FR3088368A1

FR3088368A1 - Vehicule equipe d’un filtre a particules autoregenerant et d’un moteur et procede de controle associe

Info

Publication number: FR3088368A1
Application number: FR1871413A
Authority: FR
Inventors: Karine Pajot; Pascal Climaud; Philippe Vernoux; Angel Caravaca; Ioanna Kalaitzidou
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; PSA Automobiles SA; Universite Claude Bernard Lyon 1
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Claude Bernard Lyon 1
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2020-05-15

Abstract

Véhicule comprenant un moteur à combustion interne (2), une ligne d'échappement (4) reliée audit moteur (2), ladite ligne (4) étant dotée d'un filtre à particules (6), et un dispositif d'amenée d'air piloté (12) qui débouche en amont du filtre (6) ; remarquable en ce que le filtre (6) comprend un média filtrant et une phase catalytique, la phase catalytique ayant une capacité de stockage d'oxygène et un procédé de contrôle associé.

Description

DESCRIPTION

TITRE : VÉHICULE ÉQUIPÉ D’UN FILTRE À PARTICULES AUTORÉGÉNÉRANT ET D’UN MOTEUR ET PROCÉDÉ DE CONTRÔLE ASSOCIÉ

Domaine technique

L’invention a trait au domaine de la dépollution des moteurs thermiques plus particulièrement à un véhicule pourvu d’un moteur relié à un filtre à particules et un procédé de contrôle de ce dernier.

Technique antérieure

Le document de brevet publié WO2017/085366 divulgue un véhicule comprenant un moteur thermique et une ligne d’échappement équipée d’un filtre à particules, reliée au moteur. Le véhicule comprend en outre un système d’amenée d’air en dérivation du ventilateur de l’habitacle qui débouche en amont du filtre à particules permettant une régénération du filtre par apport d’oxygène même lorsque le moteur est mis à l’arrêt. Cependant, l’activation forcée du ventilateur après que le moteur est arrêté peut présenter un désagrément, en particulier lorsque la durée d’activation du ventilateur dure une ou plusieurs minutes. En outre, le processus d’autorégénération du filtre à particules s’amorce à haute température, environ 600 °C, pénalisant les prestations du véhicule sur les trajets courts.

Exposé de l'invention

L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de réduire significativement les émissions de suies d’un véhicule pourvu d’un moteur à combustion interne.

L’invention a pour objet un véhicule comprenant un moteur à combustion interne et une ligne d’échappement reliée au moteur, la ligne étant dotée d’un filtre à particules, et un dispositif d’amenée d’air piloté qui débouche en amont du filtre remarquable en ce que le filtre comprend un média filtrant et une phase catalytique, la phase catalytique ayant une capacité de stockage d’oxygène.

Selon un mode avantageux de l’invention, la phase catalytique comprend un oxyde cérine pure ou dopée avec au moins un élément de la liste suivante : La, Zr, Y, Gd, Pr, Nd et Sm, et/ou un autre élément de la liste suivante : Ag et Pd.

Selon un mode avantageux de l’invention, la phase catalytique comprend de l’oxyde de cérine de zirconium dopé à l’argent, notamment du type Ceo,49Zro,5i02.

Selon un mode avantageux de l’invention, la phase catalytique comprend de la pérovskite du type Lai-x-y Ag_xSr_y B O3, B étant un des éléments de la liste : Fe, Mn, Cu Ti, Co et Ni, l’élément Sr pouvant être remplacé par un des éléments de la liste : Ca, Ba et K, x étant compris entre 0 et 0,5, et y étant compris entre 0 et 0,5.

Selon un mode avantageux de l’invention, le dispositif d’amenée d’air piloté comprend une dérivation d’un circuit de ventilation d’habitacle avec une vanne de contrôle.

Selon un mode avantageux de l’invention, le dispositif d’amenée d’air piloté comprend un dispositif d’injection d’air à l’échappement comprenant une pompe à air dédiée, la pompe étant reliée à la ligne d’échappement par l’intermédiaire d’un conduit.

Selon un mode avantageux de l’invention, le moteur est du type à allumage commandé fonctionnant au moins dans des conditions stoechiométriques, et/ou le véhicule comprend un catalyseur trois voies disposé en amont du filtre à particules.

L’invention concerne aussi un procédé de contrôle du véhicule selon l’invention, le procédé comprenant une action d’ouverture du dispositif d’amenée d’air de manière à mettre en circulation de l’air vers le filtre à particules lorsqu’au moins une des conditions suivantes est respectée : le moteur est à l’arrêt, le moteur est dans une phase de démarrage, une demande d’arrêt du moteur est présente, le véhicule est entraîné par un moteur/générateur et/ou le véhicule est phase de décélération avec le moteur entraîné.

Selon un mode avantageux de l’invention, l’activation d’ouverture du dispositif d’amenée d’air est restreinte au cas où la température du filtre est inférieure à un seuil prédéfini, notamment le seuil prédéfini étant compris entre 300 °C et 400 °C.

Selon un mode avantageux de l’invention, le dispositif d’amenée d’air est activement fermé après ouverture si la durée d’activation du dispositif d’amenée d’air dépasse un seuil prédéterminé, notamment le seuil prédéterminé étant égal ou inférieur à 1,2, 5, 10 ou 20 secondes.

Préférentiellement, la phase catalytique est au moins imprégnée directement à la surface de parois de canaux entrants du filtre à particules, déposée sur une membrane de filtration du filtre à particules et/ou constitutive de la membrane.

Préférentiellement, le média filtrant est à base de cordiérite, de titanate d'aluminium ou de carbure de silicium.

Préférentiellement, le moteur à combustion interne est combiné à un moteur/générateur formant un groupe motopropulseur hybride.

Préférentiellement, la source d’amenée d’air est en dérivation du circuit d’admission du moteur comprenant un compresseur ou turbocompresseur assisté électriquement.

Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce que le processus d’autorégénération du filtre à particules s’amorce à basse température, environ 300 °C au lieu de 600 °C pour les solutions connues. En outre, les matériaux utilisés dans la phase catalytique du filtre à particules pour assurer le stockage de l’oxygène sont bien plus économiques que ceux des solutions antérieures, comme les métaux du groupe platine.

Brève description des dessins

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins et du graphique parmi lesquels :

[Fig 1] représente un mode de réalisation de l’invention ;

[Fig 2] montre un exemple avec une amenée d’air connectée à un circuit de ventilation ;

[Fig 3] représente un autre exemple avec une amenée d’air avec une pompe à air dédiée ;

[Fig 4] reprend les résultats de la capacité d’oxydation du filtre à particules en fonction de la température.

Description détaillée

Dans la figure 1, un moteur 2 du type à allumage commandé fonctionnant au moins dans des conditions stoechiométriques est relié à une ligne d’échappement 4. Le moteur 2 et la ligne 4 sont intégrés dans un véhicule qui n’est pas représenté. Les gaz d’échappement du moteur 2 sont purifiés successivement en passant par un premier catalyseur trois voies 8 monté en amont d’un filtre à particules 6. En aval de la ligne d’échappement 4 peut se trouver un deuxième catalyseur 10. Un dispositif d’amené d’air 12 débouche directement en amont du filtre 6. Lorsque le moteur 2 est à l’arrêt par exemple, l’air introduit se diffuse dans le filtre 6. Une partie de l’oxygène de l’air introduit est absorbé/stocké dans la phase catalytique du filtre 6. Une autre partie de l’oxygène de l’air introduit peut servir de comburant à l’autorégénération du filtre 6. Le dispositif d’amené 12 peut aussi introduire de l’air en amont du premier catalyseur trois voies 8.

Le véhicule peut être configuré pour déclencher une action d’ouverture du dispositif d’amenée d’air 12 de manière à mettre en circulation de l’air vers le filtre à particules 6 lorsqu’au moins une des conditions suivantes est respectée : le moteur est à l’arrêt, le moteur 2 est dans une phase de démarrage, une demande d’arrêt du moteur 2 est présente, le véhicule est entraîné par un moteur/générateur et/ou le véhicule est phase de décélération avec le moteur 2 entraîné, et que la température du filtre 6 est inférieure à un seuil prédéfini, notamment 400 °C.

La détection de la température du filtre 6 peut être effectuée à partir d’un modèle ou d’une mesure. Aussi, la température des gaz d’échappement peut être utilisée comme alternative à la température du filtre 6.

Le filtre à particules 6 comprend un média filtrant et une phase catalytique. Le média filtrant peut être à base de cordiérite, de titanate d'aluminium ou de carbure de silicium. La phase catalytique peut être au moins imprégnée directement à la surface de parois de canaux entrants du filtre 6, déposée sur une membrane de filtration du filtre 6 à particules et/ou constitutive de la membrane.

Le dispositif d’amenée d’air piloté 12 peut comprendre une dérivation 14 d’un circuit de ventilation d’habitacle 18 avec une vanne de contrôle 16 comme illustré en figure 2.

Dans la figure 3, le dispositif d’amenée d’air piloté 12 peut comprendre une pompe à air 22 dédiée, la pompe 22 étant reliée à la ligne d’échappement 4 par l’intermédiaire d’un conduit 24. Une vanne non-représentée peut être montée en série sur le conduit 24 afin de contrôler le débit d’air et/ou d’assurer l’étanchéité de la ligne échappement

4.

Les propriétés de stockage d’oxygène et d’oxydation catalytique sont bien connues de l’homme du métier pour l’oxyde de cérine pure, l’oxyde de cérine dopée La, Zr, Y, Gd, Pr, Nd, Sm, en présence ou non de métaux précieux de type Ag, Pd, et leurs combinaisons ainsi que les pérovskites du type Lai-x-y Agx Sr_y B Os avec x = 0 - 0,5 et y = 0 - 0,5. Le Sr peut être remplacé par Ca, Ba, K (alcalins et alcalinoterreux), B étant compris dans la liste suivante : Fe, Mn, Ou, Ti, Co et Ni.

Plus particulièrement, des essais ont été réalisés avec de l’oxyde de cérine zirconium dopé à l’argent (2% en masse), nommé Ag-CZ (Ceo.49Zro.51O2). L’argent est déposé sur un oxyde commercial de cérine-zircone par imprégnation en voie humide à partir de nitrate d’Ag. Le catalyseur est ensuite séché une nuit à l’étude à 100 °C puis calciné à 700 °C sous air pendant 2 heures. Il est nommé dans la suite du document Ag-CZ.

Pour reproduire la situation, 200 mg de poudre Ag-CZ ont été introduits dans un réacteur en quartz classique en U. La poudre est au préalable réduite sous H2 durant une heure à 500 °C pour simuler une oxydation de la suie qui a pour conséquence de réduire le matériau catalytique. Ensuite une oxydation à température ambiante est réalisée en présence d’1 % d’oxygène sous 10 1/h. L’oxygène, consommé par le catalyseur pour se ré-oxyder, est mesuré en fonction du temps par un spectromètre de masse (QMS aspec : Quadrupole Mass Spectrometer, Aspec Technology Inc) et un micro-chromatographe (SRA 2000, SRA INSTRUMENTS®). La ré-oxydation n’est pas réalisée sous air, car le suivi de la consommation d’oxygène en présence de grande quantité (21 % 02) est très difficile d’un point de vue analytique. Il est connu de l’état de l’art que la cinétique de ré-oxydation augmente avec la pression partielle d’oxygène. Par conséquent, les conditions opératoires mises en œuvre sont plus contraignantes que celles de l’application visée.

À température ambiante, les performances de remplissage du matériau sont pour 1/21 de la teneur réelle en O2 dans l’air ambiant :

[Tableau 1]

	% de remplissage du matériau en O2	Temps de remplissage en O2
Ag-CZ	86%	3 min

La mesure de l’activité catalytique, pour la combustion des suies, avec la poudre ainsi préparée et préalablement oxydée, a été réalisée, à partir d’un mélange mécanique entre la poudre d’Ag-CZ et des suies, par le biais d’oxydation en température programmée. La suie utilisée est du noir de carbone commercial Printex® U. La suie Printex® U est utilisée comme suie de référence dans de nombreuses études portant sur la dépollution. La mesure d’activité catalytique du catalyseur synthétisé pour l’oxydation des suies est réalisée dans les conditions suivantes : la suie et le catalyseur sont mélangés dans un rapport 1/60 (en masse) et co-broyés dans un mortier pendant 15 minutes afin d’obtenir un contact intime entre la suie et le catalyseur. Une masse de 200 mg, de ce mélange, est prélevée et placée dans un réacteur en quartz classique en U. Les conditions expérimentales des oxydations en température programmée sont : un flux de 250 ppm d’Ch et 10 % d’LLO dans l’He à 10 l/h. Le réacteur est chauffé de 100 °C à 680 °C à une vitesse de 10 °C/ min. La concentration des produits issus (CO et CO2) de la combustion des suies est mesurée à l’aide d’un micro-chromatographe en phase gaz (SRA 3000) et d’un spectromètre de masse (QMS aspec). La conversion de la suie est calculée à partir des concentrations en CO et CO2 et est exprimée en fonction de la température.

Les performances d’oxydation sont fournies pour les matériaux :

- à l’état neuf (calcinées à 700 °C pendant 2 heures), référencé 34 en figure 4 ;

- à l’état vieilli (4 heures à 980 °C sous N2 et 10% d’eau), référencé 32 en figure 4.

[Tableau 2]

	% de la suie oxydée jusqu’à 400 °C sous 250 ppm d’Cte et 10% H2O	Produits de la réaction d’oxydation
Suie seule	0%	100%C0₂
Suie+ Ag-CZ neuf	20%	100%CO₂
Suie + Ag-CZ vieilli	5%	100%C0₂

La figure 4 montre la quantité de CO2 produite en fonction de la température liée à l’oxydation de la suie (pas de production de CO), avec de l’Ag-Cz à l’état vieilli 32 et avec de l’Ag-Cz à l’état neuf 34. Les pics relevés avant 250 °C ne sont pas à prendre en considération, car il s’agit de la production de CO2 lié au carbonate présent à la surface du matériau. Le graphique montre alors une oxydation de la suie qui débute dès 250 °C.

L’injection d’air lorsque la température inférieure à 250 °C, permet de charger le filtre en oxygène même si le processus d’autorégénération, c.-à-d. l’oxydation des suies ne s’est pas encore amorcée substantiellement. Une injection d’air limitée dans la durée suffit à charger le filtre à particules en oxygène.

Même si ces résultats ont été obtenus avec de l’Ag-Cz, les mêmes effets techniques se manifestent pour les matériaux ayant des propriétés de stockage O2 et d’oxydation catalytique. Ces matériaux sont les perovskites, l’oxyde de cérine pure, l’oxyde cérine dopée La, Zr, Y, Gd, Pr, Nd, Sm, en présence ou non de métaux précieux de type Ag, Pd, et leurs combinaisons.

Claims

REVENDICATIONS

1. Véhicule comprenant un moteur à combustion interne (2) et une ligne d’échappement (4) reliée audit moteur (2), ladite ligne (4) étant dotée d’un filtre à particules (6), et un dispositif d’amenée d’air piloté (12) qui débouche en amont du filtre (6) caractérisé en ce que ledit filtre (6) comprend un média filtrant et une phase catalytique, la phase catalytique ayant une capacité de stockage d’oxygène.
2. Véhicule selon la revendication 1, la phase catalytique comprend un oxyde de cérine pure ou dopée avec au moins un élément de la liste suivante : La, Zr, Y, Gd, Pr, Nd et Sm, et/ou un autre élément de la liste suivante : Ag et Pd.
3. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la phase catalytique comprend de l’oxyde de cérine de zirconium dopé à l’argent, notamment du type CeoxgZro.siOa.
4. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la phase catalytique comprend de la pérovskite du type Lai-x-_yAg_xSr_y B O3, B étant un des éléments de la liste : Fe, Mn, Cu Ti, Co et Ni, l’élément Sr pouvant être remplacé par un des éléments de la liste : Ca, Ba et K, x est compris entre 0 et 0,5, et y étant compris entre 0 et 0,5.
5. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif d’amenée d’air piloté comprend une dérivation (14) d’un circuit de ventilation d’habitacle (18) avec une vanne de contrôle (16).
6. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d’amenée d’air piloté (12) comprend un dispositif d’injection d’air à l’échappement comprenant une pompe à air (22) dédiée, ladite pompe étant reliée à la ligne d’échappement (4) par l’intermédiaire d’un conduit (24).
7. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le moteur (2) est du type à allumage commandé fonctionnant au moins dans des conditions stoechiométriques, et/ou le véhicule comprend un catalyseur trois voies (8) disposé en amont du filtre à particules (6).
8. Procédé de contrôle d’un véhicule comprenant un moteur à combustion interne (2), une ligne d’échappement (4) reliée audit moteur (2), la ligne (4) étant dotée d’un filtre à particules (6) et un dispositif d’amenée d’air piloté (12) qui débouche en amont dudit filtre (6), caractérisé en ce que le véhicule est selon l’une des revendications 1 à 7, et le procédé comprend une action d’ouverture du dispositif d’amenée d’air (12) de manière à mettre en circulation de l’air vers le filtre à particules (6) lorsqu’au moins une des conditions suivantes est respectée : ledit moteur (2) est à l’arrêt, ledit moteur est dans une phase de démarrage, une demande d’arrêt dudit moteur (2) est présente, ledit véhicule est entraîné par un moteur/générateur et/ou le véhicule est phase de décélération avec ledit moteur (2) entraîné.
9. Procédé de contrôle d’un véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’action d’ouverture du dispositif d’amenée d’air (12) est restreinte au cas où la température dudit filtre (6) est inférieure à un seuil prédéfini, notamment le seuil prédéfini étant compris entre 300 °C et 400 °C.
10. Procédé de contrôle d’un véhicule selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif d’amenée d’air (12) est activement fermé après ouverture si la durée d’activation du dispositif d’amenée d’air dépasse un seuil prédéterminé, notamment le seuil prédéterminé étant égal ou inférieur à 1,2, 5, 10 ou 20 secondes.