Brevet FR2945575A1 — publié le 20101119

CIRCUIT DE TRAITEMENT ET D'EVACUATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION A ALLUMAGE COMMANDE [0001] Le domaine sur lequel porte cette invention est celui de la dépollution automobile et plus particulièrement la réduction des émissions de particules des moteurs à allumage commandé. [0002] Pour désigner les moteurs à allumage commandé, on utilise généralement les expressions � moteur essence � ou � moteur à essence �, qui seront indifféremment employées dans le présent document. [0003] Les émissions polluantes des véhicules automobiles sont réglementées par des normes d'émission. En Europe, à compter de la norme Euro5, les véhicules dotés d'un moteur essence à injection directe, puis, selon les normes Euro6, les véhicules équipés d'un moteur essence quel que soit son type, seront soumis à l'instar des véhicules Diesel à une limite quant aux émissions de particules. Il s'agira d'une limite en masse pour Euro5, puis d'une limite en nombre en sus de la limite en masse pour Euro6. [0004] Ces limites peuvent imposer, outre une calibration adaptée des moteurs et une adaptation de la combustion, l'adoption de moyens de post-traitement des gaz d'échappement. Notamment, un dispositif pour la filtration des gaz d'échappement et le piégeage des particules qu'ils contiennent peut être nécessaire. [0005] A ce jour, aucun véhicule automobile à essence de série ne possède de système de post-traitement dédié à la réduction des émissions de particules. Les dispositifs connus de filtration des gaz d'échappement pour automobiles sont dédiés à la filtration des gaz d'échappement des moteurs Diesel. Ils présentent généralement, dans un circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement, une architecture comprenant, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation, suivi d'un média filtrant constituant un filtre à particules de suie. Ce dernier peut alors, selon les variantes, être catalysé (c'est-à-dire porter une imprégnation catalytique favorisant l'oxydation des suies) ou additivé (c'est-à-dire recevant un additif mélangé au carburant et abaissant la température d'oxydation des suies). [0006] La demande de brevet US2002011069 soulève néanmoins la problématique du traitement des particules d'un moteur à essence, et y apporte une solution similaire à ce qui est connu dans les systèmes de dépollution Diesel. [0007] L'inventeur a cependant constaté qu'il existe des problématiques spécifiques aux moteurs à allumage commandé, notamment en ce qui concerne la nature et les propriétés des particules à filtrer et en ce qui concerne la régénération du filtre, c'est-à-dire l'élimination des particules par oxydation. [0008] En effet, si les niveaux thermiques communément atteints par les gaz d'échappement sont a priori plus élevés pour un moteur à essence que pour un moteur Diesel, ce qui peut favoriser la régénération du filtre. A contrario, le catalyseur interposé entre le moteur et le filtre ainsi que la longueur qui sépare le moteur du filtre à particules favorise un refroidissement des gaz d'échappement. [0009] Par ailleurs, l'oxydation des suies est consommatrice d'oxygène. Si le taux d'oxygène communément présent dans les gaz d'échappement d'un moteur Diesel est suffisant pour qu'une oxydation des suies soit possible, ce n'est pas le cas pour un moteur essence. Cette problématique est en outre aggravée par le fait que le catalyseur équipant la ligne d'échappement d'un moteur essence consomme lui-même une quantité importante d'oxygène afin de traiter les polluants : monoxyde de carbone (CO), hydrocarbures imbrûlés (HC), voire oxydes d'azote (NOx). On parlera, pour désigner ce type de catalyseur, d'un catalyseur trois-voies ou d'un catalyseur bifonctionnel (en ce qu'il oxyde le CO et les HC et réduit les NOx). [0010] Enfin, l'ajout d'un filtre à particule dans le circuit d'échappement d'un moteur à essence ne doit pas compromettre le bon fonctionnement du catalyseur. En effet, le catalyseur trois voies n'est pleinement efficace que dans une plage de richesse des gaz restreinte donnée, c'est-à-dire pour un taux d'oxygène relativement précis. [0011] Il est donc proposé dans l'invention de résoudre ces problèmes par une architecture optimisée de circuit de traitement et d'évacuation, c'est-à-dire une ligne d'échappement, pour moteur à allumage commandé. [0012] Plus précisément, l'invention porte sur un circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion à allumage commandé comportant, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un filtre à particules suivi d'un catalyseur trois voies. Ainsi, le fait de positionner le filtre à particules directement en sortie du moteur, et en tout état de cause avant son passage dans le catalyseur trois voies nécessaire au traitement des autres polluants, permet de capter les particules avant que leur taille ne soit réduite par ledit catalyseur trois voies. Ceci permet la collecte d'une plus grande quantité de particules, avec un filtre de porosité donnée. En dimensionnant le système à l'inverse, on peut aussi, pour un objectif de capture des particules donné, utiliser un filtre plus � ouvert �, ayant une plus grande porosité et générant une moindre perte de charge à l'échappement. Un tel filtre est alors moins volumineux et généralement moins cher que le filtre qu'il aurait été nécessaire d'implanter en aval du catalyseur, pour piéger la même quantité de particules. Par ailleurs, la régénération du filtre (élimination des suies stockées) est grandement facilitée. [0013] De préférence, le filtre à particules est imprégné d'une imprégnation catalytique. Cette imprégnation catalytique permet à la fois d'éliminer une partie des polluants réglementés (CO, HC, voire NOx) et d'aider à la régénération des particules retenues par le média filtrant. [0014] Dans une variante, l'imprégnation catalytique comporte un matériau apte au stockage d'oxygène lorsque le moteur fonctionne en mélange pauvre et apte à la restitution d'oxygène lorsque le moteur fonctionne en mélange riche. Il est ainsi réalisé un effet de tampon ou de lissage de la quantité d'oxygène disponible dans les gaz d'échappement. Lorsqu'un manque d'oxygène dans les gaz d'échappement empêche la régénération du filtre, le matériau apte au stockage de l'oxygène relâche l'oxygène qu'il contient, permettant au moins en partie la régénération du filtre. [0015] De préférence, le circuit comporte en outre un moyen d'introduction d'air en amont du filtre à particules. Un moyen d'introduction d'air en amont du filtre à particules permet de faciliter la régénération du filtre, en ce qu'il permet de garantir que la quantité d'oxygène disponible dans les gaz d'échappement pour assurer l'oxydation des particules est suffisante. Le moyen d'introduction d'air à l'échappement peut typiquement comporter un injecteur d'air à l'échappement (fonction dite � IAE �). [0016] De préférence, le circuit comporte en outre au moins un moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène. Il est ainsi possible de s'assurer que l'oxydation des suies ne sera pas entravée par un manque d'oxygène dans les gaz d'échappement. Si un tel risque est détecté, on peut faire intervenir le moyen d'introduction d'air à l'échappement, s'il existe, ou, sinon, modifier les paramètres de combustion dans le moteur afin que les gaz d'échappement présentent un taux d'oxygène supérieur, le temps de la régénération du filtre. Selon son positionnement dans la ligne d'échappement, un tel moyen peut également servir à garantir l'efficacité du catalyseur trois voies. De préférence, le moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène à utiliser est une sonde à oxygène. [0017] Dans une variante, le circuit comporte un moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène à l'entrée du filtre à particules en sus du moyen disposé en aval. Ceci permet de contrôler que le taux d'oxygène en entrée du filtre à particules est tel qu'il permette une régénération efficace du filtre pendant les phases de régénération, qu'elles soient commandées ou non, et une bonne efficacité du catalyseur trois voies dans toutes les phases de fonctionnement du moteur, en tenant compte de l'oxygène éventuellement consommé dans le filtre. [0018] Dans une variante, le circuit comporte un moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène entre le filtre à particules et le catalyseur trois voies. Un tel moyen permet en particulier de s'assurer que le catalyseur fonctionnera dans les meilleures conditions opératoires possibles, c'est-à-dire proche des conditions stoechiométriques, lui permettant d'assurer la conversion simultanée des hydrocarbures imbrûlés, du monoxyde de carbone, et des oxydes d'azote. [0019] De préférence, le circuit comporte en outre des moyens de détermination de la pression à l'entrée et à la sortie du filtre à particules. Ainsi, la charge en particules contenue dans le filtre peut être évaluée, notamment dans le but de déclencher la régénération du filtre. [0020] Dans une variante, le filtre est placé dans un collecteur d'échappement du moteur. Cette solution permet, en rapprochant au maximum le filtre du moteur, de positionner également le catalyseur trois voies au plus près, et de favoriser ainsi sa montée en température suite à un démarrage à froid. Le démarrage des réactions dans le catalyseur trois-voies est une préoccupation majeure pour le respect des normes émissions. [0021] Dans une variante, le filtre est placé dans un raccord entre un collecteur d'échappement du moteur et un conduit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement dudit moteur. C'est une solution efficace pour positionner le filtre au plus près du moteur, sans impacter lourdement les architectures de ligne d'échappement généralement employées. [0022] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence à la figure unique représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0023] La figure 1 présente l'architecture générale d'un circuit d'échappement conforme à l'invention. [0024] Un moteur à combustion interne à allumage commandé 1 est doté d'un circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement 2, ou circuit d'échappement. Dans l'invention, ce circuit présente, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un filtre à particules 3 et un catalyseur trois-voies 4. Dans une variante de l'invention non représentée, le filtre 3 peut être positionné directement dans un collecteur d'échappement du moteur 1 ou dans un raccord entre un collecteur d'échappement du moteur 1 et le reste du circuit de traitement et d'évacuation 2 des gaz d'échappement du moteur, qu'on appelle communément une ligne d'échappement ou conduit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement. [0025] Le filtre à particules 3 comporte un média filtrant imprégné ou non d'un washcoat (ou imprégnation) permettant l'élimination d'une part des polluants réglementés (typiquement CO, HC et NOx) et aidant à la régénération des particules accumulées dans le filtre. [0026] Un catalyseur trois voies 4 est ménagé en aval du filtre 3, que ce dernier soit ou non imprégné. Il est en effet généralement indispensable de conserver dans la ligne un catalyseur trois voies, car les volumes et surfaces disponibles pour le washcoat dans un filtre de taille raisonnable pour une application automobile ne sont pas compatibles des niveaux d'émissions à respecter. [0027] Cette configuration présente de nombreux avantages dans une application à un moteur essence, par rapport à l'architecture généralement employée dans les lignes d'échappement des moteurs Diesel. En effet, si l'on adoptait une architecture présentant le filtre 3 à particules en aval du catalyseur trois-voies 4, des difficultés majeures apparaitraient. Les particules seraient asséchées par le washcoat du catalyseur 4 et ainsi réduites en taille, sachant que le diamètre moyen des particules en essence est déjà inférieur à celui des particules en Diesel, notamment du fait de la température de combustion supérieure dans un moteur à essence. Une telle configuration nécessiterait alors de développer un média dont la filtration serait extrêmement efficace, et présentant donc un diamètre des pores très réduit, qui engendrerait alors une forte perte de charge dans la ligne et serait couteux à obtenir. Il serait en outre difficile de régénérer le filtre 3 pour deux raisons principales : • le manque d'oxygène, puisque l'oxygène présent dans les gaz serait consommé par les réactions dans le catalyseur 4 ou retenu par le matériau OSC (pour � Oxygen Storage Capacity �) du catalyseur 4 situé en amont. • une situation moins favorable quant aux aspects thermiques. En effet, mettre le filtre 3 après le catalyseur trois voies, c'est l'éloigner du moteur et ajouter par conséquent de l'inertie thermique en amont du filtre. [0028] L'architecture proposée en figure 1 permet donc d'améliorer tant l'efficacité de la filtration que la régénération du filtre. Cette architecture est néanmoins légèrement pénalisante du fait de l'inertie thermique du filtre 3 pour ce qui est de l'amorçage des réactions dans le catalyseur 4, notamment lors des démarrages à froid du moteur. Cet inconvénient peut cependant être contourné en mettant en place au niveau du contrôle moteur des stratégies de � chauffe � rapide des gaz d'échappement. Par ailleurs, en imprégnant le filtre 3 d'une imprégnation catalytique adéquate, le filtre 3 peut jouer le rôle de précatalyseur. Enfin, on notera que le filtre 3 pouvant, pour les raisons exposées précédemment, présenter une porosité relativement importante, son inertie thermique pourra être relativement faible, grâce à un dimensionnement et un choix de matériau adapté. Enfin, il est possible de réduire le volume du filtre, et donc son inertie, en employant un dispositif d'introduction d'air en amont du filtre 3, car un tel dispositif permet d'obtenir chaque fois que cela est nécessaire les situations dans lesquelles peut être menée une régénération rapide et efficace du filtre. [0029] Dans la variante de l'invention présentée sur la figure 1, on dispose donc en amont du filtre à particule d'un moyen d'introduction d'air 5, en l'occurrence un injecteur d'air. [0030] Le moteur génère lors de son fonctionnement des particules que le média filtrant du filtre 3 collecte et stocke. Dans le cas où le média filtrant est catalysé (présence d'une imprégnation catalytique sur le filtre), il aide le catalyseur à traiter une partie des polluants (CO, HC, éventuellement NOx). Dans le cas contraire, le catalyseur 4 est dimensionné pour garantir à lui seul que les émissions de gaz d'échappement sont conformes aux normes d'émissions polluantes en vigueur. Dans la variante ici représentée, le filtre laisse passer lors du fonctionnement du moteur les gaz d'échappement mais retient les suies car ses parois présentent une porosité adaptée (environ 10 microns), pour ne laisser traverser dans la mesure du possible que les molécules de gaz ou les condensats dont la taille est inférieure à une vingtaine de nanomètre. La porosité du filtre 3 est adaptée en fonction des normes à respecter, de sorte à engendrer la perte de charge la plus faible possible. Le filtre 3 se remplit progressivement en particules de suies, ce qui entraine un accroissement de la perte de charge. [0031] La perte de charge générée par le filtre est suivie à l'aide de capteurs de pressions 61 et 62, positionnés respectivement à l'entrée et à la sortie du filtre 3. Lorsque la contrepression engendrée par le filtre atteint un niveau prédéterminé, la régénération du filtre par oxydation des suies est nécessaire. Mais cette oxydation qui conduit à la formation de dioxyde de carbone et d'eau principalement nécessite à la fois un certain niveau thermique et la présence d'espèces oxydantes comme l'oxygène et/ou le dioxyde d'azote. Idéalement, il faut que le filtre rencontre ces conditions opératoires suffisamment souvent pour que les suies soient éliminées fréquemment et que la contre pression générée n'augmente pas significativement. Selon les conditions d'utilisation du moteur, ces conditions peuvent être atteintes naturellement, sans avoir à modifier les paramètres de fonctionnement du moteur. On parlera alors de régénération passive du filtre 3. [0032] Le niveau thermique moyen des gaz d'échappement est généralement plus élevé pour un moteur à allumage commandé que pour un moteur Diesel. Cependant, dans le cas d'une application automobile, certains types de roulage, et notamment les roulages urbains, sollicitent peu le moteur ou sur de brefs intervalles de durée, ce qui est défavorable à l'obtention d'une température des gaz d'échappement suffisante pour assurer la régénération du filtre. [0033] L'autre paramètre important pour la régénération des particules est la quantité d'espèces oxydantes disponibles. Cela pose problème dans le cas des moteurs à allumage commandé, car, à la différence du Diesel, la combustion ne se fait pas en excès d'air. En effet, le contrôle de la richesse à la stoechiométrie est une caractéristique nécessaire et indispensable au bon fonctionnement des moteurs à essence et surtout de son catalyseur trois voies. On parle de moteur fonctionnant à � richesse 1 �, ce qui limite la quantité d'oxygène disponible dans les gaz d'échappement pour la régénération naturelle (ou � passive �) du filtre. [0034] Dans certaines situations (coupures d'injection par exemple, dans le cas où le contrôle moteur est capable de les réaliser), on peut heureusement garantir un excès d'air à l'échappement. Mais si les occurrences d'un fonctionnement du moteur en mode pauvre (c'est-à-dire en excès d'air par rapport à la stoechiométrie) ne sont pas suffisantes, l'accumulation des particules dans le filtre peut engendrer une augmentation significative de la contrepression à l'échappement avec des conséquences néfastes pour le moteur (forte augmentation de la consommation, dysfonctionnement, genèse d'exothermes importants par combustion d'une quantité de suies trop élevée, etc..). Il est alors nécessaire d'aider le filtre à se régénérer, malgré la configuration favorable offerte par l'architecture selon l'invention. [0035] Diverses stratégies ou moyens peuvent permettre d'aider à la régénération du filtre. [0036] Tout d'abord, il est possible d'adopter une calibration du moteur permettant le fonctionnement légèrement en mode pauvre, ce qui apporterait en continu de l'oxygène pour la régénération des suies dès que la température serait suffisante. [0037] Il est également possible de modifier la richesse des gaz d'échappement via des stratégies moteur adaptées lors du déclenchement d'une régénération. Une régulation assez fine est alors nécessaire, car on tend alors à fonctionner en excès d'air dans le filtre sans pour autant s'éloigner de la stoechiométrie dans le catalyseur situé en aval. Pour cela on dispose, dans la variante de l'invention présentée en figure 1, outre les sondes à oxygène 71, 72, communément positionnées en amont et en aval du catalyseur trois voies 4, d'une sonde à oxygène 73 supplémentaire en amont du filtre à particules 3. La calibration du moteur peut ainsi être contrôlée, par exemple en boucle fermée, de manière à respecter un taux d'oxygène adéquat en chaque point du circuit 2. En outre, les sondes à oxygène situées en amont et en aval du filtre 3 permettraient non seulement de contrôler la richesse des gaz d'échappement pour rester dans la fenêtre de fonctionnement optimal du catalyseur 4 situé en aval du filtre 3, mais aussi de détecter la fin de la phase de régénération : lorsque toute la suie est éliminée, le niveau d'oxygène en sortie du filtre augmente. [0038] On peut également utiliser un matériau qui est susceptible de stocker de l'oxygène, dit matériau � OSC � (Oxygen Storage Capacity), directement dans une imprégnation du filtre, ce qui met à disposition un surplus d'oxygène pour aider à la régénération des suies. Cette solution, d'une efficacité limitée, présente néanmoins l'avantage de produire un effet � tampon � ou de � lissage � sur la richesse des gaz d'échappement. [0039] On peut enfin utiliser un moyen d'introduction d'air à l'échappement (par exemple du type injecteur � IAE �, pour injection d'air à l'échappement) situé en amont du filtre et qui distille précisément la quantité d'oxygène adéquate. Cette solution permet d'ajuster la teneur en oxygène nécessaire à la régénération du filtre sans avoir à dégrader la combustion dans le moteur, qui peut être adaptée pour assurer avant tout la composante thermique nécessaire à la régénération du filtre 3. L'ajout d'une injection d'air secondaire en amont du filtre offre également l'avantage de pouvoir optimiser la richesse en entrée du catalyseur 4, sans avoir une fois encore à intervenir sur la combustion dans le moteur. Le contrôle de cette optimisation de la richesse des gaz se fera grâce à la sonde à oxygène 72 située entre le filtre et le catalyseur trois voies. Ainsi, le signal sonde permettra de vérifier en continu que l'injecteur d'air n'a pas injecté plus d'oxygène que nécessaire à la combustion des suies. [0040] Quelle que soit la stratégie et/ou les moyens employés pour aider à la régénération du filtre 3, il est important de contrôler finement la richesse des gaz d'échappement en sortie du filtre 3. En effet, le catalyseur trois voies n'offre une efficacité de conversion des polluants importante que pour des conditions de gaz à � richesse 1 �. Des pics de polluants importants pourraient apparaître lors des phases de régénération si la richesse des gaz à l'entrée du catalyseur 4 n'est pas parfaitement contrôlée, en l'occurrence des pics d'oxydes d'azote (NOx) si la richesse des gaz est inférieure à 1, et des pics de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures imbrûlés (HC) si la richesse est supérieure à 1. [0041] L'invention ainsi développée permet de traiter à la fois les polluants gazeux (CO, HC et NOx) et les émissions de particules dans le cadre d'un moteur à allumage commandé, et en particulier d'un moteur à essence fonctionnant proche de la stoechiométrie. [0042] Les configurations de ligne de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement apportent des gains en filtration des particules contenues dans les gaz d'échappement et en efficacité de régénération du filtre. Le fait de mieux contrôler cette phase de régénération permet de réduire notamment le volume du filtre. En outre, réduire la taille du filtre génère des gains également en coût, en encombrement et en contrepression dans la ligne d'échappement. Une réduction du volume du filtre a également des conséquences positives sur le catalyseur trois voies présent dans le circuit, puisque la distance du catalyseur au moteur (par exemple en positionnant le filtre directement dans le collecteur d'échappement du moteur) ainsi que l'inertie thermique du média filtrant pourront être réduites, ce qui est favorable à un amorçage rapide du catalyseur. Revendications: 1. Circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion à allumage commandé (1) caractérisé en ce qu'il comporte, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un filtre à particules (3) suivi d'un catalyseur trois voies (4). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre à particules (3) présente une imprégnation catalytique. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'imprégnation catalytique comporte un matériau apte au stockage d'oxygène lorsque le moteur (1) fonctionne en mélange pauvre et apte à la restitution d'oxygène lorsque le moteur (1) fonctionne en mélange riche. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen d'introduction d'air (5) en amont du filtre à particules (3). 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène (71,72, 73). 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène (73) à l'entrée du filtre à particules (3). 7. Circuit selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de détermination de la teneur des gaz en oxygène (72) entre le filtre à particules (3) et le catalyseur trois voies (4). 8. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de détermination de la pression (61,62) à l'entrée et à la sortie du filtre à particules (3). 9. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre (3) est placé dans un collecteur d'échappement du moteur (1). 10. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre (3) est placé dans un raccord entre un collecteur d'échappement du moteur (1) et un conduit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement dudit moteur (1).