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FR2921969A1 - Dispositif de post-traitement des gaz d'echappement dispose dans une ligne d'echappement pour un moteur a combustion diesel - Google Patents

Dispositif de post-traitement des gaz d'echappement dispose dans une ligne d'echappement pour un moteur a combustion diesel Download PDF

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FR2921969A1
FR2921969A1 FR0758113A FR0758113A FR2921969A1 FR 2921969 A1 FR2921969 A1 FR 2921969A1 FR 0758113 A FR0758113 A FR 0758113A FR 0758113 A FR0758113 A FR 0758113A FR 2921969 A1 FR2921969 A1 FR 2921969A1
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Renault SAS
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé dans une ligne principale d'échappement (10) pour un moteur à combustion diesel (4) comportanta. un premier moyen d'oxydation (1),b. un filtre à particules (3), disposé en aval du premier moyen d'oxydation relativement au sens de l'écoulement des gaz,c. un deuxième moyen d'oxydation (2), disposé en aval du filtre à particules relativement au sens de l'écoulement des gaz,d. une ligne d'échappement secondaire (11) branchée en dérivation sur la ligne d'échappement principale (10),e. une vanne de changement de direction (6) de l'écoulement des gaz d'échappement,caractérisé en ce que la ligne d'échappement secondaire (11) prend naissance dans une partie de la ligne d'échappement principale (10) située en amont du filtre à particules (3), entre le premier moyen d'oxydation (1) et le filtre à particules (3), et débouche dans une partie de la ligne principale d'échappement (10) située en aval dudit filtre à particules (3), entre le filtre à particules (3) et le deuxième moyen d'oxydation (2) de manière que la vanne 6 oriente l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire (11) pour prévenir un emballement du filtre à particules (3).

Description

DISPOSITIF DE POST-TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT DISPOSE DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT POUR UN MOTEUR A COMBUSTION DIESEL
L'invention concerne le domaine de la dépollution diesel, et concerne plus particulièrement un dispositif de post traitement des gaz d'échappement. Pour répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des dispositifs de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre. Ces dispositifs permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces dispositifs fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est à dire qu'en fonctionnement normal ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors des phases de purge. Ainsi pour être régénérés, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux de température et/ou de richesse nécessaires. Un piège à oxyde d'azote ou NOxTrap permet de traiter les oxydes d'azote produits par la combustion diesel dans les cylindres du moteur et emportés par les gaz d'échappement. Le NOxTrap est un système de post traitement qui a un fonctionnement discontinu ou alternatif, qui alterne des phases de stockage où les oxydes d'azote ou NOx présents dans les gaz d'échappement provenant du moteur sont retenus dans le NOxTrap par réaction chimique, et des phases de purge pendant lesquelles les NOx stockés dans le piège sont réduits, c'est-à-dire éliminés du piège. La phase de stockage se produit lorsque les gaz d'échappement sont en milieu pauvre (excès d'oxygène) tandis que la phase de purge a lieu en présence d'un milieu riche (excès de carburant). Ainsi, pour qu'un piège à oxydes d'azote puisse fonctionner correctement et limiter les émissions de NOx, il est nécessaire de pouvoir assurer de manière alternée un fonctionnement à richesse supérieure à 1 pour réduire la quantité d'oxydes d'azote piégée lors du fonctionnement du moteur en mélange pauvre. Cependant, un piège à oxydes d'azote ou NoxTrap stocke le soufre contenu dans les gaz d'échappement et se trouve ainsi empoisonné, ce qui limite son efficacité de stockage des oxydes d'azote. Ainsi, il est nécessaire de pouvoir assurer de manière alternée une purge en fonctionnement à richesse supérieure à 1 amenant le piège à des températures sensiblement de 600°C pour traiter le soufre piégé. Dans une architecture de ligne d'échappement composée d'un premier piège à oxydes d'azote, également appelé NOxTrap, ou d'un catalyseur d'oxydation (DOC) puis d'un filtre à particules (FAP) et enfin d'un second piège à oxyde d'azote, la purge du premier piège d'oxyde d'azote se caractérise par une phase riche qui est maintenue jusqu'à la fin de purge du NOxTrap disposé en aval du filtre à particules. Pour assurer un fonctionnement à richesse supérieure à 1, la quantité d'espèces réductrices par rapport à la quantité d'espèces oxydantes doit être augmentée dans la ligne d'échappement en amont du piège. En effet, dans ce mode de fonctionnement la quantité de dioxygène dans la ligne d'échappement est faible contrairement à la quantité de dioxygène des mélanges pauvres avec des injections normales. Une technique classiquement utilisée pour pouvoir assurer un tel fonctionnement à une richesse supérieure à 1, consiste d'une part à réguler le débit d'air admis et d'autre part à effectuer une post injection, c'est-à-dire à injecter une quantité supplémentaire de carburant dans les cylindres du moteur en fin de cycle. Lors de ces phases de purges, le milieu est riche et les réducteurs génèrent des réactions exothermiques, ce qui augmente les températures du piège à oxydes d'azote et du filtre à particules. Dans ces conditions de hautes températures, le filtre à particules chargé à la fois en suies et en hydrocarbures imbrûlés (HC), présente une forte sensibilité à l'emballement, c'est-à-dire à une combustion non contrôlée des particules, même pour un faible niveau d'oxygène dans les gaz. De plus, lors des phases de purge du piège à oxydes d'azote placé en aval du filtre à particules, le dioxygène présent dans les gaz d'échappement est limité mais lorsque la phase de purge est interrompue, par exemple en phase de décélération ou lors d'un retour à une injection normale, le dioxygène arrive massivement dans la ligne d'échappement et risque de provoquer l'emballement du filtre à particules, et de le détériorer. Pour éviter l'emballement du filtre à particule, le document FR2873164 propose un dispositif et un procédé qui permettent d'augmenter le débit des gaz d'échappement contrôlé par une quantité d'air admise dans les cylindres lorsqu'un emballement est pressenti quand les températures deviennent élevées. Ce procédé permet une évacuation de la chaleur issue de la combustion des suies.
Le document FR2860837 propose un système de purification de gaz d'échappement qui permet de stopper la régénération lorsque la mesure de la quantité de chaleur dégagée dans le filtre à particules dépasse une valeur seuil ou de diminuer la quantité d'oxygène arrivant dans le filtre à particules par une augmentation des injections de carburant lorsque cette quantité de chaleur est en dessous d'un seuil lors du passage au fonctionnement au ralenti du moteur. Un but de la présente invention est de proposer une solution alternative améliorée, simple et peu coûteuse, qui permet d'éviter l'emballement du filtre à particules.
Dans ce but, l'invention a pour objet un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé dans une ligne principale d'échappement pour un moteur à combustion diesel comportant un premier moyen d'oxydation, un filtre à particules, disposé en aval du premier moyen d'oxydation relativement au sens de l'écoulement des gaz, un deuxième moyen d'oxydation, disposé en aval du filtre à particules relativement au sens de l'écoulement des gaz, une ligne d'échappement secondaire branchée en dérivation sur la ligne d'échappement principale, une vanne de changement de direction de l'écoulement des gaz d'échappement, caractérisé en ce que la ligne d'échappement secondaire prend naissance dans une partie de la ligne d'échappement principale située en amont du filtre à particules, entre le premier moyen d'oxydation et le filtre à particules, et débouche dans une partie de la ligne principale d'échappement située en aval dudit filtre à particules, entre le filtre à particules et le deuxième moyen d'oxydation de manière que la vanne oriente l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire pour prévenir un emballement du filtre à particules.
Un tel dispositif de post-traitement des gaz d'échappement permet d'éviter l'emballement du filtre à particule, et limite son vieillissement ou sa destruction.
Selon d'autres caractéristiques, le premier et le deuxième moyen d'oxydation peuvent être des pièges à oxyde d'azote le premier moyen d'oxydation peut être un catalyseur d'oxydation et le deuxième moyen d'oxydation peut être un piège à oxyde d'azote. la vanne peut orienter les gaz d'échappement dans la ligne secondaire d'échappement lors des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation lorsque la température du filtre à particules est sensiblement supérieure à un seuil prédéterminé, la vanne peut orienter les gaz d'échappement dans la ligne secondaire d'échappement lors des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation lorsque la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est sensiblement supérieure à un seuil prédéterminé, la vanne de changement de direction de l'écoulement des gaz d'échappement peut orienter l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire lors des interruptions des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation lorsque le taux de dioxygène dans la ligne principale d'échappement est sensiblement supérieur à un seuil prédéterminé, lorsque les gaz s'écoulent dans la ligne secondaire d'échappement, la vanne peut orienter les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement principale si la température du filtre à particule est inférieure à un seuil prédéterminé et si la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est inférieure à un seuil prédéterminé, lorsque les gaz s'écoulent dans la ligne secondaire d'échappement, la vanne peut orienter les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement principale si la quantité de dioxygène dans la ligne principale d'échappement est inférieure à un seuil prédéterminé.
L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre d'un tel dispositif caractérisé en ce qu'on oriente les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire avant l'emballement du filtre à particules. Selon d'autres caractéristiques, on peut orienter les gaz d'échappement dans la ligne secondaire d'échappement o lors des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation lorsque la température du filtre à particules est sensiblement supérieure à seuil prédéterminé, o lors des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation lorsque la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est sensiblement supérieure à un seuil prédéterminé, o lors des interruptions des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation lorsque le taux de dioxygène dans la ligne principale d'échappement est sensiblement supérieur à un seuil prédéterminé, lorsque les gaz s'écoulent dans la ligne secondaire d'échappement, on peut orienter les gaz d'échappement dans la ligne principale d'échappement o si la température du filtre à particule est inférieure à un seuil prédéterminé et si la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est inférieure à un seuil prédéterminé, o si la quantité de dioxygène dans la ligne principale d'échappement est inférieure à un seuil prédéterminé.
L'invention concerne également un véhicule automobile comportant un tel dispositif de post traitement des gaz d'échappement.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif et sur lequel : la figure 1 est une vue d'ensemble schématique du dispositif selon l'invention.
A la figure 1, on a représenté un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé sur un conduit ou une ligne d'échappement 10, en aval d'un moteur à combustion 4, par exemple à quatre cylindres muni d'un système d'injection 5.
La ligne 10 d'échappement est une ligne principale de l'écoulement des gaz d'échappement, et comporte des moyens d'oxydation 1, 2, 3. Ces moyens 1,2,3 d'oxydation sont formés par un premier piège d'oxyde d'azote appelé NoxTrap 1 ou un catalyseur d'oxydation pour moteur diesel appelé DOC 1, suivi d'un filtre à particules 3, en aval duquel se trouve un deuxième piège d'oxyde d'azote 2, appelé NoxTrap 2. La ligne principale d'échappement 10 comporte une ligne secondaire 11 d'écoulement des gaz d'échappement branchée en dérivation sur la ligne principale 10. La ligne secondaire 11, ou ligne de dérivation, prend naissance dans une partie de la ligne d'échappement principale située en amont du filtre à particules 3, entre le premier piège d'oxyde d'azote 1 et le filtre à particules 3, et débouche dans une partie de la ligne principale d'échappement 10 située en aval du filtre à particules 3, entre le filtre à particules 3 et le deuxième piège d'oxyde d'azote 2. La ligne principale d'échappement 10 comporte une vanne 6 apte à modifier la direction de l'écoulement des gaz d'échappement, appelée vanne de changement de direction de l'écoulement des gaz d'échappement, La vanne 6 est disposée en aval du filtre à particules 3, et permet aux gaz d'échappement de s'écouler soit dans la direction de la ligne d'échappement principale 10, du NoxTrap 1 vers le filtre à particules 3, soit dans la direction de la ligne secondaire 11, du NoxTrap 1 directement vers le NoxTrap 2 sans passer par le filtre à particules 3. La vanne de changement de direction 6 oriente les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement principale 10 lorsque le moteur 4 fonctionne en mélange pauvre afin de piéger les suies dans le filtre à particules 3.
La vanne 6 de changement de direction de l'écoulement des gaz d'échappement peut être sollicitée pour faire passer l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne de dérivation 11 lorsque le milieu est à une richesse supérieure à 1, lors des phases de purge du deuxième piège à oxyde d'azote NoxTrap 2. En particulier, on fait circuler les gaz d'échappement par la ligne de dérivation 11 lorsque la température des gaz d'échappement est très élevée, c'est-à-dire lorsque la température mesurée par une sonde de température non représentée disposée dans la ligne d'échappement, est sensiblement supérieure à 500°C (cas a). De même, on commande la vanne 6 pour faire passer les gaz d'échappement dans la ligne de dérivation 11 lorsque la quantité d'hydrocarbures imbrûlés HC traversant le filtre à particules 3 est très importante ou sensiblement supérieure à un seuil prédéterminé, c'est-à-dire lorsque la quantité d'hydrocarbures imbrûlés atteint des valeurs sensiblement supérieures à 1000 ppm (partie par million). La quantité d'hydrocarbures imbrûlés est par exemple déterminée par des procédés de modélisation, permettant d'évaluer le taux d'hydrocarbures imbrûlés en fonction de la température des gaz d'échappement mesurée par la sonde de température 9 (cas b). Dans un autre mode de réalisation, la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est délivrée par un capteur HC disposé en amont du filtre à particules 3 pour mesurer directement la quantité d'hydrocarbures imbrûlés traversant le filtre à particules 3.
Lorsque le moteur fonctionne dans un milieu à richesse sensiblement supérieure à 1, le dioxygène présent dans les gaz d'échappement est limité. Or si la phase de purge du deuxième piège à oxyde d'azote 2 est interrompue par exemple lors d'une phase de décélération ou lors d'un retour à une injection normale, le dioxygène peut arriver en masse dans la ligne d'échappement. Lorsque ce taux de dioxygène est sensiblement supérieur à 2%, le filtre à particules 3 peut alors s'endommager. Une sonde à oxygène non représentée, disposée à la sortie du moteur à combustion 4 permet de déceler un retour du dioxygène dans la ligne principale d'échappement 10. Si on détecte la présence de dioxygène dans la ligne d'échappement, c'est-à-dire si le taux de dioxygène présent dans la ligne d'échappement est sensiblement supérieur à un seuil prédéterminé, par exemple sensiblement égal à 2%, la vanne 6 est actionnée pour faire passer les gaz d'échappement dans la ligne de dérivation 11 (cas c). Lorsque les gaz d'échappement s'écoulent dans la ligne secondaire d'échappement 11, ils ne peuvent recirculer dans la ligne principale que si le risque d'emballement est levé, par exemple lorsque la température du filtre à particules est inférieure à un seuil prédéterminé et si les hydrocarbures imbrûlés sont en partie évacués, ou si la quantité de dioxygène est sensiblement inférieure à un seuil prédéterminé. Ainsi la vanne 6 réoriente l'écoulement dans la ligne principale d'échappement lorsque la température du filtre à particules 3 est sensiblement inférieure à 500°C et que la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est sensiblement inférieure à 1000 ppm. Un tel dispositif et un tel procédé de commande de la vanne de changement de direction 6 permettent aux gaz d'échappement de circuler dans la ligne de dérivation 11 lorsque le moteur 4 fonctionne en mélange riche et lorsqu'il n'y a aucun risque d'emballement. Ainsi lorsque aucune des conditions a, b, c n'est vérifiée, la ligne d'échappement utilisée pour l'écoulement des gaz d'échappement est la ligne principale d'échappement 10. En procédant ainsi, les gaz d'échappement ne traversent pas le filtre à particules 3. Les particules ne sont alors pas assujetties à une combustion non contrôlée, et le filtre à particules 3 ne s'emballe pas. Un tel dispositif et un tel procédé de commande permettent d'éviter une détérioration prématurée du filtre à particules 3.
2. 25 3. 30 4.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé dans une ligne principale d'échappement (10) pour un moteur à combustion diesel (4) comportant a. un premier moyen d'oxydation (1) b. un filtre à particules (3), disposé en aval du premier moyen d'oxydation relativement au sens de l'écoulement des gaz, c. un deuxième moyen d'oxydation (2), disposé en aval du filtre à particules relativement au sens de l'écoulement des gaz, d. une ligne d'échappement secondaire (11) branchée en dérivation sur la ligne d'échappement principale (10) e. une vanne de changement de direction (6) de l'écoulement des gaz d'échappement, caractérisé en ce que la ligne d'échappement secondaire (11) prend naissance dans une partie de la ligne d'échappement principale (10) située en amont du filtre à particules (3), entre le premier moyen d'oxydation (1) et le filtre à particules (3), et débouche dans une partie de la ligne principale d'échappement (10) située en aval dudit filtre à particules (3), entre le filtre à particules (3) et le deuxième moyen d'oxydation (2) de manière que la vanne 6 oriente l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire (11) pour prévenir un emballement du filtre à particules (3).
2. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier et le deuxième moyen d'oxydation sont des pièges à oxyde d'azote
3. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier moyen d'oxydation (1) est un catalyseur d'oxydation et le deuxième moyen d'oxydation (2) est un piège à oxyde d'azote.
4. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la vanne (6) oriente les gaz d'échappement dans la ligne secondaire d'échappement lors des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation (2) lorsque la température du filtre à particules (3) est sensiblement supérieure à un seuil prédéterminé.
5. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la vanne (6) oriente les gaz d'échappement dans la ligne secondaire d'échappement lors des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation (2) lorsque la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est sensiblement supérieure à un seuil prédéterminé.
6. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la vanne (6) de changement de direction de l'écoulement des gaz d'échappement oriente l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire (11) lors des interruptions des phases de purges du deuxième moyen d'oxydation (2) lorsque le taux de dioxygène dans la ligne principale d'échappement (10) est sensiblement supérieur à un seuil prédéterminé.
7. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 5 caractérisé en ce que lorsque les gaz s'écoulent dans la ligne secondaire d'échappement (11), la vanne (6) oriente les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement principale (10) si la température du filtre à particule (3) est inférieure à un seuil prédéterminé et si la quantité d'hydrocarbures imbrûlés est inférieure à un seuil prédéterminé.
8. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon la revendication 6 caractérisé en ce que lorsque les gaz s'écoulent dans la ligne secondaire d'échappement (11), la vanne (6) oriente les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement principale (10) si la quantité de dioxygène dans la ligne principale d'échappement est inférieure à un seuil prédéterminé.
9. Procédé de commande pour la mise en oeuvre d'un dispositif de post traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'on oriente l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement secondaire (11) avant l'emballement du filtre à particules (3).
10. Véhicule automobile comportant un dispositif de post traitement des gaz d'échappement conformément à l'une des revendications 1 à 8.
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