FR2874970A1 - Procede de regeneration d'un systeme de motorisation a filtre a particules - Google Patents
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Abstract
Un moteur (12) à combustion interne comporte un catalyseur d'oxydation (20) situé entre le moteur (12) et un filtre à particules (16). Selon un procédé de régénération du filtre à particules (16), on réalise pour chaque cylindre une injection principale (32) de carburant autour du point mort haut (PMH), et une première post-injection (33), pendant une phase de détente, après le passage du point mort haut, avant le passage d'une position de détente (αd) du vilebrequin après le point mort haut, et en outre une deuxième post-injection (34) après le passage de la position de détente (αd).
Description
Procédé de régénération d'un système de motorisation à filtre à particules.
L'invention concerne un procédé de régénération d'un système de motorisation à catalyseur d'oxydation et filtre à particules.
Il est connu d'équiper des systèmes de motorisation, notamment à moteur Diesel, avec un filtre à particules pour diminuer les suies rejetées dans l'atmosphère. Cependant, ce type de filtre se colmate, et il est nécessaire de brûler régulièrement les suies piégées dans le filtre. Cette opération est appelée régénération. On équipe également la ligne d'échappement d'un catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, pour brûler les gaz imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement. Cette combustion permet aussi d'augmenter la température dans le filtre à particules et de contribuer ainsi à la régénération.
La régénération est obtenue en élevant la température des gaz d'échappement pour obtenir l'ignition des suies. Divers moyens ont été envisagés parmi lesquels un procédé de régénération, exposé dans le document EP 1 283 342, selon lequel l'injection de carburant est réalisée de manière particulière.
Dans un mode de réalisation particulier de ce procédé, pendant la phase de régénération, on réalise le schéma d'injection exposé sur la figure 2B du document EP 1 283 342. Le schéma d'injection détermine à quels instants, en référence à la position angulaire du vilebrequin par rapport au point mort haut atteint à la fin d'une phase de compression, des injections de carburant ont lieu dans un cylindre donné. Une première injection est réalisée avant le point mort haut, une injection principale est réalisée autour du point mort haut, et une troisième injection, dite post-injection, est réalisée pendant la phase de détente, après le passage du point mort haut.
Cependant, lorsque le moteur fonctionne à faible régime, par exemple à une vitesse de rotation inférieure à 3000 tours par minute et avec une pression moyenne effective inférieure à 10 bars, il est nécessaire de réaliser la troisième injection très tardivement, c'est-à-dire lorsque le vilebrequin est dans une position entre 65[deg] et 150[deg] après le passage du point mort haut. Dans ce cas, la température suffisante avant le filtre à particules est obtenue à condition d'injecter une forte quantité de carburant. Or on constate que l'injection dans ces conditions conduit à déposer du carburant contre les parois du cylindre, lequel carburant passe ensuite dans l'huile du moteur, ce qui est néfaste au fonctionnement du moteur. Ce phénomène est appelé la dilution de carburant dans l'huile moteur.
De plus, la combustion du carburant de l'injection tardive est incomplète. D'un cycle à l'autre, le rendement mécanique de la combustion n'est pas toujours le même, et il devient plus difficile de contrôler le couple effectivement délivré par le moteur. On dit alors que les conditions de fonctionnement du moteur sont instables.
Si la troisième injection est réalisée plus précocement, par exemple avant la position de 65[deg] après le point mort haut, la température des gaz d'échappement risque d'être trop élevée pour la tubulure d'échappement ou pour une éventuelle turbine placée en amont du catalyseur.
Dans un autre mode de réalisation particulier d'un procédé de régénération, on réalise le schéma d'injection exposé sur la figure 2C du document EP 1 283 342. Une première injection est réalisée autour du point mort haut, et une injection principale est réalisée pendant la phase de détente, après le passage du point mort haut. Ce procédé pose également le problème de dilution de carburant dans l'huile du moteur et d'instabilité. De plus, la température des gaz d'échappement risque également d'être trop élevée.
C'est donc un objectif de l'invention de proposer un procédé de régénération d'un système antipollution à filtre à particules sans risque de dilution de carburant dans l'huile moteur, de température trop élevée ou trop basse dans la ligne d'échappement.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de régénération d'un filtre à particules équipant un moteur à combustion interne, un catalyseur d'oxydation étant situé entre le moteur et le filtre à particules, procédé dans lequel on réalise pour chaque cylindre une injection principale de carburant autour du point mort haut, et une première post-injection, pendant une phase de détente, après le passage du point mort haut. On réalise la première post-injection avant le passage d'une position de détente du vilebrequin après le point mort haut, et en outre une deuxième postinjection après le passage de la position de détente.
La deuxième post-injection permet de générer des imbrûlés qui réagiront dans le catalyseur d'oxydation. Cette réaction exothermique élève la température des gaz d'échappement en aval du catalyseur d'oxydation et donc en amont du filtre à particules. Cependant, la température en amont du catalyseur d'oxydation est limitée.
De plus, la quantité de carburant injectée pendant la deuxième post-injection est réduite par rapport à la configuration avec une seule postinjection. La quantité de carburant qui se dépose sur les parois du cylindre est donc limitée, et les risques d'augmentation du taux de dilution de carburant dans l'huile du moteur sont diminués.
De manière particulière, la position de détente du vilebrequin est à 65[deg] après le point mort haut pendant la phase de détente. On constate en effet que lors d'injection de carburant avant la position de détente, le carburant est pratiquement entièrement brûlé, alors que lors d'injection de carburant après le passage de la position de détente, la combustion est assez incomplète, ce qui limite l'élévation de température des gaz d'échappement.
De manière complémentaire, pendant les phases de fonctionnement du moteur à faible charge, on restreint la quantité d'air admis au moteur.
A titre d'exemple, le début et la fin de la première post-injection sont entre 25[deg] et 65[deg] après le passage du point mort haut, le début et la fin de la deuxième post-injection sont entre 65[deg] et 150[deg] après le passage du point mort haut, et le début de l'injection principale est entre 20[deg] avant le passage du point mort haut et 20[deg] après le passage du point mort haut.
De manière avantageuse, on réalise une préinjection avant l'injection principale.
Le début et la fin de la pré-injection sont par exemple entre 40[deg] et 25[deg] avant le début de l'injection principale.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 une vue schématique d'un système de motorisation sur lequel s'applique le procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un diagramme de l'injection selon un mode de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 1 un système de motorisation 1 comprenant d'un moteur à combustion interne 12 et un système de traitement des gaz d'échappement 10 du moteur 12. Le moteur est par exemple un moteur Diesel. Une ligne 14 d'échappement permet l'évacuation des gaz G du moteur vers l'atmosphère. Le système de traitement 10 est interposé dans la ligne 14 et comporte un catalyseur d'oxydation 20 en amont d'un filtre à particules 16. Le système de motorisation comporte en outre une tubulure d'admission 22 pour répartir de l'air d'admission A vers les différents cylindres du moteur. Une vanne 24, par exemple du type papillon, est éventuellement placée en amont de la tubulure d'admission pour contrôler la quantité d'air admis A.
Les gaz d'échappement G produits par le moteur 12 sont envoyés dans la ligne 14. Lors de leur passage dans le catalyseur d'oxydation 20, les gaz imbrûlés contenus dans les gaz d'échappements G, tels que des hydrocarbures et du monoxyde de carbone, sont oxydés dans une réaction exothermique. Puis, lors de leur passage dans le filtre à particules 16, les éventuelles particules sont retenues par le filtre.
Périodiquement, les particules ainsi piégées sont brûlées au cours d'une phase de régénération. Cette régénération nécessite pour se produire que le filtre atteigne une température supérieure ou égale à la température de combustion des particules, c'est-àdire environ 550[deg]C. Le filtre à particules 16 est chauffé par les gaz d'échappement G. Le catalyseur d'oxydation peut éventuellement être intégré au filtre à particules.
Lorsque l'on souhaite obtenir la régénération du filtre à particules 16, on modifie les conditions d'injection pour dégrader le rendement de la combustion dans les cylindres, et ainsi augmenter la température des gaz d'échappement G. Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque l'on est dans une phase de régénération et que le moteur fonctionne à faible charge, on réalise pour chaque cylindre des injections de carburant conformément au diagramme de la figure 2.
Sur ce diagramme, l'abscisse représente la position du vilebrequin a en rapport au point mort haut PMH du cylindre considéré. L'ordonnée représente le débit de carburant injecté q. Selon le diagramme de la figure 2, une première injection 31, dite préinjection, est effectuée avant le point mort haut PMH, pendant la phase de compression, une deuxième injection 32, dite injection principale, est réalisée plus tard, autour du point mort haut, une troisième injection 33, dite première post-injection, est réalisée pendant le début de la phase de détente, avant le passage d'une position dite position de détente ad, puis une quatrième injection 34, dite deuxième post-injection, est réalisée vers la fin de la phase de détente, après le passage de la position de détente ad.
L'injection principale 32 d'une quantité q2 de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin de a2 pouvant varier de 20[deg] avant le point mort haut PMH jusqu'à 20[deg] après le passage du point mort haut PMH.
La pré-injection 31 d'une quantité ql de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin de al pouvant varier de 40[deg] à 25 [deg] avant le début de l'injection principale 32.
La troisième injection 33 d'une quantité q3 de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin a3 pouvant varier de 25[deg] à 65[deg] après le passage du point mort haut PMH.
La quatrième injection 34 d'une quantité q4 de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin a4 pouvant varier de 65[deg] à 150[deg] après le passage du point mort haut PMH.
Exemples Une comparaison a été effectuée sur un moteur Diesel suralimenté par turbo compresseur entre un fonctionnement sans troisième 33 ni quatrième injection 34, selon la technique antérieure (cas 1 et 2), et un fonctionnement avec une troisième 33 et une quatrième injection 34 conforme à l'invention (cas 3) .
Tableau 1
Le tableau 1 donne les résultats pour un point de fonctionnement à 2000 tours par minute et une pression moyenne effective de 6 bars. On constate que pour le cas 1, la température en amont du filtre à particules est trop faible pour obtenir la régénération. En retardant l'injection principale comme dans le cas 2, la température en amont du filtre à particules est suffisante, mais la température en amont de la turbine est trop élevée. Dans ces deux cas, les conditions de fonctionnement sont instables. Pour le cas 3, conforme à l'invention, la température en amont de la turbine est suffisamment faible pour ne pas détériorer la turbine et le collecteur d'échappement, mais suffisamment élevée en amont du filtre à particules, grâce à l'énergie calorifique générée dans le catalyseur d'oxydation 20.De plus, les conditions de fonctionnement sont stables.
Dans un autre mode de réalisation, dans l'éventualité où le moteur comporte une vanne 24, l'air admis est réduit à l'aide de la vanne pendant les phases de fonctionnement à faible charge, en même temps que le carburant est injecté en quatre injections comme décrit précédemment. On constate alors que les conditions de température sont obtenues avec une quantité de carburant encore inférieure et en améliorant les conditions de stabilité.
L'invention concerne un procédé de régénération d'un système de motorisation à catalyseur d'oxydation et filtre à particules.
Il est connu d'équiper des systèmes de motorisation, notamment à moteur Diesel, avec un filtre à particules pour diminuer les suies rejetées dans l'atmosphère. Cependant, ce type de filtre se colmate, et il est nécessaire de brûler régulièrement les suies piégées dans le filtre. Cette opération est appelée régénération. On équipe également la ligne d'échappement d'un catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, pour brûler les gaz imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement. Cette combustion permet aussi d'augmenter la température dans le filtre à particules et de contribuer ainsi à la régénération.
La régénération est obtenue en élevant la température des gaz d'échappement pour obtenir l'ignition des suies. Divers moyens ont été envisagés parmi lesquels un procédé de régénération, exposé dans le document EP 1 283 342, selon lequel l'injection de carburant est réalisée de manière particulière.
Dans un mode de réalisation particulier de ce procédé, pendant la phase de régénération, on réalise le schéma d'injection exposé sur la figure 2B du document EP 1 283 342. Le schéma d'injection détermine à quels instants, en référence à la position angulaire du vilebrequin par rapport au point mort haut atteint à la fin d'une phase de compression, des injections de carburant ont lieu dans un cylindre donné. Une première injection est réalisée avant le point mort haut, une injection principale est réalisée autour du point mort haut, et une troisième injection, dite post-injection, est réalisée pendant la phase de détente, après le passage du point mort haut.
Cependant, lorsque le moteur fonctionne à faible régime, par exemple à une vitesse de rotation inférieure à 3000 tours par minute et avec une pression moyenne effective inférieure à 10 bars, il est nécessaire de réaliser la troisième injection très tardivement, c'est-à-dire lorsque le vilebrequin est dans une position entre 65[deg] et 150[deg] après le passage du point mort haut. Dans ce cas, la température suffisante avant le filtre à particules est obtenue à condition d'injecter une forte quantité de carburant. Or on constate que l'injection dans ces conditions conduit à déposer du carburant contre les parois du cylindre, lequel carburant passe ensuite dans l'huile du moteur, ce qui est néfaste au fonctionnement du moteur. Ce phénomène est appelé la dilution de carburant dans l'huile moteur.
De plus, la combustion du carburant de l'injection tardive est incomplète. D'un cycle à l'autre, le rendement mécanique de la combustion n'est pas toujours le même, et il devient plus difficile de contrôler le couple effectivement délivré par le moteur. On dit alors que les conditions de fonctionnement du moteur sont instables.
Si la troisième injection est réalisée plus précocement, par exemple avant la position de 65[deg] après le point mort haut, la température des gaz d'échappement risque d'être trop élevée pour la tubulure d'échappement ou pour une éventuelle turbine placée en amont du catalyseur.
Dans un autre mode de réalisation particulier d'un procédé de régénération, on réalise le schéma d'injection exposé sur la figure 2C du document EP 1 283 342. Une première injection est réalisée autour du point mort haut, et une injection principale est réalisée pendant la phase de détente, après le passage du point mort haut. Ce procédé pose également le problème de dilution de carburant dans l'huile du moteur et d'instabilité. De plus, la température des gaz d'échappement risque également d'être trop élevée.
C'est donc un objectif de l'invention de proposer un procédé de régénération d'un système antipollution à filtre à particules sans risque de dilution de carburant dans l'huile moteur, de température trop élevée ou trop basse dans la ligne d'échappement.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de régénération d'un filtre à particules équipant un moteur à combustion interne, un catalyseur d'oxydation étant situé entre le moteur et le filtre à particules, procédé dans lequel on réalise pour chaque cylindre une injection principale de carburant autour du point mort haut, et une première post-injection, pendant une phase de détente, après le passage du point mort haut. On réalise la première post-injection avant le passage d'une position de détente du vilebrequin après le point mort haut, et en outre une deuxième postinjection après le passage de la position de détente.
La deuxième post-injection permet de générer des imbrûlés qui réagiront dans le catalyseur d'oxydation. Cette réaction exothermique élève la température des gaz d'échappement en aval du catalyseur d'oxydation et donc en amont du filtre à particules. Cependant, la température en amont du catalyseur d'oxydation est limitée.
De plus, la quantité de carburant injectée pendant la deuxième post-injection est réduite par rapport à la configuration avec une seule postinjection. La quantité de carburant qui se dépose sur les parois du cylindre est donc limitée, et les risques d'augmentation du taux de dilution de carburant dans l'huile du moteur sont diminués.
De manière particulière, la position de détente du vilebrequin est à 65[deg] après le point mort haut pendant la phase de détente. On constate en effet que lors d'injection de carburant avant la position de détente, le carburant est pratiquement entièrement brûlé, alors que lors d'injection de carburant après le passage de la position de détente, la combustion est assez incomplète, ce qui limite l'élévation de température des gaz d'échappement.
De manière complémentaire, pendant les phases de fonctionnement du moteur à faible charge, on restreint la quantité d'air admis au moteur.
A titre d'exemple, le début et la fin de la première post-injection sont entre 25[deg] et 65[deg] après le passage du point mort haut, le début et la fin de la deuxième post-injection sont entre 65[deg] et 150[deg] après le passage du point mort haut, et le début de l'injection principale est entre 20[deg] avant le passage du point mort haut et 20[deg] après le passage du point mort haut.
De manière avantageuse, on réalise une préinjection avant l'injection principale.
Le début et la fin de la pré-injection sont par exemple entre 40[deg] et 25[deg] avant le début de l'injection principale.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 une vue schématique d'un système de motorisation sur lequel s'applique le procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un diagramme de l'injection selon un mode de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 1 un système de motorisation 1 comprenant d'un moteur à combustion interne 12 et un système de traitement des gaz d'échappement 10 du moteur 12. Le moteur est par exemple un moteur Diesel. Une ligne 14 d'échappement permet l'évacuation des gaz G du moteur vers l'atmosphère. Le système de traitement 10 est interposé dans la ligne 14 et comporte un catalyseur d'oxydation 20 en amont d'un filtre à particules 16. Le système de motorisation comporte en outre une tubulure d'admission 22 pour répartir de l'air d'admission A vers les différents cylindres du moteur. Une vanne 24, par exemple du type papillon, est éventuellement placée en amont de la tubulure d'admission pour contrôler la quantité d'air admis A.
Les gaz d'échappement G produits par le moteur 12 sont envoyés dans la ligne 14. Lors de leur passage dans le catalyseur d'oxydation 20, les gaz imbrûlés contenus dans les gaz d'échappements G, tels que des hydrocarbures et du monoxyde de carbone, sont oxydés dans une réaction exothermique. Puis, lors de leur passage dans le filtre à particules 16, les éventuelles particules sont retenues par le filtre.
Périodiquement, les particules ainsi piégées sont brûlées au cours d'une phase de régénération. Cette régénération nécessite pour se produire que le filtre atteigne une température supérieure ou égale à la température de combustion des particules, c'est-àdire environ 550[deg]C. Le filtre à particules 16 est chauffé par les gaz d'échappement G. Le catalyseur d'oxydation peut éventuellement être intégré au filtre à particules.
Lorsque l'on souhaite obtenir la régénération du filtre à particules 16, on modifie les conditions d'injection pour dégrader le rendement de la combustion dans les cylindres, et ainsi augmenter la température des gaz d'échappement G. Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque l'on est dans une phase de régénération et que le moteur fonctionne à faible charge, on réalise pour chaque cylindre des injections de carburant conformément au diagramme de la figure 2.
Sur ce diagramme, l'abscisse représente la position du vilebrequin a en rapport au point mort haut PMH du cylindre considéré. L'ordonnée représente le débit de carburant injecté q. Selon le diagramme de la figure 2, une première injection 31, dite préinjection, est effectuée avant le point mort haut PMH, pendant la phase de compression, une deuxième injection 32, dite injection principale, est réalisée plus tard, autour du point mort haut, une troisième injection 33, dite première post-injection, est réalisée pendant le début de la phase de détente, avant le passage d'une position dite position de détente ad, puis une quatrième injection 34, dite deuxième post-injection, est réalisée vers la fin de la phase de détente, après le passage de la position de détente ad.
L'injection principale 32 d'une quantité q2 de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin de a2 pouvant varier de 20[deg] avant le point mort haut PMH jusqu'à 20[deg] après le passage du point mort haut PMH.
La pré-injection 31 d'une quantité ql de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin de al pouvant varier de 40[deg] à 25 [deg] avant le début de l'injection principale 32.
La troisième injection 33 d'une quantité q3 de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin a3 pouvant varier de 25[deg] à 65[deg] après le passage du point mort haut PMH.
La quatrième injection 34 d'une quantité q4 de carburant a lieu à partir d'une position du vilebrequin a4 pouvant varier de 65[deg] à 150[deg] après le passage du point mort haut PMH.
Exemples Une comparaison a été effectuée sur un moteur Diesel suralimenté par turbo compresseur entre un fonctionnement sans troisième 33 ni quatrième injection 34, selon la technique antérieure (cas 1 et 2), et un fonctionnement avec une troisième 33 et une quatrième injection 34 conforme à l'invention (cas 3) .
Tableau 1
Le tableau 1 donne les résultats pour un point de fonctionnement à 2000 tours par minute et une pression moyenne effective de 6 bars. On constate que pour le cas 1, la température en amont du filtre à particules est trop faible pour obtenir la régénération. En retardant l'injection principale comme dans le cas 2, la température en amont du filtre à particules est suffisante, mais la température en amont de la turbine est trop élevée. Dans ces deux cas, les conditions de fonctionnement sont instables. Pour le cas 3, conforme à l'invention, la température en amont de la turbine est suffisamment faible pour ne pas détériorer la turbine et le collecteur d'échappement, mais suffisamment élevée en amont du filtre à particules, grâce à l'énergie calorifique générée dans le catalyseur d'oxydation 20.De plus, les conditions de fonctionnement sont stables.
Dans un autre mode de réalisation, dans l'éventualité où le moteur comporte une vanne 24, l'air admis est réduit à l'aide de la vanne pendant les phases de fonctionnement à faible charge, en même temps que le carburant est injecté en quatre injections comme décrit précédemment. On constate alors que les conditions de température sont obtenues avec une quantité de carburant encore inférieure et en améliorant les conditions de stabilité.
REVENDICATIONS
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (16) équipant un moteur (12) à combustion interne, un catalyseur d'oxydation (20) étant situé entre le moteur (12) et le filtre à particules (16), procédé dans lequel on réalise pour chaque cylindre une injection principale (32) de carburant autour du point mort haut (PMH), et une première post-injection (33), pendant une phase de détente, après le passage du point mort haut, caractérisé en ce qu'on réalise la première post-injection (33) avant le passage d'une position de détente (ad) du vilebrequin après le point mort haut, et en outre une deuxième postinjection (34) après le passage de la position de détente (ad).
1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (16) équipant un moteur (12) à combustion interne, un catalyseur d'oxydation (20) étant situé entre le moteur (12) et le filtre à particules (16), procédé dans lequel on réalise pour chaque cylindre une injection principale (32) de carburant autour du point mort haut (PMH), et une première post-injection (33), pendant une phase de détente, après le passage du point mort haut, caractérisé en ce qu'on réalise la première post-injection (33) avant le passage d'une position de détente (ad) du vilebrequin après le point mort haut, et en outre une deuxième postinjection (34) après le passage de la position de détente (ad).
Claims (6)
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la position de détente (ad) du vilebrequin est à 65[deg] après le point mort haut (PMH) pendant la phase de détente.
- 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pendant les phases de fonctionnement du moteur (12) à faible charge, on restreint la quantité d'air admis (A) au moteur (12).
- 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le début et la fin de la première postinjection (33) sont entre 25[deg] et 65[deg] après le passage du point mort haut (PMH).
- 5. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le début et la fin de la deuxième post- injection (34) sont entre 65[deg] et 150[deg] après le passage du point mort haut (PMH).6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le début de l'injection principale (32) est entre 20[deg] avant le passage du point mort haut et 20[deg] après le passage du point mort haut (PMH).
- 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on réalise une pré-injection (31) avant l'injection principale (32).
- 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le début et la fin de la pré-injection (31) sont entre 40[deg] et 25[deg] avant le début de l'injection principale (32).
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