Brevet FR2927656A3 — publié le 20090821

FR 2927656 A3 20090821 FR 0800923 A 20080220 Dispositif et procédé de régénération d'un filtre à particules La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de régénération des filtres à particules et plus particulièrement au domaine des dispositifs de régénération des filtres à particules par une post-injection dans le conduit d'échappement. Les filtres à particules sont un système de filtration utilisé pour éliminer les fines particules cancérigènes contenues dans les gaz d'échappement des moteurs. Ces filtres à particules sont formés par des nids d'abeille en céramique de sorte que le passage des gaz d'échappement à to travers les parois poreuses du filtre permet de filtrer et collecter les particules qui se trouvent en suspension dans ces gaz. Au cours du fonctionnement du moteur, l'accumulation des particules conduit à la formation d'une couche de suie sur les parois du filtre qui va augmenter la perte de charge dans le pot d'échappement et générer une perte de puissance du moteur. Une 15 régénération ou nettoyage du dispositif de filtrage devient alors indispensable. Plusieurs méthodes de régénération ont été développées. La méthode la plus courante est basée sur la combustion des suies par une élévation de la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre. Cette 20 opération nécessite alors une catalyse. Pour ce faire, un contrôle fin de la quantité et de la période d'injection de carburant permet d'envoyer une certaine quantité de carburant imbrulé dans le filtre où il va s'enflammer et élever de façon significative la température des gaz d'échappement pour activer l'oxydation des suies piégées clans le filtre. Ce contrôle fin de 25 l'injection passe par des stratégies d'injections tardives dites post-injections qui se traduisent par une injection de carburant lorsque le piston se trouve en phase de point mort bas (PMB) dans le cylindre. Toutefois, cette stratégie est néfaste pour le moteur sur le long terme, des gouttelettes de carburant peuvent se mélanger avec l'huile présente sur les parois du cylindre et passer à travers les segments du piston pour se retrouver sous la tête du piston au niveau des éléments qui entourent le vilebrequin. Pour contourner cette opération de post-injection , il est connu d'utiliser des composés catalyseur à base de cérine dans le carburant afin d'abaisser la température de combustion des suies contenues dans le filtre et ainsi faciliter la régénération du filtre à particules. En revanche, pour améliorer l'opération de post-injection , une technique consiste à ajouter un injecteur supplémentaire directement sur la ligne d'échappement du moteur pour réaliser une injection de carburant directement en amont du filtre to à particules. Un dispositif amélioré présentant cette technique est enseignée par le document W02007034097. Ce document présente ainsi un injecteur supplémentaire disposé sur la ligne d'échappement du moteur et associé à un moyen de détection du blocage de l'injecteur dans une position ouverte à partir de la pression du carburant qui alimente l'injecteur. Toutefois, il 15 convient de remarquer que l'ajout d'un injecteur supplémentaire sur la ligne échappement augmente le nombre de pièces à monter lors de l'installation du moteur et allonge la durée de construction des moteurs sur les chaînes de montage en imposant des contraintes d'espace pour l'installation du dispositif d'injection supplémentaire. 20 La présente invention a pour objet de palier un ou plusieurs inconvénients de l'art antérieur et notamment de proposer une solution qui permette de profiter des avantages du principe de régénération d'un filtre à particules par post-injection tout en conservant les qualités d'un dispositif intégrant un injecteur supplémentaire et en s'affranchissant des contraintes 25 d'espace imposées par un dispositif d'injection supplémentaire. Cet objectif est atteint grâce à un dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur situé dans la ligne échappement d'un moteur à combustion permettant une injection de carburant dans au moins un conduit d'échappement muni d'une soupape, le moteur comprenant au moins un 30 injecteur responsable de l'injection de carburant dans la chambre de combustion du moteur par au moins un conduit d'injection associé à un obturateur, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un conduit de post-injection dans la culasse du moteur faisant communiquer au moins un volume intérieur de l'injecteur responsable de l'injection de carburant dans la chambre de combustion avec au moins un conduit d'échappement, l'orifice du conduit de post-injection débouchant dans le conduit d'échappement en aval de la soupape d'échappement et en amont du filtre à particules par rapport au sens de déplacement des gaz dans le conduit d'échappement et le conduit de post-injection étant associé à un obturateur commandable du passage du carburant dans le conduit. Selon une variante de l'invention, le dispositif de régénération d'un to filtre à particules de moteur est caractérisé en ce que l'orifice du conduit post-injection qui débouche dans le conduit d'échappement se positionne en aval de la soupape d'échappement par rapport au sens de déplacement des gaz dans le conduit d'échappement et au plus prés de la soupape d'échappement pour profiter de la température plus élevée des gaz en sortie is de la chambre de combustion et permettre une meilleure diffusion et/ou vaporisation du carburant et éviter un mouillage des parois de la ligne d'échappement. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur est caractérisé en ce que le conduit post- 20 injection communique au niveau de l'injecteur responsable de l'injection de carburant dans la chambre de combustion au niveau d'un orifice d'alimentation qui débouche dans le circuit de retour de carburant de l'injecteur. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de régénération 25 d'un filtre à particules de moteur est caractérisé en ce que l'obturateur du passage de carburant dans le conduit est formé par une vanne disposée dans le conduit de post-injection et dont l'ouverture et la fermeture sont contrôlées par un dispositif de commande agissant en synchronisme avec l'ouverture de la soupape d'échappement. 30 Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur est caractérisé en ce que, l'obturation de l'orifice d'alimentation du conduit est gérée par une virole disposée radialement sur la face interne d'un conduit de l'injecteur et/ou du circuit de retour de carburant et capable de coulisser axialement ou de tourner pour ouvrir ou obturer l'orifice d'alimentation du conduit de post-injection en synchronisme avec la soupape d'échappement. s Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur est caractérisé en ce que, l'injecteur formant une protubérance dans la chambre de combustion, le conduit de post-injection comprend une portion de sa longueur disposée dans l'épaisseur de la protubérance de l'injecteur. io Un autre objectif de l'invention est de proposer un procédé qui permette la mise en oeuvre du dispositif de l'invention. Cet objectif est atteint grâce à un procédé de régénération d'un filtre à particules de moteur mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention, comprenant : 15 - une étape d'ouverture du conduit d'injection de carburant dans la chambre de combustion avec une étape d'injection de carburant dans la chambre de combustion, - une étape de fermeture du conduit d'injection de carburant dans la chambre de combustion avec un arrêt de l'injection de carburant dans la 20 chambre de combustion, - une étape d'explosion du carburant dans la chambre de combustion, une étape d'ouverture de la soupape d'échappement du moteur, caractérisé en ce que le procédé comprend : 25 - une étape d'ouverture du passage du conduit de post-injection de carburant dans le conduit d'échappement avec une injection de carburant dans le conduit d'échappement, cette étape étant réalisée concomitamment avec l'ouverture de la soupape d'échappement, une étape de diffusion et de vaporisation du carburant injecté 3o dans le conduit d'échappement du moteur, - une étape de transport du carburant injecté par les gaz d'échappement vers le filtre à particules. Selon une autre variante de l'invention, le procédé de régénération d'un filtre à particules de moteur est caractérisé en ce que le procédé comprend : - une étape de fermeture du passage du conduit de post-injection 5 de carburant dans le conduit d'échappement, et/ou - une étape de renouvellement du procédé. L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lequel : 10 - la figure 1 présente schématiquement une première variante de réalisation de l'invention selon une coupe passant par l'axe d'un injecteur et l'axe d'un conduit d'échappement, - les figures 2a et 2b présentent schématiquement une virole, respectivement fermée et ouverte, disposée radialement sur la surface 15 interne d'un conduit de l'injecteur selon une coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'injecteur, - la figure 3 présente schématiquement une seconde variante de réalisation de l'invention selon une coupe passant par l'axe d'un injecteur et l'axe d'un conduit d'échappement. 20 Le dispositif de régénération d'un filtre à particules de l'invention permet d'effectuer une injection de carburant dans un conduit d'échappement (6) du moteur. Cette injection de carburant se réalise dans le temps après l'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) par l'injecteur (1) ; on parle alors de post-injection de carburant. 25 Le moteur sur lequel le dispositif de l'invention est installé, comprend au moins un injecteur (1) disposé dans la culasse, qui assure l'injection de carburant dans une chambre de combustion (3) par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs conduits (2) qui communiquent entre la chambre de combustion (3) et le volume intérieur de l'injecteur (1). L'injection de carburant dans la 30 chambre de combustion (3) est contrôlée par une aiguille d'injection (5) dont la longueur se trouve disposée selon l'axe du volume intérieur de l'injecteur (1). Cette aiguille d'injection (5) est susceptible de réaliser un déplacement axial entre une position de fermeture et/ou d'obturation du conduit d'injection (2) de carburant dans la chambre de combustion (3) et une position laissant le conduit d'injection (2) ouvert, de sorte que l'obturation est réalisée par une surface de l'aiguille d'injection (5) qui recouvre l'orifice du conduit d'injection (8) de carburant. Selon une particularité de réalisation, l'injecteur (1) forme une protubérance qui avance dans la chambre de combustion (3) et occupe une partie du volume de la chambre de combustion (3). La chambre de io combustion (3) est en relation avec un conduit d'échappement (6) du moteur dont la communication entre la chambre (3) et le conduit (6) est contrôlée par l'ouverture et la fermeture d'une soupape (7) susceptible d'obturer l'orifice du conduit dans la chambre de combustion (3). Le dispositif de régénération du filtre à particules de l'invention 15 comprend un conduit de post-injection (8) qui permet une injection de carburant directement dans la ligne d'échappement du moteur, au niveau du conduit échappement (6). Ce conduit de post-injection (8) assure ainsi la communication entre un volume intérieur de l'injecteur (1) et le conduit d'échappement (6). Le volume intérieur de l'injecteur (1) peut correspondre à 20 un volume d'alimentation de la chambre de combustion (3), c'est-à-dire, par exemple, un conduit d'arrivée de carburant et/ou un conduit de mise en pression du carburant, mais également à un conduit du circuit de retour carburant de l'injecteur (1) qui participe à l'évacuation du carburant excédentaire lors de l'injection dans la chambre de combustion (3). 25 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le conduit de post-injection (8) débouche dans le conduit d'échappement (6), en aval de la soupape d'échappement (7) par rapport au sens de déplacement du flux des gaz d'échappement et au plus près de la soupape d'échappement (7) lorsque celle-ci referme l'orifice d'échappement du conduit (6). Ce 30 positionnement particulier de l'orifice du conduit de post-injection (8) dans le conduit d'échappement (7) permet d'améliorer la diffusion et la vaporisation du carburant injecté dans le conduit d'échappement (7) en profitant d'une part de l'arrivée du flux de gaz d'échappement dans le conduit (6) et d'autre part de la température plus élevée des gaz à la sortie de la chambre de combustion (3). Cette température plus élevée facilite la vaporisation du carburant dans le conduit d'échappement (6) et ainsi réduit le mouillage des parois du conduit (6) par dépôt de gouttelettes de carburant injecté. Selon une réalisation préférée de l'invention, le conduit de post-injection (8) est formé par un alésage disposé dans la culasse du moteur. Lorsque l'orifice du conduit de post-injection (8) débouche dans un volume intérieur de l'injecteur (1) au niveau de la protubérance dans la chambre de io combustion, ce conduit de post-injection (8) comprend au moins une portion de sa longueur qui se trouve disposée dans l'épaisseur de la protubérance. Selon une première variante de réalisation du contrôle de la post-injection de carburant dans le conduit d'échappement (6), cette post-injection est gérée par une vanne (9) disposée sur un point du conduit de post- 15 injection (8). Le fonctionnement de cette vanne (9a) est contrôlé par un dispositif de commande qui coordonne le minutage de l'ouverture de la vanne (9a) et le passage de carburant dans le conduit de post-injection (8) avec le minutage de l'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) et/ou avec le minutage de l'ouverture et/ou de la fermeture de la soupape 20 d'échappement (7) et/ou avec la rotation de l'arbre à came du moteur. Selon une seconde variante de réalisation du contrôle de la post-injection, celle-ci se réalise par l'intermédiaire d'une virole (9b) disposée radialement sur la face interne d'un des conduits de l'injecteur (1) et/ou du circuit de retour de carburant au niveau et/ou à proximité de l'orifice 25 d'alimentation du conduit de post-injection (8). Cette virole (9b) est susceptible de coulisser axialement et/ou de tourner pour ouvrir ou obturer l'orifice d'alimentation de post-injection, de façon synchronisée avec la soupape d'échappement. Pour fonctionner lors d'un d'une rotation axiale, la virole (9b) comporte également au moins un orifice qui s'aligne ou se décale iO avec l'orifice d'alimentation du conduit de post-injection (8). Le coulissement de la virole (9b) est contrôlé par un dispositif de commande, similaire à celui enseigné dans la première variante, qui coordonne l'alimentation du conduit de post-injection (8) avec le fonctionnement d'au moins un élément du moteur. Le fonctionnement du dispositif de régénération de filtre à particules de moteur s'inscrit dans le cadre d'un cycle de fonctionnement classique d'un injecteur (1) avec la chambre de combustion (3) et le conduit d'admission auquel il est associé. Un fonctionnement de ces éléments du moteur présente successivement au niveau de l'injecteur (1) : - une étape d'ouverture de l'orifice d'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) avec une étape d'injection de carburant dans la io chambre de combustion (3), - une étape de fermeture de l'orifice d'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) avec un arrêt de l'injection de carburant, puis au niveau du moteur : - une étape de combustion et d'explosion du carburant dans la 5 chambre de combustion (3), une étape d'ouverture de la soupape d'échappement (7) du moteur. Le procédé de fonctionnement du dispositif de régénération de l'invention présente, lui, une étape d'ouverture du passage du conduit de 20 post-injection (8) de carburant dans le conduit d'échappement (6), par ouverture de la vanne (9a) ou coulissement de la virole (9b) avec une injection de carburant dans le conduit d'échappement (6). Cette étape d'injection est réalisée concomitamment avec l'ouverture de la soupape d'échappement (7) de façon à permettre de profiter d'une part de 25 l'augmentation de la température du conduit d'échappement (6) lors de l'arrivée des gaz dans le conduit (6) pour faciliter la vaporisation du carburant injecter et d'autre part du flux des gaz dans le conduit (6) pour améliorer la diffusion du carburant injecté dans le conduit d'échappement et donc son transport par les gaz vers et dans le ou les filtres à particules. Une fois que le 3o carburant est injecté dans le conduit d'échappement, le conduit de post-injection (8) est refermé par la vanne (9a) ou par la virole (9b), selon le mode de réalisation du dispositif, stoppant l'injection de carburant dans le conduit d'échappement (6). Le procédé est alors renouvelé avec le renouvellement du cycle de fonctionnement du moteur. s If doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur situé dans la ligne échappement d'un moteur à combustion permettant une injection de carburant dans au moins un conduit d'échappement (6) muni d'une soupape (7), le moteur comprenant au moins un injecteur (1) responsable de l'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) du moteur par au moins un conduit d'injection (2) associé à un obturateur, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un conduit de post-injection (8) dans la culasse (4) du moteur faisant communiquer au moins un io volume intérieur de l'injecteur (1) responsable de l'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) avec au moins un conduit d'échappement (6), l'orifice du conduit de post-injection débouchant dans le conduit d'échappement (6) en aval de la soupape d'échappement (7) et en amont du filtre à particules par rapport au sens de déplacement des gaz 15 dans le conduit d'échappement (6) et le conduit de post-injection (8) étant associé à un obturateur (9) commandable du passage du carburant dans le conduit. 2. Dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice du conduit post-injection (8) 20 qui débouche dans le conduit d'échappement (6) se positionne en aval de la soupape d'échappement (7) par rapport au sens de déplacement des gaz dans le conduit d'échappement (6) et au plus prés de la soupape d'échappement (7) pour profiter de la température plus élevée des gaz en sortie de la chambre de combustion (3) et permettre une meilleure diffusion 25 et/ou vaporisation du carburant et éviter un mouillage des parois de la ligne d'échappement. 3. Dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit post-injection (8) communique au niveau de l'injecteur (1) responsable de 30 l'injection de carburant dans la chambre de combustion (3) au niveau d'un 2927656 Il orifice d'alimentation qui débouche dans le circuit de retour de carburant de l'injecteur (1). 4. Dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'obturateur (9) du 5 passage de carburant dans le conduit est formé par une vanne (9a) disposée dans le conduit de post-injection (8) et dont l'ouverture et la fermeture sont contrôlées par un dispositif de commande agissant en synchronisme avec l'ouverture de la soupape d'échappement (7). 5. Dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur selon une des io revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, l'obturation de l'orifice d'alimentation du conduit est gérée par une virole (9b) disposée radialement sur la face interne d'un conduit de l'injecteur (1) et/ou du circuit de retour de carburant et capable de coulisser axialement et/ou de tourner pour obturer l'orifice d'alimentation du conduit de post-injection (8). 15 6. Dispositif de régénération d'un filtre à particules de moteur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'injecteur (1) formant une protubérance dans la chambre de combustion (3), le conduit de post-injection (8) comprend une portion de sa longueur disposée dans l'épaisseur de la protubérance de l'injecteur (1). 20 7. Procédé de régénération d'un filtre à particules de moteur mettant en oeuvre un dispositif selon une des revendications précédentes, comprenant : - une étape d'ouverture du conduit d'injection (2) de carburant dans la chambre de combustion (3) avec une étape d'injection de carburant dans la chambre de combustion (3), 25 une étape de fermeture du conduit d'injection (2) de carburant dans la chambre de combustion (3) avec un arrêt de l'injection de carburant dans la chambre de combustion (3), une étape d'explosion du carburant dans la chambre de combustion (3), 30 une étape d'ouverture de la soupape (7) d'échappement du moteur,caractérisé en ce que le procédé comprend : une étape d'ouverture du passage du conduit de post-injection (8) de carburant dans le conduit d'échappement (6) avec une injection de carburant dans le conduit d'échappement (6), cette étape étant réalisée concomitamment avec l'ouverture de la soupape d'échappement (7), une étape de diffusion et de vaporisation du carburant injecté dans le conduit (8) de la ligne d'échappement du moteur, une étape de transport du carburant injecté par les gaz 10 d'échappement vers le filtre à particules. 8. Procédé de régénération d'un filtre à particules de moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le procédé comprend : une étape de fermeture du passage du conduit de post-injection (8) de carburant dans le conduit d'échappement (6), et 15 une étape de renouvellement du procédé.