FR3020411A1

FR3020411A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules impregne par paliers de temperature

Info

Publication number: FR3020411A1
Application number: FR1453867A
Authority: FR
Inventors: Mohamed Bozian
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2015-10-30
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: FR3020411B1

Abstract

L'invention porte sur un procédé de régénération d'un filtre à particules imprégné de réducteur pour une catalyse sélective, le filtre à particules imprégné étant présent dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, la régénération se faisant par une augmentation de la température dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules imprégné, caractérisé en ce que la régénération se fait par au moins deux paliers de température (1, 2) de régénération dans le filtre à particules imprégné avec un premier palier d'initiation (1) de la régénération à une première température (T1) de régénération et un deuxième palier de continuation (2) de la régénération à une deuxième température (T2) de régénération, la deuxième température (T2) étant inférieure à la première (T1) afin de limiter l'exotherme de la régénération dans le filtre. Application dans le domaine des véhicules automobiles.

Description

PROCEDE DE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES IMPREGNE PAR PALIERS DE TEMPERATURE [0001] L'invention porte sur un procédé de régénération d'un filtre à particules imprégné par paliers de température. Ce qui est entendu par filtre à particules imprégné sera précisé après le détail des organes de dépollution pouvant être présents dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. [0002] L'invention se situe donc dans le domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, avantageusement un véhicule Diesel ou tout véhicule muni d'un filtre à particules imprégné. [0003] De manière générale, un véhicule automobile à moteur thermique présente une ligne d'échappement pour le traitement de dépollution des gaz la parcourant équipée sans que cela soit limitatif: - éventuellement d'un catalyseur d'oxydation Diesel ci-après désigné sous la 15 dénomination catalyseur DOC traitant le monoxyde de carbone ou CO et les hydrocarbures ou HC, - d'un moyen optionnel de post traitement des oxydes d'azote ou NOx en aval du catalyseur DOC, par exemple un système de réduction catalytique sélective, ci-après désigné par système RCS mais aussi connu sous l'appellation anglaise de SCR, 20 - d'un filtre à particules pouvant être imprégné ou non et étant disposé en aval du catalyseur DOC, le catalyseur DOC pouvant être avantageusement au moins en partie le lieu de l'exotherme pour la régénération du filtre à particules. Ce filtre à particules peut être fait en Carbure de Silicium (SiC), Titanate d'Aluminium (AI), cordierite... La stratégie décrite dans la présente demande peut s'appliquer à l'ensemble des matériaux de filtre en 25 adaptant les niveaux de températures et de temps. [0004] Un filtre à particules sert à retenir des particules contenues dans les gaz d'échappement traversant la ligne d'échappement du véhicule. De manière connue, un filtre à particules présente avantageusement un substrat poreux servant au filtrage des gaz d'échappement contenant des particules de suie. 30 [0005] Un système RCS pour Réduction Catalytique Sélective fonctionne par injection dans la ligne d'échappement d'un agent de dépollution dit réducteur RCS, cet agent étant avantageusement mais non limitativement de l'ammoniac ou un dérivé de l'ammoniac telle que l'urée. L'injection d'un agent réducteur dans un système RCS intégré à la ligne d'échappement neutralise une grande partie des oxydes d'azote. [0001] Contrairement à d'autres modes d'élimination des oxydes d'azote, comme par exemple un système LNT ou piège à NOx retenant les oxydes d'azote par réaction chimique puis les neutralisant par injection d'un surplus de carburant, le principal avantage d'un système RCS est de ne pas dépendre d'un ajout de carburant, étant donné que l'agent d'élimination des oxydes d'azote n'est pas un excès de carburant en provenance du moteur mais un agent réducteur ajouté dans la ligne d'échappement. Ainsi, une consommation optimale de carburant est conservée, ce qui permet de maintenir les émissions de dioxyde de carbone ou CO2 à un niveau optimal et de ne pas augmenter la dépense énergétique du véhicule. [0002] Il est de plus en plus fréquent qu'un tel système RCS soit incorporé dans le filtre à particules précédemment décrit. Dans ce cas, un tel filtre à particules est désigné comme étant un filtre à particules imprégné d'un catalyseur pour une réduction catalytique sélective des NOx, aussi dénommé FRCS pour Filtre à particules et Réduction Catalytique Sélective, un tel filtre à particules étant encore aussi connu sous l'appellation anglaise de SCRF. [0003] Un tel filtre à particules imprégné est un filtre dont les parois ont été imprégnées avec un catalyseur de type RCS, c'est-à-dire d'un catalyseur pour une réduction catalytique sélective. Le filtre à particules imprégné du type FRCS est ainsi un organe de dépollution à double fonction qui permet, d'une part, de retenir les particules de suie et, d'autre part, d'éliminer les oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement du moteur thermique du véhicule, le moteur thermique étant avantageusement mais pas seulement un moteur Diesel. [0004] Au bout d'une certaine durée d'utilisation ou d'une certaine distance parcourue par le véhicule, tout filtre à particules se retrouve chargé en particules de suie. Il faut alors le nettoyer ou le régénérer. Cette régénération passe par la combustion de ces suies. Pour brûler ces suies, le moteur thermique passe dans un mode de combustion spécifique pour augmenter la température des gaz d'échappement environ jusqu'à 600°C en amont du filtre à particules pour brûler les suies dans le filtre à particules. [0005] Dans le cas d'un filtre à particules imprégné du type FRCS, les régénérations d'un tel filtre qui s'effectuent à 600°C engendrentplusieurs inconvénients. [0006] Le premier inconvénient est une augmentation importante de la température dans le filtre à particules imprégné, ce qui endommage le matériau du filtre à particules imprégné et aboutit à sa destruction et à baisser son efficacité de filtration. Cet exotherme est expliqué en partie par l'oxydation du monoxyde de Carbone (CO) sur le catalyseur de réduction des oxydes d'azote ou NOx. Le monoxyde de carbone résulte de la combustion incomplète des suies lors de la régénération du filtre à particules. [0007] Le second inconvénient est que les fortes températures dans le filtre à particules imprégné engendrent également un endommagement du catalyseur de réduction des NOx dont est imprégné le substrat. Ce catalyseur de réduction de NOx est aussi connu sous la dénomination anglaise de « washcoat SCR» et sert à l'élimination des oxydes d'azote par la présence d'un réducteur RCS, par exemple, de l'ammoniac ou un précurseur de l'ammoniac tel que l'ammoniac, la solution dite Adblue® étant d'un usage le plus répandu. [0008] Un troisième inconvénient est que pour atteindre la température de 600°C le moteur se met dans un mode de combustion particulier qui entraîne de la dilution du lubrifiant moteur. Pour éviter les problèmes d'exotherme cités ci-dessus on serait tenté de faire une régénération à plus faible température, ce qui se traduirait par une régénération du filtre à particules plus longue et donc contribuerait à augmenter d'avantage la dilution. [0009] Ceci n'a pas encore été pris en compte par l'état de la technique qui ne propose que des solutions pour effectuer la régénération d'un filtre à particules n'étant pas un filtre à particules imprégné et qui n'est donc pas confronté aux désavantages spécifiques survenant lors de la régénération d'un filtre à particules imprégné décrits précédemment. [0010] Par exemple, le document FR-A-2 957381 décrit un procédé de régulation de la température de régénération d'un filtre à particules de moteur de véhicule, le moteur étant équipé d'une ligne d'échappement avec estimation et correction d'une température en aval d'un catalyseur d'oxydation DOC présent dans la ligne mais en amont du filtre à particules. La température en amont du filtre à particules est estimée. Cette température présente des paliers et est régulée autour de ces paliers. [0011] Premièrement, ce document ne traite pas d'un filtre à particules imprégné d'un réducteur RCS et donc ne donne aucune indication quant à résoudre les désavantages spécifiques à ce filtre lors de sa régénération. [0012] Secondement, l'objectif du premier palier décrit dans ce document n'est pas de lancer la régénération mais d'activer le catalyseur DOC afin de le préparer pour qu'il brûle les hydrocarbures issus de post-injections tardives dans le but d'augmenter la température en amont du filtre. Ce document ne donne donc aucune indication quant à la gestion de la combustion des suies dans un filtre à particules et encore moins dans un filtre à particules imprégné. [0013] La seule solution possible jusqu'ici proposée pour remédier aux désavantages précédemment mentionnés est l'utilisation d'un catalyseur de réduction des NOx plus résistant aux hautes températures. Une telle technologie n'existe pas sur le marché pour l'instant du moins avec des efficacités de catalyse de la réduction des NOx aussi élevées que celle de la RCS. [0014] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est de permettre la régénération d'un filtre à particules imprégné de réducteur pour une réduction catalytique sélective assurant à la fois la capture des particules et l'élimination des oxydes d'azote de manière à optimiser cette régénération et à protéger un tel filtre à particules imprégné [0015] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de régénération d'un filtre à particules imprégné de réducteur pour une catalyse sélective, le filtre à particules imprégné étant présent dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, la régénération se faisant par une augmentation de la température dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules imprégné, caractérisé en ce que la régénération se fait par au moins deux paliers de température de régénération dans le filtre à particules imprégné avec : - un premier palier d'initiation de la régénération à une première température de régénération avec une première durée, - un deuxième palier de continuation de la régénération à une deuxième température de régénération avec une deuxième durée, la deuxième température étant inférieure à la première afin d'entretenir la combustion des suies et de limiter l'exotherme de la régénération. [0016] L'effet technique est d'obtenir en faisant faire varier la température en amont du filtre à particules imprégné et la durée du palier, une température de régénération à l'intérieur du filtre à particules et une durée de régénération les plus faibles possibles. Ceci permet de préserver le catalyseur RCS présent sur le filtre à particules, le filtre à particules lui-même et de limiter la dilution du lubrifiant par le carburant dans le moteur. [0017] Avantageusement, la durée du premier palier est fonction du chargement en particules de suie du filtre à particules imprégné et la durée du deuxième palier est fonction du chargement en suie du filtre à particules imprégné, de la température effective en amont du filtre à particules imprégné et de l'exotherme relevé en aval du filtre à particules imprégné. [0018] Avantageusement, le procédé comprend au moins un troisième palier de fin de régénération à une troisième température. [0019] Avantageusement, la troisième température du troisième palier est fonction de la différence de pression détectée aux bornes du filtre à particules imprégné, de son chargement en suies après les deux premiers paliers et de la température effective en amont du filtre à particules imprégné. [0020] Avantageusement, la première température est comprise dans un domaine allant de 600°C à 720°C, la deuxième température varie de400°C à 500°C et, le cas échéant, la troisième température varie de 500°C à 600°C. Cei est fonction du chargement en suie du filtre à particules imprégné, des températures effectivement mesurées en amont du filtre à particules imprégné durant le roulage et de la température en aval du filtre à particules imprégné. [0021] Avantageusement, quand la régénération n'est pas suffisante après un cycle composé des deux premiers paliers avec, le cas échéant, au moins un troisième palier, il est procédé au lancement d'au moins un cycle complémentaire. [0022] Avantageusement, le nombre total de cycles est de 5. [0023] Avantageusement, les durées de chaque palier sont spécifiques à chaque cycle. [0024] Avantageusement, l'augmentation de la température dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules imprégné se fait au moins en partie par une gestion de combustion du moteur thermique avec une post-injection proche ou tardive succédant à l'injection principale de carburant dans le moteur thermique. [0025] L'invention concerne aussi une ligne d'échappement de moteur thermique de véhicule automobile comprenant un filtre à particules imprégné d'un réducteur de catalyse sélective, caractérisé en ce que la régénération du filtre à particules imprégné s'effectue conformément à un tel procédé, la ligne comprenant ou étant associée à des moyens de régulation de la température en amont du filtre à particules imprégné et comportant une sonde thermique pour la mesure de ladite température en amont. [0026] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une régénération par paliers pour un filtre à particules imprégné selon la présente invention, - la figure 2 montre des courbes illustrant l'évolution des températures et des masses de suies dans un filtre à particules imprégné en fonction du temps lors d'une régénération du filtre à particules imprégné selon l'état de la technique, - la figure 3 montre des courbes illustrant l'évolution des températures et des masses de suies dans un filtre à particules imprégné en fonction du temps lors d'une régénération du filtre à particules imprégné selon la présente invention. [0027] En se référant aux figures 1 et 3 et plus particulièrement à la figure 1, le procédé de régénération d'un filtre à particules imprégné d'un catalyseur RCS selon l'invention consiste à faire varier la température en amont du filtre à particules imprégné lors de sa régénération dans le but d'avoir un exotherme contenu dans le filtre à particules imprégné et d'obtenir une durée de régénération la plus faible possible. Ceci permet de préserver le revêtement d'imprégnation RCS sur le substrat ou « washcoat RCS » en anglais et de limiter la dilution du lubrifiant par le carburant. [0028] Le filtre à particules imprégné est présent dans la ligne d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile, la régénération se fait par une augmentation de la température dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules imprégné. [0029] A la figure 1, la température du filtre à particules imprégné T FAPI en °C est donnée en fonction du temps t en secondes. Conformément à la présente invention, la régénération illustrée à cette figure se fait par au moins deux paliers de température 1, 2 de régénération dans le filtre à particules imprégné avec un premier palier d'initiation 1 de la régénération à une première température T1 de régénération avec une durée dl et un deuxième palier de continuation 2 de la régénération à une deuxième température 12 de régénération avec une durée d2, la deuxième température 12 étant inférieure à la première 11 afin de limiter l'exotherme de la régénération. [0030] La durée du premier palier 1 peut être fonction du chargement en particules de suie du filtre à particules imprégné, la durée du deuxième palier 2 étant fonction de l'exotherme relevé dans la ligne d'échappement, cet exotherme pouvant être mesuré par une sonde thermique prévue dans la ligne d'échappement. [0031] Comme illustré à la figure 1, le procédé de régénération peut comprendre au moins un troisième palier 3 de fin de régénération à une troisième température 13 et présentant une durée d3. La troisième température 13 du troisième palier 3 peut être fonction de la différence de pression détectée aux bornes du filtre à particules imprégné et de son chargement en particules de suies après les deux premiers paliers 1, 2. [0032] La première température 11 du premier palier 1 peut être de 670°C, la deuxième température 12 du deuxième palier 2 peut varier de 400°C à 500°C et, le cas échéant, la troisième température 13 associée au troisième palier 3 varie de 500°C à 600°C. A la figure il est prévu des températures 11, T2, T3 respectivement de 670°C, 450°C et 550°C. Ceci n'est pas limitatif. [0033] Les températures 11, 12, 13 et les durées dl, d2, d3 des paliers 1, 2, 3 peuvent être modulées en fonction du chargement en particules de suie du filtre à particules imprégné et des températures mesurées en amont et en aval du filtre à particules imprégné. [0034] La figure 2 montre des courbes respectivement de température et de masse de suies dans le filtre à particules imprégné obtenues lors d'un procédé de régénération selon l'état de la technique. Lors de ce procédé, la température dans le filtre à particules imprégné reste sensiblement à 620°C, la température maximale en amont du filtre est de 1750°C et la durée pour avoir une masse de particubs de suies inférieure à 10g est de 150 secondes. [0035] La figure 3 montre des courbes respectivement de température et de masse de suies dans le filtre à particules imprégné obtenues lors d'une forme de réalisation non limitative d'un procédé de régénération selon la présente invention. Ces courbes peuvent être comparées aux courbes de la figure 2. [0036] Selon cette forme de réalisation du procédé conforme à la présente invention il peut être prévu trois paliers avec des températures respectives de 670°C, 400°C et de 500°C à 600°C. La température maximale en amont dufiltre peut être de 1680°C et la durée pour avoir une masse de particules de suies inférieure à lOg est de 120 secondes.

On obtient donc une régénération avec une durée plus courte et des températures moins élevées lors des deuxième et troisième paliers ce qui contribue à la protection du filtre à particules imprégné en le sollicitant dans une moindre mesure. [0037] En se référant aux figures 1 à 3, une succession d'un nombre déterminé de paliers supérieur ou égal à deux, aux figures trois paliers 1, 2, 3, forme un cycle de régénération. S'il est constaté que la régénération du filtre à particules imprégné n'est pas suffisante après un tel cycle, il est possible de le faire suivre par un ou plusieurs cycles complémentaires pour régénérer complètement le filtre à particules. Le nombre total de cycles peut être, par exemple, avantageusement de 5. [0038] Ce nombre de reproduction de cycles, ces cycles pouvant présenter cependant des caractéristiques différentes l'un par rapport à l'autre, peut par exemple être avantageusement de cinq, ceci en modulant pour chaque cycle la durée dl, d2, d3 des paliers 1, 2, 3 selon le chargement en particules de suie du filtre à particules imprégné. [0039] Selon une caractéristique avantageuse, il est procédé à une gestion du mode de combustion du moteur pour générer à la fois une augmentation de la température dans la ligne d'échappement et l'émission d'hydrocarbures ou HO en sortie du moteur, le cas échéant muni d'un turbo, afin de créer un exotherme en amont du filtre à particules imprégné. [0040] Ceci peut, par exemple, être obtenu par des créations de post injections de carburant dans le moteur thermique du véhicule avec des post-injections proches ou tardives succédant à une injection principale de carburant dans le moteur thermique, les post-injections succédant à l'injection principale pendant la détente des gaz d'échappement. [0041] En complément aux post-injections, il peut être utilisé un catalyseur DOC pour un moteur Diesel ou un catalyseur d'oxydation pour un véhicule à essence pour renforcer l'exotherme. Ceci est fait par combustion des hydrocarbures lors de la post-injection de carburant pour qu'en amont du et dans le filtre à particules imprégné il reste une température suffisante pour brûler les suies, même avec les pertes dans la ligne d'échappement dues par exemple à sa paroi et aux autres moyens de dépollution des gaz d'échappement présents dans cette ligne. [0042] Ainsi, l'invention concerne aussi une ligne d'échappement de moteur thermique de véhicule automobile comprenant un filtre à particules imprégné d'un réducteur de catalyse sélective. Dans cette ligne, la régénération du filtre à particules s'effectue conformément à un tel procédé de régénération. [0043] Pour cela, la ligne d'échappement comprend ou est associée à des moyens de régulation de la température en amont du filtre à particules imprégné, ces moyens de régulation déclenchant par exemple les post-injections dans le moteur thermique avec son sans présence d'un catalyseur DOC ou d'oxydation dans la ligne. [0044] La ligne d'échappement peut aussi comprendre une sonde thermique pour la mesure de ladite température en amont et en aval du filtre à particules imprégné, un tel filtre à particules étant avantageusement formé de barreaux ou en monolithe. Ce filtre à particules peut être fait en Carbure de Silicium (SiC), Titanate d'Aluminium (AI), Cordierite, etc. [0045] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'a titre d'exemples.

Claims

REVENDICATIONS: 1. Procédé de régénération d'un filtre à particules imprégné d'un catalyseur sélectif de réduction des oxydes d'azote ou NOx, le filtre à particules imprégné étant présent dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, la régénération se faisant par une augmentation de la température dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules imprégné, caractérisé en ce que la régénération se fait par au moins deux paliers de température (1,
2) de régénération dans le filtre à particules imprégné avec : - un premier palier d'initiation (1) de la régénération à une première température (T1) de régénération avec une première durée (dl), - un deuxième palier de continuation (2) de la régénération à une deuxième température (T2) de régénération avec une deuxième durée (d2), la deuxième température (T2) étant inférieure à la première (Ti) afin de limiter l'exotherme de la régénération. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la durée du premier palier (1) est fonction du chargement en particules de suie du filtre à particules imprégné et la durée du deuxième palier (2) est fonction de l'exotherme relevé dans la ligne d'échappement.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, lequel comprend au moins un troisième palier (3) de fin de régénération à une troisième température (T3).
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la troisième température (T3) du troisième palier (3) est fonction de la différence de pression détectée aux bornes du filtre à particules imprégné et/ou de son chargement en particules de suies après les deux premiers paliers (1, 2).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première température (T1) est comprise dans le domaine de température entre 600°C et 720°C, la deuxième température (T2) varie de 400°C à 500 °C.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, quand la régénération n'est pas suffisante après un cycle composé des deux premiers paliers(1, 2) avec, le cas échéant, au moins un troisième palier (3), il est procédé au lancement d'au moins un cycle complémentaire.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le nombre total de cycles est de 5.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel les durées (dl, d2, d3) de chaque palier (1, 2, 3) sont spécifiques à chaque cycle.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'augmentation de la température dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules imprégné se fait au moins en partie par une gestion de combustion du moteur thermique avec une post-injection proche ou tardive succédant à l'injection principale de carburant dans le moteur thermique.
10. Ligne d'échappement de moteur thermique de véhicule automobile comprenant un filtre à particules imprégné d'un catalyseur pour une réduction catalytique sélective, caractérisé en ce que la régénération du filtre à particules imprégné s'effectue conformément à un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, la ligne comprenant ou étant associée à des moyens de régulation de la température en amont et en aval du filtre à particules imprégné et comportant une sonde thermique pour la mesure de ladite température en amont et en aval.