FR3132326A1 - PARTICLE FILTRATION SYSTEM FOR A HEAT ENGINE WITH IMPROVED EFFICIENCY AND OPTIMIZED BACK PRESSURE - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un véhicule automobile (10) comportant un moteur thermique (11) et une ligne échappement (12) apte à évacuer et à traiter des gaz d'échappement émis par le moteur thermique (11), ladite ligne d'échappement comportant: - un premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique, et - un deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous un plancher (15) du véhicule, - le deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous le plancher (15) du véhicule ayant une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique (11). Figure 2The invention relates to a motor vehicle (10) comprising a heat engine (11) and an exhaust line (12) capable of evacuating and treating exhaust gases emitted by the heat engine (11), said exhaust line comprising: - a first particulate filter (14.1) arranged at the output of the internal combustion engine, and - a second particulate filter (14.2) arranged under a floor (15) of the vehicle, - the second particulate filter (14.2) arranged under the floor (15) of the vehicle having a greater filtration efficiency than the first particulate filter (14.1) arranged at the outlet of the combustion engine (11). Figure 2
Description
La présente invention porte sur un système de filtration de particules pour un moteur thermique à efficacité améliorée et contre pression optimisée. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les véhicules thermiques conventionnels ou hybrides équipés d'un moteur thermique à essence.The present invention relates to a particle filtration system for a heat engine with improved efficiency and optimized counter pressure. The invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application with conventional or hybrid thermal vehicles equipped with a gasoline thermal engine.
De façon connue en soi, les véhicules équipés d’un moteur thermique de type essence comportent un système de dépollution formé par un catalyseur, dit « trois voies » (ou TWC pour "Three Way catalytic Converter" en anglais) et un filtre à particules (ou GPF pour "Gasoline Particulate Filter" en anglais) permettant de stocker les particules polluantes contenues dans les gaz d'échappement.In a manner known per se, vehicles equipped with a gasoline type thermal engine include a depollution system formed by a catalyst, called "three ways" (or TWC for "Three Way catalytic Converter" in English) and a particle filter (or GPF for "Gasoline Particulate Filter" in English) allowing the storage of polluting particles contained in exhaust gases.
Un tel filtre à particules peut être réalisé en cordiérite mais aussi en titanate d’alumine ou en carbure de silicium. Le filtre assure une filtration mécanique au travers de parois poreuses.Such a particle filter can be made of cordierite but also of alumina titanate or silicon carbide. The filter provides mechanical filtration through porous walls.
À cet effet, comme cela est illustré par la
Du fait de son principe de fonctionnement et de ses caractéristiques techniques, un filtre à particules induit une contre-pression à l’échappement (CPE) additionnelle non négligeable (d’une cinquantaine à plusieurs centaines de millibars en fonction de la charge en suie du GPF avec un débit 0,1m3/s, par exemple). Cette contre-pression est représentative de la résistance à l'écoulement des gaz d'échappement. Pour améliorer l’efficacité de filtration, il est possible de resserrer la porosité des parois du filtre et la taille moyenne des pores ou de le recouvrir d'une membrane réalisée en alumine pour simuler la création d'un lit de cendres.Due to its operating principle and its technical characteristics, a particle filter induces a significant additional exhaust back pressure (CPE) (from around fifty to several hundred millibars depending on the soot load of the GPF with a flow rate of 0.1m3/s, for example). This back pressure is representative of the resistance to the flow of exhaust gases. To improve filtration efficiency, it is possible to tighten the porosity of the filter walls and the average pore size or to cover it with a membrane made of alumina to simulate the creation of a bed of ashes.
Quelle que soit la solution retenue, la contre-pression à l’échappement va croître significativement. Or, le fonctionnement du moteur à essence est particulièrement sensible à cette contre-pression à l’échappement.Whatever the solution chosen, the exhaust back pressure will increase significantly. However, the operation of the gasoline engine is particularly sensitive to this exhaust back pressure.
Il existe donc le besoin de pouvoir respecter des nouvelles normes imposant des niveaux de filtration très élevés, sans que cela engendre une augmentation rédhibitoire de la contre-pression à l'échappement impactant le fonctionnement du moteur thermique qu’il s’agisse de ses performances ou de sa consommation de carburant (et donc de ses émissions de CO2). Par exemple, la limite maximum en particules en nombre pourrait être fixée dans le cas de la norme d’émissions Euro7 à 1.1011#/km pour des diamètres de particules supérieurs à 10nm au lieu de 6.1011#/km actuellement pour des diamètres de particules supérieurs à 23nm. La nouvelle norme pourrait ainsi correspondre à un taux d’élimination des particules de 99,9% en fonction du niveau des émissions en sortie moteur.There is therefore a need to be able to comply with new standards imposing very high levels of filtration, without this causing a crippling increase in exhaust back pressure impacting the operation of the heat engine, whether in terms of its performance. or its fuel consumption (and therefore its CO2 emissions). For example, the maximum particle number limit could be set in the case of the Euro7 emissions standard at 1.10 11 #/km for particle diameters greater than 10nm instead of 6.10 11 #/km currently for diameters of particles larger than 23nm. The new standard could thus correspond to a particle elimination rate of 99.9% depending on the level of engine output emissions.
L'invention vise à combler efficacement ce besoin en proposant un véhicule automobile comportant un moteur thermique et une ligne d’échappement apte à évacuer et à traiter des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique, ladite ligne d'échappement comportant:
- un premier filtre à particules disposé en sortie du moteur thermique, et
- un deuxième filtre à particules disposé sous un plancher du véhicule,
- le deuxième filtre à particules disposé sous le plancher du véhicule ayant une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules disposé en sortie du moteur thermique.The invention aims to effectively meet this need by proposing a motor vehicle comprising a heat engine and an exhaust line capable of evacuating and treating exhaust gases emitted by said heat engine, said exhaust line comprising:
- a first particle filter placed at the outlet of the heat engine, and
- a second particle filter placed under a floor of the vehicle,
- the second particle filter placed under the floor of the vehicle having a greater filtration efficiency than the first particle filter placed at the outlet of the heat engine.
L'invention permet ainsi d'améliorer significativement l’efficacité de filtration tout en limitant la contre-pression à l'échappement engendrée par le dispositif de dépollution. En effet, le deuxième filtre à particules se trouve sous le plancher où les températures sont inférieures à celles observables en sortie du moteur thermique, de sorte que la contre-pression à l'échappement sera contenue (car plus la température des gaz est élevée plus la contre pression à l'échappement est importante). Un autre avantage de cet agencement est que les particules qui seront parvenues à traverser le premier filtre à particules dont la porosité est moins resserrée seront, malgré leur diamètre très faible, arrêtées par le deuxième filtre à porosité resserrée. Le compromis entre l'efficacité et la contre-pression à l'échappement est alors optimum. L'invention permet également de limiter les travaux de réduction des particules à la source, c’est-à-dire dans la chambre de combustion du moteur thermique.The invention thus makes it possible to significantly improve filtration efficiency while limiting the exhaust back pressure generated by the pollution control device. Indeed, the second particle filter is located under the floor where the temperatures are lower than those observable at the outlet of the heat engine, so that the back pressure at the exhaust will be contained (because the higher the temperature of the gases the more the back pressure at the exhaust is important). Another advantage of this arrangement is that the particles which have managed to pass through the first particle filter whose porosity is less restricted will, despite their very small diameter, be stopped by the second filter with restricted porosity. The compromise between efficiency and exhaust back pressure is then optimal. The invention also makes it possible to limit particle reduction work at the source, that is to say in the combustion chamber of the heat engine.
Selon une réalisation de l'invention, le premier filtre à particules est associé à un catalyseur « trois-voies ».According to one embodiment of the invention, the first particle filter is associated with a “three-way” catalyst.
Selon une réalisation de l'invention, le deuxième filtre à particules est associé à un catalyseur « trois-voies ».According to one embodiment of the invention, the second particle filter is associated with a “three-way” catalyst.
Selon une réalisation de l'invention, le catalyseur «trois-voies» est disposé en amont du filtre à particules.According to one embodiment of the invention, the “three-way” catalyst is placed upstream of the particle filter.
Selon une réalisation de l'invention, le deuxième filtre à particules est associé à un catalyseur d’élimination d'émissions résiduelles d'ammoniac.According to one embodiment of the invention, the second particle filter is associated with a catalyst for eliminating residual ammonia emissions.
Selon une réalisation de l'invention, le deuxième filtre à particules est associé à un catalyseur de réduction sélective.According to one embodiment of the invention, the second particle filter is associated with a selective reduction catalyst.
Selon une réalisation de l'invention, la ligne d'échappement comporte en outre un piège à hydrocarbures disposé sous le plancher du véhicule en amont ou en aval du deuxième filtre à particules.According to one embodiment of the invention, the exhaust line further comprises a hydrocarbon trap placed under the floor of the vehicle upstream or downstream of the second particle filter.
Selon une réalisation de l'invention, le premier filtre à particules et/ou le deuxième filtre à particules sont des filtres nus.According to one embodiment of the invention, the first particle filter and/or the second particle filter are bare filters.
Selon une réalisation de l'invention, le premier filtre à particules et/ou le deuxième filtre à particules sont des filtres imprégnés.According to one embodiment of the invention, the first particle filter and/or the second particle filter are impregnated filters.
Selon une réalisation de l'invention, le moteur thermique est un moteur à essence.According to one embodiment of the invention, the heat engine is a gasoline engine.
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.The invention will be better understood on reading the following description and examining the accompanying figures. These figures are given for illustrative purposes only but in no way limit the invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.Identical, similar, or analogous elements retain the same reference from one figure to another.
Par ailleurs, les termes du type "amont" et "aval" sont entendus par référence au sens d'écoulement des gaz d'échappement émis par le moteur thermique.Furthermore, the terms such as "upstream" and "downstream" are understood by reference to the direction of flow of the exhaust gases emitted by the heat engine.
La
Le moteur thermique 11 comprend une chambre de combustion dans laquelle du carburant et du comburant sont mélangés. Le carburant peut, par exemple, être de l'essence, et être injecté dans la chambre de combustion par un injecteur (non représenté), notamment par un système d'injection directe. Le comburant peut, par exemple, être de l'air.The heat engine 11 includes a combustion chamber in which fuel and oxidizer are mixed. The fuel can, for example, be gasoline, and be injected into the combustion chamber by an injector (not shown), in particular by a direct injection system. The oxidant can, for example, be air.
La combustion du mélange dans la chambre de combustion entraîne un piston en translation, ce qui permet de transformer l'énergie thermique de la combustion en énergie mécanique afin d'entraîner l'arbre du moteur en rotation. Lors de la combustion du mélange, des gaz d'échappement sont formés. Ces gaz d'échappement sont évacués et traités par la ligne d'échappement 12.The combustion of the mixture in the combustion chamber drives a piston in translation, which makes it possible to transform the thermal energy of combustion into mechanical energy in order to drive the motor shaft in rotation. When burning the mixture, exhaust gases are formed. These exhaust gases are evacuated and treated by the exhaust line 12.
A cet effet, la ligne d'échappement 12 comporte un premier filtre à particules 14.1 disposé en sortie du moteur thermique 11, c’est-à-dire que le premier filtre à particules 14.1 est accouplé au collecteur d'échappement du moteur soit directement soit en aval d'un catalyseur, tel que cela est décrit plus en détails ci-après. Une telle configuration du filtre à particules 14.1 par rapport au moteur thermique est dite configuration "close-coupled" en anglais qui se traduit en français par configuration à "accouplement rapproché". Le premier filtre à particules 14.1 est disposé à l'intérieur du compartiment moteur.For this purpose, the exhaust line 12 comprises a first particle filter 14.1 disposed at the outlet of the heat engine 11, that is to say that the first particle filter 14.1 is coupled to the exhaust manifold of the engine either directly either downstream of a catalyst, as described in more detail below. Such a configuration of the particle filter 14.1 relative to the heat engine is called a "close-coupled" configuration in English which translates into French as "close-coupled" configuration. The first particle filter 14.1 is arranged inside the engine compartment.
Un deuxième filtre à particules 14.2 est disposé sous un plancher 15 du véhicule, c’est-à-dire sous la zone de la caisse du véhicule sur laquelle sont montés les sièges du véhicule. Le deuxième filtre à particules 14.2 est ainsi disposé à distance du moteur thermique 11 dans une zone où les températures des gaz d'échappement sont inférieures à celles observables en sortie du moteur thermique 11 (entre 100 et 200°C de moins). On limite ainsi la contre-pression induite par le filtre à particules 14.2.A second particle filter 14.2 is arranged under a floor 15 of the vehicle, that is to say under the area of the vehicle body on which the vehicle seats are mounted. The second particle filter 14.2 is thus placed at a distance from the heat engine 11 in a zone where the temperatures of the exhaust gases are lower than those observable at the outlet of the heat engine 11 (between 100 and 200°C less). This limits the back pressure induced by the particle filter 14.2.
Le deuxième filtre à particules 14.2 disposé sous le plancher 15 a une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules 14.1 disposé en sortie du moteur thermique 11. L'efficacité de filtration souhaitée est obtenue en adaptant la porosité globale et la taille des pores du filtre à particules. Suivant un exemple de réalisation non limitatif, les pores du deuxième filtre à particules 14.2 sont plus resserrés, c’est-à-dire plus petits, que les pores du premier filtre à particules 14.1.The second particle filter 14.2 disposed under the floor 15 has a greater filtration efficiency than the first particle filter 14.1 disposed at the outlet of the heat engine 11. The desired filtration efficiency is obtained by adapting the overall porosity and the size of the pores of the particle filter. According to a non-limiting exemplary embodiment, the pores of the second particle filter 14.2 are tighter, that is to say smaller, than the pores of the first particle filter 14.1.
Le deuxième filtre à particules 14.2 pourra par exemple présenter une efficacité de filtration comprise entre 95 et 98%; tandis que le premier filtre à particules 14.1 pourra présenter une efficacité de filtration comprise entre 75 et 85%.The second particle filter 14.2 may for example have a filtration efficiency of between 95 and 98%; while the first particle filter 14.1 may have a filtration efficiency of between 75 and 85%.
Dans le mode de réalisation de la
Dans le mode de réalisation de la
Le catalyseur «trois-voies» 16.1, 16.2 est de préférence disposé en amont du filtre à particules 14.1, 14.2 correspondant. L’agencement en sous-caisse entre le catalyseur «trois-voies» 16.2 et le filtre à particules 14.2 peut être inversé, mais cela est moins efficace pour traiter les polluants gazeux car le catalyseur «trois-voies» 16.2 disposera alors de moins d'énergie thermique pour réaliser les réactions de conversion des polluants qui en nécessitent.The “three-way” catalyst 16.1, 16.2 is preferably placed upstream of the corresponding particle filter 14.1, 14.2. The underbody arrangement between the “three-way” catalyst 16.2 and the particle filter 14.2 can be reversed, but this is less effective for treating gaseous pollutants because the “three-way” catalyst 16.2 will then have less available. thermal energy to carry out the conversion reactions of the pollutants which require it.
Dans le mode de réalisation de la
L'ensemble "filtre à particules-catalyseur «trois-voies»-ASC" pourra être disposé à l'intérieur d'une enveloppe commune. Chaque ensemble "filtre à particules - catalyseur «trois-voies»-ASC" forme ainsi un dispositif monobloc pouvant aisément être intégré à la ligne d'échappement 12.The “particle filter-“three-way” catalyst-ASC” assembly can be placed inside a common envelope. Each “particle filter – “three-way” catalyst-ASC” assembly thus forms a one-piece device that can easily be integrated into the exhaust line 12.
En variante, le catalyseur ASC 17 pourra être remplacé par un catalyseur de réduction sélective, dit catalyseur SCR pour "Selective Catalytic Reduction" en anglais.Alternatively, the ASC 17 catalyst can be replaced by a selective reduction catalyst, called SCR catalyst for "Selective Catalytic Reduction" in English.
La ligne d'échappement 12 pourra également comporter un piège à hydrocarbures 18 disposé sous le plancher 15 du véhicule en amont ou en aval du deuxième filtre à particules 14.2.The exhaust line 12 may also include a hydrocarbon trap 18 placed under the floor 15 of the vehicle upstream or downstream of the second particle filter 14.2.
Dans tous les modes de réalisation, les filtres à particules 14.1, 14.2 pourront prendre la forme de filtres nus ou de filtres imprégnés. La couche d'imprégnation pourra être réalisée avec des métaux précieux du même type que ceux utilisés pour les catalyseur « trois-voies », à savoir notamment le Platine (Pt), le Palladium (Pd), ou le Rhodium (Rh). Cela permet d’ajouter une fonction supplémentaire d'élimination des polluants gazeux dans le cas d’une architecture de dépollution contrainte dimensionnellement. Le filtre à particules 14.1, 14.2 pourra également être recouvert d'une membrane, notamment réalisée en alumine, pour simuler la création d'un lit de cendres et améliorer la performance du filtre à particules.In all embodiments, the particle filters 14.1, 14.2 may take the form of bare filters or impregnated filters. The impregnation layer can be made with precious metals of the same type as those used for “three-way” catalysts, namely Platinum (Pt), Palladium (Pd), or Rhodium (Rh). This makes it possible to add an additional function of eliminating gaseous pollutants in the case of a dimensionally constrained depollution architecture. The particle filter 14.1, 14.2 may also be covered with a membrane, in particular made of alumina, to simulate the creation of a bed of ashes and improve the performance of the particle filter.
La
Ce cycle de fonctionnement présente une phase de roulage P1 à basse vitesse, une phase de roulage P2 à moyenne vitesse, une phase de roulage P3 à haute vitesse, ainsi qu'une phase de roulage P4 à très haute vitesse. La courbe de vitesse du véhicule en fonction du temps est référencée V_veh.This operating cycle has a driving phase P1 at low speed, a driving phase P2 at medium speed, a driving phase P3 at high speed, as well as a driving phase P4 at very high speed. The vehicle speed curve as a function of time is referenced V_veh.
La
La
L'invention pourra également être mise en œuvre avec un moteur thermique 11 de type diesel, même si ce dernier est moins sensible à la contre-pression d'échappement.The invention could also be implemented with a diesel type thermal engine 11, even if the latter is less sensitive to exhaust back pressure.
Claims (10)
caractérisé en ce que ladite ligne d'échappement (12) comporte:
- un premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique (11), et
- un deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous un plancher (15) du véhicule,
- le deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous le plancher (15) du véhicule ayant une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique (11).Motor vehicle (10) comprising a thermal engine (11) and an exhaust line capable of evacuating and treating exhaust gases emitted by said thermal engine (11),
characterized in that said exhaust line (12) comprises:
- a first particle filter (14.1) arranged at the outlet of the heat engine (11), and
- a second particle filter (14.2) arranged under a floor (15) of the vehicle,
- the second particle filter (14.2) disposed under the floor (15) of the vehicle having a greater filtration efficiency than the first particle filter (14.1) disposed at the outlet of the heat engine (11).
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FR3132326A1 true FR3132326A1 (en) | 2023-08-04 |
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2022
- 2022-01-31 FR FR2200822A patent/FR3132326A1/en active Pending
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