement est alors qualifié de circuit à haute pression et haute température.
[0004] Cette recirculation des gaz d'échappement a pour objectif de diminuer la quantité d'oxydes d'azote (NOx) rejetée dans l'atmosphère par le moteur. En effet, ces oxydes d'azote sont produits par la combinaison de l'azote et de l'oxygène présents dans l'air d'admission sous l'effet d'une très haute température. Le système de recirculation diminue, lors de certaines phases de fonctionnement, la quantité d'oxygène disponible dans le cylindre en introduisant dans la tubulure d'admission une certaine quantité de gaz d'échappement pauvre en oxygène remplaçant ainsi l'air frais comburant. De cette façon, ce système permet de réduire très fortement les émissions de NOx. Cependant, une trop grande quantité de gaz d'échappement recyclés entraîne une forte augmentation des taux de suie, de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures (HC), en raison du manque d'air.
[0005] Un contrôle précis de la recirculation des gaz d'échappement introduits dans le collecteur d'admission du moteur est nécessaire pour gérer au mieux les compromis entre les émissions de NOx d'une part et de suie, de CO et d'HC d'autre part. [0006 ] Pour améliorer l'efficacité du moteur en terme d'émission de polluants, un circuit de recirculation, qualifié de circuit à basse pression et basse température, peut avantageusement remplacer le circuit à haute pression et haute température. Un tel circuit est représenté sur la figure 1. [0007] L'ensemble moteur à combustion interne représenté sur cette figure, comporte un moteur Diesel 10 à quatre cylindres 121, 122, 123, 124. Le moteur Diesel comprend en outre un collecteur d'admission d'air sous pression 14 et un collecteur d'échappement 16 fournissant des gaz d'échappement à une ligne 18 d'échappement du moteur. [0008] Cet ensemble moteur comporte en outre un dispositif de suralimentation comprenant un turbocompresseur 20 muni d'une turbine 22 et d'un compresseur 24.
[0009] La turbine 22 est disposée en sortie du collecteur d'échappement 16 dans la ligne d'échappement 18. Elle est suivie, dans la ligne d'échappement 18 et dans le sens d'évacuation des gaz d'échappement, d'un catalyseur 26, puis d'un filtre à particules 28 et enfin d'un pot d'échappement 30. Le filtre à particules 28 est conçu pour filtrer les gaz d'échappement de particules issues de la combustion interne.
[0010] Le compresseur 24 est disposé en amont du collecteur d'air 14, dans une ligne 32 d'alimentation en air sous pression. Cette ligne d'alimentation 32, couramment appelée ligne d'admission, comporte, dans le sens d'écoulement de l'air, un filtre à air 34, un débitmètre 36, le compresseur 24, un refroidisseur d'air suralimenté 38 et une vanne 40 de dosage de l'air arrivant dans le collecteur d'admission 14. En outre, une vanne de contournement 42 est disposée entre le compresseur 24 et le refroidisseur d'air suralimenté 38 pour diriger l'air en sortie du compresseur 24 vers un circuit de contournement du refroidisseur d'air suralimenté 38.
[0011 ] Le circuit de recirculation à basse pression et basse température de cet ensemble moteur est représenté par la référence 46. Il est raccordé, d'une part, à la ligne d'échappement 18 en aval du filtre à particules 28 (plus précisément entre le filtre à particules 28 et le pot d'échappement 30) et, d'autre part, à la ligne d'alimentation 32 en amont du compresseur 24 (plus précisément entre le débitmètre 36 et le compresseur 24). [0012 ] Le débit des gaz s'écoulant dans ce circuit de recirculation 46 est régulé par une vanne 48 et leur température est réduite par l'utilisation d'un échangeur de chaleur 50. [0013 ] Les avantages du circuit 46 de recirculation à basse pression et basse température par rapport à un circuit de recirculation à haute pression et haute température portent sur une forte diminution de la température du mélange air frais / gaz recyclés dans le collecteur d'admission 14 ; en effet, la température des gaz d'échappement en aval du filtre à particules 28 est inférieure à la température des gaz d'échappement dans le collecteur d'échappement 16 car ces derniers ont subi une détente dans la turbine 22 du turbocompresseur 20 ; de plus, ces mêmes gaz d'échappement sont refroidis par l'échangeur de chaleur 50 puis compressés et de nouveau refroidis dans le refroidisseur d'air suralimenté 38. De plus ce circuit permet une meilleure homogénéisation du mélange air / gaz recyclés dans le collecteur d'admission 14, et l'utilisation de gaz recyclés propres car les gaz d'échappement sont ponctionnés par le circuit de recirculation 46 en aval du filtre à particules 28 et donc débarrassés des particules de combustion. [0014 ] Cependant, la présence du circuit 46 de recirculation à basse pression et basse température dans l'ensemble moteur de la figure 1 entraîne des risques pour les composants de la ligne d'admission 32 dans certaines situations de vie. [0015 ] La première de ces situations de vie critique est la défaillance du filtre à particules 28. Il peut en effet se produire un phénomène de fissuration du filtre à particules 28 qui entraîne un débit de particules issues de la combustion interne anormalement élevé en sortie de ce filtre à particules 28 ; ces particules sont réputées encrassantes et, dans la zone de fonctionnement du circuit à basse pression 46, elles peuvent venir encrasser les composants 48, 50 de ce circuit 46 et ceux (24, 38, 40, 42) de la ligne d'admission 32 ; la conséquence d'un tel encrassement peut être dramatique car il peut entraîner une augmentation du régime du turbocompresseur 20 voire une casse de ce dernier.
[0016 ] Une autre situation est le cas de largage de débris ou agrégats. Ces éléments peuvent s'échapper du filtre à particules 28 ou des tuyaux du circuit de recirculation 46 ; ils peuvent notamment provenir du filtre à particules 28 qui lors d'une fissuration peut perdre des morceaux de carbure de silicium ; s'ils sont de taille supérieure à 200 m, ils peuvent alors endommager la roue du compresseur 24 et entraîner également une augmentation du régime du turbocompresseur 20 voire une casse de ce dernier. [0017 ] Le document US 2008/0041051 Al prévoit de disposer un second filtre à particules à la suite du filtre à particules 28. Ce second filtre à particules est situé dans le circuit de recirculation à basse pression et basse température et est conçu pour arrêter des débris ou agrégats de taille supérieure à 50 m qui pourraient provenir du premier filtre à particules 28. Ce second filtre est complémentaire du premier et est métallique. Il laisse passer toutes les particules inférieures à 50 m, notamment celles issues de la combustion interne, destinées à être arrêtées par le premier filtre à particules 28.
[0018 ] En cas de défaillance du premier filtre à particules 28, il n'empêchera pas les particules issues de la combustion d'encrasser les composants du circuit de recirculation et de la ligne d'admission.
[0019 ] Ainsi, pour mieux profiter des avantages que procure un circuit de recirculation à basse pression et basse température, il peut être souhaité de prévoir un dispositif de filtrage de particules qui permette de s'affranchir des problèmes et contraintes précités. [0020 ] L'invention a donc pour objet un dispositif de filtrage de particules pour moteur à combustion interne doté d'un circuit de recirculation de gaz d'échappement dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée d'une ligne d'échappement du moteur et est ramenée dans un collecteur d'admission du moteur, comportant un premier filtre à particules disposé de manière à être traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission et un second filtre à particules disposé, en aval du premier, de manière à être également traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission, caractérisé en ce que le second filtre à particules est conçu pour filtrer, comme le premier filtre à particules, des particules issues de la combustion interne. [0021 ] De façon optionnelle, le premier filtre à particules est disposé dans la ligne d'échappement du moteur, en amont de la dérivation par le circuit de recirculation de gaz d'échappement de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission. [0022] De façon optionnelle également, le second filtre à particules est disposé dans la ligne d'échappement du moteur, en amont de la dérivation par le circuit de recirculation de gaz d'échappement de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission.
[0023] De façon optionnelle également, les premier et second filtres à particules sont montés dans un même filtre principal à deux étages de filtration de particules.
[0024] De façon optionnelle également, le second filtre à particules est disposé dans le circuit de recirculation de gaz d'échappement, en aval de la dérivation de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission. [0025] De façon optionnelle également, le second filtre à particules est conçu de manière à représenter un encombrement volumique inférieur au premier filtre à particules.
[0026] De façon optionnelle également, un dispositif de filtrage selon l'invention comporte en outre un dispositif de détection d'un dysfonctionnement du premier filtre à particules.
[0027] De façon optionnelle également, le dispositif de détection d'un dysfonctionnement du premier filtre à particules comporte des moyens de mesure d'une perméabilité du second filtre à particules et de comparaison de cette perméabilité à un seuil de perméabilité de référence à débit donné dans le circuit de recirculation, pour la détection d'un encrassement du second filtre à particules. [0028] L'invention a également pour objet un ensemble moteur à combustion interne comportant un moteur Diesel, une ligne d'échappement du moteur Diesel, un collecteur d'admission du moteur Diesel, un circuit de recirculation de gaz d'échappement à basse pression et basse température et un dispositif de filtrage de particules tel que défini précédemment. [0029] De façon optionnelle, un ensemble moteur selon l'invention comporte un turbocompresseur dont la turbine est disposée en sortie du moteur Diesel et en amont du premier filtre à particules, et dont le compresseur, alimenté au moins partiellement par le circuit de recirculation, est disposé en entrée du collecteur d'admission du moteur Diesel. [0030] De façon optionnelle également, le circuit de recirculation comporte un échangeur de chaleur et une vanne régulatrice de débit disposés en aval du second filtre à particules dans le sens de recirculation des gaz d'échappement.
[0031 ] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, 20 donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement un ensemble moteur à recirculation de gaz d'échappement, selon l'état de la technique, 25 la figure 2 représente schématiquement un ensemble moteur à recirculation de gaz d'échappement selon un premier mode de réalisation de l'invention, et la figure 3 représente schématiquement un ensemble moteur à recirculation de gaz d'échappement selon un second mode de réalisation de l'invention. [0032] L'ensemble moteur à combustion interne représenté sur la figure 2 est, comme celui représenté sur la figure 1, un ensemble moteur doté d'un circuit de recirculation de gaz d'échappement à basse température et basse pression. Il comporte tous les éléments précédemment décrits et portant donc les mêmes références 10 à 50 sur la figure 2.
[0033] Il comporte notamment un premier filtre à particules 28 conçu pour filtrer les gaz d'échappement des particules issues de la combustion interne, mais il comporte en outre un second filtre à particules 52. Ce second filtre est disposé en aval du premier, de manière à être également traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission 14, et est lui aussi conçu pour filtrer, comme le premier filtre à particules 28, les particules issues de la combustion interne. Notamment, ce second filtre à particules 52 est conçu pour filtrer des particules de taille inférieure à 50 m, et en particulier les particules de carbone issues de la combustion interne dont la taille ne dépasse généralement pas 400 nm.
[0034] Conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, le second filtre à particules 52 est plus précisément disposé dans le circuit 46 de recirculation de gaz d'échappement, en aval de la dérivation de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission 14. Dans ce circuit de recirculation 46, il est par exemple disposé avant l'échangeur de chaleur 50 dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. [0035 ] Ce second filtre à particules 52 n'a pas vocation à être régénéré périodiquement comme le premier filtre à particules 28. Il a pour fonction de protéger les éléments du circuit de recirculation 46 et de la ligne d'admission 32. Ainsi, lorsque le premier filtre à particules 28 fonctionne normalement, sans fissuration, le second filtre à particules 52 est redondant et n'est pas mis à contribution pour le filtrage des particules issues de la combustion interne. Par conséquent, il peut être conçu de manière à représenter un encombrement volumique inférieur au premier filtre à particules 28, voire très nettement inférieur. [0036] De façon optionnelle, l'ensemble moteur représenté sur la figure 2 comporte un dispositif 54 de détection d'un dysfonctionnement du premier filtre à particules 28. Ce dispositif de détection comporte des moyens 54 de mesure d'une perméabilité du second filtre à particules 52 et de comparaison de cette perméabilité à un seuil de perméabilité de référence. [0037] En effet, lorsque le premier filtre à particules 28 dysfonctionne, par exemple par fissuration, le second filtre à particules 52 filtre effectivement les particules issues de la combustion interne qui n'ont pas été arrêtées par le premier filtre, il se charge et voit sa perte de charge augmenter. Ainsi, en analysant la caractéristique de perméabilité de ce second filtre 52, on peut détecter son encrassement et identifier le dysfonctionnement du premier filtre à particules 28.
[0038] Les moyens de mesure 54 comprennent par exemple un premier capteur de pression 56 à l'entrée du second filtre à particules 52 et un second capteur de pression 58 à sa sortie. Ces deux capteurs permettent d'estimer une différence de pression OP aux bornes du second filtre à particules 52. Cet ensemble de deux capteurs peut être remplacé par un unique capteur de pression différentielle mesurant la différence de pression entre le point 58 et le point 56.
[0039] Il est en outre possible d'estimer le débit Dbp traversant le circuit de recirculation à basse pression et basse température 46, à l'aide de l'équation suivante : Dbp Dtot ù Dai, = K.N.i vol . dm T dm dans laquelle : - Dt0 est une estimation du débit total aspiré par le moteur 10, - K est une constante fonction de la cylindrée du moteur, - N est le régime du moteur, - 1lvoi est le rendement volumétrique du moteur identifié en fonction du régime, de la charge, de la pression dans le collecteur d'admission 14, de la température dans le collecteur d'admission 14, etc., - Pdm est la pression mesurée dans le collecteur d'admission 14, est la température mesurée dans le collecteur d'admission 14, et - Dai, est la mesure du débit d'air réalisée par le débitmètre 36. [0040] Par ailleurs, les moyens de mesure 54 comprennent un calculateur 60 doté d'une mémoire pour le stockage d'une caractéristique de perméabilité prédéterminée donnant pour chaque valeur du débit Dbp traversant le circuit de recirculation 46 une valeur de seuil de perméabilité de référence du second filtre à particules 52, exprimée en différence de pression OPref, au delà de laquelle le second filtre à particule doit être considéré comme encrassé, et d'un comparateur pour la comparaison, pour une valeur estimée du débit Dbp, de la différence de pression mesurée OP et du seuil de perméabilité correspondant OPref. [0041 ~ Si la pression mesurée OP mesurée aux bornes du second filtre à particules 52 est supérieure à la valeur de référence .àPref pour un débit Dbp donné, le second filtre 52 est diagnostiqué comme encrassé et le premier filtre 28 comme dysfonctionnant. Ce diagnostic entraîne une interdiction d'utilisation du circuit de recirculation 46 et protège ainsi la ligne d'admission 32 du moteur 10. Il est alors nécessaire de changer le second filtre à particules 52.
[0042] Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'ensemble moteur à combustion interne représenté sur la figure 3 diffère de celui représenté sur la figure 2 par l'emplacement du second filtre à particules 52. En effet, dans ce second mode de réalisation de l'invention, le second filtre à particules 52 est disposé dans la ligne d'échappement 18 du moteur 10, en amont de la dérivation par le circuit 46 de recirculation de gaz d'échappement de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission 14. Il est donc situé entre le premier filtre à particules 28 et le pot d'échappement 30.
[0043] Il peut être positionné directement après le premier filtre à particules 28, éventuellement dans un même boîtier, par exemple un filtre principal à deux étages successifs de filtration de particules. Dans ce cas, l'impact en perte de charge du second filtre à particules 52 dans le fonctionnement du circuit de recirculation 46 est avantageusement limité sans pour autant nuire à la capacité de détecter un dysfonctionnement du premier filtre à particules 28.
[0044] De même que dans le mode de réalisation précédent, l'ensemble moteur peut comporter un dispositif de détection 54 tel que celui décrit précédemment aux bornes du second filtre à particules 52. [0045] Il apparaît clairement qu'un dispositif de filtrage de particules et qu'un ensemble moteur comportant un tel dispositif de filtrage tels que décrits précédemment permettent une protection du moteur en cas de fissuration du premier filtre à particules 28.
[0046] De préférence, le système de commande moteur sera adapté pour que toute détection d'une défaillance du premier filtre 28 entraine le passage dans un mode dégradé de fonctionnement dans lequel la recirculation des gaz par le circuit basse pression n'est plus autorisée. Le passage en mode dégradé sera de plus accompagné d'un signal d'alarme incitant le conducteur à effectuer le remplacement du premier filtre ù ainsi bien sûr que le filtre en aval qui normalement n'a pas vocation à être encrassé et pourrait constituer une perte de charge.
[0047] Cela permet d'éviter de casser le moteur, le compresseur ou le refroidisseur d'air suralimenté. Cela permet en outre d'entraîner l'économie d'un éventuel capteur de particules en aval du premier filtre à particules 28 qui serait sinon rendu obligatoire pour diagnostiquer des niveaux d'émission de particules supérieurs aux normes d'émission de polluants existantes et à venir. [0048 ] On notera aussi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Notamment, d'autres diagnostics de dysfonctionnement du premier filtre à particules 28 ou de chargement du second filtre à particules 52 peuvent être envisagés.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de filtrage de particules pour moteur à combustion interne (10) doté d'un circuit (46) de recirculation de gaz d'échappement dans lequel une partie des gaz d'échappement est dérivée d'une ligne (18) d'échappement du moteur et est ramenée dans un collecteur d'admission (14) du moteur, comportant un premier filtre à particules (28) disposé de manière à être traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission et un second filtre à particules (52) disposé, en aval du premier, de manière à être également traversé par la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission, caractérisé en ce que le second filtre à particules (52) est conçu pour filtrer, comme le premier filtre à particules (28), des particules issues de la combustion interne.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier filtre à particules (28) est disposé dans la ligne (18) d'échappement du moteur, en amont de la dérivation par le circuit (46) de recirculation de gaz d'échappement de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission (14).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le second filtre à particules (28) est disposé dans la ligne (18) d'échappement du moteur, en amont de la dérivation par le circuit (46) de recirculation de gaz d'échappement de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission (14).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les premier (28) et second (52) filtres à particules sont montés dans un même filtre principal à deux étages de filtration de particules.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le second filtre à particules (52) est disposé dans le circuit (46) de recirculation de gazd'échappement, en aval de la dérivation de la partie des gaz d'échappement ramenée dans le collecteur d'admission (14).
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le second filtre à particules (52) est conçu de manière à représenter un encombrement volumique inférieur au premier filtre à particules (28).
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant en outre un dispositif (54) de détection d'un dysfonctionnement du premier filtre à particules (28).
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le dispositif (54) de détection d'un dysfonctionnement du premier filtre à particules (28) comporte des moyens de mesure (56, 58) d'une perméabilité du second filtre à particules (52) et de comparaison (60) de cette perméabilité à un seuil de perméabilité de référence à débit donné dans le circuit de recirculation (46), pour la détection d'un encrassement du second filtre à particules (52).
  9. 9. Ensemble moteur à combustion interne comportant un moteur Diesel (10), une ligne (18) d'échappement du moteur Diesel, un collecteur d'admission (14) du moteur Diesel, un circuit (46) de recirculation de gaz d'échappement à basse pression et basse température et un dispositif de filtrage (28, 52, 54) de particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. 10. Ensemble moteur selon la revendication 9, comportant un turbocompresseur (20) dont la turbine (22) est disposée en sortie du moteur Diesel (10) et en amont du premier filtre à particules (28), et dont le compresseur (24), alimenté au moins partiellement par le circuit de recirculation (46), est disposé en entrée du collecteur d'admission (14) du moteur Diesel.
  11. 11. Ensemble moteur selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel le circuit de recirculation (46) comporte un échangeur de chaleur(50) et une vanne régulatrice de débit (48) disposés en aval du second filtre à particules (52) dans le sens de recirculation des gaz d'échappement.
  12. 12. Procédé de contrôle d'un ensemble moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, selon lequel un mode de fonctionnement dégradé, interdisant toute recirculation de gaz d'échappement dans le circuit (46) lorsqu'une défaillance du premier filtre à particules (28) a été détectée.
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