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WO2004070177A1 - Systeme d'aide a la regeneration d'un filtre a particules d'une ligne d'echappement d'un moteur diesel - Google Patents

Systeme d'aide a la regeneration d'un filtre a particules d'une ligne d'echappement d'un moteur diesel Download PDF

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WO2004070177A1
WO2004070177A1 PCT/FR2004/000007 FR2004000007W WO2004070177A1 WO 2004070177 A1 WO2004070177 A1 WO 2004070177A1 FR 2004000007 W FR2004000007 W FR 2004000007W WO 2004070177 A1 WO2004070177 A1 WO 2004070177A1
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WO
WIPO (PCT)
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engine
particle filter
impregnation
fap
filter
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2004/000007
Other languages
English (en)
Inventor
Christine Rigaudeau
Yvan Agliany
Marion Wermester
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Publication date
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Priority claimed from FR0300109A external-priority patent/FR2849671B1/fr
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Peugeot Citroen Automobiles SA
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Priority to DE602004029979T priority patent/DE602004029979D1/de
Priority to AT04700266T priority patent/ATE487858T1/de
Priority to EP04700266A priority patent/EP1581727B1/fr
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    • F01N2430/085—Influencing exhaust purification, e.g. starting of catalytic reaction, filter regeneration, or the like, by controlling engine operating characteristics by modifying ignition or injection timing at least a part of the injection taking place during expansion or exhaust stroke
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust

Definitions

  • the invention relates to the automobile industry and, more particularly, the depollution of internal combustion engines, in particular diesel engines.
  • Diesel engine vehicles of recent design are equipped, on their exhaust lines, with various devices ensuring the treatment of pollutants produced by the combustion of fuel in the engine.
  • a first of these devices ensures the oxidation of the exhaust gases through the passage of these gases over an oxidation catalyst.
  • a second of these devices is a particle filter (FAP) on which the particles (soot) produced by combustion are deposited. Periodically, this soot must be burned, in particular using an increase in the temperature of the DPF or the exhaust gases, to prevent the filter from clogging and restore it to its original performance (so-called "Regeneration").
  • an additive such as cerine and / or iron oxide can be added to the fuel, using a suitable device, which mixes with the soot and lowers its combustion temperature.
  • a cleaning of the FAP is necessary to remove the additive and various unburnt residues.
  • the object of the invention is to give the manufacturer the possibility of reducing the size of the exhaust lines of diesel engines of motor vehicles and / or of reducing the periodicity of the thorough cleaning of the FAP necessary for the proper functioning of the line. exhaust.
  • the subject of the invention is a system for assisting the regeneration of a particulate filter integrated into an exhaust line of a diesel engine of a motor vehicle, the engine being associated with different members, among which : - means for admitting air into the engine,
  • a common fuel supply system for the engine cylinders comprising electrically controlled injectors, associated with these cylinders,
  • means for controlling the operation of the intake means, recycling means, of the turbocharger and / or of the supply system for controlling the operation of the engine these means being further adapted to trigger a regeneration phase of the filter particles by combustion of the particles trapped therein by snapping a phase of multiple injections of fuel into the engine cylinders during their expansion phase, characterized in that the particulate filter is impregnated with an oxidation catalyst for hydrocarbons and CO present in the exhaust gas flowing through said particulate filter.
  • Said catalyst can be a metal or a mixture of metals.
  • Said metal can be a group VIII metal such as platinum, palladium or rhodium, or a mixture of such metals.
  • the particulate filter may have a zone of greater impregnation by the oxidation catalyst.
  • Said area with the highest impregnation can be located in the center of the cross section of the particulate filter.
  • Said zone of strongest impregnation can be located at the inlet of the particle filter.
  • the surface of said zone with the highest impregnation can represent 20 to 70% of the cross section of said particulate filter.
  • Said area with the highest impregnation can be present over 10 to 60% of the length of the particle filter from its inlet face.
  • the terminal part of the particulate filter can be devoid of impregnation by the oxidation catalyst.
  • the invention has the essential characteristic of carrying out the operations of oxidation of the exhaust gases and filtration of the particles within the same reactor. This is achieved by impregnating the material constituting the FAP with an oxidation catalyst such as a metal, for example platinum.
  • FIG. 1 which shows schematically a vehicle diesel engine and the various members associated therewith;
  • FIG. 1 shows a diesel engine of a motor vehicle which is designated by the general reference 1.
  • This diesel engine is associated with air intake means at the inlet thereof, which are designated by the general reference 2.
  • this engine is associated with an exhaust line which is designated by the general reference 3.
  • Means for recycling the exhaust gas from the engine at the inlet thereof are also provided and are designated by the general reference 4.
  • the exhaust line can also be associated with a turbocharger designated by the general reference 5 and more particularly with the turbine portion thereof, in a conventional manner.
  • the exhaust line comprises, according to the invention, a housing 6 containing a particle filter designated by the general reference 7, this particle filter being impregnated with an oxidation catalyst.
  • Oxidation and “filtration” are therefore carried out in the same medium, unlike the prior art where the gases pass successively through an oxidation medium and a filtration medium each dedicated to one of these functions and not to the other.
  • the engine is also associated with a common fuel supply system for the cylinders.
  • This system is designated by the general reference 8 in this figure and comprises, for example, electrically controlled injectors associated with these cylinders.
  • the engine is a four-cylinder engine and therefore includes four electrically controlled injectors, respectively 9, 10, 11 and 12.
  • injectors are associated with a common fuel supply manifold designated by the general reference 13 and connected to fuel supply means designated by the general reference 14, comprising for example a high pressure pump.
  • fuel supply means are connected to a fuel tank designated by the general reference 15 and to means for adding to this fuel an additive intended to be deposited on the particle filter to lower the combustion temperature of the trapped particles. In this one.
  • this additive can, for example, be contained in an auxiliary tank designated by the general reference 16 associated with the fuel tank 15 to allow the injection of a certain amount of this additive into the fuel.
  • this engine and the various members which have just been described are also associated with means for controlling their operation designated by the general reference 17 in this figure, comprising for example any suitable computer 18 associated with storage means for information 19, and connected as input to different means of acquiring information relating to different operating parameters of this engine and of these members, this computer then being adapted to control the operation of the intake means, recycling means, of the turbocharger and / or of the fuel system, so as to control the operation of the engine and in particular the torque generated by it as a function of the driving conditions of the vehicle in a conventional manner.
  • any suitable computer 18 associated with storage means for information 19, and connected as input to different means of acquiring information relating to different operating parameters of this engine and of these members, this computer then being adapted to control the operation of the intake means, recycling means, of the turbocharger and / or of the fuel system, so as to control the operation of the engine and in particular the torque generated by it as a function of the driving conditions of the vehicle in a conventional manner.
  • this computer is connected to a differential pressure sensor 20 at the terminals of the particle filter 7 and to temperature sensors 21, 22, respectively upstream of the particle filter and downstream of this particle filter in the exhaust line.
  • the computer can also receive information on the oxygen content of the exhaust gases from a Lambda ⁇ probe designated by the general reference 23 in this figure, integrated in the exhaust line.
  • this computer is suitable for controlling the air intake means, the exhaust gas recycling means, the turbocharger, the means for adding the additive to the fuel, the fuel supply means. of the common rail and the different injectors associated with the engine cylinders.
  • this computer is adapted to trigger a regeneration phase of the particle filter by combustion of the particles trapped in it by initiating a phase of multiple injections of fuel into the engine cylinders during their expansion phase.
  • the particles emitted by the engine during its operation are in fact trapped in the particle filter. It should then be regenerated regularly by combustion of these particles.
  • the engine In conventional systems where the oxidation and filtration functions are separated, the engine, during its normal operating phases, emits exhaust gases essentially containing hydrocarbons, CO, C0 2 , water vapor , NO x , oxygen and particles, at a temperature of 180-200 ° C.
  • the passage through the reactor containing the oxidation catalyst generally a metal such as platinum
  • the combustible fraction of soot (so-called “soluble organic fraction”, abbreviated as SOF), in the form of hydrocarbons condensed on the particles, is also treated by the oxidation catalyst.
  • SOF soluble organic fraction
  • the exhaust gases therefore contain more significantly only residual oxygen, CO 2 , water vapor (these two compounds in greater quantities than at the inlet of the catalyst d 'oxidation), NO x and particles.
  • These rejects then enter the FAP, where they are purified of the particles which are deposited on the walls of the filter. Releases to the atmosphere then contain, significantly, only oxygen, C0 2 , water vapor and NO x .
  • these NO x can be treated in a NO x treatment device, such as a NO x trap, and thus cannot be released into the atmosphere.
  • the reactor containing the oxidation catalyst is eliminated as such. Its function is transferred to the particle filter 7 which is made of a material traditionally used for this purpose.
  • an oxidation catalyst such as platinum and / or palladium.
  • This catalyst is carried by an oxide washcoat (A1 2 0 3 for example), which can also contain compounds having an OSC (oxygen storage) function: for example materials of the cerium oxide group and / or mixed oxide of cerium and zirconium. This impregnation can relate only to the surface of the pores, or to the entire material.
  • this material can be adapted, from the point of view of its porosity and the distribution of the pore diameter, so that the catalyzed oxidation reaction takes place there with optimal efficiency, comparable to that which is observed in conventional separate oxidation reactors, without producing too great back pressure which would hinder the flow of gases.
  • the pore size is centered on approximately 9 ⁇ m in a conventional particle filter. In an impregnated particle filter according to the invention, this pore size can be centered on sizes from 11 ⁇ m up to 20-30 ⁇ m. These values are given only as examples.
  • an exhaust line comprising a modified FAP 7 according to the invention with an exhaust line comprising a conventional FAP located immediately downstream of an oxidation catalyst, we can say that at the inlet of the modified FAP 7 according to the invention, there are emissions of gases and particles identical to those which usually enter the oxidation reactor. At the outlet of the modified FAP 7 according to the invention, there are gaseous emissions identical to those leaving the FAPs of the prior art.
  • a notable advantage of the invention is that the SOF of the soot is not treated before the passage of the soot over the FAP 7. It is thus available to make the combustion of the soot easier during the regeneration phases thanks to the heat released. locally by the combustion of SOF.
  • the FAP 7 undergoes a regeneration phase, during which the soot which partially clogs it is burned.
  • the time when this regeneration is carried out can be chosen in different ways. Regeneration can be systematically decided after the vehicle has traveled a given distance since the last regeneration. It can also be triggered when the differential pressure sensor 20 notices a large pressure differential between the incoming gases and the outgoing gases, a sign of the start of clogging of the FAP 7. The triggering can also be decided by an estimate of the quantities of soot accumulated in the FAP 7 after consulting a map based on the type of driving performed.
  • an additive to the regeneration can be added to the fuel, such as cerine, which lowers the combustion temperature of the soot to about 450 ° C and provides oxygen available for this combustion.
  • an additional fuel injection can be carried out upstream of the DPF 7, for example by initiating a phase of multiple injections into the cylinders of the engine 1 during the expansion phase. The purpose of this additional injection is to increase the temperature of the exhaust gases and their hydrocarbon and CO contents, compared to the normal use phases of engine 1.
  • FIG. 2 schematically represents in cross section an example of FAP 7 of circular section divided into several modules 24. These modules 24 are homogeneously impregnated with catalyst over their section and over their length. According to a preferred variant of the invention, the impregnation of the FAP 7 by the oxidation catalyst is not carried out in a homogeneous manner.
  • the quantity of catalyst is distributed in a privileged manner in the zones of the FAP 7 the most favored thermally and where the gas flows are the most important, to accentuate the conversion of CO and hydrocarbons there, and to prevent the catalytic aging of the filter in the areas most thermally stressed.
  • the distribution of the catalyst can be inhomogeneous in the radial direction of the FAP 7 and / or in the axial direction of the FAP 7.
  • Figure 3 shows a FAP 7 seen in cross section.
  • the lateral modules 25 are impregnated with a lesser amount of catalyst than the most central modules 26.
  • the distribution of the catalyst is substantially homogeneous inside each module. This may not always be the case, for example as shown in FIG. 4, where portions of the side modules 25 are also included in the zone of strongest impregnation, so as to give the zone of strongest impregnation a cross section. substantially circular.
  • the zone with the highest impregnation represents from 20 to 70% of the cross-sectional area of the FAP 7.
  • the amount of catalyst is typically of the order of 1.5 to 5 times that present in the areas of weakest impregnation.
  • provision may be made for a distribution of the non-homogeneous catalyst in the longitudinal direction of the FAP 7.
  • the impregnation is produced with a lower and homogeneous amount of catalyst to constitute a zone 29 of lower impregnation.
  • the zone of weakest impregnation 29 is interrupted before the outlet face 30 of the FAP 7, for example, as shown, in line with the end of the zone of strongest impregnation 27.
  • the catalyst has a lower efficiency than in the zone closer to the entry of the FAP 7. It is therefore less useful to carry out an impregnation in this end portion 31, and removing it completely makes it possible to save material, as well as to limit the pressure losses of the combustion gases.
  • this absence of catalyst in the terminal part 31 of the FAP 7 is also applicable in the case where the impregnation of the FAP 7 by the catalyst is identical in all the zones where this impregnation exists.
  • a first way consists in keeping the oxidation catalyst-FAP assembly at its usual volume. In doing so, the volume available for depositing soot is increased since it can now be carried out in the whole assembly and no longer only in its FAP part. This makes it possible to delay the clogging of the FAP and to no longer have to perform its regenerations and thorough cleaning only at a reduced frequency compared to to the prior art (thorough cleaning may take place, for example, only every 160,000 km or more, depending on the vehicles concerned, instead of every 80,000 km or 120,000 km).
  • a second way consists in reducing the size of the oxidation catalyst-FAP assembly, to a size providing a volume available for the deposition of soot sufficient to impose a frequency of thorough cleaning of the FAP comparable to that which is practiced with the exhaust lines of the prior art, in which the oxidation catalyst is separate from the FAP.
  • the advantage of the invention then lies in the smaller overall size.
  • the invention finds a preferred application in the exhaust lines of diesel engines, but it can be applied on the exhaust line of any type of internal combustion engine for which it would be deemed necessary to use a particulate filter.

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Abstract

Système d'aide à la régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement (3) d'un moteur Diesel (1) associé à :- des moyens (2) d'admission d'air,- des moyens (4) de recyclage des gaz d'échappement,- un turbocompresseur (5),- un filtre à particules (7), - une alimentation commune en carburant (8) du moteur, - des moyens (16) d'ajout au carburant d'un additif destiné à se déposer sur le filtre (7), pour abaisser la température de combustion des particules,- des moyens (20, 21, 22) d'acquisition d'informations relatives au fonctionnement du moteur, et- des moyens (17) de contrôle adaptés pour déclencher une phase de régénération du filtre par combustion des particules piégées en enclenchant une phase d'injections multiples de carburant. Le filtre (7) est imprégné par un catalyseur d'oxydation des hydrocarbures et du CO présents dans les gaz d'échappement.

Description

Système d'aide à la régénération d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement d'un moteur Diesel.
L'invention concerne l'industrie automobile et, plus particulièrement, la dépollution des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs Diesel.
Les véhicules automobiles à moteur Diesel de conception récente sont équipés, sur leurs lignes d'échappement, de différents dispositifs assurant le traitement des polluants produits par la combustion du carburant dans le moteur.
Un premier de ces dispositifs assure l'oxydation des gaz d'échappement grâce au passage de ces gaz sur un catalyseur d'oxydation. Un deuxième de ces dispositifs, généralement disposé immédiatement en aval du précédent, est un filtre à particules (FAP) sur lequel se déposent les particules (suies) produites par la combustion. Périodiquement, ces suies doivent être brûlées, notamment à l'aide d'une augmentation de la température du FAP ou des gaz d'échappement, pour éviter que le filtre ne se colmate et lui faire retrouver ses performances d'origine (opération dite de « régénération »).
Pour assister cette combustion des suies on peut ajouter au carburant, à l'aide d'un dispositif adapté, un additif tel que de la cérine et/ou de l'oxyde de fer qui se mélange aux suies et abaisse leur température de combustion. Par ailleurs, tous les 80 000km ou 120 000km environ, par exemple, un nettoyage du FAP est nécessaire pour enlever l'additif et les résidus imbrûlés divers.
L'exécution de ces fonctions d'oxydation et de filtration dans des dispositifs séparés conduit à concevoir des lignes d'échappement très encombrantes, ou à devoir procéder à des nettoyages approfondis du FAP que l'on peut juger trop fréquents.
Le but de l'invention est de donner la possibilité au constructeur de réduire l'encombrement des lignes d'échappement de moteurs Diesel de véhicules automobiles et/ou de réduire la périodicité des nettoyages approfondis du FAP nécessaires au bon fonctionnement de la ligne d'échappement.
A cet effet, l'invention a 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, le moteur étant associé à différents organes, parmi lesquels : - des moyens d'admission d'air dans le moteur,
- des moyens de recyclage des gaz d'échappement du moteur en entrée de celui-ci,
- un turbocompresseur, - un filtre à particules,
- 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 sur le filtre à particules, pour abaisser la température de combustion des particules piégées dans celui-ci,
- des moyens d'acquisition d'informations relatives à différents 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 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, caractérisé en ce que le filtre à particules est imprégné par un catalyseur d'oxydation des hydrocarbures et du CO présents dans les gaz d'échappement circulant à travers ledit filtre à particules.
Ledit catalyseur peut être un métal ou un mélange de métaux. Ledit métal peut être un métal du groupe VIII tel que du platine, du palladium ou du rhodium, ou un mélange de tels métaux.
Le filtre à particules peut présenter une zone de plus forte imprégnation par le catalyseur d'oxydation.
Ladite zone de plus forte imprégnation peut être située au centre de la section transversale du filtre à particules.
Ladite zone de plus forte imprégnation peut être située à l'entrée du filtre à particules. La surface de ladite zone de plus forte imprégnation peut représenter 20 à 70% de la section transversale dudit filtre à particules.
Ladite zone de plus forte imprégnation peut être présente sur 10 à 60% de la longueur du filtre à particules à partir de sa face d'entrée. La partie terminale du filtre à particules peut être dépourvue d'imprégnation par le catalyseur d'oxydation.
Comme on l'aura compris, l'invention a pour particularité essentielle la réalisation des opérations d'oxydation des gaz d'échappement et de filtration des particules au sein du même réacteur. Cela est réalisé par une imprégnation du matériau constituant le FAP par un catalyseur d'oxydation tel qu'un métal, par exemple du platine.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées :
- la figure 1 qui représente de façon schématique un moteur Diesel de véhicule et les différents organes associés à celui-ci ;
- la figure 2 qui représente schématiquement un exemple de FAP selon l'invention à imprégnation homogène ;
- les figures 3 à 6 qui montrent schématiquement d'autres exemples de FAP selon l'invention à imprégnation inhomogène. On a représenté sur la figure 1 , un moteur Diesel de 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 celui-ci 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, selon l'invention, un boîtier 6 renfermant un filtre à particules désigné par la référence générale 7, ce filtre à particules étant imprégné par un catalyseur d'oxydation. Les fonctions
« oxydation » et « filtration » sont donc réalisées dans le même milieu, contrairement à l'art antérieur où les gaz traversent successivement un milieu d'oxydation et un milieu de filtration dédiés chacun à l'une de ces fonctions et non à l'autre.
Le moteur est également associé à un système d'alimentation commune des cylindres en carburant. Ce système est désigné par la référence générale 8 sur cette figure et comporte, par exemple, des injecteurs à 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 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 d'un additif 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 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 désignés par la référence générale 17 sur cette figure, comprenant par exemple tout calculateur approprié 18 associé à des moyens de stockage d'informations 19, et raccordé en entrée à différents moyens d'acquisition d'informations relatives à différents paramètres de fonctionnement de ce moteur et de ces organes, ce calculateur étant alors adapté pour contrôler le fonctionnement des moyens d'admission, des moyens de recyclage, du turbocompresseur et/ou du système d'alimentation, de manière à contrôler le fonctionnement du moteur 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 est relié à un capteur de pression différentielle 20 aux bornes du filtre à particules 7 et à des capteurs de température 21 , 22, respectivement en amont du filtre à particules et en aval de ce filtre à particules dans la ligne d'échappement. Le calculateur peut également recevoir une information de teneur en oxygène des gaz d'échappement à partir d'une sonde Lambda λ désignée par la référence générale 23 sur cette figure, intégrée dans la ligne d'échappement.
En sortie, ce calculateur est adapté pour piloter les moyens d'admission d'air, les moyens de recyclage de gaz d'échappement, le turbocompresseur, les moyens d'ajout au carburant de l'additif, les moyens d'alimentation en carburant de la rampe commune et les différents injecteurs associés aux cylindres du moteur.
En particulier, ce calculateur est adapté 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.
Les particules émises par le moteur 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.
Dans les systèmes classiques où les fonctions d'oxydation et de filtration sont séparées, le moteur, pendant ses phases de fonctionnement normal, émet des gaz d'échappement contenant essentiellement des hydrocarbures, du CO, du C02, de la vapeur d'eau, des NOx, de l'oxygène et des particules, à une température de 180-200°C. Le passage dans le réacteur contenant le catalyseur d'oxydation (généralement un métal tel que du platine) convertit environ 90% ou davantage du CO, des hydrocarbures avec de l'oxygène en C02 et vapeur d'eau. La fraction combustible des suies (dite « soluble organic fraction », en abrégé SOF), sous forme d'hydrocarbures condensés sur les particules, est elle aussi traitée par le catalyseur d'oxydation. En sortie du catalyseur d'oxydation, les gaz d'échappement ne contiennent donc plus significativement que de l'oxygène résiduel, du CO2, de la vapeur d'eau (ces deux composés en quantités plus importantes qu'en entrée du catalyseur d'oxydation), des NOx et des particules. Ces rejets pénètrent alors dans le FAP, où ils sont épurés des particules qui se déposent sur les parois du filtre. Les rejets à l'atmosphère ne contiennent plus alors, de façon significative, que de l'oxygène, du C02, de la vapeur d'eau et des NOx. Toutefois, ces NOx peuvent être traités dans un dispositif de traitement des NOx, tel qu'un piège à NOx, et ainsi ne pas être rejetés dans l'atmosphère. Dans le système selon l'invention, le réacteur contenant le catalyseur d'oxydation est supprimé en tant que tel. Sa fonction est transférée au filtre à particules 7 qui est constitué d'un matériau traditionnellement utilisé à cet effet (tel qu'une céramique, par exemple du carbure de silicium), mais qui est imprégné par un catalyseur d'oxydation tel que du platine et/ou du palladium. Ce catalyseur est porté par un « washcoat » d'oxyde (A1203 par exemple), qui peut également renfermer des composés présentant une fonction OSC (stockage de l'oxygène) : par exemple des matériaux du groupe oxyde de cérium et/ou oxyde mixte de cérium et de zirconium. Cette imprégnation peut concerner seulement la surface des pores, ou la totalité du matériau. Eventuellement, ce matériau peut être adapté, du point de vue de sa porosité et de la répartition du diamètre des pores, pour que la réaction d'oxydation catalysée s'y produise avec une efficacité optimale, comparable à celle que l'on observe dans les réacteurs d'oxydation séparés classiques, sans pour autant produire de contre-pression trop importante qui gênerait l'écoulement des gaz. La taille des pores est centrée sur 9μm environ dans un filtre à particules classique. Dans un filtre à particules imprégné selon l'invention, on peut centrer cette taille des pores sur des tailles de 11 μm jusqu'à 20-30μm. Ces valeurs ne sont données qu'à titre d'exemples.
Si l'on compare une ligne d'échappement comportant un FAP 7 modifié selon l'invention avec une ligne d'échappement comportant un FAP classique situé immédiatement en aval d'un catalyseur d'oxydation, on peut dire qu'à l'entrée du FAP 7 modifié selon l'invention, on retrouve des émissions de gaz et de particules identiques à celles qui pénètrent habituellement dans le réacteur d'oxydation. A la sortie du FAP 7 modifié selon l'invention, on retrouve des émissions gazeuses identiques à celles sortant des FAP de l'art antérieur.
Un avantage notable de l'invention est que la SOF des suies n'est pas traitée avant le passage des suies sur le FAP 7. Elle est ainsi disponible pour rendre la combustion des suies plus aisée lors des phases de régénération grâce à la chaleur dégagée localement par la combustion de la SOF.
Comme on l'a dit, périodiquement le FAP 7 subit une phase de régénération, au cours de laquelle les suies qui le colmatent partiellement sont brûlées. Le moment où est effectué cette régénération peut être choisi de différentes façons. La régénération peut être systématiquement décidée après que le véhicule a parcouru une distance donnée depuis la dernière régénération en date. Elle peut aussi être déclenchée lorsque le capteur de pression différentielle 20 constate un important différentiel de pression entre les gaz entrants et les gaz sortants, signe d'un début de colmatage du FAP 7. Le déclenchement peut aussi être décidé par une estimation des quantités de suies accumulées dans le FAP 7 après une consultation d'une cartographie basée sur le type de roulage effectué.. En vue de cette régénération, on peut ajouter au carburant un additif d'aide à la régénération, tel que de la cérine, qui abaisse la température de combustion des suies à environ 450°C et fournit de l'oxygène disponible pour cette combustion. Et au moment de la régénération, on peut réaliser une injection supplémentaire de carburant en amont du FAP 7, par exemple en enclenchant une phase d'injections multiples dans les cylindres du moteur 1 pendant la phase de détente. Cette injection supplémentaire a pour but d'augmenter la température des gaz d'échappement et leurs teneurs en hydrocarbures et en CO, par rapport aux phases d'utilisation normale du moteur 1.
Dans les systèmes classiques à réacteur d'oxydation et FAP séparés, l'injection supplémentaire s'effectue avant le réacteur d'oxydation. Celui-ci convertit partiellement le CO et les hydrocarbures supplémentaires avec consommation d'oxygène, ce qui augmente la température des gaz jusqu'à 450°C et davantage et permet ainsi la combustion des suies se trouvant dans le FAP. L'additif d'aide à la régénération assiste la propagation de la combustion au sein des suies.
Dans le système selon l'invention, toutes les réactions dont on vient de parler ont lieu au sein du FAP 7, directement sur le médium filtrant imprégné de catalyseur qui le constitue. En particulier, la réaction exothermique de conversion des hydrocarbures et du CO émis en grande quantité a lieu à proximité immédiate du lit de suies, ce qui la rend encore plus efficace pour augmenter la température des suies, et donc initier leur combustion.
En outre, cette réaction exothermique étant plus efficace, on peut diminuer la quantité d'additif. A volume de filtration égal, on observe donc un encrassement plus lent par les résidus imbrûlés.
De plus, au lieu d'avoir affaire à deux réacteurs nettement séparés ou accolés l'un à l'autre, dans le cas de l'invention on n'est plus en présence que d'un réacteur 6 unique. Cela rend l'assemblage de la ligne d'échappement 3 plus facile.
La figure 2 représente schématiquement en section transversale un exemple de FAP 7 de section circulaire divisé en plusieurs modules 24. Ces modules 24 sont imprégnés de catalyseur de façon homogène sur leur section et sur leur longueur. Selon une variante privilégiée de l'invention, l'imprégnation du FAP 7 par le catalyseur d'oxydation n'est pas réalisée de manière homogène. La quantité de catalyseur est répartie de façon privilégiée dans les zones du FAP 7 les plus favorisées thermiquement et où les flux gazeux sont les plus importants, pour y accentuer la conversion du CO et des hydrocarbures, et pour prévenir le vieillissement catalytique du filtre dans les zones les plus sollicitées thermiquement. La répartition du catalyseur peut être inhomogène dans le sens radial du FAP 7 et/ou dans le sens axial du FAP 7.
Lorsque le FAP 7 est implanté dans la ligne d'échappement, la trajectoire des flux gazeux issus de la chambre de combustion conduit à un gradient de débit à l'intérieur du FAP 7. L'importance de ce gradient dépend des conditions de fonctionnement du moteur et de la forme du cône de connexion entre la ligne d'échappement principale et le FAP 7. Le phénomène se traduit par des vitesses des gaz plus importantes au centre du FAP 7 alors que les débits gazeux sont significativement réduits lorsque l'on se déplace radialement vers la périphérie du FAP 7. Ce phénomène a également une autre conséquence, à savoir que les températures au centre du FAP 7 sont plus élevées que celles en périphérie du FAP 7. Ce phénomène est accentué par certains filtres à particules à forte conductivité (ceux à base de SiC par exemple) par rapport à un catalyseur classique. La température a tendance à s'évacuer fortement vers la périphérie et sur la longueur du FAP 7. Pour tenir compte de ce phénomène, on propose d'adopter des répartitions de l'imprégnation du FAP 7 telles que celles schématisées sur les figures 3 à 6.
La figure 3 montre un FAP 7 vu en section transversale. Les modules latéraux 25 sont imprégnés d'une moindre quantité de catalyseur que les modules les plus centraux 26.
Dans cette variante, la répartition du catalyseur est sensiblement homogène à l'intérieur de chaque module. Cela peut ne pas être toujours le cas, par exemple comme représenté sur la figure 4, où des portions des modules latéraux 25 sont également incluses dans la zone de plus forte imprégnation, de manière à conférer à la zone de plus forte imprégnation une section transversale sensiblement circulaire.
Typiquement, la zone de plus forte imprégnation représente de 20 à 70% de la surface de la section transversale du FAP 7. Dans cette zone, la quantité de catalyseur est typiquement de l'ordre de 1 ,5 à 5 fois celle présente dans les zones de plus faible imprégnation. En plus ou à la place de cette répartition radiale particulière, on peut prévoir une répartition du catalyseur non homogène dans la direction longitudinale du FAP 7.
Dans l'exemple représenté sur la figure 5, où le FAP 7 est schématisé vu en coupe longitudinale, la zone de plus forte imprégnation 27, outre le fait qu'elle ne couvre pas la totalité de la section transversale de FAP 7, n'est présente que sur une partie de la longueur du FAP 7, typiquement sur 10 à 50%, voire 60% de cette longueur à partir de la face d'entrée 28 du FAP 7. Dans le restant du FAP 7, l'imprégnation est réalisée avec une quantité plus faible et homogène de catalyseur pour constituer une zone 29 de plus faible imprégnation.
Dans la variante de la figure 6, où le FAP 7 est schématisé vu en coupe longitudinale, la zone de plus faible imprégnation 29 s'interrompt avant la face de sortie 30 du FAP 7, par exemple, comme représenté, au droit de l'extrémité de la zone de plus forte imprégnation 27. Dans la partie terminale 31 du FAP7, il y a donc une zone non catalysée. En fait, dans cette partie terminale 31 où les cendres de l'additif du réservoir 15 et les diverses autres impuretés ont tendance à s'accumuler, le catalyseur présente une moindre efficacité que dans la zone plus proche de l'entrée du FAP 7. Il est donc moins utile de réaliser une imprégnation dans cette partie terminale 31 , et la supprimer totalement permet de réaliser une économie de matériau, ainsi que de limiter les pertes de charge des gaz de combustion. Bien entendu, cette absence de catalyseur dans la partie terminale 31 du FAP 7 est aussi applicable au cas où l'imprégnation du FAP 7 par le catalyseur est identique dans toutes les zones où cette imprégnation existe.
D'autres éléments que ceux qui ont été décrits et représentés peuvent être ajoutés à la ligne d'échappement 3 pour lui conférer des fonctionnalités supplémentaires ou améliorer les fonctionnalités existantes, par exemple, comme il a été précisé plus haut, un piège à NOx. II est possible de tirer parti de l'invention de deux manières différentes.
Une première manière consiste à conserver à l'ensemble catalyseur d'oxydation-FAP son volume habituel. Ce faisant, on augmente le volume disponible pour le dépôt des suies puisque celui-ci peut désormais s'effectuer dans la totalité de l'ensemble et non plus seulement dans sa partie FAP. Cela permet de retarder le colmatage du FAP et de ne plus devoir effectuer ses régénérations et nettoyages approfondis qu'à une fréquence réduite par rapport à l'art antérieur (le nettoyage approfondi peut n'avoir lieu, par exemple, que tous les 160 000km ou plus, suivant les véhicules concernés, au lieu de tous les 80000km ou 120 000km).
Une deuxième manière consiste à réduire la taille de l'ensemble catalyseur d'oxydation-FAP, jusqu'à une taille procurant un volume disponible pour le dépôt des suies suffisant pour imposer une fréquence de nettoyage approfondi du FAP comparable à ce qui est pratiqué avec les lignes d'échappement de l'art antérieur, dans lesquelles le catalyseur d'oxydation est distinct du FAP. L'avantage de l'invention réside alors dans le moindre encombrement de l'ensemble.
L'invention trouve une application privilégiée aux lignes d'échappement de moteurs Diesel, mais elle peut être appliquée sur la ligne d'échappement de tout type de moteur à combustion interne pour lequel on estimerait nécessaire d'utiliser un filtre à particules.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système d'aide à la régénération d'un filtre à particules intégré dans une ligne d'échappement (3) d'un moteur Diesel (1 ) de véhicule automobile, le moteur (1) étant associé à différents organes, parmi lesquels :
- des moyens (2) d'admission d'air dans le moteur,
- des moyens (4) de recyclage des gaz d'échappement du moteur en entrée de celui-ci,
- un turbocompresseur (5), - un filtre à particules (7),
- 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 sur le filtre à particules (7), pour abaisser la température de combustion des particules piégées dans celui-ci,
- des moyens (20, 21 , 22) d'acquisition d'informations relatives à 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 outre adaptés 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 pendant leur phase de détente, caractérisé en ce que le filtre à particules (7) est imprégné par un catalyseur d'oxydation des hydrocarbures et du CO présents dans les gaz d'échappement circulant à travers ledit filtre à particules.
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit catalyseur est un métal ou un mélange de métaux.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit métal est un métal du groupe VIII tel que du platine, du palladium ou du rhodium, ou un mélange de tels métaux.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le filtre à particules (7) présente une zone de plus forte imprégnation (27) par le catalyseur d'oxydation.
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite zone de plus forte imprégnation est située au centre de la section transversale du filtre à particules (7).
6. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite zone de plus forte imprégnation est située à l'entrée du filtre à particules (7).
7. Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la surface de ladite zone de plus forte imprégnation (27) représente 20 à 70% de la section transversale dudit filtre à particules (7).
8. Système selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que ladite zone de plus forte imprégnation (27) est présente sur 10 à 60% de la longueur du filtre à particules (7) à partir de sa face d'entrée (28).
9. Système selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la partie terminale (31) du filtre à particules (7) est dépourvue d'imprégnation par le catalyseur d'oxydation.
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