FR2849672A1 - Filtre a particules pour ligne d'echappement, ligne d'echappement ainsi equipee, et systeme d'aide a la regeneration d'un tel filtre a particules - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un filtre à particules (7) pour ligne d'échappement (3) de moteur (1) à combustion interne, du type comportant un médium filtrant destiné à piéger des particules de suies présentes dans les gaz d'échappement dudit moteur (1), caractérisé en ce que ledit médium est revêtu et/ou imprégné par un matériau capable de constituer une réserve d'oxygène apte à propager la combustion des suies lors d'une opération de régénération du filtre à particules (7).Elle concerne aussi une ligne d'échappement comportant ce filtre à particules (7) et un système d'aide à la régénération de ce filtre à particules (7).

Description

i
L'invention concerne l'industrie automobile. Plus précisément, elle concerne la régénération des filtres à particules utilisés notamment sur les lignes d'échappement des moteurs Diesel de véhicules de conception récente.
Les véhicules automobiles à moteur Diesel de conception récente 5 sont équipés, sur leurs lignes d'échappement, de filtres à particules (FAP) utilisés pour réduire leurs émissions de polluants solides. Ces FAP recueillent sur leurs parois des suies qu'il est nécessaire d'éliminer régulièrement pour éviter que le FAP ne se colmate, et lui faire retrouver son efficacité nominale. De plus, le colmatage du FAP crée progressivement une contrepression néfaste au 10 bon fonctionnement du moteur. Cette élimination, appelée " régénération du FAP ", peut être réalisée en portant le filtre à une température supérieure à la température de combustion des suies (celle-ci étant normalement de 5500C environ), au moyen des gaz d'échappement qui y circulent. A cet effet, une solution technique consiste à: - ajouter au carburant, par exemple lors du remplissage du réservoir, un additif d'aide à la régénération dont la fonction est d'abaisser la température de combustion des suies aux environs de 4500C et de fournir de l'oxygène disponible pour propager cette combustion; - et réaliser périodiquement une post-injection ou des injections 20 multiples de carburant en amont du FAP, notamment dans les cylindres du moteur lors de leur phase de détente.
La post-injection ou les injections multiples ont pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement et la quantité d'hydrocarbures disponible qu'ils renferment. Ces hydrocarbures sont convertis sur un catalyseur 25 d'oxydation placé en amont du FAP selon une réaction exothermique qui porte les gaz d'échappement à une température supérieure à 450'C. Ils arrivent alors sur le lit de suies, et la combustion des suies se produit grâce à la température élevée des gaz d'échappement et à l'activité catalytique des particules d'additif.
Elle est propagée par l'oxygène mis à la disposition du milieu par l'additif.
L'additif d'aide à la régénération est, par exemple, à base de cérine CeO2 et/ou d'oxyde ferrique Fe2O3, ou encore de tout oxyde métallique capable de céder de l'oxygène.
Un inconvénient de cette façon de procéder est que la régénération périodique du FAP laisse subsister à l'intérieur du médium filtrant des impuretés 35 incombustibles constituées par des espèces minérales. Ces impuretés sont, pour une grande partie, des résidus de l'additif d'aide à la régénération. Elles diminuent progressivement l'efficacité du FAP par encrassement, ce qui nécessite de procéder régulièrement à un nettoyage approfondi du FAP, par exemple tous les 80 OOOkm ou tous les 120 OOOkm.
Afin d'espacer davantage ces nettoyages approfondis, il serait nécessaire de parvenir à diminuer la quantité d'additif d'aide à la régénération introduite dans le carburant.
Le but de l'invention est de proposer une solution technique permettant de diminuer cette quantité, sans pour autant que l'efficacité de la réduction des émissions de matières polluantes rejetées avec les gaz d'échappement ne s'en trouve affectée.
A cet effet, l'invention a pour objet un filtre à particules pour ligne d'échappement de moteur à combustion interne, du type comportant un médium filtrant destiné à piéger des particules de suies présentes dans les gaz d'échappement dudit moteur, caractérisé en ce que ledit médium est revêtu et/ou imprégné par un matériau capable de constituer une réserve d'oxygène 15 apte à propager la combustion des suies lors d'une opération de régénération du filtre à particules.
Ledit matériau peut être de l'oxyde de cérium, ou un oxyde mixte de cérium et de zirconium.
Le filtre peut être également revêtu et/ou imprégné par au moins un 20 catalyseur favorisant le déclenchement de réactions tendant à diminuer les émissions polluantes du moteur, par exemple par au moins un catalyseur favorisant le déclenchement de la combustion des suies, tel que du platine.
L'invention a également pour objet une ligne d'échappement de moteur à combustion interne du type comportant un filtre à particules, 25 caractérisée en ce que ledit filtre à particules est du type précédent.
L'invention a enfin pour objet un système d'aide à la régénération d'un filtre à particules intégré dans une ligne d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisé en ce que le moteur est associé à différents organes, parmi lesquels: - des moyens d'admission d'air dans le moteur, - des moyens de recyclage de gaz d'échappement du moteur en entrée de celui-ci, - un turbocompresseur, - un filtre à particules du type précédent, - un catalyseur d'oxydation disposé en amont du filtre à particules dans la ligne d'échappement ou confondu avec celui-ci, - un système d'alimentation commune en carburant des cylindres du moteur, comportant des injecteurs à commande électriques, associés à ces cylindres, -des moyens d'ajout au carburant d'un additif destiné à se déposer dans le lit de particules de suies, pour abaisser la température de combustion des particules piégées dans le filtre et propager leur combustion, - des moyens d'acquisition d'informations relatives à différents 19 paramètres de fonctionnement du moteur et des organes associés à celui-ci, et -des moyens de contrôle du fonctionnement des moyens d'admission, des moyens de recyclage, du turbocompresseur et/ou du système d'alimentation pour contrôler le fonctionnement du moteur, ces moyens étant en outre adaptés pour déclencher une phase de régénération du filtre à particules 15 par combustion des particules piégées dans celui-ci en enclenchant une phase d'injections multiples de carburant dans les cylindres du moteur pendant leur phase de détente.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à réaliser un revêtement et/ou une imprégnation du médium filtrant du FAP par un composé 20 qui joue le rôle d'un réservoir d'oxygène permettant la propagation de la réaction de combustion des suies lors de l'opération de régénération. Ce composé peut également jouer un rôle catalytique dans l'initiation de la combustion des suies, mais il doit être entendu que c'est la fonction de propagation de cette combustion qui constitue l'aspect essentiel de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence à la figure unique annexée qui représente de façon schématique un moteur Diesel de véhicule et les différents organes associés à celui-ci. On a en effet représenté sur cette figure, un moteur Diesel de 30 véhicule automobile qui est désigné par la référence générale 1.
Ce moteur Diesel est associé à des moyens d'admission d'air en entrée de celui-ci, qui sont désignés par la référence générale 2.
En sortie, ce moteur est associé à une ligne d'échappement qui est désignée par la référence générale 3.
Des moyens de recyclage de gaz d'échappement du moteur en entrée de celuici sont également prévus et sont désignés par la référence générale 4.
Ces moyens sont alors interposés par exemple entre la sortie du moteur et les moyens 2 d'admission d'air dans celui-ci.
La ligne d'échappement peut également être associée à un turbocompresseur désigné par la référence générale 5 et plus particulièrement à la portion de turbine de celui-ci, de façon classique.
Enfin, la ligne d'échappement comporte un catalyseur d'oxydation 10 désigné par la référence générale 6, disposé en amont d'un filtre'à particules désigné par la référence générale 7, disposé dans la ligne d'échappement.
Le moteur est également associé à un système d'alimentation commune en carburant des cylindres de celui-ci. Ce système est désigné par la référence générale 8 sur cette figure et comporte par exemple des injecteurs à 15 commande électrique associés à ces cylindres.
Dans l'exemple de réalisation représenté, le moteur est un moteur à quatre cylindres et comporte donc quatre injecteurs à commande électrique, respectivement 9, 10, 11 et 12.
Ces différents injecteurs sont associés à une rampe d'alimentation 20 commune en carburant désignée par la référence générale 13 et reliée à des moyens d'alimentation en carburant désignés par la référence générale 14, comprenant par exemple une pompe à haute pression.
Ces moyens d'alimentation sont reliés à un réservoir de carburant désigné par la référence générale 15 et à des moyens d'ajout à ce carburant 25 d'un additif, par exemple à base de cérine et/ou d'oxyde ferrique (ou de tout oxyde métallique capable de céder de l'oxygène), destiné à se déposer sur le filtre à particules pour abaisser la température de combustion des particules piégées dans celui-ci.
En fait, cet additif peut par exemple être contenu dans un réservoir 30 auxiliaire désigné par la référence générale 16 associé au réservoir de carburant 15 pour permettre l'injection d'une certaine quantité de cet additif dans le carburant.
Enfin, ce moteur et les différents organes qui viennent d'être décrits sont également associés à des moyens de contrôle de leur fonctionnement 35 désignés par la référence générale 17 sur cette figure, comprenant par exemple tout calculateur approprié 18 associé à des moyens de stockage d'information 19, et raccordé en entrée à différents moyens d'acquisition d'informations relatives à différents paramètres de fonctionnement de ce moteur 1 et de ces organes, ce calculateur 18 étant alors adapté pour contrôler le fonctionnement des moyens d'admission 2, des moyens de recyclage 4, du turbocompresseur 5 et/ou du système d'alimentation 14 pour contrôler le fonctionnement du moteur 5 1 et notamment le couple engendré par celui-ci en fonction des conditions de roulage du véhicule de façon classique.
C'est ainsi par exemple que ce calculateur 18 est relié à un capteur de pression différentielle 20 aux bornes de l'ensemble formé par le catalyseur 6 et le filtre à particules 7, à des capteurs de température 21, 22 et 23, 10 respectivement en amont du catalyseur 6, entre ce catalyseur 6 et le filtre à particules 7 et en aval de ce filtre à particules 7 dans la ligne d'échappement 3.
Le calculateur 18 peut également recevoir une information de teneur en oxygène des gaz d'échappement à partir d'une sonde Lambda X désignée par la référence générale 24 sur cette figure, intégrée dans la ligne 15 d'échappement 3.
En sortie, ce calculateur 18 est adapté pour piloter les moyens 2 d'admission d'air, les moyens 4 de recyclage de gaz d'échappement, le turbocompresseur 5, les moyens 16 d'ajout au carburant de l'additif, les moyens 14 d'alimentation en carburant de la rampe commune 8 et les différents 20 injecteurs 9-12 associés aux cylindres du moteur 1.
En particulier, ce calculateur 18 est adapté pour déclencher une phase de régénération du filtre à particules 7 par combustion des particules piégées dans celui-ci en enclenchant une phase d'injections multiples de carburant dans les cylindres du moteur 1 pendant leur phase de détente.
Les particules émises par le moteur 1 au cours de son fonctionnement sont en effet piégées dans le filtre à particules. Il convient alors de régénérer celui-ci régulièrement par combustion de ces particules.
Une ligne d'échappement 3 de moteur 1 à combustion interne selon l'invention comporte donc, de manière connue, un réacteur 6 renfermant un 30 catalyseur d'oxydation (par exemple un métal tel que du platine) assurant, par une réaction exothermique, la conversion des hydrocarbures et du CO renfermés par les gaz d'échappement en C02 et vapeur d'eau.
Puis, selon l'invention, la ligne d'échappement 3 comporte un FAP 7 qui a pour particularité d'être revêtu et/ou imprégné sur tout ou partie de sa 35 surface et/ou de son volume d'un composé tel que de l'oxyde de cérium ou un oxyde mixte de cérium et de zirconium. Ce composé doit être capable de constituer une réserve d'oxygène apte à propager la combustion des suies initiée lors d'une opération de régénération du FAP 7. On dit alors que ce composé présente une " fonction OSC " (pour " oxygen storage capacity ").
En même temps, ce composé contribue à abaisser la température de combustion des suies, tout comme le fait l'additif d'aide à la régénération 5 habituellement introduit dans le carburant. Cependant, l'introduction de cet additif demeure nécessaire même avec l'utilisation d'un FAP 7 selon l'invention.
En effet, le composé présentant une fonction OSC déposé sur le FAP 7 et/ou l'imprégnant (ce dernier terme signifiant qu'il est présent à la surface des pores situés à l'intérieur des éléments filtrants constituant les parois du FAP) n'assure 10 qu'un contact surfacique avec les suies. Cet effet peut ne pas être suffisant pour abaisser à lui seul la température de combustion des suies dans les proportions assurant une régénération du FAP 7 aussi rapide que souhaitée pour les applications envisagées. De ce point de vue, l'addition de cérine et/ou d'oxyde de fer (par exemple) au carburant permet d'incorporer l'additif d'aide à la 15 régénération au sein des suies elles-mêmes, ce qui lui procure une efficacité optimale. Néanmoins, l'utilisation d'un FAP 7 selon l'invention conjuguée à l'utilisation d'un additif d'aide à la régénération procure un abaissement supplémentaire de la température de combustion des suies, qui est évidemment très favorable du point de vue énergétique. Dans la pratique, il est envisageable 20 que l'on puisse abaisser la température de combustion des suies à 400'C là o, auparavant, à quantité d'additif d'aide à la régénération égale ou même supérieure, on obtenait une température de combustion de 450'C.
Il va de soi que lorsque le composé présentant une fonction OSC n'est pas réparti uniformément sur l'ensemble du médium filtrant, il doit être 25 présent de manière privilégiée dans les parties du médium filtrant o les suies s'accumulent en quantités particulièrement élevées. C'est, par exemple, le cas de la surface du médium filtrant qui constitue l'entrée du FAP 7, notamment les surfaces définissant les canaux d'entrée du FAP 7 lorsque celui-ci a une structure en nid d'abeilles comme il est classiquement connu.
Le composé présentant une fonction OSC peut ne pas être le seul composé revêtant et/ou imprégnant le FAP 7. Il peut être mélangé à un ou plusieurs catalyseurs destinés à favoriser le déclenchement de la combustion des suies et/ou d'autres réactions tendant à diminuer les émissions polluantes du moteur, par exemple un métal tel que du platine pour catalyser l'oxydation 35 des hydrocarbures et du CO, un catalyseur de traitement des oxydes d'azote, etc. On peut donc envisager que la conversion des hydrocarbures et du CO se passe en partie ou en totalité au sein même du FAP 7 et non forcément dans un milieu séparé 6 en amont du FAP 7.
Dans la pratique, il est avantageux de profiter de l'utilisation d'un FAP 7 selon l'invention pour diminuer la quantité d'additif d'aide à la régénération 5 employée. Cela a pour effet de réduire la quantité de résidus incombustibles qui se dépose dans le FAP 7, et donc de rendre son nettoyage approfondi moins souvent nécessaire.
Il doit être entendu que l'application d'un FAP 7 selon l'invention aux lignes d'échappement de moteurs Diesel n'est qu'une application privilégiée. Un 10 FAP 7 selon l'invention serait utilisable sur la ligne d'échappement de tout type de moteur à combustion interne pour lequel un FAP 7 aurait son utilité.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Filtre à particules (7) pour ligne d'échappement (3) de moteur (1) à combustion interne, du type comportant un médium filtrant destiné à piéger des 5 particules de suies présentes dans les gaz d'échappement dudit moteur (1), caractérisé en ce que ledit médium est revêtu et/ou imprégné par un matériau capable de constituer une réserve d'oxygène apte à propager la combustion des suies lors d'une opération de régénération du filtre à particules.
2. Filtre à particules (7) selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que ledit matériau est de l'oxyde de cérium.
3. Filtre à particules (7) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau est un oxyde mixte de cérium et de zirconium.
4. Filtre à particules (7) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est également revêtu et/ou imprégné par au moins un 15 catalyseur favorisant le déclenchement de réactions tendant à diminuer les émissions polluantes du moteur.
5. Filtre à particules (7) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est également revêtu et/ou imprégné par au moins un catalyseur favorisant le déclenchement de la combustion des suies.
6. Filtre à particules (7) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit catalyseur est du platine.
7. Ligne d'échappement de moteur à combustion interne du type comportant un filtre à particules (7), caractérisée en ce que ledit filtre à particules (7) est du type selon l'une des revendications 1 à 6.
8. Système d'aide à la régénération d'un filtre à particules intégré dans une ligne d'échappement (3) d'un moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisé en ce que le moteur (1) est associé à différents organes, parmi lesquels: - des moyens (2) d'admission d'air dans le moteur, - des moyens (4) de recyclage de gaz d'échappement du moteur en entrée de celui-ci, - un turbocompresseur (5), - un filtre à particules (7) selon l'une des revendications 1 à 6, - un catalyseur d'oxydation (6) disposé en amont du filtre à particules (7) dans la ligne d'échappement (3) ou confondu avec celui-ci, - un système (8) d'alimentation commune en carburant des cylindres du moteur, comportant des injecteurs à commande électriques (9, 10, 11, 12), associés à ces cylindres, - des moyens (16) d'ajout au carburant d'un additif destiné à se déposer dans le lit de particules de suies, pour abaisser la température de combustion des particules piégées dans le filtre (7) et propager leur combustion, - des moyens (20, 21, 22) d'acquisition d'informations relatives à 10 différents paramètres de fonctionnement du moteur et des organes associés à celui-ci, et - des moyens (17) de contrôle du fonctionnement des moyens d'admission, des moyens de recyclage, du turbocompresseur et/ou du système d'alimentation pour contrôler le fonctionnement du moteur, ces moyens étant en 15 outre adaptés pour déclencher une phase de régénération du filtre à particules par combustion des particules piégées dans celui-ci en enclenchant une phase d'injections multiples de carburant dans les cylindres du moteur pendant leur phase de détente.
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