Brevet FR2877039A1 — publié le 20060428

Procédé et système de régénération d'un filtre à particules La présente invention concerne, de manière générale, la régénération d'un filtre à particules monté sur la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, en particulier dans les moteurs diesel, a pour effet de générer des particules de carbone polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. La présence d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement du moteur permet de diminuer considérablement la quantité de particules, poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et de satisfaire aux normes antipollution. En effet, un tel filtre est conçu de manière à pouvoir retenir les particules contenues dans les gaz d'échappement qui traversent le filtre. Cependant, au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contrepression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. Des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter une élévation trop importante de la contre-pression et le colmatage du filtre. Cette régénération est effectuée en élevant la température au sein du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 550 à 600 C, voire 650 C, températures à partir desquelles les particules de carbone retenues dans le filtre s'enflamment instantanément. Pour ce faire, on procède généralement à une injection retardée de carburant, ou postinjection, dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement. Il est également possible de prévoir une ou plusieurs injections tardives, c'est-à-dire nettement après le point mort haut. Le carburant ainsi injecté ne brûle pas dans la chambre de combustion du moteur, mais, par exemple, dans un dispositif catalytique également prévu dans la ligne d'échappement. Lorsque l'on procède à une injection retardée de carburant après le point mort haut, lors de la phase de détente, l'augmentation du débit de cette injection requiert une diminution du débit de l'injection principale de carburant. Le rendement plus faible de cette injection retardée nécessite un débit total de carburant plus élevé pour maintenir le couple à un niveau identique à celui obtenu avec un débit d'injection retardé plus faible. Ceci engendre une élévation de la température de sortie du moteur. Lorsque l'on prévoit des injections tardives, de fortes émissions de HC et de CO sont générées en sortie du moteur. Ces réducteurs réagissent dans le catalyseur d'oxydation monté sur la ligne d'échappement avec l'oxygène présent dans les gaz d'échappement. Cette réaction produit de la chaleur qui contribue à augmenter la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules. Il est également possible de retarder l'injection principale de carburant. La dégradation du rendement de combustion liée à cette injection nécessite une augmentation du débit de l'injection principale pour maintenir le couple à un niveau identique à celui obtenue avec une injection non-retardée, ce qui engendre une température de sortie du moteur plus importante. Il est enfin possible d'augmenter la richesse du mélange. En effet, la température des gaz d'échappement augmente avec la richesse puisque la charge en air frais diminue. Comme on le conçoit, les techniques de régénération connues à ce jour présentent un certain nombre d'inconvénients. En effet, elles provoquent une dilution de gazoil dans l'huile de lubrification du moteur. Le résultat est une dégradation de ses propriétés physico-chimiques pouvant aboutir à une usure prématurée du moteur. L'injection retardée ou l'injection tardive, c'est-à-dire nettement après le point mort haut, provoque une augmentation de la température en amont de la turbine de suralimentation du moteur en air, ce qui est susceptible d'engendrer une fatigue mécanique de la turbine. En outre, une injection très tardive provoque une augmentation de la température du catalyseur d'oxydation, ce qui est susceptible de provoquer une usure de la fonction d'oxydation du catalyseur. Enfin, l'augmentation de la richesse du mélange, qui nécessite d'utiliser une vanne de réglage du débit d'air frais à l'admission, le retard de l'injection principale, et l'augmentation des débits de post-injection provoquent une diminution du taux d'oxygène dans les gaz d'échappement en amont du filtre à particules. En charge faible et partielle, le taux d'oxygène peut alors être trop faible pour pouvoir régénérer correctement. Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients de l'état de technique et de proposer une régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile afin de diminuer la durée de la régénération ou, le cas échéant, de la permettre lorsque la composition des gaz d'échappement ne permet pas de la mettre en oeuvre. L'invention a donc pour objet un procédé de régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, suivant lequel on met en oeuvre des moyens de régénération du filtre dès que la valeur du niveau de chargement du filtre dépasse une valeur de seuil prédéterminée de manière à provoquer une élévation de température apte à brûler les particules dans le filtre, caractérisé en ce que l'on procède à une injection d'air en amont du filtre à particules. Dans un mode de mise en oeuvre, on met en oeuvre une pompe à air raccordée en entrée du filtre à particules. Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'air est prélevé sur une conduite d'alimentation du moteur du véhicule automobile en air. Dans ce cas, de préférence, on prélève de l'air chaud. Par exemple, cet air chaud peut être prélevé en aval d'un compresseur de suralimentation du moteur en air. L'invention a également pour objet un système de régénération d'un filtre à particules de véhicule automobile, comprenant des moyens de régénération du filtre comportant des moyens pour élever la température du filtre de manière à brûler les particules dans le filtre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'injection pour injecter de l'air en amont du filtre. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système comprend une pompe à air. La pompe peut être associée à un clapet anti-retour. Dans un autre mode de mise en oeuvre, les moyens d'injection comprennent une dérivation d'une conduite d'alimentation du moteur du véhicule en air qui s'étend de ladite conduite à la ligne d'échappement du moteur. Dans ce cas, la conduite est raccordée, par exemple, à la conduite d'alimentation en aval d'un compresseur de suralimentation du moteur en air, afin de prélever de l'air chaud, ce qui limite le refroidissement des gaz d'échappement lorsque l'air est injecté. On peut doter la conduite d'une vanne de réglage pour régler la quantité d'air injecté dans la ligne d'échappement. D'autres buts, caractéristiques et avantage de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne destiné à la propulsion d'un véhicule automobile équipé d'un système de régénération d'un filtre à particules conforme à l'invention; la figure 2 illustre la variation de la durée de régénération en fonction de la température et du taux d'oxygène en entrée du filtre; et la figure 3 est un schéma illustrant un autre mode de réalisation d'un système de régénération conforme à l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, ses moyens d'alimentation en air et d'échappement des gaz de combustion, ainsi que ses moyens de pilotage. Sur cette figure, la référence numérique générale 1 désigne de façon très schématique le moteur, lequel comprend une pluralité de chambres de combustion, telles que 2, dans la partie haute d'un cylindre 3 à l'intérieur duquel se déplace un piston 4. Une soupape d'admission 5 permet de commander l'admission en ouvrant ou en obturant un conduit d'admission 6 en communication avec la chambre de combustion 2. Une soupape d'échappement 7 permet, quant à elle, d'obturer ou d'ouvrir le passage des gaz d'échappement en provenance de la chambre de combustion 2 dans le conduit d'échappement 8. L'air frais à la pression atmosphérique, dont le flux est symbolisé par la flèche 9, pénètre dans une conduite 10 à l'intérieur de laquelle se trouve monté un débitmètre 11 qui mesure le débit de l'air dans la conduite 10. La pression de l'air est augmentée par un compresseur 12 monté dans la conduite 10. Le compresseur est monté sur un arbre 13 commun à une turbine 14, ici à géométrie variable, monté dans le conduit d'échappement 8. Les gaz d'échappement traversant la turbine 14 entraînent ainsi le compresseur 12, de façon à augmenter la pression de l'air admis dans la chambre de combustion 2 par le conduit d'admission 6. Dans l'exemple illustré, le moteur comprend en outre un système de recirculation de gaz d'échappement (EGR). A cet effet, une conduite de dérivation 15 est piquée sur la conduite d'échappement 8 en amont de la turbine 14. Une vanne de régulation 16, dite vanne EGR , commande la quantité de gaz d'échappement qui peuvent être réinjectés dans le conduit d'admission 6 après avoir été convenablement mélangés dans une chambre de mélange 18. Un volet d'orientation réglable 19 est en outre monté dans la conduite d'admission d'air comprimé 10 en aval du compresseur 12 et en amont de la chambre de mélange 18. En ce qui concerne la ligne d'échappement 20, celle-ci relie la sortie de la turbine 14 à l'atmosphère, la sortie des gaz d'échappement étant référencée 21. Dans la ligne d'échappement, se trouve montés un dispositif catalyseur 22 directement en aval de la turbine 14, et un filtre à particules 23 en aval du dispositif catalytique 22. Le filtre à particules est de type classique et comporte des moyens, par exemple électrostatiques, pour piéger les suies et les particules provenant du moteur et véhiculées par les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 20. Une unité électronique de commande 24 assure le fonctionnement du moteur 1 et reçoit à cet effet un certain nombre d'informations sur le fonctionnement du moteur. Différents capteurs sont placés dans les conduits et leurs signaux sont fournis à l'unité électronique de commande 24. Ainsi, par exemple, un capteur de pression 25, raccordés à l'unité centrale 24, peut être prévu en amont du volet 19 et en aval de la turbine 14. Un capteur de température 27 peut également être prévu pour mesurer la température en amont de la turbine 14. Un capteur 28 de mesure de la température dans la conduite 10 peut également être utilisé pour fournir à l'unité centrale 24 une mesure de la température d'air frais admis dans le moteur, et des capteurs 29 et 30 peuvent être placés de part et d'autre du filtre 23 pour mesurer la température de part et d'autre du filtre à particules et contrôler ainsi le fonctionnement du filtre et, en particulier, contrôler la régénération. En effet, comme cela est connu en soi, dès que la quantité de particules de suies dans le filtre 23 dépasse une valeur de seuil prédéterminée, il est mis en oeuvre une phase de régénération qui consiste à augmenter la température dans le filtre jusqu'à environ 600 C, pour brûler les particules. Comme on le sait, divers techniques classiques peuvent être utilisées pour mettre en oeuvre cette régénération. On peut par exemple procéder à une post-injection de carburant. Comme on le voit en outre sur la figure 1, dans le but d'améliorer ou faciliter la régénération, le système de régénération est par ailleurs pourvu d'un pompe à air 31 assurant une injection d'air dans les gaz d'échappement en amont du filtre à particules 23. Cette pompe à air est pilotée par l'unité centrale 24 de manière à injecter de l'air pendant la régénération quelles que soient les conditions de charge du moteur. Un clapet anti-retour 32 est monté entre la pompe à air et la ligne d'échappement 20 afin d'éviter d'envoyer les gaz chauds dans la pompe lorsqu'elle est arrêtée. Cette injection d'air dans les gaz d'échappement a pour effet d'augmenter le taux d'oxygène et donc de diminuer la durée de la régénération ou de la permettre dans le cas où le taux d'oxygène est trop faible pour permettre la régénération. En effet, comme on le voit sur la figure 2, une augmentation du taux d'oxygène (% 02) dans les gaz d'échappement a pour effet, à température de filtre à particules TEFAP constante, de diminuer considérablement la durée de la régénération et ce, en particulier, lorsque la température de la régénération est voisine d'environ 600 C. Selon un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 3, l'air injecté dans le filtre à particules 23 lors de la régénération est prélevé à partir de la conduite 10, de préférence en aval du compresseur 12, c'est-à-dire à l'endroit où l'air est le plus chaud, ce qui limite le refroidissement des gaz d'échappement lorsque l'air est injecté. On voit en effet sur la figure 3 que, selon ce mode de réalisation, une conduite de dérivation 33 s'étend entre la conduite 10 d'alimentation du moteur en air frais et la ligne d'échappement, en amont du filtre 23. Cette conduite 33 est équipée d'un vanne de réglage 34 pilotée par l'unité centrale 24, en amont du filtre 23. Cette conduite 33 est équipée d'une vanne de réglage 34 pilotée par l'unité centrale 24 pour régler la quantité d'air injecté dans la ligne d'échappement. On notera que ce mode de réalisation ne nécessite pas de prévoir une pompe à air de dimensions nécessairement importantes pour garantir un débit suffisant lorsque le filtre 23 est plein, c'est-à-dire lorsque la contrepression à l'échappement est importante. En outre, lorsque le filtre 23 est partiellement chargé, la pression de suralimentation du moteur en air est supérieure à la contrepression des gaz d'échappement en amont du filtre 23. L'air peut alors être aisément injecté dans la ligne d'échappement. Ce mode de réalisation permet également de prélever plus d'énergie au niveau de la turbine 14, ce qui contribue à augmenter la température des gaz d'échappement sans contrepartie néfaste du type dilution . On notera enfin que le commande de la vanne de réglage 34 peut être de type proportionnel pour optimiser le débit en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Elle peut également être à commande de type tout ou rien . REVENDICATIONS 1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (23) de véhicule automobile, suivant lequel on met en oeuvre des moyens de régénération du filtre dès que la valeur du niveau de chargement du filtre dépasse une valeur de seuil prédéterminée de manière à provoquer une élévation de température apte à brûler les particules dans le filtre (23), caractérisé en ce que l'on procède à une injection d'air en amont du filtre à particules. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre une pompe à air (31) raccordée en entrée du filtre à particules (23). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air est prélevé sur une conduite (10) d'alimentation du moteur du véhicule automobile en air. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'air prélevé est de l'air chaud. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'air est prélevé en aval d'un compresseur (12) de suralimentation du moteur en air. 6. Système de régénération d'un filtre à particules (23) de véhicule automobile, comprenant des moyens pour élever la température dans le filtre à particules de manière à brûler les particules dans le filtre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (31; 33,34) d'injection pour injecter de l'air en amont du filtre à particule (23). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe à air (31). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pompe (31) est associée à un clapet (32) anti-retour. 9. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'injection comprennent une dérivation (33) d'une conduite (10) d'alimentation du moteur du véhicule en air, qui s'étend de ladite conduite (10) à la ligne d'échappement (20) du moteur. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que la dérivation (33) est raccordée à la conduite d'alimentation (10) en aval d'un compresseur (12) de suralimentation du moteur en air. 11. Système selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la dérivation (33) est pourvue d'une vanne (34) de réglage pour régler la quantité d'air injecté dans la ligne d'échappement.