Brevet FR2923267A1 — publié le 20090508

RENO39FR DA PJ7879 depot 1 L'invention concerne un procédé de gestion d'un moteur diesel pour véhicule automobile comprenant un dispositif de réduction des émissions polluantes à base de post- traitement des gaz d'échappement, notamment destiné à réduire l'émission dans l'environnement des oxydes d'azotes. Elle concerne aussi un dispositif mettant en oeuvre ce procédé ainsi qu'un véhicule automobile en tant que tel équipé d'un tel dispositif à réduction des émissions polluantes d'un moteur diesel. II est connu de l'état de la technique d'équiper la ligne d'échappement d'un véhicule automobile à moteur diesel par un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement destiné à réduire l'émission dans l'environnement des oxydes d'azotes NOx résultant du fonctionnement normal du moteur. Pour cela, il existe un premier dispositif classiquement appelé piège à oxydes d'azote, ou encore par sa dénomination anglo-saxonne "NOx trap", expression qui sera utilisée par la suite, composé par exemple de sulfate de baryum destiné à absorber les oxydes d'azotes NOx. Dans cette configuration, le mode de fonctionnement d'un moteur diesel peut être séparé en deux modes : - un premier mode dit � d'injection normale � durant lequel son fonctionnement est optimisé pour obtenir sa meilleure performance possible, notamment en ce qui concerne la combustion. Dans ce mode de fonctionnement normal du moteur, le fonctionnement du NOx-Trap permet de piéger certains gaz dangereux inévitablement produits ; - un second mode dit � de régénération � qui consiste à purger le NOx-Trap, c'est-à-dire à éliminer les oxydes d'azote NOx et les oxydes de soufre SOx qu'il a stockés durant le premier mode d'injection normale. Ce mode est obtenu en basculant momentanément le fonctionnement du moteur d'une injection de mélange pauvre vers une injection d'un mélange RENO39FR DA PJ7879 depot 2 riche pour produire en sortie de combustion des réducteurs, comme par exemple les éléments HC et CO, destinés ensuite à réduire les oxydes d'azote NOx de leur piège NOx-Trap lors de leur passage dans ce dispositif. La figure 1 illustre schématiquement un dispositif de l'état de la technique, qui comprend un moteur diesel 1 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 seconde 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, 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. Pour que le second mode de fonctionnement du moteur, le mode de régénération du Nox Trap, soit le plus efficace possible, certaines conditions doivent être remplies. D'abord, le taux d'oxygène 02 contenu dans les gaz d'échappement doit être compris entre 1 et 2%. En effet, la présence d'oxygène va permettre d'oxyder dans le catalyseur d'oxydation 11 les réducteurs HC imbrûlés et le monoxyde de carbone CO présents à l'échappement 6, générant ainsi une réaction exothermique, dont la 25 taux d'EGR = débit d'EGR RENO39FR DA PJ7879 depot 3 chaleur produite induit le réchauffement de ces gaz à l'entrée du NOxTrap 12, permettant l'amorçage de réactions de purge des éléments NOx et SOx. Si le taux d'oxygène est inférieur à 1%, la réaction exothermique n'est pas assez intense et ne permet pas la purge des NOx. Si ce taux est supérieur à 2%, une partie de l'oxygène va rester présente en sortie du catalyseur 11 et donc en entrée du NOx-Trap 12. Dans cette situation, la réduction des oxydes d'azote et de souffre va être moins efficace car il y aura aussi la présence de cet oxygène superflu qui réagira avec les réducteurs et interviendra alors en concurrence avec la réduction des oxydes à éliminer. Ensuite, les taux des éléments réducteurs HC/CO à l'échappement 6 doivent être suffisamment élevés (>1000ppm), d'une part pour que l'oxygène puisse oxyder ces réducteurs HC/CO dans le catalyseur 11 et générer un exotherme suffisant à la purge et d'autre part pour que la présence des réducteurs HC/CO soit en excès par rapport à l'oxydant, afin de pouvoir réduire les oxydes d'azote et de souffre NOx et SOx. Autant que possible, il serait avantageux d'avoir plus d'oxyde de carbone CO que d'hydrocarbure HC, car la réduction des NOx par le CO est plus efficace. Ainsi, pour atteindre les conditions nécessaires à la purge des NOx (faible taux d'O2 et présence d'HC/CO en quantité suffisante), le dispositif comprend une vanne d'admission 14 dans la ligne d'admission, apte à réduire le débit d'air d'admission dans le mode de régénération, durant laquelle il faut noter que les taux d'EGR utilisés sont faibles, de l'ordre de 10 à 15%. Le taux d'EGR est défini comme le rapport du débit d'EGR sur la somme des débits d'air et d'EGR : Cette solution présente l'inconvénient de conduire à une forte dégradation du rendement du moteur dans le mode de régénération. débit d'EGR + débit d'air RENO39FR DA PJ7879 depot 4 De plus, dans le but d'optimiser le mode de régénération, une ou plusieurs � post-injections � sous faible pression rail, de 600 à 1000 bar, sont réalisées très tard dans le cycle, loin après le point mort haut (PMH), afin d'augmenter la quantité d'hydrocarbures HC présents à l'échappement. Ces injections présentent l'inconvénient de conduire à une forte augmentation de la dilution du carburant dans l'huile, située sur les parois du cylindre, et donc à une diminution de l'intervalle de vidange, voire à une dégradation du moteur. Dans ces stratégies classiques avec post-injections, la réponse à ce problème de taux de dilution du carburant dans l'huile consiste à limiter le phasage, c'est à dire le retard de la ou les post-injection(s) effectuée(s) après le point mort haut, et à limiter le débit des post-injections. Cette approche présente toutefois l'inconvénient d'induire des niveaux de fumées non optimisés, ceux-ci étant plus faibles quand le phasage et les débits sont plus importants. Le document FR2880070 illustre une solution particulière dans laquelle deux injections sont effectuées de part et d'autre du point mort haut � combustion �. Cette solution ne permet toutefois pas d'atteindre un taux d'oxygène inférieur à 2% et n'est pas satisfaisante. Outre les problèmes techniques mentionnés précédemment, d'autres solutions ont rencontré de fortes variations des paramètres de sortie du moteur, induisant d'autres inconvénients comme des bouffées de fumées ou un bruit de combustion important. Suite aux éléments précédents, il existe donc un besoin d'améliorer le fonctionnement des moteurs diesel, comprenant un dispositif réduisant au RENO39FR DA PJ7879 depot 5 maximum la dépollution des gaz d'échappement, sans entraîner les inconvénients des solutions existantes. L'objet de l'invention est donc d'améliorer le dispositif anti-pollution d'un 5 moteur diesel en perturbant un minimum le fonctionnement du moteur. Selon l'invention, le procédé de gestion de l'injection dans un moteur diesel dans le mode de régénération d'un NOx-Trap est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 10 -utilisation d'un taux de recirculation EGR élevé, supérieur ou égal à 40%, (le taux de recirculation EGR étant défini comme le rapport du débit d'EGR sur la somme des débits d'air et d'EGR) ; -multi-injections de carburant sous forte pression rail, phasées à proximité du point mort haut (PMH). 15 La recirculation peut être une recirculation d'EGR basse pression. La multi-injections de carburants peut être sous forte pression rail comprise entre 1400 et 1800 bar. Le phasage des injections peut être à des angles vilebrequin variant de - 40° à +20° en fonction de la charge et du régime moteur. La multi-injections de carburants peut comprendre entre 2 et 4 injections. A faible charge, quatre injections peuvent être appliquées pour obtenir un taux d'oxygène inférieur à 2%. Selon l'invention, un dispositif de réduction des émissions polluantes d'un 30 moteur diesel, comprend au moins une voie de recirculation des gaz 20 25 RENO39FR DA PJ7879 depot 6 d'échappement et un NOx-Trap, et une vanne d'échappement pour régler la quantité de gaz basse pression à recirculer. II est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour mettre en oeuvre le procédé de gestion de l'injection défini précédemment. Selon l'invention, un véhicule automobile comprend un dispositif mettant en oeuvre le procédé défini précédemment. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront 10 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 : La figure 1 représente schématiquement un dispositif selon l'état de la 15 technique ; la figure 2 représente des courbes illustrant le procédé d'injection pour moteur diesel selon un mode d'exécution de l'invention ; les figures 3a à 3d illustrent des exécutions du procédé de l'invention dans des configurations différentes. 20 L'invention repose sur un nouveau procédé de gestion de l'injection dans un moteur diesel dans le mode de régénération d'un NOx-Trap. Ce procédé d'injection repose sur la combinaison de deux étapes 25 essentielles : - utilisation d'un taux de recirculation EGR élevé, supérieur ou égal à 40%. Avantageusement, il s'agira du taux EGR basse pression ; - multi-injections de carburants, entre 2 et 4 injections, sous forte pression rail, comprise entre 1400 et 1800 bar, phasées à proximité du 30 point mort haut PMH, tel qu'illustré sur la figure 2 à titre d'exemple.5 RENO39FR DA PJ7879 depot 7 Avantageusement, cette proximité pourra être à des angles vilebrequin variant de -40° à +20° en fonction de la charge et du régime moteur. Le fort taux d'EGR défini ci-dessus permet d'éviter l'utilisation de la vanne d'admission 14 obligatoire dans l'état de la technique : le dispositif de la figure 1 est ainsi simplifié et la solution évite les inconvénients induits par cette vanne dans l'état de la technique, notamment les surconsommations excessives. De plus, l'étape de multi-injections, définie ci-dessus et combinée avec ce taux d'EGR élevé, permet d'atteindre les niveaux de HC/CO recherchés et d'éviter la dilution du carburant dans l'huile des post-injections. Le nombre d'injections et leur phasage sera adapté aux situations de fonctionnement du moteur. Par exemple, à faible charge, quatre injections sont avantageuses pour obtenir un taux d'oxygène 02 inférieur à 2%. En effet, au delà d'une certaine richesse, le carburant supplémentaire injecté ne participe plus à la combustion quelque soit le phasage des injections et le surplus de carburant se retrouve alors à l'échappement sous forme d'HC imbrûlés. Le tableau suivant illustre à titre d'exemple les résultats obtenus par l'application du procédé dans quatre configurations différentes, comparés avec le fonctionnement en mode normal du moteur pour réaliser l'impact important obtenu par le procédé selon l'invention. Dans le premier cas de fonctionnement du moteur à 1750 tours/min et 4,1 bar de PMI, une application du procédé avec deux et quatre injections a été réalisée. Le taux d'oxygène minimum obtenu s'élève à 1,7%. Dans les deux cas suivants à plus forte charge, respectivement 1750 tours/min et 6,8 bars de PMI et 2500 tours/min et 9,9 bars de PMI, des taux d'oxygène RENO39FR DA PJ7879 depot 8 beaucoup plus faibles sont atteints. Tous les autres paramètres sont conformes aux résultats recherchés. Le procédé selon l'invention permet ainsi d'atteindre les objets recherchés dans toutes les configurations de fonctionnement du moteur. Les figures 3a à 3d illustrent le dégagement d'énergie obtenu respectivement dans les quatre configurations de fonctionnement présentées ci-dessus. Sur ces schémas, les courbes 20 et 20' illustrent respectivement les injections réalisées dans le mode normal et le mode de régénération du moteur, et les courbes 21 et 21' les dégagements d'énergie dans ces deux mêmes modes. 02 HC CO Fumées NOx CSI Bruit TEGR2 Rich Modes [%] [ppm] [ppm] [fsnl [ppm] [g/kW.h] [dB] [%] [-1 Injection 8.2 1060 2180 0.3 32 229 82 38 0.63 Normale 1750rpm Régénération 4.1 bar PMI invention avec 2.1 5910 42960 1.0 3 262 87 54 1.09 2 inj. Régénération 1.7 10080 60230 1.0 3 281 82 57 1.18 invention 4inj. 1750rpm Injection 6.6 340 810 1.5 68 207 84 34 0.70 Normale 6.8bar PMI Régénération 1.3 3830 40260 1.7 7 261 83 45 1.09 invention 2500rpm Injection 5.5 140 570 3.6 200 222 86 20 0.75 Normale 9.9bar PMI Régénération 1.3 790 13690 3.6 14 250 86 37 0.99 invention Revendications 1. Procédé de gestion de l'injection dans un moteur diesel dans le mode de régénération d'un NOx-Trap, caractérisé en ce qu'il comprend les 5 étapes suivantes : - utilisation d'un taux de recirculation EGR élevé, supérieur ou égal à 40%, (le taux de recirculation EGR étant défini comme le rapport du débit d'EGR sur la somme des débits d'air et d'EGR) ; -multi-injections de carburant sous forte pression rail, phasées à 10 proximité du point mort haut (PMH). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la recirculation est une recirculation d'EGR basse pression (10). 15 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la multiinjections de carburants est sous forte pression rail comprise entre 1400 et 1800 bar. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 20 que le phasage des injections est à des angles vilebrequin variant de -40° à +20° en fonction de la charge et du régime moteur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la multi-injections de carburants comprend entre 2 et 4 injections. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'à faible charge, quatre injections sont appliquées pour obtenir un taux d'oxygène (02) inférieur à 2%. 30 7. Dispositif de réduction des émissions polluantes d'un moteur diesel (1), comprenant au moins une voie de recirculation (10) des gaz 25 d'échappement (EGR) et un NOx-Trap (12), et une vanne d'échappement (7) pour régler la quantité de gaz basse pression à recirculer, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour mettre en oeuvre le procédé de gestion de l'injection dans le moteur diesel (1) pour régénérer le NOx-Trap (12) selon une des revendications précédentes. 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de réduction des émissions polluantes d'un moteur diesel (1) selon la revendication précédente.10