Brevet FR2893976A3 — publié le 20070601

FR 2893976 A3 20070601 FR 0553653 A 20051130 Dispositif pour la régénération d'un filtre à particules pour véhicule automobile La présente invention se rapporte au domaine des filtres à particules pour moteurs de véhicules automobiles, et concerne, plus précisément, les dispositifs permettant la régénération de tels filtres. En effet, afin de répondre aux normes de dépollution, et, notamment, aux normes d'émission de particules, il est connu, en particulier pour les moteurs diesel, d'insérer, dans la ligne d'échappement du moteur, un filtre destiné à piéger et à stocker provisoirement les poussières et suies contenues dans les gaz issus de la combustion dans le moteur. Ces filtres doivent toutefois être régulièrement régénérés, afin que les éléments piégés ne perturbent pas l'écoulement des gaz d'échappement, ce qui risquerait de dégrader les performances du moteur. La régénération s'effectue en augmentant la température dans le filtre de manière à détruire thermiquement les particules et suies qu'il contient. Une solution connue dans l'état de la technique pour réaliser cette augmentation de température est de déclencher, en amont du filtre à particules, une seconde combustion destinée à fournir des gaz suffisamment chauds pour réaliser la destruction thermique recherchée : plusieurs solutions sont connues, dans l'état de la technique, pour parvenir à cette fin. Le document FR2774428 propose de réaliser une injection supplémentaire de carburant dans au moins un des cylindres du moteur, après l'injection principale de carburant, pendant la phase de détente du cycle des cylindres. Cette seconde combustion risque toutefois ici d'être incomplète, et l'élévation de température qui en résulte, insuffisante pour assurer une régénération optimale du filtre à particules. Afin de pallier cet inconvénient, il est connu d'adjoindre, à l'injection de carburant, une injection d'air afin de faciliter la combustion. PJ5388-DC le 20 octobre 2005 Le document US4383411 propose ainsi de placer, sur une dérivation de la ligne d'échappement entre le moteur et le filtre à particules, un injecteur de carburant associé à un dispositif d'injection d'air, dans lequel une chambre de turbulence permet d'optimiser le mélange air-carburant. La chambre de turbulence est ici formée de telle manière que l'air est injecté, au niveau du nez de l'injecteur de carburant, tangentiellement par rapport au flux de carburant, de manière à créer localement un vortex permettant d'optimiser le mélange. La combustion est alors déclenchée par un dispositif annexe (une bougie, par exemple), et les gaz chauds issus de cette combustion sont injectés dans le conduit reliant le moteur au filtre à particules, où ils sont mélangés aux gaz d'échappement issus du moteur : ils sont alors acheminés dans le filtre à particules, où l'élévation de température qu'ils induisent permet de détruire les éléments piégés. Un tel dispositif est toutefois d'une réalisation relativement complexe, et s'accompagne, en outre, de l'isolation du filtre à particules du reste de la ligne d'échappement pendant la phase de régénération, ce qui conduit, pendant cette opération, à une augmentation ponctuelle des rejets polluants par le véhicule, sans permettre de bénéficier, pour la régénération dudit filtre à particules, de l'apport de chaleur fourni initialement par lesdits gaz d'échappement. Le document US4615173 propose un dispositif dans lequel l'injection d'air destinée à optimiser la combustion du carburant injecté, entre le moteur et le filtre à particules, pour augmenter la température des gaz et obtenir la régénération dudit filtre, est réalisée par deux moyens concomitants. L'injecteur de carburant est ici placé, légèrement en retrait du conduit principal reliant te moteur et le filtre à particules, sur une dérivation dudit conduit principal. Une première injection d'air est réalisée dans l'injecteur même, par un ensemble de conduits débouchant au niveau du nez de celui-ci, orientés de manière que les jets d'air qu'ils fournissent créent, au niveau dudit nez d'injection de carburant, des turbulences favorables au mélange avec le carburant et à la pulvérisation de ce dernier. Concomitamment, une seconde injection d'air est réalisée autour dudit injecteur de carburant, dans la dérivation dans laquelle il est placé, de telle manière que ledit injecteur soit immergé dans le flux d'air de cette seconde injection. Un élément mécanique, inséré, en aval de l'injecteur, dans ladite dérivation, sensiblement perpendiculairement à l'axe de celle-ci, permet le brassage de cet air, mélangé à l'air et au carburant issus dudit injecteur. La combustion de l'ensemble de ce mélange, initiée en aval dudit élément mécanique permet alors d'élever la température du mélange gazeux entrant dans le filtre à particules et constitué des gaz issus de ladite combustion et des gaz d'échappement du moteur. Un tel dispositif est toutefois, là encore, d'une réalisation relativement complexe. De plus, l'insertion de l'élément mécanique de brassage peut induire des pertes de ~o charge dans la dérivation, défavorables à un fonctionnement optimal de l'ensemble, tout en introduisant une source potentielle de défaillances dans le fonctionnement du dispositif de régénération du filtre à particules. Il est à noter que, pour l'ensemble des dispositifs qui viennent d'être évoqués, 15 la combustion destinée à favoriser la régénération du filtre à particules est réalisée avant le mélange des gaz d'échappement issus du moteur avec le carburant et le comburant injectés en amont dudit filtre à particules. Le filtre à particules reçoit ainsi un mélange constitué des gaz d'échappement du moteur et des gaz issus de la combustion déclenchée pour favoriser sa 20 régénération : il s'en suit, notamment, qu'il est nécessaire d'optimiser, d'une part, le mélange des gaz dans lesquels est initiée ladite combustion nécessaire à la régénération du filtre à particules, ainsi que, d'autre part, le mélange des gaz issus de cette combustion avec les gaz d'échappement issus du moteur. 25 La présente invention a pour but de proposer un dispositif de régénération d'un filtre à particules placé en aval du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, dans lequel le mélange des gaz présents entre ledit moteur et ledit filtre à particules (gaz d'échappement issus du moteur, carburant et air injectés pour favoriser la régénération) est réalisé de manière optimale sans 30 insertion d'élément supplémentaire dans la ligne d'échappement, et permet de réaliser une combustion aussi complète que possible dudit mélange et d'atteindre une température suffisante pour permettre la destruction thermique des particules et suies piégées dans ledit filtre. PJ5388-DC le 20 octobre 2005 Dans ce but, l'invention a pour objet un dispositif de régénération d'un filtre à particules destiné à piéger les poussières et suies contenues dans les gaz d'échappement issus de la combustion interne du moteur d'un véhicule automobile, dans lequel un conduit principal relie la sortie dudit moteur à l'entrée dudit filtre à particules, dans lequel une injection de carburant au moyen d'un injecteur approprié, associée à une injection de comburant, est réalisée entre ladite sortie dudit moteur et l'entrée dudit filtre à particules de manière à atteindre, par la combustion dudit mélange de carburant et de comburant ainsi injecté, une augmentation de température permettant la ~o destruction thermique des suies et particules piégées dans ledit filtre à particules, caractérisé en ce que ladite injection de comburant est réalisée en aval de ladite injection de carburant au moyen dudit injecteur approprié, entre ladite injection de carburant et l'entrée du filtre à particules. Avantageusement, ladite injection de comburant est réalisée dans ledit conduit 15 principal reliant la sortie du moteur à l'entrée du filtre à particules. Avantageusement, l'injection de comburant est réalisée selon une direction générale dont la composante, dans un plan contenant l'axe du conduit principal au voisinage de l'entrée du filtre à particules, forme, avec la composante, dans le même plan, de la direction générale d'injection du carburant, un angle non 20 nul, préférentiellement compris entre 0 et 90 . Avantageusement, la composante, dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du conduit principal au voisinage de l'entrée du filtre à particules, de la direction générale d'injection du comburant, est sensiblement tangentielle à la paroi interne dudit conduit principal. 25 Selon un mode de réalisation préféré, l'invention présente en outre les caractéristiques suivantes : la distance entre l'injection de carburant et l'injection de comburant est sensiblement comprise entre une et trois fois le diamètre dudit conduit principal, 30 la distance séparant l'injection du comburant et l'axe du conduit principal est sensiblement égale à la moitié du diamètre dudit conduit principal, PJ5388-DC le 20 octobre 2005 la combustion destinée à fournir l'élévation de température suffisante pour réaliser la régénération est initiée en aval de l'injection de comburant, dans une zone où le mélange entre les gaz d'échappement issus du moteur, le carburant, et le comburant, injectés, est optimal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique d'ensemble de la partie d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule ~o automobile comportant un filtre à particules, et équipée d'un système de régénération dudit filtre à particules selon l'invention, la figure 2 est une vue schématique de face d'un dispositif selon l'invention, la figure 3 est une vue schématique de dessus du dispositif selon 15 l'invention, la figure 4 est une vue schématique en perspective de l'écoulement des gaz dans la ligne d'échappement en aval du dispositif selon l'invention et en amont du filtre à particules. 20 Ainsi que le présente la figure 1, les gaz issus de la combustion interne dans le moteur 1 d'un véhicule automobile sont généralement schématiquement acheminés, via un ensemble de conduits appropriés 2, jusqu'à un premier dispositif de traitement 3 où une partie des substances polluantes qui les constitue est traitée, puis, par un conduit principal 4, jusqu'à un filtre à 25 particules 5 dans lequel sont piégées les poussières et les suies qu'ils contiennent. Ils sont ensuite dirigés, via un ensemble de canalisations et éléments appropriés 6, jusqu'à l'échappement 7 du véhicule. De manière connue, au bout d'un certain nombre d'heures de fonctionnement et de kilomètres parcourus, la quantité de particules stockées dans le filtre 5 30 atteint un niveau tel que l'écoulement des gaz d'échappement dans ledit filtre 5 est considérablement ralenti, ce qui conduit à altérer les performances du moteur 1. Il devient alors nécessaire d'éliminer du filtre 5 les éléments qui y sont piégés : la température usuelle des gaz d'échappement ne permettant pas PJ5388-DC le 20 octobre 2005 la destruction thermique complète de celles-ci, une élévation de température est provoquée par une combustion en amont du filtre 5, entre la sortie du moteur 1 et l'entrée dudit filtre 5, lors de la phase de régénération dudit filtre 5. Pour réaliser cette combustion, de manière connue, et ainsi qu'il a été évoqué précédemment, une quantité prédéfinie de carburant est injectée généralement dans une dérivation du conduit principal 4, par un injecteur approprié 8, et, afin d'optimiser cette combustion, une injection 9 de comburant est également réalisée, généralement dans ladite dérivation dudit ~o conduit principal 4. De manière également connue, il est utile, pour améliorer la régénération du filtre à particules 5, que le mélange des gaz d'échappement et des gaz issus de cette combustion soit optimisé, afin que l'élévation de température soit la plus homogène possible dans l'écoulement gazeux circulant dans le filtre à particules : pour cela, il est connu de générer 15 préférentiellement un écoulement tourbillonnant dans la zone située à l'entrée du filtre à particules 5. Le dispositif selon l'invention propose de générer cet écoulement tourbillonnant par le seul mode d'injection du comburant, sans recours à un quelconque dispositif mécanique annexe. Pour cela, ainsi que le présente de manière plus 20 détaillée la figure 2, le dispositif selon l'invention propose, d'une part, que l'injection 9 du comburant soit réalisée dans une zone située entre le nez de l'injecteur de carburant 8 et l'entrée 10 du filtre à particules 5, c'est-à-dire en aval de l'injection du carburant, dans une zone où ledit carburant lesdits gaz d'échappement ont déjà subi un premier mélange. Préférentiellement, 25 l'injection 9 de comburant est également réalisée directement dans le conduit 4, afin d'optimiser le mélange avec les gaz d'échappement. Avantageusement, la distance entre la zone d'injection 9 du comburant et le nez de l'injecteur 8 de carburant est, en outre supérieure au diamètre du conduit 4 : elle est préférentiellement comprise entre une fois et trois fois ledit diamètre dudit 30 conduit 4. De plus, afin d'optimiser le mélange entre le carburant, le comburant, et les gaz d'échappement, l'invention propose également d'injecter ledit comburant PJ5388-DC le 20 octobre 2005 selon une direction particulière par rapport à la direction générale d'injection du carburant par l'injecteur 8. Ainsi, comme le présente la figure 2, la composante D2, dans un plan contenant l'axe Z du conduit principal 4 au voisinage de l'entrée du filtre à particules 5, de la direction générale selon laquelle est injecté le comburant dans ledit conduit principal 4 forme, avec la composante Dl, dans le même plan, de la direction générale selon laquelle le carburant est injecté dans ledit conduit principal 4, un angle a non nul. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le carburant est ainsi injecté sensiblement selon l'axe Z du conduit ~o principal 4 au voisinage de l'entrée du filtre à particules 5, et l'angle a est sensiblement égal à 90 . Selon des modes de réalisation alternatifs (voir figure 2), l'angle a est compris entre 0 et 90 . De même, ainsi que le présente plus spécifiquement la figure 3, afin d'optimiser le mélange en favorisant la création de turbulences au sein de 15 celui-ci, la composante D3, dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe Z dudit conduit principal 4 au voisinage de l'entrée du filtre à particules 5, de la direction générale d'injection du comburant, sera préférentiellement sensiblement tangentielle à la paroi intérieure dudit conduit principal 4 dans la zone de l'intersection dudit conduit 4 et de l'injection 9 du comburant. Il s'en 20 suit, ainsi que le présente la figure 4, la création d'un mouvement de rotation du comburant dans le conduit principal 4, conduisant à l'apparition d'un mouvement tourbillonnant au sein des gaz d'échappement, du comburant, et du carburant injecté par l'injecteur 8. 25 L'invention permet ainsi, tout en apportant, au travers du comburant, un apport d'oxygène favorisant la combustion nécessaire à la régénération du filtre à particules 5, d'optimiser le mélange entre carburant, comburant, et gaz d'échappement par un mouvement aérodynamique induit par le mode d'injection du comburant. Ce mélange permet de bénéficier de la température 30 des gaz d'échappement pour améliorer la vaporisation du carburant, tout en favorisant une combustion optimale. Ce mélange est, en outre, grâce à l'invention, obtenu sans l'insertion d'aucune pièce complémentaire dans la ligne d'échappement (élément mécanique de brassage) qui pourrait induire une PJ5388-DC le 20 octobre 2005 éventuelle perte de charge dans l'écoulement ou être une source de défaillances du système. PJ5388-DC le 20 octobre 2005 Revendications 1. Dispositif de régénération d'un filtre à particules (5) destiné à piéger les poussières et suies contenues dans tes gaz d'échappement issus de la combustion interne du moteur (1) d'un véhicule automobile, dans lequel un conduit principal (4) relie la sortie dudit moteur (1) à l'entrée dudit filtre à particules (5), dans lequel une injection de carburant au moyen d'un injecteur approprié (8), associée à une injection (9) de comburant, est réalisée entre ladite sortie dudit moteur (1) et l'entrée dudit filtres à particules (5) de manière à atteindre, par la combustion dudit mélange de carburant et de comburant ainsi injecté, une augmentation de température permettant la destruction thermique des suies et particules piégées dans ledit filtre à particules (5), caractérisé en ce que ladite injection (9) de comburant est réalisée en aval de ladite injection de carburant au moyen dudit injecteur approprié (8), entre ladite injection de carburant et l'entrée du filtre à particules (5). 2. Dispositif de régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection (9) de comburant est réalisée dans le conduit principal (4). 3. Dispositif de régénération selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance entre le nez de l'injecteur (8) de carburant et l'injection (9) de comburant est comprise entre une fois et trois fois le diamètre du conduit principal (4). 25 4. Dispositif de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la composante (D2), dans un plan contenant t'axe (Z) du conduit principal (4) au voisinage de l'entrée du filtre à particules (5), de la direction générale d'injection du comburant, forme, avec la composante (D1), 30 dans ledit plan, de la direction générale d'injection du carburant, un angle (a) non nul, compris entre 0 et 90 .10 5. Dispositif de régénération selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit angle (a) est un angle de 90 . 6. Dispositif de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la composante (D3), dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe (Z) dudit conduit principal (4) au voisinage de l'entrée du filtre à particules (5), de la direction générale d'injection du comburant, est sensiblement tangentielle à la paroi intérieure dudit conduit principal (4) à l'intersection dudit conduit principal (4) et de l'injection (9) de comburant. 7. Dispositif de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la combustion destinée à fournir l'élévation de température nécessaire à la régénération du filtre à particule (5) est initiée en aval de l'injection (9) de comburant, dans une zone où le mélange entre celui- ci, le carburant injecté par l'injecteur (8), et les gaz d'échappement issus du moteur (1), est optimal. 8. Filtre à particules (5) associé à un dispositif de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Véhicule automobile dont la ligne d'échappement du moteur à combustion interne comprend au moins un filtre à particules (5) associé à un dispositif de régénération selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 25