Brevet FR2923531A1 — publié le 20090515

RENI046FR PJ8037 IA dépôt DA 1 L'invention concerne un procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur d'un véhicule automobile, notamment basé sur la gestion particulière d'un filtre à particules. Elle concerne aussi un dispositif mettant en oeuvre ce procédé ainsi qu'un véhicule automobile en tant que tel équipé d'un tel dispositif. Malgré l'optimisation du fonctionnement des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement des moteurs de type diesel, les moteurs génèrent un premier type d'émission polluante consistant en l'émission de particules polluantes qui sont constituées de suies produites lors de la combustion imparfaite dans le moteur. Selon l'état de la technique, il est connu de piéger ces particules présentes dans les gaz d'échappement par l'implantation d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement en aval des chambres de combustion du moteur. Un tel filtre est conçu de façon à pouvoir retenir les particules se trouvant dans les gaz d'échappement qui traversent le filtre. Au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre-pression importante à l'échappement du moteur, ainsi qu'une augmentation de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, ce qui diminue considérablement les performances du moteur. Afin de rétablir les performances du moteur, on pratique une régénération du filtre à particules par combustion des particules qui s'y sont accumulées. Cette opération de combustion est rendue possible par une élévation de la température interne du filtre à particules par augmentation de la thermique des gaz d'échappement. Pour ce faire, on procède généralement à une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant juste après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet RENI046FR PJ8037 IA dépôt DA 2 d'augmenter la température des gaz à l'échappement. Le filtre à particules est généralement associé à un dispositif catalyseur monté en amont du filtre, de façon à diminuer les émissions polluantes. Le dispositif catalytique peut être intégré dans le filtre à particules lui-même, qui peut alors comprendre un matériau catalytique, tel que du platine. Les hydrocarbures imbrûlés et l'oxyde de carbone provenant des injections retardées et des injections tardives dans les chambres de combustion peuvent s'oxyder sur le matériau catalytique en augmentant la température au sein du filtre à particules. Ainsi, classiquement, les filtres à particules fonctionnent donc de manière périodique, en deux phases. Lors d'une première phase, le filtre stocke des particules émises par le moteur, et lors d'une deuxième phase, les particules stockées dans le filtre sont brûlées afin de régénérer le filtre. Dans l'état de la technique, la régénération du filtre à particules se fait périodiquement dès que la masse de particules dans le filtre devient trop importante. Cette régénération est déclenchée automatiquement, alors que le moteur fonctionne, sans que le conducteur du véhicule en ait conscience. Cette gestion des filtres à particules repose sur des systèmes d'estimation de la quantité massique de particules présentes dans le filtre à particules à partir de la contre-pression à l'échappement ou à partir de la différence de pression, appelée également pression différentielle, aux bornes du filtres à particules, et à partir de modèles de fonctionnement du filtre. Dès que l'estimation de la masse de particules dépasse une valeur seuil prédéfinie, la régénération est déclenchée. Les documents FR2781251 et EP1281843 illustrent certaines solutions de l'état de la technique pour déterminer la quantité de particules du filtre. Dans l'état de la technique, la régénération est programmée pour entraîner idéalement la disparition de toutes les particules accumulées dans le filtre, et en tout cas REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 3 au moins 80% de ces particules, en choisissant par exemple un temps de régénération suffisant pour brûler cette quantité maximale recherchée. Le filtre à particules de l'état de la technique est donc géré de sorte de fonctionner selon le schéma de la figure 1, dans lequel la masse m de particules est accumulée progressivement dans une première phase a de fonctionnement normal du moteur, jusqu'à une valeur maximale mmax avant d'être intégralement brûlée, dans une phase b de régénération, pour repartir vers un nouveau cycle a identique à partir d'un filtre vierge. Un second type d'émissions polluantes des moteurs diesel consiste en l'émission d'oxydes d'azote (NOx). La figure 2 illustre schématiquement un dispositif courant de l'état de la technique adapté pour réduire ces émissions polluantes. Sur cette figure, un moteur diesel 1 est alimenté en air par une entrée 2, un compresseur 3, un échangeur 4 puis une admission moteur 5. Pour diminuer l'émission en NOx des gaz d'échappement sortant sur l'échappement 6 du véhicule, une solution, connue sous la dénomination anglo-saxonne d'EGR (Exhaust Gaz Recirculation) haute pression, consiste en une recirculation 8 des gaz d'échappement en sortie du moteur, traversant un échangeur 9 avant de rejoindre l'admission moteur 5. Cette recirculation haute pression est en général associée avec une autre recirculation, connue sous sa dénomination d'EGR basse pression, qui consiste en une recirculation 10 d'une partie des gaz d'échappement récupérés vers la sortie du véhicule, après leur passage par différents dispositifs de traitements, un catalyseur 11, un NOx-Trap 12, un filtre à particules 13 tel que décrit précédemment, avant leur réadmission à l'entrée du compresseur 3. Une vanne d'échappement 7 permet de régler la quantité de gaz basse pression à recirculer. REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 4 Le couplage des deux solutions anti-pollution présentées ci-dessus, EGR et filtre à particules, est notamment illustré par le document WO2006008600. Un inconvénient d'un tel dispositif provient du fait qu'après la régénération du filtre à particules, il est constaté que le filtre laisse passer les particules pendant environ 10 minutes. Une partie de ces particules recircule par le système EGR basse pression vers le compresseur et la ligne d'admission. L'accumulation de ces courtes périodes de passage des particules risque d'entraîner à long terme une défaillance du compresseur et en tous cas un encrassement néfaste de toute la ligne d'admission. Une autre partie des particules est rejetée dans l'atmosphère. La gestion actuelle du filtre à particules est donc insatisfaisante, et notamment particulièrement incompatible avec les situations de combinaison du filtre à particules avec un dispositif EGR. L'objet de l'invention est donc d'améliorer la gestion du traitement antipollution des moteurs, particulièrement les moteurs diesel. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un procédé de gestion d'un filtre à particules comprenant une phase de fonctionnement normal dans lequel le filtre accumule les particules de suies des gaz d'échappement jusqu'à une valeur maximale prédéfinie et une phase de régénération durant laquelle les particules accumulées sont brûlées pour régénérer le filtre, caractérisé en ce que la phase de régénération consiste à toujours effectuer une régénération partielle afin de conserver une masse résiduelle minimale de particules dans le filtre à particules de sorte que ce dernier remplisse toujours la fonction de filtrage des particules même aux instants immédiats après la phase de régénération.30 REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 5 Selon un mode d'exécution, la phase de régénération consiste à ne jamais éliminer plus de 80% des particules accumulées. Selon un mode d'exécution, le procédé peut comprendre une phase préalable de calibrage du filtre à particules pour déterminer la masse minimale de particules présentes dans le filtre à particules à partir de laquelle le filtre à particules permet le filtrage d'au moins 99% des particules. Le procédé de diminution des émissions polluantes peut comprendre l'estimation de la masse régénérée à partir d'un modèle de combustion, ce modèle permettant la déduction du temps de régénération nécessaire. Selon un mode d'exécution, le procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile comprend de plus une recirculation basse pression de gaz d'échappement en aval du filtre à particules. L'invention porte aussi sur un dispositif de diminution de la pollution d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un filtre à particules et une unité de gestion de ce filtre à particules, apte à la gestion du fonctionnement du filtre à particules selon deux phases, une première phase durant laquelle le filtre stocke des particules émises par le moteur jusqu'à une valeur maximale prédéfinie, et une deuxième phase de régénération durant laquelle les particules stockées dans le filtre sont brûlées afin de régénérer le filtre, caractérisé en ce que l'unité de gestion du filtre à particules comprend un calculateur apte à limiter la phase de régénération de sorte de toujours conserver une masse résiduelle prédéfinie de particules dans le filtre à particules.30 REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 6 Selon un mode d'exécution, le filtre à particules utilise au moins un matériau poreux à faible inertie thermique de type cordiérite. Selon un mode d'exécution, le dispositif peut comprendre un système 5 d'injection à l'échappement pour limiter la dilution de l'huile, et disposé proche de la sortie turbine pour limiter les pertes thermiques. Le dispositif de diminution de la pollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile peut de plus comprendre un circuit de recirculation 10 EGR basse pression des gaz d'échappement entre la zone aval du filtre à particules et un compresseur. Enfin, l'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un dispositif tel que décrit précédemment. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 20 la figure 1 représente les cycles de fonctionnement d'un filtre à particules selon l'état de la technique ; la figure 2 représente un dispositif anti-pollution d'un moteur utilisant la combinaison d'un filtre à particules avec un dispositif EGR ; 25 la figure 3 représente schématiquement les cycles de fonctionnement d'un filtre à particules selon un mode d'exécution de l'invention. La figure 3 illustre le concept de l'invention, selon lequel les phases de régénération b' d'un filtre à particules sont volontairement partielles, de 15 REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 7 manière à toujours laisser une quantité de masse minimale résiduelle prédéfinie mmin dans le filtre à particules. En appliquant un tel principe de fonctionnement, on note que pour une valeur résiduelle de masse suffisante mmin, le filtre conserve sa capacité de filtration après la phase de régénération b'. Ainsi, avec un tel fonctionnement, le filtre à particules remplit à tout moment sa fonction de filtrage, même en début de cycle a', contrairement à l'état de la technique, ce qui évite par exemple la pollution d'un circuit EGR basse pression associé et en tous cas le rejet dans l'atmosphère de particules. Pour cela, le dispositif selon l'invention peut être similaire à celui de la figure 2 de l'état de la technique, comprenant les mêmes dispositifs représentés, mais étant gérés différemment par un calculateur non représenté qui met en oeuvre le procédé selon l'invention. Ce procédé comprend notamment l'étape consistant à stopper la phase de régénération dès qu'une masse de suies minimale mmin est atteinte. Pour cela, le calcul de la masse dans le filtre à particules peut être basé sur les informations fournies par un modèle de combustion intégré au calculateur semblable à ceux existants dans l'état de la technique. A titre d'exemple, cette masse résiduelle peut être considérée satisfaisante en brûlant moins de 80% de la masse de suies accumulée. Le modèle de combustion utilisé permet de déduire un temps de régénération nécessaire. La masse résiduelle mmin sera adaptée en fonction des dispositifs précis. Des mesures empiriques pourront être réalisées afin de détecter les particules traversant le filtre à particules en fonction du temps, ce qui permettra de calibrer la masse résiduelle minimale à définir pour remplir la REN046FR PJ8037 IA dépôt DA 8 fonction technique de filtrage des particules. On la définira par exemple comme la masse minimale de particules permettant le filtrage d'au moins 99% des particules. Cette masse minimale mmin dépend notamment du matériau utilisé pour le filtre à particules, du réglage des paramètres de la régénération comme la température. Toutefois, le principe selon l'invention est particulièrement utile aux filtres à particules utilisant des matériaux poreux, de type cordiérite par exemple, qui laissent davantage passer les particules. Le fait d'effectuer des régénérations partielles conduit à effectuer davantage de régénérations plus courtes. Cette situation augmente les risques de surconsommation du moteur et de dilution d'huile. Pour limiter cet impact, il est possible de choisir un filtre à particules disposant d'un temps de chauffe réduit, par exemple en utilisant des petits volumes de filtres à particules et des matériaux de type Cordiérite à faible inertie thermique. Il est possible d'utiliser un filtre à particules couplé avec un système d'injection à l'échappement pour limiter la dilution de l'huile, et disposé proche de la sortie turbine pour limiter les pertes thermiques. Cette invention est destinée à contrôler le chargement en particules d'un filtre à particules qui peut être implanté sur tous les véhicules à moteur essence ou diesel. De plus, elle est compatible avec tout autre dispositif anti-pollution tel que par exemple l'EGR, un Nox Trap...25 Revendications 1. Procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un procédé de gestion d'un filtre à particules comprenant une phase de fonctionnement normal dans lequel le filtre accumule les particules de suies des gaz d'échappement jusqu'à une valeur maximale (mmax) prédéfinie et une phase de régénération durant laquelle les particules accumulées sont brûlées pour régénérer le filtre, caractérisé en ce que la phase de régénération consiste à toujours effectuer une régénération partielle afin de conserver une masse résiduelle minimale (mmin) de particules dans le filtre à particules de sorte que ce dernier remplisse toujours la fonction de filtrage des particules même aux instants immédiats après la phase de régénération. 2. Procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de régénération consiste à ne jamais éliminer plus de 80% des particules accumulées. 3. Procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une phase préalable de calibrage du filtre à particules pour déterminer la masse minimale (mmin) de particules présentes dans le filtre à particules à partir de laquelle le filtre à particules permet le filtrage d'au moins 99% des particules. 4. Procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend l'estimation de la masse régénérée à partir d'un modèle de combustion, ce modèle permettant la déduction du temps de régénération nécessaire.o 5. Procédé de diminution des émissions polluantes d'un moteur de véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une recirculation basse pression de gaz d'échappement en aval du filtre à particules. 6. Dispositif de diminution de la pollution d'un moteur de véhicule automobile, comprenant un filtre à particules et une unité de gestion de ce filtre à particules, apte à la gestion du fonctionnement du filtre à particules selon deux phases, une première phase durant laquelle le filtre stocke des particules émises par le moteur jusqu'à une valeur maximale (mmax) prédéfinie, et une deuxième phase de régénération durant laquelle les particules stockées dans le filtre sont brûlées afin de régénérer le filtre, caractérisé en ce que l'unité de gestion du filtre à particules comprend un calculateur apte à limiter la phase de régénération de sorte de toujours conserver une masse résiduelle prédéfinie (mmin) de particules dans le filtre à particules. 7. Dispositif de diminution de la pollution d'un moteur de véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le filtre à particules utilise au moins un matériau poreux à faible inertie thermique de type cordiérite. 8. Dispositif de diminution de la pollution d'un moteur de véhicule automobile selon l'une des revendications 6 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'injection à l'échappement pour limiter la dilution de l'huile, et est disposé proche de la sortie turbine pour limiter les pertes thermiques. 9. Dispositif de diminution de la pollution d'un moteur de véhicule automobile selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'ilcomprend un circuit de recirculation EGR basse pression (10) des gaz d'échappement entre la zone aval du filtre à particules et un compresseur (3). 10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une des revendications 6 à 9.