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FR2937374A3 - Echappement de moteur a combustion interne comportant un injecteur de reducteur et procede associe - Google Patents

Echappement de moteur a combustion interne comportant un injecteur de reducteur et procede associe Download PDF

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FR2937374A3
FR2937374A3 FR0857134A FR0857134A FR2937374A3 FR 2937374 A3 FR2937374 A3 FR 2937374A3 FR 0857134 A FR0857134 A FR 0857134A FR 0857134 A FR0857134 A FR 0857134A FR 2937374 A3 FR2937374 A3 FR 2937374A3
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Manuela Hennequin
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Abstract

Un échappement de moteur à combustion interne Diesel comprend : un collecteur d'échappement (8) ; un turbocompresseur à haute pression (20) comportant une turbine (26) reliée au collecteur d'échappement (8) par une première canalisation (30) ; un turbocompresseur à basse pression (22) comportant une turbine (28) reliée au collecteur d'échappement (8) par une seconde canalisation (32) ; une branche (24) reliant la turbine (26) du turbocompresseur à haute pression (20) à la turbine (28) du turbocompresseur à basse pression (22) ; un papillon (36) de réglage du débit des gaz étant prévu dans la seconde canalisation (32). Un injecteur de réducteur (40) est placé dans la branche (24) reliant la turbine du turbocompresseur à haute pression à la turbine du turbocompresseur à basse pression.

Description

1 ECHAPPEMENT DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE COMPORTANT UN INJECTEUR DE REDUCTEUR ET PROCEDE ASSOCIE
DESCRIPTION
L'invention concerne un échappement de moteur à combustion interne diesel comprenant un collecteur d'échappement, un turbo compresseur à haute pression comportant une turbine reliée au collecteur d'échappement par une première canalisation, un turbo compresseur à basse pression comportant une turbine reliée au collecteur d'échappement par une seconde canalisation, une branche reliant la turbine du turbo compresseur à haute pression à la turbine du turbo compresseur à basse pression, un papillon de réglage du débit des gaz étant prévu dans la seconde canalisation.
Elle concerne également un procédé de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à combustion interne diesel, le moteur comprenant un collecteur d'échappement, un turbo compresseur à haute pression comportant une turbine reliée au collecteur d'échappement par une première canalisation, un turbo compresseur à basse pression comportant une turbine reliée au collecteur d'échappement par une seconde canalisation, une branche reliant la turbine du turbo compresseur à haute pression à la turbine du turbo compresseur à basse pression, un papillon de réglage du débit des gaz étant prévu dans la seconde canalisation. Les moteurs diesel, par leur fonctionnement spécifique, émettent dans leur gaz d'échappement des suies polluantes que l'on nomme également particules. 2 Afin de limiter les émissions de ces particules dans l'atmosphère, un filtre est implanté dans la ligne d'échappement, en aval des chambres de combustion du moteur. Ce filtre retient les particules qui s'accumulent dans son sein au fur et à mesure de l'utilisation du moteur d'où son nom : filtre à particules (FAP). 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 mélange pauvre. Ils permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbones et des hydrocarbures imbrûlés. Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative. En d'autres termes, en fonctionnement normal, ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors de phases de régénération. Afin de recouvrer les performances du moteur, on brûle les particules contenues dans le filtre à particules. Cette procédure s'appelle la régénération du filtre à particules. L'initialisation et le maintient de la combustion des particules dans le filtre s'obtiennent par élévation de la température interne du filtre à particules. Ainsi, pour être régénérés, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux thermiques et / ou de richesses nécessaires. Les moteurs à combustion interne émettent 3 également des réducteurs tels que HC, CO, H... En présence d'oxygène, de matériau catalytique tel que le platine et à température élevée ces réducteurs s'oxydent. Afin de diminuer les émissions polluantes, on dispose également dans la ligne d'échappement, soit un catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, soit directement un matériau catalytique au sein du filtre que l'on nomme alors filtre à particules catalytique.
Une solution connue pour effectuer la régénération d'un filtre à particules consiste à utiliser un injecteur de gasoil directement sur l'échappement. Lors de la régénération, cet injecteur injecte du gasoil dans la ligne d'échappement. Le gasoil réagit dans le catalyseur d'oxydation et produit de la chaleur. Cette chaleur permet d'atteindre une température en entrée du filtre à particules de l'ordre de 650 degrés nécessaire à la combustion des particules dans le filtre.
Lors de l'injection par l'injecteur à l'échappement, le carburant s'évapore et est entraîné par les gaz d'échappement vers le catalyseur d'oxydation tout en se mélangeant à ces derniers. La masse de carburant par unité de masse de gaz d'échappement est caractérisé par sa richesse. Le niveau moyen de la réaction exothermique dans le catalyseur d'oxydation dépend de la richesse moyenne du mélange en entrée du catalyseur. La richesse du mélange en entrée du catalyseur n'est pas uniforme. Elle est influencée par l'agitation des gaz d'échappement. Un modèle de simulation existant permettant de simuler le mélange entre le carburant et les gaz d'échappement montre que la zone de forte richesse 2 tend à se propager le long de la paroi de l'échappement (voir figure 1). Les zones dont la richesse est la plus élevée provoquent des températures plus fortes au sein du catalyseur. Ces zones chaudes peuvent entraîner la fatigue prématurée du revêtement catalytique du catalyseur d'oxydation, voire sa détérioration totale. Il apparait de plus des gradients thermiques en sortie du catalyseur se propageant sur la phase d'entrée du filtre à particules L'existence des gradients thermiques en entrée du filtre à particules peut amener à ce que la régénération des différents segments dont est constitué le monolithe du filtre à particules ne soit pas simultanée. On parle alors de régénération hétérogène. Dans une telle situation, il existe un fort risque d'apparition de gradients thermiques dans le filtre à particules lui-même. Ces gradients sont susceptibles d'endommager la structure du filtre si on arrive à une situation d'emballement de la régénération. Cela peut aller jusqu'à la fissuration du filtre. D'autre part ces régénérations hétérogènes augmentent le temps nécessaire pour régénérer la totalité du filtre. Afin d'améliorer l'uniformité de la répartition du carburant en entrée du catalyseur, on a proposé d'adjoindre des pièces rapportées dans la ligne d'échappement. Ces pièces, appelées mélangeurs, évaporateurs, générateurs de tourbillon longitudinal ont pour fonction de créer des turbulences dans l'écoulement du gaz. Mais les inconvénients de ce type de solution sont très nombreux. - Pièces intrusives : dégradation de la contre pression d'échappement et baisse du rendement 5 moteur ; - pièces rapportées dans un environnement vibratoire à chaud. Problème acoustique lors du fonctionnement à fort débit moteur ; - pièces la majeure partie du temps en tôle : problème de tenue à la thermique très forte des gaz d'échappement, tenue aux contraintes vibratoires ; nécessité de fixer ces pièces sur la ligne : rajout de brides pour assurer le maintien ; problème d'étanchéité aux interfaces, augmentation de la masse de la ligne, pertes thermiques augmentées ; - nécessité d'implantation dans une section droite. La présente invention a pour objet d'optimiser le processus de régénération du filtre à particules par l'amélioration de l'uniformité de distribution de la richesse en entrée du catalyseur ou du filtre catalytique. En d'autre terme, l'invention se donne pour but d'améliorer l'homogénéité de la fraction massique de carburant en entrée du catalyseur d'oxydation. Un meilleur mélange des fractions massiques de carburant dans les gaz d'échappement permet de gagner en fiabilité du composant catalyseur ou du filtre catalytique tout en réduisant son taux d'imprégnation. 6 Une meilleure régénérabilité du filtre à particules permet également de réduire la dilution et ainsi d'accroitre les intervalles de vidange. Ces buts sont atteints, conformément à la présente invention, par le fait qu'un injecteur de réducteur est placé dans la branche reliant la turbine du turbo compresseur à haute pression à la turbine du turbo compresseur à basse pression. La turbine du turbo compresseur basse pression est reliée à une ligne d'échappement des gaz du moteur, un filtre à particules étant monté sur la ligne d'échappement. La présente invention apporte une solution dans le cadre des moteurs à double suralimentation et plus généralement des moteurs multi-turbos dont au moins deux en série. L'objectif est d'utiliser une des turbines comme élément de mélange entre les gaz d'échappement et le réducteur injecté. Dans le cas des moteurs mono-turbo, le réducteur peut être injecté en amont de la turbine, dans le collecteur. Cette solution permet d'atteindre le bon niveau de mélange mais elle a un fort inconvénient dans le cadre des moteurs utilisant la recirculation des gaz d'échappement à haute pression. Pour ces moteurs, le piquage de recirculation des gaz d'échappement est implanté sur le collecteur. Le collecteur est un environnement très pulsé. Lorsque le réducteur est injecté en amont de la turbine, les pulsations peuvent amener le réducteur dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement et donc ensuite dans le circuit d'admission. Il a été montré par des essais sur moteur que cette 7 recirculation de réducteur d'admission peut entraîner un saut de couple moteur, ce qui est inacceptable. Avantageusement le filtre à particules est un filtre catalytique. Dans un exemple de réalisation particulier, le réducteur est un carburant. Le procédé de l'invention se caractérise en ce que l'on prévoit un injecteur de carburant dans la branche reliant la turbine du turbo compresseur à haute pression à la turbine du turbo compresseur à basse pression et en ce que l'on injecte du carburant dans ladite branche seulement lorsque les gaz d'échappement circulent par la première canalisation sans circuler par la seconde canalisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront encore à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : - la figure 1, déjà décrite, illustre la simulation de la propagation du mélange gaz d'échappement / carburant ; - la figure 2 est un exemple d'architecture classique ; - la figure 3 est un schéma d'une architecture bi-turbo classique en fonctionnement à puissance maximale ; la figure 4 est un schéma de l'architecture bi-turbo de la figure 3 en charge partielle ; 8 - la figure 5 est un schéma d'une architecture bi-turbo conforme à l'invention en mode régénération ; la figure 6 est un schéma de l'architecture bi-turbo de la figure 5 en mode hors régénération et plus particulièrement sur un point de fonctionnement à pleine charge. On a représenté sur la figure 2 un exemple d'architecture classique mono-turbo. Le moteur comprend une culasse 4, un collecteur d'admission 6 et un collecteur d'échappement 8. Une turbine 10 faisant partie d'un turbo-compresseur est entrainée par les gaz d'échappement. Une canalisation 12 de recirculation des gaz d'échappement est raccordée au collecteur d'admission 8 en 14. La canalisation 12 permet de réintroduire à l'admission une fraction des gaz d'échappement. Un injecteur de carburant 16 est monté dans le collecteur d'échappement le carburant injecté traverse la turbine 10. Il est donc mélangé de manière homogène au gaz d'échappement. Toutefois, une fraction du carburant peut être aspirée par la canalisation de recirculation des gaz d'échappement 12. Cette recirculation des réducteurs à l'admission entraîne un saut de couple qui est inacceptable.
On a représenté sur la figure 3, un schéma d'une architecture bi-turbo classique en fonctionnement à puissance maximale. On retrouve la culasse 4, le collecteur d'admission 6 et le collecteur d'échappement 8. Cette architecture comporte deux turbos différents.
Le premier 20 est un turbo compresseur à haute pression. Il est dédié au point de fonctionnement à faible charge. Sa taille est adaptée au point de fonctionnement ayant de faible besoin en débit d'air. Le second turbo compresseur 22 est dédié aux plus fortes charges. Une branche 24 relie la turbine 26 du turbo compresseur à haute pression 20 à la turbine 28 du turbo compresseur à basse pression 22. Une première canalisation 30 relie la turbine 26 du turbo compresseur à haute pression 20 au collecteur d'échappement 8. Une seconde canalisation 32 relie la turbine 22 à basse pression au collecteur d'échappement 8. Un volet de dispositif de dérivation 36 est logé dans la seconde canalisation 32. Dans la configuration représentée sur la figure 3, le volet de dispositif de dérivation du turbo compresseur à haute pression 20 est ouvert de telle sorte que le flux d'air venant du collecteur d'échappement passe naturellement par ce volet et ne passe pas dans le turbo à haute pression 20. Dans ces conditions, le débit dans la branche 24 reliant la turbine 26 du turbo compresseur à haute pression à la turbine 28 du turbo compresseur à basse pression est pratiquement nul. Sur la figure 3 également, un volet de dérivation 38 permet de régler la quantité des gaz d'échappement qui circule à l'intérieur de la turbine 28 du turbo compresseur à basse pression 22. La figure 4 présente l'architecture bi- turbo de la figure 3 dans son fonctionnement en charge partielle. Le volet de dispositif de dérivation 36 est fermé, interdisant au flux de gaz d'échappement de passer directement du collecteur d'échappement 8 vers le turbo compresseur à basse pression 22. La totalité du gaz d'échappement circule par la canalisation 30 et la turbine 26 du turbo compresseur à haute pression 20 puis par la branche 24 qui voit donc passer tout le flux d'air du moteur. Après avoir traversé le turbo compresseur à haute pression 20, le flux d'air traverse le compresseur à basse pression. Ces points de faible charge sont les points caractéristiques où on a besoin de l'injection additionnelle de réducteur pour assurer la thermique nécessaire à la régénération. On a représenté sur la figure 5 un schéma d'une architecture bi-turbo conforme à la présente invention en mode régénération. Un injecteur 40 de réducteur est placé dans la branche 24 reliant la turbine du turbo compresseur à haute pression à la turbine du turbo compresseur à basse pression. Le volet de dispositif de dérivation 36 est fermé de telle sorte que la totalité du flux d'air du moteur circule par la canalisation 30 et la canalisation 24. De cette manière, le réducteur injecté est entrainé par le flux d'air vers le turbo compresseur à basse pression sans possibilité d'être entrainé vers le collecteur d'échappement 8 et le circuit de recirculation des gaz d'échappement 12. Le passage du réducteur dans la turbine basse pression 22 assure un mélange homogène air / réducteur, ce qui est le premier objectif de l'invention. On a représenté sur la figure 6 un schéma de l'architecture bi-turbo de la figure 5 en mode hors régénération. Dans ce mode de fonctionnement, le volet de dispositif de dérivation 36 est ouvert. La totalité du flux de gaz d'échappement circule donc par la canalisation 32. Le débit dans la première canalisation 30 et dans la branche 24 est pratiquement nul. Dans ce cas, soit la 11 thermique naturelle issue du moteur est suffisante pour assurer la régénération soit la régénération n'est pas demandée. Dans tous les cas l'injecteur 40 ne fonctionne pas. Dans ce mode de fonctionnement, le principal intérêt est la fiabilité de l'injecteur 40. Cet injecteur est placé dans une liaison 24 dans laquelle ne circule aucun flux d'air. Les contraintes thermiques sont donc très faibles dans cette zone ce qui assure la tenue thermique de l'injecteur et donc sa fiabilité et sa durabilité. Cette caractéristique est l'un des principaux avantages de l'invention par rapport aux implantations classiques des injecteurs additionnels en aval de turbine. Sur les points de fonctionnement intermédiaires, lorsque la régénération est demandée et que le volet 36 est partiellement ouvert, l'injecteur 40 peut être activé.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Echappement de moteur à combustion interne Diesel comprenant : - un collecteur d'échappement (8); - un turbocompresseur à haute pression (20) comportant une turbine (26) reliée au collecteur d'échappement (8) par une première canalisation (30); - un turbocompresseur à basse pression (22) comportant une turbine (28) reliée au collecteur d'échappement (8) par une seconde canalisation (32); - une branche (24) reliant la turbine (26) du turbocompresseur à haute pression (20) à la turbine (28) du turbocompresseur à basse pression (22); - un papillon (36) de réglage du débit des gaz 20 étant prévu dans la seconde canalisation (32); caractérisé en ce qu'un injecteur de réducteur (40) est placé dans la branche (24) reliant la turbine du turbocompresseur à haute pression à la turbine du turbocompresseur à basse pression. 25
  2. 2. Echappement de moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine (28) du turbocompresseur à basse pression (22) est reliée à une ligne d'échappement des gaz du 30 moteur, un filtre à particules étant monté sur la ligne d'échappement. 15
  3. 3. Echappement de moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre à particules est un filtre catalytique.
  4. 4. Echappement de moteur à combustion interne selon l'une des revendicationsl à 3, caractérisé en ce que le réducteur est un carburant. 10
  5. 5. Procédé de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à combustion interne Diesel, le moteur comprenant . - un collecteur d'échappement (8); - un turbocompresseur à haute pression comportant 15 une turbine reliée au collecteur d'échappement par une première canalisation ; - un turbocompresseur à basse pression comportant une turbine reliée au collecteur d'échappement par une seconde canalisation ; 20 - une branche reliant la turbine du turbocompresseur à haute pression à la turbine du turbocompresseur à basse pression ; - un papillon de réglage du débit des gaz étant prévu dans la seconde canalisation ; 25 caractérisé en ce que l'on prévoit un injecteur de carburant (40) dans la branche (24) reliant la turbine (26) du turbocompresseur à haute pression (20) à la turbine (28) du turbocompresseur à basse pression (22) et en ce que l'on injecte du carburant dans ladite 30 branche seulement lorsque les gaz d'échappement5circulent par la première canalisation (30) sans circuler par la seconde canalisation (32).
  6. 6. Procédé de régénération d'un filtre à particules d'un moteur à combustion interne Diesel selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'injecteur (40) est fonctionnel aux points de fonctionnement moteur où un débit de gaz existe dans la canalisation (32) pour des positions intermédiaires du volet (36).
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