Brevet FR2936568A1 — publié le 20100402

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE MUNI D'UN FILTRE A PARTICULES L'invention concerne la purification des gaz d'échappement de moteurs à 5 combustion interne, et en particulier la purification des gaz d'échappement de moteurs munis de filtres à particules. Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne équipant la plupart des véhicules automobiles contiennent un certain nombre de polluants dont il est souhaitable de réduire les rejets dans l'atmosphère (notamment des 10 oxydes d'azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, des particules et du dioxyde de carbone). Une grande partie des polluants générés par un moteur à combustion interne est due à une combustion incomplète du carburant. Une première stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réduire la quantité des 15 polluants pénétrant dans la ligne d'échappement, en réduisant notamment la consommation ou en modifiant des paramètres de combustion. Une deuxième stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réaliser un post-traitement des gaz traversant la ligne d'échappement. Pour réaliser un post-traitement, la plupart des véhicules sont désormais 20 équipés d'un convertisseur catalytique comprenant un catalyseur d'oxydation (pour oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) et un catalyseur de réduction (pour réduire les oxydes d'azote). Le catalyseur d'oxydation comprend un boîtier monté dans la ligne d'échappement. Le boîtier renferme un support ou substrat revêtu d'un matériau 25 actif. Le substrat est généralement constitué d'un corps monolithique en céramique en forme de nid d'abeille formant des canaux destinés à être traversés par les gaz d'échappement. Les principaux composants du corps sont généralement de l'alumine ou des alumino-silicates dopés par de la zircone (cordiérite, mullite, mullite-zircone). Le revêtement en matériaux actifs peut être 30 composé de métaux précieux combinés tels que le platine, le palladium ou le rhodium. Du fait que les moteurs diesels produisent une plus grande quantité de particules, les lignes d'échappement de tels moteurs incluent le plus souvent un filtre à particules destiné à piéger des particules solides ou liquides constituées 35 essentiellement de suies ou de gouttelettes d'huile. Pour éviter l'encrassement du filtre à particules, celui-ci doit être régénéré épisodiquement par brûlage des particules piégées. Le brûlage est réalisé par une augmentation transitoire de la température des gaz d'échappement au-delà de 550° C à l'entrée du filtre à particules. 40 Une première technique de régénération du filtre à particules consiste à modifier transitoirement le fonctionnement du moteur de sorte que les gaz d'échappement issus du moteur atteignent le filtre à particules à une température permettant la combustion des particules. Pour cela, pendant une étape de régénération, on réalise typiquement une post-injection de carburant ou on dégrade les conditions de combustion en 5 augmentant la richesse du mélange. La technique de post-injection de carburant consiste à injecter des gaz durant la phase de détente du cycle moteur, soit après l'explosion. En fonction du calage choisi pour la post-injection, une partie du carburant de post-injection va s'enflammer dans la chambre de combustion et le circuit d'échappement. La 10 température des gaz d'échappement est donc accrue. Une autre partie du carburant de post-injection ne s'enflamme pas mais est oxydé dans le catalyseur d'oxydation. Cette réaction étant exothermique, les gaz d'échappement sont réchauffés par le catalyseur d'oxydation. Pour bénéficier de cette augmentation de température et brûler les particules, le filtre à particules 15 est disposé à proximité du catalyseur d'oxydation. La post-injection entraîne une contrainte thermique forte sur le collecteur d'échappement, le turbocompresseur et le précatalyseur, qui sont les premiers composants du circuit d'échappement en sortie du moteur. De plus, cette augmentation de température accroît la quantité de carburant se diluant dans 20 l'huile de lubrification. Des vidanges plus fréquentes sont alors nécessaires pour éviter des ruptures mécaniques. Pour abaisser le seuil de température de combustion des particules, différentes approches sont connues : l'ajout d'additifs dans le carburant, l'injection d'un produit dans les gaz d'échappement ou l'imprégnation du filtre à 25 particules avec une formulation catalytique. Ces différentes solutions sont contraignantes et impliquent des surcoûts pour l'utilisateur. Une seconde technique de régénération du filtre à particules consiste à injecter du carburant directement dans le circuit d'échappement. Le carburant est oxydé dans le catalyseur d'oxydation. La réaction exothermique d'oxydation 30 du carburant permet de régénérer le filtre à particules. La demande de brevet EP 1 832 728 décrit un moteur à combustion interne comprenant une commande de régénération du filtre à particules combinant à la fois une intervention transitoire sur le cycle moteur et une injection transitoire de carburant dans le circuit d'échappement. Une post- 35 injection rapprochée de l'explosion permet d'activer un pré-catalyseur en amont d'un catalyseur d'oxydation. Une post-injection éloignée de l'explosion permet d'oxyder le carburant de post-injection dans le pré-catalyseur. Le catalyseur d'oxydation est disposé juste en amont d'un filtre à particules catalytique contenant une couche de matériau catalyseur. Un dispositif d'injection de 40 carburant injecte du carburant entre le précatalyseur et le catalyseur d'oxydation. Un tel moteur génère une trop grande dilution du carburant dans l'huile et de trop grandes contraintes thermiques sur le collecteur d'échappement, le turbocompresseur et le pré-catalyseur. Le coût global du système de dépollution s'avère également trop élevé. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un moteur à combustion interne, comprenant: - un bloc moteur ; - une commande de réchauffement transitoire des gaz d'échappement issus du bloc-moteur par intervention sur un cycle moteur ; -un circuit d'échappement, comprenant au moins un catalyseur d'oxydation, ainsi qu'un filtre à particules raccordé en aval du catalyseur d'oxydation ; - un dispositif d'injection de carburant dans le circuit d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation. Le filtre à particules est non catalysé et la commande de réchauffement génère un réchauffement des gaz d'échappement issus du bloc-moteur insuffisant pour régénérer le filtre à particules en l'absence d'injection de carburant par ledit dispositif d'injection. Selon une variante, au moins un capteur mesure la température du catalyseur d'oxydation, la commande de réchauffement générant une augmentation de température des gaz d'échappement issus du bloc moteur lorsque la température mesurée est inférieure à un premier seuil prédéterminé. Selon une autre variante, ledit premier seuil est une température d'activation du catalyseur d'oxydation. Selon encore une variante, le dispositif d'injection n'injecte du carburant dans le circuit d'échappement que lorsque la température mesurée est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé au moins égal au premier seuil. Selon encore une autre variante, la commande de réchauffement intervient sur le cycle moteur en commandant une injection de carburant dans une chambre de combustion du bloc-moteur entre une explosion et la phase d'aspiration suivante du cycle moteur. Selon une variante, la commande de réchauffement intervient sur le cycle moteur en retardant une injection principale de carburant dans une chambre de combustion du bloc-moteur. Selon encore une variante, le moteur est dépourvu de moyens d'injection d'un additif de régénération du filtre à particules. Selon une autre variante, le filtre à particules définit un conduit d'écoulement des gaz d'échappement ne présentant pas de matériau catalyseur d'oxydation. Selon encore une autre variante, le circuit d'échappement comprend un pré-catalyseur d'oxydation raccordé en amont du catalyseur d'oxydation. L'invention porte également sur un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne, comprenant une phase transitoire d'activation d'un catalyseur d'oxydation et une phase transitoire de régénération d'un filtre à particules non catalysé et placé dans le circuit d'échappement du moteur en aval du catalyseur d'oxydation, la phase de régénération du filtre à particules comprenant l'injection de carburant en amont du catalyseur et du filtre à particules, la phase d'activation du catalyseur comprenant un réchauffement des gaz d'échappement issus d'un bloc-moteur par intervention sur le cycle moteur, ce réchauffement étant insuffisant pour régénérer le filtre à particules en l'absence d'injection de carburant à l'échappement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention -la figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; -la figure 3 est un diagramme illustrant différents paramètres durant un 20 exemple de cycle d'homologation du moteur. L'invention propose un moteur à combustion interne comprenant un bloc moteur, une commande de réchauffement transitoire des gaz d'échappement issus du bloc moteur par intervention sur le cycle moteur, un circuit 25 d'échappement comprenant un catalyseur d'oxydation et un filtre à particules raccordé en aval du catalyseur d'oxydation (la notion d'amont et d'aval étant définie par rapport au sens général d'écoulement des gaz d'échappement) et un dispositif d'injection de carburant dans le circuit d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation. Le filtre à particules est non catalysé et la commande de 30 réchauffement génère un réchauffement des gaz d'échappement insuffisant pour régénérer le filtre à particules en l'absence d'injection de carburant par le dispositif d'injection. Le réchauffement induit par la commande de réchauffement permet d'activer le catalyseur d'oxydation sans que ce réchauffement soit excessif. 35 Ainsi, le coût du moteur est limité par l'utilisation d'un filtre à particules non catalysé, les contraintes thermiques sur le collecteur d'échappement, un éventuel turbocompresseur et un éventuel pré-catalyseur sont réduites, et la dilution de carburant dans l'huile est réduite. 40 La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un moteur selon l'invention. Le moteur comprend un bloc moteur 1 de type Diesel. Le bloc moteur 1 présente plusieurs chambres de combustion 12, alimentées en carburant par des injecteurs respectifs 11. Le moteur comprend une commande 9 des injecteurs 11. La commande 9 définit la durée et la synchronisation des injections dans le cycle moteur des différentes chambres de combustion 12. La commande 9 est utilisée pour intervenir sur le cycle moteur afin de réchauffer transitoirement les gaz d'échappement générés dans les chambres de combustion 12. Un circuit d'échappement 2 collecte les gaz d'échappement issu du bloc moteur 1 pour les traiter et les guider jusqu'à l'extérieur du véhicule. Le circuit d'échappement 2 comprend un collecteur d'échappement 3 raccordant l'échappement des chambres de combustion 12 à un turbocompresseur 4. Un catalyseur d'oxydation 6 est raccordé dans le circuit d'échappement 2 en aval du turbocompresseur 4. Un dispositif d'injection de carburant 8 est disposé de façon à pouvoir injecter du carburant dans le circuit d'échappement entre le turbocompresseur 4 et le catalyseur d'oxydation 6. Un filtre à particules 7 est raccordé dans le circuit d'échappement 2 en aval du catalyseur d'oxydation 6. Ce filtre à particules 7 n'a pas de fonction de catalyseur d'oxydation. Le filtre à particules 7 définit un conduit d'écoulement des gaz d'échappement entre son entrée et sa sortie dépourvu de matériau catalyseur d'oxydation, au moins au niveau des zones de piégeage des particules. Une sonde de température 61 mesure la température des gaz d'échappement issus du catalyseur d'oxydation 6. La commande 9 est destinée à générer un échauffement transitoire des gaz d'échappement dans les chambres à combustion 12 juste suffisant pour activer le catalyseur d'oxydation 6. L'échauffement transitoire des gaz d'échappement dû à la commande 9 est insuffisant pour régénérer les particules piégées par le filtre à particules 7. Les contraintes thermiques dans les chambres de combustion 12 et dans l'échappement à proximité du bloc moteur 1 sont ainsi réduites. Des tests ont également permis de déterminer que la dilution de carburant dans l'huile pouvait être divisée par quatre par rapport à un moteur dans lequel la régénération du filtre à particules est générée par un réchauffement dans la chambre de combustion en réduisant la quantité d'air d'admission. Le réchauffement par la commande 9 peut être réalisé par une injection de carburant tardive dans les chambres de combustion 12. Cette injection tardive sera réalisée entre le début de l'explosion et la phase d'aspiration suivante dans le cycle moteur, en particulier au début de la phase de détente. Le réchauffement par la commande 9 peut également être réalisé en retardant l'injection principale de carburant dans les chambres de combustion 12 ou en augmentant la quantité de carburant injectée dans les chambres de combustion 12 pour accroître la richesse du mélange. De façon générale, on pourra utiliser toute commande intervenant sur le cycle moteur pour réchauffer transitoirement les gaz d'échappement, notamment par dégradation de la combustion. La sonde de température 61 permet de déterminer si le catalyseur d'oxydation 6 est activé ou non. Afin d'activer le catalyseur d'oxydation 6, la commande 9 commande une augmentation de température lorsque la température mesurée par la sonde 61 est inférieure à un premier seuil prédéterminé. Le premier seuil correspondra sensiblement à la température d'activation du catalyseur d'oxydation 6. Afin de garantir que le carburant injecté par le dispositif d'injection 8 sera correctement oxydé dans le catalyseur d'oxydation 6, et ainsi éviter des rejets d'hydrocarbures imbrûlés durant une régénération du filtre à particules 7, l'injection de carburant dans le circuit d'échappement 2 n'est réalisée que lorsque la température mesurée par la sonde 61 est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé, au moins égal au premier seuil. Ainsi, lorsqu'une régénération du filtre à particules 7 est requise, si la température mesurée est supérieure au deuxième seuil, le dispositif d'injection 8 injecte une quantité de carburant adéquate pour provoquer un réchauffement des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules 7, par l'oxydation de ce carburant dans le catalyseur d'oxydation 6. Afin de ne pas réchauffer inutilement les gaz d'échappement dans les chambres de combustion 12, la commande 9 ne commandera avantageusement pas un réchauffement lorsque la température mesurée par la sonde 61 est supérieure à un troisième seuil. Ce troisième seuil sera inférieur à une température de combustion des particules dans le filtre à particules 7. Afin de réduire le coût du moteur, celui-ci sera avantageusement dépourvu de moyens d'injection d'un additif de régénération du filtre à particules 7. On désigne usuellement par additif de régénération de filtre à particules, un produit chimique autre que du carburant et permettant d'abaisser la température de combustion des particules. Le catalyseur d'oxydation 6 est typiquement disposé sous le plancher du véhicule automobile dans lequel le moteur à combustion interne est monté. Afin de bénéficier au maximum du réchauffement des gaz d'échappement par le catalyseur 6, le filtre à particules 7 est de préférence disposé à proximité du catalyseur 6. La figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un moteur selon l'invention. Ce moteur est sensiblement identique à celui de la figure 1. Un pré-catalyseur d'oxydation 5 est disposé dans le circuit d'échappement 2 en aval du turbocompresseur 4 et en amont du catalyseur 6 et du dispositif d'injection 8. Le précatalyseur 5 sera avantageusement disposé dans le compartiment moteur à proximité de l'échappement du bloc moteur 1. Du fait de sa proximité avec le bloc moteur 1, le précatalyseur 5 sera activé très rapidement. Le catalyseur d'oxydation utilisé pour la régénération du filtre à particules pourra également être un catalyseur de traitement des oxydes d'azote de type piège à NOx, ayant également une fonction d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés. Le circuit d'échappement pourra également comprendre un dispositif de traitement des oxydes d'azote de type à réduction catalytique sélective. La figure 3 est un diagramme illustrant différents paramètres d'un moteur selon l'invention durant son cycle d'homologation. Le diagramme en pointillés représente la charge moteur durant le cycle d'homologation. Le diagramme en traits fins illustre la température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation en l'absence d'utilisation d'une commande de réchauffement. Le diagramme en traits épaissis illustre la température des gaz d'échappement en entrée du catalyseur d'oxydation lors de l'utilisation de la commande de réchauffement. Le diagramme en traits discontinus illustre la température des gaz d'échappement en entrée du filtre à particules, durant sa régénération par injection de carburant à l'échappement. La commande de réchauffage augmentant la température du catalyseur d'oxydation, celui-ci atteint sa température d'activation durant le cycle d'homologation. Dès lors, une injection de carburant à l'échappement est initiée, qui provoque une augmentation de température à l'entrée du filtre à particules et donc la régénération de ce filtre. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne, comprenant: - un bloc moteur (1) ; -une commande (9) de réchauffement transitoire des gaz d'échappement issus du bloc-moteur par intervention sur un cycle moteur ; - un circuit d'échappement (2), comprenant au moins un catalyseur d'oxydation (6), ainsi qu'un filtre à particules (7) raccordé en aval du catalyseur d'oxydation ; -un dispositif d'injection (8) de carburant dans le circuit d'échappement (2) en amont du catalyseur d'oxydation ; caractérisé en ce que le filtre à particules (7) est non catalysé et en ce que la commande de réchauffement génère un réchauffement des gaz d'échappement issus du bloc-moteur insuffisant pour régénérer le filtre à particules en l'absence d'injection de carburant par ledit dispositif d'injection (8). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, dans lequel au moins un capteur (51, 61) mesure la température du catalyseur d'oxydation (6), la commande de réchauffement générant une augmentation de température des gaz d'échappement issus du bloc moteur (1) lorsque la température mesurée est inférieure à un premier seuil prédéterminé. 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, dans lequel ledit premier seuil est une température d'activation du catalyseur d'oxydation (6). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le dispositif d'injection (8) n'injecte du carburant dans le circuit d'échappement (2) que lorsque la température mesurée est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé au moins égal au premier seuil. 30 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la commande de réchauffement (9) intervient sur le cycle moteur en commandant une injection de carburant dans une chambre de combustion (12) du bloc-moteur (1) entre une explosion et la phase 35 d'aspiration suivante du cycle moteur. 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la commande de réchauffement intervient sur le cycle moteur en retardant une injection principale de carburant dans une 40 chambre de combustion (12) du bloc-moteur (1).25 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, le moteur étant dépourvu de moyens d'injection d'un additif de régénération du filtre à particules (7). 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre à particules (7) définit un conduit d'écoulement des gaz d'échappement ne présentant pas de matériau catalyseur d'oxydation. 9. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d'échappement (2) comprend un pré-catalyseur d'oxydation (4) raccordé en amont du catalyseur d'oxydation (6). 10. Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne, comprenant une phase transitoire d'activation d'un catalyseur d'oxydation (6) et une phase transitoire de régénération d'un filtre à particules (7) non catalysé et placé dans le circuit d'échappement du moteur en aval du catalyseur d'oxydation (6), la phase de régénération du filtre à particules (7) comprenant l'injection de carburant en amont du catalyseur (6) et du filtre à particules (7), la phase d'activation du catalyseur comprenant un réchauffement des gaz d'échappement issus d'un bloc-moteur par intervention sur le cycle moteur, ce réchauffement étant insuffisant pour régénérer le filtre à particules (7) en l'absence d'injection de carburant à l'échappement.