WO2001046568A2 - Dispositif de regeneration d'un filtre a particules d'une ligne d'echappement d'un moteur diesel - Google Patents

Dispositif de regeneration d'un filtre a particules d'une ligne d'echappement d'un moteur diesel Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a device for regenerating a particulate filter of an exhaust line of a diesel engine, of the type comprising:
  • a particle filter is installed on the exhaust line in order to retain the soot particles produced by the engine on its upstream face. It is advisable, during operation of the vehicle, to carry out a periodic regeneration of the particulate filter in order to avoid clogging or blockage of the particulate filter which, if it is not regenerated, creates a significant drop in the performance of the engine.
  • a heat source consisting, for example, of an electrical resistance allowing, by a local supply of heat on the upstream face of the filter to cause auto -inflammation of the soot in the immediate vicinity of the hot spots, then propagation of the combustion by self-ignition over the entire upstream surface of the particulate filter.
  • an additive should be added to the fuel supplying the engine to lower the combustion temperature of the soot. In particular, this additive makes it possible to reduce the combustion temperature by approximately 150 ° C., bringing it to a temperature close to 500 ° C.
  • an arrangement as described above requires, for there to be self-ignition of the soot, a layer of soot of a sufficient thickness, this thickness being more variable as a function of the temperature of the gases. exhaust.
  • the efficiency of the device is from 70 to 90%.
  • the regeneration efficiency is very poor and in particular less than 50%, when the temperature of the exhaust gases is less than 150 ° C., a temperature observed during urban use of the vehicle.
  • Another device for regenerating a particle filter has also been envisaged. This also includes means for adding an additive making it possible to lower the combustion temperature of the soot in the fuel supplying the engine. This device also comprises means for injecting fuel into the engine during the expansion phase.
  • the device also comprises an oxidation catalyst installed at the outlet of the engine upstream of the particulate filter.
  • This oxidation catalyst creates an additional post-combustion treating unburnt hydrocarbons resulting from post-injection.
  • post-injection combined with the action of the oxidation catalyst, creates a rise in the temperature of the exhaust gases between 200 ° C and 250 ° C.
  • the precious metal load of the oxidation catalyst must be very high. In particular, this must be greater than 3.53147 g / l (100 g / ft 3 ).
  • the filter is gradually loaded with soot, which generates a significant exhaust back pressure, causing a significant drop in engine performance and an increase in the specific consumption of the engine.
  • the first device described above is not really satisfactory and the second device envisaged does not work under certain conditions, in particular when the exhaust gases leaving the engine are at low temperatures, which prohibits its use.
  • the object of the invention is to propose a device for regenerating a particulate filter ensuring efficient regeneration of the particulate filter whatever the conditions of use of the engine.
  • the subject of the invention is a device for regenerating a particulate filter of an exhaust line of a diesel engine, of the aforementioned type, characterized in that said means for raising the temperature of the exhaust gases include: - activatable means for post-injecting fuel into the engine in the expansion phase to cause post-combustion in the cylinders;
  • the regeneration device comprises one or more of the following characteristics: it comprises an oxidation catalyst placed on the exhaust line at the outlet of the engine and upstream of the particulate filter;
  • the precious metal load of the oxidation catalyst is between 0.35 and 1.77 g / l (10 and 50 g / ft 3 );
  • Said post-injection means are adapted to inject a quantity of fuel sufficient to obtain an increase in the temperature of the exhaust gases of between 200 ° C and 300 ° C;
  • FIG. 1 shows a diesel engine 10 formed for example by a propulsion engine of a motor vehicle. This engine is supplied from a fuel tank 12. The tank is equipped with means 14 for injecting into the fuel an additive making it possible to lower the combustion temperature of the soot. The means 14 maintain a suitable concentration of the additive in the fuel.
  • the additive is for example cerium.
  • an oxidation catalyst 16 containing precious metals such as platinum is installed Immediately at the outlet of the engine 10, that is to say at the outlet of the cylinder head thereof, an oxidation catalyst 16 containing precious metals such as platinum is installed.
  • the oxidation catalyst is lightly loaded with precious metals, its load being between 0.35 and 2.83 g / l
  • an exhaust volume 20 Inside which is provided a particle filter 22.
  • At least one heat source 24 is installed inside of the exhaust volume 20 opposite the upstream face of the particle filter is.
  • the or each heat source 24 is formed for example by an electrical resistance.
  • Each of the heat sources is controlled by a central control unit 26.
  • means 28 for post-injecting fuel into the engine in the expansion phase are installed on the engine 10. These injection means 28 are connected to the central control unit 26.
  • these injection means are formed by the injectors of the engine associated with a control logic adapted to allow an additional injection of fuel at determined instants of the operation of the engine. These determined moments are during the expansion phase of the motor.
  • the central control unit 26 is adapted to simultaneously activate the injection means 28 and the heat source 24 during the regeneration phases of the particle filter.
  • the device described here operates in the following manner.
  • the means 28 carry out a post- injection of fuel into the engine cylinders, during its expansion phases.
  • This post-injection causes an increase in the temperature of the gases leaving the engine.
  • the heat sources 24 are put into action, also increasing the temperature of the gases immediately upstream of the particle filter. The temperature of the exhaust gases is then sufficient to create a self-ignition of the soot on its upstream surface, this self-ignition propagating over the entire surface of the particle filter.
  • the device allows, by the post-injection associated with the action of the catalyst, oxidation, to increase the temperature of the gases by 250 ° C in the exhaust line 18. These gases are then at 400 ° C.
  • the heat sources 24 locally supply the missing heat energy to cause the self-ignition of the soot on the upstream face of the particle filter, the latter being obtained at approximately 500 ° C. due to the supply of the engine with a fuel to which is added the additive which lowers the combustion temperature of the soot.
  • the post-injection means are adapted to inject a quantity of fuel sufficient to obtain an increase in the temperature of the exhaust gases of between 200 ° C and 300 ° C.
  • the or each heat source is adapted to locally provide a heat energy of approximately 1.5 kW, which makes it possible to obtain an increase in the temperature of the exhaust gases in the region of the upstream face of the filter. with particles located opposite each source, up to a value greater than 500 ° C.
  • the device described here has the following advantages.
  • the combustion of soot is carried out with improved efficiency compared to the two prior art devices taken separately. Indeed, while one works unsatisfactory and the other does not work for low temperatures of the gases leaving the engine, the device according to the invention works satisfactorily over the entire temperature range engine operation. A decrease in the back pressure in the exhaust line is noted. This allows a gain in consumption.
  • a reduction in the mass of soot necessary for the regeneration of the particulate filter is possible by implementing the invention, which makes it possible to increase the life of the filter.
  • a mass of 45 g of soot in a standard size particulate filter makes it possible to obtain, without post-injection, only by activation of the upstream heat source, a regeneration rate greater than
  • a regeneration rate greater than 90% for a standard size particle filter is obtained even with initial temperatures of the order of 200 ° C. and a quantity of soot of 30 g.

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Abstract

Le dispositif de régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement (18) d'un moteur Diesel (10) comporte: des moyens (14) d'injection d'un additif adapté pour abaisser la température de combustion des suies; et des moyens d'élévation de la température des gaz d'échappement en amont du filtre à particules (22). Lesdists moyens d'élévation de la température des gaz d'échappement comportent: des moyens activables (28) de post-injection de carburant dans le moteur (10) en phase de détente pour provoquer une post-combustion dans les cylindres; une source de chaleur (24) disposée immédiatement en amont du filtre à particules (22); et des moyens (26) d'activation simultanée des moyens de post-injection (28) et de la source de chaleur (24).

Description

Dispositif de régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement d'un moteur Diesel
La présente invention concerne un dispositif de régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement d'un moteur Diesel, du type comportant :
- des moyens d'injection d'un additif adapté pour abaisser la température de combustion des suies ; et
- des moyens d'élévation de la température des gaz d'échappement en amont du filtre à particules. Afin de préserver l'environnement, il est souhaité de nos jours que les véhicules automobiles équipés d'un moteur Diesel disposent de moyens de dépollution des gaz d'échappement. A cet effet, un filtre à particules est installé sur la ligne d'échappement afin de retenir sur sa face amont les particules de suie produites par le moteur. II convient, lors du fonctionnement du véhicule, de procéder à une régénération périodique du filtre à particules afin d'éviter un colmatage ou une obturation du filtre à particules qui, s'il n'est pas régénéré, crée une baisse importante des performances du moteur.
Pour procéder à une telle régénération, il est connu de prévoir en amont du filtre à particules une source de chaleur constituée, par exemple, d'une résistance électrique permettant, par un apport local de chaleur sur la face amont du filtre de provoquer une auto-inflammation des suies au voisinage immédiat des points chauds, puis une propagation de la combustion par auto-inflammation sur toute la surface amont du filtre à particules. Afin de faciliter la régénération du filtre, il convient d'ajouter au carburant alimentant le moteur un additif permettant d'abaisser la température de combustion des suies. En particulier, cet additif permet de réduire la température de combustion d'environ 150°C, amenant celle-ci à une température proche de 500°C. Toutefois, un agencement tel que décrit ci-dessus nécessite, pour qu'il y ait une auto-inflammation des suies, une couche de suies d'une épaisseur suffisante, cette épaisseur étant de plus variable en fonction de la température des gaz d'échappement. Ainsi, on constate que, lors de la ré- génération à une température moyenne, de l'ordre de 250°C, l'efficacité du dispositif est de 70 à 90 %. De plus, l'efficacité de la régénération est très médiocre et notamment inférieure à 50 %, lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure à 150°C, température constatée lors d'une uti- lisation urbaine du véhicule.
Il a par ailleurs été envisagé un autre dispositif de régénération d'un filtre à particules. Celui-ci comporte également des moyens d'ajout d'un additif permettant d'abaisser la température de combustion des suies dans le carburant alimentant le moteur. Ce dispositif comporte en outre des moyens d'injection de carburant dans le moteur en phase de détente.
Pour permettre une auto-inflammation des suies, lorsque le filtre à particules est recouvert d'une épaisseur suffisante de suies, le dispositif comporte en outre un catalyseur d'oxydation installé en sortie du moteur en amont du filtre à particules. Ce catalyseur d'oxydation crée une post- combution supplémentaire traitant les hydrocarbures imbrûlés issus de la post-injection. Ainsi, la post-injection, combinée à l'action du catalyseur d'oxydation, crée une élévation de la température des gaz d'échappement comprise entre 200°C et 250°C. Toutefois, pour obtenir une telle augmentation de température, la charge en métaux précieux du catalyseur d'oxydation doit être très importante. En particulier, celle-ci doit être supérieure à 3,53147 g/l (100 g/pied3).
De plus, on constate que, dans le cas d'une utilisation exclusivement urbaine du véhicule, ou encore lors d'un fonctionnement particulier de celui- ci lorsque la température des gaz d'échappement n'excède pas 150°C, il n'est pas possible de procéder à une régénération du filtre à particules, la température des gaz y circulant n'étant pas suffisante.
Ainsi, le filtre se charge progressivement en suies, ce qui engendre une contre-pression importante à l'échappement, occasionnant une baisse importante des performances du moteur et une augmentation de la con- sommation spécifique du moteur.
Ainsi, le premier dispositif décrit ci-dessus n'est pas véritablement satisfaisant et le second dispositif envisagé ne fonctionne pas dans certaines conditions, notamment lorsque les gaz d'échappement en sortie du moteur sont à de basses températures, ce qui interdit son utilisation.
L'invention a pour but de proposer un dispositif de régénération d'un filtre à particules assurant une régénération efficace du filtre à particules quelles que soient les conditions d'utilisation du moteur.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement d'un moteur Diesel, du type précité, caractérisé en ce que lesdits moyens d'élévation de la température des gaz d'échappement comportent : - des moyens activables de post-injection de carburant dans le moteur en phase de détente pour provoquer une post-combustion dans les cylindres ;
- au moins une source de chaleur disposée immédiatement en amont du filtre à particules ; et - des moyens d'activation simultanée des moyens de post-injection et de la source de chaleur.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de régénération comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : il comporte un catalyseur d'oxydation placé sur la ligne d'échappe- ment en sortie du moteur et en amont du filtre à particules ;
- la charge en métaux précieux du catalyseur d'oxydation est comprise entre 0,35 et 1 ,77 g/l (10 et 50 g/pied3) ;
- lesdits moyens de post-injection sont adaptés pour injecter une quantité de carburant suffisante pour obtenir une augmentation de la tempé- rature des gaz d'échappement comprise entre 200°C et 300°C ; et
- la ou chaque source de chaleur est adaptée pour obtenir une augmentation de la température des gaz d'échappement dans la région de la face amont du filtre à particules située en regard de chaque source jusqu'à une valeur supérieure à 500°C. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique d'un moteur Diesel et d'une ligne d'échappement équipée d'un dispositif selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un moteur Diesel 10 formé par exemple par un moteur de propulsion d'un véhicule automobile. Ce moteur est alimenté depuis un réservoir de carburant 12. Le réservoir est équipé de moyens 14 d'injection dans le carburant d'un additif permettant d'abaisser la température de combustion des suies. Les moyens 14 assurent le maintien d'une concentration adaptée de l'additif dans le carburant. L'additif est par exemple du cérium.
Immédiatement en sortie du moteur 10, c'est-à-dire en sortie de la culasse de celui-ci est installé un catalyseur d'oxydation 16 contenant des métaux précieux tels que le platine. Le catalyseur d'oxydation est faiblement chargé en métaux précieux, sa charge étant comprise entre 0,35 et 2,83 g/l
(10 et 80 g/pied3).
Sur la ligne d'échappement notée 18 prolongeant le catalyseur d'oxydation 16, est disposé un volume d'échappement 20 à l'intérieur duquel est prévu un filtre à particules 22. Au moins une source de chaleur 24 est installée à l'intérieur du volume d'échappement 20 en regard de la face amont du filtre à particules est. La ou chaque source de chaleur 24 est formée par exemple par une résistance électrique. Chacune des sources de chaleur est commandée par une unité centrale de pilotage 26. En outre, des moyens 28 de post-injection de carburant dans le moteur en phase de détente sont installés sur le moteur 10. Ces moyens d'injection 28 sont reliés à l'unité centrale de pilotage 26.
Dans la pratique, ces moyens d'injection sont formés par les injec- teurs du moteur associés à une logique de commande adaptée pour per- mettre une injection supplémentaire de carburant à des instants déterminés du fonctionnement du moteur. Ces instants déterminés se trouvent pendant la phase de détente du moteur.
L'unité centrale de pilotage 26 est adaptée pour activer simultanément les moyens d'injection 28 et la source de chaleur 24 lors des phases de régénération du filtre à particules.
Le dispositif décrit ici fonctionne de la manière suivante.
Lors d'une phase de régénération du filtre à particules, alors que le moteur 10 est en fonctionnement, les moyens 28 procèdent à une post- injection de carburant dans les cylindres du moteur, lors des phases de détente de celui-ci. Cette post-injection provoque une augmentation de la température des gaz en sortie du moteur. Simultanément, les sources de chaleur 24 sont mises en action, augmentant également la température des gaz immédiatement en amont du filtre à particules. La température des gaz d'échappement est alors suffisante pour créer une auto-inflammation des suies sur sa surface amont, cette auto-inflammation se propageant sur l'ensemble de la surface du filtre à particules.
Par exemple, lorsque le moteur 10 fonctionne en dehors des phases de régénération du filtre à particules avec des températures de gaz d'échappement inférieures à 150°C, le dispositif permet, par la post-injection associée à l'action du catalyseur d'oxydation, d'augmenter la température des gaz de 250°C dans la ligne d'échappement 18. Ces gaz sont alors à 400°C. Les sources de chaleur 24 apportent localement l'énergie calorifique man- quante pour provoquer l'auto-inflammation des suies sur la face amont du filtre à particules, cette dernière étant obtenue à environ 500°C du fait de l'alimentation du moteur avec un carburant auquel est ajouté l'additif abaissant la température de combustion des suies.
Plus généralement, les moyens de post-injection sont adaptés pour injecter une quantité de carburant suffisante pour obtenir une augmentation de la température des gaz d'échappement comprise entre 200°C et 300°C.
De même, la ou chaque source de chaleur est adaptée pour fournir localement une énergie calorifique d'environ 1 ,5 kW, ce qui permet d'obtenir une augmentation de la température des gaz d'échappement dans la région de la face amont du filtre à particules située en regard de chaque source, jusqu'à une valeur supérieure à 500°C.
Le dispositif décrit ici présente les avantages suivants. La combustion des suies s'effectue avec une efficacité améliorée par rapport aux deux dispositifs de l'état de la technique pris séparément. En effet, alors que l'un marche de manière non satisfaisante et que l'autre ne fonctionne pas pour de faibles températures des gaz en sortie du moteur, le dispositif selon l'invention fonctionne de manière satisfaisante sur la totalité de la plage de températures de fonctionnement du moteur. Une diminution de la contre-pression dans la ligne d'échappement est constatée. Celle-ci permet un gain de consommation.
Une diminution de la masse de suie nécessaire à la régénération du filtre à particules est possible par mise en œuvre de l'invention, ce qui per- met d'augmenter la durée de vie du filtre.
En particulier, on constate que, avec une source de chaleur disposée en amont du filtre mais sans post-injection de carburant lors de l'initiation de la régénération du filtre à particules, il convient, pour que le taux de régénération soit bon, que la masse de suie retenue sur le filtre à particules soit très importante.
Par exemple, une masse de 45 g de suie dans un filtre à particules de taille standard permet d'obtenir sans post-injection, uniquement par activa- tion de la source de chaleur amont, un taux de régénération supérieur à
90% même si la température des gaz d'échappement n'est que de l'ordre de 200°C en entrée.
En revanche, pour une masse de suie de 30g dans un filtre identique au précédent, et même avec des gaz d'échappement à une température de l'ordre de 280°C, le taux de régénération n'est que d'environ 30%.
Par mise en œuvre de l'invention, c'est-à-dire par activation conjointe d'une source de chaleur et d'une post-injection de carburant lors de la phase de régénération, un taux de régénération supérieur à 90 % pour un filtre à particules de taille standard est obtenu même avec des températures initiales de l'ordre de 200°C et une quantité de suie de 30 g.

Claims

REVENDICATIONS 1.- Dispositif de régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement (18) d'un moteur Diesel (10) du type comportant :
- des moyens (14) d'injection d'un additif adapté pour abaisser la température de combustion des suies ; et
- des moyens d'élévation de la température des gaz d'échappement en amont du filtre à particules (22), caractérisé en ce que lesdits moyens d'élévation de la température des gaz d'échappement comportent : - des moyens activables (28) de post-injection de carburant dans le moteur (10) en phase de détente pour provoquer une post-combustion dans les cylindres ;
- au moins une source de chaleur (24) disposée immédiatement en amont du filtre à particules (22) ; et - des moyens (26) d'activation simultanée des moyens de postinjection (28) et de la source de chaleur (24).
2.- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte un catalyseur d'oxydation (16) placé sur la ligne d'échappement (18) en sortie du moteur (10) et en amont du filtre à particules (22).
3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charge en métaux précieux du catalyseur d'oxydation est comprise entre 0,35 et 1 ,77 g/l (10 et 50 g/pied3).
4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de post-injection (28) sont adaptés pour injecter une quantité de carburant suffisante pour obtenir une augmentation de la température des gaz d'échappement comprise entre 200°C et 300°C.
5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou chaque source de chaleur (24) est adaptée pour obtenir une augmentation de la température des gaz d'échappement dans la région de la face amont du filtre à particules située en regard de chaque source jusqu'à une valeur supérieure à 500°C.
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