L'invention concerne l'industrie automobile. Plus précisément, elle concerne la régénération des filtres à particules utilisés notamment sur les lignes d'échappement des moteurs Diesel de véhicules de conception récente.
Les véhicules automobiles à moteur Diesel de conception récente sont équipés, sur leurs lignes d'échappement, de filtres à particules (FAP) utilisés pour réduire leurs émissions de polluants solides. Ces FAP recueillent sur leurs parois des suies qu'il est nécessaire d'éliminer régulièrement pour éviter que le FAP ne se colmate, et lui faire retrouver son efficacité nominale. De plus, le colmatage du FAP crée progressivement une contrepression néfaste au bon fonctionnement du moteur. Cette élimination, appelée « régénération du FAP », peut être réalisée en portant le filtre à une température supérieure à la température de combustion des suies (celle-ci étant normalement de 550°C environ), au moyen des gaz d'échappement qui y circulent. A cet effet, une solution technique consiste à :
La post-injection ou les injections multiples ont pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement et la quantité d'hydrocarbures disponible qu'ils renferment. Ces hydrocarbures sont convertis sur un catalyseur d'oxydation placé en amont du FAP selon une réaction exothermique qui porte les gaz d'échappement à une température supérieure à 450°C. Ils arrivent alors sur le lit de suies, et la combustion des suies se produit grâce à la température élevée des gaz d'échappement et à l'activité catalytique des particules d'additif. Elle est propagée par l'oxygène mis à la disposition du milieu par l'additif.
L'additif d'aide à la régénération est, par exemple, à base de cérine CeO2 et/ou d'oxyde ferrique Fe2O3, ou encore de tout oxyde métallique capable de céder de l'oxygène. Le dosage de cet additif se situe généralement entre quelques ppm et 50ppm de matière active (cérium et/ou fer).
Un inconvénient de cette façon de procéder est que la régénération périodique du FAP laisse subsister à l'intérieur du médium filtrant des impuretés incombustibles constituées par des espèces minérales. Ces impuretés sont, pour une grande partie, des résidus de l'additif d'aide à la régénération. Elles diminuent progressivement l'efficacité du FAP par encrassement, ce qui nécessite de procéder régulièrement à un nettoyage approfondi du FAP, par exemple tous les 80 000km ou tous les 120 000km.
Afin d'espacer davantage ces nettoyages approfondis, il serait nécessaire de parvenir à diminuer la quantité d'additif d'aide à la régénération introduite dans le carburant.
Le document DE-A-100 48 511 décrit un système d'aide à la régénération d'un filtre à particules intégré dans une ligne d'échappement, ce système étant conforme au préambule de la revendication 1, à l'exception de la présence de moyens d'ajout au carburant d'un additif abaissant la température de combustion des particules de suie.
Le but de l'invention est de proposer une solution technique permettant de diminuer la quantité d'additif, sans pour autant que "efficacité de la réduction des émissions de matières polluantes rejetées avec les gaz d'échappement ne s'en trouve affectée.
A cet effet, l'invention a pour objet un système d'aide à la régénération d'un filtre à particules intégré dans une ligne d'échappement d'un moteur Diesel de véhicule automobile, dans lequel le moteur est associé à différents organes, parmi lesquels :
Ledit matériau peut être de l'oxyde de cérium.
Ledit matériau peut être un oxyde mixte de cérium et de zirconium.
Le filtre à particules peut également être revêtu et/ou imprégné par au moins un catalyseur favorisant le déclenchement de réactions tendant à diminuer les émissions polluantes du moteur.
Le filtré à particules peut également être revêtu et/ou imprégné par au moins un catalyseur favorisant le déclenchement de la combustion des suies.
Ledit catalyseur peut être un métal du groupe VIII, tel que du platine, du palladium ou du rhodium ou un mélange de tels métaux.
Le catalyseur favorisant le déclenchement de la combustion des suies peut être disposé de manière privilégiée dans la zone amont des canaux d'entrée du filtre.
La partie terminale de la zone aval du filtre peut être dépourvue de matériau constituant une réserve d'oxygène et de catalyseur.
Le matériau constituant une réserve d'oxygène peut être disposé de manière privilégiée dans la zone périphérique de la section transversale du filtre.
Le catalyseur favorisant le déclenchement de la combustion des suies peut être disposé de manière privilégiée dans la zone centrale de la section transversale du filtre.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à réaliser un revêtement et/ou une imprégnation du médium filtrant du FAP par un composé qui joue le rôle d'un réservoir d'oxygène permettant la propagation de la réaction de combustion des suies lors de l'opération de régénération, en privilégiant la disposition de ce composé dans la zone aval des canaux d'entrée du filtre. Ce composé peut également jouer un rôle catalytique dans l'initiation de la combustion des suies, mais il doit être entendu que c'est la fonction de propagation de cette combustion qui constitue l'aspect essentiel de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes :
On a représenté sur la figure 1 un moteur Diesel de véhicule automobile qui est désigné par la référence générale 1.
Ce moteur Diesel est associé à des moyens d'admission d'air en entrée de celui-ci, qui sont désignés par la référence générale 2.
En sortie, ce moteur est associé à une ligne d'échappement qui est désignée par la référence générale 3.
Des moyens de recyclage de gaz d'échappement du moteur en entrée de celui-ci sont également prévus et sont désignés par la référence générale 4.
Ces moyens sont alors interposés par exemple entre la sortie du moteur et les moyens 2 d'admission d'air dans celui-ci.
La ligne d'échappement peut également être associée à un turbocompresseur désigné par la référence générale 5 et plus particulièrement à la portion de turbine de celui-ci, de façon classique.
Enfin, la ligne d'échappement comporte un catalyseur d'oxydation désigné par la référence générale 6, disposé en amont d'un filtre à particules désigné par la référence générale 7, disposé dans la ligne d'échappement.
Le moteur est également associé à un système d'alimentation commune en carburant des cylindres de celui-ci. Ce système est désigné par la référence générale 8 sur cette figure et comporte par exemple des injecteurs à commande électrique associés à ces cylindres.
Dans l'exemple de réalisation représenté, le moteur est un moteur à quatre cylindres et comporte donc quatre injecteurs à commande électrique, respectivement 9, 10, 11 et 12.
Ces différents injecteurs sont associés à une rampe d'alimentation commune en carburant désignée par la référence générale 13 et reliée à des moyens d'alimentation en carburant désignés par la référence générale 14, comprenant par exemple une pompe à haute pression.
Ces moyens d'alimentation sont reliés à un réservoir de carburant désigné par la référence générale 15 et à des moyens d'ajout à ce carburant d'un additif, par exemple à base de cérine et/ou d'oxyde ferrique (ou de tout oxyde métallique capable de céder de l'oxygène), destiné à se déposer sur le filtre à particules pour abaisser la température de combustion des particules piégées dans celui-ci.
En fait, cet additif peut par exemple être contenu dans un réservoir auxiliaire désigné par la référence générale 16 associé au réservoir de carburant 15 pour permettre l'injection d'une certaine quantité de cet additif dans le carburant.
Enfin, ce moteur et les différents organes qui viennent d'être décrits sont également associés à des moyens de contrôle de leur fonctionnement désignés par la référence générale 17 sur cette figure, comprenant par exemple tout calculateur approprié 18 associé à des moyens de stockage d'informations 19, et raccordé en entrée à différents moyens d'acquisition d'informations relatives à différents paramètres de fonctionnement de ce moteur 1 et de ces organes, ce calculateur 18 étant alors adapté pour contrôler le fonctionnement des moyens d'admission 2, des moyens de recyclage 4, du turbocompresseur 5 et/ou du système d'alimentation 14 pour contrôler le fonctionnement du moteur 1 et notamment le couple engendré par celui-ci en fonction des conditions de roulage du véhicule de façon classique.
C'est ainsi par exemple que ce calculateur 18 est relié à un capteur de pression différentielle 20 aux bornes de l'ensemble formé par le catalyseur 6 et le filtre à particules 7, à des capteurs de température 21, 22 et 23, respectivement en amont du catalyseur 6, entre ce catalyseur 6 et le filtre à particules 7 et en aval de ce filtre à particules 7 dans la ligne d'échappement 3.
Le calculateur 18 peut également recevoir une information de teneur en oxygène des gaz d'échappement à partir d'une sonde Lambda λ désignée par la référence générale 24 sur cette figure, intégrée dans la ligne d'échappement 3.
En sortie, ce calculateur 18 est adapté pour piloter les moyens 2 d'admission d'air, les moyens 4 de recyclage de gaz d'échappement, le turbocompresseur 5, les moyens 16 d'ajout au carburant de l'additif, les moyens 14 d'alimentation en carburant de la rampe commune 8 et les différents injecteurs 9-12 associés aux cylindres du moteur 1.
En particulier, ce calculateur 18 est adapté pour déclencher une phase de régénération du filtre à particules 7 par combustion des particules piégées dans celui-ci en enclenchant une phase d'injections multiples de carburant dans les cylindres du moteur 1 pendant leur phase de détente.
Les particules émises par le moteur 1 au cours de son fonctionnement sont en effet piégées dans le filtre à particules. Il convient alors de régénérer celui-ci régulièrement par combustion de ces particules.
Une ligne d'échappement 3 de moteur 1 à combustion interne selon l'invention comporte donc, de manière connue, un réacteur 6 renfermant un catalyseur d'oxydation (par exemple un métal tel que du platine) assurant, par une réaction exothermique, la conversion des hydrocarbures et du CO renfermés par les gaz d'échappement en CO2 et vapeur d'eau.
Puis, selon l'invention, la ligne d'échappement 3 comporte un FAP 7 qui a pour particularité d'être revêtu et/ou imprégné sur tout ou partie de sa surface et/ou de son volume d'un composé tel qu'un matériau appartenant par exemple au groupe oxyde de cérium et/ou oxyde mixte de cérium et de zirconium. Ce composé doit être capable de constituer une réserve d'oxygène apte à propager la combustion des suies initiée lors d'une opération de régénération du FAP 7. On dit alors que ce composé présente une « fonction OSC » (pour « oxygen storage capacity »).
En même temps, ce composé contribue à abaisser la température de combustion des suies, tout comme le fait l'additif d'aide à la régénération habituellement introduit dans le carburant. Cependant, l'introduction de cet additif demeure nécessaire même avec l'utilisation d'un FAP 7 selon l'invention. En effet, le composé présentant une fonction OSC déposé sur le FAP 7 et/ou l'imprégnant (ce dernier terme signifiant qu'il est présent à la surface des pores situés à l'intérieur des éléments filtrants constituant les parois du FAP) n'assure qu'un contact surfacique avec les suies. Cet effet peut ne pas être suffisant pour abaisser à lui seul la température de combustion des suies dans les proportions assurant une régénération du FAP 7 aussi rapide que souhaitée pour les applications envisagées. De ce point de vue, l'addition de cérine et/ou d'oxyde de fer (par exemple) au carburant permet d'incorporer l'additif d'aide à la régénération au sein des suies elles-mêmes, ce qui lui procure une efficacité optimale. Néanmoins, l'utilisation d'un FAP 7 selon l'invention conjuguée à l'utilisation d'un additif d'aide à la régénération procure un abaissement supplémentaire de la température de combustion des suies, qui est évidemment très favorable du point de vue énergétique. Dans la pratique, il est envisageable que l'on puisse abaisser la température de combustion des suies à 400°C là où, auparavant, à quantité d'additif d'aide à la régénération égale ou même supérieure, on obtenait une température de combustion de 450°C.
Il va de soi que lorsque le composé présentant une fonction OSC n'est pas réparti uniformément sur l'ensemble du médium filtrant, il doit être présent de manière privilégiée dans les parties du médium filtrant où les suies sont captées principalement. C'est, par exemple, le cas de la surface du médium filtrant qui constitue l'entrée du FAP 7, notamment les surfaces définissant les canaux d'entrée du FAP 7 lorsque celui-ci a une structure en nid d'abeilles comme il est classiquement connu.
Le composé présentant une fonction OSC peut ne pas être le seul composé revêtant et/ou imprégnant le FAP 7. II peut être utilisé conjointement à un ou plusieurs catalyseurs destinés à favoriser le déclenchement de la combustion des suies et/ou d'autres réactions tendant à diminuer les émissions polluantes du moteur, par exemple un métal tel que du platine pour catalyser l'oxydation des hydrocarbures et du CO, un catalyseur de traitement des oxydes d'azote, etc. On peut donc envisager que la conversion des hydrocarbures et du CO se passe en partie ou en totalité au sein même du FAP 7 et non forcément dans un milieu séparé 6 en amont du FAP 7. Dans ce cas, la figure 1 serait modifiée, en ce que les zones 6 et 7 seraient confondues, et le capteur de température 22 supprimé.
On peut, par exemple associer le composé présentant une fonction OSC à un « washcoat » déposé sur le FAP 7. L'ajout d'un washcoat sur le filtre composé d'oxyde de Ce ou d'oxyde mixte Ce/Zr, capable de procurer de l'oxygène lors d'une combustion contribue à l'amélioration de l'oxydation des suies, en abaissant la température d'initiation de la combustion, ainsi qu'à la propagation de la combustion.
Le composé à fonction OSC peut être associé en plus à un catalyseur formé par un métal du groupe VIII de la classification périodique ou un mélange de tels métaux, tel que du platine et/ou du palladium et/ou du rhodium. Ainsi, il oxyde directement les suies (par disponibilité de l'oxygène activé) ou indirectement par des réactions exothermiques ayant lieu sur le platine, le palladium ou le rhodium (par oxydation des hydrocarbures et du CO). On diminue ainsi les émissions de polluants et apporte de la température localement, ce qui aide indirectement à l'oxydation des suies.
Le platine et/ou le palladium et/ou le rhodium peuvent être déposé seulement sur un washcoat d'Al2O3 ou être mélangé au washcoat ou au composé à fonction OSC.
Le washcoat déposé sur le FAP peut être composé d'alumine (support catalytique de grande surface) complété par de l'oxyde de Ce (CeO2), et/ou de l'oxyde mixte CexZryO2, en proportion variable, ces oxydes pouvant être intimement liés à l'alumine. La quantité de washcoat peut varier de quelques grammes / litre à quelques dizaines de g/l.
La quantité de métaux précieux doit être suffisamment dispersée et stable, pour rester accessible et efficace pour convertir les polluants. La quantité de métaux précieux est dépendante de la quantité de washcoat et peut varier de quelques dizièmes de grammes à plusieurs grammes sur la totalité du filtre à particules, suivant le rôle à donner à ces métaux précieux. Pour traiter les gaz d'échappement, plusieurs grammes sont généralement nécessaires.
Les figures 2 à 5 présentent schématiquement divers modes possibles de répartition des différents composés dont on a parlé sur la longueur des canaux d'entrée 25 du FAP 7. Dans les exemples représentés, les canaux de sortie 26 du FAP 7 sont dépourvus d'imprégnation, mais il va de soi qu'une imprégnation pourrait y être pratiquée si on le juge utile afin d'y parachever des réactions qui se sont initiées dans les canaux d'entrée 25.
Dans le cas de la figure 2, on a une imprégnation de la totalité de la surface des canaux d'entrée 25 du FAP 7 par une couche unique 27 comportant à la fois le matériau à fonction OSC, un catalyseur métallique et un washcoat. Cette couche 27 peut être homogène en quantité et en composition sur toute la longueur des canaux 25. On peut aussi prévoir de faire varier ces caractéristiques le long des canaux 25 :
Dans le cas de la figure 3, on a une imprégnation de la zone amont 28 des canaux 25 par une couche 30 comportant à la fois le matériau à fonction OSC, le catalyseur métallique et le washcoat, et une imprégnation de la zone aval 29 par une couche 31 ne comportant que le matériau à fonction OSC et le washcoat. En variante, le matériau OSC pourrait être absent de la zone amont.
Dans le cas de la figure 4, on a une imprégnation de la zone amont 28 des canaux 25 par une couche 32 renfermant le matériau à fonction OSC et le washcoat, ladite couche 32 étant elle-même revêtue par une couche 33 renfermant le catalyseur métallique et le washcoat. Quant à la zone aval 29 des canaux 25, elle n'est imprégnée que par la couche 32 dé matériau à fonction OSC et de washcoat.
Dans toutes les configurations qui ont été exposées, on peut également faire le choix de ne pas prévoir de revêtement et/ou d'imprégnation de la zone aval 29, ou au moins de sa partie terminale. C'est en effet là que les impuretés, cendres et résidus divers, subsistant après la combustion des suies tendent à s'accumuler, et ces impuretés altèrent le fonctionnement des catalyseurs. Supprimer ces catalyseurs dans des zones où ils seraient, de toute façon, d'une efficacité moindre que dans le restant du FAP 7 permet de réaliser des économies de matériaux et de limiter les pertes de charge des gaz à l'intérieur du FAP 7.
De même, comme cela est visible sur les figures 5 et 6, on peut moduler la répartition des catalyseurs selon la section transversale du FAP 7.
La figure 5 montre un FAP 7 vu en section transversale. Les modules latéraux 34 sont, par exemple, imprégnés d'une plus grande quantité de matériau à fonction OSC que les modules les plus centraux 35.
Dans cette variante, la répartition du matériau à fonction OSC est sensiblement homogène à l'intérieur de chaque module. Cela peut ne pas être toujours le cas, par exemple comme représenté sur la figure 6, où des portions des modules latéraux 34 sont également incluses dans la zone de plus faible imprégnation de manière à conférer à la zone de plus faible imprégnation une section transversale sensiblement circulaire.
Typiquement, la zone de plus forte imprégnation représente de 30 à 80% de la surface de la section transversale du FAP 7. Dans cette zone, la quantité de matériau à fonction OSC est typiquement de l'ordre de 1,5 à 5 fois celle présente dans les zones de plus faible imprégnation.
Le but d'une telle répartition du matériau a fonction OSC est de réaliser la fourniture d'oxygène de façon privilégiée à l'endroit où il est plus difficile de convertir les suies, c'est à dire en périphérie du FAP 7 où les conditions thermiques sont les moins favorables.
La répartition des autres matériaux imprégnant le FAP 7 peut également être modulée sur la section transversale du FAP 7, mais pas forcément dans le même sens que celle du matériau à fonction OSC. Il est ainsi préférable de privilégier les modules les plus centraux 35 pour l'imprégnation par le catalyseur métallique, afin de convertir les hydrocarbures et le CO préférentiellement là où les conditions d'écoulement et les conditions thermiques sont lés plus favorables à cet effet. Là encore, typiquement, les zones de plus forte imprégnation peuvent contenir 1,5 à 5 fois plus de catalyseur métallique que les zones de plus faible imprégnation.
Dans la pratique, il est avantageux de profiter de l'utilisation d'un FAP 7 selon l'invention pour diminuer la quantité d'additif d'aide à la régénération employée (de l'ordre de 50% ou davantage). Cela a pour effet de réduire la quantité de résidus incombustibles qui se dépose dans le FAP 7, et donc de rendre son nettoyage approfondi moins souvent nécessaire.
Il doit être entendu que l'application d'un FAP 7 selon l'invention aux lignes d'échappement de moteurs Diesel n'est qu'une application privilégiée. Un FAP 7 selon l'invention serait utilisable sur la ligne d'échappement de tout type de moteur à combustion interne pour lequel un FAP 7 aurait son utilité.