FR2984408A1 - Procede de depollution de gaz d'echappement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne et circulant dans une ligne d'échappement comprenant un premier catalyseur trois voies, un deuxième catalyseur trois voies situé en aval du premier catalyseur dans ladite ligne d'échappement, une conduite de dérivation placée en dérivation du premier catalyseur et débouchant en amont du deuxième catalyseur, ce procédé comprenant des étapes de : - détermination (2) d'une concentration en oxygène des gaz d'échappement en amont du premier catalyseur trois voies ; - déviation (4) des gaz d'échappement vers la conduite de dérivation, si la concentration en oxygène déterminée est supérieure ou égale à une première valeur de référence.

Description

PROCEDE DE DEPOLLUTION DE GAZ D'ÉCHAPPEMENT [1] L'invention concerne un procédé de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne. L'invention concerne également un système de dépollution de gaz d'échappement. L'invention concerne enfin un véhicule automobile comprenant un tel système de dépollution. [2] De façon connue, les véhicules automobiles sont équipés de systèmes de dépollution de gaz d'échappement comprenant un catalyseur trois voies. Le fonctionnement de ce catalyseur dépend de la température des gaz d'échappement à dépolluer. En particulier, cette température doit typiquement être supérieure à 400°C. Cependant, le fonctionnement de ce catalyseur est dégradé lorsque ces gaz d'échappement présentent une température élevée, par exemple supérieure à 950°C. Ces températures élevées peuvent alors causer un vieillissement prématuré du catalyseur. [3] II existe des stratégies de protection des catalyseurs contre ces températures élevées. Le brevet FR1413228 décrit un dispositif comprenant un premier et un deuxième catalyseur connectés en série, et reliés fluidiquement à une sortie d'échappement d'un moteur à combustion interne.
Le dispositif comprend en outre une conduite de dérivation, disposée en parallèle du premier catalyseur. Le premier et le deuxième catalyseur sont optimisés pour traiter respectivement des gaz d'échappement de basse température et de température élevée. .Le premier catalyseur étant proche du moteur, la température des gaz qui le traversent est très élevée, et est susceptible d'endommager ce premier catalyseur. Ainsi, lorsque la température dépasse un certain seuil, ces gaz d'échappement sont déviés vers la conduite de dérivation, afin de protéger le premier catalyseur. La température peut être celle du catalyseur ou bien celle du gaz traversant ce catalyseur. [004] Ce système présente toutefois l'inconvénient que ce seuil de température n'est pas un critère suffisant pour protéger le premier catalyseur. En particulier, pour des moteurs de nouvelle génération (moteurs à cylindrée réduite, ou à calage d'admission variable, ou à turbocompresseur), on constate une dégradation structurelle des métaux précieux contenus dans le premier catalyseur. Cette dégradation entraîne un vieillissement prématuré du catalyseur [005] L'invention vise à résoudre cet inconvénient. L'invention porte ainsi sur un procédé de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne et circulant dans une ligne d'échappement comprenant un premier catalyseur trois voies, un deuxième catalyseur trois voies situé en aval du premier catalyseur dans ladite ligne d'échappement, une conduite de dérivation placée en dérivation du premier catalyseur et débouchant en amont du deuxième catalyseur, ce procédé comprenant des étapes de : [6] détermination d'une concentration en oxygène des gaz d'échappement en amont du premier catalyseur trois voies ; [7] déviation des gaz d'échappement vers la conduite de dérivation, si la concentration en oxygène déterminée est supérieure ou égale à une première valeur de référence. [8] Selon une variante, la valeur de référence est une concentration volumique d'oxygène dans le gaz d'échappement comprise entre 1,5% et 3%. [9] Selon encore une variante, le procédé comprend une étape de commande d'une électrovanne pour orienter sélectivement les gaz d'échappement vers le premier catalyseur trois voies ou vers la conduite de dérivation. [0010] Selon une autre variante, l'électrovanne commandée est une électrovanne à trois voies, le procédé comprenant une étape transitoire pendant laquelle l'électrovanne modifie progressivement les proportions respectives des gaz d'échappement dans le premier catalyseur et la conduite de dérivation. [0011] Selon encore une autre variante, le procédé comprend une étape d'orientation des gaz d'échappement vers le premier catalyseur trois voies, si la concentration en oxygène déterminée est inférieure à une seconde valeur de référence. [0012] L'invention porte également sur un système de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, incluant une ligne d'échappement comprenant : un premier catalyseur trois voies, configuré pour être relié fluidiquement à une sortie de gaz d'échappement d'une chambre de combustion d'un moteur ; un deuxième catalyseur trois voies, configuré pour être relié fluidiquement au premier catalyseur trois voies et placé en aval de ce premier catalyseur dans la ligne d'échappement ; une conduite de dérivation, placée en dérivation de ce premier catalyseur et débouchant en amont du deuxième catalyseur ; une électrovanne, configurée pour répartir les gaz d'échappement entre le premier catalyseur et la conduite de dérivation ; un dispositif de détermination d'une concentration en oxygène en amont du premier catalyseur ; un contrôleur électronique comprenant : une interface d'entrée configurée pour recevoir un signal représentatif de ladite concentration en oxygène ; une interface de sortie configurée pour retourner un signal de commande de l'électrovanne ; un calculateur électronique configuré pour : - délivrer sur l'interface de sortie un signal de commande configuré pour commuter l'électrovanne d'un premier état vers un deuxième état, si ladite concentration en oxygène est supérieure ou égale à une première valeur de référence, - délivrer sur l'interface de sortie un signal de commande configuré pour commuter l'électrovanne de son second état vers son premier état, si ladite concentration en oxygène est inférieure à une seconde valeur de référence. 30 [0013] L'invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant : - - - - - - - - -25 [0014] un moteur à combustion interne configuré pour entraîner ce véhicule et comprenant au moins une chambre de combustion ; [0015] un système de dépollution tel que décrit ci-dessus, relié fluidiquement à une sortie de gaz d'échappement d'une chambre de combustion du moteur. [0016] Ainsi, en prenant en compte l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement dans les critères de déviation des gaz, le premier catalyseur trois voies est protégé contre un vieillissement prématuré, ce qui permet de maintenir son efficacité tout au long de la durée de vie du véhicule, sans pour autant induire des émissions excessives de polluants au démarrage du véhicule. [0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 illustre le vieillissement de catalyseurs trois voies placés dans des conditions de fonctionnement différentes ; - la figure 2 illustre schématiquement un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne ainsi qu'un système de dépollution de gaz d'échappement, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement un contrôleur électronique du système de dépollution de la figure 2; - la figure 4 est un schéma fonctionnel d'un procédé de dépollution de gaz d'échappement. [0018] L'invention propose un procédé de dépollution de gaz d'échappement issu d'un moteur à combustion interne. [0019] Dans toute cette description, les termes amont et aval font référence au sens d'écoulement de gaz d'échappement issu d'un moteur. [0020] Les inventeurs ont étudié le vieillissement de catalyseurs trois voies placés dans différentes conditions de fonctionnement. La figure 1 représente l'effet du vieillissement sur des catalyseurs trois voies identiques, après une même durée de fonctionnement, dans des conditions différentes de température et de concentration en oxygène (02) des gaz d'échappement circulant dans ces catalyseurs. Le vieillissement d'un catalyseur est ici quantifié par la quantité de polluants Em encore présents dans les gaz d'échappement après dépollution dans ce catalyseur. Cette quantité Em est exprimée par rapport à la quantité de polluants encore présents dans les gaz d'échappement après dépollution dans un catalyseur trois voies à l'état neuf.. La concentration C en oxygène dans les gaz d'échappement est ici exprimée en pourcentage volumique. Les inventeurs ont ainsi déterminé que le vieillissement d'un catalyseur trois voies, fonctionnant dans des premières conditions 11 à une température de 800°C et en présence d'une concentration d'oxygène de 8%, est au moins quatre fois plus important que le vieillissement d'un même catalyseur fonctionnant dans des secondes conditions 12 à une température de 950°C en l'absence d'oxygène. [0021] La figure 2 représente un véhicule automobile 40 comprenant : un moteur à combustion interne 42, configuré pour mouvoir ce véhicule 40 ; -un système de dépollution 20, relié fluidiquement à une sortie 46 de gaz d'échappement d'une chambre de combustion 44 du moteur 42. [0022] Le système de dépollution 20 inclut une ligne d'échappement, reliée fluidiquement à la sortie de gaz d'échappement 46 et comprenant : -un premier catalyseur trois voies 22 ; -un deuxième catalyseur trois voies 24, relié fluidiquement au premier catalyseur trois voies 22, et placé en aval de ce premier catalyseur 22 dans la ligne d'échappement ; -une conduite de dérivation 26, placée en dérivation du premier catalyseur 22 et débouchant en amont du deuxième catalyseur 24 ; -une électrovanne 28, configurée pour répartir les gaz d'échappement entre le premier catalyseur 22 et la conduite de dérivation 26 ; - un dispositif 29 de détermination d'une concentration en oxygène en amont du premier catalyseur 22 ; -un contrôleur électronique 30. [0023] Dans cet exemple, le dispositif 29 est un capteur, placé en amont du premier catalyseur 22 dans la ligne d'échappement et configuré pour mesurer une concentration en oxygène. [0024] Le premier catalyseur 22 est optimisé pour dépolluer les gaz d'échappement lorsque le moteur 42 fonctionne en faible charge. Dans cet exemple, ce premier catalyseur 22 est un catalyseur à trois voies, placé près du moteur 42, typiquement à moins de 1,5 mètres. Ce premier catalyseur 22 comprend généralement une paroi extérieure et un noyau en céramique comportant des matériaux catalyseurs. Le noyau en céramique comprend des cellules de forme alvéolaire. Le volume de ce noyau en céramique est compris entre 0,3 litres et 0,9 litres. La densité de cellules de ce premier catalyseur 22 est supérieure à 800 cpsi (cellules par pouce carré, en langue anglaise « cell per square inch »). [0025] Le deuxième catalyseur est optimisé pour dépolluer les gaz d'échappement lorsque le moteur fonctionne en charge élevée. Ce deuxième catalyseur 24 est un catalyseur à trois voies, placé sous le plancher du véhicule 40 (pour des raisons de clarté, la position précise de ce catalyseur 24 n'est pas détaillée sur la figure 2). Ce deuxième catalyseur 24 comprend généralement une paroi extérieure et un noyau en céramique comportant des matériaux catalyseurs. Le noyau en céramique comprend des cellules de forme alvéolaire. Ce deuxième catalyseur présente une densité de cellules inférieure et un volume de céramique supérieur à ceux du premier catalyseur 22. La densité de cellules de ce deuxième catalyseur 24 est avantageusement inférieure à 500 cpsi, et de préférence inférieure à 400 cpsi. Le volume de céramique de ce deuxième catalyseur 24 est de préférence compris entre 1,2 litres et 2 litres. [0026] L'électrovanne 28 est ici une électrovanne à trois voies. Elle est placée en amont du catalyseur 22 et de la conduite de dérivation 26. [0027] Le contrôleur électronique 30, illustré à la figure 3, comprend : -une interface d'entrée 32 configurée pour recevoir un signal représentatif de la concentration en oxygène déterminée par le capteur 29 ; -une interface de sortie 34 configurée pour retourner un signal de commande de l'électrovanne 28 ; -un calculateur électronique 36. [0028] Les interfaces d'entrée 32 et de sortie 34 sont respectivement reliées au capteur 29 et à l'électrovanne 28. Le calculateur électronique 36 est configuré pour : -délivrer sur l'interface de sortie (34) un signal de commande configuré pour commuter l'électrovanne 28 d'un premier état vers un deuxième état, si la concentration en oxygène déterminée est supérieure ou égale à une première valeur de référence ; -délivrer sur l'interface de sortie (34) un signal de commande configuré pour commuter l'électrovanne 28 de son second état vers son premier état, si la concentration en oxygène déterminée est inférieure à une seconde valeur de référence. [0029] Dans cet exemple, le premier état correspond à une configuration de l'électrovanne 28 dirigeant les gaz d'échappement dans le premier catalyseur 22. Le second état correspond à une configuration de l'électrovanne 28 déviant les gaz d'échappement dans la conduite de dérivation 26. [0030] La figure 4 décrit des étapes du procédé de dépollution. Ce procédé comprend des étapes de : -détermination 2 d'une concentration en oxygène des gaz d'échappement en amont du premier catalyseur 22 ; -commande 6 de l'électrovanne 28 pour orienter sélectivement les gaz d'échappement vers le premier catalyseur 22 ou vers la conduite de dérivation 26 ; -transition 8, pendant laquelle l'électrovanne 28 modifie progressivement les proportions respectives de gaz d'échappement dans le premier catalyseur 22 et dans la conduite de dérivation 26 ; -déviation 4 des gaz d'échappement vers la conduite de dérivation 26, si la concentration en oxygène déterminée est supérieure ou égale à une première valeur de référence. Cette première valeur de référence est avantageusement comprise entre 1,5 % et 3 %, et de préférence égale à 2 % ; -orientation 10 des gaz d'échappement vers le premier catalyseur 22, si la concentration en oxygène déterminée est inférieure à une seconde valeur de référence. [0031] Lorsque le moteur 42 fonctionne en faible charge, par exemple immédiatement après sa mise en marche, les gaz d'échappement sont orientés (étape 10) vers le premier catalyseur 22, car la température des gaz est inférieure à une valeur seuil et la concentration en oxygène est inférieure à la seconde valeur de référence. Cette valeur seuil est par exemple 950°C. La température des gaz d'échappement atteignant le deuxième catalyseur 24 est inférieure à celle des gaz en amont de la ligne d'échappement. Cette diminution de température est causée par des pertes thermiques, du fait de la position sous plancher du deuxième catalyseur 24, et de son éloignement du moteur 42. Cette température est par exemple inférieure de 200°C à la température en amont de la ligne d'échappement. Le deuxième catalyseur 24 n'est donc pas actif. [0032] Lorsque le moteur atteint une charge de fonctionnement plus élevée, les gaz présentent un débit, une température et une concentration en oxygène supérieures à celles des gaz dans le fonctionnement à faible charge. Les gaz sont alors déviés (étape 4) vers la conduite de dérivation 26, et ne traversent plus le premier catalyseur 22, évitant ainsi son endommagement. Ces gaz sont dépollués par le deuxième catalyseur 24. Du fait des pertes thermiques dans la ligne d'échappement, la température des gaz dans ce deuxième catalyseur 24 n'est pas suffisante pour entraîner un vieillissement prématuré de ce catalyseur 24. [0033] L'étape transitoire 8 permet de modifier progressivement la répartition des gaz d'échappement dans l'un ou l'autre du premier catalyseur 22 ou de la conduite de dérivation 26, ce qui permet d'éviter une dégradation du contrôle moteur. Cette étape transitoire 8 dure avantageusement moins d'une minute. [0034] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, la première valeur de référence et la seconde valeur de référence sont égales. [0035] En variante, le capteur 29 est remplacé par un modèle physique configuré pour déterminer la concentration en oxygène en amont du premier catalyseur 22, en fonction d'autres paramètres du moteur. [0036] En variante, l'électrovanne 28 est placée en aval du premier catalyseur 22 et de la conduite de dérivation 26 pour subir des contraintes thermiques inférieures. [0037] Avantageusement, l'étape transitoire 8 est prolongée, lorsque le moteur 42 fonctionne en charge moyenne. La température, la concentration en oxygène et la pression des gaz d'échappement ont des valeurs intermédiaires de celles rencontrées aux faible et forte charges. Les gaz d'échappement sont donc partagés entre d'une part le premier catalyseur 22 et d'autre part la conduite de dérivation 26. Les deux catalyseurs 22 et 24 sont actifs. Cela permet par exemple de réduire la contre-pression d'échappement de la ligne d'échappement.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de dépollution de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne et circulant dans une ligne d'échappement comprenant un premier catalyseur trois voies, un deuxième catalyseur trois voies situé en aval du premier catalyseur dans ladite ligne d'échappement, une conduite de dérivation placée en dérivation du premier catalyseur et débouchant en amont du deuxième catalyseur, ce procédé comprenant des étapes de : - détermination (2) d'une concentration en oxygène des gaz d'échappement en amont du premier catalyseur trois voies ; - déviation (4) des gaz d'échappement vers la conduite de dérivation, si la concentration en oxygène déterminée est supérieure ou égale à une première valeur de référence.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la valeur de référence est une concentration volumique d'oxygène dans le gaz d'échappement comprise entre 1,5% et 3%.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, comprenant une étape de commande (6) d'une électrovanne pour orienter sélectivement les gaz d'échappement vers le premier catalyseur trois voies ou vers la conduite de dérivation.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'électrovanne commandée est une électrovanne à trois voies, et comprenant une étape transitoire (8) pendant laquelle l'électrovanne modifie progressivement les proportions respectives des gaz d'échappement dans le premier catalyseur et la conduite de dérivation.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant une étape d'orientation (10) des gaz d'échappement vers le premier catalyseur troisvoies, si la concentration en oxygène déterminée est inférieure à une seconde valeur de référence.
  6. 6. Système de dépollution (20) de gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, incluant une ligne d'échappement comprenant : - un premier catalyseur trois voies (22), configuré pour être relié fluidiquement à une sortie de gaz d'échappement d'une chambre de combustion d'un moteur ; - un deuxième catalyseur trois voies (24), configuré pour être relié fluidiquement au premier catalyseur trois voies (22) et placé en aval de ce premier catalyseur (22) dans la ligne d'échappement ; - une conduite de dérivation (26), placée en dérivation de ce premier catalyseur (22) et débouchant en amont du deuxième catalyseur (24) ; - une électrovanne (28), configurée pour répartir les gaz d'échappement entre le premier catalyseur (22) et la conduite de dérivation (26) ; caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif (29) de détermination d'une concentration en oxygène en amont du premier catalyseur (22) ; - un contrôleur (30) électronique comprenant : À une interface d'entrée (32) configurée pour recevoir un signal représentatif de ladite concentration en oxygène ; A une interface de sortie (34) configurée pour retourner un signal de commande de l'électrovanne (28) ;un calculateur électronique (36) configuré pour : - délivrer sur l'interface de sortie (34) un signal de commande configuré pour commuter l'électrovanne (28) d'un premier état vers un deuxième état, si ladite concentration en oxygène est supérieure ou égale à une première valeur de référence,- délivrer sur l'interface de sortie (34) un signal de commande configuré pour commuter l'électrovanne (28) de son second état vers son premier état, si ladite concentration en oxygène est inférieure à une seconde valeur de référence.
  7. 7. Véhicule automobile (40) comprenant : - un moteur (42) à combustion interne configuré pour entraîner ce véhicule et comprenant au moins une chambre de combustion (44) ; - un système de dépollution (20) selon la revendication 6, relié fluidiquement à une sortie (46) de gaz d'échappement d'une chambre de combustion (44) du moteur.
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CN113982722A (zh) * 2021-09-26 2022-01-28 天津大学 一种三元催化器旁通节油减排装置及控制方法

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