FR2948970A1

FR2948970A1 - Dispositif d'injection d'air, ligne d'echappement equipee d'un tel dispositf et procede de chauffage d'un organe de depollution place dans la ligne d'echappement

Info

Publication number: FR2948970A1
Application number: FR0955548A
Authority: FR
Inventors: Gabriel Crehan
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-11
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: FR2948970B1

Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif (10) d'injection d'air dans une ligne d'échappement, le dispositif comprenant une tête (24) d'injection d'air, une chambre (26) avec une entrée d'air et une sortie d'air reliée à la tête d'injection d'air, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une garniture (28) poreuse dans la chambre (26) et un organe de chauffe de la garniture poreuse. L'invention se rapporte aussi à une ligne d'échappement comprenant le dispositif d'injection d'air, l'injection d'air étant utilisée pour chauffer un organe de dépollution placé dans la ligne.

Description

DISPOSITIF D'INJECTION D'AIR, LIGNE D'ECHAPPEMENT EQUIPEE D'UN TEL DISPOSITF ET PROCEDE DE CHAUFFAGE D'UN ORGANE DE DEPOLLUTION PLACE DANS LA LIGNE D'ECHAPPEMENT [0001 La présente invention concerne un dispositif d'injection d'air dans une ligne d'échappement, en particulier d'un véhicule. [0002] Parmi les préoccupations des constructeurs automobiles, le problème du coût 10 des organes de dépollution tient une place importante. Pour réduire les coûts liés à l'utilisation de métaux précieux dans les organes de dépollution, il a été proposé de placer ces organes toujours plus proches du collecteur des gaz d'échappement du moteur. Ainsi, les organes de dépollution deviennent actifs plus rapidement ce qui permet d'utiliser moins de métaux précieux. En outre il a été proposé d'augmenter les 15 quantités de carburant injecté dans la ligne d'échappement, dont la combustion permet de fournir la chaleur nécessaire à l'initialisation voire à la régénération des organes de dépollution. Toutefois, pour permettre une combustion convenable du carburant dans la ligne d'échappement, les organes de dépollution doivent atteindre une température minimale. Autrement, une part du carburant est éjectée dans 20 l'atmosphère ce qui n'est pas souhaitable. [0003] Le document FR-A-2 815 077 décrit un dispositif d'amorçage d'un catalyseur de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur d'un véhicule automobile, du type qui débouche dans la tubulure d'échappement en amont du catalyseur et qui comporte un circuit d'injection d'air 25 dans lequel sont agencés successivement une pompe à air qui est activée au début de la phase d'amorçage du catalyseur, une vanne principale dont un organe commandé est mobile entre une position de fermeture et une position d'ouverture qui obture ou non le circuit d'injection d'air respectivement, et un clapet anti-retour qui empêche les gaz d'échappement issus du moteur de circuler dans le circuit d'injection 30 d'air. L'organe mobile est commandé de façon que, lors de la phase d'amorçage du catalyseur, il permette de faire varier le débit d'air injecté en amont du catalyseur pour optimiser la montée en température du catalyseur et la rapidité de son amorçage.5 [0004] Le document EP-A-O 599 061 décrit un procédé d'injection d'air secondaire à l'échappement et son pilotage pour chauffer un catalyseur. [000s] Toutefois, les solutions proposées pour chauffer les organes de dépollution utilisés sont complexes. Il y a un besoin pour une solution plus simple. [0006] Pour cela, l'invention propose un dispositif d'injection d'air dans une ligne d'échappement, le dispositif comprenant une tête d'injection d'air, une chambre avec une entrée d'air et une sortie d'air reliée à la tête d'injection d'air, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une garniture poreuse dans la chambre et un organe de chauffe de la garniture poreuse. [0007] Dans une variante, l'organe de chauffe s'étend dans la garniture poreuse. [0008] Dans une variante, la garniture poreuse est choisie dans le groupe comprenant de la mousse, de la poudre, des billes, des fibres ou un mélange de ces matériaux. La garniture poreuse est de préférence en métal. [0009] Dans une variante, la garniture poreuse comprend des pores de 1 à 100 pm de diamètre, de préférence de 5 à 20 lm de diamètre. Ces pores peuvent être tous d'un diamètre sensiblement identique, ou variable - auquel cas les pores de plus grand diamètre seront situés à l'entrée d'air de la chambre et les pores de plus petit diamètre étant à la sortie d'air de la chambre [0010] Dans une variante, le dispositif comporte également une pompe à air relié à l'entrée d'air de la chambre. [0011] La présente invention a également pour objet une ligne d'échappement comprenant un organe de dépollution et en amont de cet organe de dépollution, un dispositif d'injection d'air tel que défini ci-dessus. [0012] Dans une variante, la ligne comprend de plus une vanne de contrôle du débit de gaz dans la ligne en amont du dispositif d'injection d'air et depuis un point en amont de la vanne de contrôle, une dérivation de la ligne d'échappement vers la chambre du dispositif (d'injection d'air. [0013] Cette ligne d'échappement peut notamment équiper un véhicule automobile, dont le moteur est de préférence équipé d'un compresseur d'air une dérivation étant prévue depuis une vanne de décharge sur le turbocompresseur, depuis la sortie du compresseur lui-même ou depuis une pompe à air en aval du compresseur vers la chambre du dispositif d'injection d'air. [0014] La présente invention a également pour objet un procédé de chauffage d'un organe de dépollution placé dans une ligne d'échappement telle que définie ci-dessus, ce procédé comprenant l'injection d'air par le dispositif d'injection, notamment dès que la température en aval de l'organe de dépollution est inférieure à un seuil. Avantageusement, cette injection peut même débuter avant le démarrage du véhicule, par exemple dès l'ouverture de la porte du conducteur. [0015] Dans une variante le procédé comprend la détection de la décélération ou de l'arrêt du véhicule, la fermeture au moins partielle d'une vanne (46) de contrôle du débit de gaz dans la ligne d'échappement, et la dérivation des gaz d'échappement vers le dispositif (18) d'injection d'air depuis un point de la ligne d'échappement en amont de la vanne de contrôle. [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : • figures 1 et 2, des représentations schématiques d'une ligne d'échappement ; • figures 3 et 4, des vues d'un dispositif d'injection d'air dans la ligne d'échappement des figures 1 et 2. [0017] L'invention se rapporte à un dispositif d'injection d'air dans une ligne d'échappement. Le dispositif comprend une tête d'injection d'air et une chambre avec une entrée d'air et une sortie d'air reliée à la tête d'injection d'air. Le dispositif comporte une garniture poreuse dans la chambre et un organe de chauffe de la garniture poreuse. Le dispositif permet un réchauffement efficace de l'air contenu dans la chambre grâce à l'importante surface de contact entre l'air et la garniture poreuse. Le dispositif permet d'injecter de manière simple de l'air chaud dans une ligne d'échappement afin de réchauffer des organes de dépollution de la ligne d'échappement. [0018] La figure 1 montre une représentation schématique d'une ligne 10 d'échappement. La ligne 10 est couplée en sortie d'un moteur 12 (Diesel, essence ou hybride). La ligne de dépollution peut comporter des organes 14, 16 de dépollution. A titre d'exemple, les organes 14, 16 sont un catalyseur d'oxydation, un filtre à particules (imprégné ou non d'un catalyseur), un catalyseur DeNox, un catalyseur trois voies, un piège à hydrocarbure... A titre d'exemple, l'organe 14 de la figure 1 est un catalyseur d'oxydation et l'organe 16 est un filtre à particules. Les organes de dépollution sont en aval de la ligne et permettent le traitement des gaz d'échappement du moteur 12. La ligne peut en outre comporter, en amont des organes 14, 16 de dépollution, un dispositif 18 d'injection d'air dans la ligne 10 et un injecteur 20 de carburant dans la ligne. L'injecteur 20 permet une injection de carburant dans la ligne 10 décalée par rapport à l'injection de carburant dans le moteur 12. La combustion du carburant dans la ligne d'échappement est exothermique et permet de chauffer les organes 14, 16. [0019] En outre, la ligne 10 d'échappement peut comporter des thermocouples 22 disposés le long de la ligne. Les thermocouples permettent de connaître la température des gaz d'échappement dans la ligne 10. Selon leur disposition dans la ligne 10, les thermocouples 22 peuvent aussi permettre de déterminer la température des éléments de la ligne 10 auxquels ils peuvent être couplés. Par exemple, sur la figure 1, les thermocouples 22 sont respectivement couplés au dispositif 18 d'injection d'air, à l'injecteur 20 et à l'organe 14 de dépollution. En particulier pour ce qui concerne l'organe 14 de dépollution, le couplage du thermocouple 22 est couplé en aval de l'organe 14 de dépollution. Ceci permet de mieux connaître la température de l'organe 14 de dépollution (plutôt que la température des gaz d'échappement) afin de mieux contrôler l'amorçage et/ou la régénération de l'organe 14 de dépollution. [0020] Les figures 3 et 4 montrent des vues d'un dispositif 18 d'injection d'air dans la ligne 10 d'échappement. Le dispositif 18 comporte une tête 24 d'injection d'air dans la ligne 10 d'échappement. Le dispositif 18 comporte une chambre 26 et une garniture poreuse 28 dans la chambre 26. La chambre 26 comporte une entrée 30 d'air et une sortie 32 d'air. La sortie 32 est reliée à la tête 24 d'injection d'air. En outre, le dispositif comporte un organe 34 de chauffe de la garniture poreuse 28. [0021] La chambre 26 peut être de forme cylindrique et oblongue avec les entrée 30 et sortie 32 à chaque extrémité de la chambre. Ceci permet de faire circuler l'air pour permettre un réchauffement progressif et efficace de l'air. Le volume de chambre est par exemple de 50m1. [0022] L'organe 34 de chauffe s'étend dans la chambre 26 de sorte à chauffer l'air sur son parcours le long de la chambre 26. En particulier, l'organe 34 s'étend dans la garniture poreuse 28 le long de la chambre 26 pour chauffer de manière homogène la garniture poreuse 28. L'organe 34 de chauffe est par exemple une cartouche faite d'une résistance s'étendant dans une enveloppe longitudinale métallique. L'organe de chauffe peut aussi être un générateur de micro-ondes, une lampe à infrarouge, à ultra-violet,... L'organe 34 de chauffe peut être porté à une température de 350°C à 500°C, de préférence environ à 400°C, de sorte à porter l'air à une température de 300°C à 400°C. [0023] Le dispositif 18 d'injection d'air permet d'injecter de l'air chaud dans la ligne 18 d'échappement grâce à la circulation de l'air depuis l'entrée 30 d'air jusqu'à la sortie 32 d'air au contact de la garniture poreuse 28 chauffée par l'organe de chauffe 34. La porosité de la garniture 28 offre une surface de contact importante pour l'air en circulation dans la chambre. L'air est ainsi chauffé de manière efficace. L'utilisation d'une garniture poreuse pour chauffer l'air permet de réduire l'énergie nécessaire pour chauffer l'air. [0024] La garniture poreuse 28 remplit toute la chambre de sorte que tout l'air circulant dans la chambre passe en contact de la garniture 28. Ceci permet de chauffer l'air de manière homogène dans la chambre 26. La garniture 28 est dans un matériau conducteur thermique de sorte à être chauffée facilement. Par exemple, la garniture est en un alliage contenant des polyamides, du Teflon (marque déposée), du carbone, une céramique,... De préférence, la garniture 28 est en métal. Le métal est de préférence chimiquement résistant à l'oxydation et avec un coefficient d'expansion faible. La garniture 28 est par exemple choisie dans le groupe comprenant le fer, le Cuivre, le Nickel, le Tungstène, l'Inconel, l'Aluminium, le Hastelloy, l'Acier, le Nimonic (marque déposée), le Nilo (marque déposée), le Beryllium, le Haynes, le Monel (marque déposée), le Phynox (marque déposée), , le Bronze,etc... La garniture 28 est dans un matériau poreux tel que de la mousse, de la poudre, des billes, des fibres, ou un mélange de ceux-ci. La porosité de la garniture 28 permet d'offrir une surface importante de contact avec l'air ce qui permet de le réchauffer efficacement. [0025] Le diamètre des pores de la garniture 28 est choisi de sorte à offrir une surface de contact la plus grande possible avec l'air sans pour autant créer une contre-pression à l'encontre de la pénétration de l'air dans la chambre. Par exemple, les pores peuvent être de 1 à 100 m de diamètre, de préférence de 5 à 20 lm de diamètre. Les pores peuvent être de diamètre sensiblement constant le long de la chambre. Alternativement, les pores peuvent avoir un diamètre variable le long de la chambre. Les pores peuvent avoir un diamètre plus grand à l'extrémité de la chambre proche de l'entrée 30 et un diamètre plus petit à l'autre extrémité de la chambre proche de la sortie 32. Ceci permet d'augmenter la surface de contact avec l'air tout en limitant la contre-pression à l'entrée de la chambre. [0026] Le débit d'air injecté dans la ligne d'échappement est environ de 0,001 kg/s à 0,02 kg/s, de préférence de 0,005 kg/s. [0027] L'air peut être injectée sous pression dans la chambre 26. L'origine de l'air sous pression est variable. Par exemple, le dispositif 18 d'injection d'air peut comprendre une pompe 36 à air permettant l'injection d'air sous pression dans la chambre 26 via l'entrée 30 d'air ainsi que l'injection d'air sous pression dans la ligne 10 d'échappement. Alternativement, l'air peut provenir d'un élément générant de l'air sous pression dont le véhicule est déjà pourvu. Par exemple, une dérivation depuis une vanne de décharge sur un turbocompresseur, depuis la sortie du turbocompresseur lui-même ou depuis une pompe à air en aval du turbocompresseur. [0028] la figure 4 montrant un exemple du dispositif 18 d'injection d'air, montre un élément 38 d'injection d'air sous pression couplé entre la sortie 32 de la chambre 26 et la tête d'injection 24. La tête d'injection 24 est de préférence multi-canaux pour permettre une bonne dispersion de l'air dans la ligne 10 d'échappement. L'élément 38 comprend également une aiguille d'injection 40, susceptible d'être actionnée par l'actionneur 42. L'aiguille 40 ferme les canaux de la tête d'injection 24 par appui d'un ressort 44 sur l'aiguille 40. Lorsqu'il est nécessaire d'injecter de l'air dans la ligne d'échappement, l'actionneur 42 tire sur le ressort 44 pour libérer les canaux de la pression de l'aiguille 40. Une pompe à air 36 peut aussi être prévue de manière couplée à l'entrée 30 de la chambre 26. [0029] La figure 2 montre un autre exemple de la ligne 10 d'échappement. Au même titre que sur la figure 1, la ligne 10 comprend le moteur 12 et les organes 14, 16 de dépollution. Comme cela a été décrit précédemment, l'air sous pression en entrée de la chambre 36 peut provenir d'un élément dont le véhicule est déjà pourvu. En l'occurrence, l'air sous pression pénétrant dans la chambre 26 du dispositif 18 provient de la ligne 10 d'échappement elle-même. La ligne 10 comprend une vanne 46 de contrôle du débit de gaz dans la ligne 10 d'échappement. Le long de la ligne 10, la vanne 46 est en amont du dispositif 18 d'injection, en particulier, en amont de la tête d'injection 24. La ligne 10 comprend en outre une dérivation 48 vers la chambre 26 du dispositif 18. Un piquage sur la ligne 10 en amont de la vanne 46 permet de dévier au moins une partie des gaz d'échappement vers le dispositif 18. Ainsi, la vanne 46 peut être au moins partiellement fermée ce qui permet de dévier les gaz d'échappement sous pression vers la dérivation 48 en direction du dispositif 18. Les gaz d'échappement pénètrent sous pression dans la chambre 26, ce qui permet de remplacer la pompe 36 à air. Les gaz d'échappement sont réchauffés et réinjectés par la tête d'injection 24 dans la ligne 10. [0030] Lorsqu'il est jugé nécessaire de procéder au chauffage des organes 14, 16 de dépollution, pour les amorcer ou les régénérer, un calculateur 50 du véhicule peut déclencher l'injection d'air chaud dans la ligne 10 par le dispositif 18 d'injection. L'air chaud permet de porter les organes 14, 16 de dépollution à une température plus proche de celle à laquelle l'amorçage est possible voire à une température plus proche de celle à laquelle la régénération est possible. En complément, l'injecteur 20 de carburant peut provoquer une combustion au sein de ces organes 14, 16 qui permet d'atteindre la température souhaitée. Le chauffage des organes 14, 16 par l'air chaud permet de limiter l'usage d'injection de carburant par l'injecteur 20, ce qui réduit la consommation de carburant. En outre, l'injection d'air chaud permet de chauffer plus rapidement les organes 14, 16 ce qui permet de réduire le coût des organes 14, 16 en réduisant la quantité de métaux précieux. [0031] L'injection d'air peut se produire dès que la température en aval de l'organe 14, 16 est inférieure à un seuil. La température est mesurée en aval de l'organe 14, 16 de sorte que la température relevée (par exemple par un thermocouple 22) soit celle de l'organe 14, 16 et non celle des gaz d'échappement. Il peut y avoir une différence de température entre les gaz d'échappement et l'organe 14, 16. Par exemple, en cas de décélération ou d'arrêt (moteur allumé) du véhicule, les gaz d'échappement peuvent être moins chauds que lors d'une accélération, et inversement, l'inertie thermique de l'organe 14, 16 étant plus longue. Les gaz peuvent donc être sensiblement plus ou moins chauds que l'organe 14, 16. Une meilleure connaissance de la température effective de l'organe 14, 16 permet de mieux gérer leur réchauffement. Ceci permet de limiter l'énergie nécessaire au chauffage de l'air et de mieux contrôler l'activité de l'organe 14, 16. [0032] L'injection d'air peut par exemple être déclenchée lorsqu'un thermocouple 22 (ou tout autre moyen y compris un estimateur) relève une température inférieure à un premier seuil S1. Ce seuil S1 peut être de 150°C dans le cas de la surveillance de l'amorçage de l'organe 14, 16. L'injection d'air peut par exemple être déclenchée lorsqu'un thermocouple 22 relève une température inférieure à un deuxième seuil S2. Ce seuil S2 peut être de 300°C dans le cas de la surveillance de la génération de l'organe 14, 16. [0033] Le calculateur 50 peut aussi surveiller la décélération ou l'arrêt (moteur allumé) du véhicule. Ceci signifie que les gaz d'échappement risquent d'être moins chauds ce qui peut conduire à une baisse de la température des organes 14, 16. Le calculateur 50 peut ordonner la fermeture au moins partielle de la vanne 46 de contrôle du débit de gaz dans la ligne 10. La pression des gaz en amont de la vanne 46 augmente. Les gaz sous pression sont alors dérivés vers le dispositif 18 depuis le point de piquage de la ligne 10 en amont de la vanne 46, comme illustré sur la figure 2. Les gaz sont chauffés par le dispositif 18 avant d'être réinjectés dans la ligne 10 en aval de la vanne 46 mais en amont de l'organe 14, 16. Ceci permet de maintenir à une certaine température l'organe 14, 16 même pendant les phases de décélération ou d'arrêt. Ceci permet de régénérer les organes 14, 16 même lors de phases de décélération ou de conduite en ville. [0034] Dans des pays froids, il est envisageable que le calculateur 50 soit programmé pour activer l'injection d'air dans la ligne 10 d'échappement par le dispositif 18 avant le démarrage du véhicule. Ceci permet de chauffer à l'avance les organes 14, 16 de dépollution, avant le démarrage du moteur. Ceci peut améliorer le traitement des gaz d'échappement au démarrage du véhicule. Le calculateur 50 peut comprendre des données représentatives des habitudes d'utilisation du véhicule par l'utilisateur de sorte à déclencher en conséquence le dispositif 18 et, le cas échéant, la pompe 36 à air. En outre, la ligne 10 d'échappement peut comprendre un échangeur de chaleur permettant de chauffer l'habitacle du véhicule préalablement au démarrage du véhicule.

Claims

REVENDICATIONS1. Un dispositif (10) d'injection d'air dans une ligne d'échappement, le dispositif comprenant une tête (24) d'injection d'air, une chambre (26) avec une entrée d'air et une sortie d'air reliée à la tête d'injection d'air, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une garniture (28) poreuse dans la chambre (26) et un organe de chauffe de la garniture poreuse.
2. Le dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de chauffe s'étend dans la garniture (28) poreuse.
3. Le dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la garniture (28) poreuse est choisie dans le groupe comprenant de la mousse, de la poudre, des billes, des fibres ou un mélange de ces matériaux.
4. Le dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la garniture (28) poreuse est en métal.
5. Le dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la garniture (28) poreuse comprend des pores de 1 à 100 pm de diamètre, de préférence de 5 à 20 pm de diamètre.
6. Le dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la garniture (28) poreuse comporte des pores de diamètre sensiblement identique ou des pores de diamètre variable, les pores de plus grand diamètre étant à l'entrée d'air de la chambre et les pores de plus petit diamètre étant à la sortie d'air de la chambre.
7. Une ligne (10) d'échappement comprenant un organe de dépollution et caractérisée en ce qu'elle comprend en outre le dispositif d'injection d'air selon l'une des revendications précédentes, le dispositif d'injection d'air étant en amont de l'organe de dépollution (14, 16).
8. La ligne (10) d'échappement selon la revendication précédente, comprenant une vanne (46) de contrôle du débit de gaz dans la ligne en amont du dispositifd'injection d'air et depuis un point en amont de la vanne de contrôle, une dérivation (48) de la ligne d'échappement vers la chambre du dispositif (18) d'injection d'air.
9. Un procédé de chauffage d'un organe (14, 16) de dépollution d'une ligne d'échappement selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend l'injection d'air par le dispositif (18) d'injection d'air dans la ligne d'échappement dès que la température en aval de l'organe de dépollution est inférieure à un seuil.
10. Le procédé selon la revendication 9, comprenant la détection de la décélération ou de l'arrêt du véhicule, la fermeture au moins partielle d'une vanne (46) de contrôle du débit de gaz dans la ligne d'échappement, et la dérivation des gaz d'échappement vers le dispositif (18) d'injection d'air depuis un point de la ligne d'échappement en amont de la vanne de contrôle.