FR3097009A1 - Motorisation a melange pauvre et catalyseur a chauffage electrique - Google Patents

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Abstract

Motorisation de véhicule automobile comportant un moteur thermique à essence à mélange pauvre (2), et une ligne d’échappement comprenant un système de dépollution, caractérisée en ce que le système de dépollution comporte un catalyseur trois voies (8) qui est équipé d’un élément chauffant électrique (10), réalisant trois conversions différentes et un stockage d’oxydes d’azote NOx, et comporte en un aval un catalyseur à réduction sélective (14) de traitement des oxydes d’azote. Figure 1

Description

MOTORISATION A MELANGE PAUVRE ET CATALYSEUR A CHAUFFAGE ELECTRIQUE
La présente invention concerne une motorisation de véhicule automobile comportant un moteur thermique à essence à mélange pauvre et un système d’échappement avec dépollution, un procédé de fonctionnement de cette motorisation, ainsi qu’un véhicule automobile équipé d’une telle motorisation.
Les moteurs thermiques des véhicules automobiles émettent des gaz d’échappement contenant des éléments polluants qu’il faut traiter avant de les rejeter dans l’atmosphère.
En particulier pour les moteurs à essence on utilise des catalyseurs à trois voies, appelés « Three way catalyst –TWC » en langue anglaise, réalisant trois conversions différentes, notamment la réduction des oxydes d’azote, l’oxydation du monoxyde de carbone et l’oxydation des hydrocarbures non brûlés. On peut disposer ensuite un filtre à particules en sortie de ce catalyseur.
Toutefois il est nécessaire de porter le catalyseur à une certaine température pour obtenir une bonne efficacité de son fonctionnement. Lors de la mise en marche du moteur thermique, ce moteur produit une plus grande quantité de gaz polluants que le catalyseur froid ou insuffisamment réchauffé ne peut traiter convenablement. On obtient une pollution importante.
Dans le cas d’un moteur à essence à mélange pauvre, utilisant une richesse en carburant inférieure au mélange stœchiométrique, on obtient au démarrage de ce moteur un temps de montée en température du catalyseur qui est long, ce qui génère beaucoup d’émissions polluantes pendant cette montée. On peut en variante pendant cette phase de chauffage du catalyseur utiliser un mélange stœchiométrique, qui consomme alors plus de carburant en augmentant les émissions de dioxyde d’azote CO2.
Afin d’obtenir une montée en température plus rapide du catalyseur trois voies, un système de dépollution connu, présenté notamment par le document US-A1-2019/0063352, comporte un dispositif électrique de chauffage en entrée de ce catalyseur, et une boucle de circulation d’air frais activée par une pompe, refoulant cet air dans l’entrée du catalyseur afin de faire circuler l’air chauffé à l’intérieur des éléments catalytiques pour les réchauffer. On réalise un préchauffage du catalyseur trois voies avant le démarrage du moteur thermique avec la boucle d’air frais activée qui est complexe à réaliser, ce qui augmente les coûts de l’installation ainsi que les risques de défaillance.
La présente invention a notamment pour but d’éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet une motorisation de véhicule automobile comportant un moteur thermique à essence à mélange pauvre, et une ligne d’échappement comprenant un système de dépollution, cette motorisation étant remarquable en ce que le système de dépollution comporte un catalyseur trois voies équipé d’un élément chauffant électrique, réalisant trois conversions différentes et un stockage d’oxydes d’azote NOx, et comporte en un aval un catalyseur à réduction sélective de traitement des oxydes d’azote.
Un avantage de cette motorisation est qu’avec un moteur thermique à mélange pauvre, on obtient une dépollution rapide après le démarrage du moteur grâce au chauffage électrique du catalyseur trois voies avec stockage d’oxydes d’azote, appelé « Three way NOx storage catalyst (TWNSC) » en langue anglaise, tout en stockant pendant cette phase les oxydes d’azote NOx qui ne pourraient pas être réduits par le catalyseur à réduction sélective, appelé « Slective Catalytic Reduction (SCR) » en langue anglaise, qui est encore à une température insuffisante pour fonctionner correctement.
On peut ainsi pendant la phase de montée en température du catalyseur à trois voies avec stockage d’oxydes d’azote TWNSC, et du catalyseur à réduction sélective SCR, faire fonctionner le moteur thermique avec un mélange pauvre ce qui maintient une consommation ainsi qu’une émission de dioxydes d’azote CO2 qui restent faible.
La motorisation selon l’invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Selon un mode de réalisation, le catalyseur trois voies et le catalyseur à réduction sélective sont disposés dans un même boîtier.
En particulier, le catalyseur trois voies peut être disposé dans une partie descendante de la ligne d’échappement formée juste après le moteur thermique.
En variante, la ligne d’échappement peut comporter successivement une partie descendante contenant un filtre à particules, puis une partie horizontale contenant le catalyseur trois voies.
L’invention a aussi pour objet un procédé de fonctionnement d’une motorisation comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, remarquable en ce que lors d’un démarrage du moteur thermique il effectue un chauffage du catalyseur trois voies avec l’élément chauffant.
En complément, le procédé peut contrôler la température du catalyseur trois voies à partir de mesures de température effectuées par des capteurs.
En complément, le procédé peut contrôler la température du catalyseur trois voies à partir d’une modélisation physique de sa montée en température.
Avantageusement, le procédé régule la puissance de chauffe de l’élément chauffant en fonction du débit de gaz à l’échappement et de la température cible à atteindre.
Avantageusement, le procédé effectue une purge des oxydes d’azote NOx du catalyseur trois voies en activant l’élément chauffant, avant une prévision d’arrêt du véhicule.
L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile équipé d’une motorisation comprenant un moteur thermique à mélange pauvre et une ligne d’échappement, comportant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
est un schéma présentant une motorisation de véhicule automobile selon l’invention, comprenant une ligne d’échappement équipée en premier du catalyseur à trois voies et à réduction sélective ; et
est un schéma présentant en variante une motorisation comprenant une ligne d’échappement équipée en premier d’un filtre à particules.
La figure 1 présente un collecteur d’échappement 4 recevant les gaz brûlés d’un moteur thermique 2 à mélange pauvre, pour les envoyer vers une première partie descendante 6 d’une ligne d’échappement, comprenant un catalyseur à trois voies TWNSC 8 réalisant trois conversions différentes, la réduction des oxydes d’azote, l’oxydation du monoxyde de carbone et l’oxydation des hydrocarbures non brûlés, et réalisant un stockage des oxydes d’azote NOx.
La position du catalyseur trois voies TWNSC 8 dans la partie de descente de la ligne d’échappement 6, au plus près du moteur thermique 2, permet son chauffage plus rapide par les gaz d’échappement.
La ligne d’échappement comporte ensuite une deuxième partie horizontale 12 disposée sous le plancher du véhicule, comprenant un catalyseur à réduction sélective SCR 14, puis un silencieux d’échappement 16 dirigeant les gaz traités vers la sortie.
Le catalyseur à trois voies TWNSC 8 comporte en entrée un élément chauffant électrique 10 relié à une commande de chauffage 18, qui permet en fonction d’informations sur le fonctionnement de la motorisation gérées par un calculateur, d’activer le chauffage de ce catalyseur afin d’obtenir plus rapidement une mise en température nécessaire à son fonctionnement optimal.
L’élément chauffant électrique 10 est disposé à l’entrée du catalyseur à trois voies TWNSC 8 afin lors du démarrage du moteur thermique 2 d’augmenter la température des gaz entrant et s’écoulant à l’intérieur, pour accélérer sa montée en température. On obtient un chauffage beaucoup plus rapide du catalyseur à trois voies TWNSC 8, comparé à une montée en température plus lente en utilisant seulement les gaz de combustion, et sans enrichir le mélange de la combustion qui reste pauvre dès le démarrage du moteur thermique 2.
L’élément chauffant électrique 10 peut comporter en particulier une résistance électrique intégrée dans le catalyseur à trois voies TWNSC 8, développant une puissance électrique comprise entre 1kW et 4 kW.
On a alors après un arrêt suffisamment prolongé pour refroidir la ligne d’échappement, supérieur à un seuil minimum, lors du démarrage du moteur thermique 2 fonctionnant avec un mélange pauvre qui optimise la consommation de carburant, une activation de la commande de chauffage 18 qui alimente l’élément chauffant électrique 10 pour obtenir le plus rapidement possible dans les conditions optimales les trois conversions du catalyseur trois voies TWNSC 8.
On a aussi avec le chauffage du catalyseur trois voies TWNSC 8 une activation de son dispositif de stockage d’oxydes d’azote NOx qui se met en œuvre rapidement, permettant dans les meilleurs délais de les stocker de manière provisoire, pour les traiter ensuite par le catalyseur à réduction sélective SCR 14 quand il aura atteint sa température de fonctionnement après son réchauffage progressif par les gaz venant du catalyseur à trois voies.
Lors d’une marche normale du véhicule avec le moteur thermique 2 développant suffisamment de puissance pour mettre en température le catalyseur trois voies TWNSC 8 et le catalyseur à réduction sélective SCR 14, ce catalyseur trois voies suffisamment chaud peut alors dégager ses oxydes d’azote NOx stockés qui sont traités ensuite convenablement par la réduction sélective.
Par contre lors de roulages à faible vitesse utilisant une petite puissance du moteur thermique 2, générant alors un faible débit de gaz chauds qui ne monte pas suffisamment en température le catalyseur trois voies TWNSC 8 pour lui permettre de purger des oxydes d’azote NOx stockés dedans, alors que le catalyseur à réduction sélective SCR 14 a atteint sa température de fonctionnement, l’élément chauffant électrique 10 est alors activé par la commande de chauffage 18. On obtient une montée en température suffisante du catalyseur trois voies TWNSC 8, qui lui permet de libérer ses oxydes d’azote traités ensuite dans le catalyseur à réduction sélective SCR 14.
On peut aussi en complément réaliser un chauffage du catalyseur trois voies TWNSC 8 à des moments privilégiés pour le purger des oxydes d’azote NOx, notamment pour obtenir un catalyseur vide lors du démarrage suivant du véhicule permettant un stockage important. On peut en particulier réaliser cette purge lors d’une prévision d’arrêt du véhicule, qui peut être obtenue par sa position détectée par un système de positionnement par satellites du type « GPS », prévoyant par exemple l’arrêt au domicile ou au travail.
D’une manière générale, le contrôle de la température du catalyseur trois voies TWNSC 8 pendant le chauffage peut être effectué par des mesures à l’aide de capteurs, ou en utilisant une modélisation physique de sa montée en température. La puissance de chauffe de l’élément chauffant électrique 10 peut être constante, ou régulée en fonction du débit de gaz à l’échappement et de la température cible à atteindre.
La figure 2 présente une ligne d’échappement comportant la partie verticale 6 reliée au collecteur d’échappement 4, qui contient un filtre à particules 20 permettant de stocker les particules de suie venant de la combustion du moteur 2.
On a ensuite la partie horizontale 12 de la ligne d’échappement contenant dans un même boîtier successivement en partant de l’amont, l’élément chauffant électrique 10, le catalyseur trois voies TWNSC 8, puis le catalyseur à réduction sélective SCR 14.
Le positionnement du boîtier contenant les deux catalyseurs dans la partie horizontale 12 disposée sous le plancher du véhicule, après le filtre à particules 20, permet de limiter la température maximum du catalyseur trois voies TWNSC 8 et son vieillissement, ce qui facilite sa fabrication en diminuant notamment la charge en métaux précieux. On obtient des catalyseurs 8, 14 comportant un coût réduit et présentant une meilleure tenue au vieillissement.
L’invention permet globalement de réduire les émissions de monoxyde de carbone CO et d’hydrocarbures imbrûlés HC, de réduire les émissions d’oxydes d’azote NOx qui sont rapidement stockées pour être ensuite traitées dans des bonnes conditions, tout en diminuant les émissions de dioxyde de carbone CO2.

Claims (10)

  1. Motorisation de véhicule automobile comportant un moteur thermique à essence à mélange pauvre (2), et une ligne d’échappement comprenant un système de dépollution, caractérisée en ce que le système de dépollution comporte un catalyseur trois voies (8) équipé d’un élément chauffant électrique (10), réalisant trois conversions différentes et un stockage d’oxydes d’azote NOx, et comporte en un aval un catalyseur à réduction sélective (14) de traitement des oxydes d’azote.
  2. Motorisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le catalyseur trois voies (8) et le catalyseur à réduction sélective (14) sont disposés dans un même boîtier.
  3. Motorisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le catalyseur trois voies (8) est disposé dans une partie descendante de la ligne d’échappement (6) formée juste après le moteur thermique (2).
  4. Motorisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la ligne d’échappement comporte successivement une partie descendante (6) contenant un filtre à particules (20), puis une partie horizontale (12) contenant le catalyseur trois voies (8).
  5. Procédé de fonctionnement d’une motorisation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors d’un démarrage du moteur thermique (2) il effectue un chauffage du catalyseur trois voies (8) avec l’élément chauffant (10).
  6. Procédé de fonctionnement selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il contrôle la température du catalyseur trois voies (8) à partir de mesures de température effectuées par des capteurs.
  7. Procédé de fonctionnement selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu’il contrôle la température du catalyseur trois voies (8) à partir d’une modélisation physique de sa montée en température.
  8. Procédé de fonctionnement selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu’il régule la puissance de chauffe de l’élément chauffant (10) en fonction du débit de gaz à l’échappement et de la température cible à atteindre.
  9. Procédé de fonctionnement selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu’il effectue une purge des oxydes d’azote NOx du catalyseur trois voies (8) en activant l’élément chauffant (10), avant une prévision d’arrêt du véhicule.
  10. Véhicule automobile équipé d’une motorisation comprenant un moteur thermique à mélange pauvre (2) et une ligne d’échappement, caractérisé en ce que cette motorisation est selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
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