Procédé de régénération d'un système de post traitement par fractionnement de la richesse.

La présente invention concerne, d'une manière générale, les systèmes de post traitement des gaz d' échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur diesel, et, en particulier, la régénération des systèmes de post-traitement.

Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d' échappement des moteurs à combustion interne. Ceux-ci permettent notamment de réduire les émissions de particules et d'oxydes d' azotes en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Pour brûler complètement les polluants, ces systèmes de post traitement nécessitent de travailler à des températures élevées, ce qui n' est malheureusement pas le cas en régime normal du moteur.

Lorsqu'on envisage une phase de régénération d'un filtre à particules pour éviter le colmatage de celui-ci, la désulfurisation d'un piège à oxyde d' azote, ou plus généralement le traitement de polluants à thermique élevée, on choisit un point de fonctionnement du moteur favorable au processus de régénération. La régénération est précédée d'une phase de chauffe du système dans le but d'obtenir la température minimale au dessus de laquelle il est efficace. Deux types de stratégies existent. Une première stratégie utilise des systèmes de préchauffage tels que des pompes à air, des résistances électriques, un injecteur additionnel à l' échappement, tandis qu'une autre stratégie optimise le fonctionnement du moteur pour augmenter la température des gaz d' échappement.

Par exemple, la demande de brevet GB 2324052 A (Ford) décrit un procédé de régénération d'un système de post traitement comprenant un catalyseur à trois voies et un piège à oxyde d' azote connectés en série, le piège à oxyde d' azote contenant des éléments de stockage pour l'oxygène. La méthode consiste à contrôler la richesse du mélange air/carburant du moteur lors de la phase d' élévation de température en fonction des cycles de consommation et de renouvellement d'oxygène dans le piège à oxyde d' azote. Un mélange relativement pauvre est injecté pendant un temps suffisant pour que l'oxygène soit emmagasiné dans le piège à oxyde d' azote. Un mélange relativement riche est ensuite injecté dans les cylindres pendant un temps suffisant afin que le surplus de carburant résultant dans les gaz d' échappement réagisse tout d' abord complètement avec l'oxygène emmagasiné dans le catalyseur à trois voies, puis pour que le surplus de carburant restant traverse le catalyseur à trois voies pour venir réagir avec l'oxygène emmagasiné dans le piège à oxyde d' azote, et ainsi dégager de la chaleur et élever la température du piège à oxyde d' azote. L 'amplitude de modulation du rapport air/carburant nécessaire pour cette opération est de l'ordre de λ = 0.1 et la fréquence doit être plus petite que 1 Hz.

Ce mode d'opération doit être maintenu pendant approximativement 5 minutes avant que le piège à oxyde d' azote n' atteigne la température de régénération. Le moteur doit en outre être maintenu dans un mode de fonctionnement selon lequel un excédant de carburant est obtenu pendant une période de temps suffisamment longue pour purger le piège.

La demande de brevet US 2005/0076637 (Audi) décrit un autre type de procédé de régénération d'une ligne d' échappement dans

lequel on introduit un mélange air/carburant pauvre dans le moteur à combustion interne, en injectant de manière additionnelle du carburant dans la chambre de combustion du moteur après l'injection primaire. La richesse du mélange air/carburant du moteur est modulée cycliquement lors de la phase d' élévation de température en suivant les cycles de consommation et de renouvellement d'oxygène dans le catalyseur.

Par ailleurs, la probabilité de maintenir des conditions favorables de purge est inversement proportionnelle à la durée de chauffe du système de post traitement. De ce fait, quelque soit la stratégie de chauffe utilisée, l'objectif est d' atteindre le plus rapidement possible la température à partir de laquelle le système de post traitement est efficace afin d'augmenter les opportunités de désulfurisation et de limiter la dilution de carburant dans l'huile. Afin d'obtenir les conditions de richesse et de température nécessaires en amont du système, une méthode consiste à injecter du carburant dans la chambre de combustion, ne créant pas de couple, après le point mort haut, tout en maintenant une richesse (mélange air/carburant) en dessous de 1. En effet, le fait d' augmenter la richesse des gaz provoque une hausse de température et de l' exotherme dans la partie catalytique des systèmes de post traitement, due à l'oxydation des réducteurs en mélange pauvre (rapport air/carburant supérieur à 1 ). Le niveau de richesse (Ri = 0.99) est alors maintenu constant pendant la durée de chauffe. Dans la pratique, on constate avec cette méthode que les temps de chauffe d'un piège à oxyde d' azote sont trop élevés à faible régime et faibles charges, puisqu'ils sont de l'ordre de 50 à 100 secondes, ce qui n' est pas acceptable sur des profiles de roulage de type urbain et extra urbain puisqu'ils ne permettent pas de réaliser des désulfurisation efficaces et engendrent une forte dilution.

L 'invention vise ainsi à accélérer l' élévation de température des systèmes de post traitement présents à l' échappement en agissant directement sur la richesse des gaz en sortie du moteur.

L 'invention a donc pour obj et, un procédé de régénération d'un système de post traitement de gaz d'une ligne d' échappement d'un moteur à combustion interne par élévation de la température du système de post traitement jusqu' à une température de régénération.

Selon une caractéristique générale de ce procédé, lors de l' élévation de température, on fait varier la richesse du mélange air/carburant en mettant en œuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation et du renouvellement d'oxygène dans la ligne d' échappement.

Avantageusement, pour chacun des cycles riche/pauvre de la phase d' élévation de température jusqu' à la température de régénération, le mélange relativement riche reste établit durant un temps compris dans un intervalle de 0,5s à 2s, et le mélange relativement pauvre reste établit durant un temps compris dans le même intervalle de 0,5s à 2s. Ce temps est préalablement définit, et ne nécessite pas de capteurs supplémentaires qui rajouteraient au coût de production.

Avantageusement, lors de cette montée en température, l' élévation de richesse du mélange à chaque nouveau cycle peut se faire par exemple en injectant du carburant en amont du système de post traitement.

On peut également élever la richesse du mélange air/carburant par post-injection de carburant dans le moteur, c 'est-à-dire en effectuant une injection retardée de carburant dans les cylindres du moteur, de sorte que ce carburant supplémentaire injecté ne soit pas

brûlé et contribue à l' élévation de richesse, et ainsi l'élévation de température.

Selon un mode de mise en oeuvre, pour un point de fonctionnement moteur stabilisé à 1200 rpm / 4 bars, on fractionne la richesse en créneaux de richesse λ = 1 ,01 (pauvre) et de richesse λ =

0,95 (riche) de durée 1 seconde.

L 'invention a également pour objet, selon un autre aspect, un système de post traitement de gaz d'une ligne d' échappement d'un moteur à combustion interne comprenant des moyens pour élever la température du système de post traitement jusqu' à une température de régénération.

Selon une caractéristique générale de ce système, celui-ci comprend des moyens pour faire varier la richesse du mélange air/carburant et des moyens pour mettre en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riche et pauvre indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d' échappement pour élever la température du système de post traitement jusqu' à la température de régénération.

Avantageusement, le système peut comprendre un injecteur additionnel de carburant placé à l' entrée du système de post traitement des gaz destiné à augmenter la richesse du mélange air/carburant lors d'une phase de purge du système de post traitement.

Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif comprend une sonde de température placée entre le piège à oxyde d' azote et le filtre à particule.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend une sonde de température à l' entrée du système de post traitement.

Cette sonde de température est placé entre l'injecteur additionnel et le piège à oxydes d' azote, au plus près du piège, dans le cas d'un système d'élévation de richesse par injecteur additionnel.

On peut encore utiliser un système de mesure de la pression différentielle au niveau du filtre à particules destiné à contrôler l' état du filtre.

Avantageusement, le dispositif de l'invention comprend une sonde à oxygène placée à la sortie du piège à oxyde d'azote.

Cette sonde à oxygène placée en aval du piège à oxydes d' azote permet de détecter les fins de purge du piège et de vérifier l' état dudit piège lors de diagnostiques embarqués.

Avantageusement, le dispositif de l'invention comprend une sonde à oxygène placée en amont du piège à oxyde d' azote.

Cette sonde à oxygène est également placée en amont de l' injecteur additionnel dans le cas d'une élévation de richesse par injecteur additionnel. Cette sonde à oxygène permettant une mesure du fractionnement de la richesse du mélange air/carburant en amont de l' injecteur supplémentaire, permet de construire une consigne par estimation pour la commande relative au fonctionnement du piège à oxydes d' azote.

D ' autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l' examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 illustre l'évolution de la température sur la face amont d'un piège à oxyde d' azote lors d'une transition riche/pauvre des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne.

-la figure 2 illustre une architecture de post traitement mettant en œuvre le procédé de régénération suivant l'invention.

-la figure 3 représente des courbes de température et de dilution du carburant dans l'huile en fonction du temps, dans le cas d'une chauffe classique à richesse constante λ = 1 ,01.

-la figure 4 représente des courbes de température et de dilution du carburant dans l'huile en fonction du temps, dans le cas d'une chauffe par fractionnement rapide de la richesse.

Sur la figure 1 on a représenté la variation de température d'un monolithe (c l ), pendant une phase de test, à faible vitesse volumique horaire, lors d'une transition riche/pauvre. Lors de la transition riche/pauvre (Trp), la température du monolithe augmente avant de décroître vers la température stabilisée de l' état pauvre. Cette phase est exploitée afin d' accroître la vitesse de chauffe du monolithe.

En fractionnant rapidement la richesse en deux créneaux riches et pauvres, réchauffement du monolithe est optimisé, contrairement à un chauffage du système de post traitement réalisé à une richesse constante de l'ordre de λ = 0,99.

Il est donc possible avec cette stratégie, de réduire de l'ordre de 50% le temps de chauffe dans des conditions de roulage difficiles, c' est-à-dire à bas régime et faible charge. On diminue ainsi le temps de chauffe et la dilution du carburant dans l'huile, optimisant ainsi la gestion globale des prestations dépollution / consommation et dilution de gazole dans l'huile.

La figure 2 représente une architecture selon l'invention, désignée par la référence numérique générale 1 , destinée au post traitement des gaz d'échappement et donc destinée à être placée à la sortie d'un moteur à combustion interne 2.

Comme on le voit, les gaz d' échappement sont évacués par le système de post traitement ici composé d'un piège à oxyde d' azote 3 et d'un filtre à particules 4. La température du système de post traitement est contrôlée à l' entrée par une première sonde de température 5 et à

l' entrée du filtre à particule grâce à une dernière sonde de température 6.

L ' état du piège à oxyde d' azote et donc le besoin ou non de régénérer le piège est contrôlé à l'aide d'une sonde à oxygène 7 placée à la sortie du piège. L ' encrassage du filtre à particules quant à lui est contrôlé grâce à un système de mesure de la pression différentielle 9 entre l' entrée du filtre à particules et sa sortie. Afin d' élever la richesse des gaz dans le système de post traitement, un injecteur additionnel de carburant 10 est placé à l' entrée du piège à oxyde d' azote dans cet exemple. L' élévation de richesse du mélange peut également être effectuée par post-injection de carburant dans les cylindres. Le fractionnement de la richesse du mélange air/carburant est mesurée à l' aide d'une sonde à oxygène 13 placée en amont du piège à oxydes d' azote 3 et de l'injecteur additionnel de carburant 10. Une unité de contrôle électronique 12 dûment programmée assure le contrôle du système d'injection principale et, en particulier, surveille l' encrassement des systèmes de post-traitement , c' est-à-dire du filtre à particules à partir de la pression différentielle régnant de part et d' autre du filtre. Lorsqu'il est détecté que le filtre doit être régénéré, il est procédé à une élévation de température du filtre jusqu' à une température de régénération. Cette élévation de température est par exemple obtenue en injectant un mélange air/carburant dans la ligne d' échappement au moyen de l'injecteur 10.

A faible vitesse volumique horaire, lors d'une transition riche/pauvre, la température dans un monolithe commence par augmenter avant de décroître vers la température stabilisée de l' état pauvre. Ainsi, l'élévation de température est ici obtenue en exploitant cette phase d' augmentation de température précédant l' abaissement de température afin d' accroître la vitesse de chauffe du filtre. En fractionnant rapidement la richesse en deux créneaux riches et pauvres

à la différence de la situation initiale où la chauffe du système de post traitement était réalisée à une richesse constante de l'ordre de λ = 0,99, r échauffement du monolithe est optimisé. Il est donc possible avec cette nouvelle stratégie, de réduire de l'ordre de 50% le temps de chauffe dans des conditions de roulage difficiles, c' est-à-dire à bas régime et faible charge. On diminue ainsi le temps de chauffe et la dilution du carburant dans l'huile, optimisant ainsi la gestion globale des prestations dépollution / consommation et dilution de gazole dans l'huile. Par exemple, sur un point de fonctionnement moteur stabilisé à

1200 rpm / 4 bars, on fractionne la richesse en créneaux de richesse λ= l ,01 (pauvre) et de richesse λ=0,95 (riche) de durée 1 seconde, contrairement à l' état de la technique où la régénération se produit traditionnellement avec une richesse constante des gaz d'échappement de valeur λ=l ,01 pendant toute la durée de chauffe du système de post traitement.

La figure 3 présente les courbes de température (c2) et de dilution (c3) du carburant dans l'huile en fonction du temps, dans le cas d'une chauffe conventionnelle à richesse constante λ = 1 ,01 , tandis que la figure 4 représente les courbes de température (c2 ') et de dilution (c3 ') du carburant dans l'huile en fonction du temps, dans le cas d'une chauffe par fractionnement conforme à l'invention de la richesse. On constate qu' après 40s de chauffe, la température sur la face amont du piège à oxyde d' azote atteint 658°C en mode fractionnée, alors qu' elle n' atteint que 564°C en mode richesse constante, ce qui représente un gain de 96°C. Si l'on considère le temps de chauffe pour atteindre 564°C sur la face amont du piège à oxyde d' azote, il suffit de 23s en chauffe fractionnée au lieu de 40s à richesse constante soit un gain de 17s.

D 'un point de vue dilution de carburant dans l'huile, les courbes démontrent également un gain sur l'intégrale de la quantité de carburant post inj ecté. A l'iso température de chauffe, ici 564°C, la quantité cumulée de carburant post injecté n' est que de 313 cg.s/cp en mode fractionné au lieu de 363 cg.s/cp en chauffe à richesse constante, ce qui représente un gain de 15%.

Ainsi, comme l'illustre les précédentes courbes, il faut moins de temps que pour l'art antérieur pour atteindre une même consigne de température, tout en injectant moins de carburant dans la post injection. On réduit ainsi la dilution de gazole dans l'huile et la consommation de carburant du véhicule automobile.

On notera que le procédé de régénération qui vient d' être décrit peut s ' adapter sur n'importe quelle architecture de post traitement dotée d'un piège à oxyde d'azote, d'un filtre à particule, d'un injecteur additionnel, d'une sonde de température avant traitement et d'une sonde de température d' entrée du filtre à particules, d'une sonde à oxygène à la sortie du piège à oxyde d'azote, d'un capteur différentiel de pression au niveau du filtre à particule, et d'une unité de contrôle électronique pilotant ces éléments.