Brevet FR2806125A1 — publié le 20010914

"Dispositif et procédé de régénération d'un filtre à particules" L'invention concerne un dispositif de régénération d'un filtre à particules. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de régénération d'un filtre à particules pour un moteur à combustion, notamment un moteur diesel ou à essence à mélange pauvre, du type qui comporte des moyens de chauffage électrique. L'invention concerne aussi un procédé de pilotage d'un tel dispositif. Les moteurs diesels et certains moteurs à essence émettent des substances polluantes telles que des particules. Les particules sont des suies sur lesquelles sont fixés des hydrocarbures imbrûlés insolubles qui se traduisent des fumees noires polluantes. Pour des raisons de protection de l'environnement, il est nécessaire de diminuer fortement, voire de supprimer ces particules. On connaît des systèmes de traitement gaz d'échappement qui permettent de diminuer les émissions de particules. En particulier, une méthode consiste à les filtrer ' l'aide d'un filtre appelé filtre à particules. Ce dernier se colmate progressivement et il est donc nécessaire de le régenérer périodiquement. La solution mise en #uvre consiste à brûler les particules filtrees, par exemple tous les 400 à 500 kilomètres. Pour provoquer la combustion des particules, est nécessaire de les porter à une température d'environ à 550 "C. Cependant, les gaz d'échappement des moteurs diesels n'atteignent que rarement cette température puisque par exemple en ville, la température des gaz d'échappement évolue entre 150 et 350 "C. Il faut alors augmenter temporairement la température des gaz d'échappement de façon qu'ils atteignent la température de combustion des particules dans le filtre à particules. L'augmentation de la température des gaz d'echappement est réalisée dans les moteurs, par exemple la post combustion d'une certaine quantité de carburant, ou bien au niveau du filtre à particules, par exemple par des moyens de chauffage situés en amont ou à l'intérieur du filtre. Les moyens de chauffage peuvent être soit des moyens additionnels de chauffage, tels qu'une grille chauffante, placés en amont du filtre à particules, soit le filtre à particules, qui doit être métallique, utilisé comme résistance électrique chauffante. Dans première configuration se sont les gaz chauffés qui produisent combustion des particules. Cependant, les débits des gaz d'echappement sont parfois très importants, et leur température relativement basse. La puissance électrique néces saire pour élever la température des gaz à la température de combustion des particules est très importante et elle ne peut pas toujours être fournie par des batteries classiques du type de celles qui sont utilisées dans les véhicules automobiles. Dans la seconde configuration, c'est la chaleur dégagée par le passage de courant dans le filtre à particules provoque l'échauffement puis la combustion des particules déposées dans celui-ci. Cependant, la masse du filtre à particules ainsi que sa capacité calorifique nécessite de lui appliquer une forte puissance électrique qui, comme dans la première configuration, peut pas toujours être fournie par des batteries classiques, Une troisième solution consiste à utiliser moyens qui permettent le chauffage local des particules stockees sur le filtre à particules, à une température supérieure à la température de combustion des particules. La demande de brevet français n'97.14737 propose notamment de faire appel à des bougies telles que bougies de préchauffage de moteurs diesels. Ces systèmes sont placés suffisamment près de la face d'entrée du filtre à particules pour, lors de la phase de régénération du filtre, élever une plusieurs zones des particules stockées dans le filtre à température supérieure à la température de combustion des particules. Ce document propose aussi à titre de variante, de faire appel à une résistance électrique d'apport local de chaleur. Les moyens de chauffage local des particules stockées dans le filtre nécessitent, là encore, une puissance électrique importante qu'une batterie classique n' pas toujours en mesure de fournir. Pour remédier à ces problèmes, l'invention propose un dispositif de régénération d'u n filtre à particules pour 1 a dépollution des gaz d'échappement d'un moteur ' combustion, notamment d'un moteur diesel ou à essence à mélange pauvre, du type qui comporte des moyens électriques de chauffage pour brûler les particules stockées dans le filtre à particules, caractérisé en ce que, lors d'une phase de régenération, les moyens de chauffage sont alimentés en énergie electrique par décharge d'un condensateur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - lors de la phase de régénération, moyens de chauffage sont alimentés en énergie électrique concomitamment par décharge du condensateur et par au moins autre source d'énergie électrique ; - l'autre source d'énergie électrique est une batterie d'accumulateurs ; l'autre source d'énergie électrique est un alternateur moyens de chauffage comportent une résistance électrique chauffante, et en ce que les moyens de chauffage sont agencés amont du filtre à particules pour chauffer le flux d'air qui le traverse ; - filtre à particules est métallique, et en ce que les moyens chauffage sont constitués par au moins une zone du filtre à particules qui est utilisée comme résistance électrique de chauffage et qui est alimentée directement en énergie électrique par décharge du condensateur , - les moyens de chauffage comportent une résistance électrique qui est située à proximité de la face d'entrée du filtre à particules de façon qu'elle apporte localement de la chaleur sur la face d'entrée du filtre à particules pour provoquer l'inflammation des particules dans au moins une zone déterminée ; - le condensateur est agencé à proximité ou est intégré dans le filtre à particules. L'invention propose aussi un procédé de pilotage d'un dispositif de régénération d'u n filtre à particules pour 1 a dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur diesel ou à essence à mélange pauvre, caractérisé en ce que, la phase de régéneration du filtre à particules est déclenchée lors du démarrage moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la comprehension de laquelle on se reportera dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur équipé d'un dispositif de régénération d'un filtre à particules comportant des moyens de chauffage alimentés en énergie électrique selon l'invention ; - la figure 2 représente un filtre à particules métallique alimenté en énergie électrique par un condensateur selon une première variante de l'invention ; et - la figure 3 représente le filtre à particules équipé de moyens de chauffage alimentés en énergie électrique selon une seconde variante de l'invention. a représenté sur la figure 1 un systeme de traitement 10 d'échappement G d'un moteur à combustion 12. Le moteur est un moteur diesel ou un moteur à essence fonctionnant en mélange pauvre tel qu'un moteur à essence à injection directe, comportant au moins une chambre de combustion et un piston. Avantageusement, un additif chimique qui diminue la température de combustion des particules est ajouté au carburant du moteur 12. Il s'agit notamment du produit à base de Cérium commercialisé en France par la société RHODIA sous la marque "EOLYS". Une ligne 14 d'échappement permet l'écoulement des gaz G du moteur 12 vers l'atmosphère. Un système de traitement destiné à purifier les gaz d'échappement G est interposé dans ligne 14. Il se compose principalement d'un filtre à particules situé dans une chambre 18. Avantageusement, le filtre à particules 16 est recouvert d'une imprégnation catalytique. Le filtre à particules 16 est du type en nid d'abeilles. Il présente avec une face transversale d'entrée amont 22 et face transversale de sortie aval 24 des gaz G. Il est composé canaux 26 alternativement bouchés et ouverts en entrée et sont inversement ouverts et bouchés en sortie. Les parois canaux 26 sont poreuses et permettent la filtration des d'échappement G. Un dispositif de régénération 19 du filtre à particules 16 comporte notamment des moyens de chauffage électrique 20 sont insérés dans la ligne d'échappement 14 en amont du filtre particules 16. Les moyens de chauffage électrique 20 sont résistance électrique chauffante telle qu'une grille chauffante 21, représentée à la figure 1, qui est alimentée en courant électrique lors de la phase de régénération du filtre à particules 16. Son chauffage permet d'augmenter la température des gaz d'échap pement jusqu'à ce qu'ils atteignent, dans le filtre à particules 16, la température de combustion des particules stockées. moyens de chauffages électriques 20 sont reliés à un réseau electrique 28 qui se compose principalement d'un alternateur 30, d'un convertisseur alternatif/continu 32, d'une batterie d'accumulateurs 34, dite batterie, et d'un condensateur 36. batterie fournit un courant d'une intensité 11 . condensateur 36 comporte un pôle positif et un pôle négatif. permet d'accumuler de l'énergie électrique lorsqu'il est alimenté par un courant, c'est la phase de charge, et de la restituer de façon quasiment instantanée lorsqu'un élément consommateur d'énergie électrique est branché à ses bornes, c'est la phase de décharge. Le condensateur 36 peut être de petite taille, c'est à dire d'un volume de l'ordre du litre. La capacité du condensateur 36 est la quantité d'énergie électrique qu'il peut stocker, elle est, par exemple, pour la réalisation proposée égale à une valeur comprise entre 2 et 10 Watts.heure. Dans la suite de la description plusieurs condensateurs peuvent être associés en parallèle. La valeur de la capacité l'association ainsi réalisée est égale à la somme des capacités chaque condensateur. Il est alors possible d'utiliser plusieurs condensateurs d'une capacité plus faible, donc moins onéreux. Le condensateur 36, chargé par un courant d'intensité 12 d'une douzaine d'ampères, peut restituer un courant élevé dont l'intensité 13 est de l'ordre de 200 Ampères. Sa décharge fournit alors une forte puissance électrique. Tous les éléments sont reliés entre eux par des fils électriques 38. De plus, un premier 40 et un second commutateurs électriques sont disposés entre la batterie 34 et condensateur 36, et entre le condensateur 36 et les moyens chauffage électrique 20 respectivement, de façon à alimenter ou non le condensateur 36 et/ou les moyens de chauffage électrique 20. Chacun des commutateurs électriques 40 et 42 est mobile entre une position ouverte qui interrompt le passage de courant, conformément à la figure 1, et une position fermée qui permet passage de courant entre ses deux bornes. La commande l'ouverture et de la fermeture de chacun des commutateurs électriques 40 et 42 est réalisée par un système électronique 48, L'alternateur 30 permet de transformer l'énergie mécanique fournit par le moteur à combustion 12 en courant alternatif. Il est relié électriquement au convertisseur alternatif/continu 32 qui transforme le courant alternatif en courant continu, Deux fils électriques 38 sortent du convertisseur 32, l'un 44 étant le pole positif et l'autre 46 le pôle négatif. Chacun des pôles positif et négatif du convertisseur alternatif/continu 32, de la batterie 34, du condensateur 36 et moyens chauffage 20 sont reliés électriquement au électrique ou 46 correspondant, par un montage du type en fiparallèle". Les pôles positif et négatif de la batterie 34 sont reliés directement aux fils électriques 44 et 46 correspondant. Ainsi, lorsque moteur 12 fonctionne l'alternateur 30 produit de l'énergie electrique qui permet notamment de charger électri quement batterie 34. Le pôle négatif du condensateur 36 est relié directement au fil électrique 46, alors que le pôle positif est relié au fil 44 l'intermédiaire du commutateur électrique 40. Ainsi, lorsque système électronique 48 de commande ferme le commutateur 40, il provoque l'alimentation électrique et la charge du condensateur 36 et lorsqu'il ouvre le commutateur 40, il interrompt la charge du condensateur 36. moyens de chauffage 20 sont reliés aux fils électriques 44 et 46 façon similaire au condensateur 36, le commutateur 42 permettant ou non leur alimentation électrique. Avantageusement, le système électronique 48 commande est relié à des moyens de mesure 50 tels que capteurs de pression et des capteurs de température qui sont disposés sur la ligne d'échappement 14. Le fonctionnement du système de traitement 10 des d'échappement G du moteur à combustion 12 est le suivant. Durant le fonctionnement du moteur à combustion l'alternateur 30 produit un courant électrique alternatif qui transformé par le convertisseur 32 en courant continu d'intensité 12. Ce courant alimente et recharge la batterie 34, si cela est nécessaire. La fermeture d u commutateur 40 par système électronique 48 de commande permet l'alimentation conden sateur 36. Ainsi, tant qu'il n'est pas complètement chargé, il accumule l'énergie électrique. moyens de mesure 50 transmettent système électronique de commande 48 des informations représentatives du niveau de chargement ou colmatage du filtre à particules 16. Le système électronique de commande 48 prend en compte le niveau de chargement du filtre à particules 16, ainsi que le point de fonctionnement du moteur 12, pour déclencher la phase de régénération. Lors du déclenchement d'une phase de régénération du filtre à particules 16, le système électronique de commande 48 commandes l'ouverture du commutateur 40 et la fermeture du commutateur 42. Ainsi, le condensateur 36 se décharge et fournit un courant électrique peut être de l'ordre de 200 Ampères et qui traverse la grille pour provoquer l'échauffement de cette dernière par effet Joule. Le matériau, ainsi que les dimensions éléments constituant la grille 21 sont déterminés de façon à permettre d'être traversée par un courant d'une intensité suffisante pour atteindre une température suffisamment élevée pour porter les gaz d'échappement G qui la traversent, à une température supérieure ou égale à la température d'inflammation des particules, sans qu'elle ne subisse de dommages tels qu'une fusion. Avantageusement, le système électronique commande 48 ferme le commutateur 40 lors de la phase de regénération. Ainsi, un courant continu d'intensité 11+12 issu de l'alternateur 30 et de la batterie 34 respectivement, est ajouté à un courant d'intensité 13 déchargé par le condensateur 36 dans les moyens chauffage 20. Cela permet d'augmenter l'intensité du courant qui circule dans les éléments constituant les moyens de chauffage 20 à une valeur 11+12+13, et par conséquent d'augmenter leur température. Lorsque la phase de régénération du filtre à particules 16 est terminée, le système électronique 48 commande l'ouverture du commutateur 42 et la fermeture du commutateur 40 de façon à recharger le condensateur 36. Selon une première variante, illustrée à la figure 2, les moyens chauffage 20 sont constitués par le filtre à particules 16. Dans ce but sa structure est métallique, et notamment ses extrémités sont chacune reliées à l'un des fils électriques 44 ou 46. Ainsi, lors du déclenchement de la phase de régénération du filtre à particules 16, et la fermeture du commutateur 42 et/ou du commutateur commandées par le système électronique 48, le courant electrique d'intensité 13 ou 11+12+13 provenant notamment de décharge du condensateur 36 traverse la structure du filtre particules 16, provoquant alors l'échauffement de ce dernier dû ' l'effet Joule. De façon similaire au mode de réalisation précédent, le matériau et les dimensions constituent la structure du filtre à particules 16 sont détermines pour que la température de ses faces atteigne une température supérieure ou égale à la température d'inflammation particules, sans que le filtre à particules 16 ne subisse de dommages tels qu'une fusion. Selon une deuxième variante, illustrée à la figure 3, les moyens de chauffage 20 sont résistance électrique 60 telle qu'un fil conducteur qui s'étend à proximité et en amont de la face transversale d'entrée 22 filtre à particules 16. Chaque extrémité de la résistance électrique 60 est reliée à l'un des fils électriques 44 ou 46. De façon similaire réalisations précédentes, le matériau, ainsi que l'aire de section de la résistance électrique 60 sont déterminés, de façon que la résistance électrique 60 puisse être traversée par courant d'une intensité suffisante, supérieure ou égale à l'intensité 13 pour atteindre une tempe- rature supérieure à la température d'inflammation des particules, sans qu'elle ne subisse de dommages tels qu'une fusion. La résistance électrique 60 provoque alors augmentation locale de la température des particules déposées sur une zone déterminée de la face d'entrée 22 du filtre à particules 16. La température atteinte sur la zone déterminée supérieure à la température d'inflammation des particules, ce permet de débuter leur combustion. Selon une troisième variante, non représentée, il possible de realiser une régénération séquentielle du filtre à particules. zones distinctes sont créées dans le filtre à particules 16. moyens de chauffage 20 provoquent alors la combustion particules se situant dans une première zone. Puis un systeme, non représenté, permet aux moyens chauffage 20 provoquer la combustion des particules dans autre zone filtre à particules 16. Le système peut-être sélecteur provoque l'alimentation électrique successive résistances electriques du type de la résistance électrique 60 dont chacune est située dans une zone distincte. La régénération séquentielle du filtre à particules 16 permet d'utiliser un condensateur 36 ayant une plus faible capacité que celle nécessaire à la régénération unique du filtre à particules 16, ce qui diminue l'encombrement et le coût du système de traitement 10. Un tel dispositif de régénération 19 procure de nombreux avantages. Il est connu que la combustion des particules peut s'auto- entretenir. En effet, la combustion des particules initialement chauffées engendre un flux de chaleur important. La chaleur produite par la combustion permet le chauffage des particules encore enflammées et immédiatement adjacentes, jusqu'à température supérieure à la température d'auto-inflammation. Ainsi, même si l'alimentation électrique des moyens de chauffage est arrêtée, la combustion se propage depuis la zone où particules initialement chauffées se sont enflammées vers les zones sur lesquelles des particules sont stockées. Il donc plus intéressant de fournir, durant une courte durée, forte puissance électrique qui permet d'atteindre des hautes températures et qui provoque rapidement l'initiation de la combustion d'une partie des particules stockées dans le filtre, qu'une puissance électrique plus faible pendant une durée plus longue. Le condensateur 36 permet de fournir aux moyens de chauffage cette forte puissance électrique, qu'un alternateur 30 oulet batterie 34 classique de véhicule ne permettent pas d'obtenir. Ainsi, la décharge du condensateur 36 peut être réalisée alors que débit des gaz d'échappement G dans le filtre à particules est nul ou très faible. Ensuite, il est nécessaire qu'un débit même faible, d'air frais ou de gaz d'échappement G traverse le filtre à particules 16 pour propager la combustion. La décharge du condensateur 36 ne pénalise ni les performances de l'alternateur 30, ni celle de la batterie 34. Ainsi la phase régénération du filtre à particules 16 peut être déclenchée lors du démarrage du moteur 12. De plus, la charge du condensateur 36 est réalisée par courants d'une intensité faible, de l'ordre de 12 à 24 ampères nécessitent des fils électriques 44 et 46 de section relativement faible. Les pertes électriques, c'est-à-dire l'échauffement, de fils électriques 44 et 46 dû à l'effet Joule sont faibles. Les fils électriques 44 et 46 qui relient le condensateur aux moyens de chauffage 20 sont quant à eux parcourus par courants beaucoup plus élevés, de l'ordre de 200 ampères. pertes électriques dues à l'effet Joule sont donc importantes. Il est donc avantageux de placer le condensateur 36 plus près possible des moyens de chauffage 20 et du filtre particules 16. L'encombrement réduit du condensateur 36 permet réaliser un tel agencement sans modification importante des eléments existants. Ainsi, le condensateur 36 peut être disposé à proximité filtre à particules 16 qui se trouvent en général sur le plancher véhicule. Bien que cette zone puisse être exposée à températures très basses, le fonctionnement du condensateur est pas altéré puisqu'il peut effectuer des décharges électriques a des températures de l'ordre de -30'C. Le condensateur 36 peut même être situé dans un endroit véhicule présentant une faible accessibilité. En effet, sa durée vie est supérieure à 200.000 cycles ce qui est nettement supérieur au nombre de régénérations réalisées au cours de la . du véhicule. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régénération (19) d'un filtre à particules (16) pour la dépollution des gaz d'échappement (G) d'un moteur à combustion (12), notamment d'un moteur diesel ou à essence à mélange pauvre, du type qui comporte des moyens électriques chauffage (20) pour brûler les particules stockées dans le filtre a particules (16), caractérisé en ce que, lors d'une phase de régénération, les moyens de chauffage (20) sont alimentés en énergie électrique par décharge d'un condensateur (36). 2. Dispositif de régénération (19) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de la phase de régéné ration, les moyens de chauffage (20) sont alimentés en énergie electrique concomitamment par décharge du condensateur (36) et au moins une autre source d'énergie électrique. 3. Dispositif selon la revendication précédente, caracterisé ce que l'autre source d'énergie électrique est une batterie d'accumulateurs (34). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 3, caractérisé en ce que l'autre source d'énergie électrique est un alternateur (30). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (20) comportent une résistance électrique chauffante (21), et en ce les moyens de chauffage (20) sont agencés en amont du filtre a particules (16) pour chauffer le flux d'air qui le traverse. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre à particules (16) est métallique, et en ce que les moyens de chauffage (20) sont constitués par au moins une zone du filtre à particules (1 est utilisée comme résistance électrique de chauffage et alimentée directement en énergie électrique par décharge du condensateur (36). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (20) comportent une résistance électrique (60) qui est située à proximite de la face d'entrée (22) du filtre à particules (1 façon elle apporte localement de la chaleur sur la face d'entree (22) du filtre à particules (16) pour provoquer l'inflammation particules dans au moins une zone déterminée. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le condensateur (36) est agencé à proximité ou est intégré dans le filtre à particules (16). 9. Procédé de pilotage d'un dispositif de régénération 9) d'u n filtre à particules (16) pour la dépollution des d'échappement d'un moteur à combustion (12), notamment moteur diesel ou à essence à mélange pauvre, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé ce que, la phase de régénération du filtre à particules (16) est déclenchée lors du démarrage du moteur (12).