WO2003029620A1 - Procede de regeneration d'un filtre a particules pour moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
Procédé de régénération d'un filtre à particules (28) d'un moteur (12) à combustion, le moteur (12) comprenant un circuit (14) d'admission d'air et un circuit (16) d'échappement équipé du filtre à particules (28), le circuit (14) d'admission comprenant des moyens (40, 46) de régulation du débit d'air à l'admission, le moteur (12) comprenant également des moyens pour déterminer les paramètres de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que lors de chaque phase de régénération du filtre (28) à particules, et pour au moins un point de fonctionnement déterminé du moteur (12), les moyens (40) de régulation du débit d'air sont pilotés pour favoriser la combustion des particules piégées dans le filtre à particules.
Description
PROCEDE DE REGENERATION D ' UN FILTRE À PARTICULES POUR MOTEUR À COMBUSTION INTERNE
La présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules pour moteur à combustion interne.
Les normes concernant la pollution et ,1a consommation des moteurs à combustion interne équipant notamment les véhicules automobiles ou routiers, se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. Parmi les systèmes connus pour éliminer les particules de suie émises par -les moteurs à combustion interne et en particulier les moteurs diesels, on peut citer les filtres à particules insérés dans les lignes d'échappement des moteurs. Ces filtres sont adaptés pour piéger les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement. Des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans les filtres et éviter le colmatage de ces derniers.
En effet, les particules de suie brûlent à des températures de l'ordre de 550 à 600°C. De tels niveaux thermiques ne sont que rarement atteints par les gaz d'échappement d'un moteur diesel automobile puisque par exemple en ville la température des gaz d'échappement évolue entre 150 et 250°. D'où la nécessité de disposer de moyens appropriés pour élever la température des - az lorsque l'on souhaite régénérer un tel filtre à particules. Différents systèmes ont été proposés. Des systèmes de chauffage par résistance électrique, notamment des grilles chauffantes, permettent de porter la température d'échappement à une valeur suffisante pour provoquer la combustion des particules dans le filtre. D'autres systèmes proposent d'augmenter la température des gaz d'échappement par injection d'une quantité supplémentaire de carburant dans au moins une des chambres de combustion sous la forme d'une post-injection. C'est-à-dire, qu'après avoir injecté la quantité de carburant nécessaire au fonctionnement classique du moteur, une quantité supplémentaire de carburant est injectée dans un
second temps. Une partie de cette quantité de carburant additionnelle s'enflamme en produisant une augmentation de la température des gaz d'échappement, le reste de cette quantité est transformé en produits d'oxydations partielles comme le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures HC. Ce monoxyde et ces hydrocarbures peuvent également participer à l'augmentation des gaz d'échappement en réagissant par des réactions exothermiques avant leur arrivée dans le filtre à particules. Les réactions exothermiques sont obtenues lors de la traversée d'un catalyseur d'oxydation disposé en amont du filtre à particules. Pour obtenir les mêmes résultats une autre solution consiste par exemple à retarder l'injection principale. De même, le décalage de l'injection principale et une postinjection peuvent être réalisée dans le même cycle.
Par ailleurs, pour minimiser la dépense énergétique nécessaire à la combustion des particules de suie, il est également connu d'abaisser cette température de combustion des suies en utilisant des catalyseurs appropriés. Ainsi, il est connu d'ajouter dans le carburant un additif tel qu'un composé organo-métallique.
De même, le filtre à particules peut être revêtu d'une phase catalytique qui a comme objectif de fournir de l'énergie supplémentaire lors des réactions des hydrocarbures et du monoxyde de carbone.
La mise en action de ces différents systèmes d'aide à la régénération est pilotée par un système électronique de commande qui détermine en fonction d'un certain nombre de paramètres et notamment le chargement du filtre à particules, l'instant de la régénération. Afin d'améliorer l'efficacité d'une post-injection et/ou du décalage de l'injection princiale, il est souhaitable d'augmenter la richesse du mélange carburé par réduction du débit d'air frais entrant dans le moteur. Cette réduction de débit peut être obtenue par recirculation des gaz d'échappement. Cependant, cette solution impose de réinjecter à l'admission des gaz ayant une forte thermique et donc nécessite l'utilisation
de matériaux onéreux pour réaliser le circuit et la vanne supportant cette thermique.
Dans le domaine du traitement des gaz d'échappement, il existe des solutions pour atteindre le nivaux d'oxyde d'azote imposé par la norme EUROPE. On utilise sur les moteurs diesel la recirculation des gaz d'échappement à l'admission appelé EGR. Pour cela on utilise un circuit qui relie le collecteur d'échappement avec le collecteur d'admission en passant par une vanne à ouverture variable qui permet de réguler le débit de gaz qui circule dans ce circuit. Le débit d'air frais entrant dans le moteur se voit réduit d'autant plus que le débit de gaz recirculé est important. Le débit de gaz recirculé dépend de la position de la vanne et de la différence de pression à ses bornes. L'utilisation d'un volet à l'admission placé en amont de l'entrée des gaz EGR permet d'augmenter les débits de gaz d'échappement recirculé par élévation de la différence de pression aux bornes de la vanne.
La présente invention a pour but un procédé de régénération d'un filtre à particules permettant d'améliorer l'efficacité de la régénération du filtre par une post-injection et/ou le décalage de l'injection principale.
Ce but est atteint par un procédé de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à combustion, le moteur comprenant un circuit d'admission d'air et un circuit d'échappement équipé du filtre à particules, le circuit d'admission comprenant des moyens de régulation du débit d'air à l'admission, le moteur comprenant également des moyens pour déterminer les paramètres de fonctionnement du moteur, le procédé étant caractérisé en ce que lors de chaque phase de régénération du filtre à particules, et pour au moins un point de fonctionnement déterminé du moteur, les moyens de régulation du débit d'air sont pilotés pour favoriser la combustion des particules piégées dans le filtre à particules.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un groupe motopropulseur apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Selon la figure 1, le groupe motopropulseur 10 est composé principalement d'un moteur à combustion 12, d'un d'admission circuit 14, d'un circuit d'échappement 16 et d'un turbocompresseur 18. Un filtre à air 20, qui est situé en amont du circuit d'admission 14, permet de retenir les particules présentes dans l'air frais provenant de l'atmosphère. Le turbocompresseur 18 comprend un compresseur 22 qui met sous pression de l'air frais atmosphérique et une turbine 24 qui fournit l'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement d'un compresseur 22.
Le groupe motopropulseur 10 peut comprendre un dispositif de refroidissement 26 permet de refroidir l'air d'admission provenant du compresseur 22.
Un filtre à particule 28 est interposé dans l'échappement du moteur
12 et en aval de la turbine 24 du turbocompresseur 8 pour réaliser la purification des gaz d'échappement. Des moyens catalytiques (non représentés) peuvent également être interposés dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules.
Le groupe motopropulseur 10 peut également comprendre un circuit de recirculation 30 des gaz d'échappement branché en dérivation entre le circuit d'échappement 16 et le circuit d'admission 14. A cet effet, les gaz d'échappement sont prélevés en un point 32 de prélèvement du circuit d'échappement 16 où la pression des gaz d'échappement est élevée, c'est-à- dire en amont de la turbine 24. Ils sont ensuite réintroduits en un point 34 de recirculation du circuit d'admission 14, en aval du dispositif de refroidissement 26 de l'admission.
La recirculation des gaz d'échappement est réalisée de façon naturelle, grâce à la différence de pressions qui existe entre le circuit d'échappement 16 et le circuit d'admission 14. Un volet de recirculation 36 est monté dans le circuit de recirculation 30 de façon à réguler le débit des gaz d'échappement recirculés qui sont destinés à être mélangés avec de l'air frais du circuit d'admission 14. L'ouverture du volet de recirculation 36 est commandée par un actionneur de recirculation 38. Selon une variante (non représentée), la conduite de recirculation 30 peut comporter un dispositif de refroidissement, des gaz d'échappement recirculés. Un volet d'admission 40 est monté dans le circuit d'admission 14 de façon à réguler le débit d'air d'admission. Ce volet d'admission 40 est, par exemple, monté entre le point 34 de recirculation et le dispositif de refroidissement de l'admission 26. L'ouverture du volet d'admission 40 est commandée par un actionneur d'admission 42. On note que, en position fermée, le volet d'admission 40 obture complètement le circuit d'admission 14 de sorte que le volet d'admission 40 fonctionne comme un étouffoir pour arrêter plus rapidement le moteur.
Les ouvertures du volet d'admission 40 et du volet de recirculation 36 sont pilotées par l'intermédiaire d'une unité de pilotage 46 en fonction d'au moins un paramètre moteur. L'unité de pilotage 46 reçoit également des signaux provenant, par exemple du capteur (non représentés), représentatif de l'état de fonctionnement du moteur. A titre d'exemple, l'unité de. pilotage 46 reçoit une information relative au régime et au couple moteur et/ou un information relative à débit de carburant injectée. Suivant le point de fonctionnement du moteur 12 et suivant que l'on se trouve dans une phase de régénération du filtre à particules 28 ou en dehors d'une telle phase, l'unité de pilotage 46 reçoit une valeur de degré d'ouverture du volet d'admission 40 qui est déterminée, par exemple, par cartographie. Ensuite, l'unité de pilotage 46 transmet le signal de commande correspondant à l'actionneur 42 du volet d'admission 40.
Classiquement, un groupe motopropulseur 10 fonctionne de la manière suivante.
De l'air frais provenant de l'atmosphère est admis dans le circuit d'admission 14 après avoir traversé le filtre à air 20. Il est alors aspiré, puis comprimé par le compresseur 22. La compression de l'air provoque son échauffement. L'air est refroidi lors de son passage dans le dispositif de refroidissement 26. A la sortie de ce dernier, le circuit d'admission 14 conduit l'air frais dans une ou plusieurs chambre de combustion du moteur 12. Après combustion, les gaz d'échappement contiennent notamment des particules et ils sont rejetés dans le circuit d'échappement 16.
A la sortie moteur 12, les gaz d'échappement sont à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Ils sont alors détendus dans la turbine 24. Cette détente produit de l'énergie mécanique qui est transmise par un arbre 48 au compresseur 22.
Les gaz d'échappement pénètrent ensuite soit directement soit après être passé dans les moyens de catalyse, dans le filtre à particules 28 qui retient les particules jusqu'à leur combustion lors d'une phase de régénération.
On décrira maintenant le fonctionnement du procédé selon l'invention.
En dehors des phases de régénération du filtre à particules 28, l'unité de pilotage 46 commande l'ouverture du volet d'admission 40 pour améliorer, si nécessaire, la recirculation des gaz d'échappement en créant une dépression dans le circuit d'admission provoquant alors l'aspiration des gaz recirculés. De même, l'unité de pilotage 46 commande pilote le degré d'ouverture du volet de recirculation 36, lorsque le moteur 10 est équipé d'un circuit de recirculation.
De manière similaire, lors des phases de régénération du filtre à particules 28, l'unité de pilotage 46 pilote le degré d'ouverture du volet d'admission 40 en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement moteur. Le volet d'admission 40 permet de faire varier la quantité d'air admis dans le moteur et donc, par exemple, de modifier la richesse du mélange carburé tout en assurant une oxydation (combustion) complète de tout le carburant injecté.
Lorsque le moteur 12 fonction à charge moyenne ou à forte charge, le volet d'admission 40 est piloté pour réduire la quantité d'air admis dans le moteur. Ainsi, avec la même quantité de carburant injectée, la richesse du mélange se trouve augmentée ce qui a pour conséquence d'augmenter la température des gaz d'échappement et donc de favoriser la régénération du filtre à particules 28. Cependant, l'ouverture du volet d'admission 40 est toujours suffisante pour que la quantité d'air admis dans le moteur permet une oxydation complète du mélange carburé.
De même, lorsque le moteur 12 fonction à faible charge, tel qu'en phase de ralenti, ou à charge nul ou très faible, tel qu'en phase de décélération, le volet d'admission 40 est piloté pour réduire fortement la quantité d'air admis dans le moteur. Cette diminution du débit d'air à l'admission limite la dispersion calorifique du filtre à particules 28. En effet, selon l'art antérieur, lors d'une décélération, la température des gaz d'échappement chute brutalement du fait de l'absence de combustion, d'où un refroidissement du filtre à particules 28. En limitant la quantité d'air introduite lors de ces phases de décélération on limite la diminution de la température des gaz d'échappement ce qui favorise la régénération du filtre à particules 28.
Les valeurs du degré d'ouverture du volet d'admission 40 sont déterminées par cartographie en fonction, par exemple, de l'un ou plusieurs paramètres moteur suivant :
- régime moteur
- couple moteur
- débit de carburant
- débit d'air frais mesuré par un débitmètre (50) placé entre le compresseur (22) et le filtre à air (20)
- pression collecteur d'admission
Il est à noter que le fonctionnement selon l'invention et donc l'utilisation des cartographie spécifique sont déclenchés uniquement lorsqu'une phase de régénération du filtre à particules 28 est demandée. Ainsi, l'unité 46 de pilotage reçoit également une information relative à la mise en action de moyens (non représentés) d'aide à la régénération du filtre à particules 28. Ces moyens d'aide à la régénération sont connu en soi et comprennent par exemple un post-injection de carburant.
La cartographie peut être déterminés par expérience ou par calcul. On comprend que la solution proposée consiste à réduire le débit d'air par l'utilisation d'un volet proportionnel à l'admission en agissant sur le remplissage de façon à favoriser la régénération du filtre à particules.
Lorsque le moteur est équipé du circuit de recircultion et d'un volet à l'admission utilisé initialement pour augmenter le taux de gaz recirculé, le système proposé est donc une autre utilisation du volet à l'admission. Cette utilisation consiste en la réduction du débit d'air frais à l'admission du moteur uniquement par le volet permet de réduire le remplissage. Ainsi, en conservant un débit carburant identique, le volet permet d'augmenter la richesse de combustion qui se traduit par une augmentation de la thermique échappement. Cette thermique est nécessaire pour régénérer les filtres à particules.
Comme expliqué précédemment, en associant astucieusement une position du volet à l'admission avec le point de fonctionnement moteur lors des phases de régénération du filtre à particules, il est possible de diminuer le débit d'air entrant dans le moteur, par réduction du remplissage. La perte
de charge crée par le volet ne permet pas d'introduire dans le cylindre la masse d'air correspondant à la masse théoriquement admissible. Cependant, la masse d'air admise permet toujours d'obtenir un fonctionnement en excès d'air pour que tout le carburant injecté puisse être oxydé. Cette réduction de débit d'air à débit carburant identique permet d'augmenter la richesse ce qui se traduit par une élévation de la température à l'échappement favorisant ainsi la régénération du filtre à particules.
De même, l'autre utilisation du volet à l'admission est de pouvoir réduire de manière importante le débit de gaz sortant du moteur lors des décélérations (débit carburant nul) pour réduire la dissipation calorifique du catalyseur et du filtre et les maintenir à un niveau thermique élevé. Lors des décélérations ou des ralentis les débit carburants injectés sont faibles ou nul et réduisent l'apport calorifique à l'échappement. De plus, un débit d'air important aurait pour effet de évacuer rapidement la température dans le catalyseur et le filtre.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit qu'à titre d'exemple.
Claims
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (28) d'un moteur (12) à combustion, le moteur (12) comprenant un circuit (14) d'admission d'air et un circuit (16) d'échappement équipé du filtre à particules (28), le circuit (14) d'admission comprenant des moyens (40, 46) de régulation du débit d'air à l'admission, le moteur (12) comprenant également des moyens pour déterminer les paramètres de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que lors de chaque phase de régénération du filtre (28) à particules, et pour au moins un point de fonctionnement déterminé du moteur (12), les moyens (40) de régulation du débit d'air sont pilotés pour favoriser la combustion des particules piégées dans le filtre à particules.
2. Procédé de régénération selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens (40) de régulation du débit d'air sont pilotés de sorte que lorsque le moteur (12) fonctionne en charge partielle ou en pleine charge, le débit d'air entrant dans le moteur (12) est diminué pour augmenter la richesse du mélange carburé, tout en conservant une masse d'air admise dans le moteur (12) suffisante pour oxyder tout le carburant injecté.
3. Procédé de régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (40) de régulation du débit d'air sont pilotés de sorte que lorsque le moteur (12) est en phase de décélération ou fonctionne à faible charge, le débit d'air entrant dans le moteur (12) est diminué pour réduire la dissipation calorifique du filtre et pour favoriser le dégagement de chaleur lié à la combustion du mélange carburé.
4. Procédé de régénération selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de régulation du débit d'air comprennent un volet (40) à ouverture proportionnelle, ou volet d'admission, disposé dans le circuit (14) d'admission d'air.
5. Procédé de régénération selon la revendication 4, caractérisé en ce que le volet (40) d'admission constituant également des moyens pour augmenter le débit de gaz recirculé provenant d'un circuit (30) de recirculation reliant le circuit (16) d'échappement au circuit d'admission (14) en aval du volet (40).
6. Procédé de régénération selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le pilotage des moyens (40) de régulation du débit d'air à l'admission est réalisé par l'intermédiaire d'une cartographie des valeurs du degré d'ouverture du volet (40) à l'admission en fonction de l'un ou plusieurs des paramètres de fonctionnement moteur suivant, pour les phase de régénération du filtre à particules : - régime moteur
- couple moteur
- débit de carburant
- débit d'air frais,
- pression collecteur d'admission.
7. Procédé de régénération selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le pilotage des moyens de régulation du débit d'air à l'admission est réalisé par l'intermédiaire d'une cartographie des valeurs du degré d'ouverture du volet à l'admission en fonction de la quantité de carburant injectée, pour les phase de régénération du filtre à particules.
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