Brevet FR2883199A1 — publié le 20060922

La présente invention concerne un filtre à particules pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, du type comportant un bloc poreux en nid d'abeille constitué d'une pluralité de canaux d'entrée et de canaux de sortie. La présente invention concerne également un système de dépollution et une ligne d'échappement pour moteur à combustion de véhicule automobile comprenant un tel filtre à particules. De manière constante, les normes anti-pollution imposent aux motoristes de maîtriser l'émission de polluants des moteurs, à savoir l'émission d'oxydes d'azote, ou NOx, de monoxyde de carbone, d'hydrocarbures imbrûlés et de particules de suies pour les moteurs Diesel. On assiste typiquement à la mise en place d'une multitude de dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement aménagés dans la ligne d'échappement du moteur. Pour assurer conjointement le post-traitement de l'ensemble des polluants susmentionnés, la ligne d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile est généralement pourvue d'un filtre à particules en charge de la collecte et de la combustion des suies agencé en série avec un piège à NOx ou un filtre à particules imprégné d'une formulation catalytique de réduction des NOx propre à réduire les NOx en diazote. Ces deux systèmes nécessitent en plus la présence d'un catalyseur d'oxydation propre à oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés. De fait, l'ensemble est encombrant et donc d'implantation difficile sur le véhicule et onéreux. Par ailleurs, un filtre à particules catalysé ou un catalyseur, par exemple d'oxydation, est classiquement constitué d'un bloc poreux en nid d'abeille formé d'un matériau non catalytique tel que de la cordiérite ou du carbure de silicium dans le cas du filtre à particules, imprégné d'un revêtement catalytique constitués d'un matériau chimiquement actif, comme par exemple un oxyde mixte de zircone et de cérine, imprégné de métaux tels que des métaux nobles voire de métaux précieux, comme du platine ou du palladium. De tels matériaux sont coûteux. Ce revêtement catalytique est déposé à la surface des parois du support réduisant ainsi le volume des canaux d'écoulement des gaz d'échappement. Ce phénomène a pour effet une augmentation de la contre-pression d'échappement, et donc une surconsommation de carburant, et impose aux constructeurs une contrainte forte sur la définition des densités cellulaires des supports catalytiques et/ou de filtration utilisés sur le véhicule. Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes susmentionnés en proposant un système de post-traitement des gaz d'échappement moins onéreux et moins encombrant capable à la fois de traiter les suies et les NOx présents dans les gaz d'échappement. A cet effet, l'invention a pour objet un filtre à particules pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, du type comportant un bloc poreux en nid d'abeille constitué d'une pluralité de canaux d'entrée et de canaux de sortie, caractérisé en ce que ledit bloc poreux est constitué d'un matériau catalytique propre à réduire des oxydes d'azote des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique, le matériau catalytique est de 15 l'alumine AI2O3. La présente invention a également pour objet un système de dépollution pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre à particules du type susmentionné et un réacteur plasma pour générer du plasma non thermique dont les électrodes sont aménagées dans des canaux de sortie du filtre à particules. Selon d'autres caractéristiques: - il comprend en outre des moyens d'acquisition de la température en amont du filtre à particules et des moyens de commande du réacteur plasma en fonction de la température acquise pour modifier la fenêtre d'activité catalytique du matériau catalytique; - les moyens de commande sont adaptés pour activer le réacteur plasma si la température acquise est comprise dans une fenêtre thermique prédéterminée pour laquelle le gain catalytique du matériau catalytique en présence de plasma est supérieur à une valeur de seuil prédéterminée; - la fenêtre thermique est sensiblement égale à [150 C, 350 C] ; - il comprend en outre des moyens de commande du réacteur plasma pour la régénération du filtre à particules; - les moyens de commande sont propres à commander le réacteur plasma en fonction du point de fonctionnement du moteur; il comprend en outre un catalyseur d'oxydation propre à oxyder les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone; et le catalyseur d'oxydation est formé d'une imprégnation du matériau catalytique constituant le bloc poreux par un métal précieux. La présente invention a également pour objet une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'elle comprend un filtre à particules du type susmentionné ou un système du type susmentionné. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale du filtre à particules de la figure 1; et - la figure 3 est un organigramme du fonctionnement de la ligne d'échappement de la figure 1. Dans ce qui suit, les termes amont et aval s'entendent par rapport au sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement illustrée sur la figure 1. Sur la figure 1, un moteur à combustion interne de véhicule automobile est illustré sous la référence générale 10. Ce moteur 10 est équipé d'une ligne d'échappement 12 comprenant un filtre à particules 14 conforme à l'invention propre à traiter à la fois les particules de suie et les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation 16 agencé en aval du filtre à particules 14 pour le traitement du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés des gaz d'échappement ainsi qu'un réacteur plasma 18 propre à générer du plasma non thermique à partir de, et dans, les gaz d'échappement, pour modifier les caractéristiques catalytiques du filtre à particules 14 par modification de la composition des gaz d'échappement. Le réacteur plasma 18 de plasma comprend des électrodes 20 agencées dans le filtre à particules 14 d'une manière qui sera expliquée plus en détail par la suite, et un générateur 22 de courant commandable, par exemple alimenté par la batterie du véhicule automobile. Ce générateur 22 de courant est connecté aux électrodes 20, une borne de masse de celui-ci étant connectée à un premier ensemble d'électrodes, ou anodes, et une borne de haute tension étant connectée au reste des électrodes, ou cathodes. Le générateur 22 de courant est propre à générer des signaux électriques variables en terme de tension, intensité et fréquence, comme des courants impulsionnels, continus ou sinusoïdaux de quelques dizaines de V à plusieurs kV et de quelques dizaines de Hz à plusieurs kHz par exemple. Le générateur 22 de courant est connecté à une unité 24 de traitement d'informations propre à commander celui-ci en fonction de mesures de température délivrées par un capteur de température 26 agencé dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules 14 et de paramètres de fonctionnement du moteur 10, comme le régime de rotation du moteur et le couple demandé par le conducteur du véhicule, délivrés par des moyens d'acquisition 28 appropriés, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite. Par ailleurs, le moteur 10 est piloté par une unité 30 de contrôle moteur. Cette unité 30 est propre à mettre en oeuvre une stratégie de régénération du filtre à particules 14. Par exemple, l'unité 30 est propre à commander, régulièrement ou périodiquement, l'injection tardive de carburant dans les cylindres du moteur 10 pendant la phase de détente des cylindres, ou post-injection, afin d'élever la température des gaz d'échappement à des températures satisfaisant les conditions de combustion des suies piégées dans le filtre à particules 14, comme cela est connu en soi. Le filtre à particules 14, dont une vue en coupe transversale est illustrée sur la figure 2, comprend un bloc poreux 32 en nid d'abeille constitué de canaux d'entrée 34 des gaz d'échappement ouverts du côté amont et fermés du côtés aval en alternance avec des canaux de sortie 36 de gaz d'échappement fermés du côté amont et ouverts du côté aval. Les parois de ces canaux d'entrée et de sortie 34, 36 sont poreuses et forment un matériau filtrant pour les particules de suie: les gaz d'échappement entrant dans les canaux d'entrée 34 sont filtrés à travers les parois poreuses des canaux et s'écoulent ensuite par les canaux de sortie 36, les particules de suie restant piégées au niveau des parois des canaux d'entrée du filtre à particules 14. Selon l'invention, les parois délimitant les canaux du bloc 32 sont formées d'un matériau ayant par ailleurs une activité de réduction des NOx en mélange pauvre, c'est-à-dire pour un gaz contenant un excès d'oxygène, permettant ainsi de faire l'économie d'un piège à NOx ou d'un catalyseur deNOx supplémentaire dans la ligne d'échappement 12 ou d'un revêtement catalytique des parois des canaux du bloc 32. L'absence de ce dernier a également pour effet de réduire la contre-pression habituellement constatée au niveau du filtre à particules et permet donc une réduction de la surconsommation de carburant induit par une telle contre-pression par rapport aux dispositifs classiques. Le bloc poreux 32, de géométrie cylindrique classiquement utilisée en application automobile, est par exemple directement extrudé d'un seul tenant en le matériau catalytique, ou des petits monoblocs parallélépipédiques sont chacun extrudés en le matériau catalytique puis solidarisés à l'aide d'un ciment approprié pour former le bloc poreux 32. De préférence, le matériau catalytique est de l'alumine AI2O3 dont la fenêtre thermique d'activité catalytique, c'est-à-dire les températures pour lesquelles l'alumine présente une activité catalytique non nulle vis à vis des NOx, est sensiblement comprise entre 350 C et 500 C. Dans cette fenêtre de température, le taux de réduction des NOx en diazote N2 est compris entre 20% et 40%. En variante, d'autres matériaux catalytiques sont possibles, comme par exemple un oxyde mixte de cérine et de zircone (CeO2-ZrO2) non imprégné ou imprégné soit d'argent (Ag/CeO2-ZrO2) soit de palladium et de rhodium (Pd-Rh/CeO2-ZrO2), ou le bloc 32 peut être formé d'une pluralité de blocs poreux formés chacun d'un matériau catalytique particulier, ce qui permet d'obtenir une fenêtre thermique d'activité catalytique plus importante. En variante, ces blocs sont agencés de manière à obtenir un zoning catalytique du support filtrant préférentiellement radialement, c'est-àdire selon le rayon du bloc, ou longitudinalement dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Dans l'exemple illustré ici, les électrodes 20 du réacteur plasma 18 de plasma sont des électrodes filaires s'étendant chacune sur au moins une portion d'un canal de sortie 36 sélectionné du bloc poreux 32. En variante, les électrodes du générateur de plasma sont agencées dans des canaux d'entrée du bloc 32 ou une partie d'entre elles est agencée dans des canaux de sortie du bloc 32 et la partie restante dans des canaux d'entrée de celui-ci. Plus particulièrement, comme cela est illustré sur la figure 2, les électrodes connectées à la borne haute tension du générateur 22 de courant (anodes), représentées par des cercles noirs 38, sont décalées d'un canal selon l'axe des X par rapport aux électrodes connectées à la borne de masse du générateur 22 de courant (cathode), représentées par des cercles blancs 40. Ceci permet l'obtention de décharge plasmatique selon l'axe des X. En variante, les anodes et les cathodes ne sont pas décalées d'un canal pour permettre une décharge selon l'axe Z. En se référant de nouveau à la figure 1, l'unité 22 de traitement d'informations comprend des moyens 42 de comparaison connectés au capteur 26 de température et propres à comparer la température mesurée à un ensemble de températures prédéterminées mémorisées dans des moyens 44 de stockage de données, ces températures étant déterminées, par exemple expérimentalement, en fonction de la nature du matériau catalytique formant le bloc poreux 32. L'activation du réacteur plasma 18, c'est-à-dire l'application d'une tension aux anodes de celui-ci, lorsque la température des gaz d'échappement est comprise dans une fenêtre thermique sensiblement égale à [150 C, 350 C] pour l'alumine, modifie la composition du gaz d'échappement et donc la fenêtre thermique de l'alumine pour la réduction des NOx en diazote N2. Cette dernière présente alors une activité catalytique comprise entre 20% et 45% en présence de plasma alors qu'elle était sensiblement nulle sans décharges plasma. Les moyens 44 de stockage mémorisent une première température T1 prédéterminée d'activation du réacteur plasma 18 et une seconde température T2 de désactivation du réacteur plasma 18 sensiblement égales à 150 C et 350 C respectivement. Ces températures T1 et T2 correspondent pour l'alumine à une fenêtre thermique d'activité catalytique pour laquelle l'activation du réacteur plasma 18 a pour effet un gain d'efficacité catalytique de l'alumine par rapport à l'absence de plasma, supérieur à un seuil prédéterminé, par exemple 10%. Si le bloc poreux 32 est formé d'autres types de matériaux catalytiques, les températures mémorisées dans les moyens 44 de stockage sont déterminées pour correspondre à des fenêtres thermiques dans lesquelles les matériaux catalytiques ont un gain substantiel d'activité catalytique en présence de plasma, par exemple un gain supérieur à 10%. Les moyens 42 de comparaison sont raccordés à des moyens 46 de pilotage propres à commander le générateur 22 de courant selon une première stratégie prédéterminée SI d'alimentation des électrodes 20 lorsque la température mesurée est comprise entre les températures T1 et T2. Par exemple, les moyens 46 de pilotage commandent le générateur 22 de courant pour qu'il délivre des impulsions de courant de plusieurs kV appropriées pour optimiser l'activité catalytique de l'alumine dans cette fenêtre thermique. Les moyens 46 de pilotage sont également connectés à l'unité 30 de contrôle moteur et aux moyens 28 d'acquisition des paramètres du moteur. Plus particulièrement, lorsque l'unité 30 détermine que le filtre à particules 14 doit être régénéré, elle le notifie aux moyens 46 qui activent en réponse une seconde stratégie S2 d'alimentation des électrodes 20 pour la régénération du filtre à particules 12. Les moyens 46 déterminent alors le débit des gaz d'échappement en fonction du régime et du couple moteur acquis par les moyens 28, par exemple en évaluant pour ces derniers une cartographie prédéterminée de valeurs de débit, comme cela est connu en soi. Les moyens 46 déterminent, en fonction de ce débit déterminé et de la température mesurée par le capteur 26, un jeu de paramètres de commande du générateur de courant 22. Ce jeu de paramètres comprend notamment une tension à appliquer aux électrodes 20, une durée d'application de celleci correspondant à la durée de traitement des suies et une fréquence des impulsions délivrées aux électrodes 20. Les moyens 46 évaluent par exemple une cartographie prédéterminée de jeux de paramètres en fonction du débit déterminé et de la température mesurée, cette seconde cartographie étant déterminée expérimentalement lors d'une étude antérieure. Une fois le jeu de paramètres déterminé, les moyens 46 pilotent le générateur de courant 22 en fonction de celui-ci. Il est à noter qu'au cours de cette phase de régénération du filtre à particules, l'activité de réduction des oxydes d'azote par le filtre à particule 14 est maintenue, la stratégie S2 étant toutefois déterminée pour obtenir une combustion optimale des suies. En variante, cette stratégie S2 est couplée à une régénération du filtre à particules consistant à augmenter temporairement la température des gaz d'échappement. Par exemple, l'unité 30 modifie le fonctionnement du moteur 10 pour qu'une injection tardive de carburant dans les cylindres de celui-ci soit réalisée. Le fonctionnement du système de dépollution de la figure 1 va maintenant être décrit en relation avec la figure 3. A la suite du démarrage du moteur et de l'activation de l'unité 30 de contrôle moteur et de l'unité 24 de traitement d'informations en 50, la température en amont du filtre à particules 14 est mesurée en 52 et délivrée aux moyens 42 de comparaison. Ces derniers testent en 54 si la température mesurée est comprise entre les températures Ti et T2 mémorisées dans les moyens 44 de stockage. Si le résultat de ce test est négatif, une étape 56 teste si le filtre à particules 14 nécessite d'être régénéré. Si le résultat de ce test est négatif, l'étape 56 boucle sur l'étape 52 pour une nouvelle mesure de la température. Si le résultat du test réalisé en 54 est positif, une étape 58, identique à l'étape 56, est déclenchée pour savoir si le filtre à particules 14 nécessite d'être régénéré. Si le résultat du test réalisé lors de cette étape est négatif les moyens 46 de pilotage commandent, dans une étape 60, le générateur 22 de courant pour qu'il délivre aux électrodes 20 un courant selon la première stratégie S1 décrite ci-dessus. L'étape 60 boucle alors sur l'étape 52 pour une nouvelle mesure de la température en amont du filtre à particules 14. Si le résultat du test réalisé lors de l'étape 56 ou de l'étape 58 est positif, dans une étape 62, l'unité 30 le notifie à l'unité 24 de traitement d'informations qui met alors en oeuvre la stratégie S2 d'alimentation des électrodes 20, comme cela a été décrit précédemment. Si la stratégie S2 est couplée à une augmentation de la température des gaz d'échappement, l'unité 30 bascule également en 54 le moteur 10 dans un fonctionnement de régénération du filtre à particules 14. Une fois la régénération du filtre à particules 14 terminée, le moteur 10 est basculé en 64 dans un mode normal de fonctionnement par l'unité 30 et le générateur 22 de courant est stoppé par les moyens 46 de pilotage, le réacteur de plasma 18 étant de ce fait désactivé. L'étape 64 boucle alors sur l'étape 52. Il a été décrit à titre d'exemple un mode de réalisation d'un filtre à particules et une ligne d'échappement comprenant un tel filtre. En variante, le catalyseur d'oxydation est aménagé dans la même enveloppe que le filtre à particules, en aval du bloc poreux et séparé de celui-ci par un espace libre de circulation des gaz, ce qui permet de réduire encore l'encombrement de la ligne d'échappement. En variante, les parois des canaux du bloc poreux du filtre à particules sont imprégnés d'un matériau catalytique propre à oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés présents dans les gaz d'échappement, comme par exemple du platine, du palladium ou un mélange de ceux-ci, ce qui simplifie encore l'architecture de la ligne d'échappement puisque le catalyseur d'oxydation en aval du filtre à particules n'est alors pas nécessaire. En variante, le catalyseur d'oxydation est aménagé en amont du filtre à particules. En variante, le moteur est équipé d'un réservoir d'additif pour l'addition d'un additif dans le carburant, comme un additif organométallique ou organique par exemple, afin de favoriser la combustion des suies dans le filtre à particules. REVENDICATIONS 1. Filtre à particules (14) pour ligne d'échappement (12) d'un moteur à combustion interne (10) de véhicule automobile, du type comportant un bloc poreux (32) en nid d'abeille constitué d'une pluralité de canaux d'entrée (34) et 5 de canaux de sortie (36), caractérisé en ce que ledit bloc poreux (32) est constitué d'un matériau catalytique propre à réduire des oxydes d'azote des gaz d'échappement. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau catalytique est de l'alumine AI2O3. 3. Système de dépollution pour ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre à particules (14) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes et un réacteur plasma (18) pour générer du plasma non thermique dont les électrodes (20) sont aménagées dans des canaux (36) du filtre à particules (14). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (26) d'acquisition de la température en amont du filtre à particules (14) et des moyens (24) de commande du réacteur plasma en fonction de la température acquise pour modifier la fenêtre d'activité catalytique du matériau catalytique. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens (24) de commande sont adaptés pour activer le réacteur plasma (18) si la température acquise est comprise dans une fenêtre thermique prédéterminée pour laquelle le gain catalytique du matériau catalytique en présence de plasma est supérieur à une valeur de seuil prédéterminée. 6. Système selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que la fenêtre thermique est sensiblement égale à [150 C, 350 C]. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (24) de commande du réacteur plasma (18) pour la régénération du filtre à particules (14). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens (24) de commande sont propres à commander le réacteur plasma (18) en fonction du point de fonctionnement du moteur. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un catalyseur d'oxydation (16) propre à oxyder les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le 5 catalyseur d'oxydation est formé d'une imprégnation du matériau catalytique constituant le bloc poreux (32) par un métal précieux. 11. Ligne d'échappement (12) pour moteur à combustion interne (10) de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'elle comprend un filtre particules (12) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 2 ou un système conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 10.