Brevet FR2907844A1 — publié le 20080502

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la dépollution des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un procédé de régénération passive d'un filtre à particules d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne qui comprend une ligne d'admission. Elle concerne également un moteur à combustion interne pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, qui comprend, en aval d'une chambre de combustion, une ligne d'échappement de gaz brûlés pourvue d'un filtre à particules revêtu intérieurement d'un matériau catalytique et, en amont de la chambre de combustion, une ligne d'admission. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation de moteurs Diesel et de moteurs à allumage commandé munis de filtres à particules. L'invention concerne aussi les véhicules automobiles comprenant de tels moteurs à combustion interne. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Classiquement, les moteurs à combustion interne comprennent une ligne d'échappement de gaz brûlés munie d'un filtre à particules. Ce filtre à particules permet de stocker les particules polluantes (suies carbonées) rejetées par le moteur. Le filtre est en outre généralement pourvu d'un revêtement catalytique destiné à oxyder les éléments polluants (hydrocarbures HC et monoxyde de carbone CO) provenant de la combustion du carburant et des gaz frais dans la chambre de combustion du moteur, afin d'éviter qu'ils soient rejetés dans l'atmosphère. À partir d'un certain taux de remplissage du filtre à particules, les gaz brûlés s'évacuent difficilement de la ligne d'échappement, ce qui engendre une surpression des gaz brûlés qui est néfaste pour le rendement du moteur. C'est la raison pour laquelle il convient d'éliminer les particules polluantes qui remplissent le filtre sans pour autant les rejeter telles quelles dans l'atmosphère, mais plutôt en les brûlant au préalable. Pour cela, on utilise généralement une combinaison de deux procédés qui permettent de régénérer efficacement le filtre à particules. 2907844 2 Le premier procédé, dit de régénération passive, a naturellement lieu lors du fonctionnement du moteur à combustion interne. En effet, en fonctionnement, le moteur rejette du dioxygène et du dioxyde d'azote qui réagissent avec les éléments polluants au sein du filtre à particules. Cette réaction est exothermique ; 5 elle produit donc une chaleur qui permet au dioxygène de brûler une partie des particules polluantes stockées par le filtre. Toutefois, la concentration du dioxygène et du dioxyde d'azote dans les gaz brûlés est faible et la température des gaz brûlés dans le filtre n'est le plus souvent pas suffisamment élevée, si bien que ces réactions d'oxydation et de 10 combustion sont limitées. En outre, les lignes d'échappement sont généralement pourvues, en amont du filtre à particules, d'un catalyseur d'oxydation qui contient de la cérine qui a un effet inhibiteur sur lesdites réactions. Ce procédé ne permet par conséquent pas à lui seul de brûler suffisamment de particules polluantes pour éviter que le filtre à particules se bouche. 15 Le deuxième procédé, dit de régénération active, est quant à lui déclenché artificiellement par un mode d'injection de carburant dans la chambre de combustion et/ou d'injection de carburant directement dans la ligne d'échappement. Ce mode d'injection est destinée à provoquer une réaction exothermique au sein du catalyseur d'oxydation (disposé en amont du filtre à 20 particules) pour élever la température des gaz brûlés, de sorte qu'ils entrent dans le filtre à particules à une température élevée et brûlent les particules polluantes qui le remplissent. OBJET DE L'INVENTION Par rapport à l'état de la technique précité, la présente invention propose 25 un nouveau procédé de régénération passive du filtre à particules qui présente une efficacité accrue. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé de régénération passive tel que défini clans l'introduction, dans lequel on prélève un mélange de gaz dans la ligne d'admission pendant une phase de fonctionnement 30 normal du moteur à combustion interne pour l'introduire dans la ligne d'échappement en amont du filtre à particules. Ainsi, grâce à l'invention, le mélange de gaz se mêle aux gaz brûlés en amont du filtre à particules. Ce mélange de gaz est chargé de dioxygène et d'azote qui réagissent au sein du filtre à particules avec les éléments polluants 2907844 3 contenus dans les gaz brûlés, ce qui accroît la vitesse d'oxydation de ces polluants. En outre, la réaction d'oxydation de ces polluants étant exothermique, la température des gaz dans le filtre à particules augmente, si bien que le dioxygène :5 peut en outre réagir avec les particules polluantes retenues par le filtre à particules pour les brûler. Par conséquent, la régénération passive du filtre présente une meilleure efficacité, ce qui permet de diminuer la fréquence des régénérations actives du filtre à particules. 10 Au total, l'oxydation des éléments polluants dans le filtre à particules est améliorée et le volume de carburant injecté pour les régénérations actives du filtre est diminué, ce qui baisse le volume total des émissions polluantes du moteur. Selon une première caractéristique avantageuse du procédé de régénération passive selon l'invention, la ligne d'admission du moteur à 15 combustion interne étant pourvue d'un compresseur, on prélève le mélange de gaz en aval du compresseur. Avantageusement, la ligne d'échappement du moteur à combustion interne étant pourvue d'un catalyseur d'oxydation, on introduit le mélange de gaz en aval du catalyseur d'oxydation. 20 Selon une autre caractéristique avantageuse du procédé de régénération passive selon l'invention, on prélève des gaz brûlés dans la ligne d'échappement, directement en aval du filtre à particules, pour les introduire dans la ligne d'admission, en amont du point de prélèvement du mélange de gaz dans la ligne d'admission. 25 On fait donc recirculer les gaz brûlés vers la ligne d'admission, en les introduisant dans la ligne d'admission en amont du compresseur. Ce circuit de recirculation des gaz est communément appelé circuit EGR basse pression . On comprend alors que le mélange de gaz prélevé dans la ligne d'admission est constitué d'air frais prélevé directement dans l'atmosphère et de gaz brûlés. Ce 30 mélange de gaz est donc chargé d'oxygène et présente également une grande concentration en oxyde d'azote et en dioxyde d'azote. La présence de ces deux derniers composants permet de brûler les particules polluantes retenues par le filtre à particules à une température relativement faible (entre 250 et 300 degrés Celsius). Ainsi, la régénération passive du filtre s'effectue efficacement très tôt 2907844 4 durant la montée en température du filtre à particules (dès 250 degrés Celsius au lieu de 400 degrés Celsius si le moteur était dépourvu de circuit EGR). Selon une autre caractéristique avantageuse du procédé de régénération passive selon l'invention, on prélève des gaz brûlés dans la ligne d'échappement, 5 en amont du filtre à particules, pour les introduire dans la ligne d'admission, en aval du point de prélèvement du mélange de gaz dans la ligne d'admission. On fait donc recirculer les gaz brûlés vers la ligne d'admission, en les prélevant dans la ligne d'échappement en amont de la turbine du compresseur puis en les introduisant dans le répartiteur d'air de la ligne d'admission du moteur. 10 Ce circuit de recirculation des gaz est communément appelé circuit EGR haute pression . Ainsi, le mélange de gaz prélevé dans la ligne d'admission et introduit dans la ligne d'échappement est uniquement constitué d'air frais prélevé dans l'atmosphère. Par conséquent, le mélange d'air frais et de gaz brûlés qui entre 15 dans le filtre à particules est fortement chargé de dioxygène, ce qui permet de régénérer efficacement le filtre dès que la température du mélange de gaz atteint une valeur seuil comprise entre 350 et 400 degrés Celsius. L'invention concerne également un moteur à combustion interne tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu un dispositif de régénération 20 passive du filtre à particules comportant une ligne de régénération qui prend naissance dans la ligne d'admission et qui débouche dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules, ce dispositif de régénération passive étant adapté à introduire dans la ligne d'échappement un mélange de gaz prélevé dans la ligne d'admission pendant une phase de fonctionnement normal 25 du moteur à combustion interne. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du moteur à combustion interne selon l'invention sont les suivantes : la ligne d'admission comporte un compresseur et la ligne de régénération prend naissance dans la ligne d'admission, en aval du compresseur ; 30 la ligne d'échappement comporte, en amont du filtre à particules, un catalyseur d'oxydation et la ligne de régénération débouche dans la ligne d'échappement, en aval du catalyseur d'oxydation ; il est prévu une vanne de régulation du débit du mélange de gaz introduit dans la ligne d'échappement, qui est située sur la ligne de régénération ; 2907844 5 - il est prévu une ligne de recirculation EGR basse pression des gaz brûlés qui prend naissance dans la ligne d'échappement, directement en aval du filtre à particules, et qui débouche dans la ligne d'admission, en amont du raccordement de la ligne de régénération sur la ligne d'admission ; et 5 il est prévu une ligne de recirculation EGR haute pression des gaz brûlés qui prend naissance dans la ligne d'échappement, directement en aval de la chambre de combustion, et qui débouche dans la ligne d'admission, directement en amont de la charnbre de combustion. L'invention concerne également un véhicule automobile qui comprend un 10 tel moteur à combustion interne. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. 15 Sur les dessins annexés : la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un premier mode de réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; et la figure 2 est une vue schématique d'ensemble d'un deuxième mode de réalisation du moteur à combustion interne de la figure 1. 20 Dans la description, les termes aval et amont sont utilisés suivant le sens de l'écoulement de l'air, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à sa sortie par un silencieux. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un moteur à combustion interne 10 de type diesel d'un véhicule automobile (non représenté). Ce moteur à combustion 25 interne 10 comprend une chambre de combustion 11 définie par quatre cylindres 12. En amont de la chambre de combustion 11, le moteur à combustion interne 10 comprend une ligne d'admission 20 d'un mélange de gaz. Cette ligne d'admission 20 prélève de l'air frais directement dans l'atmosphère et le filtre au 30 moyen d'un filtre à air 21. Elle s'étend jusqu'à un répartiteur d'air 22 qui débouche sur quatre canaux d'admission 23 chacun raccordés à l'un des cylindres 12 de la chambre de combustion 11. La ligne d'admission 20 comporte en outre un compresseur 31 d'un turbocompresseur 30 qui comprime le mélange de gaz filtré par le filtre à air 21. 2907844 6 Elle comporte également un refroidisseur d'air principal 24 qui refroidit les gaz comprimés par le compresseur 31 avant de les injecter dans le répartiteur d'air 22. En aval de la chambre de combustion 11, le moteur à combustion interne 10 comporte une ligne d'échappement 40 de gaz brûlés s'étendant depuis un 5 collecteur d'échappement 41, relié par quatre canaux d'échappement 42 à chacun des cylindres 12 de la chambre de combustion 11, jusqu'au silencieux 48. La ligne d'échappement 40 comporte, directement en aval du collecteur d'échappement 41, une turbine 32 qui est entraînée par le flux de gaz brûlés et qui actionne le compresseur 31. Elle comporte également un pot catalytique 43 et, 10 entre ce pot catalytique 43 et le silencieux 48, une vanne de régulation 47 forçant la circulation de gaz brûlés dans le circuit EGR basse pression. Le pot catalytique 43 renferme intérieurement un catalyseur d'oxydation 44 suivi, dans la direction d'écoulement des gaz brûlés, d'un filtre à particules 46. Les positions relatives du catalyseur d'oxydation 44 et du filtre à 15 particules 46 dans le pot catalytique 43 définissent un espace libre 45 que traversent les gaz brûlés sortant du catalyseur d'oxydation 44 et entrant dans le filtre à particules 46. Le catalyseur d'oxydation 44 est en particulier adapté à oxyder des éléments polluants, tels que les hydrocarbures HC et le monoxyde de carbone 20 CO, contenus dans les gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement 40. Le filtre à particules 46 est quant à lui adapté à stocker les particules polluantes (également appelées suies carbonées) produites par la combustion de carburant et du mélange de gaz dans la chambre de combustion 11, de manière à éviter qu'elles soient rejetées dans l'atmosphère. Ce filtre doit être régulièrement 25 régénéré afin de ne pas être obstrué par une trop grande quantité des particules polluantes. Le filtre à particules 46 est en outre revêtu intérieurement d'un matériau catalytique, tel que le platine ou le palladium, adapté à oxyder les hydrocarbures HC et monoxyde de carbone CO non oxydés par le catalyseur d'oxydation 44. 3C) Le moteur à combustion interne 10 comprend deux phases de fonctionnement, dont une phase de fonctionnement normal au cours de laquelle le moteur répond aux prestations classiques de traction et de dépollution de ses émissions (les particules émises par le moteur sont momentanément stockées dans le filtre à particules ù c'est durant cette phase que la régénération passive 2907844 7 peu avoir lieu), et une phase de régénération active du filtre à particules au cours de laquelle un mode d'injection de carburant spécifique permet d'augmenter fortement la température des gaz brûlés (à environ 650 degrés Celsius) lorsqu'ils entrent dans le filtre à particules. 5 Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le moteur à combustion interne 10 comporte un dispositif de régénération passive du filtre à particules qui est adapté à introduire, pendant une phase de fonctionnement normal du moteur, un mélange de gaz comprenant de l'air frais dans la ligne d'échappement 40, en amont du filtre à particules. Pour cela, le 10 dispositif comprend une ligne de régénération 60 qui prend naissance dans la ligne d'admission 20, entre le compresseur 31 et le refroidisseur d'air principal 24, et qui débouche dans l'espace libre 45 du pot catalytique 43. Cette ligne de régénération 60 est pourvue d'une vanne de régulation 61 pilotée par des moyens de pilotage non représentés. 15 Avantageusement, le moteur à combustion interne comporte des moyens de détermination 49 du taux d'encrassement du filtre à particules 46 par les particules polluantes. Ces moyens de détermination 49 sont reliés à deux capteurs de pression 49A, 49B adaptés à mesurer la différence de pressions entre l'entrée et la sortie 20 du pot catalytique 43. Cette différence de pression est fonction du taux de remplissage du filtre à particules 46 par les particules polluantes. Les capteurs de pression 49A, 49B permettent donc aux moyens de détermination 49 de déterminer le taux d'encrassement de ce filtre. Lorsque ce taux dépasse une valeur seuil prédéterminée, le moteur entre 25 dans une phase de régénération active du filtre. Il reste sinon en phase de fonctionnement normal. La vanne de régulation 61 est pilotée de manière à s'ouvrir pendant la phase de fonctionnement normal du moteur. Elle régule le débit du mélange de gaz injecté dans le pot catalytique 43. 30 Selon un premier mode de réalisation du moteur plus particulièrement représenté sur la figure 1, le moteur à combustion interne 10 comporte, outre la ligne de régénération 60 selon l'invention, une ligne de recirculation EGR basse pression 50 des gaz brûlés. Cette ligne de recirculation EGR basse pression 50 prend naissance dans la ligne d'échappement 40, à la sortie du pot catalytique 43, 2907844 8 et débouche dans la ligne d'admission 20, entre le filtre à air 21 et le compresseur 31. Elle comporte un refroidisseur d'air secondaire 51 et, à sa jonction avec la ligne d'admission 20, une vanne 52 permettant de réguler le débit des gaz brûlés EGR qui recirculent vers la ligne d'admission 20. Cette ligne de recirculation EGR 5 basse pression 50 permet de diminuer le volume des émissions polluantes rejetées par le moteur à combustion interne 10. En fonctionnement, la chambre de combustion 11 du moteur à combustion interne 10 rejette des gaz brûlés qui s'engouffrent dans la ligne d'échappement 40. Ces gaz brûlés sont chargés d'éléments polluants tels que les 10 hydrocarbures HC et le monoxyde de carbone CO, ainsi que de particules polluantes carbonées. Les deux éléments polluants sont en partie oxydés par le catalyseur d'oxydation 44 tandis que les particules polluantes carbonées sont stockées par le filtre à particules. Les gaz brûlés ainsi traités par le pot catalytique 43 sont ensuite détendus dans le silencieux 48 avant d'être rejetés dans 15 l'atmosphère. Une partie de ces gaz brûlés traités est prélevée par la ligne de recirculation EGR basse pression 50 pour être introduite dans la ligne d'admission 20, en amont du compresseur 31. Le mélange de gaz admis dans la chambre de combustion 11 est donc constitué d'air frais et de gaz brûlés traités. 20 Ainsi, lors d'une phase de fonctionnement normal du moteur, la ligne de régénération 60 prélève un mélange d'air frais, chargé de dioxygène et de dioxyde d'azote, et de gaz brûlés. Ce mélange est insufflé dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules 46. Au contact du matériau catalytique revêtant l'intérieur du filtre à particules 46, le dioxygène favorise l'oxydation des 25 hydrocarbures HC et du monoxyde de carbone CO contenus dans les gaz brûlés (on oxyde donc les éléments polluants). L'apport de chaleur dû à cette oxydation exothermique permet au dioxygène et aux oxyde et dioxyde d'azote de brûler les particules carbonées stockées par le filtre dès que la température du mélange de gaz atteint environ 250 degrés Celsius (on régénère le filtre à particule). 30 Selon un deuxième mode de réalisation du moteur plus particulièrement représenté sur la figure 2, le moteur à combustion interne 10 comporte, outre la ligne de régénération 60 selon l'invention, une ligne de recirculation EGR haute pression 70 des gaz brûlés. Cette ligne de recirculation EGR haute pression 70 prend naissance dans la ligne d'échappement 40, entre le collecteur 2907844 9 d'échappement 41 et la turbine 32, et débouche dans la ligne d'admission 20, entre le refroidisseur d'air principal 24 et le répartiteur d'admission 22. Elle comporte un refroidisseur d'air secondaire 72 et, à sa jonction avec la ligne d'admission 20, une vanne 71 permettant de réguler le débit des gaz brûlés EGR 5 qui recirculent vers la ligne d'admission 20. Cette ligne de recirculation EGR haute pression 70 permet elle aussi de diminuer le volume des émissions polluantes rejetées par le moteur à combustion interne 10. Dans ce mode de réalisation de l'invention, la ligne d'échappement est dépourvue de vanne de régulation 47. 10 Le fonctionnement du moteur à combustion interne 10 est sensiblement le même que celui précédemment exposé, à la différence près que le mélange de gaz prélevé dans la ligne d'admission 20 par la ligne de régénération 60 n'est constitué que d'air frais. Il est donc dépourvu d'oxyde d'azote. Cet air frais est insufflé dans le filtre à particules 46 pendant une phase 15 de fonctionnement normal du moteur. Au contact du revêtement catalytique du filtre à particules 46, le dioxygène favorise l'oxydation des hydrocarbures HC et du monoxyde de carbone CO contenus dans les gaz brûlés. L'apport de chaleur dû à cette oxydation exothermique permet au seul dioxygène de brûler les particules carbonées stockées par le filtre dès que la température du mélange de gaz atteint 20 environ 350 degrés Celsius. Bien sûr, selon un autre mode de réalisation non représenté du moteur à combustion interne, ce dernier pourrait comporter, outre la ligne de régénération selon l'invention, non seulement une ligne de recirculation EGR basse pression, mais aussi une ligne de recirculation EGR haute pression des gaz brûlés. La ligne 25 de régénération prélèverait alors un mélange de gaz comprenant une grande concentration en air frais, chargé de dioxygène et de dioxyde d'azote. La température minimale de combustion des particules polluantes stockées dans le filtre à particules serait alors de 250 degrés Celsius environ. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation 30 décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de régénération passive d'un filtre à particules (46) d'une ligne d'échappement (40) d'un moteur à combustion interne (10) qui comprend une ligne d'admission (20), caractérisé en ce qu'on prélève un mélange de gaz dans la ligne d'admission (20) pendant une phase de fonctionnement normal du moteur à combustion interne (10) pour l'introduire dans la ligne d'échappement (40) en amont du filtre à particules (46). 2. Procédé de régénération passive selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, la ligne d'admission (20) du moteur à combustion interne (10) étant pourvue d'un compresseur (31), on prélève le mélange de gaz en aval du compresseur (31). 3. Procédé de régénération passive selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, la ligne d'échappement (40) du moteur à combustion interne (10) étant pourvue d'un catalyseur d'oxydation (44), on introduit le mélange de gaz en aval du catalyseur d'oxydation (44). 4. Procédé de régénération passive selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on prélève des gaz brûlés dans la ligne d'échappement (40), directement en aval du filtre à particules (46), pour les introduire dans la ligne d'admission (20), en amont du point de prélèvement du mélange de gaz dans la ligne d'admission (20). 5. Procédé de régénération passive selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on prélève des gaz brûlés dans la ligne d'échappement (40), en amont du filtre à particules (46), pour les introduire dans la ligne d'admission (20), en aval du point de prélèvement du mélange de gaz dans la ligne d'admission (20). 6. Moteur à combustion interne (10) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, qui comprend, en aval d'une chambre de combustion (11), une ligne d'échappement (40) de gaz brûlés pourvue d'un filtre à particules (46) revêtu intérieurement d'un matériau catalytique et, en amont de la chambre de combustion (11), une ligne d'admission (20), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de régénération passive du filtre à particules (46) comportant une ligne de régénération (60) qui prend naissance dans la ligne d'admission (20) et qui débouche dans la ligne d'échappement (40), en amont du 2907844 11 filtre à particules (46), ce dispositif de régénération passive étant adapté à introduire dans la ligne d'échappement (40) un mélange de gaz prélevé dans la ligne d'admission (20) pendant une phase de fonctionnement normal du moteur à combustion interne (10). 5 7. Moteur à combustion interne (10) selon la revendication précédente, dans lequel la ligne d'admission (20) comporte un compresseur (31), caractérisé en ce que la ligne de régénération (60) prend naissance dans la ligne d'admission (20), en aval du compresseur (31). 8. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications 6 et 7, 10 dans lequel la ligne d'échappement (40) comporte, en amont du filtre à particules (46), un catalyseur d'oxydation (44), caractérisé en ce que la ligne de régénération (60) débouche dans la ligne d'échappement (40), en aval du catalyseur d'oxydation (44). 9. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications 6 à 8, 15 caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de régulation (61) du débit du mélange de gaz introduit dans la ligne d'échappement (40), qui est située sur la ligne de régénération (60). 10. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne de recirculation EGR basse pression 20 (50) des gaz brûlés qui prend naissance dans la ligne d'échappement (40), directement en aval du filtre à particules (46), et qui débouche dans la ligne d'admission (20), en amont du raccordement de la ligne de régénération (60) sur la ligne d'admission (20). 11. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications 6 à 10, 25 caractérisé en ce qu'il comporte une ligne de recirculation EGR haute pression (70) des gaz brûlés qui prend naissance dans la ligne d'échappement (40), directement en aval de la chambre de combustion (11), et qui débouche dans la ligne d'admission (20), directement en amont de la chambre de combustion (11). 12. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne (10) 30 selon l'une des revendications 6 à 11.