Brevet FR2949815A1 — publié le 20110311

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SAUVEGARDE D'UN FILTRE A PARTICULES [0001] L'invention porte sur le domaine de la dépollution des moteurs à combustion. Plus précisément, l'invention porte sur la surveillance du fonctionnement d'un filtre à particules de suies d'un moteur à combustion. Si l'invention vise préférentiellement les moteurs de type Diesel, elle s'applique également aux moteurs à allumage commandé dont le circuit de traitement des gaz d'échappement comporte un filtre à particules. [0002] Les réglementations à venir en matière d'émission des véhicules automobiles nécessitent l'emploi d'un filtre à particules dans le circuit de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement des moteurs à combustion équipant les véhicules. Généralement, les filtres à particules ont un fonctionnement séquentiel qui repose sur des phases d'accumulation (phase de chargement en particules) et des phases dites de régénération (élimination par combustion des particules accumulées). [0003] Les phases de régénération induisent des niveaux thermiques très élevées dans le media filtrant, pouvant être composé, par exemple et de manière non exhaustive, de carbure de silicium ou de cordiérite. En l'absence de la présente invention et dans certaines situations de fonctionnements en régénération mal maîtrisés ou anormaux (surcharge du filtre en particules par exemple en cas de profil de roulages du véhicule impropres à la régénération, post-injection) les niveaux thermiques atteints pourraient dépasser les valeurs limites acceptables par les matériaux (par exemple environ 1200 °C pour du carbure de silicium) et pourraient conduire à une dégradation du filtre (fissures ou fusion du média filtrant). [0004] Par ailleurs, la régénération des particules dans le filtre est généralement pilotée via une modification du contrôle moteur (post injection et variation du débit d'air). Cependant, il peut arriver dans certains cas et dans certaines conditions, que la régénération se produise de manière spontanée dans le FAP. Ce phénomène peut typiquement se produire lorsque le filtre est fortement chargé (voire surchargé) en particules et que le moteur subit une forte charge, conduisant à des gaz d'échappement suffisamment chaud pour engager la combustion des particules. L'exotherme produit par le début de la combustion des particules conduit alors à un phénomène d'emballement de cette combustion. chauds. Cela peut entraîner des températures élevées au niveau de filtre et provoquer son endommagement. [0005] Dans l'invention, la solution à ces problèmes consiste en l'utilisation d'un système d'extinction dont une buse d'arrosage est placée dans le circuit des gaz d'échappement du moteur en amont du filtre à particules, et dont le fonctionnement est associé à un dispositif permettant de caractériser une combustion de trop grande intensité dans le filtre. [0006] Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de sauvegarde d'un filtre à particules équipant le circuit d'échappement d'un moteur à combustion, dans lequel on détermine l'intensité des combustions se produisant dans le filtre par la détermination d'un paramètre représentatif de ladite intensité, et dans lequel, lorsque l'intensité d'une combustion est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, on pulvérise dans la ligne d'échappement, en amont de la face d'entrée du filtre, un agent apte à arrêter au moins en partie la combustion dans le filtre. Le procédé permet ainsi de stopper très rapidement la combustion dans le filtre, afin de le préserver d'une dégradation irréversible. L'agent pulvérisé peut agir par étouffement de la combustion, ou en réduire le niveau thermique en consommant de l'énergie par exemple du fait de sa chaleur latente d'évaporation. [0007] Dans une variante de l'invention l'agent apte à arrêter la combustion est de l'eau. C'est une solution simple et efficace, dont l'efficacité est avrée. [0008] Dans une variante de l'invention l'agent apte à arrêter la combustion est du dioxyde de carbone. Cette solution est simple et efficace. Le dioxyde de carbone permet un étouffement rapide de la combustion. Il peut en outre être stocké sous pression dans un volume restreint. [0009] Dans une variante de l'invention, l'agent apte à arrêter la combustion est une solution également utilisée dans le circuit d'échappement comme agent de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. On utilise ainsi un agent apte à limiter la combustion dans le filtre, déjà présent dans le véhicule. Les adaptations nécessaires à la mise en oeuvre du procédé sont mineures, ce qui facilite la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. En termes d'implantation, aucun volume supplémentaire n'est spécifiquement alloué à des dispositifs pour la réalisation du procédé selon l'invention. [0010] Dans une variante de l'invention, l'agent apte à arrêter la combustion est une solution d'urée. Une solution SCR d'urée est généralement riche en eau, et est adaptée à produire une extinction ou une limitation d'une combustion dans le filtre à particule. [0011] Dans une variante de l'invention, le paramètre utilisé pour déterminer l'intensité de la combustion est la température dans le filtre. On contrôle ainsi directement le paramètre responsable de la dégradation du filtre. [0012] Dans une variante de l'invention, le paramètre utilisé pour déterminer l'intensité de la combustion comporte le gradient de température dans le filtre. La demanderesse a constaté que le gradient de température dans le filtre est un paramètre tout aussi important dans la détérioration d'un filtre à particules que le niveau absolu de température dans le filtre. [0013] Dans une variante préférentielle de l'invention, le paramètre utilisé pour déterminer l'intensité de la combustion est la variation de taux d'oxygène entre l'amont et l'aval du filtre. En effet, lors d'une combustion dans le filtre, le taux d'oxygène varie beaucoup plus rapidement dans la ligne d'échappement que la température, car les éléments de la ligne d'échappement présentent une certaine inertie thermique. En utilisant comme paramètre la variation de taux d'oxygène entre l'amont et l'aval du filtre, le procédé selon l'invention présente une très bonne dynamique. [0014] L'invention porte également sur un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé développé dans l'invention, et comportant : a. un circuit d'échappement d'un moteur à combustion ; b. un filtre à particules dans le circuit d'échappement ; c. des moyens aptes à déterminer l'intensité d'une combustion dans le filtre à particules ; et comportant, en amont de la face d'entrée du filtre à particules, des moyens de pulvérisation d'un agent apte à arrêter au moins en partie la combustion dans le filtre et des moyens de contrôle de la pulvérisation en fonction d'un paramètre représentatif de l'intensité de la combustion dans le filtre. [0015] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement deux dispositifs aptes à la mise en oeuvre de l'invention. [0016] La figure 1 présente un dispositif apte à la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention. [0017] La figure 2 présente un dispositif apte à la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention, dans le cas où un dispositif SCR est utilisé pour éteindre la combustion dans le filtre. [0018] Dans la variante de l'invention représentée en figure 1, un circuit des gaz d'échappement d'un moteur à combustion comporte, selon le sens d'écoulement des gaz, un catalyseur 1 suivi d'un filtre à particules 2. Un capteur de température 3 est positionné en sortie du filtre à particules, et permet de déterminer la température dans le filtre ainsi que ses variations. [0019] Dans une variante de l'invention non représentée ici, une seconde sonde de température peut être positionnée en entrée du filtre 2, ce qui permet de suivre aisément le gradient de température dans le filtre 2. Dans une autre variante, le capteur de température en entrée du filtre peut être remplacé par un modèle de calcul se basant sur une fonction des paramètres de fonctionnement du moteur. [0020] Le capteur de température 3 en sortie du filtre 2, permet de définir un paramètre permettrant de déterminer l'intensité d'une combustion (ou d'une oxydation des suies) dans le filtre 2. Ce paramètre peut être, par exemple, la température mesurée, la dérivée de la température mesurée, la variation cette température, une température calculée dans le filtre en fonction des températures mesurées et de leur évolution. Il peut également s'agir de l'énergie produite par la combustion, et calculée par intégration des températures mesurées au cours du temps. [0021] Dans le cas où l'on dispose d'une information sur la température en entrée du filtre 2, grâce à un capteur ou un modèle de calcul, le paramètre permettrant de déterminer l'intensité d'une combustion dans le filtre 2 peut être, par exemple, le gradient de température dans le filtre 2 ou son évolution, ou encore l'écart de température entre l'amont et l'aval du filtre 2. [0022] Dans une autre variante de l'invention, le paramètre peut être la concentration en oxygène en aval du filtre 2 ou son évolution. On détermine l'intensité de la combustion dans le filtre 2 par le suivi de cette concentration (l'oxygène présent dans les gaz d'échappement étant consommé par la combustion). Une chute brutale du taux d'oxygène peut être causée par une combustion intense, ou, une chute du taux d'oxygène en l'absence d'une régénération pilotée du filtre 2 peut être le signe d'une combustion spontanée dans le filtre 2. Un capteur adéquat permet la détermination du taux d'oxygène dans la ligne d'échappement, en aval du filtre 2 à particules. Il peut s'agir d'un capteur à oxygène (sonde � lambda � proportionnelle) ou d'un capteur à oxyde d'azote dont les mesures permettent d'inférer le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement. En amont du filtre 2 à particule, le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement peut être connu à l'aide d'un capteur adapté ou d'un modèle de calcul fonction des paramètres de fonctionnement du moteur. [0023] Un réservoir 4 contenant un fluide apte à arrêter au moins partiellement la combustion dans le filtre est disposé à proximité de la ligne d'échappement. Une branche 5 relie le réservoir à une buse d'injection 6 permettant de pulvériser le fluide contenu dans le réservoir 4 dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules 2, et plus précisément en amont de la face d'entrée du filtre 2,de sorte à éteindre au moins partiellement la combustion dans le filtre. Une vanne 7 pilotée par le système de contrôle commande 8 du moteur est disposée sur la branche 5 de sorte à régler le débit du fluide. [0024] Dans la variante de l'invention représentée en figure 2, le paramètre permettant de déterminer l'intensité de la combustion dans le filtre est la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement, et le fluide permettant l'extinction de la combustion dans le filtre une solution à base d'urée, utilisée par ailleurs pour la réduction catalytique sélective (SCR) des oxydes d'azote. [0025] L'architecture mise en jeu est en grande partie identique à celle de la figure 1. Cependant, le circuit d'échappement présente en outre un catalyseur SCR 9 (selon l'acronyme anglais pour � selective catalytic reduction � ou réduction catalytique sélective) pour le traitement des oxydes d'azotes (NOx) contenus dans les gaz d'échappement. Un catalyseur SCR nécessite l'injection dans la ligne d'échappement d'un agent réducteur. On emploie couramment comme agent réducteur une solution à base d'urée. Dans la variante de l'invention ici représentée, cette solution est également employée en tant qu'agent apte à éteindre au moins pour partie la combustion dans le filtre à particules. Elle est contenue dans le réservoir 4 et introduite dans le circuit d'échappement par la buse d'injection 6. Les quantités injectées sont réglées par la vanne 7 pilotée par le système de contrôle de commande 8 du moteur. [0026] Dans la variante ici représentée, le catalyseur SCR 9 est positionné en amont du filtre à particules 2. Il pourrait, sans préjudice sur l'objet de l'invention, être positionné en aval du filtre à particules 2, dès lors que des moyens d'injection du réducteur SCR sont ménagés en amont de ce dernier. [0027] Dans la variante de l'invention ici représentée, le capteur 7 est un capteur d'oxyde d'azote (dit � capteur Nox �). La mesure de la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement permet de déterminer le taux d'oxygène dans ces gaz. En outre, de manière optionnelle le circuit d'échappement peut être doté, en sortie du moteur et avant le catalyseur d'oxydation 1, d'une sonde apte à mesurer le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement à la sortie du moteur à combustion. [0028] Selon l'invention, que l'on soit dans le cadre du dispositif présenté en figure 1, dans le cadre d'un dispositif présenté en figure 2, ou encore dans toute variante combinatoire de ces deux variantes permettant l'application d'une stratégie conforme à l'invention, on surveille un paramètre représentatif de l'intensité d'une combustion dans le filtre 2. Lorsqu'on juge, selon ce paramètre, que l'intensité de la combustion risque de compromettre l'intégrité du filtre 2, le contrôle commande 8 ordonne l'ouverture de la vanne 7 de sorte à pulvériser du liquide contenu dans le réservoir 4 dans le circuit des gaz d'échappement, en amont du filtre à particule. [0029] En pénétrant dans le filtre, ce fluide va arrêter ou ralentir la combustion (oxydation des suies contenues dans le filtre). Si ce fluide est du dioxyde de carbone, l'abaissement du taux d'oxygène dans les gaz d'échappement va étouffer la combustion par manque de comburant. Si ce fluide est de l'eau, ou une solution SCR (cas d'espèce présenté en figure 2), l'étouffement de la combustion met en jeu les phénomènes suivants. Si le fluide injecté est de l'eau ou un solution aqueuse (par exemple une solution d'urée également employée comme agent de réduction SCR), le phénomène physique principal mis en jeu dans l'abaissement de la température est la vaporisation de l'eau, consommatrice d'énergie du fait de la chaleur latente de vaporisation de l'eau. En s'évaporant, l'eau absorbe de l'énergie thermique au milieu, et abaisse ainsi la température de l'air environnant. [0030] Des essais menés par la demanderesse ont permis d'établir l'efficacité d'un tel procédé. Typiquement, une injection d'Adblue (solution d'urée contenant 66% d'eau environ) à un débit de 2000 grammes par heure dans un flux de gaz d'échappement de 10 grammes par seconde permet un abaissement de 86°C de la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre à particules. [0031] Dans le cas de figure où le fluide injecté pour arrêter la combustion est le réducteur SCR, on notera que le fonctionnement du système SCR est normalement désactivé au niveau de température auquel un emballement de la combustion dans le filtre peut se produire. En effet, un emballement de régénération, se produit avec un niveau de température des gaz en amont du filtre supérieur à 450°C, ce qui correspond à la température de début de combustion de suies additivées. A ce niveau de température, le fonctionnement du système SCR est désactivé, c'est à dire que l'injection d'urée est stoppée car elle ne serait pas traitée convenablement par le catalyseur SCR (phénomène de désorption). [0032] Dans l'invention, on force donc l'injection de l'agent SCR (solution d'urée) malgré la consigne de pilotage du dispositif SCR qui interdit une telle injection. L'urée va alors se décomposer directement dans la ligne d'échappement, sans être stockée sur le catalyseur SCR. Elle va traverser le catalyseur SCR, abaisser la température des gaz entrant dans le FAP (et ainsi le refroidir). [0033] Le procédé selon l'invention peut également être combiné avec d'autres mesures complémentaires visant à l'étouffement de la combustion. Notamment, si le filtre est dans une phase de régénération commandée, il faut abaisser la température des gaz d'échappement et réduire le débit d'oxygène, par des réglages spécifiques. On arrête alors toutes les mesures visant à régénérer le filtre c'est à dire typiquement toute calibration spécifique du moteur visant à l'échauffement des gaz d'échappement, l'emploi de post-injection (c'est à dire des injections dans les cylindres du moteur après l'allumage), l'injection de gazole à l'échappement, l'actionnement d'accessoires augmentant la charge moteur, etc. On peut également augmenter la richesse des gaz d'échappement, en augmentant fortement la quantité d'hydrocarbures envoyés à l'échappement, soit en augmentant la quantité des post-injections, soit en augmentant la quantité de carburant introduit à l'échappement par un injecteur de carburant à l'échappement. Ces hydrocarbures sont brûlés sur le catalyseur d'oxydation placés en sortie moteur, ce qui réduit la teneur en oxygène des gaz d'échappement, et favorise l'étouffement de la combustion dans le filtre. [0034] L'invention ainsi développée permet d'assurer l'intégrité globale du véhicule, ainsi que la sécurité fonctionnelle du filtre à particules, par une préservation des caractéristiques intrinsèques de la pièce, et en particulier de sa performance de filtration en regard des réglementations sur les émissions polluantes. Revendications: 1. Procédé de sauvegarde d'un filtre à particules (2) équipant le circuit d'échappement d'un moteur à combustion, dans lequel on détermine l'intensité des combustions se produisant dans le filtre (2) par la détermination d'un paramètre représentatif de ladite intensité, et caractérisé en ce que, lorsque l'intensité d'une combustion est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, on pulvérise dans la ligne d'échappement, en amont de la face d'entrée du filtre (2), un agent apte à arrêter au moins en partie la combustion dans le filtre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent apte à arrêter la combustion est de l'eau 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent apte à arrêter la combustion est du dioxyde de carbone. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent apte à arrêter la combustion est une solution également utilisée dans le circuit d'échappement comme agent de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'agent apte à arrêter la combustion est une solution d'urée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre utilisé pour déterminer l'intensité de la combustion est la température dans le filtre (2). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le paramètre utilisé pour déterminer l'intensité de la combustion comporte le gradient de température dans le filtre (2). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que paramètre utilisé pour déterminer l'intensité de la combustion est la variation de taux d'oxygène entre l'amont et l'aval du filtre (2). 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant : • un circuit d'échappement d'un moteur à combustion ;• un filtre à particules (2) dans le circuit d'échappement ; • des moyens aptes à déterminer l'intensité d'une combustion dans le filtre à particules (2) ; et caractérisé en ce qu'il comporte en amont de la face d'entrée du filtre à particules, des moyens de pulvérisation (6) d'un agent apte à arrêter au moins en partie la combustion dans le filtre et des moyens de contrôle de la pulvérisation (8) en fonction d'un paramètre représentatif de l'intensité de la combustion dans le filtre (2).