Brevet FR2787343A1 — publié le 20000623

La présente invention est relative au domaine de la pollution produite par le fonctionnement des moteurs thermiques et, plus particulièrement, des moteurs de type diesel dont chaque cycle de fonctionnement rejette, à l'atmosphère, des produits de combustion qui sont réputés être responsables d'une pollution certaine, plus particulièrement dans les sites urbains. L'objet de l'invention concerne, plus spécifiquement, les moyens nmis en oeuvre dans des installations de motorisation du type cidessus, pour tenter de réduire, voire d'éliminer une partie des polluants de tels gaz d'échappement et, plus particulièrement, les particules ou suies qui peuvent être produites en quantités variables selon les conditions de fonctionnement du moteur, les réglages qui lui sont apportés, le facteur de charge qu'il subit, voire la qualité du combustible. La technique antérieure s'est déjà préoccupée, depuis un certain temps, de cette nécessité et, à cette fin, plusieurs propositions ont été formulées qui, généralement, tournent toutes autour d'un principe incluant deux phases distinctes ou 1 5 simultanées. La première phase est celle dans laquelle les particules contenues dans les gaz d'échappement du moteur diesel sont piégées par une cartouche filtrante pouvant être en céramique ou en métal fritté. Il peut être envisagé d'adjoindre, à de telles cartouches, des éléments filtrants imprégnés ou non d'un système catalytique destiné à favoriser, voire amorcer, la combustion des particules à une température relativement basse. La seconde phase est celle selon laquelle les particules, piégées sur le support filtrant, doivent être oxydées par la conjonction d'un apport d'excès d'air prélevé dans les gaz d'échappement et par application d'une température voisine de 300 à 500 C fournie par le fonctionnement à pleine charge du moteur diesel pendant un laps de temps suffisant. La mise en pratique d'un tel principe se heurte, toutefois, à un problème majeur qui est celui du fonctionnement des moteurs diesel des véhicules en circulation urbaine, là o justement le problème de la pollution présente un intérêt primordial. En effet, dans de telles conditions de circulation, le moteur ne fonctionne qu'à charge réduite et les phases de pleine charge sont limitées aux accélérations brèves qui interviennent, généralement, de façon successives dans les conditions de circulation urbaine. Un fonctionnement à charge réduite ou connaissant des phases d'accélération brèves ne permet pas d'entretenir un niveau de température suffisant pour maintenir des conditions favorables au déroulement de la deuxième phase rappelée ci-dessus. La plupart du temps donc, le moteur diesel du véhicule fonctionne, soit à charge réduite, soit en décélération, soit au ralenti, toutes conditions dans lesquelles la température des gaz d'échappement n'est pas suffisante pour provoquer l'oxydation des particules piégées sur ou dans le filtre. De telles conditions ne permettent donc pas de brûler les particules piégées dont l'accumulation entraîne une augmentation de la perte de charge du filtre par son colmatage progressif qui peut même atteindre une obstruction quasi totale. Une telle conséquence n'est pas de nature à autoriser un fonctionnement satisfaisant des moteurs et peut être la cause de combustions brutales de ces particules à l'intérieur du filtre avec les inconvénients qu'une telle combustion interne peut apporter, telle que l'élévation exagérée de la température dans la ligne d'échappement, voire la destruction possible du support du filtre, de l'enveloppe, voire de la ligne. Les inconvénients qui sont rappelés ci-dessus sont, généralement, à porter au compte des installations de l'art antérieur qui a vu naître un certain nombre de propositions sensées apporter une solution au problème posé. Parmi celles-ci, il convient de citer les enseignements fournis par les demandes de brevets FR 93-01 569 (2 688 266), EP 0 816 646, EP 0 674 098 dans lesquelles il est généralement prévu de faire intervenir une circulation à contre-courant d'une veine d'air montée en température par un brûleur. De telles installations impliquent un fonctionnement séquentiel pour atteindre et maintenir la température convenable et brûler les particules piégées, de telles installations devant être obligatoirement embarquées. Les moyens techniques préconisés à cette fin se sont avérés semble-t-il onéreux, relativement compliqués, peu fiables et nécessitant un entretien constant et méticuleux. Il peut être considéré que ces constatations fournissent la raison d'une faible mise en pratique réelle. Le besoin se fait donc toujours sentir de pouvoir disposer de moyens techniques à même de résoudre le problème fondamental qui découle de l'émission de particules et suies par le fonctionnement de moteurs diesel utilisés dans des conditions non optimales et, plus particulièrement dans le cas de moteurs équipant des véhicules utilisés en circulation urbaine. C'est l'objet de l'invention que de proposer des moyens techniques pour répondre à ce besoin, de tels moyens techniques étant réunis pour assurer une efficacité de traitement des particules et suies, sans engendrer de pénalisation pour le véhicule dont les conditions de fonctionnement du moteur peuvent être estimées rester optimales. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à: - doter le filtre à particules d'une capacité de filtration de la quantité maximale de particules émise par le fonctionnement du moteur consommant la totalité du combustible correspondant à un plein complet de son réservoir à combustible, raccorder la ligne d'échappement du moteur à un groupe de régénération à poste fixe, pendant la phase de remplissage dudit réservoir, - faire fonctionner ladite installation pour produire, en sortie d'un régénérateur, une veine d'air chaud canalisé et filtré, - faire circuler ladite veine d'air chaud à contre- courant dans la ligne d'échappement et à travers le filtre à particules pour au moins décoller lesdites particules du filtre, - reprendre la veine d'air chargée de particules décollées et la recycler à l'entrée du régénérateur, - produire la combustion desdites particules à l'intérieur du régénarateur dans sa partie comprise entre la sortie et l'entrée. L'invention a également pour objet l'installation pour la mise en oeuvre du procédé, une telle installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend: - d'une part: * en amont dudit filtre, en considération du sens de circulation des gaz d'échappement du moteur, une tubulure de dérivation à section de passage contrôlée, pourvue d'un embout de raccordement, a en aval dudit filtre, une tubulure d'échappement pourvue d'un embout de raccordement, - d'autre part, un groupe indépendant de régénération à poste fixe comprenant: * des moyens de fourniture d'une veine d'air chaud, susceptibles d'être raccordés à la tubulure d'échappement pour faire circuler la veine d'air à contre-courant et l'amener à traverser le filtre pour au moins décoller en partie les particules du filtre, * des moyens de recirculation de la veine susceptibles d'être raccordés à la tubulure de dérivation, * et un régénérateur apte à provoquer la combustion des particules de la veine et à filtrer cette dernière et qui est interposé entre les moyens de production de la veine et ceux assurant sa recirculation. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence au dessin annexé qui montre, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La figure unique est un plan schématique illustrant les moyens selon l'invention. Le schéma unique annexé montre un véhicule 1, de tout type approprié, dont le caractère automobile est dû à la présence d'un moteur 2 de type diesel, mono- ou multi-cylindres. Le moteur 2 est illustré comme étant composé de quatre cylindres dont les pipes d'échappement 3 aboutissent, de préférence mais non exclusivement, à un collecteur 4 à partir duquel s'établit une ligne d'échappement 5 incluant, de façon traditionnelle, un silencieux, un pot d'échappement, mais surtout un filtre à particules 6, de toute conception convenable, qui est ordinairement traversé par les gaz d'échappement circulant dans le sens de la flèche fl. Un tel filtre 6 est, dans tous les cas, placé entre le collecteur 4 et une tubulure d'échappement 7 faisant partie de la ligne 5 et se terminant par un tuyau d'échappement 8 s'ouvrant dans le milieu ambiant. L'objet de l'invention est de pouvoir procéder, périodiquement, à la régénération du filtre 6 dont la cartouche filtrante 9 est chargée de piéger et de retenir les particules et les suies pour dépolluer sur ce plan les gaz d'échappement évacués dans le milieu ambiant. Selon l'une des dispositions de l'invention, il est prévu de conférer, à la cartouche filtrante 9, une capacité de filtration de la quantité maximale de particules susceptibles d'être émises par le fonctionnement du moteur consommant la totalité du combustible correspondant à un plein complet du réservoir à combustible 10 dudit véhicule. Par capacité de filtration de la quantité maximale de particules émises, il convient de considérer un état de colmatation partiel du filtre jugé comme n'ayant pas encore d'influence néfaste sur les conditions de fonctionnement du moteur par la perte de charge induite qui en résulte. Une telle capacité est donc essentiellement variable et dépend, principalement, des conditions constructives et fonctionnelles du moteur mais aussi de la réserve maximale de combustible que le réservoir associé est à même de contenir. Outre l'exigence première ci-dessus, les moyens de l'invention, pour répondre à l'objectif de dépollution, sont orientés vers une action de régénération de la cartouche filtrante 9, chaque fois qu'intervient une opération de ravitaillement du réservoir 10. I doit être considéré, au sens de l'invention, qu'un tel ravitaillement peut intervenir avant la consommation totale du combustible contenu. Pour assurer la régénération de la cartouche 9, il est prévu, au sens de l'invention, de faire intervenir un groupe de régénération 20 situé à poste fixe, de façon indépendante du véhicule 1, en étant par exemple, avantageusement associé à une installation de distribution ou de fourniture de combustible à même de permettre le remplissage du réservoir 10. Le groupe de régénération 20 comprend des moyens 21 de production d'une veine d'air chaud qui peut être fournie par une canalisation d'amenée 22 pourvue de moyens 23 aptes à coopérer avec un embout de raccordement 24 présenté par la tubulure d'échappement 7 et, plus particulièrement, le tuyau 8. La canalisation d'amenée 22 s'étend à partir d'un filtre 25 qui équipe la sortie d'une turbine 26 de toute conception appropriée, susceptible de mettre en circulation une veine d'air ayant un débit adapté qui est compris entre 1,1 à 1,5 fois le débit maximal de gaz d'échappement produit par le moteur fonctionnant à pleine charge et au régime maximal, une telle veine possédant une température comprise entre 450 et 550 OC. La montée en température de la veine d'air chaud est assurée par l'intermédiaire d'un brûleur 27 qui est situé en amont de l'ouïfe d'admission 28 de la turbine 26. Le brûleur 27 peut être de tout type approprié et être alimenté en tout combustible convenable. Il peut aussi être envisagé de remplacer un tel brûleur 27 par une résistance électrique ou analogue. Selon une disposition de l'invention, il est prévu de mettre en oeuvre des moyens de recirculation 29 comprenant une canalisation de reprise 30 dont l'entrée est pourvue de moyens 31 susceptibles de coopérer avec un embout de raccordement 32 équipant la sortie d'une tubulure de dérivation 33 qui s'étend à partir d'une communication avec la ligne 5 en amont du filtre 6 par rapport au sens de circulation des gaz d'échappement dans le sens de la flèche fi. Selon une disposition avantageuse, l'intercommunication entre la ligne 5, l'entrée du filtre 6 et la tubulure de dérivation 33 est contrôlée par un obturateur 34 occupant normalement une position de repos dans laquelle il établit seulement la communication entre l'entrée du filtre 6 et la tubulure 33 et une autre position sous l'influence des gaz d'échappement produits par le fonctionnement du moteur 2 et dans laquelle il établit seulement la communication entre la ligne 5 et l'entrée du filtre 6, tout en obstruant la tubulure de dérivation 33. La canalisation de reprise 30 s'ouvre en amont du brûleur 27 qui est disposé entre les moyens 29 et 21, en étant de préférence intégré à un régénérateur 35 comprenant une enveloppe 36 qui est raccordée, par son entrée 37 à la canalisation 30 et, par sa sortie 38, à l'ouïfe d'admission 28 de la turbine 26. L'enveloppe 36 délimite une chambre de combustion 39 dans laquelle est situé le brûleur 27 et une chambre de traitement 40 qui est occupée par un garnissage 41, par exemple à base de billes de zéolyte ou de silice, incorporant un catalyseur d'oxydation, notamment à base de platine. Le procédé selon l'invention, à partir des moyens techniques décrits ci- dessus, consiste à faire intervenir les étapes suivantes pour régénérer la cartouche 9 du filtre 6. Lorsque le besoin de procéder au remplissage du réservoir 10 est considéré, le véhicule 1 est placé à l'arrêt, moteur arrêté, à proximité de l'installation de fourniture de combustible à côté de laquelle le groupe de régénération 20 est implanté. Pendant le remplissage du réservoir 10, il est procédé au raccordement de la canalisation 22 avec le tuyau 8 et de la canalisation 30 avec la tubulure de dérivation 33. Après mise en rotation de la turbine 26, et si nécessaire, le brûleur 27 est mis en service de manière à provoquer la montée en température du garnissage 41. Le fonctionnement de la turbine 26 crée, dans le régénérateur, une circulation dans le sens de la flèche f2, d'une veine gazeuse d'air chauffé par le brûleur 27 et le garnissage 41 et pulsé par la turbine 26 à travers le filtre 25 dans la canalisation d'amenée 22. La veine d'air chaud ainsi produite est forcée en circulation à contre- courant à l'intérieur de la tubulure d'échappement 7 pour être amenée à traverser, de façon inverse au sens normal selon la flèche fi, la garniture 9 du filtre 6 au sein duquel elle a au moins pour effet de provoquer le décollement ou le détachement des particules et suies préalablement piégées. La circulation de la veine d'air chaud a également pour effet, lorsque sa température est suffisante, par exemple de l'ordre de 500 C, de provoquer la combustion ou le brûlage des particules piégées par la cartouche 9 et qui, pour des raisons d'incrustation, ne pourraient être décollées par le passage forcé de la veine d'air. La circulation de la veine d'air chaud provoque, en raison de l'arrêt du moteur 2, la fermeture de l'obturateur 34, de sorte qu'à la sortie du filtre 6, en considération du sens de circulation de la veine d'air chaud dans le sens inverse de la flèche fi, ladite veine emprunte obligatoirement la tubulure de dérivation 33 pour suivre ensuite la canalisation de reprise 29 et être ramenée à l'entrée 37 du régénérateur 35. Il s'ensuit, en conséquence, une circulation en circuit fermé et l'air recyclé est donc soumis à une remontée en température par le brûleur 27 et/ou le garnissage 41. I doit être noté que la fonction du garnissage 41 est certainement d'assurer la montée en température de la veine d'air recyclé, mais aussi de débarrasser cet air des particules non brûlées par l'intermédiaire du brûleur 27 et qui trouvent matière et condition à s'oxyder par l'intermédiaire du garnissage 41. I doit être noté, également, que toute particule, voire cendre, susceptible d'être entraînée par la veine d'air mise en circulation par la turbine 26 se trouve piégée par le filtre 25, de manière à éviter le risque de colmatation inverse, même réduit, de la cartouche 9 du filtre 6. Selon les conditions fonctionnelles, il peut intervenir la nécessité de contrôler la teneur en oxygène de l'air en circuit fermé pour maintenir, notamment au niveau de la cartouche 9 et/ou du garnissage 41, des conditions d'oxydation convenables pour les particules incrustées dans ladite cartouche et pour celles prélevées et recyclées dans le régénérateur 35. !l est prévu, à cette fin, de munir le groupe 20, d'un capteur 42 de teneur en oxygène, à même de commander l'ouverture d'un obturateur 43 contrôlant la section de passage d'un circuit 44 d'admission d'air additionnel raccordé en parallèle à la canalisation de reprise 30 en amont de l'entrée 37. Selon un développement de l'invention, il est prévu de disposer, sur la canalisation 22, en aval du filtre 25, une dérivation 45 aboutissant à un échangeur de chaleur 46 traversé par la canalisation d'admission d'air additionnel 44 et dont l'échappement est à l'air libre. De cette manière, l'air additionnel admis est partiellement réchauffé, afin de favoriser le maintien de conditions optimales de recirculation du mélange air recyclé air additionnel à l'intérieur de la chambre de combustion 39. I peut être prévu, à cet égard, de disposer, à l'intérieur de la chambre 39, et plus particulièrement au voisinage de la section d'entrée 37, une sonde thermométrique 47 à même de piloter un obturateur 48 contrôlant la section de passage de la dérivation 45. Il doit être noté qu'en variante l'ouverture-fermeture de l'obturateur 48 peut aussi être placée sous la dépendance du capteur 42 de teneur en oxygène, comme cela est montré en traits mixtes. Une variante selon l'invention consiste à injecter, dans la veine d'air chaud, par un injecteur 49, au moins un agent oxydant, tel que l'eau oxygénée, l'acide nitrique, le peroxyde d'azote, à même d'abaisser le seuil de température d'oxydation des particules ou suies. Une telle injection s'effectuera, de préférence, en amont de la tubulure d'échappement 7 et, par exemple, au niveau de la canalisation 22. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1- Procédé de régénération d'un filtre à particules équipant la ligne d'échappement d'un moteur diesel, caractérisé en ce qu'il consiste à: doter le filtre à particules d'une capacité de filtration de la quantité maximale de particules émise par le fonctionnement du moteur consommant la totalité du combustible correspondant à un plein complet de son réservoir à combustible, - raccorder la ligne d'échappement du moteur à un groupe de régénération à poste fixe, pendant la phase de remplissage dudit réservoir, - faire fonctionner ladite installation pour produire, en sortie d'un régénérateur, une veine d'air chaud canalisé et filtré, faire circuler ladite veine d'air chaud à contre-courant dans la ligne d'échappement et à travers le filtre à particules pour au moins décoller lesdites particules du filtre, - reprendre la veine d'air chargée de particules décollées et la recycler à l'entrée du régénérateur, - produire la combustion desdites particules à l'intérieur du régénérateur dans sa partie comprise entre la sortie et l'entrée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer la veine d'air pour lui conférer une température suffisante pour provoquer la combustion des particules non décollées et restant adhérantes au filtre. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à doter le régénérateur d'une cartouche comprenant, dans le sens de circulation, un brûleur et un garnissage d'oxydation et de filtration. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer, la teneur en oxygène de la veine d'air recyclée et à commander, en correspondance, l'ouverture totale ou partielle ou la fermeture d'un circuit d'admission d'air additionnel. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à établir, à la sortie du régénérateur, une circulation partielle dérivée de la Il veine d'air chaud qui est pour partie dirigée à l'échappement au travers d'un échangeur de chaleur traversé par le circuit d'admission d'air additionnel. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il s'applique à la régénération d'un filtre à particules de moteur diesel d'un véhicule automobile. 7 - Procédé selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter, dans la veine d'air chaud, au moins un oxydant destiné à abaisser le seuil de température d'oxydation de particules. 8 - Installation de régénération d'un filtre à particules équipant la ligne d'échappement (5) d'un moteur diesel (2), caractérisée en ce qu'elle comprend - d'une part: * en amont dudit filtre (6), en considération du sens de circulation du gaz d'échappement du moteur, une tubulure de dérivation (33) à section de passage contrôlée, pourvue d'un embout de raccordement (24), * en aval dudit filtre, une tubulure d'échappement (7) pourvue d'un embout de raccordement (32), - d'autre part, un groupe indépendant de régénération (20) à poste fixe comprenant: * des moyens de fourniture d'une veine d'air chaud (27, 26, 22) susceptibles d'être raccordés à la tubulure d'échappement pour faire circuler la veine d'air à contre-courant et l'amener à traverser le filtre pour au moins décoller en partie les particules du filtre, * des moyens (29) de recirculation de la veine susceptibles d'être raccordés à la tubulure de dérivation, * et un régénérateur (35) apte à provoquer la combustion des particules de la veine et à filtrer cette dernière et qui est interposé entre les moyens de production de la veine et ceux assurant sa recirculation. 9 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la tubulure de dérivation (38) est contrôlée par un clapet (34) occupant une position de repos dans laquelle il établit la communication entre le filtre à particules (6) et ladite tubulure et susceptible d'être placé, par la circulation du gaz d'échappement du moteur, dans une seconde position dans laquelle il obstrue la tubulure de dérivation et fait communiquer le filtre à particules (6) avec la ligne d'échappement. 10 - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de production de la veine d'air chaud comprennent un brûleur (27) associé au régénérateur (35) et une turbine (26) de mise en circulation à la sortie du régénérateur. Il - Installation selon la revendication 8 ou 10, caractérisée en ce que les moyens de production de la veine d'air chaud sont incorporés au groupe de régénération dont la sortie (22), située en aval de la turbine, est destinée à être raccordée à la tubulure d'échappement (7), alors que l'entrée (37) est raccordée à la tubulure de dérivation (33) pour former un circuit fermé de recirculation. 12 - Installation selon la revendication 8 ou 11, caractérisée en ce que les moyens de recirculation sont associés à un circuit d'admission d'air additionnel (44) dont la section de passage est contrôlée par un obturateur (43) dont l'alimentation est placée sous la dépendance d'un capteur (42) de la teneur en oxygène de la veine d'air recyclée. 13 Installation selon la revendication 8 ou 10, caractérisée en ce que le groupe de régénération (20) comprend un brûleur (27) disposé dans une chambre de combustion délimitée par le régénérateur et situé en aval de l'entrée (37) raccordée au circuit de recirculation (29), ledit régénérateur étant pourvu, à la suite de la chambre de combustion, d'un garnissage (41) de filtration placé en amont de la turbine (26). 14 - Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que le circuit d'admission d'air additionnel (44) traverse un échangeur de chaleur (46) alimenté en dérivation à partir des moyens (26, 21) de production de la veine d'air chaud. - Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'alimentation en dérivation de l'échangeur de chaleur est contrôlée par un obturateur (48). 16- Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que les moyens de production de la veine d'air comprennent un filtre (25) disposé à la sortie de la turbine (26). 17 - Installation selon l'une des revendications 8 à 16, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (49) d'injection dans la veine d'air chaud d'au moins un agent oxydant à même d'abaisser le seuil de température d'oxydation des particules. 18- Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que le garnissage (41) incorpore un catalyseur d'oxydation des particules recyclées et montées en température par le brûleur. 19 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend, par ailleurs, la mise en service, sur la ligne d'échappement (5) du moteur diesel (2), d'un filtre (6) ayant une capacité de filtration de la quantité maximale de particules émises par le fonctionnement du moteur consommant la totalité du combustible correspondant à un plein complet de son réservoir à combustible. 20 - Installation selon l'une des revendications 8 à 19, caractérisée en ce qu'elle s'applique à la régénération du filtre à particules du moteur diesel d'un véhicule automobile pendant l'arrêt de ce dernier à un poste de ravitaillement en combustible.