FR3107554A1 - Système de depollution des gaz d’echappement d’un moteur essence - Google Patents

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Abstract

Un aspect de l’invention concerne un système de dépollution (1) des gaz d’échappement pour un moteur essence comportant d’amont en aval d’une ligne d’échappement Un premier catalyseur (3) trois-voies, un système d’injection d’air (5), et un filtre à particules (4). Figure 1

Description

SYSTÈME DE DEPOLLUTION DES GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN MOTEUR ESSENCE
Un aspect de l’invention se rapporte à un système de dépollution des gaz d’échappement pour un moteur essence hybride ou non hybride. Un autre aspect de l’invention porte sur un véhicule, notamment automobile, équipé d’un tel système de dépollution des gaz d’échappement.
Pour répondre aux exigences réglementaires en matière d’émissions polluantes et réduire les émissions d’hydrocarbures imbrûlés HC, de monoxyde de carbone CO, d’oxydes d’azote NOx ou encore de particules des véhicules possédant un moteur essence, il est connu de l’homme de l’art d’utiliser un système de dépollution comprenant en sortie du moteur un catalyseur trois-voies associé en aval à un filtre à particules (bien connu sous l’acronyme GPF pourGasoline Particulate Filter en anglais). Afin d’optimiser la dépollution, le catalyseur trois-voies est activé au plus tôt au démarrage et est parfois associé à un système de chauffage permettant d’augmenter la température de fonctionnement du catalyseur trois-voies.
Ce système de chauffage permet lors des parcours urbains au cours desquels la ligne de dépollution ne parvient pas à monter suffisamment en température, d’augmenter la température du catalyseur trois-voies. En revanche, dans une telle phase, l’oxygène du moteur est consommé par le catalyseur trois-voies qui fonctionne à la stœchiométrie. Dans ce cas, en l’absence d’oxygène, le filtre situé en aval du catalyseur trois-voies n’est plus en mesure de brûler les suies de sorte que des dépôts importants de particules de suie sur les surfaces des parois des canaux du filtre se produisent. Le filtre est alors saturé, ce qui génère notamment une contre-pression à l’échappement empêchant le moteur de fonctionner correctement. En outre, les coupures d’injection entrainant l’expulsion des gaz de combustion du cylindre moteur poussés par l’air arrivant par les soupapes ou orifices d'admission, pendant que les soupapes ou orifices d'échappement sont encore ouverts qui pourraient potentiellement permettre au filtre à particules de recevoir suffisamment d’oxygène ne sont pas toujours envisageables, notamment lorsque le moteur essence d’un véhicule hybride est coupé par le calculateur du véhicule.
Le but de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système de dépollution des gaz d’échappement d’un moteur essence permettant d’éviter des dépôts importants de particules de suie sur les surfaces des parois des canaux d’un filtre à particules.
Dans ce contexte, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un système de dépollution des gaz d’échappement d’un moteur essence comportant d’amont en aval d’une ligne d’échappement:
  • un premier catalyseur trois-voies,
  • un système d’injection d’air, et
  • un filtre à particules.
Grâce à la présence d’un système d’injection d’air disposé entre le premier catalyseur trois-voies et le filtre à particules, il est possible d’injecter de l’air à l’entrée du filtre à particules pour brûler les particules de suie et éviter des dépôts importants de particules de suie sur les surfaces des parois des canaux d’un filtre à particule.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le système de dépollution des gaz d’échappement pour un moteur essence selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un aspect de l’invention, le système de dépollution comporte un dispositif de chauffage du premier catalyseur trois-voies.
Selon un aspect de l’invention, le système d’injection d’air est construit et agencé pourêtre connecté à:
  • une première extrémité à une arrivée d’air du moteur ou au niveau de la façade avant d’un véhicule, et
  • une deuxième extrémité en amont du filtre à particules, le système d’injection d’air comportant une pompe à air disposée du côté de ladite première extrémité et une vanne disposée du côté de ladite deuxième extrémité.
Selon un aspect de l’invention, le système d’injection d’air comporte un mélangeur disposé entre une sortie du catalyseur trois-voies et la deuxième extrémité du système d’injection d’air, autrement dit à l’entrée du filtre à particules.
Selon un aspect de l’invention, le système de dépollution comporte un catalyseur pour piéger des hydrocarbures, ledit catalyseur pour piéger des hydrocarbures étant disposé en aval du filtre à particules.
Selon un aspect de l’invention, le catalyseur pour piéger des hydrocarbures comporte une partie amont comportant des zéolithes et une partie aval comportant des métaux précieux.
Selon un aspect de l’invention, le système de dépollution comporte, en aval du catalyseur pour piéger des hydrocarbures, un catalyseur comportantdes métaux précieux.
Selon un aspect de l’invention, le système de dépollution comporte un catalyseur construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac, ledit catalyseur construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac étant disposé en aval du catalyseur pour piéger des hydrocarbures.
Selon un aspect de l’invention, le catalyseur construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac est:
  • un catalyseur de suppression des émissions d’ammoniac, ou
  • un catalyseur de réduction sélective, ou
  • un catalyseur de nettoyage, autrement dit un catalyseur d’oxydation.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un véhicule muni d’un moteur essence et comportant un système de dépollution des gaz d’échappement selon l’une quelconque des réalisations de l’invention précitées.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
représente de façon schématique un exemple de réalisation d’un système de dépollution des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un premier aspect de l’invention.
représente de façon schématique un exemple de réalisation d’un système d’injection d’air conforme à un aspect de l’invention.
représente de façon schématique un exemple de réalisation d’un système de dépollution des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un deuxième aspect de l’invention.
représente de façon schématique un exemple de réalisation d’un système de dépollution des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un troisième aspect de l’invention.
représente de façon schématique un exemple de réalisation d’un système de dépollution des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un quatrième aspect de l’invention.
illustre un véhicule muni d’un système de dépollution des gaz d’échappement conforme à un aspect de l’invention.
La figure 1 illustre un exemple de réalisation d’un système de dépollution 1 des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un aspect de l’invention.
Le système de dépollution 1 est disposé en aval d’un moteur essence 2. Le système 1 comporte un catalyseur 3 trois-voies. Ce catalyseur 3 est disposé en aval du moteur essence 2. On entend par moteur essence, un moteur à allumage commandé fonctionnant avec un carburant de type essence.
Le système 1 comporte également un filtre à particules 4 disposé en aval du catalyseur 3 trois-voies.
Le système 1 comporte en outre un système d’injection d’air 5 disposé entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4.
Afin d’activer le catalyseur 3 trois-voies au plus tôt après le démarrage du moteur et limiter ainsi les émissions polluantes, un dispositif de chauffage 6 lui est ajouté. Ce dispositif de chauffage 6 peut par exemple être formé par une résistance électrique ou une nappe munie d’un réseau de résistances électriques disposé autour du catalyseur 3 trois-voies. Le dispositif de chauffage 6 peut également être formé par un système de brûleur qui génère de la thermique via la combustion de carburants.
En outre, la présence du système d’injection d’air 5 entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4 permet d’injecter de l’oxygène à l’entrée du filtre à particule 4, oxygène nécessaire à la combustion des suies par le filtre à particules 4.
Plus particulièrement, le fait de disposer de ce système d’injection d’air 5 positionné entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4 permet à ce dernier de bénéficier à la fois d’une thermique favorable apportée par le dispositif de chauffage 6 et d’un apport en oxygène largement suffisant pour brûler toutes les suies stockées et faire en sorte que la régénération soit efficace.
Un exemple de réalisation d’un système d’injection d’air 5 est illustré à la figure 2.
Le système d’injection 5 d’air est connecté à une première extrémité 7 en amont du moteur, c'est-à-dire au niveau de l’arrivée d’air du moteur. Le système d’injection d’air 5 est connecté à une deuxième extrémité 8 en amont du filtre à particules 4.
Le système d’injection d’air 5 comporte une pompe à air 9 disposée du côté de la première extrémité 7 du système d’injection 5 d’air et une vanne 10 disposée du côté de la deuxième extrémité 8 du système d’injection d’air 5.
Dans une réalisation différente non illustrée, la première extrémité 7 du système d’injection 5 d’air est connectée au niveau de la façade avant du véhicule. Cet agencement particulier peut être implémenté sans qu’il ne soit nécessaire de modifier le contrôle du ratio air/carburant du moteur en fonction des besoins de régénération du filtre à particules 4.
En outre, le système d’injection d’air 5 comporte un mélangeur 11 disposé entre la sortie du catalyseur 3 trois-voies et la deuxième extrémité 8 du système d’injection d’air. Ce mélangeur 11 est par conséquent disposé à l’entrée du filtre à particules 4.
Ce système d’injection d’air 5 permet d’apporter de l’air en amont du filtre à particules 4. Le mélangeur 11 (ou diffuseur) permet de garantir l’homogénéité du mélange formé par les gaz d’échappement issus du catalyseur 3 trois-voies et l’air introduit par le système d’injection d’air 5.
La figure 3 illustre un autre exemple de réalisation d’un système de dépollution 1 des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un aspect de l’invention.
Dans cet exemple, le système de dépollution 1comporte:
  • un catalyseur 3 trois-voies disposé en aval du moteur essence 2,
  • un filtre à particules 4 disposé en aval du catalyseur 3 trois-voies,
  • un système d’injection d’air 5 disposé entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4, et
  • un dispositif de chauffage 6 du catalyseur 3 trois-voies.
Le système de dépollution 1 comporte en outre un catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12. Ce catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 est disposé en aval du filtre à particules 4. Ce type de catalyseur est bien connu sous la dénomination anglaise HC Trap.
Dans un exemple de réalisation, le catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 comporte une partie amont comportant des zéolithes et une partie aval comportant des métaux précieux.
Par exemple, la partie amont peut être formée de 30% à 50% du volume global du catalyseur 12 et comporter des zéolithes de type FAU et/ou BEA. La partie aval comporte quant à elle des métaux précieux qui peuvent être du Platine et/ou du Palladium.
Ce type de catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 est construit et agencé pour piéger les hydrocarbures à froid et les traiter à chaud. Afin de protéger les zéolithes qui ont une résistance thermique limitée, à savoir 900°C, il est préférable de disposer ce catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 le plus loin possible du moteur 2, autrement dit sous la caisse du véhicule.
Par ailleurs, lors du démarrage du moteur 2, une partie des émissions d’hydrocarbures est traitée par le catalyseur 3 trois-voies chauffé par le dispositif de chauffage 6. Comme le système de dépollution n’est pas efficace instantanément, il est nécessaire que le catalyseur 3 trois-voies chauffe suffisamment pour que les réactions de conversion qui nécessitent un certain niveau d’énergie se produisent. Ainsi, au démarrage, une quantité importante d’hydrocarbures traverse le catalyseur 3 trois-voies, puis le filtre à particules 4 avant d’être retenue par le catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 qui les stocke jusqu’à ce que l’augmentation de la température provoque leur déstockage. Comme ce catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 comporte des métaux précieux, tels que du Platine et/ou du Palladium, ces hydrocarbures sont convertis en dioxyde de carbone CO2 et en vapeur d’eau grâce à l’apport d’oxygène fournit par le dispositif d’introduction d’air 5 rendant possible leur oxydation.
La figure 4 illustre un autre exemple de réalisation d’un système de dépollution 1 des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un aspect de l’invention.
Dans cet exemple, le système de dépollution 1comporte:
  • un catalyseur 3 trois-voies disposé en aval du moteur essence 2,
  • un filtre à particules 4 disposé en aval du catalyseur 3 trois-voies,
  • un système d’injection d’air 5 disposé entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4,
  • un dispositif de chauffage 6 du catalyseur 3 trois-voies, et
  • un catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 disposé en aval du filtre à particules 4.
Le système de dépollution 1 comporte en outre en aval du catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12, un catalyseur comportantdes métaux précieux 13. Ce catalyseur comportant des métaux précieux 13 permet de traiter les résidus d’hydrocarbures non traités par le catalyseur 12 pour piéger des hydrocarbures.
La figure 5 illustre un autre exemple de réalisation d’un système de dépollution 1 des gaz d’échappement pour un moteur essence conforme à un aspect de l’invention.
Dans cet exemple, le système de dépollution 1comporte:
  • un catalyseur 3 trois-voies disposé en aval du moteur essence 2,
  • un filtre à particules 4 disposé en aval du catalyseur 3 trois-voies,
  • un système d’injection d’air 5 disposé entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4,
  • un dispositif de chauffage 6 du catalyseur 3 trois-voies, et
  • un catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12 disposé en aval du filtre à particules 4.
Dans cet exemple, le système de dépollution 1 comporte en outre un catalyseur 14 construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac, le catalyseur 14 construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac étant disposé en aval du catalyseur pour piéger des hydrocarbures 12. Ce catalyseur 14 construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac peut être choisi parmi l’un des catalyseurs suivant:
  • un catalyseur de suppression des émissions d’ammoniac, également connu sous l’acronyme ASC, pourAmmonia Slip Catalysten anglais, ou
  • un catalyseur de réduction sélective, également connu sous l’acronyme SCR, pour Selective Catalytic Reductionen anglais, ou
  • un catalyseur de nettoyage, également connu sous l’acronyme CUC, pour Clean-up Catalyst en anglais qui n’est plus ni moins qu’un catalyseur d’oxydation
Ce catalyseur 14 construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac permet de convertir les émissions d’ammoniac NH3 en diazote N2.
Ainsi, le système d’injection d’air 5 positionné entre le catalyseur 3 trois-voies et le filtre à particules 4 permet de régénérer, dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur 2, le filtre à particules 4 en lui apportant suffisamment d’oxygène.
L’ajout d’un catalyseur pour piéger les hydrocarbures 12 permet de stocker tous les hydrocarbures émis par le moteur à froid, autrement dit à son démarrage avant que le catalyseur 3 trois-voies situé en amont puisse les convertir.
En outre, le catalyseur 14 construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac permet de supprimer les émissions d’ammoniac NH3.
Comme illustré à la figure 6, un autre aspect de l’invention porte sur un véhicule 15 muni d’un moteur essence 2 comportant un système de dépollution 1 des gaz d’échappement selon l’une quelconque des réalisations précédentes.

Claims (10)

  1. Système de dépollution (1) des gaz d’échappement d’un moteur essence comportant d’amont en aval d’une ligne d’échappement:
    • un premier catalyseur (3) trois-voies,
    • un filtre à particules (4),
    • ledit système de dépollution (1) étant caractérisé en ce qu’il comporte un système d’injection d’air (5) disposé entre ledit premier catalyseur (3) trois-voies et ledit filtre à particules (4).
  2. Système de dépollution (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de chauffage (6) du premier catalyseur (3) trois-voies.
  3. Système de dépollution (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système d’injection d’air (5) est construit et agencé pourêtre connecté à:
    • une première extrémité (7) à une arrivée d’air du moteur ou au niveau de la facade avant d’un véhicule, et
    • une deuxième extrémité (8) en amont du filtre à particules (4), le système d’injection d’air (5) comportant une pompe à air (9) disposée du côté de ladite première extrémité (7) et une vanne (10) disposée du côté de ladite deuxième extrémité (8).
  4. Système de dépollution (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le système d’injection d’air (5) comporte un mélangeur (11) disposé entre une sortie du catalyseur (3) trois-voies et la deuxième extrémité (8) du système d’injection d’air (5).
  5. Système de dépollution (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte un catalyseur pour piéger des hydrocarbures (12), ledit catalyseur pour piéger des hydrocarbures (12) étant disposé en aval du filtre à particules (4).
  6. Système de dépollution (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le catalyseur pour piéger des hydrocarbures (12) comporte une partie amont comportant des zéolithes et une partie aval comportant des métaux précieux.
  7. Système de dépollution (1) selon l’une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce qu’il comporte, en aval du catalyseur pour piéger des hydrocarbures (12), un catalyseur (13) comportantdes métaux précieux.
  8. Système de dépollution (1) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu’il comporte un catalyseur (14) construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac, ledit catalyseur (14) construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac étant disposé en aval du catalyseur pour piéger des hydrocarbures (12).
  9. Système de dépollution (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le catalyseur (5) construit et agencé pour diminuer des émissions d’ammoniac est:
    • un catalyseur de suppression des émissions de particules d’ammoniac, ou
    • un catalyseur de réduction sélective, ou
    • un catalyseur de nettoyage.
  10. Véhicule (15) muni d’un moteur essence (2) caractérisé en ce qu’il comporte un système de dépollution des gaz d’échappement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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US20120124995A1 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 Ford Global Technologies, Llc Exhaust system for internal combustion engines with particle filter
DE102017113366A1 (de) * 2017-06-19 2018-12-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

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