FR2886337A1 - Ligne d'echappement pour moteur thermique - Google Patents

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Abstract

La Ligne d'échappement (10) pour moteur thermique comporte, entre une entrée d'échappement (12) et une sortie d'échappement (14), un piège à oxydes d'azote (28) implanté sur un tronçon de filtrage (24). Elle comporte entre le piège à oxydes d'azote (28) et l'entrée d'échappement (12), un tronçon de dérivation (26) propre à dériver les gaz d'échappement à l'écart du piège à oxydes d'azote (28) et des moyens (32, 34) de commutation des gaz d'échappement pour leur écoulement au travers du tronçon de filtrage (24) ou du tronçon de dérivation (26).

Description

La présente invention concerne une ligne d'échappement pour moteur
thermique, du type comportant, entre une entrée d'échappement et une sortie d'échappement, un piège à oxydes d'azote implanté sur un tronçon de filtrage.
De nos jours, certains véhicules automobiles comportent des moteurs à combustion interne fonctionnant principalement avec un mélange en carburant et en comburant dit pauvre. Un tel mélange se caractérise par un excès de comburant par rapport au carburant, le mélange alimentant le moteur étant sous-stoechiométrique en carburant. A l'inverse, un moteur fonction- nant dans des conditions sur-stoechiométriques en carburant est dit alimen- té en mélange riche.
De tels moteurs sont utilisés du fait de leur consommation réduite en carburant. Toutefois, ceux-ci fonctionnent dans des conditions telles que des quantités importantes de dérivés azotés tels que des oxydes d'azote sont produits. De tels oxydes d'azote, couramment désignés par NOx, sont nocifs pour l'environnement et il est souhaitable de les éliminer.
A cet effet, la ligne d'échappement du véhicule automobile est équipée de moyens de dépollution catalytique et d'un piège à oxydes d'azote, couramment désigné par l'acronyme anglais "NOx trap".
Comme connu en soi, le piège à oxydes d'azote adsorbe sur des éléments catalytiques spécifiques les oxydes d'azote lors du fonctionnement du moteur en mélange pauvre. Lorsque la limite d'adsorption du piège à oxydes d'azote est atteinte, ceux-ci sont régénérés. A cet effet, le moteur est commandé pour fonctionner avec un mélange riche pendant quelques secondes. Un mélange riche se caractérise par des conditions sur-stoechiométriques en carburant, le mélange comportant un excès de carburant par rapport au comburant introduit.
Les pièges à oxydes d'azote fonctionnent de manière satisfaisante dans une plage de températures comprise entre 300 C et 600 C. Ils sont chauffés par les gaz d'échappement eux-mêmes. Aussi, les pièges à oxydes d'azote sont disposés, suivant la longueur de la ligne d'échappement, au plus près du moteur.
2886337 - Toutefois, cette position sur la ligne d'échappement rend les pièges à oxydes d'azote incompatibles avec les moteurs dont les températures maximales de fonctionnement peuvent atteindre 900 C. En effet, au-dessus de 600 C, le matériau catalytique présent dans le piège à oxydes d'azote est détruit.
Il a été envisagé de développer des matériaux catalytiques résistants aux températures très élevées mais les résultats sont peu satisfaisants. Il a également été envisagé de disposer, en amont du piège à oxydes d'azote, un échangeur de chaleur, permettant d'abaisser la température des gaz d'échappement avant leur passage au travers du piège à oxydes d'azote. Toutefois, le coût de cette solution est très important.
L'invention a pour but de proposer une ligne d'échappement pour moteur thermique comprenant un piège à oxydes d'azote tout en étant compatible avec un moteur thermique dont les températures de sortie des gaz d'échappement sont supérieures aux température auxquelles les éléments catalytiques du piège à oxydes d'azote sont susceptibles de résister.
A cet effet, l'invention a pour objet une ligne d'échappement pour moteur thermique du type précité, caractérisée en ce qu'elle comporte entre le piège à oxydes d'azote et l'entrée d'échappement, un tronçon de dérivation propre à dériver les gaz d'échappement à l'écart du piège à oxydes d'azote et des moyens de commutation des gaz d'échappement pour leur écoule-ment au travers du tronçon de filtrage ou du tronçon de dérivation, et en ce qu'elle comporte un catalyseur trois voies disposé entre l'entrée et l'amont du tronçon de filtration et du tronçon de dérivation.
Suivant des modes particuliers de réalisation, la ligne d'échappement comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens de commutation comportent des moyens d'obturation du tronçon de filtrage immédiatement en aval du piège à oxydes d'azote; - les moyens de commutation comportent une vanne trois voies re- liant en parallèle le tronçon de dérivation et le tronçon de filtrage au reste de la ligne; -la ligne d'échappement comporte une fourche disposée entre l'entrée et, d'une part, l'amont du tronçon de filtrage et, d'autre part, l'amont du tronçon de dérivation, et la vanne trois voies est disposée en aval du tronçon de filtrage et du tronçon de dérivation et est propre à assurer leur liaison sélective à un tronçon aval commun de la ligne d'échappement; - la ligne d'échappement comporte, d'une part, au moins un capteur choisi dans le groupe consistant en un capteur de position d'au moins une vanne, un capteur de température et un capteur de composition des gaz et, d'autre part, des moyens de diagnostique de l'état de fonctionnement des moyens de commutation à partir du ou de chaque capteur; - la ligne d'échappement comporte des moyens de pilotage des moyens de commutation, lesquels moyens de pilotage comportent des moyens d'acquisition de la température de sortie des gaz d'échappement issus du moteur, et lesdits moyens de commutation sont propres à dévier normalement les gaz vers le tronçon de dérivation lorsque la température des gaz est supérieure à 600 C; - la ligne d'échappement comporte des moyens de pilotage des moyens de commutation, lesquels moyens de pilotage comportent des moyens d'acquisition des conditions stoechiométriques de fonctionnement du moteur, et lesdits moyens de commutation sont propres à dévier normalement les gaz vers le tronçon de dérivation lorsque le moteur fonctionne en condition sur-stoechiométrique en carburant; - les moyens de pilotage sont propres à commander périodiquement les moyens de commutation pour une circulation temporaire des gaz d'échappement au travers du tronçon de filtrage pendant les phases où les gaz d'échappement circulent normalement au travers du tronçon de dériva- tion; et - la ligne d'échappement comporte des moyens de pilotage des moyens de commutation, lesquels moyens de pilotage comportent des moyens d'acquisition de l'existence future d'une phase de fonctionnement du moteur en mélange pauvre alors qu'il fonctionne en mélange riche, et lesdits moyens de pilotage sont propres à commander lesdits moyens de commutation pour dévier les gaz vers le tronçon de filtrage lorsqu'une telle phase de fonctionnement du moteur en mélange pauvre est détectée.
L'invention a également pour objet un groupe de propulsion comportant un moteur fonctionnant normalement en mélange pauvre et une ligne d'échappement telle que décrite ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va 5 suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux des-sins, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une ligne d'échappement selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de la ligne d'échappement selon 10 l'invention avec la vanne dans une première position permettant la circulation au travers du piège à oxydes d'azote; - la figure 3 est un organigramme détaillant la loi de commande de la vanne des lignes d'échappement des figures 1 et 2; et -les figures 4A, 4B, 4C sont des organigrammes détaillant des algo-15 rithmes de diagnostic mis en ceuvre dans la ligne d'échappement selon l'invention.
La ligne d'échappement 10 illustrée aux figures 1 et 2 est destinée à être reliée en sortie d'un moteur thermique fonctionnant normalement en mélange pauvre.
La ligne d'échappement comporte ainsi une entrée 12 propre à être reliée à la culasse d'échappement du moteur et une sortie 14 d'évacuation des gaz d'échappement dans l'atmosphère.
L'entrée 12 est formée d'un collecteur 16. Il est connecté à l'entrée d'un organe de purification catalytique à trois voies connu en soi et désigné 25 par la suite par catalyseur trois voies.
En aval du catalyseur 18, la ligne comporte une tubulure 20 prolongée par une fourche 22 alimentant simultanément un tronçon de filtrage 24 et un tronçon de dérivation 26 disposés en parallèle. Le tronçon de filtrage 24 comporte un piège à oxydes d'azote 28.
Le piège à oxydes d'azote 28 est monté le plus près possible de la sortie du moteur suivant la longueur de la ligne d'échappement pour une mise en température rapide. Dans des cas particuliers, la partie de la ligne d'échappement comprise entre le piège à oxydes d'azote et la sortie du moteur est isolée thermiquement.
Le tronçon de dérivation 26 est dépourvu de tout organe de traite-ment. Les deux tronçons 24 et 26 sont reliés l'un à l'autre en aval pour déboucher au travers d'une tubulure de sortie 30 par l'intermédiaire d'une vanne trois voies 32 commandée par un actionneur 34. La sortie 14 est formée à l'extrémité de la tubulure 30.
Comme illustré sur la figure 2, la vanne trois voies comporte un volet 33 déplaçable entre une première position dans laquelle le tronçon de filtrage 24 est relié au tronçon de sortie 30, le tronçon de dérivation 24 étant isolé du tronçon de sortie 30, et une deuxième position dans laquelle le tronçon de dérivation 24 est relié au tronçon de sortie 30, le tronçon de filtrage 24 étant isolé du tronçon de sortie.
L'actionneur 34 est relié à une unité de pilotage 36 pour sa corn-mande, laquelle unité 36 reçoit des informations propres au fonctionnement du véhicule. En particulier, un capteur de température 38 est prévu immédiatement en aval du collecteur 16. Celui-ci est relié à l'unité de pilotage 36.
En outre, l'unité de pilotage 36 est reliée à l'unité 40 de gestion du fonctionnement du moteur, laquelle gère en particulier les phases de fonctionnement du moteur en mélange riche ou en mélange pauvre.
Les unités 36 et 40 sont propres à échanger des informations et des ordres de commande. En particulier, l'unité 36 est adapté pour agir sur l'unité 40 pour qu'elle réduise les performances du moteur, qu'elle change de mode d'alimentation en mélange riche ou pauvre, ou qu'elle déclenche une phase de régénération.
A l'inverse, l'unité 40 est propre à informer l'unité 36 du futur déclenchement d'une phase de régénération ou du mode d'alimentation du mélange riche ou pauvre en cours d'utilisation.
Par ailleurs, l'unité de pilotage 36 intègre un module 42 de diagnostic de l'état de fonctionnement de la ligne d'échappement.
Suivant un premier mode de réalisation, un capteur 44 de détermination de la position de la vanne 32 est placé sur la ligne d'échappement et relié au module 42.
En variante, un capteur de température 46 est disposé en outre ou en remplacement sur le tronçon 24 de filtrage en amont du piège à oxyde d'azote 28.
Suivant encore une autre variante, un capteur 48 de composition des gaz, par exemple un capteur du taux d'oxydes d'azotes, est placé en outre ou en remplacement en aval de la vanne 32 suivant le tronçon de sortie 30.
L'unité de pilotage 36 est adaptée pour mettre en oeuvre un algorithme de commande de la vanne 32 et de l'unité de gestion 40 du moteur tel qu'illustrés sur la figure 3.
Lors d'une phase de démarrage du moteur, à l'étape 100, la vanne 32 est positionnée, à l'étape 102, dans une position d'obturation du tronçon de dérivation 26 et d'ouverture du tronçon de filtrage 24. Ainsi, et quel que soit le mode d'alimentation du moteur en mélange riche ou en mélange pauvre, un échauffement du piège à oxydes d'azote 28 est obtenu sous l'action de la circulation des gaz d'échappement.
A l'étape 104, il est déterminé si le moteur fonctionne en mélange riche. Si cela n'est pas le cas, il est déterminé, à l'étape 106, si une régénération du piège à oxydes d'azote 28 est nécessaire. Si tel est le cas, l'unité 36 pilote l'unité 40 pour la commande du moteur temporairement en mélange riche à l'étape 106 pour permettre une désorption et une réaction des oxy- des d'azote, comme connu en soi.
Si, à l'étape 106, une régénération n'est pas nécessaire, ou à l'issue de la régénération, les étapes 104 et suivantes sont à nouveau mises en oeuvre.
Si, à l'étape 104, le moteur fonctionne en mélange riche, il est déterminé, à l'étape 110, si la température des gaz mesurée par le capteur 38 en sortie du moteur est supérieure à 600 C. Si tel n'est pas le cas, les étapes 104 et suivantes sont à nouveau mises en oeuvre.
Si cette température est supérieure à 600 C, l'unité de pilotage 36 commande, à l'étape 112, la commutation de la vanne 32, de sorte que le tronçon de filtrage 24 soit obturé et le tronçon de dérivation 26 soit, au contraire, mis en communication avec le tronçon de sortie 30.
A l'étape 114, il est déterminé, depuis le calculateur 40, si un passage en mélange pauvre est prévu à court terme. Si tel n'est pas le cas, une temporisation est déclenchée à l'étape 116 et tant que cette temporisation n'est pas écoulée, les étapes 104 et suivantes sont à nouveau mises en oeuvre.
A l'échéance de cette temporisation, la vanne 32 est temporairement commutée, de sorte que, pendant un lapse de temps réduit, les gaz d'échappement circulent au travers du piège à oxydes d'azote 28, permettant ainsi une remontée en température de celui-ci afin qu'il soit maintenu dans une plage de températures comprise entre 300 C et 600 C.
A l'issue de cette phase de commutation temporaire, la vanne 32 est ramenée en position à l'étape 118, de sorte que les gaz circulent au travers du tronçon de dérivation 24 et les étapes 104 et suivantes sont à nouveau mises en oeuvre.
Si, à l'étape 114, l'unité de pilotage 36 détecte une nécessité d'un passage proche en mélange pauvre pour la commande du moteur, la vanne 32 est commutée à l'étape 120, de sorte que les gaz circulent seulement au travers du piège à oxyde d'azote 28 pour augmenter sa température, en prévision du basculement en mélange pauvre. A l'issue d'une période de temps prédéterminée, la vanne est maintenue en position 32 et le mélange alimentant le moteur est modifié pour permettre une commande en mélange pauvre, à l'étape 122.
On comprend qu'avec une telle ligne d'échappement, le piège à oxydes d'azote ne fonctionne jamais à une température supérieure à 600 C et est maintenu constamment à une température comprise entre 300 C et 600 C, permettant à tout moment un traitement des gaz d'échappement lors-que le moteur est alimenté avec un mélange pauvre.
Les figures 4A, 4B et 4C illustrent des phases de diagnostic mises en oeuvre en permanence par l'unité de diagnostic 42, étant entendu que l'une ou plusieurs des phases illustrées sur ces figures peuvent être mises en oeuvre conjointement.
Sur la figure 4A, le test 140 détermine à partir du capteur 44 si la vanne 32 est bloquée. Si tel est le cas, l'unité de pilotage 36 commande, à l'étape 142, l'unité 40 pour une adaptation du pilotage du moteur, de sorte que celui-ci ne produise pas d'oxydes d'azote et/ou maintienne la température des gaz à moins de 600 C.
En présence d'un capteur de température 46, à l'étape 150 illustrée sur la figure 4B, il est déterminé si la température en amont du piège à oxy- des d'azote est supérieure à 600 C. Si tel est le cas, les performances du moteur sont réduites, à l'étape 152.
Si un capteur 48 de composition des gaz est prévu en sortie, il est vérifié, à l'étape 160, si la teneur en oxydes d'azote est supérieure à une valeur de référence Vref. Si tel est le cas, l'unité 36 pilote l'unité 40 pour un fonc- tionnement du moteur en mélange riche, à l'étape 162. Après quoi, la vanne 32 est commutée à l'étape 164 dans sa position telle que les gaz d'échappement circulent uniquement dans le tronçon de dérivation 24.
De manière générale, dans le cas où un dysfonctionnement tel qu'évoqué aux figures 4A, 4B et 4C, le pilotage du moteur est adapté pour un fonctionnement en mode dégradé, c'est-à-dire un fonctionnement en mélange riche et/ou limitation de la température de sortie des gaz. En outre, le conducteur est informé par un voyant lumineux au tableau de bord du véhicule.
Ainsi, même en présence d'un dysfonctionnement dans la ligne d'échappement, le piège à oxydes d'azote est préservé et les gaz d'échappement libérés dans l'atmosphère sont pauvres en oxydes d'azote, même si les performances du moteur, en termes de consommation ou de puissance, sont réduites En variante, la vanne trois voies 32 et la fourche 22 sont interchan- gées, de sorte que la vanne trois voies est disposée en amont des tronçons de filtrage et de dérivation.
En variante de l'un ou l'autre des modes de réalisation, la vanne trois voies est remplacée par deux vannes deux voies distinctes, l'une des vannes étant installée sur le tronçon de dérivation, l'autre vanne étant installée sur le tronçon de filtrage.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1.- Ligne d'échappement (10) pour moteur thermique comportant, entre une entrée d'échappement (12) et une sortie d'échappement (14), un piège à oxydes d'azote (28) implanté sur un tronçon de filtrage (24), caractérisée en ce qu'elle comporte entre le piège à oxydes d'azote (28) et l'entrée d'échappement (12), un tronçon de dérivation (26) propre à dériver les gaz d'échappement à l'écart du piège à oxydes d'azote (28) et des moyens (32, 34) de commutation des gaz d'échappement pour leur écoulement au travers du tronçon de filtrage (24) ou du tronçon de dérivation (26), et en ce qu'elle comporte un catalyseur trois voies (18) disposé entre l'entrée (12) et l'amont du tronçon de filtration (24) et du tronçon de dérivation (26).
2.- Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commutation (32) comportent des moyens d'obturation du tronçon de filtrage (24) immédiatement en aval du piège à oxydes d'azote (28).
3.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de commutation comportent une vanne trois voies (32) reliant en parallèle le tronçon de dérivation (26) et le tronçon de filtrage (24) au reste de la ligne (10).
4.- Ligne d'échappement selon les revendications 2 et 3 prises en-semble, caractérisée en ce qu'elle comporte une fourche (22) disposée entre l'entrée (12) et, d'une part, l'amont du tronçon de filtrage (24) et, d'autre part, l'amont du tronçon de dérivation (26), et la vanne trois voies (32) est disposée en aval du tronçon de filtrage (24) et du tronçon de dérivation (26) et est propre à assurer leur liaison sélective à un tronçon aval (30) commun de la ligne d'échappement.
5.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte, d'une part, au moins un capteur choisi dans le groupe consistant en un capteur (44) de position d'au moins une vanne, un capteur (46) de température et un capteur (48) de composition des gaz et, d'autre part, des moyens (42) de diagnostique de l'état de fonctionnement des moyens de commutation (32, 34) à partir du ou de chaque capteur.
6.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (36) de pilotage des moyens de commutation (32), lesquels moyens de pilotage (36) comportent des moyens (38) d'acquisition de la température de sortie des gaz d'échappement issus du moteur, et en ce que lesdits moyens de commutation (32) sont propres à dévier normalement les gaz vers le tronçon de dérivation (26) lorsque la température des gaz est supérieure à 600 C.
7.- Ligne selon la revendication 1 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (36) de pilotage des moyens de commutation (32), lesquels moyens de pilotage (36) comportent des moyens (40) d'acquisition des conditions stoechiométriques de fonctionnement du moteur, et en ce que lesdits moyens de commutation (32) sont propres à dévier normalement les gaz vers le tronçon de dérivation (26) lorsque le moteur fonctionne en condition sur-stoechiométrique en carburant.
8.- Ligne d'échappement selon les revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que les moyens (36) de pilotage sont propres à commander périodiquement les moyens de commutation (32) pour une circulation temporaire des gaz d'échappement au travers du tronçon de filtrage (24) pendant les phases où les gaz d'échappement circulent normalement au travers du tron- çon de dérivation (26).
9.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (36) de pilotage des moyens de commutation (32), lesquels moyens de pilotage (36) comportent des moyens (40) d'acquisition de l'existence future d'une phase de fonctionnement du moteur en mélange pauvre alors qu'il fonctionne en mélange riche, et en ce que lesdits moyens de pilotage (36) sont propres à commander lesdits moyens de commutation (32) pour dévier les gaz vers le tronçon de filtrage (24) lorsqu'une telle phase de fonctionnement du moteur en mélange pauvre est détectée.
10.- Groupe de propulsion comportant un moteur fonctionnant normalement en mélange pauvre et une ligne d'échappement selon l'une quel-conque des revendications précédentes.
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