FR2540177A1

FR2540177A1 - Regeneration des filtres catalytiques a particules et appareil pour sa mise en oeuvre

Info

Publication number: FR2540177A1
Application number: FR8316962A
Authority: FR
Inventors: Bernard B Enga
Original assignee: Johnson Matthey Inc
Current assignee: Johnson Matthey Inc
Priority date: 1983-01-27
Filing date: 1983-10-25
Publication date: 1984-08-03
Also published as: ES527748A0; CA1204716A; BE898076A; DE3402692A1; US4509327A; GB2134006B; IT1173116B; LU85056A1; BR8306597A; GB8324862D0; IT8419286A0; SE8400295D0; GB2134006A; SE8400295L; JPS59145319A; ES8507654A1; GR79113B; ZA837732B; NL8303851A

Abstract

Procédé et appareil pour la régénération d'un filtre catalytique à particules disposé dans le flux d'échappement d'un moteur à combustion interne en particulier d'un moteur diesel. Il comporte des moyens 44 à 50 pour l'admission d'air pulsatoire à une partie des cylindres 36 à 42 de façon à fournir au filtre 10 une quantité de combustible imbrûlé suffisante à provoquer la combustion des particules stockées dans ce filtre. Application au décolmatage des filtres catalytiques utilisés dans les échappements de moteur de véhicules terrestres, en particulier lorsque ces moteurs fonctionnent à une charge moyenne. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

REGENERATION DES FILTRES CATALYTIQUES A PARTICULES

ET APPAREIL POUR SA MISE EN OEUVRE

Les flux d'échappement des sources de combustion, en particulier des moteurs diésels, peuvent exiger que l'on dispose des filtres à parti-

cules à l'intérieur du système d'échappement afin d'épurer le flux d'é-

chappement avant de le décharger à l'atmosphère Afin d'assurer une lon-

gue durée de vie pour de tels filtres, il est nécessaire d'enlever de temps à autre les particules qui s'y amassent, en particulier du fait qu'une trop grande accumulation de ces particules peut colmater le filtre et créer une perte de charge indésirable, ce qui est particulièrement néfaste dans

le cas des moteurs diésels.

De façon classique, tel que représenté dans le brevet américain

4 211 075, cet enlèvement des particules est réalisé par un système régéné-

rateur qui enflamme les particules stockées, les brûle et ainsi décolmate

le filtre La majorité de ces systèmes agit de façon à augmenter la tempé-

rature d'échappement jusqu'à un niveau auquel les particules s'enflamment.

Ce résultat est obtenu principalement soit en étranglant toute l'entrée d'air, soit en bloquant des sections entières du moteur pour les rendre inactives, soit en allumant un brûleur pilote pour faire monter de façon active la température des gaz d'échappement D'autres exemples de systèmes connus dont décrits dans le brevet américain 4 270 936 et dans DOS 2 756 570 o l'on utilise des réchauffeurs électriques pour augmenter la température

du filtre.

Les techniques relatives à l'étranglement de l'air d'admission des sources de combustion,spécialement des moteurs, sont capables d'augmenter les températures des gaz d'échappement, mais créent également des problèmes

indésirables et dangereux, en particulier du fait que l'étranglement lui-

méme produit une marche en déficit d'oxygène (mélange riche) du moteur au

cours du cycle de régénération Ceci peut, en retour, conduire à des tempé-

ratures incontrôlables au cours de l'étape de brûlage des particules.

On a observé que pour diverses vitesses de rotation et diverses charges, il existe des pointsd'étranglement particuliers au-delà desquels le moteur "galope" et émet de grandes quantités de CO, de HC et de particules Ce phénomène du "moteur qui galope" semble toujours être accompagné par des taux d'oxygène dans les gaz d'échappement qui sont inférieurs au minimum

requis pour la régénération du filtre.

Selon la présente invention, on prévoit un procédé et un appareil

pour la mise en oeuvre du procédé aptes à régénérer les filtres à particu-

les à revêtement catalytique tels que décrits dans les demandes de brevets américains N O 161 873 déposée le 23 juin 1980 (maintenant abandonné) et redéposée le 9 décembre 1982 sous le no Serial 488 277, et la demande no 55 403 déposée le 6 juillet 1979 (maintenant abandonnée) et redéposée le 30 septembre 1982 sous le N O Serial 429 423; et tels que décrits

dans les demandes de brevets britanniques publiées 2 024 646 et 2 054 402.

Il est souhaitable de réaliser la régénération de ces filtres sans provo-

quer une augmentation substantielle de la température des gaz d'échappement.

Au contraire, l'allumage et la combustion des particules stockées est effectué, selon la présente invention, en contrôlant la teneur des gaz

d'échappement du moteur et plus particulièrement en contrôlant l'échappe-

ment d'une pluralité de cylindres de ce moteur, ces cylindres étant groupés

par paires ou pris individuellement En agissant ainsi, l'échappement com-

biné des cylindres peut être effectivement régulé de telle façon qu'il exis-

te dans le flux d'échappement, au point o les différents flux d'échappe-

ment se mélangent, suffisamment de "combustible" pour que le catalyseur du

filtre provoque un dégagement exothermique comme on va l'expliquer ciaprès.

En retour, le dégagement de chaleur allumera les particules ou créera au moins des points chauds adjacents ou placés à l'intérieur des particules collectées, ce qui provoquera un allumage subséquent qui servira, dans

tous les cas, à nettoyer et ainsi à régénérer le filtre.

Le revêtement catalytique o les filtres catalytiques produisent un dégagement exothermique lorsque des combustibles oxydables tels que le monoxyde de carbone et les hydrocarbures gazeux, viennent en contact avec le catalyseur en présence d'une quantité suffisante d'oxygène et à une température supérieure à celle pour laquelle le catalyseur est actif,

en général supérieure à 2000 C Le dégagement exothermique qui y est engen-

dré dépend de la quantité de combustible fourni et également de l'activité

du catalyseur.

La présente invention peut être mise en oeuvre avec n'importe quel

40177

filtre catalytique à particules associé à un fluxd'échappement d'une source de combustion Cependant, l'invention est plus particulièrement applicable au flux d'échappement des moteurs diésels La présente invention est d'abord

mise en oeuvre en dirigeant sur un filtre catalytique des émissions de com-

bustibles gazeux en provenance d'une source de combustion à une température supérieure à la température d'allumage gazeuse du filtre La température d'allumage d'un filtre catalytique diffère,d'une part selon les filtres et, d'autre part, selon les types de matériaux (gaz, particules, etc) à

oxyder La température d'allumage convenable peut être déterminée expérimen-

talement Par exemple, une partie du catalyseur peut être chauffée graduel-

lement en augmentant la température en même temps que les matériaux particu-

laires collectés dans le flux de gaz d'échappement d'une source de combus-

tion dans le collecteur d'échantillons d'un colorimètre à balayage différen-

tiel et dans une atmosphère d'argon à 1 % d'oxygène Des échantillons de l'atmosphère qui règne au-dessus du collecteur d'échantillons sont prélevés, via un tube capillaire chauffévers un spectromètre de masse Quatre nombres de masse sont relevés: ( 1) le monoxyde de carbone, ( 2) l'argon à double charge, ( 3) l'oxygène et l'eau ou l'azote, et

( 4) le dioxyde de carbone.

La température à laquelle le lot différentiel du colorimètre à balayage différentiel culmine, est prise comme étant la température à laquelle est

réalisée la combustion des particules, et cette température est la tempéra-

ture'U'allumage" pour la combustion des particules.

Le présent procédé comporte les étapes successives dans lesquelles:

au cours du fonctionnement de la source de combustion, on présente au fil-

tre catalytique à une température supérieure à celle provoquant l'allumage

des émissions gazeuses, l'échappement gazeux contenant suffisamment de com-

bustible pour provoquer un dégagement exothermique de telle façon que le filtre catalytique soit chauffé et provoque l'ignition des particules stockées dans le filtre et en contact avec le catalyseurpendant une période de temps suffisante pour brûler une quantité substantielle des particules

préalablement collectées et stockées dans le filtre.

Selon un aspect principal de la présente invention, le procédé et

l'appareil pour sa mise en oeuvre constituent un moyen efficace pour aug-

menter la teneur en oxygène dans le flux d'échappement à une valeur égale ou juste supérieure au point de "galop" Ceci est réalisé en provoquant une "pulsation" ou seulement un fonctionnement intermittent d'un système

d'étranglement selon un cycle opératoire prédéterminé En général, l'étran-

glement selon la présente invention sera appliqué de façon à conduire à un point de "galop" età des émissions gazeuses importantes avec des contrôles apropriés pour supprimer l'effet d'étranglement,ce qui, en retour, conduit à nouveau à une teneur en oxygène augmentée dans l'échappement Les flux

d'échappement à teneur élevée en gaz et en oxygène et s'écoulant des cy-

lindres contrôlés respectifs, sont mélangés dans le système d'échappement, avant de venir en contact avec le catalyseur, avec les gaz mixtes compor

tant le"combustible" utilisé à des fins de régénération.

L'étape de pulsation de l'air d'admission du procédé décrit ci-dessus peut être réalisée périodiquement, soit manuellement soit automatiquement,

en réponse à un grand nombre de conditions ou de combinaisons qui sont re-

pérées dans le système Ces conditions comportent préférablementsans qu'il s'agisse là d'une limitation, la vitesse de rotation du moteur ou les pertes de charge provoquées par le filtre lui-même Lorsque la régénération est

réalisée, elle l'est, de préférence, pendant un intervalle de temps prédé-

terminé d'au moins plusieurs secondes, de telle façon qu'une quantité sub-

stantëlle des particules stockées soit brûlée et que le filtre soit régénéré.

L'étape de pulsation de l'air d'entrée peut être réalisée selon un

grand nombre de manières différentes L'une de ces manières consiste à uti-

liser un système de contrôle multipoints qui, pour un moteur comportant une

pluralité de cylindres dotés chacun de sa propre ligne d'admission, modi-

fie ces lignes d'admission en disposant une petite valve papillon sur cha-

cune de ces lignes Ceci permet d'étrangler le moteur cylindre par cylindre, et permet d'obtenir des temps de réponse très rapides et des vitesses ou

des cycles de pulsation élevés De façon spécifique, en référence à un mo-

teur à quatre cylindres et en dénommant les cylindres 1, 2, 3 et 4, de l'avant à l'arrière, les deux cylindres centraux 2 et 3 peuvent constituer une paire contrôlée indépendamment des cylindres 1 et 4 En contrôlant les

valves papillon des cylindres 2 et 3, de telle façon que ces valves subis-

sent un cycle rapide de positiors fermée et ouverte, ces cylindres devien-

nent émetteurs d'un échappement à faible teneur en oxygène et riche en CO, et en HC Les cylindres 1 et 4, d'autre part, peuvertfonctionner normalement de façon à produire un échappement normal riche en oxygène Un tel mode opératoire sépare le mélange riche du mélange à haute teneur en oxygène pour la moitié des révolutions du moteur et le flux d'échappement à l'intérieur du filtre produit un mélange suffisant pour que l'échappement des cylindres 1 et 4 engendre rapidement un bon dégagement exothermique sur le catalyseur

dès que le "combustible" vient en contact avec le catalyseur lui-même.

Un autre mode de réalisation consiste à relier entre-elles chacune des quatre valves papillon des cylindres 1 à 4, de telle façon qu'elles

puissent être actionnées simultanément, mais en contrôlant le niveau d'ob-

turation des valves des cylindres 1 et 4, au moyen de butées appropriées

qui limitent la fermeture de la valve De cette façon, les valves con-

trôlant le flux d'air d'admission pour les cylindres 1 et 4 seront fermées seulement partiellement au cours de chaque cycle de pulsation A la place des valves papillon, on peut également utiliser des vannes rotatives qui comportent des vannes tournant de 360 selon un régime prédéterminé, mais réglable Selon la présente invention, on prévoit également un appareil pour mettre en oeuvre les différents aspects du procédé qui vient d'être décrit L'appareil peut comporter un ou plusieurs cylindres de moteur Pour mettre en oeuvre la présente invention, il est possible de contrôler les particules émises par un moteur diésel dans un véhicule jusqu'à environ

0,062 g/km ( 0,1 g/mile) et de réaliser la régénération automatique du fil-

tre sans que le conducteur s'aperçoive de façon significative de la mise

en oeuvre de l'opération de régénération.

L'un des buts principaux de la présente invention est de réaliser

un procédé simple et efficace et un appareil pour la régénération des fil-

tres catalytiques à particules dans un flux d'échappement d'une source de combustion D'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente

invention apparaîtront à la lecture de la description de modes de réalisa-

tion de l'appareil selon l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: la figure 1 est une représentation schématique illustrant le mode de réalisation préféré d'un appareil pour la mise en oeuvre de la présente invention;

la figure 2 est une coupe schématique longitudinale du filtre cata-

lytique à particules utilisable dans l'appareil de-la figure 1; la figure 3 a est une représentation schématique d'une valve papillon utilisée sur l'admission de chacun des cylindres du moteur; la figure 3 b est une représentation schématique d'une vanne rotative qui peut être utilisée à la place de la valve papillon représentée à la figure 3; la figure 4 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation dans lequel les valves d'admission de l'air pulsé sont liées les unes aux autres; et la figure 5 est un schéma synoptique de l'unité de contrôle et de pilotage automatique de l'appareil selon l'invention. Un filtre catalytique à particules du type selon l'invention est

représenté, en général, par la référence 10 qui apparait à la figure 1.

Alors que l'invention peut être mise en oeuvre avec n'importe quel filtre catalytique particulaire régénérable, les filtres particulaires préférés sont décrits dans les demandes de brevets américains 161 873 déposée le 23 juin 1980 (maintenant abandonnée) et redéposée sous le N O Serial

448 277 le 9 décembre 1982 ou sous le no Serial 55 403 déposée le 6 juil-

let 1979 (maintenant abandonnée) et redéposée sous le N O Serial 429 423 le 30 septembre 1982, ou dans les demandes de brevets britanniques publiées 2 024 646 ou 2 054 402 A (ces demandes publiées ont déjà été citées comme

référence précédemment).

Un filtre-particulaire catalytique typique qui peut être utilisé dans la présente invention est décrit dans la demande de brevet américain n O Serial 161 873 citée ci-dessus et représenté de façon plus détaillé à la figure 2 Le filtre 10 comporte une chemise externe 11 avec un tube de réaction interne 12 contenant et supportant un catalyseur 13 Le tube de réaction 12 peut être monté dans diverses positions à l'intérieur de la chemise 11, par exemple à l'aide d'entretoises 15, 16, de telle façon qu'une extrémité du tube 12 soit ouverte pour recevoir les gaz d'échappement qui

traversent ainsi le tube Un barreau de retenue 14 est disposé à l'extré-

mité opposée du tube 12 de façon à maintenir en position le catalyseur 13.

La chemise 11 présente des ouvertures 17, 18, 19 et 20 qui sont raccordées et qui font suite à chacun des orifices d'échappement des cylindres d'un moteur à combustion interne 25 Un orifice d'échappement unique est prévu dans la chemise 11 et est raccordé avec un tuyau d'échappement 22 Grâce

à la disposition qui vient d'être décrite, la totalité des gaz d'échappe-

ment introduits dans la chemise Il par les entrées 17 à 20 s'écoule à travers le catalyseur 13 et sort ensuite par l'orifice d'échappement et

le tuyau d'échappement 22.

Le catalyseur 13 monté sur un support peut comporter une grande di-

versité de structures, mais est constitué de préférence d'un tamis à fils croisés fabriqué soit en un bloc unique monolithique, soit en une pluralité de sections annulaires ou d'une forme quelconque si celle-ci est convenable

ou souhaitée Une couche d'un revêtement mouillant et une couche catalyti-

que sont appliquées au tamis, soit avant l'assemblage, et/ou l'insertion

dans le tube de réaction 12, ou après sa disposition dans le tube de réac-

tion 12 L'épaisseur du tamis est comprise, de préférence, entre 0,0254 et 0,50 mm ( 0,001 et 0,02 inch) et peut comporter un alliage au nickelchrome, un alliage ou du fer comportant au moins l'un des éléments suivants: chrome,aluminium, cobalt, nickel et carbone, ou un alliage tel que décrit

dans le brevet américain 3 298 826 ou tel qu'exposé et décrit dans le bre-

vet américain 3 027 252 (ces brevets étant déjà cités comme référence pré-

cédemment) La couche de mouillant comporte un oxyde métallique réfractaire adhérent, et la couche du métal catalytique comporte la couche catalytique sur le substrat métallique de base et est, de préférence, sélectionnée dans le groupe comportant Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Fe, Co, Ni, V, Cr, Mo, W, Y, Ca et leurs alliages, et les composés intermétalliques contenant au moins

20 % en poids dl'un ou plusieurs des métaux déposés à la surface ou à l'in-

térieur de l'oxyde métallique réfractaire de la couche mouillante.

A la figure 1, est représenté schématiquement un appareil typique

selon la présente invention, cet appareil comportant une source de combus-

tion 25 dotée d'une alimentation en combustible 32 et d'un système d'échap-

pement désigné sous la référence générale 28 et un système d'entrée d'air

désigné sous la référence générale 30 De préférence, la source de combus-

tion 25 est constituée par un moteur diésel comportant une pluralité de

cylindres, tel que le moteur diésel d'un véhicule, et l'alimentation en com-

bustible 32 comporte une pompe d'injection (non représentée) et un injecteur 34 associé à chaque cylindre du moteur 25 (un seulinjecteur 34 est représenté

dans un but de simplification).

A titre d'exemple, le moteur représenté à la figure 1 comporte quatre

cylindres et quatre lignes d'admission d'air séparées et dotées, respective-

ment, chacune des repères 36, 38, 40 et 42 Une valve papillon 44, 46, 48

et 50 est prévue respectivement sur chacune des lignes de collecteurs d'ad-

missions Ces valves peuvent être contrôlées par tout moyen de commande con-

venable telle que par exemple des électrovalves, le système ou les moyens d'actionnement étant généralement indiqués par la référence 52 Alors qu'il

est possible de commander chaque valve séparément par son organe d'actionne-

ment propre et des timoneries séparées (non représentées), il est préféra-

ble de grouper ces valves par paire On doit cependant comprendre que pour les arrangements de cylindres en nombre impair, tel que un, trois ou cinq cylindres, chaque cylindre individuel peut être commandé selon la présente invention Selon la disposition par paire, les valves 46 et 48 des deux cylindres intérieurs sont liées ensemble par-des structures de timoneries classiques, de telle façon qu'elles fonctionnent comme une paire unique, tandis que les valves 44 et 50 des deux cylindres extérieurs sont liées, de mêmeensemble et fonctionnent comme une deuxième paire de valves. Le sytème d'actionnement 52 est contrôlé par un organe de commande

combinée à microprocesseur et son bloc de commande porte la référence 54.

Le schéma synoptique des fonctions de pilotage et du fonctionnement de l'organe de commande, tel que pré-établi par les entrées X, Y, Z et B, pour le microprocesseur, est représenté à la figure 5 et le fonctionnement de l'organe de commande est considéré comme étant classique et bien connu

de l'homme de l'art.

L'entrée "X" correspond au nombre de tours du moteur, l'entrée t"t Y est un intervalle de temps prédéterminé pour la séquence de régénération ellemême, l'entrée "Z" constitue un temps d'attente acceptable entre les séquences de régénération successives, et l'entrée "B" correspond à une perte decharge maximale prédéterminée provoquée par le filtre On doit

comprendre qu'il existe une série de réglages de perte de charge R corres-

pondant à diverses vitesses de rotation depuis le ralenti jusqu'à la vites-

se maximale, et à des températures de filtre basses et hautes, car les contrepressions provoquées par le filtre sont soumises à des variations dues

à l'un ou à l'autre de ces paramètres agissant sur la perte de charge.

Comme représenté sur les figures 1 et 5, le bloc de commande 54 peut

être muni d'une pluralité d'organes capteurs, ces capteurs et leurs fonc-

tions étant sélectionnés selon ce qui parait le plus approprié ou souhai-

table pour un type donné de moteur ou d'environnement de fonctionnement.

On doit comprendre également que le bloc de commande 54 contrôle aussi bien la mise en fonctionnement que l'arrêt du fonctionnement du système de mise

en marche 52 et ainsi l'armement ou le démarrage de la séquence de régéné-

ration aussi bien que la fermeture ou la fin du processus de régénération.

De plus, le processus de régénération peut être "désactivé" ou empêché de

se mettre en marche lorsqu'il n'est pas nécessaire.

L'un des capteurs 56, peut repérer le moment o un nombre prédéter-

miné N de rotations dumoteur a été réalisé, ce nombre étant calculé aupara-

vant pour le type de moteur utilisé et la quantité de particules qui est engendrée au cours de cette durée de fonctionnement Le capteur 58 peut être utilisé, par exemple, tel que représenté à la figure 2, directement à l'amont de l'élément de filtre lui-même, pour capter la contrepression

provoquée par le flux d'échappement 28.

Un capteur additionnel 60 peut repérer les températures du côté de l'échappement ou à l'aval de l'élément de filtre et peut ainsi être capable de fournir des signaux correspondants aux températures du filtre, à partir desquelles l'organe de commande peut décider s'il convient de

démarrer ou de terminer le processus de régénération De plus, un tempo-

risateur 62 peutêtre utilisé pour positionner la durée réelle du processus de régénération "Y" (en secondes) Le processus de régénération produit,

de préférence, des températures T dépassant 6000 C au cours de la régénéra-

tion Si de telles températures ne sont pas atteintes, il est préférable de ne pas continuer à ré-engager une autre séquence de régénération, mais d'attendre plutôt un intervalle de temps prédéterminé "Z" avant de pouvoir recommencer la régénération Ainsi, après que l'intervalle de temps " 1 y' s'est écoulé, si la température n'a pas dépassé 6000 C, la régénération est arrêtée et l'on observe l'intervalle de temps "Z", nonobstant les autres

conditions des paramètres captés.

Ainsi, le fonctionnement de l'appareil tel que représenté schématique-

ment à la figure 1, peut être déclenché par le bloc de commande et de pilo-

tage 54 automatiquement à l'aide des capteurs contrôlant la vitesse de rota-

tion du moteur ou les conditions de contrepression Les organes d'actionne-

ment appropriés sont actionnés périodiquement ou de façon pulsatoire et fonctionnent à l'aide de structure de timonerie conventionnelle pour

ouvrir et fermer les valves papillon 46 et 48 selon un cycle prédéterminé.

Selon la puissance d'échappement demandée, pour un type de moteur déterminé, les valves 46 et 48 sont maintenues en position fermée pendant une période

de temps prédéterminée sous le contrôle de l'organe de commande et de pilo-

tage 54, puis sont ensuite ouvertes pendant une autre période de temps et ceci se répète à chaque séquence de régénération De préférence, lorsque les valves 46 et 48 sont fermées, elles provoquent une coupure suffisante

de l'air d'admission vers ces cylindres, de telle façon que leur fonctionne-

ment approche du point de "galop", tandis que les deux valves papillon les plus extérieures 44 et 50, restent ouvertes De préférence, les valves 46

et 48 restent fermées pendant 75 % du cycle opératoire.

Les périodes de fermeture et d'ouverture de chaque valve actionnée et commandée peuvent varier au cours de chaque cycle de 0,25 seconde à environ 30 secondes, la fréquence du cycle qui est préférée étant une phase de fermeture de 1,5 seconde et une phase d'ouverture de 0,5 seconde A cette fréquence du cycle, on a trouvé qu'au cours de la partie obturée du cycle, le moteur engendre un cycle de mélange riche-pauvre à une fréquence égale

à deux fois le nombre de tours du moteur par minute.

En contrôlant les valves 46 et 48 de cette façon, leur effet d'étran-

glement permet à leur cylindre d'émettre un échappement riche en carburant, présentant une teneur en oxygène faible, mais des composants riches en CO et en HC (échappement riche) Simultanément, les cylindres contrôlés par les valves 44 et 50 qui restent ouvertes fonctionnent normalement et

produisent un échappement normal riche en oxygène (échappement pauvre).

Ce mode opératoire provoque le mélange de ces deux courants de gaz d'échap-

pement au cours de leur passage dans le filtre 13, ce qui provoque un mé-

lange suffisant pour le catalyseur de façon à ce qu'il puisse utiliser ces

deux gaz mélangés et provoquer très rapidement un très bon dégagement exo-

thermique On doit noter que les émissions de CO et de HC à la sortie du tuyau d'échappement sont réduites de façon significative à des niveaux inférieurs à la norme au cours du processus de régénération, démontrant ainsi-que les émissions gazeuses accrues sont bien utilisées à des fins de régénération. Au cours d'une série d'expérimentation de régénération réalisée avec l'appareil qui viertd'être décrit, le moteur tournait à 2000 tr/mn avec une charge suffisante pour donner une température d'entrée du catalyseur supérieure à 2000 Un réacteur neuf a été choisi pour présenter, dans ces conditions, une perte de charge de 36 mbar ( 13, 8 inches) d'eau Le moteur était actionné et la perte de charge était contrôlée de telle façon que lorsque la perte de charge du réacteur atteignait 52 mbar ( 20 inches) d'eau, le système régénérateur et l'organe de pilotage 54 étaient actionnés et le flux d'air d'admission était rendu pulsatoire à une fréquence fixe On a représenté sur le tableau I les résultats de cette expérience:

TABLEAU I

Régénération sortie du catalyseur perte de charge en mbar no température OC (contrepression) départ Max Départ Finale Durée (sec)

1 3010 530 60 31,2 120

2 2450 4300 57 41,6 240

3 2160 267 61 61 360

" 4 2410 2700 73 73 240

3010 610 103 29,4 90

6 2960 560 41,6 26,5 120

7 2440 5400 52 23 180

TABLEAU I (suite) départ Max départ finale durée (sec)

8 280 525 56 31,2 180

9 312 520 73 34 120

10 297 515 78 36,4 270

11 304 510 117 46,8 240

12 297 535 52 36 240

13 290 500 73 40,3 120

14 294 540 54,6 36,4 180

15 299 490 44,7 33,8 120

16 262 547 99 39 300

17 310 515 52 38,2 150

18 304 520 54,6 36,4 120

19 304 520 70,2 39 180

20 302 510 36,4 36,4 120

21 306 510 73 36,4 120

22 292 520 135 44,2 180

Des expérimentations ultérieures sur un véhicule d'essai se dépla-

çant à 65 km/h ( 40 miles per hour) ont donné l'historique de régénération typique suivant, qui montre qu'il se produit une régénération efficace

dés que la perte de charge a été réduite à celle provoquée lorsque le fil- tre est propre, nonobstant le fait que la température du filtre n'excède

pas 600 C.

TABLEAU II

Durée Entree Sortie Perte de charge en mbar temp C temp C secondes 275 275 37,7 (départ) secondes 275 275 37,7 0 275 275 37,7 (régénération en service) secondes 300 280 28,6 secondes 320 290 30 13 secondes 330 290 30, 4 18 secondes 335 295 31 20 secondes 340 297 31,2 23 secondes 340 298 32, 8 secondes 345 300 33 secondes 350 305 33,8 Durée 33 secondes 36 secondes 38 secondes secondes 43 secondes 46 secondes 48 secondes secondes 53 secondes secondes secondes 70 secondes secondes secondes Entrée temp C TABLEAU II (suite) Sortie Pe temp C rte de charge en mbar (contrepression) 34,3 31,7 31,2 32,8 32,8 32,8 32,5 33,3 ,9 34,3 34,6 (régénération coupée) secondes 350 520 34,3 95 secondes 323 540 33,8 secondes 310 560 33,3 secondes 295 570 31,2 (température'max) secondes 290 540 29,4 secondes 280 505 27,6 (refroidissement) 180 secondes 270 440 26 A partir des résultats qui viennent d'être exposés, on voit que le tombustible" convient de façon idéale pour coopérer avec le catalyseur 13 monté sur un support afin de faire démarrer la combustion des particules sur le filtre 10 Le fonctionnement de la manière qui vient d'être décrite continuejusqu'à ce qu'une partie substantielle des particules stockées dans le filtre 10 soit brûlée, ce qui peut être repéré par l'indication que les températures du filtre approchent et/ou dépassent 600 C, un tel signal conduisant le bloc de commande et de pilotage 54 à provoquer la fin de la séquence de régénération On doit noter que les 600 C sont une température choisie dans l'exemple, mais que la température nécessaire pour

obtenir le nettoyage du filtre peut varier d'un véhicule à l'autre.

A la fin du cycle de régénération, le fonctionnement des valves pa-

pillon revient à la condition normale en attente d'un ordre de commande du

bloc de commande 54.

Dans certaines conditions devitesse ou de charge, les températures

d'échappement peuvent être suffisantes pour assurer la combustion des par-

ticules de carbone et un cycle de régénération séparé n'est pas nécessaire.

Pour tenir compte de cela, le bloc de commande et de pilotage 54 peut être programmé de façon à ne pas déclencher le processus de régénération dans de telles conditions indépendamment de la vitesse de rotation du moteur ou des températures captées qui peuvent excéder 6000 C (ou la température de déclenchement) qui pourraient se rencontrer dans de telles conditions ou charges au cours de la conduite et qui remettraient à zéro le compteur de

nombre de tours N comme cela se fait à la fin d'une séquence de régénéra-

tion Ainsi, chaque fois que les températures qui règnent dans le filtre 13 dépassent 6000 C, des séquences de régénération séparées ne sont pas nécessaires et le bloc decommande et de pilotage 54 remetautomatiquementà zéro le compteur de nombre de tours De la même façon, si les températures sont trop basses pour permettre une régénération correcte, telles que par exemple inférieures

à 200 C, le bloc de commande et de pilotage 54 ne déclenche pas le proces-

sus de régénération aussi longtemps que les températures n'ont pas atteint au moins 2500 C comme on l'a représenté sur le schéma synoptique de la figure 5 Cette disposition interdit également la régénération au départ

lorsque le moteur et le filtre sont froids.

On doit comprendre que lorsquedu"combustible" est fourni au filtre catalytique, le monoxyde de carbone et les fractions d'hydrocarbure sont oxydés catalytiquement, les cristaux catalytiques engendrant un dégagement exothermique par suite de la libération-de la chaleur créée au cours de cette oxydation C'est cette oxydation des fractions d'hydrocarbures et de CO qui provoque l'échauffement des cristaux catalytiques ou qui crée au moins des points chauds et qui sert ainsi à allumer les particules de matériaux

carbonés arrêtées par le filtre catalytique.

L'une des valves papillon 44 est représentée à plus grande échelle à la figure 3 A La figure 3 B représente une vanne rotative 64 qui pourrait être utilisée à la place de la valve papillon 44 représentée à la figure 3 A.

Au cours de la séquence de régénération, la vanne 64 lorsqu'elle est utili-

sée, est entraînée en rotation à une vitesse variable et produit deux sé-

quences de fermeture et d'ouverture successives au cours de chaque révolu-

tion complète sur 3600 Comme pour les valves papillon, il est préférable de relier les vannes 64 par paire, lorsqu'on les utilise sur un moteur à quatre cylindres, bien que d'autres procédures opératoires soient possibles

* ou souhaitables en quelques occasions.

Un autre mode de réalisation selon la présente invention est re-

présenté à la figure 4 Les valves 44 ', 46 ', 48 ' et 50 ' sont, ici, toutes

reliées entre-elles et contrôlées simultanément par un système d'actionne-

ment Dans ce système, on voit que les valves 44 ' et 50 ' sont limitées dans leur déplacement par des butées 65, de telle façon que les valves 44 ' et 50 ' ne peuvent être fermées que partiellement indépendamment du fait qu'elles sont actionnées en même temps et avec les valves 46 ' et 48 ' De cette manière, il ne se produit qu'un étranglement partiel de l'air d'admission fourni par les valves 44 ' et 50 ' tandis que les valves

46 ' et 48 ' se ferment presque complètement.

Dans un exemple de mise en oeuvre o le moteur 25 est un moteur diesel à quatre cylindres pour un véhicule automobile, le véhicule est accéléré jusqu'à 89 km/h ( 55 miles per hour), le système régénérateur est actionné pendant 90 secondes, tandis que l'on maintient cette vitesse de 89 km/h, puis le système régénérateur est coupé et l'on continuepar une conduite normale Au cours du fonctionnement du système régénérateur selon l'invention, le conducteur n'est pas habituellement capable de repérer le fonctionnement du régénérateur Ainsi, le filtre catalytique est régénéré de façon simple et efficiente sans perception de conséquences dommageables

perceptibles et sans exiger de chauffage du flux d'échappement.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation

décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes ac-

cessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'in-

vention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour régénérer un filtre catalytique à particules pour un moteur à combustion interne caractérisé en ce que, au cours du fonctionnement du moteur qui comporte un ou plusieurs cylindres, le débit d'air d'admission du moteur est rendu pulsatoire pour un nombre prédéterminé desdits cylindres, de telle façon que l'échappement du

moteur engendre un dégagement exothermique sur le catalyseur qui pro-

voque l'ignition des matériaux particulaires arrêtés par le filtre.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit nombre prédéterminé de cylindres est inférieur à la totalité de ladite

pluralité de cylindres.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'é-

chappement dudit nombre prédéterminé de cylindres est pavre en oxygène et riche en CO et en HC tandis que l'échappement des cylindres restants

est riche en oxygène.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ad-

mission pulsatoire de l'air d'admission est mise en oeuvre périodique-

ment.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la-

dite admission pulsatoire de l'air d'admission est mise en oeuvre en coupant et en ouvrant de façon cyclique le débit d'air d'admission, les durées des cycles d'ouverture et de coupure étant comprises entre

0,25 seconde et environ 30 secondes.

6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cycle préféré est mis en oeuvre en coupant l'admission du débit d'air pendant environ 1,5 seconde et en ouvrant l'admission du débit d'air

pendant environ 0,5 seconde.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il

comporte l'étape supplémentaire de contrôle de la perte de charge pro-

duite par le filtre permettant ainsi de mettre en oeuvre automatiquement l'étape d'admission pulsatoire de l'air en réponse à une perte de charge prédéterminée.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte l'étape supplémentaire de contrôle du fonctionnement du moteur

permettant de mettre en oeuvre automatiquement l'étape d'admission pul-

satoire de l'air en réponse à des conditions opératoires du moteur pré-

déterminées et repérées par des capteurs.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle

comporte l'étape additionnelle de contrôle de la température dudit fil-

tre catalytique et dans laquelle ladite étape d'admission d'air pulsa-

toire est mise en oeuvre automatiquement en réponse à des températures de filtre prédéterminées repérées par des capteurs.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la-

dite étape d'admission d'air pulsatoire est mise en oeuvre par étrangle-

ment de l'air d'admission d'au moins l'un desdits cylindres.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que

l'étranglement se poursuit pendant environ 75 % du cycle opératoire.

12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on étrangle l'air d'admission de la moitié des cylindres, tandis que l'air

d'admission de l'autre moitié n'est pas étranglée.

13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on étrangle l'air d'admission de la moitié des cylindres, tandis que l'air

d'admission de l'autre moitié n'est étranglée que partiellement.

14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'é-

tape d'admission d'air pulsatoire est mise en oeuvre en contrôlant la durée de l'admission de l'air fourni à une partie des cylindres pendant une période de temps prédéterminée, de telle façon que le combustible qui y est introduit en brûle pas complètement en produisant pour ladite partie des cylindres un échappement à faible teneur en oxygène, mais à teneur élevée en CO et en HC, et en assurant une admission normale de l'air aux cylindres restants de telle façon qu'une combustion normale du combustible se produise, et en ce qu'il comporte l'étape additionnelle

dans laquelle après l'écoulement de ladite période de temps prédétermi-

née, on contrôle d'air d'admission pour chaque cylindre de telle façon

que sensiblement la totalité du combustible qui y est introduite, brûle.

15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre ladite admission pulsatoire de l'air en contrôlant l'air d'admission fourni à au moins un cylindre de telle façon que l'on soit

en présence d'une quantité d'oxygène insuffisante et produisant la com-

bustion incomplète du combustible injecté dans ledit cylindre en lais-

sant une quantité substantielle de combustible imbrûlé dans l'échappe-

ment dudit cylindre, et en ce qu'il comporte l'étape suivante dans laquelle, après régénération du filtre catalytique, on contrôle l'air d'admission audit moteur de telle façon que sensiblement la totalité du

combustible fourni à chaque cylindre soit brûlée.

16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la-

dite étape d'admission d'air pulsatoire est mise en oeuvre de telle façon que l'on engendre un dégagement exothermique et que l'on atteigne une température maximale effective dans le filtre qui soit supérieure à

3500 C.

17. Procédé de régénération d'un filtre catalytique à particules pour un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que le filtre disposé dans le flux d'échappement d'une source de combustion comportant une alimentation en combustible, durant le fonctionnement de la source de combustion, suffisamment de combustible imbrûlé, sous forme gazeuse, sont présenté au filtre catalytique porté à une température supérieure à la température d'allumage pour engendrer un dégagement exothermique de telle façon que le filtre catalytique s'échauffe et amène à l'ignition les particules stockées dans le filtre pendant une période de temps suffisante pour brûler une quantité substantielle des particules

stockées dans le filtre.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que

ladite source de combustion est un moteur à combustion interne compor-

tant une pluralité de cylindres et ladite étape de présentation est mise en oeuvre en rendant la source d'air d'admission pulsatoire pour une quantité de cylindres inférieure à la totalité de ladite pluralité de

cylindres et ceci pendant ladite période de temps.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que

l'alimentation en air des cylindres restants est partiellement étran-

glée.

20. Application du procédé de régénération selon une quelconque

des revendications 17 à 19 à un filtre catalytique à particules disposé

sur le flux d'échappement de la source de combustion disposé dans un

dispositif comportant: un moteur à combustion interne doté d'un ou plu-

sieurs cylindres, une source d'air d'admission, un flux d'échappement et

une source de combustible, la source de combustion et le filtre présen-

tant un système de régénération du filtre, caractérisée en ce que ledit dispositif comporte des moyens ( 44 à 50) pour produire une admission pulsatoire de l'air de combustion dans une partie seulement desdits cylindres au cours du fonctionnement de la source de combustion ( 25) vers le système de régénération du filtre ( 10), de façon à fournir à ce

filtre ( 10) une quantité de combustible imbrûlé suffisante pour provo-

quer l'ignition des particules stockées dans ledit filtre ( 10).

21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que lesdits moyens d'admission d'air pulsatoire comportent des moyens ( 44 à , 64) aptes à étrangler l'admission de l'air sur au moins la moitié

des cylindres de ladite pluralité de cylindres.

22 Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que lesdits moyens ( 32) d'alimentation en combustible comportent des moyens ( 62) pour contrôler la durée de l'admission d'air pulsatoire pendant une

période de temps prédéterminée, de telle façon qu'une quantité prédéter-

minée de combustible ne soit pas soumise à la combustion complète dans lesdits cylindres ( 36 à 42), et en ce que lesdits moyens pour contrôler ( 62) comportent des moyens pour, après l'écoulement d'une période de temps prédéterminée, contrôler la durée de telle façon que sensiblement la totalité du combustible introduit dans ledit moteur soit soumise à la combustion.

23 Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de commande automatiques de la fourniture de l'air d'admission, lesdits moyens comportant des moyens de captage

( 60) aptes à produire au moins un premier signal en réponse à la détec-

tion d'une condition prédéterminée et des moyens d'actionnement aptes à actionner lesdits moyens d'admission d'air pulsatoire en réponse audit signal.

24. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que ladite source de combustion comporte un moteur à combustion interne doté d'une pluralité de cylindres, et en ce que lesdits moyens d'admission d'air pulsatoire comportent des moyens aptes à contrôler la quantité

d'air fourni à au moins l'un desdits cylindres de telle façon que l'oxy-

gène nécessaire à la combustion soit épuisé avant que la combustion

complète du combustible ne soit réalisée, en laissant une quantité subs-

tantielle de combustible imbrûlé dans l'échappement du cylindre, et en ce que lesdits moyens d'admission d'air pulsatoire comportent, en outre, des moyens qui, après la régénération du filtre catalytique, sont aptes à contrôler la quantité d'air d'admission fourni, de telle façon que sensiblement la totalité du combustible fourni à chaque cylindre soit

soumise à la combustion.

25 Application du procédé de régénération selon une quelconque

des revendications 17 à 19 à un filtre catalytique à particules disposé

dans ledit flux d'échappement disposé dans un dispositif comportant: un moteur diésel doté d'une alimentation en combustible, une fourniture d'air d'admission et un flux d'échappement, caractérisé en ce qu'il

comporte des moyens pour, au cours du fonctionnement du moteur, présen-

ter audit filtre catalytique ( 13) à une température supérieure à la

température d'allumage dudit filtre, une quantité suffisante de combus-

tible imbrûlé pour provoquer un dégagement exothermique de telle façon que le filtre catalytique ( 13) soit échauffé et provoque l'ignition des

particules stockées dans le filtre pendant une période de temps suffi-

sante pour brûler une quantité substantielle des particules stockées

dans le filtre ( 13).