Brevet FR2925577A3 — publié le 20090626

FR 2925577 A3 20090626 FR 0760193 A 20071221 DISPOSITIF DE DEPOLLUTION DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE AMELIORE L'invention concerne le domaine de la dépollution des gaz d'échappement et concerne plus particulièrement un dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Les normes de dépollution deviennent de plus en plus contraignantes, notamment en abaissant sensiblement les seuils de rejet dans l'atmosphère de particules ainsi que des polluants tels que les oxydes d'azote et le monoxyde de carbone. Afin de réduire leur quantité, des moyens de post- traitement, notamment des dispositifs d'oxydation à chaud tel que des catalyseurs, et des filtres à particules, prennent place dans la ligne d'échappement afin de retenir et/ou transformer ces polluants avant qu'ils ne soient libérés dans l'atmosphère. Les filtres à particules fonctionnent alternativement suivant deux phases, une première phase pendant laquelle des particules sont piégées dans le filtre et une deuxième phase, généralement appelée régénération , pendant laquelle les particules en sont éliminées pour éviter que l'accumulation des particules n'obstruent en partie le conduit d'échappement et ne provoquent des contre-pressions à l'échappement du moteur, ce qui diminuerait ses performances. L'élimination des particules se fait généralement par une augmentation de la température interne des filtres afin d'y brûler les particules qui y sont retenues par l'apport d'un agent réducteur en amont de celui-ci et apte à provoquer une réaction exothermique. Une possibilité décrite dans l'art antérieur, -2 repose sur l'utilisation d'une petite quantité de carburant comme agent réducteur. Plus particulièrement, une petite quantité du carburant est injectée dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur pour vaporisation au contact des gaz d'échappement chauds. Les vapeurs de carburant ainsi formées s'oxydent dans le catalyseur selon une réaction chimique exotherme, la chaleur dégagée permettant d'élever la température dans le filtre pour brûler les particules. Il est nécessaire de réguler très précisément la quantité de carburant à vaporiser, afin de contrôler la température du filtre à particules aussi proche que possible d'une valeur permettant de brûler les particules, par exemple 550°C. En effet, une température trop basse ne permettrait pas de brûler les particules, et une température trop élevée conduirait à détériorer le filtre à particules, voire le dispositif d'oxydation catalytique. Généralement, cette régulation est réalisée par rapport à la mesure de la température d'entrée du filtre à particules TeFAP, mesure qui est très fluctuante, notamment en raison des turbulences présentent dans ligne d'échappement à cet endroit, qui conduit à une imprécision dans la quantité d'agent réducteur introduit dans la ligne d'échappement. L'invention vise à améliorer les dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement et notamment de proposer un dispositif de post-traitement qui surmonte les inconvénients de l'art antérieur. C'est un objet de la présente invention que de proposer un dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, apte à être placé dans une ligne d'échappement connectée audit moteur, comprenant au moins - 3 un organe de dépollution apte à brûler des polluants pour l'introduction d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement en amont de celui-ci, un capteur de température apte à évaluer la température des gaz d'échappement TeFAP en amont de l'organe de dépollution, caractérisé en ce qu'un moyen de stabilisation thermique de la température des gaz d'échappement est disposé en amont du capteur de température dans la ligne d'échappement. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de dépollution comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -le moyen de stabilisation thermique peut avoir une fonction de stabilisation des turbulences des gaz d'échappement, - le moyen de stabilisation peut comprendre des conduits débouchants, - les conduits peuvent s'étendre de façon rectiligne, sensiblement longitudinalement par rapport aux parois du conduit d'échappement dans lequel il est agencé, et peuvent avoir une section sensiblement constante entre l'entrée et la sortie, - le moyen de stabilisation peut être en sic ou cordiérite, - le capteur de température peut être disposé en amont de l'organe de dépollution apte à brûler les polluants de manière à mesurer la température des gaz d' échappement y entrant le moyen de stabilisation peut être disposé entre deux organes de dépollution, de préférence entre un dispositif d'oxydation catalytique et un filtre à particules, -4- -l'agent réducteur peut être introduit dans la ligne d'échappement par un injecteur dédié en amont des organes de dépollution , - le moyen de stabilisation thermique peut être agencé dans un conduit principal de la ligne d'échappement et une dérivation est réalisée autour de ce moyen de stabilisation thermique, l'entrée étant réalisée en amont du moyen et la sortie étant réalisée en aval de ce moyen et en amont du capteur de température de manière à ce que dans les premiers instants d'une phase de régénération, les gaz d'échappement puissent circuler dans cette dérivation jusqu'à ce que la température mesurée par le capteur approche d'une température de seuil Ts ou de consigne Tc, - la ligne d'échappement peut comprendre un conduit principal et une dérivation dans laquelle le moyen de stabilisation thermique est agencé et dont la sortie débouche dans le conduit principal en amont du capteur de température de manière à ce que dans les premiers instants d'une phase de régénération, les gaz d'échappement puissent circuler dans le conduit principal jusqu'à ce que la température TeFAP mesurée par le capteur approche d'une température seuil Ts ou d'une température de consigne Tc et en ce qu'une fois cette température Ts, Tc approchée, les gaz d'échappement puissent circuler dans la dérivation par le moyen de stabilisation thermique, - une vanne commandée de préférence par l'unité électronique de commande au moins en fonction d'un signal de temporisation et/ou d'un signal de température mesurée par le capteur de température, - 5 peut permettre de faire circuler les gaz d'échappement dans le conduit principal ou dans la dérivation. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant un tel dispositif de dépollution agencé dans sa ligne d'échappement. Un tel dispositif de dépollution comporte un moyen de stabilisation thermique qui permet de réduire des fluctuations thermiques. La température en entrée de l'organe de dépollution en aval du moyen de stabilisation thermique est plus stable au cours du temps et la régulation thermique est moins dispersée lors de différents roulages (retour au ralenti et reprise). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante des modes de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec les figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion interne et sa ligne d'échappement pourvue d'un moyen de stabilisation thermique; - la figure 2a et 2b sont respectivement une vue de trois-quarts en perspective et une vue de face d'un moyen de stabilisation thermique selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; - les figures 3a et 3b montrent des résultats de simulation de la température avant le filtre à particules en fonction du temps respectivement dans -6 une ligne d'échappement dépourvue et pourvue de moyen de stabilisation thermique ; la figure 4 montre schématiquement un moteur à combustion interne et sa ligne d'échappement pourvu de moyen de stabilisation thermique et d'une dérivation autour de ce moyen. Tel qu'illustré à la figure 1, un moteur à combustion interne 1, du type Diesel, est alimenté en air frais, selon la flèche 2, par un collecteur d'admission 3 qui amène l'air dans des chambres de combustion des cylindres du moteur 1. Des injecteurs 4 commandés par un système de commande d'injection 5 injectent du carburant dans les même chambres de combustion en vue de le mélanger à l'air qui y est admis et le réduire par combustion. Les gaz d'échappement comprenant les résidus des combustions sont recueillis par un collecteur d'échappement 6 relié aux chambres de combustion du moteur à combustion 1. Les gaz sont ensuite véhiculés par la ligne d'échappement 7 qui comprend au moins un organe de dépollution, et dans l'exemple illustré, un dispositif d'oxydation catalytique 8, et en aval de ce dernier, un filtre à particules 9. Les gaz d'échappement, après avoir traversé le dispositif d'oxydation catalytique 8, puis le filtre à particules 9, sont rejetés dans l'atmosphère selon la flèche 10. La ligne d'échappement 7 peut comporter d'autres dispositifs, et en particulier un silencieux ou au moins un autre dispositif d'oxydation catalytique placé en amont du dispositif d'oxydation catalytique 8 et en aval du collecteur d'échappement 6. Une unité de commande électronique 11 reçoit des signaux provenant de différents capteurs. En particulier, un capteur de température 1 2 est placé -7 dans la ligne d'échappement en aval du dispositif d'oxydation catalytique 8 et en amont du filtre à particules 9. Le capteur de température 12 est relié par la connexion 13 à l'unité de commande électronique 11. Deux capteurs de pression 14 et 15 sont capables de mesurer la pression régnant respectivement en amont et en aval du filtre à particules 9. Les capteurs de pression 14 et 15 sont reliés par les connexions 16 et 17 à l'unité de commande électronique 11 et permettent à celle-ci de déterminer un différentiel de pression entre l'entrée et la sortie du filtre à particules 9, indicatif du niveau de particules qui y sont piégées. L'unité de contrôle électronique 11 comprend des moyens de logiciel et de mémoire. En particulier, des moyens de mémoire 18 permettant de mémoriser les quantités nominales de carburant, et plus généralement d'un agent réducteur, à injecter pour la régénération du filtre à particules 9 en fonction des températures mesurées et des conditions d'exploitation du moteur à combustion interne. Les moyens de mémoire 18 peuvent contenir également des cartographies des différents paramètres nécessaires à la régénération du filtre à particules 9. Le module 19, schématisé à la figure 1, se trouvant à l'intérieur de l'unité de contrôle électronique 1 1 , est capable de décider s'il y a lieu de procéder à une régénération du filtre à particules 9 en fonction des mesures de pression réalisées par les capteur de pression 14 et 15. Le module 19 est également capable de gérer la durée de l'injection de carburant pour le maintien de la température élevée, par exemple de l'ordre de 550 °C, en vue de la régénération du filtre à particules 9, en fonction de la mesure de température avant le filtre à particules TeFAP relevée par le capteur de température 12. -8 L'introduction de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement 7 peut notamment être réalisée selon deux solutions différentes. Une première solution consiste à modifier les motifs d'injection pour générer des injections tardives de carburant dans la chambre de combustion pour qu'une partie de carburant passe directement dans le ligne d'échappement sans qu'il ne soit réduit par combustion. Une deuxième solution repose sur l'utilisation d'un injecteur additionnel dédié et agencé dans la ligne d'échappement de telle sorte qu'il injecte du carburant directement dans la ligne d'échappement en amont des organes de dépollution et plus particulièrement en amont du dispositif d'oxydation catalytique. Dans la suite de la description, nous décrirons un moteur 1 dont la ligne d'échappement 7 reçoit un agent réducteur au moyen d'injections tardives dans la chambre de combustion. Un signal de sortie de l'unité de commande électronique 11 est amené par la connexion 20 sur le système de commande d'injection de carburant 5. Une ou plusieurs injections de carburant tardives, ou autrement dit en retard par rapport au cycle normal du moteur, permet d'augmenter la température du filtre à particules 9 à la température nécessaire pour la régénération. La phase de régénération est commandée de la manière suivante. Lorsque l'unité de commande électronique 11 a déterminé qu'il convient d'initier une phase de régénération en fonction de la mesure de pression, en amont et en aval du filtre à particules 9, un signal est émis en direction du système de commande d'injection 5 en tenant compte de la température TeFAP mesurée par le capteur de température 12. De la fiabilité et de la précision de la mesure de la température en amont du filtre à particules 9, dépend la -9 quantité de carburant à injecter et ou bout du compte l'efficacité et l'endurance des organes de dépollution 8, 9. Un moyen de stabilisation thermique ou stabilisateur thermique 21 est disposé en amont du filtre à particule 9 et plus particulièrement en amont du capteur de température 12 et permet de réduire sinon annuler complètement les fluctuations dans la température des gaz d'échappement TeFAP avant le filtre à particules 9. Le moyen de stabilisation thermique 21 est disposé entre la sortie du dispositif d'oxydation 8 et l'entrée du filtre à particules 9. Le moyen de stabilisation thermique 21 permet de linéariser le flux des gaz d'échappement, c'est-à-dire forcer les gaz d'échappement à s'écouler sensiblement selon une génératrice du conduit d'échappement, évitant ainsi des mouvements tourbillonnaires aux abords du capteur de température 12. Le flux des gaz d'échappement passant dans la ligne d'échappement 7 est ainsi stabilisé dans son écoulement, au voisinage du capteur de température 12. A cette fin, représenté à la figure 2, le moyen de stabilisation thermique 21 comprend plusieurs conduits débouchants, de préférence s'étendant de façon rectiligne, sensiblement longitudinalement par rapport aux parois du conduit d'échappement dans lequel il est agencé, et dont la section est sensiblement constante entre l'entrée et la sortie. On veillera à utiliser un stabilisateur thermique 21 dont la géométrie ne perturbe que peu ou pas la perméabilité de la ligne d'échappement 7. Le moyen de stabilisation thermique 21 est constitué d'un moulage de plusieurs conduits de section de référence sensiblement égale à 1 mm2 (millimètre carré). Le - 10 -nombre de conduits dépend du diamètre du conduit d'échappement. On pourra faire en sorte d'utiliser un stabilisateur thermique 21 réalisé dans une matière adaptée à être utilisée comme constituant d'un filtre à particules 9, par exemple en sic ou en cordiérite. Plus particulièrement, on pourra utiliser un tronçon de filtre à particules 9 dépourvu de dispositifs de capture des particules, afin de ne pas diminuer la perméabilité de la ligne d'échappement 7. Notamment, on pourra faire en sorte d'utiliser des tronçons ou chutes de matières restantes lors de la fabrication d'un filtre à particules 9, ce qui permet d'en valoriser avantageusement une partie des déchets de fabrication. Ce moyen de stabilisation thermique 21 a une section sensiblement égale à la section de la ligne d'échappement, ce qui permet avantageusement un montage aisé, sans modification de la ligne d'échappement et sans introduire de perte de charge. Sur les figures 3a et 3b sont représentés respectivement des résultats de simulation de la température TeFAP avant le filtre à particules 9 en fonction du temps, respectivement dans une ligne d'échappement 7 dépourvue, et pourvue de moyen de stabilisation thermique 21. La comparaison de ces graphes montrent qu'en l'absence de moyen de stabilisation thermique 21, la régulation de cette température TeFAP oscille dans des proportions importante de l'ordre de plus ou moins 40°C autour d'une valeur de consigne Tc alors qu'en présente d'un tel moyen, les oscillations sont gommées. La suppression des oscillations de la température - 11 - TeFAP avant filtre à particules 9 permet de réguler la quantité de carburant introduite dans la ligne d'échappement 7 plus finement, et permet notamment d'en réduire la quantité nécessaire à la régénération du filtre 9. On remarque également en comparant ces graphes que le temps pour atteindre une température seuil Ts proche de la valeur de consigne Tc à partir de laquelle on peut considérer que la régulation autour de la température de consigne Tc peut débuter est atteinte après un temps plus long T2>T1 lorsque des moyens de stabilisation thermique 21 sont utilisés. Un deuxième mode d'exécution de l'invention est représenté à la figure 4 dans laquelle une dérivation 72 est réalisée autour du moyen de stabilisation thermique 21. L'entrée de cette dérivation 72 est réalisée en amont du moyen de stabilisation thermique 21 et la sortie étant réalisé juste en amont du capteur de température 12. Une vanne commandée 22 par l'unité électronique de commande 11 permet de diriger les gaz d'échappement dans cette dérivation 72 selon la flèche 23 au début de la phase de régénération avant que l'on ait atteint une température seuil Ts. Une fois la température seuil Ts atteinte, la vanne 22 est commandée pour que les gaz d'échappement passent à travers le moyen de stabilisation thermique 21 se situant dans le conduit principal selon la flèche 24. On peut ainsi réduire le temps de montée en température du filtre à particules 9 et ainsi limiter la quantité de carburant à introduire dans la ligne d'échappement 7 pour régénérer le filtre à particules 9. On peut faire en sorte qu'en dehors de la phase de régénération du filtre à particules 9, les gaz d'échappement passent dans la dérivation 72 selon la flèche 23 afin de limiter la perte de charge introduite dans le conduit principal par le - 12 - moyen de stabilisation thermique 21 durant la phase de régénération. Alternativement, selon un mode d'exécution non représenté, on peut faire en sorte que le moyen de stabilisation thermique soit logé dans la dérivation, de manière à ce qu'il ne soit utilisé que lorsque lors des phases de régénération, la vanne étant adaptée à ne laisser passer les gaz d'échappement dans la dérivation que lors d'une phase de régénération, de préférence une fois la température seuil Ts atteinte. Un tel dispositif de dépollution permet d'améliorer l'efficacité du filtre à particules 9 par une gestion plus précise de la température entrée filtre à particules 9. REVENDICATIONS 1) Dispositif de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1), apte à être placé dans une ligne d'échappement (7) connectée audit moteur (1), comprenant au moins un organe de dépollution (8,9) apte à brûler des polluants par introduction d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement (7) en amont de celui-ci, un capteur de température (12) apte à évaluer la température des gaz d'échappement TeFAP en amont de l'organe de dépollution (9), caractérisé en ce qu'un moyen de stabilisation thermique (21) de la température des gaz d'échappement est disposé en amont du capteur de température (12) dans la ligne d'échappement (7). 2) Dispositif de dépollution selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de stabilisation thermique (21) a une fonction de stabilisation des turbulences des gaz d'échappement. 3) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de stabilisation (21) comprend des conduits débouchants. 4) Dispositif de dépollution selon la revendication 3 caractérisé en ce que les conduits s'étendent de façon 30 rectiligne, sensiblement longitudinalement par rapport aux parois du conduit d'échappement dans lequel il est agencé, et 2925577 - 14 - ont une section sensiblement constante entre l'entrée et la sortie. 5) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de stabilisation (21) est en sic ou cordiérite. 6) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le capteur 10 de température (12) est disposé en amont de l'organe de dépollution (9) apte à brûler les polluants de manière à mesurer la température (TeFAP) des gaz d' échappement y entrant. 7) Dispositif de dépollution selon l'une des 15 revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de stabilisation (21) est disposé entre deux organes de dépollution (8,9), de préférence entre un dispositif d'oxydation catalytique (8) et un filtre à particules (9). 20 8) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'agent réducteur est introduit dans la ligne d'échappement (7) par un injecteur dédié en amont des organes de dépollution (8,9). 9) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de stabilisation thermique (21 est agencé dans un conduit principal de la ligne d'échappement (7) et une dérivation (72) est réalisée autour de ce moyen de stabilisation thermique (21), l'entrée étant réalisée en amont du moyen (21) et la sortie étant réalisée en aval de ce moyen (21) et en amont du capteur de- 15 -température (12) de manière à ce que dans les premiers instants d'une phase de régénération, les gaz d'échappement puissent circuler dans cette dérivation (72) jusqu'à ce que la température mesurée par le capteur (12) approche d'une température de seuil Ts ou de consigne Tc. 10) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la ligne d'échappement (7) comprend un conduit principal et une dérivation (72) dans laquelle le moyen de stabilisation thermique (21) est agencé et dont la sortie débouche dans le conduit principal en amont du capteur de température (12) de manière à ce que dans les premiers instants d'une phase de régénération, les gaz d'échappement puissent circuler dans le conduit principal jusqu'à ce que la température TeFAP mesurée par le capteur (12) approche d'une température seuil Ts ou d'une température de consigne Tc et en ce qu'une fois cette température Ts, Tc approchée, les gaz d'échappement puissent circuler dans la dérivation (72) par le moyen de stabilisation thermique (72). Il) Dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que une vanne (22) commandée de préférence par l'unité électronique de commande (Il) au moins en fonction d'un signal de temporisation et/ou d'un signal de température mesurée par le capteur de température (12), permet de faire circuler les gaz d'échappement dans le conduit principal ou dans la dérivation (72).30- 16 - 12) Moteur à combustion interne (1) caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de dépollution selon l'une des revendications précédentes agencé dans sa ligne d'échappement (7).5