Brevet FR2925581A1 — publié le 20090626

DEMANDE DE BREVET B07-3466FR - AxC/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système et procédé d'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne Invention de : CARRE Bertrand GUILLAT Samuel VAN DEN BERGHE Véran VIOLO Gino Système et procédé d'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne La présente invention se situe dans le domaine des moteurs à combustion interne et en particulier des moteurs de type Diesel équipés d'un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur. L'invention concerne plus particulièrement le système de régénération d'un tel filtre à particules, c'est-à-dire le système qui permet d'éliminer les particules de suie qui ont été piégées dans le filtre au fur et à mesure du passage des gaz d'échappement à travers le filtre. Pour éliminer les particules de suie ainsi piégées par un tel filtre à particules, on peut procéder par injection de carburant dans la conduite d'échappement du moteur, en amont d'un dispositif catalytique. Il est ainsi possible d'obtenir une importante augmentation de température, par oxydation du carburant vaporisé dans l'écoulement des gaz d'échappement et traversant le dispositif d'oxydation. Une telle réaction d'oxydation est en effet fortement exothermique, ce qui entraîne une augmentation de température des gaz d'échappement à la sortie du dispositif catalytique jusqu'à un niveau de température suffisamment élevé pour pouvoir éliminer par combustion les particules de suie qui ont été stockées dans le filtre à particules monté en aval du dispositif catalytique dans la ligne d'échappement. L'injection de carburant peut être effectuée directement dans la ligne d'échappement à proximité du dispositif catalytique d'oxydation. Elle peut également être effectuée en amont d'une turbine lorsque le moteur est équipé d'un turbocompresseur de suralimentation, les gaz d'échappement traversant la turbine de façon à y céder une partie de leur énergie et entraîner ainsi en rotation le compresseur destiné à élever la pression des gaz admis dans le moteur. On notera que le dispositif catalytique permettant l'augmentation de la température à la suite de l'injection de carburant dans la ligne d'échappement, peut être disposé à proximité immédiate du filtre à particules ou au contraire être séparé de celui-ci le long de la ligne d'échappement. L'injecteur de carburant est un système électromécanique qui, soumis à une différence de pression entre l'amont et l'aval, permet de doser une quantité de carburant déterminée à partir d'une commande électrique. Pour garantir une bonne maîtrise du volume de carburant injecté pour une commande électrique donnée, il est nécessaire de garantir une bonne stabilité de la différence de pression instantanée aux bornes d'un injecteur. L'évolution de la pression instantanée dépend des caractéristiques du moteur (cylindrée, géométrie des conduits d'échappement, caractéristiques de la turbine etc.) et du point de fonctionnement (régime de rotation, charge etc.). De plus, l'évolution de la pression instantanée dépend également des caractéristiques du circuit d'alimentation en carburant de l'injecteur. En règle générale, le système d'injection comprend une pompe hydraulique, associée à un dispositif limiteur de pression, qui a pour objet de garantir une pression de tarage fixe quel que soit le débit consommé par le dispositif d'injection, ainsi que par d'autres applications éventuelles et en particulier l'injection de carburant dans les cylindres du moteur. La demande de brevet européen 1 211 396 (Toyota) décrit un système d'alimentation en carburant pour un injecteur monté en amont de la turbine du turbocompresseur, dans un moteur à combustion interne suralimenté. Le système d'alimentation comprend une vanne de commande qui peut être ouverte lors des phases de régénération d'un filtre à particules. De plus, une vanne d'arrêt de sécurité est placée en aval de la pompe d'alimentation afin de couper l'alimentation si une perte de carburant est détectée, indiquant ainsi un dysfonctionnement de l'injecteur susceptible de détériorer le dispositif catalytique et le filtre à particules par une augmentation de température trop importante. La présente invention a pour objet d'améliorer la stabilité de la pression instantanée d'alimentation de l'injecteur de carburant au cours de l'injection. L'invention a également pour objet de maintenir la pression d'alimentation de l'injecteur quelle que soit la demande de débit d'injection. L'invention a également pour objet d'éviter que l'injection de carburant dans la ligne d'échappement ne perturbe l'alimentation en carburant du moteur à combustion interne lui-même, par exemple en amplifiant sur certains modes, les oscillations de pression. Enfin, l'invention a également pour objet de préserver les dispositifs de post-traitement tels que catalyseur d'oxydation et filtre à particules, montés dans la ligne d'échappement en évitant qu'un débit de carburant trop important ait pour conséquence une augmentation exagérée de la température qui pourrait détériorer ces organes en cas de défaillance de l'injecteur. Dans un mode de réalisation, un système d'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne, en vue d'une élévation de température dans un dispositif de traitement catalytique des gaz d'échappement, comprend une pompe d'alimentation et un injecteur relié à la pompe par une conduite d'alimentation. Le système comprend, entre la pompe et l'injecteur, au moins un élément hydraulique résistif et au moins un élément hydraulique capacitif, monté en aval de l'élément résistif. On applique ainsi une filtration de premier ordre entre les oscillations de pression en entrée du système et les oscillations de pression en amont de l'injecteur De préférence, un élément résistif est constitué par une restriction placée dans la conduite d'alimentation en amont de tout autre élément résistif ou capacitif. Dans un mode de réalisation, un élément capacitif est constitué par un volume additionnel capable de contenir un volume de carburant, placé dans la conduite d'alimentation. Dans un mode de réalisation, un élément capacitif est constitué par un accumulateur pneumatique ou mécanique. Un autre élément capacitif peut être constitué par un régulateur de pression piloté mécaniquement. Un autre élément capacitif peut être constitué par un régulateur de débit piloté mécaniquement en pression. Les différents éléments résistifs et capacitifs sont de préférence montés en série sur la conduite d'alimentation. Dans un mode de réalisation avantageux, le système d'injection comprend en outre un dispositif limiteur de débit monté dans la conduite d'alimentation de façon à éviter qu'une défaillance de l'injecteur, conduisant à un débit de carburant injecté trop important, n'entraîne une détérioration du dispositif de traitement catalytique des gaz d'échappement placé en aval de l'injecteur. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé d'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne, en vue d'une élévation de température dans un dispositif de traitement catalytique des gaz d'échappement, dans lequel on utilise un système d'alimentation en carburant pour un injecteur et on applique une filtration de premier ordre à un système de régulation ayant comme entrées, la pression en amont du système d'alimentation et le débit de carburant injecté et comme sorties, le débit de carburant alimentant le système d'alimentation et la pression d'alimentation de l'injecteur. On peut, par exemple, utiliser au moins un élément hydraulique résistif et au moins un élément hydraulique capacitif, monté en aval de l'élément résistif. On choisit les dimensions des éléments résistifs et capacitifs de façon à obtenir le niveau de filtration désiré et à diminuer les variations locales de pression lors de l'injection. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier décrit à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation d'une architecture pour un système selon l'invention ; et - la figure 2 illustre le principe du mode d'action du système selon l'invention. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, très schématiquement, un système d'injection de carburant comprend une pompe d'alimentation 1 et un injecteur 2 relié à la pompe 1 par une conduite d'alimentation 3. La pompe d'alimentation 1 permet également d'alimenter en carburant, le dispositif d'injection associé aux cylindres du moteur à combustion non illustré sur la figure, par une conduite d'alimentation 4. La pompe 1 aspire le carburant par une conduite 5 à partir d'un réservoir 6. L'entraînement de la pompe d'alimentation 1 peut être quelconque. La pompe peut être une pompe dédiée exclusivement à l'alimentation de l'injecteur 2 ou au contraire, servir à la fois, comme illustré sur la figure 1, à alimenter les injecteurs du moteur à combustion par la conduite 4 et l'injecteur 2 par la conduite 3. Un dispositif limiteur de pression 7 est monté sur la conduite de sortie 8 de la pompe d'alimentation 1 de façon à maintenir sensiblement constante la pression à la sortie de la pompe d'alimentation 1. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le dispositif limiteur de pression 7 comprend un organe mobile 9 sous l'action d'un ressort 10, un débit de fuite de carburant pouvant revenir au réservoir 6 par une conduire de retour 11. L'injecteur 2 est capable d'injecter du carburant sous pression sous forme vaporisée dans le conduit d'échappement 12 en amont d'un dispositif d'oxydation catalytique 13 lui-même disposé en amont d'un filtre à particules 14. Les gaz d'échappement issus du moteur à combustion interne s'écoulent dans la conduite d'échappement 12, les particules de suie contenues dans ces gaz d'échappement étant retenues par le filtre à particules 14. Dans l'exemple illustré, le filtre à particules 14 est placé dans le même carter 15 que le dispositif d'oxydation catalytique 13. On pourrait bien entendu concevoir de disposer deux dispositifs distincts à un certain écartement dans la ligne d'échappement 12. En fonctionnement normal, l'injecteur 2 n'est pas alimenté en carburant, une vanne de commande 16 commandée par l'intermédiaire d'un signal électrique provenant d'une connexion 17 est en position fermée, isolant ainsi la conduite d'alimentation 3 de la pompe d'alimentation 1. Lorsqu'une régénération du filtre à particules 14 s'avère nécessaire, la vanne 16 est commandée dans le sens de l'ouverture afin d'alimenter l'injecteur 2 en carburant sous pression. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la conduite d'alimentation 3 comporte une restriction 18 ou un ajutage, placée à l'entrée de la conduite d'alimentation 3, et constituant un élément hydraulique résistif. On entend par � élément résistif hydraulique � un élément régi par une loi de la forme Q = f(AP), où Q est le débit qui traverse ledit élément et AP est la pression différentielle entre l'amont et l'aval de l'élément. En aval de la restriction 18, se trouve monté un volume additionnel 19 qui est relié à la conduite d'alimentation 3 par un branchement spécifique 20 ou qui est en communication directe avec ladite conduite d'alimentation 3. Le volume additionnel 19 est capable de contenir un certain volume de carburant, et constitue donc un élément capacitif hydraulique. On entend par � élément capacitif hydraulique � un élément régi par une loi de la forme dP/dt = f(Q), où P est la pression et Q le débit du fluide hydraulique. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, en aval du volume additionnel 19, est monté dans la canalisation 3 un accumulateur mécanique 21. Un tel accumulateur mécanique est un élément capable, lorsqu'il est soumis à une pression hydraulique, d'absorber une partie de l'énergie. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, un piston mobile 22 est soumis à l'action d'un ressort 23. On pourrait, bien entendu, remplacer un tel accumulateur mécanique par un accumulateur pneumatique comprenant une membrane délimitant une partie d'une enceinte fermée, remplie d'un gaz compressible. La membrane est alors susceptible de se déformer pour absorber une partie de l'énergie en cas d'augmentation de pression. La déformation de la membrane ou le déplacement du piston mobile 22 génèrent une augmentation de volume de l'enceinte de l'accumulateur 21 qui a pour effet de diminuer la pression à laquelle il est soumis. L'accumulateur 21 est également capable de restituer cette énergie lorsque la pression à laquelle il est soumis diminue. Un tel composant est assimilable à une raideur pure, et constitue donc un élément capacitif hydraulique tel que défini précédemment. En aval de l'accumulateur hydraulique 21, se trouve monté dans l'exemple de la figure 1, un régulateur de pression piloté mécaniquement référencé 24. Cet élément comprend un piston mobile 25, soumis à l'action d'un ressort de rappel 26, et capable d'obturer ou de dégager un orifice 27 connecté à une conduite de décharge 28 capable de ramener une partie du débit de carburant vers le réservoir 6. Le régulateur de pression 24, branché directement sur la conduite d'alimentation 3, est donc capable de décharger un volume de contrôle lorsque la pression monte au dessus d'une valeur de consigne définie par le tarage du ressort 26 en libérant ainsi un certain débit de carburant vers le réservoir. Lorsque la pression est inférieure à la valeur de consigne, tout débit de fuite est au contraire interrompu. Le régulateur de pression 24 piloté mécaniquement est équivalent à un limiteur de pression. Cet élément joue le rôle d'un élément capacitif hydraulique tel que défini précédemment. En aval du régulateur de pression 24, est monté dans la conduite d'alimentation 3 un régulateur de débit 29, piloté mécaniquement en pression. Ce régulateur 29 comprend un organe mobile 30 soumis à l'action d'un ressort de rappel 31 et capable d'obturer plus ou moins un passage 32 vers l'injecteur 2. Le régulateur de débit 29 est ainsi capable de laisser passer un débit de carburant vers l'injecteur 2 lorsque la pression en amont du régulateur de débit 29 est inférieure à une pression de consigne qui correspond au tarage du ressort 31. Lorsque la pression en amont du dispositif de régulation 29 est supérieure à la valeur de consigne, l'élément mobile 30 vient obturer le passage 32 à l'encontre de la force du ressort 31, diminuant ainsi le débit vers l'injecteur 2. Contrairement à ce qui était le cas du régulateur de pression 24, qui était monté en parallèle sur la conduite d'alimentation 3, le régulateur de débit 29 est monté en série directement dans la conduite d'alimentation 3. Aucun retour de carburant vers le réservoir du système hydraulique n'existe pour le régulateur de débit 29. La restriction 18 constitue comme on l'a dit précédemment, un élément purement résistif sur le plan hydraulique. La conduite d'alimentation 3, qui permet le transfert du carburant vers l'injecteur 2 ainsi que le transfert du carburant entre les différents éléments du circuit d'alimentation, constitue également un élément résistif en raison de la perte de charge régulière le long de la conduite. La conduite d'alimentation 3 constitue en outre un élément capacitif en raison de son volume interne hydraulique. Les autres éléments disposés en aval de la restriction 18, directement en série le long de la conduite d'alimentation 3 ou en dérivation par rapport à celle-ci, tels que le volume additionnel 19, l'accumulateur 21, le régulateur de pression 24 et le régulateur de débit 29, constituent des éléments capacitifs hydrauliques tels que définis précédemment. Pour éviter qu'une défaillance de l'injecteur entraînant un débit de carburant injecté trop important risque de détruire les organes de post-traitement que constituent le catalyseur d'oxydation 13 et le filtre à particules 14 par une augmentation exagérée de la température, on dispose dans le conduit d'alimentation 3, par exemple immédiatement en amont de l'injecteur 2, un organe capable d'éviter tout débit exagéré de carburant. Un tel organe peut être constitué par exemple par une électrovanne de coupure 32a, qui est un dispositif électromécanique autorisant ou n'autorisant pas le passage du carburant en fonction d'une commande électrique. On peut également utiliser, en association avec une telle électrovanne de coupure ou à la place de celle-ci, un dispositif limiteur de débit et qui est un système mécanique permettant de laisser passer un débit pulsé mais n'autorisant pas le passage d'un débit continu supérieur à une valeur de seuil définie par le tarage d'un ressort de rappel d'un organe mobile. En se reportant à la figure 2, qui illustre de manière schématique l'architecture générale du système de la présente invention référencé 33 dans son ensemble, on voit qu'il utilise au moins un élément résistif en entrée noté R et référencé 34 sur la figure 2, et au moins un élément capacitif noté C et référencé 35 sur la figure 2, placé en aval de l'élément résistif 34. Les deux entrées du système 33 sont, la pression amont Pamont, c'est-à-dire la pression fournie à la sortie de la pompe d'alimentation 1, et le débit traversant le système d'alimentation noté Qsyst. Les deux réponses du système sont la pression d'alimentation de l'injecteur notée Pal;m et le débit injecté Q;,,i qui est le débit de carburant injecté par l'injecteur 2 Le choix des dimensions caractéristiques des éléments résistifs et capacitifs permet de déterminer la fréquence de coupure pour les oscillations de pression amont, c'est-à-dire de la pression fournie par la pompe 1. La fréquence de coupure Feoupure est en effet définie par : F coupure 1 où RC est la constante de temps de la fonction de transfert reliant la pression Pamont à l'entrée du circuit d'alimentation en carburant 33 et la pression d'alimentation Pal;m de l'injecteur 2. Cette constante de temps permet d'obtenir le niveau de filtration des oscillations désiré. Le choix des dimensions des éléments capacitifs permet de jouer sur la variation de volume géométrique du système d'alimentation, et de maintenir à tout instant un compromis entre la variation de volume géométrique et le débit de carburant Q;ni qui est le débit injecté par l'injecteur 2. Le choix des dimensions des différents éléments capacitifs permet également de jouer sur le profil d'évolution de la pression d'alimentation de l'injecteur 2, tandis que les dimensions et les caractéristiques des éléments résistifs et en particulier de la restriction 18, permettent de jouer sur le débit Qmot alimentant le dispositif d'injection associé aux cylindres du moteur. I1 est ainsi possible d'obtenir le meilleur compromis dynamique pour le débit Qsyst afin d'éviter que ce débit dynamique ne modifie de façon significative la pression du carburant alimentant les injecteurs du moteur à combustion par la conduite 4. La présente invention permet ainsi de s'affranchir des inconvénients résultant des variations de pression à la sortie de la pompe d'alimentation 1. Grâce à la présente invention, la pression instantanée d'alimentation de l'injecteur 2 oscille autour d'une valeur moyenne. Grâce au filtrage effectué par la présence des éléments résistifs et capacitifs, on peut en effet extraire du signal de pression instantané la valeur moyenne la plus stable possible. L'invention permet également de maintenir la pression d'alimentation de l'injecteur au cours de l'injection, en s'assurant que la pression en amont de l'injecteur ne s'effondre pas au cours de l'injection, du fait de la demande de débit de carburant nécessité par l'injecteur. Enfin, grâce à l'invention, on évite toute interaction du circuit d'alimentation de l'injecteur 2 sur les autres organes du moteur à combustion, interactions qui pourraient dégrader le fonctionnement de ce dernier. REVENDICATIONS 1. Système d'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne, en vue d'une élévation de température dans un dispositif de traitement catalytique des gaz d'échappement, comprenant une pompe d'alimentation (1) et un injecteur (2) relié à la pompe par une conduite d'alimentation (3), caractérisé par le fait que le système comprend, entre la pompe et l'injecteur, au moins un élément hydraulique résistif et au moins un élément hydraulique capacitif, monté en aval de l'élément résistif. 2. Système d'injection selon la revendication 1 dans lequel un élément résistif est constitué par une restriction (18) placée dans la conduite d'alimentation en amont de tout autre élément résistif ou capacitif. 3. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes dans lequel un élément capacitif est constitué par un volume additionnel (19) capable de contenir un volume de carburant, placé dans la conduite d'alimentation. 4. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes dans lequel un élément capacitif est constitué par un accumulateur pneumatique ou mécanique (21). 5. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes dans lequel un élément capacitif est constitué par un régulateur de pression (24) piloté mécaniquement. 6. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes dans lequel un élément capacitif est constitué par un régulateur de débit (29) piloté mécaniquement en pression. 7. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes dans lequel les différents éléments résistifs et capacitifs sont montés en série sur la conduite d'alimentation. 8. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un dispositif limiteur de débit (32a) monté dans la conduite d'alimentation. 9. Procédé d'injection de carburant dans le circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne, en vue d'une élévation de température dans un dispositif de traitement catalytique des gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'on utilise un système d'alimentation en carburant pour un injecteur et qu'on applique une filtration de premier ordre à un système de régulation ayant comme entrées, la pression en amont du système d'alimentation et le débit de carburant injecté et comme sorties, le débit de carburant alimentant le système d'alimentation et la pression d'alimentation de l'injecteur. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on utilise au moins un élément hydraulique résistif et au moins un élément hydraulique capacitif, monté en aval de l'élément résistif et on choisit les dimensions des éléments résistifs et capacitifs de façon à obtenir le niveau de filtration désiré et à diminuer les variations locales de pression lors de l'injection.