FR3052490A1 - Dispositif et procede de traitement des gaz d’echappement d’un moteur thermique - Google Patents

Dispositif et procede de traitement des gaz d’echappement d’un moteur thermique Download PDF

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Abstract

Dispositif de traitement des gaz d'échappement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant une unité de traitement des gaz d'échappement par catalyse (10), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité de chauffage (20) au gaz naturel de l'unité de traitement des gaz d'échappement par catalyse (10).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE TRAITEMENT DES GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN MOTEUR THERMIQUE
[0001] La présente invention concerne de manière générale un dispositif de traitement des gaz d’échappement d’un moteur thermique, notamment monté sur un véhicule automobile, ainsi qu'un procédé de traitement mis en œuvre par ce dispositif.
[0002] Il est connu dans l’art antérieur des dispositifs de traitement des gaz d’échappement comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (autrement appelé catalyseur) montée sur la ligne d’échappement d’un moteur thermique pour traiter des composés polluants. En particulier, il est connu de préchauffer une telle unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse pour initier rapidement ses capacités de traitement, comme le divulgue le document DE102012017930. En contrepartie, ce système présente notamment l'inconvénient de nécessiter une résistance de chauffage électrique, qui peut rapidement être dégradée par les températures imposées au cours de la vie du catalyseur.
[0003] Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients des documents de l’art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de proposer un dispositif de traitement des gaz d’échappement qui chauffe efficacement une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, robuste et permettant un chauffage rapide.
[0004] Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, qui comprend en outre une unité de chauffage au gaz naturel de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse. Une telle unité de chauffage présente une température de fonctionnement proche ou même supérieure aux températures de fonctionnement de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, ce qui garantit sa longévité et un chauffage rapide.
[0005] Avantageusement, le gaz naturel est un mélange gazeux d'hydrocarbures naturellement présent dans certaines roches poreuses et son N° CAS est 8006-14-2. Il est constitué d'un méhnge de gaz, et il est constitué principalement d'un mélange de méthane, d'éthane, de propane, de butane, ou d'une quelconque combinaison de ces gaz. En particulier, il est composé d'au moins 90% de méthane.
[0006] En alternative, l'invention concerne un dispositif de traitement des gaz d’échappement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité de chauffage de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse. L'unité de chauffage peut fonctionner avec du gaz, du carburant liquide, ou encore avec de l'électricité.
[0007] Avantageusement, l'unité de chauffage comprend une buse de chauffage directement connectée sur une face amont de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse. Une telle buse de chauffage agencée pour projeter un flux d'air chaud directement sur la face amont de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse permet d'amener le gaz naturel et de le faire brûler au plus près de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse. En particulier, la buse de chauffage est à moins de 10 cm de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, et/ou y est connectée par un conduit spécifique, distinct de la ligne d'échappement reliant le moteur thermique à l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse.
[0008] Avantageusement, l'unité de chauffage est agencée pour fonctionner indépendamment d'un groupe moto propulseur du véhicule. On peut alors utiliser l'unité de chauffage même si le moteur thermique ne fonctionne pas, et en particulier avant la mise en route du moteur thermique.
[0009] Avantageusement, le dispositif de traitement des gaz d’échappement comprend une réserve de gaz naturel sous forme de cartouche amovible. Le remplacement est alors aisé.
[0010] Un deuxième aspect de l'invention concerne un procédé de traitement des gaz d’échappement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, et une unité de chauffage au gaz naturel de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, comprenant les étapes consistant à : - chauffer de manière temporaire l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse avec l'unité de chauffage au gaz naturel.
[0011] En alternative, l'invention concerne un procédé de traitement des gaz d’échappement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, et une unité de chauffage de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse. L'unité de chauffage peut fonctionner avec du gaz, du carburant liquide, ou encore avec de l'électricité.
[0012] Avantageusement, l'étape de chauffage précède une étape de fonctionnement d'un groupe moto propulseur du véhicule. On peut prévoir de mettre en route l'unité de chauffage dès que l'utilisateur déverrouille le véhicule, ou dès que le contact est enclenché, pour chauffer le plus rapidement possible l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse et la rendre parfaitement fonctionnelle.
[0013] Avantageusement, le véhicule est un véhicule hybride comprenant au moins une unité de stockage d'énergie électrique et un moteur thermique, et l'étape de chauffage est initiée lorsqu'un niveau de charge de l'unité de stockage d'énergie électrique indique que le moteur thermique doit être démarré dans un délai prédéterminé, de deux minutes par exemple. Cette mise en œuvre permet de mettre l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse en condition de traitement optimal des gaz d'échappement, avant même ou au même instant que le moteur thermique soit démarré pour prendre le relais de la propulsion en mode électrique.
[0014] Avantageusement, le véhicule est un véhicule hybride comprenant un moteur thermique, et une étape de démarrage du moteur thermique est retardée pour permettre à l'étape de chauffage de chauffer l'unité de traitement des gaz d’échappement au moins à une température prédéterminée. Dans la stratégie de traitement des effluents, il est avantageux de retarder le fonctionnement du moteur thermique pour attendre que l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse soit à bonne température de fonctionnement.
[0015] Avantageusement, le véhicule est un véhicule comprenant un moteur thermique, et l'étape de chauffage est initiée à intervalles réguliers après une coupure du moteur thermique, de sorte à maintenir l'unité de traitement des gaz d’échappement à une température prédéterminée. Selon cette mise en œuvre, le procédé permet de garder l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse en température idéale de traitement, même si le moteur thermique est éteint, ce qui permet un redémarrage avec des conditions de traitement des gaz d’échappement idéales.
[0016] Un troisième aspect de l'invention concerne un véhicule automobile comportant au moins un dispositif de traitement des gaz d’échappement selon le premier aspect de l'invention, et/ou dont la traitement des gaz d’échappement des gaz d'échappement est effectuée selon le procédé de traitement des gaz d’échappement selon le deuxième aspect de l'invention.
[0017] Avantageusement, le véhicule comprend des moyens de mesure de température de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse, une unité de calcul numérique connectée aux moyens de mesure de température et agencée pour commander le fonctionnement de l'unité de chauffage au gaz naturel. Cette mise en œuvre permet de faire fonctionner l'unité de chauffage quand la température de l'unité de traitement des gaz d’échappement est inférieure à une température de catalyse.
[0018] Bien entendu, tous les aspects de l'invention mentionnés ci-dessous sont combinables entre eux, tant qu'ils ne sont pas incompatibles.
[0019] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente un schéma d'un moteur thermique équipé d'un système de traitement des gaz d’échappement selon l'invention ; la figure 2 représente un schéma d'une séquence de fonctionnement d'un véhicule thermique dont la traitement des gaz d’échappement est effectuée selon le procédé de l'invention ; la figure 3 représente un schéma d'une séquence de fonctionnement d'un véhicule hybride thermique-électrique dont la traitement des gaz d’échappement est effectuée selon le procédé de l'invention.
[0020] La figure 1 représente un moteur thermique 30, par exemple un moteur à essence, équipé en admission : - d'un filtre à air 31, - d'un turbocompresseur 32, - d'un échangeur de chaleur 33, et à l'échappement : - du turbocompresseur 32, - d'une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, - d'une unité de chauffage au gaz naturel 20.
[0021] D'une manière classique, les gaz frais passent par le filtre à air 31, sont comprimés par le turbocompresseur 32 et refroidis par l'échangeur de chaleur 33, avant de rentrer dans les chambres de combustion du moteur thermique 30. A l'échappement, les gaz d'échappement sont détendus dans la turbine du turbocompresseur 32 pour faire tourner ce dernier, et passent ensuite dans l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 afin de traiter les polluants.
[0022] Par exemple, on peut envisager pour un moteur thermique essence de provoquer dans l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 les trois réactions simultanées suivantes :
Une réduction des oxydes d'azote en diazote et en dioxyde de carbone :
Une oxydation des monoxydes de carbone en dioxyde de carbone :
Une oxydation des hydrocarbures imbrulés (HC) en dioxyde de carbone et en eau :
[0023] Cependant, l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 doit être à une température suffisante pour que ces réaction aient lieu. En conséquence, l'invention propose d'ajouter une unité de chauffage 20 au gaz naturel, qui chauffe directement la face avant de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10.
[0024] En particulier, l'unité de chauffage 20 au gaz naturel comprend une buse de chauffage 21 connectée à la face amont de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, de telle sorte à pouvoir la chauffer rapidement et efficacement. La buse de chauffage 21 reçoit du gaz naturel depuis une réserve de stockage sous forme de cartouche amovible 22, et brûle le gaz naturel au plus près de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, pour la chauffer avec les gaz chauds produits par la combustion.
[0025] Le gaz naturel sera stocké dans un contenant remplaçable, la cartouche amovible 22, d’une capacité suffisante pour avoir une autonomie pouvant tenir l’intervalle entre deux révisions véhicule par exemple.
[0026] On remarque que l'unité de chauffage 20 au gaz naturel est connectée à l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 par un conduit distinct du conduit d'échappement, et permet donc un fonctionnement indépendant du moteur thermique 30, et donc rapide. Comme on le verra par la suite, il est parfaitement possible et même avantageux de faire fonctionner l'unité de chauffage 20 indépendamment du moteur thermique 30.
[0027] La figure 2 représente un exemple de stratégie de fonctionnement de l'invention. La courbe C représente la mise sous contact du véhicule, la courbe M représente le fonctionnement du moteur thermique 30, la courbe D montre l'activation d'un régime de fonctionnement moteur pour chauffer rapidement l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, et la courbe CA montre le fonctionnement ou l'activation de l'unité de chauffage 20 au gaz naturel.
[0028] On voit que l'unité de chauffage 20 au gaz naturel est activée dès la mise sous contact du véhicule, au temps T1, avant même que ne soit démarré le moteur thermique 30 à l'instant T2. A cet instant T2 le moteur thermique 30 est directement mis dans un état de fonctionnement particulier pour chauffer rapidement l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, via, en autres et par exemple, l’avance à l’allumage, l’augmentation du régime du moteur au ralenti, une stratégie spécifique d'injection et de positionnement des soupapes. Cependant, ce mode de fonctionnement particulier engendre une surconsommation et peut affecter le niveau de puissance disponible pour le conducteur.
[0029] A l'instant T3, l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 est à bonne température (300°C par exemple), et il est possible de mettre le moteur thermique en régime de fonctionnement normal et de stopper l'unité de chauffage 20 au gaz naturel (les courbes D et CA repassent a "off" pour "arrêt").
[0030] Sans l'unité de chauffage 20 au gaz naturel, il aurait fallu maintenir le fonctionnement dégradé du moteur thermique jusqu'à l'instant T4, et on constate que l'invention permet de gagner le temps T4-T3 pour arriver à un fonctionnement optimal de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10. Cela permet un gain en consommation et un fonctionnement optimal du moteur plus rapide. On peut aussi envisager de chauffer plus longtemps l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, de sorte à augmenter le rendement de catalyse, et passer des normes plus sévères, sans pour autant augmenter le volume de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 et/ou la masse en métaux précieux du catalyseur, ce qui limite les augmentations de coûts. On peut aussi avec cette stratégie chauffer plus pour être plus efficace et réduire la masse de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, et/ou la masse en métaux précieux du catalyseur pour passer une même norme anti-pollution.
[0031] La figure 3 représente une séquence de fonctionnement des organes d'un véhicule hybride (thermique - électrique) avec l'invention, pour gérer au mieux le fonctionnement et la température de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10.
[0032] Dans la figure 3 : - la courbe C représente la mise sous contact du véhicule, - la courbe M représente le fonctionnement du moteur thermique 30, - la courbe D montre l'activation d'un régime de fonctionnement moteur pour chauffer rapidement l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, - la courbe ME montre le fonctionnement du moteur électrique, - la courbe T° montre de manière schématique si latempérature de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 est correcte ou non pour avoir une catalyse efficace, - la courbe CA montre le fonctionnement ou l'activation de l'unité de chauffage 20 au gaz naturel.
[0033] Le véhicule est mis sous contact à l'instant T1, et l'unité de chauffage 20 au gaz naturel également, pour chauffer le plus rapidement possible l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10. Le moteur thermique, ainsi que sa stratégie interne de chauffe rapide sont activées en même temps à un instant T2, jusqu'à ce que l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 arrive à bonne température à l'instant T3.
[0034] A l'instant T4, le moteur thermique est coupé, et le mode de propulsion 100% électrique est activé. En conséquence, la température de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 va baisser, et à l'instant T5, elle repasse en dessous de la température minimale de bon fonctionnement. En conséquence, pour prévoir un fonctionnement éventuel du moteur thermique optimal, on redémarre à ce même instant l'unité de chauffage 20 au gaz naturel, jusqu'à ce que l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 soit à bonne température (instant T6), ce qui permet de stopper ensuite l'unité de chauffage 20 au gaz naturel à l'instant T7.
[0035] En conséquence, il n'y a pas eu besoin de démarrer le moteur thermique ni son mode de fonctionnement pour chauffage rapide entre les instants T5 et T6, comme le montre le cercle, avec les pointillés qui montrent l'économie de fonctionnement. Il en résulte donc une économie de carburant et un confort accru pour l'utilisateur.
[0036] En conclusion, l'unité de chauffage 20 au gaz naturel avec son fonctionnement dissocié du moteur thermique (dès la mise sous contact ou pendant un fonctionnement ou non du moteur thermique) permet : - de passer des normes anti pollutions plus sévères sans augmenter la quantité de matériau catalytique, - de passer une même norme anti pollution avec moins de matériau catalytique, - d'économiser du carburant en évitant de mettre le moteur thermique en mode de chauffage rapide de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10, - d'accroître le confort de l'utilisateur car la mise du moteur en mode de chauffage rapide de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse 10 limite le couple disponible par exemple.
[0037] On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l’invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de traitement des gaz d’échappement d'un véhicule automobile, comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (10), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité de chauffage (20) au gaz naturel de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (10).
  2. 2. Dispositif de traitement des gaz d’échappement selon la revendication précédente, dans lequel l'unité de chauffage (20) comprend une buse de chauffage (21) directement connectée sur une face amont de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (10).
  3. 3. Dispositif de traitement des gaz d’échappement selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'unité de chauffage (20) est agencée pour fonctionner indépendamment d'un groupe moto propulseur du véhicule.
  4. 4. Dispositif de traitement des gaz d’échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant une réserve de gaz naturel sous forme de cartouche amovible (22).
  5. 5. Procédé de traitement des gaz d’échappement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile comprenant une unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (10), et une unité de chauffage (20) au gaz naturel de l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (10), comprenant les étapes consistant à : - chauffer de manière temporaire l'unité de traitement des gaz d’échappement par catalyse (10) avec l'unité de chauffage (20) au gaz naturel.
  6. 6. Procédé de traitement des gaz d’échappement selon la revendication précédente, dans lequel l'étape de chauffage précède une étape de fonctionnement d'un groupe moto propulseur du véhicule.
  7. 7. Procédé de traitement des gaz d’échappement selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel le véhicule est un véhicule hybride comprenant au moins une unité de stockage d'énergie électrique et un moteur thermique (30), et dans lequel l'étape de chauffage est initiée lorsqu'un niveau de charge de l'unité de stockage d'énergie électrique indique que le moteur thermique (30) doit être démarré dans un délai prédéterminé, de deux minutes par exemple.
  8. 8. Procédé de traitement des gaz d’échappement selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel le véhicule est un véhicule hybride comprenant un moteur thermique (30), et dans lequel une étape de démarrage du moteur thermique (30) est retardée pour permettre à l'étape de chauffage de chauffer l'unité de traitement des gaz d’échappement au moins à une température prédéterminée.
  9. 9. Procédé de traitement des gaz d’échappement selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel le véhicule est un véhicule comprenant un moteur thermique (30), et dans lequel l'étape de chauffage est initiée à intervalles réguliers après une coupure du moteur thermique (30), de sorte à maintenir l'unité de traitement des gaz d’échappement à une température prédéterminée.
  10. 10. Véhicule automobile comportant au moins un dispositif de traitement des gaz d’échappement selon l'une des revendications 1 à 4.
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