Brevet FR3010730A1 — publié le 20150320

SYSTEME DE DEPOLLUTION DE GAZ D'ECHAPPEMENT ET VEHICULE EQUIPE D'UN TEL SYSTEME [0001] L'invention a trait au domaine de la dépollution des gaz rejetés par les moteurs diesel. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs diesel contiennent des éléments polluants dont il est préférable de limiter les rejets dans l'atmosphère. Ces éléments polluants émanent de la combustion du carburant diesel par l'air et comprennent généralement les oxydes d'azote (couramment désignés sous l'acronyme NOx), le monoxyde de carbone (CO), le carburant imbrûlé ou encore les particules de suie. [0003] Une fois la combustion terminée, les gaz d'échappement quittent le moteur puis, après avoir éventuellement alimenté un turbocompresseur (aujourd'hui généralisé sur les véhicules diesel), sont canalisés vers une ligne d'échappement. Le long de la ligne d'échappement, les gaz subissent plusieurs traitements par filtration afin qu'en soient au moins partiellement extraits certains éléments nocifs. [0004] Un filtre à particules (FAP) possède le plus souvent une structure en nid d'abeille, et présente une entrée par laquelle s'engouffrent les gaz à filtrer et une sortie d'où les gaz filtrés s'échappent. Entre l'entrée et la sortie, le FAP comprend des conduits adjacents, parallèles, séparés par des parois de filtration poreuses. [0005] Au cours de la vie du véhicule, les parois poreuses accumulent des particules de suie, lesquelles finissent par obstruer le filtre, entravant l'évacuation des gaz. Il est donc nécessaire, pour préserver la fonction de dépollution, de procéder régulièrement à une opération de régénération du FAP. [0006] Le brevet Français FR 2 924 749 (PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES) présente une ligne d'échappement équipée de catalyseurs, d'un FAP et d'un circuit de dérivation des gaz pour la régénération du FAP. [0007] Pour optimiser la filtration des gaz d'échappement, il est connu de placer, en amont du FAP, un catalyseur à NOx. Cet agencement est efficace en termes de filtration mais a pour défaut de dégrader le processus de régénération du FAP. En effet, le catalyseur à NOx bloque certains composants destinés à assurer la régénération d'une couche interne du FAP. [0008] Un premier objectif est par conséquent de proposer un système de dépollution des gaz d'échappement qui permette d'assurer une régénération efficace du FAP. [0009] Un deuxième objectif est de proposer un système de dépollution des gaz d'échappement d'encombrement relativement réduit. [0010] Un troisième objectif est de proposer un système de dépollution des gaz d'échappement facile d'entretien. [0011] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un système de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile comprenant un réservoir de carburant, ce système comprenant : une ligne d'échappement comprenant un filtre à oxydes d'azote suivi d'un filtre à particules ; un réservoir contenant un additif pour la régénération du filtre à particules, ce réservoir étant relié au réservoir de carburant, et un calculateur programmé pour commander une injection, dans le réservoir de carburant, d'une quantité prédéterminée d'additif en fonction de la quantité de carburant contenu dans le réservoir de carburant. [0012] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : le calculateur est programmé pour comparer des quantités de carburant présentes dans le réservoir de carburant avant et après une opération de remplissage du réservoir de carburant ; le calculateur est programmé pour commander l'injection d'additif dans le réservoir de carburant dès lors que la quantité de carburant mesurée après l'opération de remplissage et supérieure à la quantité de carburant mesurée avant l'opération de remplissage ; des capteurs sont reliés au calculateur pour mesurer la quantité de particules présentes dans les gaz d'échappement ; le calculateur est programmé pour ajuster la quantité d'additif de régénération à injecter dans le carburant à partir des mesures issues desdits capteurs. [0013] Il est proposé, en deuxième lieu, un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne, un réservoir contenant un carburant et un système de dépollution tel que présenté ci-dessus. [0014] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'un véhicule automobile comprenant un moteur, une ligne d'échappement et un système de dépollution des gaz d'échappement ; la figure 2 est une vue schématique du système de dépollution du véhicule de la figure 1. [0015] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile comprenant un moteur 2 à combustion interne, un réservoir 3 de carburant (du gasoil), une ligne 4 d'échappement et un système 5 de dépollution de gaz d'échappement issus du moteur 2. [0016] Les produits de la combustion contiennent, à la sortie des chambres de combustion du moteur, des gaz, notamment des oxydes d'azote (NOx) ou du monoxyde de carbone (CO), et des particules (essentiellement des suies) qu'il est nécessaire de filtrer avant le rejet à l'atmosphère. [0017] Les gaz d'échappement sont évacués du moteur 2 par la ligne 4 d'échappement sur laquelle est partiellement installé le système 5 de dépollution pour filtrer les gaz d'échappement avant leur rejet dans l'atmosphère. [0018] La ligne 4 d'échappement débute à la sortie des chambres de combustion par un collecteur 6 d'échappement permettant de collecter les gaz des chambres de combustion pour les réunir dans une seule conduite 7 débouchant dans l'atmosphère. [0019] Le système 5 de dépollution, illustré de manière plus détaillée sur la figure 2, comprend : un catalyseur 8 conçu pour traiter les NOx, typiquement du type à réduction catalytique sélective ou SCR (Selective Catalytic Reduction), disposé en aval du collecteur 6, un filtre 9 à particules ou FAP, disposé en aval du catalyseur 8, des capteurs 10 amont disposés entre le moteur 2 et le catalyseur 8 pour mesurer la quantité de particules nocives (notamment les NOx et suies) présente dans les gaz d'échappement au moins un capteur aval 11 disposé après le FAP 9 pour mesurer le taux de particules (NOx et suies) en aval du filtre 9, ainsi que, le cas échéant, le taux d'oxygène afin d'optimiser la régénération du FAP 9, un calculateur 12, - un réservoir 13 d'urée relié au collecteur entre les capteurs 10 amont, et un réservoir 14, relié au réservoir 3 de carburant et contenant un additif pour la régénération d'au moins l'un des filtres 8, 9. Cet additif est typiquement une solution contenant un oxyde de métal précieux, de préférence un oxyde de palladium. [0020] Le FAP 9 est de préférence imprégné de métaux précieux pour l'élimination du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures (HC) imbrûlés dans les gaz d'échappement. [0021] En variante, le système 5 de dépollution comprend un FAP catalysé imprégné de deux couches catalytiques, à savoir une première couche de type SCR apte à traiter les NOx, et une deuxième couche catalytique oxydante à métaux précieux, apte à traiter CO et HC et disposée en aval de la première couche. [0022] Le réservoir 13 d'urée permet d'améliorer la filtration du système 5 de dépollution en introduisant dans la ligne 4 d'échappement, avant le SCR 8, une solution d'urée (de formule chimique (NH2)2C0) à 30% environ, en tant qu'agent réducteur favorisant la transformation des NOx en azote en tant qu'agent réducteur favorisant la transformation des NOx en un mélange d'azote (N2) et d'eau (H2O). [0023] L'agencement en série des filtres 8, 9 est connu pour atténuer la régénération du FAP 9. En effet, on constate que le SCR 8 bloque ordinairement certains composants destinés à régénérer une couche interne du FAP 9 assurant la filtration du monoxyde de carbone. [0024] Cependant, l'additif de régénération permet, lorsqu'il est mélangé avec le carburant avant d'être injecté avec celui-ci dans les chambres de combustion, d'augmenter la température des gaz d'échappement. [0025] Cela permet à l'additif de traverser le catalyseur 8 (et donc d'atteindre le FAP 9) sans être dégradé, en conservant son pouvoir de régénération du FAP 9. [0026] L'additif de régénération est ajouté au réservoir 3 de carburant en fonction de l'évolution de la quantité de carburant dans celui-ci. [0027] La figure 2 représente schématiquement le fonctionnement du système 5 de dépollution. [0028] Une jauge 15 montée dans le réservoir 3 de carburant est reliée au calculateur 12, qui mesure ainsi à chaque instant la quantité de carburant présente dans le réservoir 3. Le calculateur 12 détermine alors une quantité d'additif de régénération à ajouter dans le réservoir 3 de carburant puis commande une électrovanne 16 de dosage interposée entre le réservoir 14 d'additif et le réservoir 3 de carburant pour injecter dans ce dernier la quantité d'additif déterminée. [0029] Plus précisément, le calculateur 12 est programmé pour effectuer une comparaison entre une quantité de carburant mesurée à un instant tO lorsque le véhicule 1 est arrêté, et une mesure effectuée à un instant t1 suivant la détection d'une ouverture suivie d'une fermeture d'une trappe de remplissage du réservoir 3 de carburant, témoignant qu'une opération de remplissage du réservoir 3 a été réalisée. [0030] Il est à noter que l'ajout d'additif de régénération n'est réalisé que lorsque la quantité de carburant présente dans le réservoir 3 de carburant a augmenté entre les instants tO et H. [0031] Le calculateur 12 prend en compte la nouvelle mesure de la quantité de carburant présente dans le réservoir 3 qui lui est communiquée par la jauge 15 à l'instant t1, et la compare avec la quantité présente à l'instant tO. Le résultat de cette comparaison permet au calculateur 12 de créer une consigne volumétrique d'additif, et de commander l'électrovanne 16 pour injecter dans le réservoir 3 de carburant la quantité d'additif conforme à la consigne ainsi calculée. [0032] Lorsque le moteur 2 est en fonctionnement, le carburant contenant l'additif est injecté dans les chambres de combustion. [0033] Les gaz d'échappement éjectés des chambres de combustion sont regroupés par le collecteur 6 puis injectés dans la ligne 4 d'échappement. Une quantité prédéterminée d'urée est injectée depuis le réservoir 13 en fonction de la quantité de NOx détectée par les capteurs 10. [0034] La régénération du FAP 9 permet de reconstruire la couche interne du FAP 9 qui se dégrade au fur et à mesure de son utilisation. Cette régénération est permise par la montée en température des gaz d'échappement induite par la présence de l'additif de régénération. Compte tenu de la température élevée des gaz d'échappement, le SCR 8 ne retient que les NOx en laissant passer les suies accompagnées de l'additif de régénération du FAP 9. Ainsi, tant la filtration des NOx que celle des suies demeurent efficaces malgré le montage en série des filtres 8 et 9. [0035] Il est à noter, toutefois, que la montée en température est contrôlée et ne dépasse pas un seuil de fonctionnement nominal du moteur 2, afin de ne pas altérer les propriétés mécaniques des matériaux du moteur 2 (notamment carter et culasse). A cet effet, des sondes de températures peuvent être disposées en amont et en aval du couple catalyseur 8 - FAP 9. [0036] Le capteur 11 du système 5 de dépollution est placé en aval de la ligne d'échappement et permet de mesurer le taux de particules nocives rejetées dans l'air et de communiquer cette mesure au calculateur 12 qui peut déterminer s'il est nécessaire d'augmenter ou de diminuer l'ajout d'urée dans la conduite d'échappement, ou de moduler la quantité d'additif de régénération injectée dans le réservoir 3 de carburant depuis le réservoir 14. [0037] Une notification au conducteur, par exemple sous forme d'un témoin lumineux sur le tableau de bord ou un message d'alerte, peut être couplée à cette modulation d'additif de régénération afin de l'inciter à faire vérifier le système 5 de dépollution lors d'une opération de maintenance. [0038] Le système 5 de dépollution tel qui vient d'être présenté procure un certain nombre d'avantages. [0039] Premièrement, le système 5 simplifie la procédure de régénération du FAP car il permet de réaliser le mélange de l'additif avec le carburant avant l'injection dans les chambres de combustion. Dès lors, aucune autre opération d'injection d'additif en aval du moteur n'est nécessaire. [0040] Deuxièmement, le fait de monter le réservoir 14 d'additif au voisinage du réservoir 3 de carburant permet de limiter l'encombrement de la ligne 4 d'échappement. [0041] Troisièmement, le système 5 de dépollution permet de préserver la durée de vie du moteur 2 dans la mesure où la montée en température de la combustion reste en deçà du seuil de fonctionnement nominal du moteur 2. REVENDICATIONS1. Système (5) de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur (2) à combustion interne dans un véhicule automobile comprenant un réservoir (3) de carburant, ce système comprenant : une ligne (4) d'échappement comprenant un filtre (8) à oxydes d'azote suivi d'un filtre (9) à particules ; un calculateur (12), et un réservoir (14) contenant un additif pour la régénération du filtre (9) à particules, caractérisé en ce que le réservoir (14) d'additif est relié au réservoir (3) de carburant, et en ce que le calculateur (12) est programmé pour commander une injection, dans le réservoir (3) de carburant, d'une quantité prédéterminée d'additif en fonction de la quantité de carburant contenu dans le réservoir (3) de carburant. 2. Système (5) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calculateur (12) est programmé pour comparer des quantités de carburant présente dans le réservoir (3) de carburant avant et après une opération de remplissage du réservoir (3) de carburant. 3. Système (5) de dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur est programmé pour commander l'injection d'additif dans le réservoir (3) de carburant dès lors que la quantité de carburant mesurée après l'opération de remplissage et supérieure à la quantité de carburant mesurée avant l'opération de remplissage. 4. Système (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs (10, 11) reliés au calculateur (12) pour mesurer la quantité de particules présente dans les gaz d'échappement. 5. Système (5) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calculateur (12) est programmé pour ajuster la quantité d'additif de régénération à injecter dans le carburant à partir des mesures issues desdits capteurs (10, 11). 6. Véhicule (1) automobile comprenant un moteur (2) à 35 combustion interne, un réservoir (3) contenant un carburant et unsystème (5) de dépollution de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes.