FR2943720A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules (10) dans lequel des hydrocarbures sont introduits dans une ligne d'échappement comportant un catalyseur (14) et en aval (dans le sens de circulation des gaz d'échappement), un filtre à particules (10), caractérisé en ce que l'on ajuste de débit d'hydrocarbures en fonction d'au moins un paramètre caractéristique du gaz d'échappement.

Description

PROCEDE DE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES [000l] La présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à parti-cules dans une ligne d'échappement de moteur diesel et un système comprenant une ligne d'échappement de moteur diesel. [0002] Pour réduire la teneur en particules des gaz d'échappement d'un moteur die-sel, il est connu d'utiliser un filtre à particules dans la ligne d'échappement. Des parti- cules s'accumulent dans le filtre en formant des suies. Quand la teneur des particules dans le filtre dépasse une teneur à respecter, il est nécessaire de traiter les suies pour éviter un colmatage du filtre. [0003] Ce traitement s'effectue en portant le filtre à une température permettant la combustion des suies accumulées. Pour ce faire, un apport de carburant dans la ligne d'échappement est effectué, soit via les cylindres du moteur en procédant à une injection de carburant lors de la phase de détente du piston, soit en injectant ce carburant directement dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules. Ce carburant brûle dans un catalyseur situé en amont du filtre à particules permet de chauffer les gaz et de porter le filtre à une température au-delà de 600° C. A cette tempéra- ture, la combustion des suies s'effectuera rapidement et effectivement. [0004] A titre d'exemple, le brevet FR 2 897 648 B1 de la société Renault S.A. décrit une telle injection en ligne d'échappement. Il est proposé de réduire le débit d'injection du carburant ou de différer l'injection du carburant en fonction du débit volumique des gaz d'échappement. [0005] Une stratégie similaire est proposée dans la demande de brevet français FR 2 897 647 Al où l'on propose de protéger le catalyseur en limitant la quantité de carburant à injecter en fonction de la température en entrée dudit catalyseur d'oxydation. [0006 La présente invention vise à fournir un procédé de régulation d'une injection en ligne d'échappement prenant en compte des critères additionnels permettant une protection effective du catalyseur et du filtre à particules, ainsi que la maîtrise de la pollution et des odeurs dues aux hydrocarbures. [0007] Dans ce but la présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules dans lequel des hydrocarbures sont introduits dans une ligne d'échappement comportant un catalyseur et en aval (dans le sens de circulation des gaz d'échappement), un filtre à particules caractérisé en ce que l'on ajuste de débit d'hydrocarbures en fonction d'au moins un paramètre caractéristique du gaz d'échappement. [000s] En ajustant ainsi à chaque instant le débit d'hydrocarbures apporté lors de la phase de régénération, on minimise le risque d'émission d'hydrocarbures, tout en assurant une régénération efficace du filtre à particules. De plus, en évitant la formation d'exothermes trop importants, on minimise le risque d'endommagement du catalyseur d'oxydation et/ou du filtre à particules. [0009] L'ajustement selon l'invention peut être effectué sur des données transitoires comme par exemple la concentration instantanée en oxygène. Cette concentration peut être calculée sur la base de la richesse moteur (rapport air/carburant dans la chambre de combustion du moteur), richesse qui peut être estimée ou mesurée. [ooio] Une autre donnée transitoire qui peut être prise en compte est la richesse instantanée des gaz d'échappement, richesse qui peut être mesurée directement au moyen d'une sonde lambda placée dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur d'oxydation. [0011] L'introduction des hydrocarbures dans la ligne d'échappement est coupée quand la concentration instantanée d'oxygène est inférieure à une concentration minimale d'oxygène ou lorsque la richesse instantanée devient supérieure ou égale à un seuil maximal de richesse. Les concentrations minimales d'oxygène et les seuils maximaux de richesse sont fonction d'un point de fonctionnement du moteur défini par exemple à partir du couple débit de gaz d'échappement/température en entrée du filtre à particules ou régime/couple. [0012] L'ajustement du débit d'hydrocarbures ajouté dans la ligne d'échappement 30 peut également tenir compte de données non transitoires comme par exemple la conbentration maximale d'hydrocarbures que le catalyseur d'oxydation peut brûler en fonction du débit total de gaz dans la ligne d'échappement. [0013] Dans une variante de l'invention, on tient également compte d'une donnée pertinente en transitoire et en régime stabilisé, à savoir le temps de séjour des gaz 5 d'échappement dans ce catalyseur d'oxydation. [0014] Dans une variante de l'invention, ledit paramètre est un débit maximum d'hydrocarbures dans la ligne d'échappement, ledit débit maximum dépendant du débit des gaz d'échappement et de la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules. 10 [0015] En ajustant le débit des hydrocarbures en fonction de la concentration d'oxygène déterminée en amont du catalyseur, on peut notamment assurer que tous les hydrocarbures introduits à l'échappement sont bien brûlés dans la ligne d'échappement, et donc éviter ainsi des rejets d'hydrocarbures. De plus, ce procédé permet d'éviter une surchauffe du catalyseur. 15 [0016] Les hydrocarbures sont introduits par exemple par un injecteur de gazole si-tué dans la ligne d'échappement. Dans une variante de réalisation, les hydrocarbures sont introduits par des post-injections pendant la phase de détente du piston. [0017] Dans un mode de réalisation, l'invention propose que l'introduction des hydrocarbures dans la ligne d'échappement soit coupée quand la concentration 20 d'oxygène est inférieure à une concentration minimale d'oxygène. [ools] Dans une variante, l'ajustement du débit d'hydrocarbures est effectué en fonction du point de fonctionnement du moteur et des conditions de température dans la ligne d'échappement. L'ajustement - ou à la limite la coupure de l'injection de carburant- est plus particulièrement avantageux pendant les phases de forts transitoires 25 durant lesquelles la concentration d'oxygène en amont du catalyseur diminue rapidement, voire s'annule. Dans le cas où la concentration d'oxygène s'annule instantanément, cette stratégie demande la coupure de l'introduction de carburant pour éviter des émissions d'hydrocarbures pendant la régénération du filtre à particules. [0019] Le débit des gaz d'échappement peut être modélisé à partir du débit d'air à 30 l'admission du moteur ou du rendement volumétrique estimé, du débit de carburant injecté dans les cylindres et du débit du gaz d'échappement recyclé (EGR). [0020] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après et sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs dans lesquels : • La figure 1 est un schéma général d'un système de régénération d'un filtre à particules, et • La figure 2 est un schéma général d'un système selon un mode de réalisation alternatif. [0021] La description ci-après fait référence à des modes de réalisation particuliers et l'homme du métier va facilement trouver d'autres combinaisons des particularités caractéristiques de l'invention. [0022] La figure 1 illustre schématiquement un système comprenant un moteur die-sel 22 à quatre cylindres avec une turbine 24 dont l'axe entraine un compresseur du moteur 22. En aval de la turbine 24, la ligne d'échappement comprend un pré-catalyseur 26 et un injecteur 12 pour introduire des hydrocarbures dans la ligne d'échappement. En aval de l'injecteur 12, est situé le catalyseur principal 14. Ce catalyseur 14 est un catalyseur du type DOC (Diesel Oxydation Catalyst pour Catalyseur d'Oxydation Diesel). [0023] Le catalyseur principal 14 est un catalyseur d'oxydation. Situé en aval de celui-ci, la ligne d'échappement comprend un filtre à particules 10. Entre la turbine 24 et le pré-catalyseur 26, la ligne d'échappement comprend une sonde d'oxygène, une sonde lambda 18 qui permet de mesurer la teneur d'oxygène en amont du catalyseur 14. Entre le catalyseur 14 principal et le filtre à particules 10, la ligne d'échappement comprend un capteur de température 16 qui permet de mesurer la température en aval du catalyseur 14 et en amont du filtre à particules 10. En plus, deux capteurs 28, 30 de pression sont disposés en amont et en aval du filtre à particules 10. Avec ces capteurs 28, 30 de pression, il est possible de mesurer la différence de pression à travers le filtre à particules 10. A partir de cette différence, le système de contrôle peut déterminer le débit des gaz dans la ligne d'échappement et la teneur de suie dans le filtre à particules 10.30 [0024] La figure 2 illustre schématiquement une variante dans laquelle la ligne d'échappement ne comporte pas de pré-catalyseur et de ce fait la sortie de turbine 24 est directement liée à l'injecteur 12. [0025] Selon l'invention, la concentration d'oxygène en amont du catalyseur 14 est déterminée en utilisant la sonde d'oxygène 18. Elle peut aussi être calculée. Le débit des hydrocarbures introduits par l'injecteur 12 est déterminé en fonction de cette concentration d'oxygène. En particulier, le débit des hydrocarbures est limité en fonction de la valeur de cette concentration d'oxygène. En effet, une concentration minimale d'oxygène est nécessaire en entrée du filtre à particules pour garantir la corn- bustion des suies, et cette concentration minimale varie en fonction du point de fonctionnement du moteur, des conditions de température dans la ligne d'échappement, et du débit des gaz d'échappement. [0026] Les autres facteurs limitant le débit des hydrocarbures introduits sont déterminés sur la valeur du débit des gaz dans la ligne d'échappement, de la température en amont du filtre à particules 10, déterminée par la sonde 16 de la température, du couple et du régime du moteur 22, d'une concentration des hydrocarbures maximale en amont du catalyseur 14, de la richesse du moteur 22 et du temps de présence des gaz dans le catalyseur 14 calculé à la valeur du débit des gaz dans la ligne d'échappement et déterminé à l'aide des capteurs de pression 28, 30. Les facteurs sous- mentionnés permettent de calculer plusieurs valeurs limites pour la consigne de carburant à injecter pour la régénération du filtre à particules 10. Toutes ces valeurs limites sont variables et dépendent des autres paramètres du moteur 22 ou de la ligne d'échappement. [0027] Afin d'empêcher les émissions des hydrocarbures en sortie du catalyseur 14, il faut garantir que la quantité du gazole injecté ne dépasse pas cette quantité maxi-male variable déterminée en particulier en fonction de la quantité d'oxygène donnée. Le rôle de cette saturation est de limiter la consigne de carburant injecté pour la ré-génération du filtre à particules 10 en fonction de l'oxygène disponible en amont du catalyseur 14. Il est connu que l'oxydation de 1 g de gazole nécessite environ 3,36 g d'oxygène. [0028] Dans un autre mode de réalisation non illustré, la concentration d'oxygène peut être calculée à l'aide de la formule suivante: 32 'nH +nc•(1ùO) [02]%m =100 (32+3.78x28).nHX+nc+0•(nH+l2nc) i où [02]%m représente la concentration massique d'oxygène en sortie turbine comme montré sur la figure 2 ou en sortie pré-catalyseur (sur la figure 1), nH représente le nombre d'atomes d'hydrogène (H) dans la molécule du gazole, ne représente le nombre d'atomes de carbone (C) dans la molécule du gazole, 1 représente la richesse moteur, qui est soit calculée à partir des données issues du moteur (consigne de débit carburant injecté dans les cylindres et mesure du débit d'air en admission du moteur), soit mesurée à l'aide d'une sonde lambda. [0029] Dans un mode de réalisation préféré, l'introduction des carburants pour la régénération du filtre à particules 10 est coupée quand la concentration d'oxygène est inférieure à une concentration minimale d'oxygène. Cette concentration minimale d'oxygène est de préférence variable et dépend de la valeur du signal du capteur de température 16 et du débit des gaz dans la ligne d'échappement. En plus, le système de contrôle peut calculer le temps de présence des gaz dans le catalyseur 14 en fonction du débit des gaz dans la ligne d'échappement et du volume du catalyseur d'oxydation et limiter la consigne de carburant injecté pour la régénération du filtre à particules 10 en fonction de ce temps de présence. [0030] Pour une plus grande efficacité de la combustion, il est nécessaire que les gaz restent suffisamment longtemps dans celui-ci. Dans les phases de fortes transi- toires, le débit des gaz augmente et le temps de présence diminue fortement. Lors de ces phases, cette saturation permet de saturer le débit à injecter pour la régénération du filtre à particules 10 et ainsi, la limitation de l'émission d'hydrocarbures (source de pollution et de mauvaise odeur). [0031] La température nécessaire en aval du catalyseur 14 pour la combustion des particules accumulées dans le filtre à particules 10 est de l'ordre de 600° C dans le cadre d'un filtre à particules sans additif. Elle est de l'ordre de 450°C pour un filtre à particules 10 avec additif. Cette température est générée par l'oxydation des hydrocarbures dans le catalyseur 14, ce qui est dû au fait que les réactions d'oxydation sont exothermiques. Lorsque la température en sortie du catalyseur est à la cible (de 450°C à 600°C suivant la technologie), celle-ci est bien supérieure au sein du catalyseur 14. Un risque de dégradation, voir de destruction du catalyseur 14 existe si cette température atteint pendant des durées suffisamment longues des niveaux de l'ordre de 750°C en continu ou même instantanément des niveaux de l'ordre de 800°C. [0032] De plus, la limitation en fonction de la température peut être utilisée pour les faibles températures en dessous de 200° C lorsque le catalyseur 14 n'est pas encore amorcé. Cela signifie que tous les hydrocarbures introduits dans la ligne d'échappement ressortent du catalyseur 14 sans être brûlés. Pour éviter cette pollution, il ne faut pas injecter des hydrocarbures dans la ligne d'échappement tant que le cataly- seur 14 n'est pas amorcé. [0033] Pour minimiser les risques d'injection en dehors de la plage de température dédiée, l'invention propose une saturation en débit introduit maximal. La mesure de température en aval du catalyseur 14 et en amont du filtre à particules 10 par le capteur de température 16 est exploitée pour autoriser l'introduction des hydrocarbures.
La calibration de ce débit maximal peut être achevée directement sur un moyen d'essai. [0034] Afin de prendre en compte le fait que le niveau de limitation à appliquer est fortement lié au débit des gaz d'échappement et au niveau de la température en aval du catalyseur 14 et en amont du filtre à particules 10, ce débit maximal dépend de ces deux paramètres. En effet, plus le débit des gaz d'échappement est élevé, plus la quantité maximale autorisée est élevée. Aussi, plus la température en aval du catalyseur 14 et en amont du filtre à particules 10 est importante, plus le besoin de saturer la consigne des hydrocarbures devient important. [0035] La stratégie proposée permet de maîtriser les émissions polluantes du mo- teur diesel lors des phases de régénération du filtre à particules, de protéger les composants du système des températures trop élevées et de protéger le véhicule contre un risque incendie. [0036] La limitation ou saturation de la consigne carburant s'applique à la consigne finale de la quantité de carburant. Cette consigne finale est le résultat des calculs de la boucle ouverte et de la boucle fermée du recyclage d'échappement. En appliquant plusieurs limitations en parallèle, tous les cas d'avaries peuvent être couverts.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1 Procédé de régénération d'un filtre à particules (10) dans lequel des hydrocarbures sont introduits dans une ligne d'échappement comportant un catalyseur (14) et en aval, dans le sens de circulation des gaz d'échappement, un filtre à particules (10), caractérisé en ce que l'on ajuste le débit d'hydrocarbures en fonction d'au moins un paramètre caractéristique du gaz d'échappement.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre est la concentration en oxygène instantanée.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit paramètre est la richesse instantanée du gaz d'échappement.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'introduction des hydrocarbures dans la ligne d'échappement est coupée quand la concentration instantanée d'oxygène est inférieure à une concentration minimale d'oxygène ou lorsque la richesse instantanée est supérieure ou égale à un seuil maximal de richesse.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit paramètre est une concentration maximale d'hydrocarbures que le catalyseur peut brûler en fonction du débit total de gaz dans la ligne d'échappement.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit paramètre est le temps de séjour des gaz d'échappement dans le catalyseur d'oxydation.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit paramètre est un débit maximum d'hydrocarbures dans la ligne d'échappement, ledit débit maximum dépendant du débit des gaz d'échappement et de la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ajustement du débit d'hydrocarbures est effectué en fonction du point de fonctionnement du moteur et des conditions de température dans la ligne d'échappement.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d'hydrocarbures introduit dans la ligne d'échappement est apporté directement dans la ligne d'échappement.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d'hydrocarbures introduit dans la ligne d'échappement est appor-10 té en procédant à des post-injections.
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