FR3059709B1 - Systeme evitant un emballement d'une combustion de suies lors d'une regeneration d'un filtre a particules - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur une ligne d'échappement (10) de moteur à combustion interne, comportant un filtre à particules (12) apte à piéger des particules contenues dans des gaz d'échappement, caractérisée en ce que ladite ligne d'échappement (10) comporte en outre un dispositif (18) apte à forcer lesdits gaz d'échappement à traverser une zone d'entrée donnée (8) dudit filtre à particules (12) et à isoler une zone complémentaire (9) lors d'une phase de fonctionnement dudit moteur à combustion interne susceptible d'emballer une combustion de suies dudit filtre à particules (12) lors d'une régénération.
Description
SYSTEME EVITANT UN EMBALLEMENT D'UNE COMBUSTION DE SUIES LORS D'UNE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES
[0001] La présente invention se situe dans le domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier dans l'élimination des particules polluantes. Plus précisément, l'invention porte sur un système, notamment pour véhicule automobile, évitant un emballement d'une combustion de suies lors d'une régénération d'un filtre à particules.
[0002] Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne comportent habituellement des éléments polluants et notamment des particules qui sont rejetées dans l'atmosphère. Afin de supprimer ces rejets, des filtres sont placés dans la ligne d'échappement des gaz pour bloquer les particules.
[0003] Ces filtres à particules (FAP) sont généralement des cylindres en céramique composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns), enfermés dans un boîtier métallique présentant une interface d'entrée et une interface de sortie permettant son raccordement à une ligne d'échappement. Les particules sont piégées dans ces canaux sous forme de suies, ce qui a pour effet d'encrasser progressivement le filtre. Il est donc nécessaire de régénérer le filtre périodiquement. A cette fin, le filtre est chauffé afin de brûler les particules piégées. Une technique possible consiste à chauffer le filtre à l'aide des gaz d'échappement, en élevant la température de ces gaz.
[0004] Classiquement, pendant les phases de régénération, le surplus d'énergie à l'échappement nécessaire à l'élévation de température par rapport au fonctionnement normal du moteur est fourni par l'utilisation de post-injections, c'est-à-dire d'injections de carburant tardives, après le point mort haut du cycle, ou par une dégradation du rendement de la combustion, ou encore par une injection de carburant directement dans la ligne d'échappement.
[0005] Selon les conditions de roulage, la phase de régénération du filtre à particules peut être considérée comme "sévère". En effet, lorsque la combustion des suies est en cours et que le conducteur passe au ralenti, c'est-à-dire à une vitesse du véhicule nulle et en moteur tournant, la combustion des suies s’accélère par deux phénomènes cumulatifs rencontrés lors d’un fonctionnement au ralenti.
[0006] Le premier phénomène est l’augmentation de l’oxygène envoyé dans le filtre à particules car le moteur ne brûle pratiquement plus l’oxygène de l’air qu’il admet. L'ordre de grandeur est de 20% d'oxygène brûlé au ralenti contre 2% à 15% d'oxygène brûlé hors-ralenti.
[0007] Le deuxième phénomène est la réduction du débit des gaz d’échappement par le ralentissement du moteur. En effet, hors-ralenti, le régime moteur est supérieur à 1200tr/min et le débit des gaz d'échappement varie entre 50 et 250kg/h; tandis qu'au ralenti, le régime moteur est de l'ordre de 800tr/min et le débit des gaz d'échappement est de l’ordre de 25kg/h.
[0008] En augmentant l’oxygène traversant le filtre à particules, on favorise la vitesse de combustion des particules, laquelle combustion dégage de l’énergie. Plus le débit des gaz d'échappement augmente, plus une part importante de cette énergie est évacuée. Au ralenti, une grande partie de l’énergie reste dans le filtre à particules, conduisant à une hausse de sa température interne, ce qui augmente la vitesse de combustion des suies qui libèrent donc davantage d’énergie en brûlant.
[0009] Un phénomène d’emballement peut se produire si le ralenti est suffisamment long. On brûle alors très rapidement les particules contenues dans le filtre à particules, de sorte que la température infra-filtre à particules devient très importante. Cela est potentiellement préjudiciable pour l’intégrité du filtre à particules si la température devient trop élevée ou reste élevée pendant un temps important. En effet, la température interne limite du filtre est de l'ordre de 1000 degrés pour la fonction de catalyse et de l'ordre de 1400 degrés pour la fonction de filtration. Le risque d'élévation non maîtrisé de la température est d'autant plus important lorsque la masse de suies contenue dans le filtre à particules est élevée au début de l’emballement.
[0010] Ce phénomène est subit dans la mesure où il dépend du fonctionnement en mode de régénération et des conditions de roulage. L’interruption de la phase de régénération, qui conduit après un certain délai à une réduction de la température dans la ligne d’échappement, ne permet pas d’éviter ce risque car, une fois emballée, la combustion des suies s’auto-entretient par l’énergie qu’elle dégage.
[0011] On connaît du document FR2815670 le contrôle de la température de de régénération par le contrôle du taux d’oxygène résiduel des gaz d’échappement, mais cette méthode est tributaire des conditions de fonctionnement du moteur et sa dynamique est insuffisante.
[0012] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une ligne d'échappement de moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile, comportant un filtre à particules apte à piéger des particules contenues dans des gaz d'échappement, caractérisée en ce que la ligne d'échappement comporte en outre un dispositif apte à forcer les gaz d'échappement à traverser une zone d'entrée donnée du filtre à particules et à isoler une zone complémentaire lors d'une phase de fonctionnement du moteur à combustion interne susceptible d'emballer une combustion de suies du filtre à particules lors d'une régénération.
[0013] De préférence, la phase de fonctionnement du moteur à combustion interne susceptible d'emballer une combustion de suies du filtre à particules lors d'une régénération est une phase de ralenti moteur.
[0014] Selon une réalisation, le dispositif comporte un obturateur.
[0015] Selon une réalisation, le dispositif comporte un système de déflecteurs.
[0016] Selon une réalisation, la zone d'entrée donnée du filtre à particules est une zone centrale du filtre à particules.
[0017] Selon une réalisation, la ligne d'échappement comporte des moyens pour déterminer le fonctionnement du moteur à combustion interne susceptible d'emballer la combustion de suies du filtre à particules en fonction d'une masse de suies présente dans le filtre à particules et d'un débit des gaz d'échappement en sortie du moteur à combustion interne.
[0018] Selon une réalisation, un facteur de réduction d'une section d'entrée du filtre à particules est compris entre 1 et 9.
[0019] L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant une ligne d'échappement telle que précédemment définie.
[0020] L'invention a également pour objet un procédé de prévention d'un emballement d'une combustion de suies dans une ligne d'échappement de moteur à combustion interne comportant un filtre à particules apte à piéger des particules contenues dans des gaz d'échappement, le procédé comportant: - une première étape d'estimation d'une masse de suies dans le filtre à particules, - une deuxième étape de demande de régénération du filtre à particules, - une troisième étape, au lancement de la régénération, de vérification que la masse de suies présentes dépasse un seuil admissible pour autoriser une activation d'un dispositif forçant les gaz d'échappement à traverser une zone d'entrée donnée du filtre à particules et isolant une zone complémentaire, et - une quatrième étape, réalisée selon la masse de suies dans le filtre à particules, de lecture d'abaques calibrés pour connaître une réduction de l'aire de la zone d'entrée donnée à appliquer à chaque ralenti moteur, - les troisième et quatrième étapes étant répétées à chaque ralenti moteur, le filtre à particules se vidant progressivement et une température maximale atteignable en cas de régénération sévère diminuant jusqu’à passer sous un seuil critique, le dispositif étant désactivé sous le seuil critique.
[0021] L'invention permet ainsi de limiter la température maximale dans le filtre à particules lors des phases de ralenti moteur en réduisant la zone d’entrée donnée du filtre à particules, ce qui augmente la vitesse des gaz d'échappement et favorise l’évacuation des calories générées par la combustion des suies. Cela permet en outre une réduction des dégradations du filtre à particules et de son imprégnation éventuelle.
[0022] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
[0023] Les figures 1a et 1b sont des représentations schématiques d'une ligne d'échappement selon l'invention illustrant l'utilisation d'un obturateur permettant de faire varier une section d’ouverture d'un dispositif en entrée d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement respectivement en position ouverte et en position partiellement fermée; [0024] Les figures 2a, 2b, et 2c sont des représentations schématiques illustrant différents degrés d'ouverture de l'obturateur des figures 1a et 1b; [0025] Les figures 3a et 3b sont des représentations schématiques d'une ligne d'échappement selon l'invention illustrant l'utilisation d'un système de déflecteur permettant de faire varier une section d’ouverture du dispositif en entrée du filtre à particules dans la ligne d'échappement respectivement en position ouverte et en position activée; [0026] La figure 4 est une représentation graphique illustrant le facteur de réduction de la section du dispositif en entrée du filtre à particules selon l'invention en fonction de la masse de suies pour limiter la température interne du filtre dans le cas d'une température maximale du filtre à particules de 1000°C et de 1200°C; [0027] La figure 5 est une représentation schématique des étapes de mise en œuvre du procédé utilisant le dispositif selon l'invention pour éviter un emballement de la combustion des suies dans la ligne d'échappement.
[0028] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
[0029] La figure 1a montre une ligne d'échappement 10 pour moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile. La ligne d'échappement 10 comporte un filtre à particules 12 apte à piéger des particules contenues dans des gaz d'échappement. Ce filtre à particules 12 comporte des cylindres en céramique 14 composés d'une multitude de canaux de faibles diamètres (de l'ordre de la dizaine de microns), enfermés dans un boîtier métallique présentant une interface d'entrée et une interface de sortie permettant son raccordement à un conduit d'échappement 17. Les particules sont piégées dans ces canaux sous forme de suies, ce qui a pour effet d'encrasser progressivement le filtre 12. Il est donc nécessaire de régénérer le filtre à particules 12 périodiquement.
[0030] La ligne d'échappement 10 comporte en outre un dispositif 18 apte à forcer les gaz d'échappement à traverser une zone d'entrée donnée 8 du filtre à particules 12 et à isoler un zone complémentaire 9 lors d'une phase de fonctionnement du moteur à combustion interne susceptible d'emballer une combustion de suies du filtre à particules 12 lors d'une régénération.
[0031] La phase de fonctionnement du moteur à combustion interne susceptible d'emballer la combustion de suies du filtre à particules 12 est déterminée par le calculateur moteur en fonction d'une masse de suies Ms présente dans le filtre à particules 12 et d'un débit des gaz d'échappement G en sortie du moteur à combustion interne.
[0032] La somme de l'aire de la zone d'entrée donnée 8 et de l'aire de la zone complémentaire 9 est égale à l'aire de la section d'entrée totale du filtre à particules 12. La zone d'entrée donnée 8 correspond à une zone centrale de l'entrée du filtre à particules 12 et la zone complémentaire 9 correspond à une zone périphérique de l'entrée du filtre à particules 12. Le dispositif 18 pourra donc être installé dans le filtre à particules 12 ou sur le conduit d'échappement 17. Ce dispositif 18 est par exemple réglable via un actionneur.
[0033] Comme cela est représenté sur les figures 1a et 1b, le dispositif 18 comporte par exemple un obturateur positionné en amont du filtre à particules 12. A cet effet, l'obturateur 18 comporte par exemple une pluralité de panneaux 20 mobiles les uns par rapport aux autres et manœuvrés par un actionneur pour prendre différentes positions telles qu'une position ouverte (cf. figure 2a), une position ouverte réduite (cf. figure 2c), et une position ouverte intermédiaire (cf. figure 2b).
[0034] Ainsi, on fait varier la section d’ouverture du dispositif 18 pour focaliser les gaz d’échappement sur la zone d’entrée donnée 8 du filtre à particules 12 dont la surface est plus ou moins importante en fonction des conditions de fonctionnement. Le débit des gaz d’échappement étant fixé, cela permet de faire varier le débit des gaz d'échappement par unité de surface (flux massique) en entrée du filtre à particules 12. Ainsi, en réduisant la section d'ouverture en entrée du filtre à particules 12, on augmente la vitesse des gaz d'échappement ce qui favorise l’évacuation des calories.
[0035] En variante et comme cela est représenté sur les figures 3a et 3b, le dispositif 18 pourra être un système de déflecteurs pour orienter le flux de gaz d'échappement dans une zone spécifique du filtre à particules 12. On a représenté sur la figure 3a, un état "neutre" dans lequel aucune réduction de section de la ligne d'échappement 10 n'est imposée par le système de déflecteur 18. La figure 3b illustre un état "actif" dans lequel le système de déflecteur 18 impose une restriction de la section de la ligne d'échappement 10, ce qui permet d'augmenter la vitesse des gaz à l'échappement en entrée du filtre à particules 12. On favorise ainsi l’évacuation des calories générées par la combustion des suies. La zone périphérique isolée 9 n’ayant pas d’apport d’oxygène, la combustion des suies est stoppée dans cette zone 9.
[0036] Au fur et à mesure de l’avancement de la régénération, le contrôle du filtre à particules 12 pourra demander d'augmenter la surface d'entrée du filtre à particule 12 vers laquelle on force les gaz d'échappement lors des phases de ralentis moteur lorsque la masse de suies Ms diminue et qu’un emballement de la combustion des suies restantes ne permet pas d’atteindre des températures à risque pour l’intégrité du filtre à particules 12.
[0037] Pour un filtre à particules 12 classique, le diamètre des tubes des lignes d’échappement est de l’ordre de 15 cm. Il est possible de réduire ce diamètre fortement, jusqu’à atteindre un diamètre ouvert de l’ordre de 5cm. La section droite en entrée du filtre à particules 12 est alors divisée par un facteur de réduction de section Fs de 9.
[0038] On peut faire varier l’ouverture du dispositif 18 pour limiter la température maximale en cas de risque de régénération sévère. Comme cela est illustré par le graphique de la figure 4, on estime par modélisation/simulation le facteur de réduction Fs de la section d'entrée du filtre à particules 12 en fonction de la masse de suies Ms pour limiter la température à 1000°C (cf. courbe C1) ou 1200°C (cf. courbe C2) en cas de régénération sévère. Ce facteur de réduction de section Fs appliqué par le dispositif 18 pourra par exemple être compris entre 1 et 9.
[0039] On remarque par exemple que sans activation du dispositif 18, une régénération sévère sur un filtre à particules 12 classique avec une masse de 35 g de suies conduit à une température maximale de 1250°C. S'il s'agit d'in filtre à particules 12 imprégné, sa fonction catalyse est alors détruite. En réduisant la section d'entrée du filtre à particules 12 d’un facteur de réduction de section Fs de 4, on parvient à ne pas dépasser 1000°C en cas de régénération sévère et la fonction catalyse est alors préservée, tel que cela est illustré par la courbe C1.
[0040] A cet effet et comme cela est représenté sur la figure 5, dans une première étape 101, la masse de suies dans le filtre à particules 12 est estimée via l’estimation des émissions de suies en sortie du moteur à combustion interne ou par la mesure de la différence de pression aux bornes du filtre à particules 12. Dans une deuxième étape 102, le contrôle du filtre à particules 12 demande de faire une régénération lorsque les conditions requises sont remplies, c'est-à-dire notamment qu'une masse de suies est suffisante, qu'une température d'eau est suffisante, qu'il n'y a pas de problème de dilution d’huile, et que le roulage est favorable. Dans une troisième étape 103, au lancement de la régénération, on vérifie dans des abaques calibrés de la mémoire du calculateur moteur que la masse de suies présentes dépasse un seuil admissible pour le déclenchement de la stratégie. Si non la méthode proposée s’arrête. Dans une quatrième étape 104, selon la masse de suies dans le filtre à particules 12, le calculateur moteur du filtre à particules 12 lit dans des abaques calibrés la réduction de section à appliquer via le dispositif 18 à chaque ralenti moteur. Les étapes 103 et 104 se répètent ensuite à chaque ralenti moteur. Le filtre à particules 12 se vide progressivement et la température maximale que l’on peut atteindre en cas de régénération sévère diminue jusqu’à passer sous le seuil critique. Dès qu’on est sous le seuil, on arrête la stratégie.
[0041] Il est à noter qu'en dehors des ralentis, la section d'entrée du filtre à particules 12 est totalement ouverte, c'est-à-dire que le dispositif 18 est en position ouverte et n'applique aucune réduction de section particulière à la ligne d'échappement en entrée du filtre à particules 12.
[0042] Dans l'exemple particulier de mise en œuvre de la stratégie de commande du dispositif 18 illustré en figure 4, au déclenchement d’une régénération, le contrôle embarqué du filtre à particules 12 possède une estimation de la masse de suies Ms stockées, par exemple 35 g. Pour assurer l’intégrité des fonctions du filtre à particules 12, c'est-à-dire la fonction filtration et la fonction catalyse, le contrôle détermine qu’avec cette masse de suies Ms, la température maximale atteignable en cas de régénération sévère est de 1250°C et donc qu’il devra adapter la secticn d'entrée du filtre à particules 12 sur les phases de ralenti moteur. En divisant par 4 la section d’entrée, la température maximale potentielle est de 1000°C.
[0043] Ainsi, tant que la masse de suies Ms reste à 35 g, le contrôle du filtre à particules 12 pilote le dispositif 18 pour obtenir cette réduction d’entrée du filtre à particules 12 sur les ralentis.
[0044] La masse de suies Ms stockées diminue progressivement. Le contrôle embarqué du filtre à particules 12 estime en continu l’avancement de la régénération en phase de ralenti. La masse de suies Ms étant de plus en plus faible, le contrôle demande une réduction de la section d'entrée du filtre à particules 12 de plus en plus faible. A 30 g on ne réduit plus que d’un facteur de réduction de section Fs de l'ordre de 3 sur les phases de ralentis. A partir de 25 g, il n’y a plus besoin de réduction de la section d'entrée du filtre à particules 12 car, en cas de régénération sévère, la température maximale est de 1000°C, tel que cela ressort de la figure 4. La régénération se termine avec un filtre à particules 12 dont l'entrée n'est plus obturée quel que soit le débit à l'échappement G en sortie du moteur. La réduction d'entrée du filtre à particules 12 étant demandée uniquement lors des ralentis moteur, la contre-pression en sortie du moteur induite par ce dispositif reste limitée et non-rédhibitoire.
[0045] Selon une variante de réalisation, le débit des gaz G dans la ligne d'échappement 10 pourra être augmenté par injection d'air comprimé.
Claims (7)
- Revendications1. Ligne d'échappement (10) de moteur à combustion interne, comportant un filtre à particules (12) apte à piéger des particules contenues dans des gaz d'échappement, caractérisée en ce que ladite ligne d'échappement (10) comporte en outre un dispositif (18) comportant un obturateur apte à forcer lesdits gaz d'échappement à traverser une zone d'entrée donnée (8) dudit filtre à particules (12) et à isoler une zone complémentaire (9) lors d'une phase de fonctionnement dudit moteur à combustion interne susceptible d'emballer une combustion de suies dudit filtre à particules (12) lors d'une régénération.
- 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif (18) comporte un système de déflecteurs.
- 3. Ligne d'échappement selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite zone d'entrée donnée (8) dudit filtre à particules (12) est une zone centrale dudit filtre à particules (12).
- 4. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour déterminer ledit fonctionnement dudit moteur à combustion interne susceptible d'emballer ladite combustion de suies dudit filtre à particules (12) en fonction d'une masse de suies (Ms) présente dans ledit filtre à particules (12) et d'un débit des gaz d'échappement (G) en sortie dudit moteur à combustion interne.
- 5. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'un facteur de réduction d'une section (Fs) d'entrée dudit filtre à particules (12) est compris entre 1 et 9.
- 6. Véhicule automobile comportant une ligne d'échappement (10) telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
- 7. Procédé de prévention d'un emballement d'une combustion de suies dans une ligne d'échappement de moteur à combustion interne comportant un filtre à particules (12) apte à piéger des particules contenues dans des gaz d'échappement, ledit procédé comportant: - une première étape (101) d'estimation d'une masse de suies dans ledit filtre à particules (12), - une deuxième étape (102) de demande de régénération dudit filtre à particules (12), - une troisième étape (103), au lancement de ladite régénération, de vérification que ladite masse de suies présentes dépasse un seuil admissible pour autoriser une activation d'un dispositif (18) forçant les gaz d'échappement à traverser une zone d'entrée donnée (8) dudit filtre à particules (12) et isolant une zone complémentaire (9), et - une quatrième étape (104), réalisée selon la masse de suies dans ledit filtre à particules (12), de lecture d'abaques calibrés pour connaître une réduction de l'aire de la zone d'entrée donnée (8) à appliquer à chaque ralenti moteur, - les troisième et quatrième étapes (103, 104) étant répétées à chaque ralenti moteur, ledit filtre à particules (12) se vidant progressivement et une température maximale atteignable en cas de régénération sévère diminuant jusqu’à passer sous un seuil critique, le dispositif étant désactivé sous ledit seuil critique.
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