FR3107730A1 - Ligne d’échappement - Google Patents

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Faurecia Systemes dEchappement SAS
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Abstract

Ligne d’échappement Ligne (1) d’échappement apte à transporter et à post traiter des gaz d’échappement, s’étendant depuis une entrée (2), connectable à un moteur à combustion interne (M), jusqu’à une sortie (3) débouchant à l’air libre, comprenant un catalyseur (5), un piège (6) apte à retenir les oxydes d’azote et les hydrocarbures, disposé en amont du catalyseur (5) et le catalyseur (5) est équipé d’un dispositif de chauffage (4), de type dispositif de chauffage inductif, apte à réchauffer le catalyseur (5) et intégré au catalyseur (5). Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Ligne d’échappement
L’invention concerne le domaine des lignes d’échappement et plus particulièrement le post traitement des gaz d’échappement en sortie d’un moteur thermique à combustion interne, lors d’un démarrage à froid dudit moteur.
Il est connu pour supprimer les polluants: oxydes d’azote NOx, hydrocarbures imbrûlés HC, et monoxyde de carbone CO, présents dans des gaz d’échappement, d’utiliser un catalyseur. Un tel catalyseur permet de transformer les différents polluants en composés, considérés non nocifs, pouvant être relâchés dans l’atmosphère: O2, N2, CO2, H2O, etc. Cependant, un tel catalyseur pour bien fonctionner doit atteindre une température au moins égale à sa température d’amorçage, typiquement de 300-350°C.
En régime établi, cette température d’amorçage est entretenue par la chaleur apportée par les gaz d’échappement et par la chaleur dégagée par les réactions chimiques se déroulant dans ledit catalyseur: oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Cependant, au démarrage du moteur, le catalyseur et les gaz d’échappement sont froids. Aussi, les gaz d’échappement ne peuvent pas contribuer à l’atteinte de la température d’amorçage durant les premières secondes après le démarrage du moteur. Les gaz d’échappement sont tellement froids qu’ils peuvent refroidir un catalyseur chaud, y compris grâce à l’action d’un élément chauffant, au risque de l’inhiber.
Pour pallier cet inconvénient il est possible de préchauffer, avant le démarrage du moteur, et/ou de (post)chauffer, après le démarrage du moteur, le catalyseur par un autre moyen de chauffage. Un tel palliatif laisse cependant subsister plusieurs problèmes. Un premier problème est que le temps de préchauffe retarde d’autant le démarrage du moteur. Un autre problème est que malgré le préchauffage du catalyseur, les gaz d’échappement peuvent être tellement froids qu’ils peuvent refroidir le catalyseur, et ce suffisamment pour l’inhiber. Un autre problème est qu’un (post)chauffage, utilisé seul, nécessite un temps incompressible d’environ 5 secondes pour permettre au catalyseur d’atteindre sa température d’amorçage.
Pour assurer un post traitement des gaz d’échappement, suite à un démarrage à froid du moteur thermique, l’invention propose un nouveau paradigme consistant à disposer un piège, apte à retenir les oxydes d’azotes et les hydrocarbures, en amont du catalyseur.
Pour cela, l’invention a pour objet une ligne d’échappement apte à transporter et à post traiter des gaz d’échappement, s’étendant depuis une entrée connectable à un moteur thermique à combustion interne jusqu’à une sortie débouchant à l’air libre, comprenant un catalyseur, un piège apte à retenir les oxydes d’azote et les hydrocarbures, disposé en amont du catalyseur et le catalyseur est équipé d’un élément chauffant, de type élément chauffant inductif, apte à réchauffer le catalyseur et intégré au catalyseur.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- la ligne comprend encore un moyen de refroidissement du piège,
- le piège est disposé suffisamment loin du moteur pour que sa température ne dépasse pas une température seuil de dégradation hydrothermique,
- la ligne comprend encore un circuit de by-pass apte à sélectivement isoler le piège.
Dans un deuxième aspect de l’invention, un procédé d’utilisation d’une telle ligne d’échappement comprenant les étapes suivantes: décalage du rapport air sur carburant à une valeur supérieure à 1, démarrage du moteur, retour du rapport air sur carburant à une valeur nominale lorsque le catalyseur a atteint sa température d’amorçage ou après une durée configurable, permettant au catalyseur d’atteindre sa température d’amorçage, préférentiellement inférieure à 20 secondes, encore préférentiellement inférieure à 10 secondes, et encore plus préférentiellement inférieure à 5 secondes.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- le catalyseur est préchauffé, avant démarrage du moteur, jusqu’à atteindre sa température d’amorçage ou pendant une durée configurable permettant d’atteindre sa température d’amorçage, préférentiellement inférieure à 20 secondes, encore préférentiellement inférieure à 10 secondes, et encore plus préférentiellement inférieure à 5 secondes.
- le catalyseur est préchauffé, avant démarrage du moteur, pendant une durée initiale inférieure à celle permettant au catalyseur 5 d’atteindre sa température d’amorçage, et est chauffé, après démarrage du moteur, jusqu’à atteindre sa température d’amorçage ou pendant une durée complémentaire configurable permettant d’atteindre sa température d’amorçage,
- la durée complémentaire est déterminée en fonction de la capacité du piège.
Dans un troisième aspect de l’invention, un véhicule comprenant une telle ligne d’échappement.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :
montre une vue schématique d’une ligne d’échappement selon un premier mode de réalisation de l’invention,
montre une vue schématique d’une ligne d’échappement selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
En référence à la figure 1, une ligne d’échappement 1 est représentée. Une telle ligne d’échappement 1 comprend une canalisation, afin d’être apte à transporter des gaz d’échappement s’étendant depuis une entrée 2, connectable à la sortie d’un moteur thermique à combustion interne M, jusqu’à une sortie 3 débouchant à l’air libre. Grace à des composants disposés au long de la canalisation, la ligne d’échappement 1 est encore apte à post traiter les gaz d’échappement. La ligne d’échappement 1 comprend un catalyseur 5.
Ainsi, de manière connue, le catalyseur 5, en régime établi, une fois sa température d’amorçage atteinte, est apte à convertir les polluants présents dans les gaz d’échappement: oxydes d’azote NOx, hydrocarbures imbrûlés HC, et monoxyde de carbone CO. Les oxydes d’azote NOx sont réduits, tandis que les hydrocarbures imbrûlés HC et le monoxyde de carbone CO sont oxydés.
Cependant, lors d’un démarrage à froid, le catalyseur 5 est froid. De plus, même s’il est (pré)chauffé, les gaz d’échappement, froids eux aussi, provoquent un refroidissement du catalyseur 5. Aussi, lors d’un démarrage à froid, le catalyseur 5 n’est pas immédiatement en mesure d’assurer sa fonction de dépollution.
Aussi, selon une caractéristique importante de l’invention, la ligne d’échappement 1 est avantageusement complétée par un piège 6 apte à retenir les oxydes d’azotes et les hydrocarbures. Ce piège 6 est disposé en amont du catalyseur 5.
Un tel piège ou adsorbant 6 fonctionne selon le principe suivant: il piège les polluants: oxydes d’azote NOx et hydrocarbures imbrûlés HC, tant que la température est basse. Ensuite, il relâche ou désorbe ces polluants, à mesure que la température augmente et dépasse une température de désorption variable, en fonction du polluant, entre 80° et 350°C.
Un piège 6 fonctionne comme un tampon. Il est ainsi particulièrement adapté au problème en ce qu’il empêche l’émission des polluants à basse température, durant la phase de démarrage, alors que le catalyseur 5 n’est pas encore assez chaud pour être opérationnel. Le temps de piégeage est mis à profit par le catalyseur 5 pour atteindre sa température d’amorçage. Ainsi, lors de la désorption qui suit, le catalyseur 5, ayant atteint sa température d’amorçage, est en mesure de traiter les polluants désorbés. Ce principe impose qu’un catalyseur 5 soit disposé en aval du piège 6.
Afin que le catalyseur 5 atteigne plus rapidement sa température d’amorçage, la ligne 1 d’échappement est avantageusement équipée d’un dispositif de chauffage 4.
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de chauffage 4 est un dispositif de chauffage résistif. Un tel dispositif de chauffage 4 comprend typiquement une grille ou une mousse métallique chauffée par circulation d’un courant. Cette grille ou mousse est disposée en travers du flux de gaz d’échappement. Aussi, un tel dispositif de chauffage 4 résistif est plus particulièrement adapté à réchauffer les gaz d’échappement. Un tel dispositif de chauffage 4 est avantageusement disposé à l’immédiat amont du catalyseur 5. Le réchauffage du catalyseur 5 s’effectue au moyen des gaz d’échappement le traversant, lesdits gaz ayant été chauffés lors d’une préalable traversée du dispositif de chauffage 4. De manière alternative, il est aussi possible d’utiliser un effet résistif dans un dispositif de chauffage 4 intégré au catalyseur 5.
Selon un autre mode de réalisation préféré, le dispositif de chauffage 4 est un dispositif de chauffage inductif. Un tel dispositif de chauffage 4 inductif comprend un générateur de champ magnétique alternatif, telle une bobine et des éléments ferromagnétiques disposés dans le champ magnétique et qui vont ainsi s’échauffer. Ces éléments ferromagnétiques sont de préférence intégrés au catalyseur 5, afin d’avantageusement directement chauffer le catalyseur 5. Un tel dispositif de chauffage 4 inductif est avantageusement intégré au catalyseur 5. Un tel dispositif de chauffage 4 inductif est plus particulièrement adapté à réaliser un préchauffage, en l’absence d’un flux de gaz d’échappement, puisque le moteur M n’est pas encore démarré.
Un dispositif de chauffage 4 est toujours disposé en aval du piège 6.
Un piège 6, tel que précédemment décrit, du fait des matériaux le composant, ne doit pas dépasser une température seuil de dégradation hydrothermique de l’ordre de 700°C, sous peine de subir des dégradations irréversibles préjudiciables à son fonctionnement optimal futur. Or cette température seuil de dégradation hydrothermique peut être atteinte par chauffage par les gaz d’échappement en régime établi.
Aussi, selon une autre caractéristique, la ligne d’échappement 1 comprend encore un moyen de refroidissement du piège 6.
Selon un premier mode de réalisation, le piège 6 est équipé d’un moyen de refroidissement actif de tout type. Il peut ainsi, par exemple, comprendre un radiateur à air, mettant à profit de l’air frais disponible autour du véhicule en mouvement emportant la ligne d’échappement 1. Selon une variante du premier mode de réalisation, la ligne d’échappement 1 comprend sur tout ou partie de sa longueur une enveloppe entourant la canalisation et/ou l’un ou l’autre des équipements 4, 5, 6. Dans cette enveloppe circule un air frais afin de refroidir la canalisation et/ou au moins un des équipements 4, 5, 6 et refroidir les gaz d’échappement.
Selon un deuxième mode de réalisation, le moyen de refroidissement est constitué par une disposition du piège 6 à une distance suffisamment importante, soit suffisamment loin du moteur M pour que les gaz d’échappement aient le temps de refroidir et n’atteignent pas ladite température seuil de dégradation thermique. Selon une variante de ce deuxième mode de réalisation, l’éloignement du piège 6 relativement au moteur M, emporte encore une disposition du piège 6 en dehors du véhicule, sous le plancher, favorisant ainsi un refroidissement du piège 6 par circulation d’air lié au mouvement du véhicule. Ainsi, le piège 6 est disposé en aval du flexible, élément de découplage mécanique reliant l’extrémité aval d’un conduit chaud (partie chaude la plus proche du moteur) à l’extrémité amont du conduit froid (partie froide la plus éloignée du moteur). Selon les architectures de ligne d’échappement 1, cette position est variable. Il peut être considéré que le piège 6 et le moteur M doivent être éloignés d’au moins un mètre curviligne de ligne d’échappement.
Selon un troisième mode de réalisation, plus particulièrement illustré à la figure 2, la ligne d’échappement 1 comprend encore un circuit de by-pass 7 apte à sélectivement isoler le piège 6. Ainsi, en commandant le circuit de by-pass 7 il est possible de garantir que le piège 6 n’atteigne jamais sa température seuil de dégradation thermique. Le circuit de by-pass 7 comprend typiquement une vanne trois voies permettant de faire circuler les gaz d’échappement vers le catalyseur 5 éventuellement équipé d’un élément chauffant 4, soit via le piège 6, soit directement sans passer par le piège 6. Dans ce mode de réalisation, la distance entre le moteur M et le piège 6 peut être nettement raccourcie, au moins 15 cm étant suffisants.
La circulation via le piège 6 est commandée en régime de démarrage, tant que le catalyseur 5 n’a pas atteint sa température d’amorçage.
Au contraire, la circulation directe est commandée en régime établi, à haute température. La haute température désigne ici une température supérieure à un seuil de 350°C. Ce seuil correspond à une température à laquelle le piège 6 a fini de désorber et à laquelle avantageusement, le catalyseur 4 est opérationnel.
Ainsi, le piège 6 est protégé et ne risque pas d’atteindre sa température seuil de dégradation hydrothermique.
Les trois modes de réalisation précédemment décrits, et leurs possibles variantes, sont bien évidemment combinables entre eux.
Comme décrit précédemment, le piège 6 a pour fonction de temporairement stocker les polluants présents dans les gaz d’échappement durant la phase de démarrage où le catalyseur 5 n’est pas en capacité de les traiter. Dans les polluants présents dans le gaz d’échappement se trouvent des oxydes d’azote NOx, des hydrocarbures imbrûlés HC, et du monoxyde de carbone, CO. Actuellement les pièges 6 sont capables de capturer les oxydes d’azote NOx, et les hydrocarbures imbrûlés HC. Le monoxyde de carbone CO, ne peut cependant actuellement pas être piégé selon ce principe. En régime établi le catalyseur 5 chaud assure une oxydation du monoxyde de carbone, CO. Il convient de trouver une solution complémentaire en phase de démarrage, tant que le catalyseur 5 n’est pas opérationnel.
Une caractéristique, permettant de réduire les émissions de monoxyde de carbone CO, consiste à réduire la richesse du mélange carburant en décalant le rapport air sur carburant vers une valeur supérieure à 1, soit en créant un mélange pauvre, présentant un excès d’air. Le rapport air sur carburant ou «air to fuel ratio» en anglais, encore abrévié AFR indique la stœchiométrie pour obtenir une combustion parfaite. Le rapport air sur carburant, classiquement noté λ, est pris égal à 1 lorsque les proportions respectives d’air et de carburant sont à l’équilibre stœchiométrique.
Ainsi pour un carburant SP98 ou E5, l’AFR est de 14,23, indiquant qu’il faut 14,23 fois plus d’air que de carburant pour assurer une combustion parfaire. A cet AFR de 14,23 est associé un rapport air sur carburant λ, conventionnellement pris égal à 1.
De manière connue, un décalage vers un mélange pauvre permet, au sein du catalyseur trois voies 5, d’augmenter l’oxydation tant du monoxyde de carbone CO que des hydrocarbures imbrûlés HC.
Aussi, l’invention concerne encore un procédé d’utilisation d’une telle ligne d’échappement 1, comprenant les étapes suivantes. Une première étape consiste à décaler le rapport air sur carburant λ à une valeur supérieure à 1. Avantageusement, cette valeur est comprise entre 1 et 1,2. Au cours d’une deuxième étape, le moteur M peut être démarré. Au cours d’une troisième étape, le rapport air sur carburant λ est commandé pour revenir à une valeur nominale. Cette troisième étape est effective lorsque le catalyseur 5 a atteint sa température d’amorçage. Ceci peut être observé au moyen d’un capteur de température. A défaut, en l’absence d’un tel capteur de température, il est possible de considérer que la condition est effective après une durée configurable. Cette durée est déterminée de manière à permettre au catalyseur 5 d’atteindre sa température d’amorçage, et est préférentiellement prise égale à 20 secondes.
Il n’y a pas d’intérêt à poursuivre un fonctionnement avec un mélange pauvre présentant un rapport air sur carburant λ supérieur à 1, en ce qu’un tel fonctionnement est préjudiciable à la protection des composants moteur et à la dépollution. Aussi, dès que la température d’amorçage du catalyseur 5 est atteinte, le contrôle moteur revient à un rapport air sur carburant λ nominal soit sensiblement égal à 1.
L’utilisation du dispositif de chauffage 4 pour aider le catalyseur 5 à atteindre sa température d’amorçage peut s’envisager en préchauffage, soit en un chauffage réalisé avant de démarrer le moteur M. Un tel préchauffage est alors réalisé, comme précédemment, soit en observant la température du catalyseur 5, le préchauffage étant appliqué jusqu’à ce que le catalyseur 5 atteigne sa température d’amorçage. En l’absence de capteur de température, il est encore possible de préchauffer pendant une durée configurable. Cette durée est déterminée de manière à permettre au catalyseur 5 d’atteindre sa température d’amorçage, et est préférentiellement prise inférieure à 20 secondes, plus préférentiellement 10 secondes, et idéalement inférieure ou égale à 5 secondes.
Un préchauffage est préjudiciable à l’expérience conducteur, en ce qu’il oblige ce dernier à attendre entre la commande de démarrage et le démarrage effectif du moteur M. La présence d’un piège 6 offre avantageusement un délai avant la sortie des polluants de la ligne d’échappement 1. Ce délai est fonction de la capacité d’adsorption du piège 6. Ce délai peut être mis à profit pour anticiper le démarrage du moteur M et ainsi réduire la durée de préchauffage/attente.
Aussi, selon une caractéristique du procédé, il est réalisé un préchauffage du catalyseur 5 avant démarrage du moteur M, pendant une durée initiale inférieure à celle permettant d’atteindre sa température d’amorçage, telle qu’utilisée dans le mode de fonctionnement précédent. Ce préchauffage est ensuite complété par un chauffage, après démarrage du moteur M, jusqu’à ce que le catalyseur 5 atteigne sa température d’amorçage. Cette condition peut être observée au moyen d’un capteur de température. A défaut, en l’absence d’un tel capteur de température, il est possible de considérer que la condition est effective après une durée complémentaire configurable. Cette durée complémentaire est déterminée de manière à ce que le catalyseur atteigne sa température d’amorçage.
L’utilisation d’un chauffage, après démarrage du moteur M, permet encore avantageusement d’aider le catalyseur 5 à compenser le refroidissement occasionné par l’arrivée des gaz d’échappement froids immédiatement après le démarrage du moteur M.
Selon une caractéristique, la durée complémentaire est déterminée en fonction de la capacité du piège 6. La durée complémentaire de chauffage, avantageusement maximisée, vient sensiblement en déduction de la durée initiale. Il est ainsi possible de raccourcir le temps de préchauffage, et donc d’attente avant le démarrage du moteur M, à la mesure de l’augmentation de la capacité du piège 6.
A titre illustratif, selon un mode sans préchauffe, le catalyseur 5 est chauffé lorsque le moteur M démarre. Il faut alors chauffer pendant 20 secondes. Aussi, le piège 6 doit permettre un stockage de 20 secondes. Selon un mode avec une préchauffe de 12 secondes, il convient encore de chauffer 12 autres secondes après le démarrage moteur. Aussi, le piège 6 doit permettre un stockage de 12 secondes, pendant la chauffe.
L’invention s’applique à tout type de véhicule à moteur thermique. Elle est particulièrement adaptée à un véhicule hybride thermique électrique, que cette hybridation soit légère MHEV (de l’anglais «mild hybrid electric vehicle»), rechargeable PHEV (de l’anglais «plug-in hybrid electric vehicle») ou complète FHEV (de l’anglais «full hybrid electric vehicle»).
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
1: ligne d’échappement,
2: entrée,
3: sortie,
4: dispositif de chauffage,
5: catalyseur,
6: piège,
7: circuit de by-pass,
M: moteur,
λ: rapport air sur carburant

Claims (9)

  1. Ligne (1) d’échappement apte à transporter et à post traiter des gaz d’échappement, s’étendant depuis une entrée (2), connectable à un moteur (M) thermique à combustion interne, jusqu’à une sortie (3) débouchant à l’air libre, comprenant un catalyseur (5), caractérisé en ce qu’elle comprend encore un piège (6) apte à retenir les oxydes d’azote et les hydrocarbures, disposé en amont du catalyseur (5) et en ce que le catalyseur (5) est équipé d’un dispositif de chauffage (4), de type dispositif de chauffage inductif, apte à réchauffer le catalyseur (5) et intégré au catalyseur (5).
  2. Ligne (1) selon la revendication 1, comprenant encore un moyen de refroidissement du piège (6).
  3. Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le piège (6) est disposé suffisamment loin du moteur (M) pour que sa température ne dépasse pas une température seuil de dégradation hydrothermique, le piège (6) étant disposé en aval d’un flexible de découplage mécanique reliant une extrémité aval d’une partie chaude de la ligne d’échappement relativement plus proche du moteur à une extrémité amont d’une partie froide de la ligne d’échappement relativement plus éloignée du moteur, et/ou le piège (6) et le moteur (M) étant éloignés d’au moins un mètre curviligne de ligne d’échappement.
  4. Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un circuit de by-pass (7) apte à sélectivement isoler le piège (6).
  5. Procédé d’utilisation d’une ligne (1) d’échappement selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes:
    - décalage du rapport air sur carburant (λ) à une valeur supérieure à 1,
    - démarrage du moteur (M),
    - retour du rapport air sur carburant (λ) à une valeur nominale lorsque le catalyseur (5) a atteint sa température d’amorçage ou après une durée configurable, permettant au catalyseur (5) d’atteindre sa température de fonctionnement, préférentiellement inférieure à 20 secondes, encore préférentiellement inférieure à 10 secondes, et encore plus préférentiellement inférieure à 5 secondes.
  6. Procédé selon la revendication 5, où le catalyseur (5) est préchauffé, avant démarrage du moteur (M), jusqu’à atteindre sa température d’amorçage ou pendant une durée configurable permettant d’atteindre sa température d’amorçage, préférentiellement inférieure à 20 secondes, encore préférentiellement inférieure à 10 secondes, et encore plus préférentiellement inférieure à 5 secondes.
  7. Procédé selon la revendication 5, où le catalyseur (5) est préchauffé, avant démarrage du moteur (M), pendant une durée initiale inférieure à celle permettant au catalyseur 5 d’atteindre sa température d’amorçage, et est chauffé, après démarrage du moteur (M), jusqu’à atteindre sa température d’amorçage ou pendant une durée complémentaire configurable permettant d’atteindre sa température d’amorçage.
  8. Procédé selon la revendication précédente, où la durée complémentaire est déterminée en fonction de la capacité du piège (6).
  9. Véhicule caractérisé en ce qu’il comprend une ligne d’échappement (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
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