FR2982317A1

FR2982317A1 - Procede d'aide a la regeneration d'un filtre a particules

Info

Publication number: FR2982317A1
Application number: FR1160074A
Authority: FR
Inventors: Cyril Camescasse
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-05-10
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: FR2982317B1

Abstract

Procédé d'aide à la régénération d'un filtre (12) placé dans la ligne (11) d'échappement d'un moteur thermique (7) équipant un véhicule dont la traction est réalisée au moyen du moteur thermique (7) et/ou d'une machine électrique (14), caractérisé par des phases de régénération pendant lesquelles le moteur thermique (7) n'est pas alimenté en carburant et est énergisé par la machine électrique (14) pour fonctionner alors comme une pompe à air.

Description

PROCEDE D'AIDE A LA REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES pool] La présente invention concerne un procédé d'aide à la régénération d'un filtre à particules, et plus particulièrement un procédé d'aide à la régénération d'un filtre à particules placé dans la ligne d'échappement des gaz émis par un véhicule équipé d'un moteur thermique et d'une machine électrique à l'exemple des véhicules dits hybrides. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques comportent habituellement des éléments polluants et notamment des particules qui sont rejetées dans l'atmosphère. Même si ces particules ont souvent été associées uniquement aux moteurs diesel, tout moteur à combustion en génère. [0003] Pour supprimer les émissions de particules, des filtres sont placés sur le trajet des gaz d'échappement, dans la ligne d'échappement des gaz. Ces filtres sont généralement des cylindres en céramiques composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns), les parois des canaux étant poreuses aux gaz tels que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau qui constituent l'essentiel des gaz d'échappement, mais non aux particules qui sont donc piégées sous forme de suies. [0004] Ces suies encrassent progressivement le filtre et doivent donc être éliminées régulièrement par une opération de régénération du filtre. Les particules sont piégées dans ces canaux sous forme de suies ce qui a pour effet d'encrasser progressivement le filtre qui consiste essentiellement à les brûler. Cette régénération doit être opérée avant que la masse de suie n'atteigne une valeur limite qui pourrait créer un exotherme trop important pouvant alors favoriser la formation de fissures, appelées « cracks » en anglais, et donc endommager le filtre. [0005] De plus, cette régénération nécessite de la chaleur et de l'oxygène comme comburant. Avec une motorisation diesel, à inflammation spontanée, le problème principal est celui d'un apport de chaleur, les gaz d'échappement en sortie de moteur étant à une température typiquement très inférieure à la température requise pour brûler les suies. Par contre, comme les moteurs diesel sont opérés avec des mélanges air/carburant dits pauvres, c'est-à-dire comportant un excès d'oxygène par rapport à la quantité requise par la stoechiométrie de la réaction de combustion, l'air en excès apporte l'oxygène nécessaire. [0006] La problématique est pratiquement inversée avec les moteurs dits essence, encore appelés moteurs Otto, pour lesquels l'inflammation du mélange est obtenue avec une étincelle produite par une bougie d'allumage. Dans ce cas, les gaz d'échappement sont plus chauds, avec une température en sortie de moteur par exemple comprise entre 450t et 500t. De plus, dan s ou en amont du filtre à particules, on place systématiquement un catalyseur dit 3 voies qui augmente la température des gaz. Pour autant, une température de plus de 600`C n'est pas toujours atteinte, surtout si le profil de roulage est essentiellement urbain. Par ailleurs, comme la réaction de combustion est menée dans des conditions essentiellement stoechiométriques (et ceci est d'autant plus vrai que la ligne d'échappement est également pourvue d'un catalyseur dit trois voies qui n'est efficace que si la richesse du mélange est comprise entre 0,98 et 1,02), la combustion des suies est gênée par manque d'oxygène. [0007] Il existe donc un besoin d'aide à la régénération des filtres à particules équipant des lignes d'échappement de moteur essence. [0008] Pour augmenter la quantité d'oxygène à l'échappement, différentes solutions ont été envisagées. La première est une régulation de la richesse du mélange air/carburant, mais ceci impacte les prestations du moteur, la dépollution (inefficacité du catalyseur 3 voies) et la stabilité du moteur donc l'agrément de conduite. Pour toutes ces raisons, cette solution est en pratique écartée. [0009] Une autre solution est l'injection d'air à l'échappement, mais cette solution est normalement prévue pour des phases à faibles charges et la pompe d'injection n'est pas dimensionnée pour des phases de roulage à hauts régimes/ fortes charges comme par exemple sur autoroute. [0010] On peut aussi envisager de prévoir une canalisation reliant l'admission, par exemple en aval du compresseur, à l'aval de la turbine dans la ligne d'échappement, mais cette solution est coûteuse, tant financièrement (nouvelles pièces) qu'en termes d'implantation (où placer cette nouvelle canalisation, surtout sur un petit véhicule où l'espace sous capot moteur est particulièrement compté). [0011] Pour les configurations dites hybrides, on a proposé d'augmenter la charge du moteur thermique en suscitant une demande de fourniture d'énergie électrique à un stockeur d'énergie associé à la machine électrique. Plus précisément, dans la demande de brevet FR 2 919 665, on a proposé un procédé d'aide à la régénération d'un filtre, notamment d'un filtre à particules régénéré par brûlage des suies accumulées suite à l'augmentation de la température des gaz d'échappement, le filtre étant placé dans la ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique, ce moteur étant associé à une machine électrique capable de fournir de l'énergie mécanique au moteur, notamment lors des phases de démarrage, ou de fournir de l'électricité à un stockeur d'énergie. Lors de la régénération du filtre, on répète une succession de cycles comportant chacun une première phase pendant laquelle la charge du moteur est augmentée par une demande de fourniture d'énergie électrique et une seconde phase de décharge du stockeur par une demande de fourniture d'énergie mécanique au moteur. Toutefois ce procédé ne permet pas d'augmenter la quantité d'oxygène disponible dans la ligne d'échappement. [0012] C'est pourquoi selon l'invention il est proposé d'exploiter des architectures hybride, c'est-à-dire des architectures selon lesquelles la traction du véhicule peut être obtenue par le moteur thermique et/ou par une machine électrique, pour procéder à des phases de régénération du filtre à particules pendant lesquelles le moteur thermique n'est pas alimenté en carburant et est énergisé par la machine électrique pour fonctionner alors comme une pompe à air. [0013] L'invention est tout particulièrement adaptée pour les véhicules hybrides équipés d'un moteur essence pour lesquels comme indiqué précédemment, la quantité d'oxygène est souvent insuffisante dans la ligne d'échappement pour une bonne régénération du filtre. Plus généralement, l'invention est tout particulièrement avantageuse pour les moteurs opérés avec un mélange air/carburant voisin du rapport stoechiométrique de la réaction de combustion du carburant par l'oxygène de l'air, ce qui inclut notamment les moteurs opérés à partir de gaz liquéfié ou d'éthanol. [0014] Ces phases en mode « pompe à air » seront typiquement relativement brèves, par exemple d'une durée comprise entre 0,5 et 60 secondes, en fonction de la masse de suies à régénérer. Il ne s'agit pas de refroidir le filtre à particules avec de l'air extérieur mais bien d'insuffler de l'oxygène à la manière d'un soufflet pour un feu de cheminée. [0015] Avantageusement, si l'admission du moteur thermique est munie d'un refroidisseur d'air suralimenté et de moyens pour bipasser ce refroidisseur, lors des phases en mode « pompe à air », on dirigera tout l'air admis vers le by-pass de sorte que l'air admis dans le moteur n'est pas refroidi avant son admission. [0016] Dans une variante de l'invention, le véhicule comportant un embrayage piloté associé au moteur thermique et un stockeur d'énergie électrique lié électriquement à la machine électrique et à un démarreur du moteur thermique, lorsque l'on utilise le moteur thermique comme une pompe à air, on débraye l'embrayage et la machine électrique énergise le démarreur qui fait alors tourner le moteur. Avantageusement, le démarreur est du type alterno-réversible. [0017] Dans une autre variante de l'invention, le véhicule comportant un embrayage piloté associé au moteur thermique et la machine électrique et le moteur thermique entrainant des essieux différents, lorsque l'on utilise le moteur thermique comme une pompe à air, on embraye l'embrayage et le moteur thermique est énergisé au travers de l'essieu qui lui est associé. [0018] Le manque d'oxygène pour une régénération du filtre à particules n'est pas toujours présent et dans certains cas, même avec des moteurs essence, le problème est également un problème de thermique, autrement dit des gaz d'échappement trop froids. Dans ce cas, on va également prévoir des phases de roulage pendant lesquelles le moteur thermique est en marche (carburant injecté et allumage pour déclencher l'explosion), et où on il est « lesté » pour augmenter la charge moteur et de ce fait, la température des gaz d'échappement. [0019] Ces phases de lestage sont de préférence opérées pendant une durée comprise entre 0,5 et 60 secondes. [0020] Ces phases de « lestage » peuvent être opérées en jouant simplement sur les réglages du moteur et/ou en utilisant l'alterno-démarreur pour alimenter la batterie, et 30 créer une charge moteur supplémentaire. [0021] Un second mode de lestage consiste à faire tourner le moteur thermique, en l'alimentant avec du carburant, tout en laissant l'embrayage en position débrayé, la traction du véhicule étant alors assurée par la machine électrique, et le couple fourni par le moteur thermique étant alors utilisé pour recharger les batteries qui alimentent la machine électrique. [0022] Enfin, on peut utiliser les deux sources de traction simultanément, avec alors un moteur thermique en mode combustion, un embrayage piloté fermé, et une machine électrique tournante, alimentée par une batterie directement rechargée par l'alternodémarreur. [0023] Dans les 3 modes de lestage précisés, les phases de régénération pendant lesquelles le moteur thermique fonctionne comme une pompe à air alternent donc avec des phases pendant lesquelles le moteur thermique fonctionne comme un moteur à combustion, la charge du moteur étant augmentée en opérant l'alternodémarreur en mode alternateur. [0024] Pour un moteur essence, ces phases avec un lestage du moteur thermique auront typiquement une durée voisine de celles des phases pendant lesquelles le moteur fonctionne comme une pompe à air, donc à nouveau de l'ordre de la seconde. A noter que ces phases ne sont normalement pas nécessaires avec un moteur essence en dehors de conditions de roulage spécifiques, à l'exemple d'un roulage très ralenti en ville. [0025] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple d'architecture hybride pour un véhicule automobile ; - la figure 2 illustre schématiquement un procédé selon l'invention permettant un apport d'oxygène pendant les phases de régénération d'un filtre à particules ; - la figure 3 illustre schématiquement un procédé selon l'invention permettant un apport d'oxygène pendant les phases de régénération d'un filtre à particules selon une deuxième variante; et, - les figures 4 à 6 illustrent trois modes opératoires avec lestage du moteur thermique pour apporter de la thermique dans la ligne d'échappement. [0026] La figure 1 illustre très schématiquement un exemple d'architecture hybride pour un véhicule automobile. Le véhicule est équipé de quatre roues 1,2, 3, 4, dont deux roues dites motrices, 1, 2 associées par exemple au train avant, entrainées par l'essieu avant 5, et deux roues 3 ; 4 du train arrière reliées par un essieu arrière 6. Il va de soi qu'il est aussi possible d'inverser les deux trains, avec alors un moteur thermique accouplé au train arrière du véhicule, et une machine électrique pour le train avant. [0027] De façon classique, pour actionner les roues motrices, l'essieu avant 5 est accouplé mécaniquement à l'arbre de sortie d'un moteur thermique 7, au travers d'un embrayage ici schématisé par une double flèche 8 et d'une boite de vitesse 9. Sur cette figure, on observe de façon générale que les flèches avec des hachures horizontales illustrent des connexions mécaniques. [0028] Embrayage et boite de vitesse doivent être du type pilotés pour répondre automatiquement par exemple à une commande d'ouverture (embrayage débrayé) ou de fermeture (embrayage embrayé) lancée par un superviseur du groupe moteur. [0029] Sur ce schéma de principe, on a simplement fait figurer d'une part un démarreur 10 et une ligne d'échappement 11 associée au moteur thermique, munie d'un filtre à particules 12, ces éléments figurant ici pour simplement illustrés des fonctions du véhicule importantes dans le cadre de la présente invention. [0030] Le démarreur 10 est alimenté en courant électrique par une batterie 13 (les flèches remplies par des traits ondulées représentant des liens électriques). Dans le cas ici illustré, le démarreur 10 est du type alterno-démarreur et peut donc fonctionner en mode démarreur pour lancer l'arbre moteur dans les phases de démarrage et en mode alternateur pour la recharge de la batterie 13. Cette batterie 13 alimente également une machine électrique 14, associée au train arrière du véhicule. La batterie peut être constituée d'une classique batterie au plomb ou de manière préférée par un ensemble constitué d'une batterie au plomb et d'un stockeur d'énergie comportant des capacités, liées à la batterie par un convertisseur DC/DC. [0031] Cette architecture est bien adaptée à la mise en oeuvre du procédé d'aide à la régénération selon l'invention dans le cas où la régénération est pénalisée par un manque d'oxygène dans la ligne d'échappement. Cette situation pourrait se rencontrer notamment lorsque le véhicule effectue un long parcours autoroutier. [0032] Dans cette hypothèse, on va pendant une courte période entrainer le moteur en coupant l'injection d'essence. Cette phase est illustrée à la figure 2, où on note que le moteur n'est plus lié mécaniquement avec la boite de vitesse, autrement dit le superviseur GMP a commandé un débrayage de l'embrayage, il n'y a donc pas de transmission de couple aux roues avant. [0033] La traction du véhicule est donc alors assurée par les roues arrière entrainées par la machine électrique énergisée par la batterie. [0034] De plus la batterie alimente l'alterno-démarreur 10 qui fait tourner l'arbre du moteur. Cet arbre étant relié via la courroie de distribution à un arbre à cames commandant le mouvement des soupapes, ceci entraine l'activation des soupapes d'admission et d'échappement, soupapes qui jouent donc maintenant exactement le rôle des clapets d'une pompe à air. [0035] Comme indiqué précédemment, ces phases de roulage où on observe un manque d'oxygène par rapport à la régénération du filtre à particules se rencontrent plus particulièrement lors des périodes de roulage à régimes relativement élevés et fortes demandes de couple. Pour les véhicules particuliers, ces périodes sont relativement rares, car même si le véhicule effectue un long parcours autoroutier, le conducteur est amené à lever le pied de l'accélérateur assez fréquemment par exemple lorsque la pente de la route devient descendante ou pour maintenir un écart de sécurité avec les autres véhicules. Par contre, le problème est beaucoup plus fréquent avec les véhicules supportant des charges de bagages élevées, à l'exemple de nombreux véhicules utilitaires. Comme le moteur est opéré avec une richesse voisine de 1, ces phases se rencontrent également lorsque le véhicule roule au ralenti (cas du véhicule utilisé uniquement dans des conditions de trafic très denses). [0036] Avantageusement, ces phases à fortes charges sollicitent fortement le moteur 30 thermique. Donc au moment où l'on passe dans ce mode « pompe à air », le filtre à particules se situe dans sa plage élevée de température et on n'a pas de problèmes spécifiques de thermiques. Un simple gain d'oxygène pendant une durée supérieure à 2 secondes et n'excédant normalement pas 20 secondes, et typiquement de l'ordre de 5 secondes, suffit à initier ou entretenir la réaction de combustion des suies accumulées dans le filtre à particules. [0037] Un autre mode de fonctionnement en mode « pompe à air » est illustré à la figure 3. Comme précédemment, la traction est assurée par le train arrière grâce à la machine électrique 14 alimentée par la batterie 13. [0038] Cette fois, le moteur n'est plus mis en route au moyen du démarreur mais via la boite de vitesse et l'embrayage en position fermée. En effet, le véhicule étant alors 10 tracté par les roues arrière, les roues avant tournent, et comme l'embrayage étant embrayé, cette rotation est transmise à l'arbre moteur. [0039] Ce second mode de fonctionnement peut avantageusement être utilisé pendant des durées un peu plus longues que précédemment et surtout entraine un moindre risque d'endommagement du démarreur, surtout si celui-ci n'est pas conçu 15 pour entrainer l'arbre moteur sur plus de quelques tours. Par contre, la pénalité en consommation électrique est plus grande car l'accouplement mécanique roues avant//moteur constitue une source de freinage importante que la machine électrique va devoir compenser si on veut que l'opération soit essentiellement invisible pour le conducteur. Il va de soi que cela suppose également une machine électrique adaptée, 20 capable par exemple d'opérer le véhicule pendant une durée supérieure ou égale à une minute. [0040] Comme précédemment, dès que la régénération des suies du filtre à particules est suffisante et terminée, on peut rebasculer en mode classique de fonctionnement du GMP hybride. 25 [0041] Dans une variante de l'invention, les phases de régénération pendant lesquelles le moteur thermique fonctionne comme une pompe à air alternent avec des phases pendant lesquelles le moteur thermique fonctionne comme un moteur à combustion, la charge du moteur étant augmentée en opérant l'alterno-démarreur en mode alternateur. Ces phases pendant lesquelles la charge du moteur est augmentée sont 30 tout particulièrement utiles si on souhaite pouvoir effectuer des régénérations alors que le moteur thermique est essentiellement en mode ralenti, dans l'hypothèse d'un roulage quasi exclusivement en ville, de sorte que les conditions naturellement favorables à une régénération du filtre à particules ne se produisent pour ainsi dire jamais. [0042] Différentes voies pour réaliser ces phases de lestage du moteur thermiques sont illustrées à l'aide des figures 4 à 6. Ces phases de lestage du moteur thermique peuvent être nécessaires si véhicule est utilisé de façon presque continue dans des parcours urbains lents, c'est-à-dire avec des conditions essentiellement de bouchons, où le véhicule est souvent arrêté et ne peut pas atteindre une vitesse de l'ordre de 40 km/h, contrairement à ce qui se produit dans l'hypothèse d'un parcours urbain « fluide » [0043] Dans l'exemple de la figure 4, ce lestage du moteur est obtenu avec le moteur thermique seul, et en utilisant alors l'alterno-démarreur pour augmenter la demande de couple. Dans ce cas de figure, le véhicule est tracté par les roues avant et on se retrouve essentiellement avec une configuration de traction avant conventionnelle. [0044] Dans celui de la figure 5, la traction du véhicule est assurée par la machine électrique, avec donc une traction par les roues arrière, et le moteur continue d'être alimenté en carburant même si l'embrayage est débrayé. Pour augmenter la charge du moteur thermique, comme dans le cas précédent, l'alterno-démarreur est en mode alternateur. [0045] Enfin, dans le cas de la figure 6, on a une traction du véhicule assurée à la fois par le moteur thermique et la machine électrique, ce qui implique un embrayage fermé, et un moteur thermique entrainant l'alterno-démarreur en mode alternateur pour charger la batterie (par ailleurs sollicitée par la machine électrique). [0046] Le principal avantage de l'invention est que même lors des phases où le moteur thermique est placé en mode pompe à air, la traction du véhicule reste assurée de sorte que l'opération est totalement transparente pour le conducteur. De plus, il doit être souligné que les procédés conformes à l'invention ne nécessitent pas de moyens matériels complémentaires et sont compatibles avec l'ensemble des moyens techniques qui peuvent être prévus à l'exemple d'un turboco2mpresseur ou de moyens de distribution variables. [0047] Ainsi, par un simple pilotage des moyens existants, on peut apporter de l'oxygène sur de nombreux point de régime/charge moteur et donc créer/contrôler des phases de régénérations même dans les conditions les plus sévères (ville très lent/autoroute rapide).5

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'aide à la régénération d'un filtre (12) placé dans la ligne (11) d'échappement d'un moteur thermique (7) équipant un véhicule dont la traction est réalisée au moyen du moteur thermique (7) et/ou d'une machine électrique (14), caractérisé par des phases de régénération pendant lesquelles le moteur thermique (7) n'est pas alimenté en carburant et est énergisé par la machine électrique (14) pour fonctionner alors comme une pompe à air.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsqu'il est alimenté en carburant, le moteur thermique (7) l'est avec un mélange air/carburant voisin du rapport stoechiométrique de la réaction de combustion du carburant par l'oxygène de l'air.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les phases de régénération avec le moteur thermique (7) en mode « pompe à air » sont opérées pendant une durée comprise entre 0,5 et 60 secondes.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les phases de régénération avec le moteur thermique (7) en mode « pompe à air » sont opérées pendant une durée comprise entre 2 et 20 secondes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors des phases de régénération avec le moteur thermique (7) en mode « pompe à air », l'air admis dans le moteur thermique (7) n'est pas refroidi avant son admission.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le véhicule comportant un embrayage piloté (8) associé au moteur thermique (7) et un stockeur d'énergie électrique (13) lié électriquement à la machine électrique (14) et à un démarreur (10) du moteur thermique, lorsque l'on utilise le moteur thermique comme une pompe à air, on débraye l'embrayage (8) et la machine électrique énergise le démarreur.
7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le démarreur (10) est un alternateur réversible.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le véhicule comportant un embrayage piloté (8) associé au moteur thermique (7) ; la machine électrique (14) et le moteur thermique (7) entrainant des essieux (5 ; 6) différents, lorsque l'on utilise le moteur thermique (7) comme une pompe à air, on embraye l'embrayage (8) et le moteur thermique (7) est énergisé au travers de l'essieu (5) qui lui est associé.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les phases de régénération pendant lesquelles le moteur thermique (7) fonctionne comme une pompe à air alterne avec des phases pendant lesquelles le moteur thermique (7) fonctionne comme un moteur à combustion, la charge du moteur étant augmentée en opérant le démarreur du type alterno-démarreur en mode alternateur.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les phases pendant lesquelles la charge du moteur est augmentée sont opérées pendant une durée comprise entre 0,5 et 60 secondes.