Brevet FR2936836A1 — publié le 20100409

REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 1 L'invention concerne un filtre à particules pour le post traitement de gaz d'échappement émis par un moteur interne d'un véhicule automobile ainsi qu'un procédé de diagnostic de la performance d'un filtre à particules. Elle concerne aussi un groupe motopropulseur et un véhicule automobile en tant que tels équipés d'un tel filtre à particules. Les moteurs à combustion interne, et plus particulièrement les moteurs à allumage par compression, rejettent dans l'atmosphère des particules polluantes, qui sont constituées de suies produites lors d'une combustion imparfaite dans le moteur, comme un moteur diesel, dont il convient de diminuer la quantité massique. Pour cela, les groupes moto propulseurs sont équipés d'un filtre à particules monté sur la voie d'échappement en aval des chambres de combustion du moteur, conçu de façon à pouvoir retenir les particules se trouvant dans les gaz d'échappement qui le traversent. Un tel filtre à particules présente généralement une structure telle que décrite par exemple dans le document EP1839720, est en général constitué de plusieurs canaux selon une structure en nid d'abeille dont l'extrémité est obturée par un bouchon fixé par une colle, généralement en aluminosilicates se dégradant aux environs de 1200°C, amenant le flux entrant de gaz d'échappement à traverser un substrat de porosité variable délimitant chaque canal, ce substrat remplissant la propriété de filtrage, de sorte de retenir les particules polluantes. Au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre à particules et la performance de ce dernier diminue. Les dispositifs de l'état de la technique détectent cette baisse de performance en mesurant la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, qui augmente avec l'augmentation des particules accumulées.30 REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 2 Au-delà d'un seuil prédéfini, afin de rétablir les performances du moteur, on pratique une régénération du filtre à particules qui consiste en une combustion des particules qui s'y sont accumulées. Cette opération de combustion est rendue possible par une élévation de la température interne du filtre à particules par augmentation de la thermique des gaz d'échappement. Pour ce faire, on procède généralement à une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant juste après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz à l'échappement. En variante, il est également possible de prévoir une ou plusieurs injections tardives, c'est-à-dire nettement après le point mort haut ou une introduction de carburant directement dans la ligne d'échappement via l'utilisation d'un cinquième injecteur ou d'un vaporisateur à l'échappement. Le carburant ainsi injecté ne brûle pas dans la chambre de combustion du moteur, mais, par exemple, dans un dispositif catalytique également prévu dans la ligne d'échappement, augmentant ainsi la température des gaz traversant ensuite le filtre à particules. Classiquement, un filtre à particules fonctionne donc de manière périodique, en deux phases. Lors d'une première phase, le filtre stocke des particules émises par le moteur, et lors d'une deuxième phase, ces particules stockées dans le filtre sont brûlées afin de régénérer le filtre. La régénération du filtre à particules peut être faite périodiquement au cours de phases de régénération, dès que la masse de particules dans le filtre devient trop importante. Les phases de régénération s'effectuent lorsque le moteur fonctionne, sans que le conducteur du véhicule en ait conscience. REN105FR / PJ8967 - dépôt DA 3 Le filtre à particules subit des conditions extrêmes, principalement lors des phases de régénération durant lesquelles la réaction de combustion peut parfois s'emballer et entraîner des hausses de températures non supportables par le filtre, notamment son substrat, ce qui induit des détériorations voire la destruction de sa structure. Dans ces conditions, la seule mesure de la contre-pression exercée par le filtre à particules sur l'écoulement des gaz d'échappement est une approximation insatisfaisante pour diagnostiquer avec précision l'état global du filtre à particules. En effet, cette mesure ne suffit pas pour détecter toutes les défaillances de fonctionnement du filtre à particules suite à certaines détériorations de sa structure. Ainsi, il n'est pas possible aujourd'hui de garantir le fonctionnement optimal d'un filtre à particules. Un objet général de l'invention est de proposer une autre solution de filtre à particules et de diagnostic d'un filtre à particules d'un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile qui ne présente pas les inconvénients de l'état de la technique. A cet effet, l'invention repose sur un filtre à particules pour la voie d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant un substrat filtrant destiné à être traversé par les gaz d'échappement et apte à retenir des particules polluantes de ces gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend un composant comprenant une propriété de non résistance à une température seuil (Ts) inférieure ou égale à la température maximale acceptable par le substrat filtrant de sorte que le filtre à particules subisse une modification détectable de son comportement s'il est soumis à une température supérieure ou égale à la température seuil (Ts). La température seuil (Ts) peut être supérieure à la température maximale atteinte dans une phase normale de régénération du filtre à particules. REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 4 Le filtre à particules peut comprendre des canaux pour guider les gaz d'échappement qui comprennent des bouchons sur certaines de leurs extrémités et en ce qu'au moins une partie de ces bouchons sont tels qu'ils quittent leur place en entraînant une chute de la contre pression exercée par le filtre à particules lorsque le filtre à particules est soumis à une température supérieure à la température seuil (Ts). Pour cela, les bouchons peuvent se détériorer lorsque leur température 10 est au-delà de la température seuil (Ts). Les bouchons (5) peuvent être en cordiérite. Le filtre à particules peut présenter une structure en forme de nid d'abeille. 15 L'invention porte aussi sur un groupe motopropulseur comprenant un moteur et une voie d'échappement sur laquelle est disposé un filtre à particules tel que décrit précédemment. L'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un filtre à 20 particules tel que décrit précédemment. L'invention porte aussi sur un procédé de diagnostic d'un filtre à particules d'un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 25 -mesure de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules ; -en cas de chute de cette pression, diagnostic de l'état défaillant du filtre à particules. REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 5 Le procédé de diagnostic peut de plus comprendre une étape de mesure de la température des gaz d'échappement pour considérer que la combinaison d'une forte température avec une chute de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules représente un diagnostic de défaillance du filtre à particules. Enfin, l'invention porte aussi sur un procédé de régénération d'un filtre à particules qui peut comprendre la mise en oeuvre d'un procédé de diagnostic du filtre à particules tel que décrit précédemment. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront 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 la structure d'un filtre à particules selon un mode d'exécution de l'invention ; La figure 2 représente schématiquement un groupe motopropulseur équipé d'un filtre à particules selon un mode d'exécution de l'invention. 20 Comme cela a été explicité auparavant, un filtre à particules peut subir une température et/ou un gradient de température trop élevé. En effet, lors d'une régénération du filtre à particules, si les conditions de température et de concentration d'oxygène sont supérieures à leur estimation, la 25 réaction de combustion peut s'emballer et la température de combustion peut monter très rapidement et très haut. Selon l'invention, plusieurs situations délicates, induites par cette hausse de température, ont été répertoriées : 15 REN105FR / PJ8967 - dépôt DA 6 - d'abord, quelle que soit la charge du filtre à particules, la température dans la zone arrière du filtre est toujours en dehors de la plage normale de fonctionnement du filtre lors d'un emballement de la combustion au cours de la régénération et ces fortes températures peuvent induire la fusion du substrat filtrant. Les conséquences de cette fusion sont relativement aléatoires, elles comprennent la modification de la géométrie des pores de filtrage et donc la modification des performances de filtrage du substrat, ce qui induit une modification de la performance du filtre à particules ; -ensuite, les conséquences de cette hausse de température peuvent aussi varier en fonction de la charge en particules du filtre. Si cette charge n'est pas homogène alors la température peut être élevée dans les zones chargées en particules et moins élevées dans les zones peu chargées. Cette différence créée donc un gradient de température spatial qui peut entraîner une fissuration de la structure du filtre à particules. Dans ce cas, la capacité de filtration du filtre à particules peut de même être dégradée. Dans toutes ces situations délicates entraînant une dégradation des performances du filtre à particules, il n'y a pas de corrélation avec la pression différentielle aux bornes du filtre à particules et les mesures de l'état de la technique ne permettent pas de déceler toutes ces éventuelles défaillances du filtre à particules. Ainsi, les solutions de l'état de la technique ne permettent pas de détecter toutes les défaillances d'un filtre à particules du fait de l'endommagement de la structure de son substrat filtrant. Il existe donc un risque important dans l'état de la technique que des filtres à particules défaillants continuent d'être utilisés sur des véhicules automobiles sans remplir totalement leur fonction de filtrage. Selon le concept de l'invention, la structure d'un filtre à particules est telle qu'elle se modifie fortement lors d'une forte hausse anormale de la température représentant un risque de dégradation du substrat filtrant, de REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 7 sorte que cette modification entraîne inévitablement une modification de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules. Il devient ainsi possible de diagnostiquer sans faille ces situations de dégradation du filtre à particules qui étaient indécelables auparavant. L'avantage de cette solution est que le procédé de diagnostic, qui sera détaillé ci-après, repose aussi sur la mesure de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, mesure qui était déjà mise en oeuvre pour estimer la charge du filtre à particules en vue de décider de la nécessité de le régénérer. Cette solution permet donc d'atteindre une nette amélioration du diagnostic d'un filtre à particules sans profond changement du groupe motopropulseur d'un véhicule automobile comprenant un tel filtre. Un mode d'exécution intéressant de l'invention mettant en oeuvre le concept présenté ci-dessus repose sur un filtre à particules 1 de structure représentée sur la figure 1, constitué de plusieurs canaux 3 dont l'extrémité est obturée par un bouchon 5 fixé par une colle 6, amenant le flux entrant 2 de gaz d'échappement à traverser un substrat filtrant 4 de porosité variable délimitant chaque canal 3, ce substrat remplissant la propriété de filtrage, de sorte de retenir les particules polluantes. Dans ce mode d'exécution de l'invention, la matière des bouchons 5 est choisie de sorte de se détériorer à une température seuil (Ts) inférieure ou égale à la température de détérioration du substrat 4 et supérieure aux conditions normales d'utilisation du filtre. Par exemple, le bouchon peut être fait de cordiérite pour laquelle la température seuil est d'environ 900 °C. Ainsi, si le filtre à particules subit une température élevée suite à un incident lors d'une phase de régénération, risquant d'entraîner une dégradation de son substrat, alors la matière des bouchons est aussi altérée, de manière quasi simultanée, de sorte de libérer tout ou partie des bouchons du filtre. Cela se traduit par une chute immédiate de la contre pression exercée par le filtre à particules sur les gaz d'échappement, ce qui permet très REN105FR / PJ8967 - dépôt DA 8 facilement de détecter la défaillance du filtre à particules. En variante, une modification ou dégradation de tout autre composant du filtre à particules pourrait permettre d'atteindre un résultat équivalent et rentre aussi dans le concept de l'invention. Par exemple, la colle 6 fixant les bouchons 5 peut être telle qu'elle ne résiste pas à une température similaire, légèrement inférieure, à celle de la dégradation du substrat. Une colle basée sur le titanate d'aluminium est à envisager dans ce contexte. Naturellement, tous ces composants du filtre à particules seront conçus pour résister à la plus haute température pouvant survenir dans les conditions normales d'utilisation du filtre à particules, notamment la plus haute température rencontrée lors d'une phase de régénération se déroulant normalement. Lors d'une régénération d'un filtre à particules à base de carbure de silicium, la température du filtre à particules à base de carbure de silicium, la température du filtre à particules vaut typiquement entre 600°C et 650°C. L'invention porte aussi sur un procédé de diagnostic associé à un tel filtre à particules, qui comprend une étape de mesure de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules et la détection d'une éventuelle chute de cette pression. Dans un tel cas, l'information de dégradation du filtre à particules pourra être transmise au conducteur par l'intermédiaire d'un voyant lumineux sur le tableau de bord. Ce procédé de diagnostic pourra être avantageusement mis en oeuvre lors d'un procédé de régénération sécurisé d'un filtre à particules, permettant de détecter rapidement tout emballement de la combustion au sein du filtre à particules et toute détérioration ou risque de détérioration de ce filtre. En complément de la mesure de la pression différentielle, la température en entrée du filtre à particules peut être mesurée pour confirmer les situations de risque potentiel, en combinaison avec la mesure de la pression différentielle. REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 9 L'invention porte aussi sur un groupe motopropulseur intégrant un tel filtre à particules, illustré sur la figure 2. Un tel groupe motopropulseur comprend un moteur 10, alimenté en air arrivant par une entrée 12. L'air entrant est ensuite guidé par une conduite d'admission 14 vers un compresseur 15 avant d'atteindre le moteur 10 équipé d'un ou plusieurs injecteurs 16. En sortie du moteur, les gaz d'échappement sont conduits par une conduite d'échappement 17, après passage dans une turbine 18, vers différents dispositifs de post-traitement comme un catalyseur 19 et le filtre à particules 1. Le dispositif est de plus généralement équipé d'un système de recirculation EGR basse pression, qui consiste en une recirculation 11 d'une partie des gaz d'échappement récupérés vers la sortie 13 de la conduite d'échappement du véhicule, après leur passage par les différents dispositifs de traitements 19, 1, pour leur réadmission à l'entrée du compresseur 15. Enfin, le dispositif est équipé d'un injecteur additionnel 22 monté sur la conduite d'échappement 17 en amont des différents dispositifs de post-traitement 19, 1. Le dispositif comprend de plus une unité de commande électronique (ECU) 20, composée d'éléments matériel (hardware) et/ou logiciel (software), qui se présente généralement sous la forme d'un ordinateur de bord. Cette unité ECU reçoit des données de différents capteurs, dont un capteur de température 21 disposé en sortie du moteur 10 de sorte de mesurer la température des gaz d'échappement, un capteur de température 23 disposé en entrée du filtre à particules 1 de sorte de mesurer la température des gaz d'échappement au niveau de ce filtre, un capteur de pression différentielle 24 monté aux bornes du filtre à particules. A partir de ces données et/ou de modèles mémorisés, l'unité ECU met en oeuvre un procédé de gestion du groupe motopropulseur. Notamment, elle détermine les instants d'initialisation et de fin des phases REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 10 de régénération du filtre à particules 1 et met en oeuvre le procédé de diagnostic de l'état du filtre à particules selon l'invention. L'invention a été décrite dans le cas d'un filtre à particules d'un véhicule automobile, ce dernier devant s'entendre au sens très large. En effet, elle peut s'appliquer à toute application mobile, automobile, nautique, pour tout moteur à combustion interne à allumage par compression ou à allumage commandé, à toute application fixe de ces moteurs, à un générateur électrique... Finalement, la solution décrite atteint ainsi les objets recherchés et présente l'avantage de fortement réduire le risque de non détection de la défaillance d'un filtre à particules, de manière simple, ce qui réduit globalement la pollution engendrée par les véhicules automobiles.15 Revendications1. Filtre à particules pour la voie d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant un substrat filtrant (4) destiné à être traversé par les gaz d'échappement et apte à retenir des particules polluantes de ces gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend un composant comprenant une propriété de non résistance à une température seuil (Ts) inférieure ou égale à la température maximale acceptable par le substrat filtrant (4) de sorte que le filtre à particules subisse une modification détectable de son comportement s'il est soumis à une température supérieure ou égale à la température seuil (Ts). 2. Filtre à particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température seuil (Ts) est supérieure à la température maximale atteinte 15 dans une phase normale de régénération du filtre à particules. 3. Filtre à particules selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des canaux (3) pour guider les gaz d'échappement qui comprennent des bouchons (5) sur certaines de leurs extrémités et en ce 20 qu'au moins une partie de ces bouchons (5) sont tels qu'ils quittent leur place en entraînant une chute de la contre pression exercée par le filtre à particules lorsque le filtre à particules est soumis à une température supérieure à la température seuil (Ts). 25 4. Filtre à particules selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les bouchons (5) se détériorent lorsque leur température est au-delà de la température seuil (Ts). 5. Filtre à particules selon la revendication précédente, caractérisé en ce 30 que les bouchons (5) sont en cordiérite.REN 105FR / PJ8967 - dépôt DA 12 6. Filtre à particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une structure en forme de nid d'abeille. 7. Groupe motopropulseur comprenant un moteur (10) et une voie d'échappement (17) sur laquelle est disposé un filtre à particules selon l'une des revendications précédentes. 8. Véhicule automobile comprenant un filtre à particules selon l'une des 10 revendications 1 à 6. 9. Procédé de diagnostic d'un filtre à particules d'un véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 15 -mesure de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules ; -en cas de chute de cette pression, diagnostic de l'état défaillant du filtre à particules. 20 10. Procédé de diagnostic d'un filtre à particules d'un véhicule automobile selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend de plus une étape de mesure de la température des gaz d'échappement pour considérer que la combinaison d'une forte température avec une chute de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules représente un 25 diagnostic de défaillance du filtre à particules. 11. Procédé de régénération d'un filtre à particules comprenant la mise en oeuvre d'un procédé de diagnostic du filtre à particules selon la revendication 9 ou 10. 30