FR2829797A1 - Procede et dispositif destines au refroidissement d'un dispositif catalytique - Google Patents
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Abstract
Procédé destiné au refroidissement d'un dispositif catalytique (16) de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10) à une température de consigne du catalyseur, la température des gaz traversant le dispositif catalytique (16) étant refroidie très au-dessous de la température de consigne du catalyseur conformément aux besoins d'un refroidisseur réglable (18) en amont du dispositif (16). Le refroidissement est effectué avec une différence minimale de température d'attaque de 50 °C afin d'assurer non seulement une épuration des gaz d'échappement, mais d'utiliser également les avantages économiques d'un régime moteur à consommation optimisée. Un refroidissement inadmissible du dispositif (16) dans la plage de sa température de démarrage est évité en définissant une température minimale des gaz, et par une commande appropriée du processus de refroidissement, conformément aux besoins d'un catalyseur à accumulation de NOx (16).
Description
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La présente invention concerne un procédé destiné au refroidissement à une certaine température de consigne du catalyseur d'un dispositif catalytique dans l'installation de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne par une commande conforme aux besoins de la température des gaz d'échappement moyennant un refroidisseur réglable de gaz d'échappement placé en amont du dispositif catalytique ainsi qu'une installation de gaz d'échappement et un véhicule automobile pour la'mise en oeuvre de ce procédé.
Les dispositifs catalytiques ne possèdent habituellement qu'une zone de travail thermique optimale relativement limitée pour assurer une épuration en bonne et due forme des gaz d'échappement qui, dans le cas de catalyseurs à accumulation de Nos, se situe par exemple entre 220 OC et 550 C environ. A des valeurs inférieures à cette plage, ils ne sont pas suffisamment actifs du point de vue catalytique pour être pleinement opérationnels, et pour accumuler comme souhaité les matières nocives indésirables contenues dans les gaz d'échappement et/ou pour les transformer en matières inoffensives. Si des températures
de catalyseur plus élevées interviennent, des moteurs Otto e susceptibles de fonctionner en régime pauvre doivent fonctionner de façon stoechiométrique aux températures correspondantes plus élevées des gaz d'échappement, et ce bien que le procédé de combustion permettrait encore un régime pauvre économique associé à une faible consommation de carburant. Le vieillissement thermique qui peut conduire à une forte désactivation, voire à une destruction par surchauffe du catalyseur, intervient en outre à des températures de catalyseurs qui continuent à augmenter.
de catalyseur plus élevées interviennent, des moteurs Otto e susceptibles de fonctionner en régime pauvre doivent fonctionner de façon stoechiométrique aux températures correspondantes plus élevées des gaz d'échappement, et ce bien que le procédé de combustion permettrait encore un régime pauvre économique associé à une faible consommation de carburant. Le vieillissement thermique qui peut conduire à une forte désactivation, voire à une destruction par surchauffe du catalyseur, intervient en outre à des températures de catalyseurs qui continuent à augmenter.
Etant donné que la température du catalyseur est pour l'essentiel définie par la température des gaz d'échappement le traversant, la commande, et notamment la réduction, ou au moins la limitation de la température des gaz d'échappement par des mesures motorisées et/ou un refroidissement ciblé des gaz d'échappement sont d'une
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signification particulière pour le fonctionnement en bonne et due forme de catalyseurs de gaz d'échappement, et pour un mode de fonctionnement à consommation optimisée du moteur à combustion interne respectivement associé.
Des refroidisseurs aussi bien actifs que passifs sont utilisés dans la pratique pour le refroidissement des gaz d'échappement. Les derniers cités ne peuvent pas être influencés dans leur puissance de refroidissement, et ne peuvent de ce fait mettre à disposition que des puissances de refroidissement limitées afin de ne pas provoquer des inconvénients trop graves en régime Light-Off, et lors d'une sulfatation De. La puissance de refroidissement de refroidisseurs actifs ou réglables de gaz d'échappement est par contre réglable dans de vastes plages et permet, par exemple en régime Light-Off et lors d'une sulfatation De, à la majeure partie du flux des gaz d'échappement arrivant de traverser simplement le refroidisseur des gaz d'échappement sans être refroidie. Ils peuvent de ce fait être conçus de façon à être nettement plus performants que des refroidisseurs de gaz d'échappement passifs, sans que des inconvénients correspondants soient pour autant à craindre. Des refroidisseurs réglables de gaz d'échappement sont par contre d'un agencement technique plus coûteux, et sont en règle générale également nettement plus grands que des refroidisseurs de gaz d'échappement passifs, ce qui est à nouveau associé à des coûts proportionnellement plus élevés. En raison de leurs puissances de refroidissement maximales élevées, ils permettent cependant d'éviter de façon fiable une détérioration thermique éventuelle d'un dispositif catalytique en régime à pleine charge avec des températures élevées correspondantes des gaz d'échappement et du catalyseur. Ils sont notamment utilisés pour maintenir des catalyseurs à accumulation de NOx dans de vastes plages de fonctionnement du moteur à leur température de travail comprise entre 220 OC et 550 OC environ, qui est nécessaire pour une épuration convenable
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des gaz d'échappement pauvres.
Des refroidisseurs réglables de gaz d'échappement peuvent par exemple comporter un échangeur de chaleur pour le refroidissement proprement dit des gaz d'échappement, et une conduite de dérivation entourant cet échangeur de chaleur, de sorte qu'au moyen d'un dispositif de commande approprié de gaz d'échappement, tel que par exemple un ou également plusieurs volets de gaz d'échappement, des parties quelconques du flux des gaz d'échappement puissent être dirigées en cas de besoin de manière à simplement contourner l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement proprement dit sans être refroidis, ou dirigés à travers ce dernier pour le refroidissement nécessaire. D'autres refroidisseurs réglables de gaz d'échappement sont cependant également connus, dont la puissance de refroidissement peut être commandée dans de vastes plages, par exemple par une commande de la circulation d'air de refroidissement conforme aux besoins et/ou une circulation d'air de refroidissement au moyen de dispositifs de guidage appropriés d'air de refroidissement, tels que par exemple des volets d'aération ou volets à lamelles d'air pouvant être commandés et/ou des canaux d'air de refroidissement.
Des refroidisseurs réglables de gaz d'échappement peuvent le cas échéant également comporter une combinaison de différents mécanismes ou dispositifs de refroidissement, l'utilisation de fluides de refroidissement spécifiques destinés à un meilleur transfert de chaleur à l'environnement étant également envisageable pour augmenter la puissance de refroidissement. De tels dispositifs de refroidissement réglables sont connus des spécialistes en la matière, de sorte que d'autres explications relatives à ce thème ne sont pas utiles à ce niveau.
Dans le cas de procédés classiques de refroidissement, la température des gaz d'échappement est simplement réduite en cas de besoin à une certaine température de consigne au moyen d'un tel refroidisseur actif ou passif de gaz
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d'échappement, afin qu'un dispositif catalytique associé disposé en aval, tel que par exemple un catalyseur à accumulation de Nos, puisse se refroidir progressivement à sa température de consigne souhaitée. Afin de tenir compte des déperditions thermiques transmises à l'environnement, intervenant dans le conduit des gaz d'échappement et dans le dispositif catalytique même, la température de consigne des gaz d'échappement est habituellement choisie de telle sorte qu'elle soit légèrement supérieure à la température de consigne du catalyseur, ce qui, en raison de la faible différence de température d'attaque, est naturellement lié à des temps de refroidissement relativement longs.
L'objectif de la présente invention consiste à proposer un procédé de refroidissement amélioré pour un dispositif catalytique qui, après un fonctionnement à des températures élevées des gaz d'échappement et du catalyseur, tel que par exemple après une sulfatation De, permet un refroidissement aussi rapide que possible du dispositif catalytique à une certaine température de consigne du catalyseur située dans sa plage de travail afin de pouvoir assurer dans des plages de fonctionnement aussi vastes que possible, non seulement une épuration correcte des gaz d'échappement, mais également d'utiliser dans la circulation dynamique les avantages économiques d'un régime moteur à consommation optimisée, tel que par exemple par un régime en postes de moteurs Otto Diesel. Un fort refroidissement inadmissible du dispositif catalytique jusque dans la plage de sa température de démarrage, voire au-dessous, doit cependant être en l'occurrence évité de façon fiable. Le procédé de refroidissement recherché doit notamment être approprié pour le refroidissement conforme aux besoins d'un catalyseur à accumulation de NOX disposé en aval d'un moteur à combustion interne susceptible de fonctionner en régime pauvre. L'objectif consiste par ailleurs à proposer une installation de gaz d'échappement appropriée destinée à la mise en oeuvre du procédé
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recherché, et un véhicule automobile correspondant.
La première partie de l'objectif est atteinte par un procédé de refroidissement à une certaine température de consigne du catalyseur d'un dispositif catalytique dans l'installation de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne par une commande conforme aux besoins de la température des gaz d'échappement moyennant un refroidisseur réglable de gaz d'échappement placé en amont du dispositif catalytique, d'après lequel le débit massique des gaz d'échappement est refroidi selon l'invention pendant un certain laps de temps très au-dessous de la température de consigne souhaitée du catalyseur, afin d'obtenir une déperdition thermique très élevée, avec de courts temps de refroidissement correspondants, par le réglage d'une différence de température d'attaque élevée entre le dispositif catalytique à refroidir et le débit massique des gaz d'échappement le traversant. La température de consigne des gaz d'échappement est en l'occurrence réduite au-dessous de la température de consigne du catalyseur d'une valeur d'au moins 50 K (Kelvin), ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 1 kW, de sorte que le dispositif catalytique se refroidisse par nature à cette température de consigne du catalyseur nettement plus rapidement que dans le cas de procédés de refroidissement classiques avec une température de consigne des gaz d'échappement nettement plus élevée se situant dans la plage de la température de consigne du catalyseur. Il est de ce fait assuré, non seulement une épuration convenable des gaz d'échappement avec de faibles valeurs d'émission correspondantes plus tôt qu'avec des procédés de refroidissement classiques, mais il est également possible d'utiliser dans la circulation dynamique les avantages économiques d'un régime moteur à consommation optimisée, comme par exemple par une proportion de régime en postes plus élevée de moteurs Otto Diesel.
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Selon une variante préférée du procédé, la température des gaz d'échappement est même réduite par le refroidisseur de gaz d'échappement d'au moins 200 K, ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 4 kW.
La température de consigne des gaz d'échappement est de préférence déterminée à l'aide de la différence de température entre la température de consigne recherchée du catalyseur et la température réelle instantanée du catalyseur. Dans ce but, la température réelle du catalyseur nécessaire à cet effet peut par exemple être mesurée en continu au niveau du dispositif catalytique par au moins une sonde de température, et/ou déterminée par une modélisation moyennant un dispositif de modélisation approprié. Afin d'éviter un fort refroidissement inadmissible du catalyseur, et d'assurer en permanence une épuration correcte des gaz d'échappement, les températures de consigne et réelle du catalyseur, ou également les profils des températures de consigne et réels du catalyseur, ne doivent pas être inférieures à certaines valeurs minimales ou à certains profils minimaux (et naturellement ne pas dépasser certaines valeurs maximales). La température de consigne du catalyseur est choisie en fonction du dispositif catalytique utilisé et des conditions de fonctionnement respectives, de telle sorte qu'elle se situe dans la plage de travail optimale du dispositif catalytique. Elle est par conséquent de préférence comprise entre 220 OC et 500 C, notamment cependant entre 260 OC et 460 C. La température de consigne des gaz d'échappement est notamment choisie de telle sorte que, sur plus de 50 % de son volume, le dispositif catalytique ne se refroidisse pas à une température minimale inférieure à 350 C.
Afin d'éviter de façon fiable un fort refroidissement indésirable d'autres zones du catalyseur jusque dans la plage de la température de démarrage, voire au-dessous, et
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d'assurer en permanence une épuration correcte des gaz d'échappement, la température de consigne des gaz d'échappement est de préférence limitée à une certaine température minimale, qui peut par exemple être choisie de façon à être supérieure ou égale à 250 C, notamment cependant supérieure ou égale à 300 C. Afin de tenir compte de la température réelle du catalyseur décroissant au fur et à mesure de l'augmentation du refroidissement du catalyseur, la température de consigne des gaz d'échappement peut également être temporairement modifiée de telle sorte que d'éventuels processus d'oscillation audessous de la température de consigne du catalyseur soient évités autant que possible, et que la température réelle du catalyseur atteigne lentement ou"de façon rampante"cette valeur finale. C'est la raison pour laquelle la température de consigne des gaz d'échappement est de préférence augmentée progressivement au fur et à mesure de la diminution de la différence de température entre la température de consigne souhaitée du catalyseur et la température réelle instantanée du catalyseur, une valeur de température correspondant notamment au moins à la température de consigne du catalyseur étant choisie en tant que valeur finale pour cette augmentation de température.
Dans une variante préférée du procédé, la température de consigne des gaz d'échappement est de préférence maintenue dans un premier temps constante à un faible niveau de température pendant un certain laps de temps au début d'une phase de refroidissement et, en fonction de la différence de température détectée entre la température réelle et la température de consigne du catalyseur, est ensuite élevée de façon linéaire, progressive ou dégressive à une valeur de température située au-dessus de la température de consigne du catalyseur.
Pour le procédé de refroidissement selon l'invention, le refroidisseur de gaz d'échappement est réglé de telle sorte que la différence entre la température de consigne
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des gaz d'échappement et la température réelle instantanée des gaz d'échappement entrant dans le dispositif catalytique soit minimisée. La température réelle des gaz d'échappement nécessaire à cet effet peut par exemple être mesurée en continu par une sonde de température disposée de façon appropriée, et/ou déterminée par une modélisation moyennant un dispositif de modélisation approprié.
En tant que refroidisseur réglable de gaz d'échappement, il est de préférence utilisé un échangeur de chaleur de gaz d'échappement avec une conduite de dérivation associée, et un dispositif de commande de gaz d'échappement pour la répartition en continu sur l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement et la conduite de dérivation d'un débit massique de gaz d'échappement arrivant. Il est cependant également possible d'utiliser d'autres refroidisseurs réglables de gaz d'échappement, dans lesquels la puissance de refroidissement est par exemple commandée par une commande de la circulation d'air de refroidissement correspondant aux besoins, et/ou par un passage d'air de refroidissement au moyen de dispositifs de guidage appropriés d'air de refroidissement, tels que par exemple des volets ou volets à lamelles d'air réglables et/ou des canaux d'air de refroidissement. Afin d'augmenter la puissance de refroidissement, il est également possible d'utiliser dans des cas particuliers éventuellement des fluides de refroidissement spécifiques.
Pour le procédé de refroidissement de gaz d'échappement selon l'invention, il est de préférence utilisé un refroidisseur réglable de gaz d'échappement dont la puissance de refroidissement maximale en kW, à une vitesse de marche de 100 km/h d'un véhicule automobile associé, et à une température des gaz d'échappement de 600 OC en amont du refroidisseur de gaz d'échappement, est au moins de
PBFZG100 étant la puissance nécessaire indiquée en kW de ce
PBFZG100 étant la puissance nécessaire indiquée en kW de ce
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véhicule automobile pour surmonter les résistances au roulement dans le plan à 100 km/h à l'état chaud de fonctionnement à une température ambiante de 20 C, une humidité relative de l'air de 20... 80 %, et une vitesse de vent inférieure à 3 m/s ; VH étant la cylindrée en litres du moteur à combustion interne de ce véhicule automobile, et F un facteur multiplicateur. Selon l'invention, F prend des valeurs de l'ordre de 0,35 à 2, de préférence de 0, 5 à 1,2.
Le procédé selon l'invention est de préférence utilisé pour le refroidissement d'un catalyseur à accumulation de NOx disposé en aval d'un moteur à combustion interne apte à fonctionner en régime pauvre.
Une installation de gaz d'échappement destinée à la mise en oeuvre de ce procédé de refroidissement selon l'invention, comporte un dispositif catalytique avec un refroidisseur réglable de gaz d'échappement disposé en amont, qui est conçu de telle sorte qu'un débit massique de gaz d'échappement arrivant est ou peut être refroidi largement au-dessous d'une certaine température de consigne du catalyseur. Concernant cette température de consigne du catalyseur, le refroidisseur de gaz d'échappement permet des sur-refroidissements des gaz d'échappement d'au moins 50 OC, notamment d'au moins 200 OC, ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 1 kW, notamment d'au moins 4 kW.
Sa puissance de refroidissement maximale PKWT100 à une vitesse de marche de 100 km/h d'un véhicule automobile associé, et à une température de 600 OC d'un débit massique de gaz d'échappement arrivant, est en l'occurrence donnée par la formule ci-dessus pour PKWT100.
L'installation de gaz d'échappement comporte de préférence également un dispositif destiné à la détermination de la température du catalyseur, un dispositif destiné à la détermination de la température d'un débit massique de gaz d'échappement arrivant dans le
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dispositif catalytique, et un dispositif de commande associé pour la détection et l'évaluation de signaux de température de ces dispositifs, et pour le réglage conforme aux besoins du refroidisseur de gaz d'échappement en fonction de ces signaux de température. Il peut également être prévu un dispositif destiné à la détermination de la température du débit massique de gaz d'échappement entrant dans le refroidisseur de gaz d'échappement. Les dispositifs destinés à la détermination de la température du catalyseur ou à celle des gaz d'échappement peuvent par exemple comporter chacun au moins une sonde de température disposée de façon appropriée et/ou un dispositif de modélisation de température.
Le refroidisseur réglable de gaz d'échappement comporte de préférence un échangeur de chaleur de gaz d'échappement avec une conduite de dérivation de gaz d'échappement associée, et un dispositif de commande de gaz d'échappement pour la répartition du débit massique de gaz d'échappement sur l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement et la conduite de dérivation. L'échangeur de chaleur de gaz d'échappement peut cependant également comporter des dispositifs de guidage réglables d'air de refroidissement et/ou des canaux de guidage d'air de refroidissement ou un fluide de refroidissement spécifique, ce qui permet le cas échéant de supprimer la conduite de dérivation des gaz d'échappement.
Le dispositif catalytique comporte de préférence un catalyseur à accumulation de Noix.
D'autres particularités et avantages du procédé selon l'invention et du dispositif selon l'invention destiné à la mise en oeuvre de ce procédé, ressortiront individuellement et/ou en combinaisons de la description suivante d'un exemple de réalisation préféré de l'invention en liaison avec les dessins en faisant partie, sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne avec une installation de gaz
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d'échappement disposée en aval conforme à l'invention ; et la figure 2 est une représentation schématique illustrant la différence entre un procédé de refroidissement classique et un procédé de refroidissement selon l'invention, à l'aide de l'évolution dans le temps des températures des gaz d'échappement et du catalyseur.
La figure 1 représente un moteur à combustion interne 10 classique apte à fonctionner en régime pauvre d'un véhicule automobile (non représenté), avec une installation 12 à 20 de gaz d'échappement selon l'invention disposée en aval pour le traitement catalytique postérieur des gaz d'échappement émis par le moteur à combustion interne 10. L'installation 12 à 20 de gaz d'échappement comporte un conduit 12 de gaz d'échappement avec un dispositif catalytique classique 14,16, qui est constitué d'un précatalyseur 14 de petit volume et d'un catalyseur à accumulation de NO, 16 disposé en aval servant de catalyseur principal. Un refroidisseur réglable 18 de gaz d'échappement est disposé entre ces deux catalyseurs 14,16 pour le refroidissement des gaz d'échappement entrant dans le catalyseur à accumulation de NOx 16, lequel comporte un échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement, une conduite de dérivation 18b de gaz d'échappement entourant l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement, et un dispositif à volets (non représenté) de gaz d'échappement pour la répartition conforme aux besoins sur l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement et la conduite de dérivation 18b de gaz d'échappement d'un débit massique de gaz d'échappement arrivant.
Un détecteur de température 20 destiné à la mesure continue de la température réelle d'un débit massique de gaz d'échappement entrant dans le catalyseur à accumulation de NOx 16 est disposé en amont du catalyseur à accumulation de NOX 16. Outre ce détecteur de température 20 et à titre de sécurité, il est par ailleurs encore prévu un dispositif de modélisation associé (non représenté) pour la
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détermination continue par modélisation de cette température réelle, afin de pouvoir détecter d'éventuelles irrégularités de température et de protéger le catalyseur à accumulation de NOx 16 sensible aux hautes températures de façon fiable contre d'éventuelles températures excessives.
Ce dispositif de modélisation est également conçu pour la modélisation du profil de température caractéristique intéressant du catalyseur. En complément ou en variante à cela, un ou plusieurs détecteurs de température peuvent le cas échéant également être prévus sur le catalyseur à accumulation de NOx 16 pour la mesure d'une température caractéristique du catalyseur ou du profil de température du catalyseur. Le dispositif de modélisation sert par ailleurs également à la modélisation de la température des gaz d'échappement entrant dans l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement. Un détecteur de température peut cependant également être le cas échéant disposé en amont du refroidisseur 18 de gaz d'échappement pour la détermination de cette température.
Les signaux de température du détecteur de température 20 (et d'autres détecteurs de température éventuellement prévus) sont transmis par l'intermédiaire de lignes de transmission (non représentées) du détecteur à un dispositif de commande associé (non représenté), ce dernier étant de son côté relié au dispositif à volets de gaz d'échappement du refroidisseur 18 de gaz d'échappement par des lignes de commande (non plus pas représentées). Le dispositif de commande détecte les signaux de température du détecteur et les données de température du dispositif de modélisation, exploite ces signaux et données de la manière qui sera encore décrite ci-après, et commande le dispositif à volets des gaz d'échappement du refroidisseur de gaz d'échappement pour le réglage de la température de consigne souhaitée du catalyseur, de telle sorte que la différence entre la température réelle des gaz d'échappement et la température de consigne déterminée par le dispositif de
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commande du débit massique des gaz d'échappement arrivant dans le catalyseur à accumulation de NOx 16 soit minimisée par une répartition conforme aux besoins des proportions de débit massique traversant l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement ou la conduite de dérivation 18b de gaz d'échappement.
Dans le cas d'un moteur Otto Diesel d'une cylindrée de 1,4 l et d'une puissance de 77 kW, il s'instaure, en mode de fonctionnement stoechiométrique et en régime à vitesse constante de l'ordre de 100 km/h sans aucune mesure de refroidissement, à savoir avec contournement de l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement et guidage de l'ensemble du débit massique de gaz d'échappement arrivant de l'ordre de 90 kg/h par la conduite de dérivation 18b de gaz d'échappement, une température de catalyseur de l'ordre de 560 C, qui est portée à une valeur de l'ordre de 650 OC lors de sulfatations De intermittentes, dues par exemple à un retard à l'allumage.
Après une sulfatation De réussie, un régime pauvre à économie de consommation serait possible si la température
du catalyseur était réduite d'au moins environ 170 OC à une valeur inférieure à environ 480 OC située dans la plage de travail optimale du catalyseur à accumulation de NO, 16. Cette valeur de température à rechercher est d'environ 70 OC inférieure à la limite supérieure de température de l'ordre de 550 C qui est requise pour assurer un régime d'accumulation de NOx correct, et qui, dans le diagramme température-temps de la figure 2, est représentée en tant que ligne horizontale 22 s'étendant parallèlement à l'axe de temps.
du catalyseur était réduite d'au moins environ 170 OC à une valeur inférieure à environ 480 OC située dans la plage de travail optimale du catalyseur à accumulation de NO, 16. Cette valeur de température à rechercher est d'environ 70 OC inférieure à la limite supérieure de température de l'ordre de 550 C qui est requise pour assurer un régime d'accumulation de NOx correct, et qui, dans le diagramme température-temps de la figure 2, est représentée en tant que ligne horizontale 22 s'étendant parallèlement à l'axe de temps.
Dans le cas d'un procédé de refroidissement classique, la température du débit massique des gaz d'échappement entrant dans le catalyseur à accumulation de NOx 16 serait par exemple réglée à une valeur de l'ordre de 440 OC par une adaptation des proportions des gaz d'échappement traversant l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement
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ou la conduite de dérivation 18b de gaz d'échappement, et serait ensuite également maintenue à cette valeur afin d'atteindre, par un refroidissement progressif du catalyseur à accumulation de NOx 16 chaud traversé par les gaz d'échappement ainsi refroidis, une température de consigne souhaitée du catalyseur de l'ordre de 430 C, qui est encore une fois nettement inférieure à la valeur de température indiquée de l'ordre d'au moins 480 C, nécessaire pour un régime pauvre a économie de consommation. Selon la courbe 24 de la figure 2, la température (de consigne ou réelle) des gaz d'échappement en amont du catalyseur à accumulation de NOx 16 serait par conséquent réduite directement à la valeur indiquée au début du processus de refroidissement, et maintenue ensuite sensiblement constante, de sorte que, après la réduction de température, la courbe de température 24 des gaz d'échappement évolue parallèlement à l'axe de temps. En raison du contact thermique avec les gaz d'échappement plus froids que le traversent, le catalyseur à accumulation de NOx 16 se refroidit progressivement avec le temps, la température réelle du catalyseur diminuant de façon exponentielle selon la courbe 26 de la figure 2, et atteint finalement"de façon rampante"la température de consigne souhaitée du catalyseur.
La puissance de refroidissement de l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement nécessaire pour ce procédé de refroidissement classique est de l'ordre de 4,5 kW.
Dans le cas d'un refroidissement de catalyseur selon l'invention, la température de consigne du catalyseur est fixée dans un premier temps par le dispositif de commande (selon l'exemple précité) à une valeur de l'ordre de 430 C, et la différence entre la température réelle initiale du catalyseur de l'ordre de 650 OC et cette température de consigne du catalyseur est déterminée afin de définir, à l'aide de cette différence de l'ordre de 220 C, une température de consigne initiale des gaz
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d'échappement en amont du catalyseur à accumulation de NO, 16. Dans le but d'éviter un refroidissement trop fort d'autres zones du catalyseur jusque dans la plage de la température de démarrage, voire au-dessous, on veille à ce que la température de consigne des gaz d'échappement à déterminer ne soit pas inférieure à une valeur minimale de l'ordre de 300 C. Cette valeur minimale peut le cas échéant également être choisie à 250 OC environ. En raison du débit plus important traversant l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement, la température de consigne initiale des gaz d'échappement est choisie dans le présent cas de manière à être égale à la valeur minimale prédéterminée de l'ordre de 300 C. La différence de température des gaz d'échappement entrant ou sortant de l'échangeur de chaleur 18a est de ce fait dans un premier temps de l'ordre de 310 C, et est par conséquent de l'ordre de 140 OC supérieure à celle du procédé de refroidissement classique décrit.
A partir de la différence de température entre cette température de consigne choisie des gaz d'échappement de l'ordre de 300 OC et la température réelle instantanée du débit massique de gaz d'échappement entrant dans le catalyseur à accumulation de NO, 16, la répartition du débit massique des gaz d'échappement sur l'échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement et la conduite de dérivation 18b de gaz d'échappement nécessaire pour le refroidissement souhaité des gaz d'échappement est définie par le dispositif de commande, et est réglée conformément aux besoins par la commande du dispositif à volets des gaz d'échappement de telle sorte que cette différence de température soit minimisée. Selon la courbe 30 de la figure 2, la température réelle des gaz d'échappement est de ce fait réduite dans un premier temps de façon pratiquement graduelle à un point tel qu'elle corresponde sensiblement à la température de consigne des gaz d'échappement, et est ensuite maintenue à cette valeur pendant un certain laps de temps.
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En raison de ce fort refroidissement des gaz d'échappement, la température réelle du catalyseur baisse dans un premier temps très rapidement selon la courbe 28 de la figure 2, de façon à passer déjà après un court intervalle de temps au-dessous de la limite supérieure nécessaire à un régime d'accumulation de NOx correct selon la courbe 22. Compte tenu du refroidissement nettement plus fort que dans le cas de procédés de refroidissement classiques, la température passe naturellement beaucoup plus tôt que de façon classique au-dessous de cette limite supérieure, ce qui fait que le procédé selon l'invention permet d'atteindre de plus faibles valeurs d'émission de NOx correspondantes.
Selon un autre refroidissement du catalyseur se déroulant pour l'essentiel de façon exponentielle, la température réelle du catalyseur est finalement également inférieure à la température de consigne des gaz d'échappement du procédé de refroidissement classique, de l'ordre de 440 OC selon la courbe 24. Lorsque la température réelle du catalyseur est de l'ordre de 435 C, la température de consigne des gaz d'échappement selon la courbe 30 est portée de façon linéaire à la valeur finale de l'ordre de 440 C, également utilisée pour le procédé de refroidissement classique décrit, et est ensuite maintenue à cette valeur finale. La proportion massique des gaz d'échappement traversant l'échangeur de chaleur 18a est de ce fait réduite par une commande appropriée du dispositif à volets de telle sorte que la température réelle des gaz d'échappement augmente de façon correspondante, et se maintienne finalement également à la valeur finale constante de l'ordre de 440 C. Grâce à cette modification de la température de consigne ou de la température réelle des gaz d'échappement, une oscillation de la température réelle du catalyseur au-dessous de la température de consigne du catalyseur est évitée de façon fiable. Le refroidissement du dispositif catalytique n'est plus
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effectué que très lentement en raison de la différence de température déjà très faible, de sorte que la température réelle du catalyseur atteint finalement la température de consigne souhaitée du catalyseur de l'ordre de 430 OC pour l'essentiel de façon asymptotique"rampante".
La puissance de refroidissement maximale nécessaire pour le fort sur-refroidissement indiqué du débit massique selon l'invention, en ce qui concerne la température de consigne souhaitée du catalyseur se calcule dans le présent cas à environ 8,1 kW. Par rapport à un procédé de refroidissement classique, un échangeur de chaleur 18a de gaz d'échappement approprié pour le procédé de refroidissement à fort sur-refroidissement décrit selon l'invention doit par conséquent fournir pratiquement le double de la puissance de refroidissement, ce qui est associé à des dimensions correspondantes plus importantes, et également à des coûts plus élevés.
Comme il a déjà été mentionné, le sur-refroidissement très fort selon l'invention du débit massique des gaz d'échappement en ce qui concerne le dispositif catalytique conduit, en raison de la différence de température d'attaque, qui est nettement plus élevée que dans le cas d'un procédé de refroidissement classique, à une réduction nettement plus rapide de la température réelle du catalyseur à la température de consigne souhaitée du catalyseur, et par conséquent également à des temps de refroidissement nettement plus courts, de sorte que, dans des zones de travail plus éloignées, il est non seulement assuré une épuration convenable des gaz d'échappement avec de faibles valeurs d'émission correspondantes, mais les avantages économiques d'un régime moteur à consommation optimisée, tel que par exemple par un régime en postes de moteurs Otto Diesel, peuvent également être mieux utilisés dans la circulation dynamique. Grâce à la commande conforme aux besoins de la température des gaz d'échappement, un refroidissement excessivement fort du dispositif
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catalytique lié à une forte chute inadmissible de l'activité catalytique jusque dans la plage de sa température de démarrage, voire au-dessous, est en outre évité de façon fiable.
Dans le présent cas, la température réelle du catalyseur nécessaire à la mise en oeuvre de ce procédé, et la température réelle du débit massique des gaz d'échappement entrant dans le dispositif catalytique, sont déterminées en continu par le dispositif de modélisation ou mesurées en continu au moyen du détecteur de température 20, et sont transmises au dispositif de commande pour évaluation et pour la détermination de la température de consigne du catalyseur et de la température de consigne des gaz d'échappement, ainsi que pour la commande en continu conforme aux besoins du dispositif à volets des gaz d'échappement. En variante ou en complément, et comme déjà mentionné, la température réelle du catalyseur peut cependant également être mesurée au niveau du dispositif catalytique par un ou plusieurs détecteurs de température.
Il convient encore de noter que la courbe dans le temps choisie dans le présent cas, et décrite ci-dessus, des températures de consigne ou réelle ne correspond qu'à un exemple de réalisation caractéristique préféré, qui fournit en outre une bonne illustration de l'idée de l'invention. En fonction du domaine d'application spécifique, d'autres courbes de température dans le temps sont bien entendu possibles dans la mesure où elles assurent un refroidissement suffisamment fort et long du débit massique des gaz d'échappement en ce qui concerne le dispositif catalytique.
Claims (30)
1. Procédé destiné au refroidissement à une certaine température de consigne du catalyseur d'un dispositif catalytique (16) dans l'installation (12 à 20) de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10) par une commande conforme aux besoins de la température des gaz d'échappement moyennant un refroidisseur réglable (18) de gaz d'échappement placé en amont du dispositif catalytique (16), caractérisé en ce que la température des gaz d'échappement est réduite pendant un laps de temps à une température de consigne des gaz d'échappement, qui est située au-dessous de la température de consigne du catalyseur d'une valeur d'au moins 50 K ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 1 kW.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température des gaz d'échappement est réduite d'au moins 200 K ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 4 kW.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température réelle instantanée du catalyseur est définie, et en ce que la température de consigne des gaz d'échappement est déterminée à l'aide de la différence de température entre la température de consigne du catalyseur et la température réelle du catalyseur.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température de consigne des gaz d'échappement est augmentée au fur et à mesure de la diminution de la différence de température.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de consigne des gaz d'échappement est
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augmentée au moins jusqu'à la température de consigne du catalyseur.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que, au début d'une phase de refroidissement, la température de consigne des gaz d'échappement est dans un premier temps maintenue constante pendant un laps de temps et, en fonction de la différence de température par rapport à la température réelle du catalyseur, est ensuite augmentée de façon linéaire, progressive ou dégressive à une valeur de température située au-dessus de la température de consigne du catalyseur.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de consigne des gaz d'échappement est limitée à une certaine température minimale des gaz d'échappement.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température minimale des gaz d'échappement est supérieure ou égale à 250 C.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la température minimale des gaz d'échappement est supérieure ou égale à 300 C.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de consigne du catalyseur se situe entre 220 oc et 500 C.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la température de consigne du catalyseur se situe entre 260 OC et 460 C.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,
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caractérisé en ce que, sur plus de 50 % de son volume, le dispositif catalytique (16) n'est pas refroidi à une température du catalyseur minimale inférieure à 350 C.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température réelle instantanée des gaz d'échappement entrant dans le dispositif catalytique (16) et sa différence par rapport à la température de consigne des gaz d'échappement sont déterminées, et en ce que cette différence de température est minimisée par un réglage approprié du refroidisseur (18) de gaz d'échappement.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 13, caractérisé en ce que la température réelle du catalyseur et/ou la température réelle des gaz d'échappement sont déterminées en continu.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 14, caractérisé en ce que la température réelle du catalyseur et/ou la température réelle des gaz d'échappement sont chacune mesurées par au moins une sonde de température (20) et/ou déterminées par une modélisation.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, en tant que refroidisseur réglable (18) de gaz d'échappement, il est utilisé un échangeur de chaleur (18a) de gaz d'échappement avec une conduite de dérivation (18b) de gaz d'échappement entourant l'échangeur de chaleur (18a) de gaz d'échappement, et un dispositif de commande de gaz d'échappement destiné à la répartition sur l'échangeur de chaleur (18a) de gaz d'échappement et la conduite de
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dérivation (18b) de gaz d'échappement, d'un débit massique de gaz d'échappement arrivant.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que il est utilisé un refroidisseur (18) de gaz d'échappement dont la puissance de refroidissement maximale à fournir en kW, à une vitesse de marche de 100 km/h d'un véhicule automobile associé, et à une température des gaz d'échappement de 600 OC en amont du refroidisseur (18) de gaz d'échappement, est au moins de
F étant un facteur multiplicateur.
VH étant la cylindrée en litres du moteur à combustion interne (10) de ce véhicule automobile ; et
PBFZG100 étant la puissance nécessaire indiquée en kW du véhicule automobile pour surmonter les résistances au roulement dans le plan à 100 km/h à l'état chaud de fonctionnement, à une température ambiante de 20 C, une humidité relative de l'air de 20... 80 %, et une vitesse de vent inférieure à 3 m/s ;
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que une valeur comprise entre 0,35 et 2 est choisie pour F.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que une valeur comprise entre 0,5 et 1,2 est choisie pour F.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que un dispositif catalytique (16) avec un catalyseur à accumulation de NOx (16) est refroidi.
21. Installation de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne (10), comportant :
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un dispositif catalytique (16), et un refroidisseur réglable (18) de gaz d'échappement placé en amont, caractérisée en ce que le refroidisseur (18) de gaz d'échappement est conçu de telle sorte qu'un débit massique de gaz d'échappement arrivant est ou peut être refroidi au-dessous d'une certaine température de consigne du catalyseur d'au moins 50 K ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 1 kW.
22. Installation de gaz d'échappement selon la revendication 21, caractérisée en ce que le refroidisseur (18) de gaz d'échappement est conçu de telle sorte qu'un débit massique de gaz d'échappement arrivant est ou peut être refroidi au-dessous d'une certaine température de consigne du catalyseur d'au moins 200 K ou d'une valeur de température correspondant à une puissance de refroidissement d'au moins 4 kW.
23. Installation de gaz d'échappement selon la revendication 21 ou 22, caractérisée en ce que, à une vitesse de marche de 100 km/h d'un véhicule automobile associé et à une température des gaz d'échappement de 600 OC en amont du refroidisseur (18) de gaz d'échappement, le refroidisseur (18) de gaz d'échappement possède une puissance de refroidissement maximale à fournir d'au moins
PBFZG100 étant la puissance nécessaire indiquée en KM du véhicule automobile pour surmonter les résistances au roulement dans le plan à 100 km/h à l'état chaud de
fonctionnement, à une température ambiante de 20 C, une humidité relative de l'air de 20... 80 %, et une vitesse de vent inférieure à 3 m/s ;
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F étant un facteur multiplicateur.
VH étant la cylindrée en litres du moteur à combustion interne (10) de ce véhicule automobile ; et
24. Installation de gaz d'échappement selon la revendication 23, caractérisé en ce que
F est compris entre 0,35 et 2.
25. Installation de gaz d'échappement selon la revendication 24, caractérisé en ce que
F est compris entre 0,5 et 1,2.
26. Installation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 21 à 25. caractérisé par - un dispositif destiné à la détermination de la température du catalyseur ; - un dispositif destiné à la détermination de la température d'un débit massique de gaz d'échappement du moteur à combustion interne (10) entrant dans le dispositif catalytique (16) ; et - un dispositif de commande associé pour la détection et l'évaluation de signaux de température de ces deux dispositifs, et pour le réglage conforme aux besoins du refroidisseur (18) de gaz d'échappement en fonction de ces signaux de température.
27. Installation de gaz d'échappement selon la revendication 26, caractérisé en ce que les dispositifs destinés à la détermination de la température du catalyseur ou des gaz d'échappement comprennent un dispositif de modélisation de température et/ou chacun au moins un détecteur de température (20).
28. Installation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 21 à 27, caractérisé en ce que le refroidisseur réglable (18) de gaz d'échappement comprend un échangeur de chaleur (18a) de gaz d'échappement avec une conduite de dérivation (18b) de gaz d'échappement
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entourant l'échangeur de chaleur (18a) de gaz d'échappement, et un dispositif de commande de gaz d'échappement destiné à la répartition d'un débit massique de gaz d'échappement sur l'échangeur de chaleur (18a) de gaz d'échappement et la conduite de dérivation (18b) de gaz d'échappement.
29. Installation de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 21 à 28, caractérisée en ce que le dispositif catalytique (16) comprend un catalyseur à accumulation de NOx (16).
30. Véhicule automobile avec un moteur à combustion interne (10) et une installation (12 à 20) de gaz d'échappement disposée en aval, selon l'une quelconque des revendications 21 à 29.
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