WO2006016090A1 - Procede de gestion de la regeneration d'un filtre a particules - Google Patents

Procede de gestion de la regeneration d'un filtre a particules Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the depollution of diesel engines. More specifically, it relates to the management of the regeneration of a particulate filter, or FAP, exhaust line provided with a catalytic member, by regulating the temperature at the inlet of the filter.
  • Regeneration of the particulate filter by combustion of soot pollutants, or particles, contained therein, is generally performed through delayed injections (after the top dead center) of fuel.
  • a catalytic member (either in the form of an oxidation catalyst upstream of the filter, or in the form of a catalytic material disposed within the filter), for oxidizing the reducing elements (HC, CO, H ⁇ ), the fuel injected late, which has not burned in the combustion chamber, burns in the catalytic part of the exhaust line.
  • the regeneration of the filter is managed by regulating its inlet temperature. That is to say that You modify the quantity and / or the delay of the injections of gas oil, so as to have a temperature at the input of the FAP as close as possible (equal in absolute terms) to a temperature setpoint allowing the regeneration the FAP, while protecting the latter from possible deterioration due to the runaway of soot combustion reactions.
  • This technique therefore makes it possible to control the thermal inputs upstream of the FAP, but without taking into account the contributions of HC and CO upstream of the catalyst.
  • the present invention aims to overcome this major disadvantage, and to prevent the risk of temperature runaway within the catalytic body.
  • the limitation of the temperature gradient across the catalytic member is imposed if the latter exceeds a threshold presenting a risk of degradation for the catalytic member.
  • the gradient is limited by reducing the amount of fuel injected late after the top dead center (HWP) because it creates little input heat of the particulate filter, but brings a lot of HC and CO 1 responsible for the temperature gradient at the terminals of the catalytic organ.
  • HWP top dead center
  • FIG. 1 there is shown a catalytic particle filter 1, that is to say containing catalytic materials (not shown), for example platinum, to oxidize HC and CO mainly from the late injections.
  • a temperature sensor 2 measuring the temperature at the inlet of the TeF ⁇ P filter.
  • no output temperature sensor has been shown because the downstream temperature of the filter can advantageously be calculated on the basis of a conventional statistical model.
  • the engine has a turbo 3 and a circuit BGk 4 (Exhaust Gas Recirculation).
  • the diagram also shows a cylinder 6 of the engine with its fuel injector 7, its intake duct 8 and its exhaust duct 9. These two ducts are connected by the ESR circuit 4, with its EeR valve 4a.
  • the intake duct 8 has a flowmeter 8a, a collector pressure sensor 8b and an intake flap 8c, II opens into an intake manifold 9.
  • the circuit comprises a turbo ⁇ compressor 3 disposed between the ducts 8, 9.
  • no oxidation catalyst has been shown, since it is assumed that a large quantity of catalytic material is disposed directly inside the filter (it is is therefore a catalytic particle filter). But the invention applies under the same conditions, if the catalyst is juxtaposed upstream of the filter.
  • at least one delayed injection is carried out in the combustion chambers of the engine, which has the effect of increasing the temperature of the gases or the exhaust.
  • the main injection is eventually followed by one or more late injections.
  • the late-injected gas oil does not burn in the combustion chamber, but in the catalytic part of the exhaust line, where HC and CO oxidize by increasing the temperature of the gases.
  • the late injection also has the effect of increasing the input / output temperature gradient of the catalyst.
  • the Vmventlon method illustrated in FIG. 2 proposes controlling this temperature gradient during the regeneration phases. Specifically, it is expected to regulate the amount of gasoil injected late, preferably after the top dead center, so as to maintain between the inlet and the outlet of the catalytic member, a permissible temperature gradient; although it is no longer reached, in some cases, the temperature set point of regeneration temperature FAP, this arrangement makes it possible to preserve the catalyst from cracks due to a too high temperature gradient.
  • the proposed solution has the advantage of taking into account the effect of the contributions of HC, CO in the management of the regeneration of the FAP.
  • the engine of the vehicle may be equipped with an ESR system, a turbocharger and / or an intake flap, within the scope of the invention the engine may also have, a common high-pressure intake manifold or an injection system direct.
  • the invention applies under the same conditions in the absence of one or more of these elements.
  • the management of the regeneration of the FAP is ensured by a regulation of the temperature at the inlet of the TeFAP filter. That is to say that the quantity and / or the delay of the injections of gas oil is modified, so as to have an inlet temperature of FAP TeFAP, as close as possible (equal in absolute terms) to a set temperature given, allowing the regeneration of the FAP while protecting, as much as possible, a deterioration by runaway reaction.
  • the difference (C) between the setpoint (A) and the measured temperature value (B) of the TeFAP filter (t) is continuously calculated.
  • the engine calculator deduces a first injection pattern (D).
  • the occurrence of the input / output temperature gradient (E) of the catalytic element is monitored at each occurrence of the computer. If this gradient exceeds a certain threshold (F), deviation ( ⁇ ) - (E) - (F) ⁇ 0, the computer imposes a second injection pattern to limit the amount of gas oil injected late to maintain the gradient (E) below the threshold (F).
  • the threshold (F) depends on the materials used in the catalyst.
  • the inlet and outlet temperatures of the catalytic member can be indifferently determined by means of sensors, or by physical or statistical modeling (for example by neural networks).
  • This method has very large advantages for managing the regeneration of a FAP, because it provides in a simple way the protection of the catalytic member of the exhaust line, minimizing the impact of protection on the course of the regeneration.
  • the catalytic member generally has a high thermal inertia, so that modifications of the fuel injection exert their influence on the temperature gradient only after a certain lapse of time.
  • the thermal inertia of the catalytic element must be taken into account in the control loop to avoid any risk of deterioration.
  • Another safety margin will have to be introduced to take into account that on a part of the operating field of the engine (especially at low loads), it is practically impossible to cancel the temperature gradient, even when stopping any late injection. because after stopping the late injection, the outlet temperature of the catalytic member may remain a few tens of degrees higher than the inlet temperature.

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Abstract

Procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules (1) de ligne d'échappement munie d'un organe catalytique, par régulation de la température en entrée (TeFAP) du filtre (1), caractérisé en ce qu'on impose une limitation de la température d'entrée (TeFAP) si le gradient de température aux bornes (E) de l'organe catalytique dépasse un seuil (F) présentant un risque de dégradation pour celui-ci.

Description

PROCEDE DE 6ESTION DE LA REGENERATION D'UN FILTRE A
PARTICULES
L'invention se rapporte à la dépollution des moteurs Diesel. Plus précisément, elle concerne la gestion de la régénération d'un filtre à particules, ou FAP, de ligne d'échappement munie d'un organe catalytique, par régulation de la température en entrée du filtre.
La régénération du filtre à particules par combustion des suies polluantes, ou particules, contenues dans celui-ci, s'effectue généralement grâce à des injections retardées (après le point mort haut) de carburant.
Celles-ci ont pour effet d'augmenter la température des gaz à l'échappement.
Lorsqu'on dispose aussi dans la ligne d'échappement un organe catalytique (soit sous la forme d'un catalyseur d'oxydation en amont du filtre, soit sous la forme d'un matériau catalytique disposé au sein du filtre), pour oxyder les éléments réducteurs (HC, CO, H^), le carburant injecté tardivement, qui n'a pas brûlé dans la chambre de combustion, brûle dans la partie catalytique de la ligne d'échappement.
Ces réactions d'oxydation des HC et des CO sur les sites catalytiques, en présence d'oxygène, augmentent le gradient de température entrée/sortie du catalyseur, au point de pouvoir le détériorer.
Selon l'état de la technique connue illustrée notamment par la publication FR 2 804 168, la régénération du filtre est gérée par régulation de sa température d'entrée. C'est à dire que Ton modifie la quantité et/ou le retard des injections de gasoil, de façon à avoir une température en entrée du FAP la plus proche possible (égale dans l'absolu) d'une consigne de température permettant la régénération du FAP, tout en protégeant ce dernier de détériorations éventuelles dues à l'emballement des réactions de combustion des suies. Cette technique permet donc de contrôler les apports thermiques en amont du FAP, mais sans tenir compte des apports en HC et CO en amont du catalyseur. Or1 en présence d'oxygène et de matériaux catalytiques, et à température élevée, les HC et les CO s'oxydent en dégageant de la chaleur et augmentent le gradient de température entrée/sortie du catalyseur. L'augmentation de température est ainsi susceptible de détériorer le régulateur, sans avoir été détectée et évitée.
De manière générale, les stratégies connues de contrôle de la régénération d'un filtre à particules n'assurent pas la protection des organes catalytiques implantés en amont du filtre.
La présente invention, vise à palier cet inconvénient majeur, et à prévenir les risques d'emballement de la température au sein de l'organe catalytique.
Dans ce but, elle propose de limiter le gradient de température aux bornes de l'organe catalytique, lorsque cette limitation est nécessaire pour préserver l'organe catalytique de détériorations liées à l'oxydation d'éléments réducteurs en présence d'oxygène et de matériaux catalytiques.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la limitation du gradient de température aux bornes de l'organe catalytique, est imposée si ce dernier dépasse un seuil présentant un risque de dégradation pour l'organe catalytique.
De préférence, on limite le gradient en réduisant la quantité de carburant injectée tardivement après le point mort haut (PHM), car elle crée peu de chaleur en entrée du filtre à particules, mais apporte beaucoup de HC et CO1 responsables du gradient de température aux bornes de l'organe catalytique. tVautres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de dispositif, et - la figure 2 illustre le procédé de l'invention
Sur la figure 1, on a représenté un filtre à particules 1 catalytique, c'est à dire contenant des matériaux catalytiques (non représentés), par exemple le platine, pour oxyder les HC et CO provenant essentiellement des injections tardives. En amont du filtre 1, est placé un capteur de température 2, mesurant la température en entrée du filtre TeFΛP. En revanche, on n'a pas représenté de capteur de température de sortie, car la température aval du filtre peut avantageusement être calculée sur la base d'un modèle statistique classique. Dans le cas présenté, le moteur dispose d'un turbo 3 et d'un circuit BGk 4 (Exhaust Gas Recirculation). Le schéma montre également un cylindre 6 du moteur avec son injecteur de carburant 7, son conduit d'admission 8 et son conduit d'échappement 9. Ces deux conduits sont reliés par le circuit ESR 4, a\/ec sa vanne EeR 4a. Le conduit d'admission 8 présente un débitmètre 8a, un capteur de pression collecteur 8b et un volet d'admission 8c, II débouche dans un collecteur d'admission 9. Enfin, le circuit comporte un turbo¬ compresseur 3, disposé entre les conduits d'admission et d'échappement 8, 9. Sur le schéma, on n'a pas représenté de catalyseur d'oxydation, car on suppose qu'une quantité importante de matériau catalytique est disposée directement à l'intérieur du filtre (il s'agit donc d'un filtre à particules catalytique). Mais l'invention s'applique dans les mêmes conditions, si le catalyseur est juxtaposé en amont du filtre. Pour régénérer le filtre 1, on procède à au moins une injection retardée, dans les chambres de combustion du moteur, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz o l'échappement. L'injection principale est suivie éventuellement d'une ou plusieurs injections tardives. Le gasoil injecté tardivement ne brûle pas dans la chambre de combustion, mais dans la partie catalytique de la ligne d'échappement, où les HC et CO s'oxydent en augmentant la température des gaz. L'injection tardive a aussi pour effet d'augmenter le gradient de température entrée/sortie du catalyseur.
Le procédé de Vmventlon, illustré par la figure 2 propose de contrôler ce gradient de température lors des phases de régénération. Concrètement, il est prévu de réguler la quantité de gasoil injecté tardivement, de préférence après le point mort haut, de façon à conserver entre l'entrée et la sortie de l'organe catalytique, un gradient de température admissible ; bien que l'on n'atteigne plus, dans certains cas, la température consigne de température de régénération FAP, cette disposition permet de préserver le catalyseur des fissurations dues à un trop fort gradient de température.
La solution proposée a l'avantage de tenir compte de l'effet des apports en HC, CO dans la gestion de la régénération du FAP. Ainsi, en connaissant par mesure directe, ou par modélisation, les températures en entrée et en sortie de l'organe catalytique et en contrôlant le gradient correspondant, on s'assure de ne pas détériorer cet organe.
Comme indiqué sur la figure 1, le moteur du véhicule peut être équipé d'un système ESR, d'un turbocompresseur et/ou d'un volet d'admission, bans le cadre de l'invention, le moteur peut aussi disposer, d'une rampe commune d'admission haute pression ou encore d'un système d'injection directe. Toutefois, l'invention s'applique dans les mêmes conditions en l'absence d'un ou plusieurs de ces éléments.
Conformément à l'invention, la gestion de la régénération du FAP, est assurée par une régulation de la température en entrée du filtre TeFAP. C'est à dire que l'on modifie la quantité et/ou le retard des injections de gasoil, de façon à avoir une température en entrée de FAP TeFAP, la plus proche possible (égale dans l'absolu) d'une température consigne donnée, permettant la régénération du FAP tout en le protégeant, autant que possible, d'une détérioration par emballement de la réaction. Comme indiqué sur la figure 2, on calcule en permanence l'écart (C) entre la consigne (A) et la valeur mesurée (B) de température en entrée du filtre TeFAP (t). Le calculateur du moteur en déduit un premier motif d'injection (D). Parallèlement, on contrôle à chaque occurrence du calculateur le gradient de température entrée/sortie (E) de l'organe catalytique. Si ce gradient dépasse un certain seuil (F), écart (Θ) - (E) - (F) < 0, le calculateur impose un deuxième motif d'injection propre à limiter la quantité de gas-oil injecté tardivement pour maintenir le gradient (E) sous le seuil (F). Le seuil (F) dépend des matériaux utilisés dans le catalyseur. Par ailleurs, les températures d'entrée et de sortie de l'organe catalytique peuvent être indifféremment déterminées au moyen de capteurs, ou par modélisation physique ou statistique (par exemple par réseaux de neurones).
Ce procédé présente de très gros avantages pour gérer la régénération, d'un FAP, car il assure d'une façon simple la protection de l'organe catalytique de la ligne d'échappement, en limitant au minimum l'impact de la protection sur le déroulement de la régénération.
Toutefois, sa mise en oeuvre exige quelques précautions, car l'organe catalytique présente généralement une forte inertie thermique, de sorte que les modifications de l'injection de gasoil n'exercent leur influence sur le gradient de température qu'après un certain laps de temps. L'inertie thermique de l'organe catalytique doit être prise en compte dans la boucle de régulation pour éviter tout risque de détérioration. Une autre marge de sécurité devra être introduite pour tenir compte du fait que sur une partie du champ de fonctionnement du moteur (notamment aux faibles charges), il est pratiquement impossible d'annuler le gradient de température, même en stoppant toute d' injection tardive, car après l'arrêt de l'injection tardive, la température de sortie de l'organe catalytique peut rester supérieure de quelques dizaines de degrés à la température d'entrée. En intégrant ces contraintes dans le système de régulation de l'invention, la protection de l'organe catalytique pourra être assurée avec la plus grande sécurité et le moins d'effets possibles sur la régénération.

Claims

REVENbICATTONS
1. Procédé de gestion de la régénération d'un filtre à particules (1) de ligne d'échappement munie d'un organe catalytique, par régulation de la température en entrée (TeFAP) du filtre (1), caractérisé en ce qu'on impose une limitation de la température d'entrée (TeFAP) si le gradient de température aux bornes (E) de l'organe catalytique dépasse un seuil (F) présentant un risque de dégradation pour celui-ci.
2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on limite la température d'entrée du filtre (TeFAP), en réduisant les quantités de carburant injectées tardivement après le point mort haut.
3. Procédé de gestion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce la température d'entrée (TeFAP) est limitée lorsque la limitation est nécessaire pour préserver l'organe catalytique de détériorations liées à l'oxydation d'éléments réducteurs en présence d'oxygène et de matériaux catalytiques.
4. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on limite la température d'entrée du filtre (TeFAP), en modifiant le retard des injections de carburant.
5. Procédé de gestion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température en entrée du filtre (TeFAP), est maintenue la plus proche possible d'une température de consigne assurant l'optimisation de la régénération.
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