Brevet FR2962167A1 — publié le 20120106

PROCEDE DE REGENERATION D'UN FILTRE A PARTICULES D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001 La présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules d'un moteur thermique. [0002] Les véhicules munis d'un moteur thermique sont de plus en plus souvent équipés de dispositifs antipollution qui peuvent comprendre un ensemble de catalyseurs transformant les constituants toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrulés, oxydes d'azote) en éléments non toxiques (eau et CO2). Ces dispositifs antipollution comprennent aussi, notamment pour les moteurs Diesel, un filtre à particules qui piège les particules de carbone issues de la combustion dans les cylindres. Un filtre à particules a généralement une forme cylindrique et est réalisé en céramique. Le filtre est composé d'une multitude de canaux parallèles, de petits diamètres, qui piègent les particules. Ces dernières s'accumulent dans le filtre et il est périodiquement nécessaire de régénérer le filtre en éliminant les particules piégées afin d'éviter une perte de charge trop importante dans la ligne d'échappement. Pour cela, la température du filtre est augmentée jusqu'à atteindre une température à laquelle les particules de carbone brulent. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour élever la température. Par exemple une résistance chauffante peut être insérée dans le filtre. Cependant la méthode la plus répandue consiste à provoquer une modification des conditions de combustion du moteur à l'aide d'une commande spécifique, généralement émise automatiquement par le contrôleur de fonctionnement du moteur. Il en résulte une augmentation de la température des gaz d'échappement qui vont traverser le filtre. A cette fin, une quantité supplémentaire de carburant liquide est injectée dans au moins un des cylindres, après le passage du cylindre au point mort haut. Cette quantité supplémentaire est injectée en une ou plusieurs injections après que le piston ait dépassé le point mort haut, ces injections étant alors appelées des post-injections. Ce carburant post-injecté se vaporise et est l'objet d'une réaction exothermique dans le catalyseur, ce qui élève la température des gaz d'échappement et donc la température du filtre à particules traversé par ces gaz. [0003] Le basculement sur ce réglage spécifique du moteur est souvent possible mais son recours doit être limité car il peut être pénalisant pour l'utilisateur (surconsommation de carburant par exemple). Il peut aussi présenter certains risques pour la durée de vie du moteur (dilution de carburant dans l'huile du moteur par exemple). [0004 On cherche donc, lors de ces phases de régénérations à maîtriser la combustion pour, d'une part, élever la température du filtre à une température juste suffisante pour que la régénération se produise mais pas au-delà pour ne pas endommager le filtre (risque de fissures par exemple) et, d'autre part, à limiter le plus possible l'introduction de gasoil dans l'huile. [0005] Les réglages d'injection appliqués pour augmenter la température dans la ligne des gaz d'échappement et brûler les suies piégées dans le filtre à particules ont pour but d'augmenter la richesse du mélange et d'étaler la combustion dans le cycle moteur. Ainsi, les différentes injections utilisées (injection principale située vers le point mort haut et les injections suivantes, appelées post-injections) sont réalisées très tardivement dans le cycle, voire même dans la phase de redescente du piston, proches du point mort bas. Ces post-injections provoquent un risque d'impact du jet de gasoil sur les parois du cylindre recouvertes d'huile. Cette dernière, contenant du gasoil, retourne dans le bac à huile. On peut donc avoir une quantité de gasoil non négligeable dans l'huile moteur. L'accumulation de gasoil dans le bac à huile est le phénomène de dilution préjudiciable pour la durée de vie du moteur. [0006] Une solution pour combattre ce phénomène est proposé dans la demande de brevet US 2009/0266055/Al , qui décrit une stratégie d'injection de carburant pour obtenir un niveau de dilution de carburant dans l'huile inférieur à un seuil prédéterminé. Cette stratégie consiste principalement en une injection principale suivie d'une première et d'une deuxième post-injection. Cependant cette méthode n'est pas satisfaisante car elle ne tient pas compte de paramètres importants intervenant dans le phénomène de dilution, tels que par exemple l'évaporation du carburant. [000n La présente invention propose un procédé de régénération du filtre à particules permettant de mieux contrôler l'élévation de température du filtre à particules et de diminuer, voire même de supprimer, la présence d'hydrocarbure dans le bac à huile. [000si De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules destiné à équiper une ligne des gaz d'échappement d'un moteur thermique, selon lequel la régénération du filtre est réalisée par augmentation de la température du filtre en effectuant des post-injections d'hydrocarbure dans au moins un cylindre du moteur. [0009] Selon ce procédé : - la quantité d'hydrocarbure à post-injecter est déterminée de façon à atteindre la température de régénération du filtre, - une fenêtre temporelle d'injection de ladite quantité d'hydrocarbure est déterminée, et - ladite quantité d'hydrocarbure est injectée sous la forme d'une série de micro-injections dont le phasage est déterminé en tenant compte du temps d'évaporation des quantités d'hydrocarbure contenues dans lesdites micro-injections. - Ladite quantité d'hydrocarbure à post-injecter peut être déterminée au 25 banc d'essais en fonction du régime moteur et du couple moteur. Cette quantité d'hydrocarbure à post-injecter peut être une quantité de vapeur d'hydrocarbure, laquelle peut être convertie en une quantité d'hydrocarbure liquide. [0010] Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention: - ladite fenêtre temporelle peut être déterminée en fonction du temps d'évaporation des quantités d'hydrocarbure contenues dans lesdites micro-injections et/ou en fonction de la vitesse maximale d'expulsion des gaz d'échappement. - la première desdites micro-injections est réalisée au moment où la vitesse d'expulsion des gaz d'échappement est maximale, diminué du temps nécessaire à la vaporisation de la quantité d'hydrocarbure contenue dans ladite première micro-injection; - l'intervalle de temps séparant deux micro-injections successives est au minimum égal à la période de temps nécessaire pour vaporiser la quantité d'hydrocarbure contenu dans la première desdites micro- injections successives; - ledit intervalle de temps est au maximum égal au temps nécessaire pour que le carburant injecté dans un cylindre atteigne l'une des parois dudit cylindre; - la quantité d'hydrocarbure contenu dans chaque micro-injection est comprise entre une quantité minimale qui dépend de l'architecture des injecteurs de carburant et une quantité maximale qui est limitée par un seuil prédéterminé de dilution d'hydrocarbure dans l'huile du moteur. [0011] L'invention concerne également un système de la régénération d'un filtre à particule destiné à être placé dans une ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique. Selon l'invention, le système comporte un contrôleur adapté à mettre en oeuvre le procédé de régénération tel que défini précédemment. [0012] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - les figures 1 à 6 illustrent les étapes du procédé, - la figure 7 illustre la recherche du temps de séparation optimal pour la dilution d'hydrocarbure dans l'huile, - la figure 8 montre la séparation optimale entre deux micro-injections successives n-1 et n en fonction du débit de la micro-injection n-1, et - les figures 9 et 10 illustrent l'impact de la séparation entre deux micro- injections sur la dilution. [0013] Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. [0014] Le mode de mise en oeuvre décrit ci-après concernant la régénération du filtre à particules d'un moteur Diesel, le carburant est donc du gasoil. On utilisera donc indifféremment le terme "hydrocarbure" ou "carburant" ou "gasoil". [0015] La présente invention propose de piloter la quantité d'hydrocarbure dans la ligne des gaz d'échappement, par une répartition spécifique de la quantité d'hydrocarbure présente dans chaque micro-injection et de répartir dans le temps (le "phasage") ces micro-injections en tenant compte du temps d'évaporation de l'hydrocarbure. L'objectif est de limiter le plus possible la pénétration du jet de gasoil dans la chambre de combustion afin d'éviter que le jet n'atteigne les parois de la chambre, mais également de laisser le temps au gasoil de s'évaporer entre les différentes injections. L'évaporation se produit principalement dans les parties du moteur les plus chaudes et donc principalement dans la chambre de combustion. L'objectif final est de réduire la dilution pour une température d'échappement donnée. On rappelle que la dilution se définit comme la quantité d'hydrocarbure introduite dans le film d'huile recouvrant les parois de la chambre de combustion, diminuée de la quantité d'hydrocarbure évaporée dans le bac à huile. [0016] Suite à la réalisation d'essais, les inventeurs se sont aperçus que la dilution est très sensible à la vaporisation du jet d'hydrocarbure et que, plus la quantité d'hydrocarbure injectée augmente, plus la dilution augmente. D'autre part, plus la température à atteindre pour brûler les suies piégées dans le filtre est élevée, plus la quantité de gasoil à injecter est importante et plus on doit injecter tardivement pour éviter la combustion du gasoil qui engendrerait du couple moteur non maîtrisé et des problèmes d'à-coups indésirables pour le conducteur. [0017] Sur la figure 1 qui illustre la première étape du procédé, des essais sont réalisés au banc afin d'obtenir, en fonction du régime moteur et du couple moteur, au moins une cartographie de la quantité d'hydrocarbure nécessaire pour atteindre la température de régénération du filtre. Le banc d'essais comporte un moteur 10 avec une chambre de combustion 11 délimitée par les parois 12, 13 et par le dessus 14 du piston 15. Une ligne d'échappement des gaz brûlés 16 comporte au moins un catalyseur 17 et un filtre à particules 18. Le catalyseur peut être du type catalyseur d'oxydation Diesel ("Diesel Oxydation Catalyst" désigné souvent par l'appellation DOC). Les quantités d'hydrocarbure sont généralement exprimées sur les cartographies en parties par million (ppm). [ool8] Les cartographies réalisées à la première étape du procédé concernent généralement des quantités de vapeur de gasoil à injecter dans le ou les cylindre(s). La deuxième étape du procédé (figure 2) consiste alors à convertir les quantités de vapeur gasoil 20 en quantités de gasoil liquide 21. [0019] La troisième étape illustrée sur la figure 3 concerne la détermination d'une fenêtre temporelle optimum pour réaliser les post-injections de gasoil. Sue cette figure, l'axe horizontal représente le temps t. Le point mort haut PMH et le point mort bas PMB du piston sont représentés sur cette échelle de temps. [0020] De façon connue, avant le passage du piston au point mort haut PMH, on réalise des injections pilotes 30 et 31. Après le passage du piston au point mort haut PMH, une injection principale 32 de carburant est réalisée, suivie par une injection 33 appelée "split injection". Les injections pilotes 30 et 31 servent à préparer le mélange et à limiter le bruit de claquement spécifique au moteur diesel. L'injection principale 32 alimente le cylindre pour que le moteur atteigne le couple demandé par le conducteur. La split injection 33 sert, par sa combustion, à augmenter la température de la chambre de combustion. [0021] Les post-injections (que l'on appellera "micro-injections") qui suivent la "split injection" 33 ne brûlent pas, mais le carburant injecté se vaporise dans la chambre de combustion, et éventuellement dans la ligne d'échappement, pour être transformé en température par réaction exothermique dans le catalyseur. [0022] Sur la figure 3, la courbe 34 représente la vitesse d'expulsion des gaz d'échappement. Cette courbe est obtenue par des mesures effectuées au banc d'essais (par exemple à l'aide d'un capteur de pression situé dans la ligne des gaz d'échappement le plus près possible du cylindre). Selon la troisième étape du procédé on détermine une fenêtre temporelle 35 pendant laquelle seront réalisées les micro-injections. Cette fenêtre 35 est liée à la vitesse 34 d'expulsion des gaz au niveau de la soupape d'échappement. Le pic 36 d'expulsion des gaz est cartographié dans un plan régime / couple moteur et fait suite à des essais sur banc ou à des modélisations. La position du pic de vitesse 36 se déplace vers la droite sur la figure 3 lorsque le régime moteur augmente. Le début 37 de la fenêtre 35, qui correspond généralement avec le début de la première micro-injection, est défini par rapport au pic de vitesse 36 mais aussi par rapport au temps de vaporisation 38 de la quantité d'hydrocarbure à injecter pour la première micro-injection. Cette dernière peut donc être effectuée à un temps correspondant au pic de vitesse 36, diminué du temps de vaporisation 38. Ce dernier est lié à la physique de vaporisation du gasoil, à la quantité de gasoil à vaporiser et à la pression d'injection. La longueur ou durée de la fenêtre 35 est déterminée en fonction de la quantité de gasoil à injecter pour atteindre l'exotherme souhaité, du nombre de micro-injections à réaliser et de la séparation temporelle entre deux micro-injections successives. Connaissant la durée de séparation entre deux micro-injections successives et le nombre de micro-injections, on peut déterminer la largeur de la fenêtre 35. [0023] L'étape suivante du procédé consiste à fractionner le volume total de gasoil à injecter (illustré sur la figure 2) en une série de post-injections (appelées "micro-injections"). Le volume total à injecter (40 sur la figure 4) est segmenté en une série 41 de micro-injections 42, 43, 44 et 45. Chacune des micro-injections comporte une quantité intermédiaire de carburant comprise entre une quantité maximale définie par la quantité au-delà de laquelle le phénomène de dilution se produirait ou dépasserait un seuil de dilution prédéterminé et une quantité minimale qui est limitée par l'architecture des injecteurs. Les micro-injections peuvent comporter des quantités de gasoil identiques, mais pas nécessairement. Par exemple, si le volume total à injecter 40 est de 19 mm3/cycle, il peut être fractionné en quatre micro-injections de 4 mm3/cycle chacune et d'une micro-injection de 25 trois mm3/cycle. [0024] Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la quantité de carburant à injecter par micro-injection est choisie à une valeur maximale tout en ne dépassant pas une quantité qui conduirait à une dilution du gasoil dans l'huile ou à un taux de dilution dépassant un seuil prédéterminé. Pour 30 un taux de dilution pratiquement nul, le jet de gasoil injecté dans la chambre de combustion ne doit pas atteindre les parois du cylindre et pour cela il doit s'être évaporé avant d'atteindre une paroi de la chambre. [0025] La figure 5 montre une série de trois micro-injections 50, 51 et 52 qui sont réalisées dans la fenêtre temporelle 53 telle que définie précédemment. Sur cette figure sont également représentés les points mort haut PMH et bas PMB, les injections pilotes 54, l'injection principale 55, la "split injection" 56, la courbe 57 de vitesse d'expulsion des gaz d'échappement avec son pic 58 et le temps d'évaporation 59 de la quantité de carburant comprise dans la première micro-injection 50. [0026] A l'étape suivante du procédé, illustrée sur la figure 5, on tient compte du temps d'évaporation de la quantité de gasoil contenue dans chaque micro-injection. Plus précisément, pour une série de n micro-injections successives, on tient compte du temps d'évaporation de la quantité de gasoil contenue dans la micro-injection n-1 afin de déterminer le temps de séparation minimal entre les micro-injections n-1 et n. En d'autres termes, on tient compte du temps d'évaporation entre la fin d'une micro-injection et le début de la suivante. Ainsi sur la figure 6, la micro-injection 60 est distante de la micro-injection suivante 61 d'un intervalle de temps 62. De même, la micro-injection 61 est distante de la micro-injection suivante 63 d'un intervalle de temps 64. Ces intervalles de temps 62 et 64 dépendent des quantités de gasoil contenues dans les micro-injections 60 et 61 et doivent être suffisamment longues pour que le gasoil liquide contenu dans les micro-injections 60 et 61 ait eu le temps de se transformer en vapeur qui sera acheminée vers le catalyseur de la ligne d'échappement. Cet intervalle de temps (temps de vaporisation) doit être inférieur au temps nécessaire à la phase liquide du jet de gasoil pour atteindre l'une des parois de la chambre de combustion. Si cet intervalle de temps était mal adapté à la quantité injectée, il existerait un risque de recouvrement d'au moins l'une des parois de la chambre de combustion par du gasoil liquide et l'on aurait donc de la dilution du gasoil dans l'huile moteur. Les intervalles de temps 62 et 64 séparant des micro-injections successives sont alors choisis de façon à ne pas dépasser un seuil de dilution prédéterminé, lequel peut être pratiquement nul. On remarquera que si les quantités de gasoil des micro-injections sont identiques, les temps de séparation entre deux micro- injections peuvent être égaux. Cependant de façon générale, ces temps sont ajustables pour tenir compte des temps d'évaporation. [0027] L'intervalle de temps 65 qui sépare le point mort haut PMH du début de la première micro-injection 60 est au minimum égal au temps qui sépare le point mort haut PMH du début 66 de la fenêtre temporelle 67. Le début 66 de cette fenêtre est déterminé, comme expliqué en regard de la figure 3, par rapport au pic de vitesse et par rapport au temps de vaporisation de la quantité d'hydrocarbure à injecter pour la première micro-injection. [0028] La figure 7 illustre la recherche du temps de séparation optimal pour la dilution (pour un débit de micro-injection fixé). La courbe 70 représente la dilution en fonction du temps de séparation ts entre deux micro-injections successives et la courbe 71 représente l'évaporation en fonction dudit temps de séparation ts. La dilution et l'évaporation sont exprimées en g/heure. La courbe d'évaporation 71 atteint un plateau 72 et l'optimum de séparation tOpT correspond au temps ts pour lequel on atteint ce plateau. De plus, lorsque les courbes 70 et 71 se coupent (ce qui n'est pas toujours le cas) en un point 73, la séparation optimale correspond au point de rencontre 73 ( et tOpT sur la figure 7) des courbes 70 et 71. [0029] La courbe 80 de la figure 8 représente la séparation temporelle optimale tOpT en fonction de la quantité de gasoil Q de la micro-injection de rang n-1. On remarque que plus la quantité injectée augmente, plus il est nécessaire d'éloigner temporellement les micro-injections. [0030] Les figures 9 et 10 représentent chacune une courbe expérimentale représentant la dilution Dil. (en g/h) en fonction du temps de séparation ts entre deux micro-injections successives. Les courbes 90 et 100 des figures respectivement 9 et 10 sont des exemples de résultats d'essais pris sur un point de fonctionnement donné du champ moteur (le point de fonctionnement de la courbe 90 étant différent de celui de la courbe 100). [0031] La courbe 90 correspond à un essai réalisé avec deux micro-injections de 5 mg/cp chacune sur un point de fonctionnement à faible charge. La courbe 100 correspond à un essai réalisé avec deux micro-injections de 7 mg/cp chacune. On remarque que la dilution Dil diminue lorsque la séparation ts entre deux micro-injections augmente. [0032] La séparation entre deux micro-injections est exprimée en degrés, la référence étant prise par rapport à la position angulaire du vilebrequin. [0033] La présente invention concerne également un système de régénération d'un filtre à particule destiné à être placé dans une ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique. Ledit système comporte un contrôleur adapté à mettre en oeuvre le procédé de régénération défini précédemment. Ce contrôleur, qui peut être avantageusement le contrôleur dédié à la gestion de fonctionnement du moteur, comporte une mémoire dans laquelle un logiciel a été chargé. Ce logiciel comporte une suite d'instructions permettant de piloter le fonctionnement du moteur selon le procédé de l'invention, notamment les phases de micro-injections. Lesdites instructions reproduisent les différentes étapes du procédé définies précédemment. [0034] L'invention permet d'atteindre les niveaux de température exigés pour la régénération des filtres à particules, température généralement comprise entre 800 et 1000°C, sans dégrader la qualité de l'huile moteur, la dilution du carburant dans l'huile étant maintenue à niveau acceptable. Cet avantage permet d'espacer les vidanges de l'huile moteur, de limiter les risques de casse du moteur et du turbocompresseur et les risques d'emballement du moteur par excès de carburant dans l'huile et de mauvaise combustion des suies dans le filtre à particules. [0035] D'autres modes de réalisation que celui décrit et représenté peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Le mode de mise en oeuvre décrit concerne le gasoil comme carburant, mais l'invention peut être appliquée à un autre type de carburant. REVENDICATIONS1. Procédé de régénération d'un filtre à particules (18) destiné à équiper une ligne des gaz d'échappement (16) d'un moteur thermique (10), selon lequel la régénération du filtre est réalisée par augmentation de la température du filtre en effectuant des post-injections d'hydrocarbure dans au moins un cylindre du moteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que : - la quantité d'hydrocarbure (40) à post-injecter est déterminée de façon à atteindre la température de régénération du filtre, - une fenêtre temporelle (53, 67) d'injection de ladite quantité 10 d'hydrocarbure est déterminée, et - ladite quantité d'hydrocarbure est injectée sous la forme d'une série de micro-injections (60, 61, 63) dont le phasage (62, 64) est déterminé en tenant compte du temps d'évaporation (59) des quantités d'hydrocarbure contenues dans lesdites micro-injections. 15 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite quantité d'hydrocarbure (40) à post-injecter est déterminée au banc d'essais en fonction du régime moteur et du couple moteur. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite quantité d'hydrocarbure à post-injecter est une quantité de 20 vapeur d'hydrocarbure (20) et en ce que ladite quantité de vapeur est convertie en une quantité d'hydrocarbure liquide (21). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite fenêtre temporelle (53) est déterminée en fonction du temps d'évaporation (59) des quantités d'hydrocarbure contenues dans lesdites 25 micro-injections (50, 51, 52). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite fenêtre temporelle (53) est déterminée en fonction de la vitesse (57) maximale (58) d'expulsion des gaz d'échappement. 6. Procédé selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que la première (50) desdites micro-injections est réalisée au moment où la vitesse d'expulsion des gaz d'échappement est maximale (58), diminué du temps (59) nécessaire à la vaporisation de la quantité d'hydrocarbure contenue dans ladite première micro-injection (50). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'intervalle de temps (62) séparant deux micro-injections successives n (61) et n-1 (60) est au minimum égal à l'intervalle de temps (62) nécessaire pour vaporiser la quantité d'hydrocarbure contenu dans ladite micro-injection n-1 (60). 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit intervalle de temps (62, 64) est au maximum égal au temps nécessaire pour que le carburant injecté dans un cylindre atteigne l'une des parois (12, 13, 14) dudit cylindre. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité d'hydrocarbure (42, 43, 44, 45) contenu dans chaque micro-injection est comprise entre une quantité minimale qui dépend de l'architecture des injecteurs de carburant et une quantité maximale qui est limitée par un seuil prédéterminé de dilution d'hydrocarbure dans l'huile du moteur. 10. Système de régénération d'un filtre à particule destiné à être placé dans une ligne d'échappement des gaz de combustion d'un moteur thermique, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte un contrôleur adapté à mettre en oeuvre le procédé de régénération selon l'une des revendications précédentes.