FR3109606A1 - Dispositif catalytique pour traitement des gaz d’echappement d’un moteur, comportant un organe d’injection d’air - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un dispositif catalytique pour traitement de gaz d’échappement de moteur à combustion interne, ledit dispositif comprenant :- un catalyseur comportant un bloc monolithique et une grille de chauffage disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement des gaz d’échappement; - un organe d’injection d’air (12) disposé en amont de la grille de chauffage ; et- une pompe à air; Selon l’invention, l’organe d’injection d’air (12) comprend :- un conduit d’alimentation (121) recevant de l’air de la pompe à air ; et - un organe de distribution d’air (122) en forme d’un anneau comprenant une face aval (123) orientée face à la grille de chauffage et plusieurs orifices de distribution (125) pratiqués dans la face aval (123). Figure pour l'abrégé : 3
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un dispositif catalytique, encore appelé pot catalytique, prévu pour traiter des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif catalytique comportant une grille de chauffage permettant de maintenir la température de fonctionnement dudit dispositif à un niveau suffisant pour traiter les gaz d’échappement.
Arrière-plan technique
Dans le cas des véhicules hybrides équipés à la fois d’un moteur thermique et d’une machine électrique, il est difficile de maintenir le système de dépollution du moteur thermique à une température suffisante pour qu’il conserve une efficacité suffisante de conversion de polluants.
En effet, pendant les périodes où le véhicule hybride est entraîné uniquement par la machine électrique, le moteur thermique est à l’arrêt. L’injection du carburant dans le moteur thermique est coupée et la vanne d’air d’admission est complètement fermée. Il n’y a donc plus de flux de gaz d’échappement circulant dans le système de dépollution, et en particulier dans le catalyseur où se produit la conversion des polluants en espèces inoffensives. La température du catalyseur peut descendre en dessous de sa température minimale d’utilisation pour laquelle l’efficacité de traitement des polluants est au plus bas.
Par conséquent, lors du démarrage du véhicule ou lorsque le véhicule passe du mode d’entraînement électrique pur au mode d’entraînement par le moteur à combustion interne (seul ou en combinaison avec la machine électrique), il y a donc une première phase pendant laquelle on doit remonter la température du catalyseur pour qu’il fonctionne correctement. Pendant cette phase, le système de dépollution ne traite pas ou traite très peu les polluants.
Afin d’écourter cette première phase de réchauffement, le document FR2778206 propose de disposer une grille de chauffage électrique en amont d’un bloc monolithique dans le catalyseur. En outre, une pompe à air est installée de manière à pouvoir envoyer de l’air à travers la grille de chauffage pour que la chaleur se répande vers le bloc monolithique.
Le document US8756924 divulgue un système de chauffage similaire. Ce document décrit un groupe motopropulseur hybride dans lequel, avant le démarrage du moteur thermique, on actionne le chauffage électrique du catalyseur puis on combine le chauffage avec un apport d’air par une pompe à air.
Toutefois, les solutions proposées restent encore perfectibles. La première phase de réchauffement est certes réduite, mais elle existe toujours.
Ainsi, un objectif de l’invention est de proposer une conception permettant de maintenir la température de fonctionnement du catalyseur de sorte à raccourcir davantage la durée de la première phase de réchauffement, voire à la supprimer.
L’invention propose un dispositif catalytique pour traitement de gaz d’échappement de moteur à combustion interne, ledit dispositif comprenant :
- un catalyseur présentant un axe principal et comportant un bloc monolithique et une grille de chauffage disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement des gaz d’échappement ;
- un organe d’injection d’air disposé en amont de la grille de chauffage ; et
- une pompe à air fournissant de l’air à l’organe d’injection d’air.
- un catalyseur présentant un axe principal et comportant un bloc monolithique et une grille de chauffage disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement des gaz d’échappement ;
- un organe d’injection d’air disposé en amont de la grille de chauffage ; et
- une pompe à air fournissant de l’air à l’organe d’injection d’air.
Selon l’invention, l’organe d’injection d’air comprend :
- un conduit d’alimentation recevant de l’air de la pompe à air ; et
- un organe de distribution d’air communiquant avec le conduit d’alimentation à travers une entrée d’air.
- un conduit d’alimentation recevant de l’air de la pompe à air ; et
- un organe de distribution d’air communiquant avec le conduit d’alimentation à travers une entrée d’air.
En outre, l’organe de distribution d’air est composé d’un anneau dont l’axe de révolution est orienté de la même manière que l’axe principal du catalyseur, l’organe de distribution d’air comprenant une face aval orientée face à la grille de chauffage et plusieurs orifices de distribution pratiqués dans la face aval.
Ici, on entend par plusieurs un nombre supérieur à deux.
Grâce à l’organe de distribution d’air, l’air provenant de la pompe à air est diffusé à travers plusieurs orifices de distribution. De cette manière, plusieurs flux d’air sortent de l’organe de distribution et chacun de ces flux d’air est positionné à un endroit différent dans le volume intérieur du catalyseur. Cela permet de faire propager la chaleur émanant de la grille de chauffage, sous l’effet des flux d’air arrivant sur la grille, dans différentes directions vers le bloc monolithique.
Par conséquent, la chaleur est distribuée à une surface plus large du bloc monolithique et se répand de façon plus uniforme dans ce bloc. Ainsi, la température du catalyseur est montée rapidement à la température souhaitée, notamment à la température minimale d’utilisation. Cette température souhaitée est maintenue jusqu’à après le redémarrage du moteur thermique. La première phase de réchauffement où le traitement des polluants est insatisfaisant n’existe plus ou elle apparaît pendant un très court instant.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention :
- les orifices de distribution sont répartis de manière uniforme sur la face aval;
- les orifices de distribution ont une forme circulaire;
- les orifices de distribution sont de mêmes dimensions et présentent un premier diamètre d1 compris entre 2 mm et 4mm ;
- la dimension radiale de la face aval est comprise entre 1,5*d1 et 2,5*d1 ;
- le conduit d’alimentation a une forme tubulaire et présente un deuxième diamètre d satisfaisant à la formule suivante : d1 < d < e1 ;
- le nombre d’orifices de distribution est compris entre 8 et 12 ;
- les orifices de distribution sont espacés les uns des autres d’un même écart angulaire α respectant la formule suivante : α = 360/N avec N étant le nombre d’orifices distribution ;
- l’organe de distribution d’air présente une forme torique ;
- le rapport entre la distance axiale entre la grille de chauffage et l’organe d’injection d’air et le diamètre du bloc monolithique est compris entre 0,4 et 0,6.
- les orifices de distribution sont répartis de manière uniforme sur la face aval;
- les orifices de distribution ont une forme circulaire;
- les orifices de distribution sont de mêmes dimensions et présentent un premier diamètre d1 compris entre 2 mm et 4mm ;
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- le conduit d’alimentation a une forme tubulaire et présente un deuxième diamètre d satisfaisant à la formule suivante : d1 < d < e1 ;
- le nombre d’orifices de distribution est compris entre 8 et 12 ;
- les orifices de distribution sont espacés les uns des autres d’un même écart angulaire α respectant la formule suivante : α = 360/N avec N étant le nombre d’orifices distribution ;
- l’organe de distribution d’air présente une forme torique ;
- le rapport entre la distance axiale entre la grille de chauffage et l’organe d’injection d’air et le diamètre du bloc monolithique est compris entre 0,4 et 0,6.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
Description détaillée de l'invention
La figure 1 représente un moteur à combustion interne 10, encore appelé moteur thermique, qui comporte ici quatre cylindres en ligne. Précisément, le moteur 10 dans l’exemple est un moteur à essence qui peut fonctionner en mode suralimenté grâce à un turbocompresseur 40.
En outre, le moteur 10 est associé à un circuit d’admission d’air 20 qui comporte d’amont en aval selon le sens de circulation de l’air d’admission illustré par la flèche D sur la figure 1:
- un filtre à air 21;
- un débitmètre 22 pour mesurer le débit massique d’air entrant dans le moteur ;
- le compresseur 41 du turbocompresseur 40 ;
- un refroidisseur 23 d’air suralimenté qui refroidit l’air dont la température a augmenté à cause de sa compression dans le compresseur 41;
- un boîtier-papillon 24 qui permet de régler le débit d’air entrant dans le moteur; et
- un collecteur d’admission 25 ou répartiteur 25, qui répartit l’air dans les cylindres.
- un filtre à air 21;
- un débitmètre 22 pour mesurer le débit massique d’air entrant dans le moteur ;
- le compresseur 41 du turbocompresseur 40 ;
- un refroidisseur 23 d’air suralimenté qui refroidit l’air dont la température a augmenté à cause de sa compression dans le compresseur 41;
- un boîtier-papillon 24 qui permet de régler le débit d’air entrant dans le moteur; et
- un collecteur d’admission 25 ou répartiteur 25, qui répartit l’air dans les cylindres.
Le moteur 10 est associé également à un circuit d’échappement 30 qui comporte d’amont en aval selon le sens de circulation des gaz d’échappement F:
- un collecteur d’échappement 11 ;
- une turbine 42 du turbocompresseur 40, qui est montée sur un axe commun avec le compresseur et qui permet, en détendant les gaz d’échappement qui la traversent, de prélever de l’énergie sur ces gaz et de la transmettre au compresseur pour comprimer l’air ;
- un catalyseur 11 faisant partie d’un dispositif catalytique 1 réalisé selon un exemple de l’invention;
- un pot de détente 31 ; et
- un silencieux 32.
- un collecteur d’échappement 11 ;
- une turbine 42 du turbocompresseur 40, qui est montée sur un axe commun avec le compresseur et qui permet, en détendant les gaz d’échappement qui la traversent, de prélever de l’énergie sur ces gaz et de la transmettre au compresseur pour comprimer l’air ;
- un catalyseur 11 faisant partie d’un dispositif catalytique 1 réalisé selon un exemple de l’invention;
- un pot de détente 31 ; et
- un silencieux 32.
Ici, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation soit de l’air d’admission dans le circuit d’admission soit des gaz d’échappement dans le circuit d’échappement.
Ici, la turbine 42 est de type à géométrie fixe et associée à un circuit de décharge 35 à l’échappement avec une vanne de décharge 34 (ou vanne « waste gate » en anglais). La vanne de décharge 34 est configurée de sorte que son degré d’ouverture permette à une proportion des gaz d’échappement de contourner la turbine 42. Ainsi, on peut doser la proportion des gaz qui traversent la turbine 42 et donc l’énergie de détente prélevée et la pression de suralimentation.
Dans l’exemple illustré à titre non limitatif, le circuit d’échappement 30 comprend également deux circuits de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission 36 et 37. Ces circuits sont encore appelés circuits « EGR » pour « Exhaust Gas Recycling » en anglais.
Le premier circuit EGR 36 est un circuit EGR à haute pression qui prélève une partie des gaz d’échappement en un point du circuit d’échappement situé amont de la turbine 42 et qui les renvoie en un point du circuit d’admission situé en aval du compresseur 41.
Le deuxième circuit 37 est un circuit EGR à basse pression, qui prélève des gaz d’échappement en un point du circuit d’échappement situé en aval de la turbine 42 et qui les renvoie en un point du circuit d’admission situé en amont du compresseur 41. L’intérêt de ces circuits EGR est bien connu pour diminuer les oxydes d’azote (NOx) dans le cas d’un moteur Diesel, et pour diluer la charge, repousser la limite au cliquetis, et diminuer ainsi la consommation de carburant dans le cas d’un moteur à essence.
Le moteur 10 est associé en outre à une machine électrique (non représentée sur les figures). Il peut s’agir d’une architecture en série ou en parallèle, dans laquelle l’entraînement du véhicule peut être assuré par le moteur thermique 10 et/ou par la machine électrique. Ces architectures sont bien connues de l’homme de métier et ne seront pas décrites plus en détail. Plusieurs modes de réalisation d’une telle architecture sont par exemple divulgués dans la publication FR3022495.
Selon l’invention et comme dans l’exemple illustré, le circuit d’échappement 30 comprend un dispositif catalytique 1 conçu pour traiter des polluants, par exemple des hydrocarbures imbrûlés (HC), du monoxyde de carbone (CO) et des oxydes d’azote (NOx), présents dans les gaz d’échappement.
Le dispositif catalytique 1 comprend ici un catalyseur 11 et une pompe à air 13. Cette dernière prélève de l’air d’admission en aval du filtre à air 21 et les envoie dans le catalyseur 11. De cette manière, l’air pompé au catalyseur 11 est filtré et exempt de particules ou de poussières.
A part sa fonction de fournisseur d’air au catalyseur 11, la pompe à air 13 peut être également utilisée pour apporter un complément d’oxygène aux gaz d’échappement entrant dans le catalyseur afin d’ajuster la richesse du mélange des gaz d’échappement à une valeur proche de 1, la valeur pour laquelle le traitement des polluants est optimal.
Ici, le catalyseur 11 comprend un corps tubulaire 115 d’axe principal X et qui est raccordé à un conduit d’échappement du circuit d’échappement 30.
Dans l’exemple illustré, le corps tubulaire 115 comprend un premier tronçon tronconique 115a suivi par un deuxième tronçon cylindrique 115b.
Le corps tubulaire 115 abrite un bloc monolithique 113, de préférence de structure alvéolaire et imprégné de matériaux précieux tels que le platine, le palladium, le rhodium. Ici, le bloc monolithique 113 est un bloc tubulaire présentant un diamètre D. En outre, dans le corps tubulaire 115, une grille de chauffage électrique 114 est disposée en amont du bloc monolithique 113 dans le sens de circulation des gaz d’échappement F. Ici, le bloc monolithique 113 et la grille de chauffage 114 sont tous les deux situés dans le deuxième tronçon cylindrique 115b du corps tubulaire 115.
Selon l’invention et comme dans l’exemple illustré, le dispositif catalytique 1 comprend en outre un organe d’injection d’air 12 installé en amont de la grille de chauffage 114. Ici, l’organe d’injection d’air 12 est disposé dans le premier tronçon tronconique 115a du corps tubulaire 115.
En référence à la figure 2 et à la figure 3, l’organe d’injection d’air 12 comprend un conduit d’alimentation 121 et un organe de distribution d’air 122. Le conduit d’alimentation 121 reçoit de l’air provenant de la pompe à air 12 et le distribue à l’organe de distribution d’air 122.
Ici, l’organe d’injection d’air 12 est situé à une distance E de la grille de chauffage 114. Précisément, la distance E est la distance axiale mesurée entre l’axe longitudinal du conduit d’alimentation 121 et une face amont de la grille de chauffage. A titre d’exemple, le rapport entre la distance E et le diamètre D du bloc monolithique 113 est compris entre 0,4 et 0,6.
Sur la figure 2, on peut observer que le conduit d’alimentation 121 est disposé perpendiculairement à l’axe principal X du corps tubulaire 115. Ici, le conduit d’alimentation 121 s’étend de la paroi latérale du corps tubulaire 115 vers le centre dudit corps.
Dans l’exemple illustré, Le conduit d’alimentation 121 présente la forme d’un cylindre droit creux avec un diamètre d compris entre 2 mm et 4 mm.
D’un côté, le conduit d’alimentation 121 reçoit de l’air provenant de la pompe à air 13 et de l’autre côté il distribue cet air dans l’organe de distribution d’air 122. En d’autres termes, le conduit d’alimentation 121 sert de tunnel de communication d’air entre la pompe à air 13 et l’organe de distribution 122. En ajustant les dimensions du conduit d’alimentation 121, on peut régler le débit d’air envoyé dans l’organe de distribution d’air 122 et ainsi la vitesse de distribution d’air vers la grille de chauffage 114.
Ici, le conduit d’alimentation 121 débouche à l’intérieur de l’organe de distribution d’air 122 par l’intermédiaire d’un orifice 126 percé dans une face latérale 129 de cet organe de distribution 122. L’orifice 126 forme ainsi une entrée d’air 126 de l’organe de distribution 122.
Ici, l’entrée d’air 126 est située en haut, ou au-dessus de l’axe principal X. Les termes « haut » et « bas » sont définis selon la position du catalyseur 11 une fois intégré dans le circuit d’échappement et monté dans un véhicule en mode de fonctionnement norme. Cette position est illustrée sur les figures 2 et 3.
Quant à l’organe de distribution d’air 122, celui-ci est composé d’un anneau dont l’axe de révolution L est confondu avec l’axe principal X du corps tubulaire 115. L’organe de distribution d’air 122 est encore appelé ici l’anneau de distribution d’air 122.
Dans un autre exemple de réalisation, l’axe de révolution L peut être distinct de l’axe principal X tout en restant parallèle à celui-ci.
Dans l’exemple illustré, l’organe de distribution d’air 122 est un anneau creux en forme torique. L’air alimenté par le conduit d’alimentation 121 circule dans le volume intérieur de l’organe de distribution d’air 122 et ressort dans le catalyseur 11 à travers une sortie d’air 125 visible à la figure 3.
Dans un autre exemple de réalisation, l’organe de distribution d’air 122 peut avoir la forme d’une rondelle plate comportant une section de révolution rectangulaire ou carrée.
La figure 3 illustre une face aval 123 de l’organe de distribution d’air 122. La face aval 123 est disposée en regard de la grille de chauffage 114.
La face aval 123 est définie entre un bord externe 127 et un bord interne 128. Dans un plan radial perpendiculaire à l’axe principal X, le bord externe 127 et le bord interne 128 dessinent deux cercles concentriques. Le centre de ces deux cercles est sur l’axe principal X.
Ici, le bord externe 127 dessine un cercle externe (C1) de centre O et de rayon r. Le rayon r peut avoir une valeur comprise dans la fourchette [0.25*D ; 0.5*D], avec, pour rappel D étant le diamètre du bloc monolithique 113.
L’épaisseur e1 de la face aval 123 est mesurée selon la direction radiale, entre le bord externe 127 et le bord interne 128. L’épaisseur e1 est encore appelée la dimension radiale e1 de la face aval 123.
Comme illustré sur la figure 3, plusieurs orifices de distribution 125 sont pratiqués dans la face aval 123. Dans cet exemple, les orifices de distribution 125 sont formés chacun d’un trou traversant débouchant sur la face aval 123.
Les orifices de distribution 125 sont au regard de la grille de chauffage 114. L’air sortant des orifices de distribution 125 arrive directement sur la grille de chauffage, ce qui permet de diffuser rapidement la chaleur émanant de la grille.
Ici, les orifices de distribution 125 présentent la même forme et sont de mêmes dimensions. Précisément, ils sont une forme circulaire et présentent le même diamètre d1, encore appelé premier diamètre d1. A titre d’exemple, le premier diamètre d1 est compris entre 2 mm et 4 mm.
Dans l’exemple illustré, la dimension radiale e1 de la face aval 123 est définie en fonction du premier diamètre d1 des orifices de distribution 125. En particulier, la valeur de la dimension e1 est comprise dans la fourchette [1.5*d1 ; 2.5*d1].
De même, le diamètre d du conduit d’alimentation 121 est définie en fonction du premier diamètre d1 et aussi en fonction de la dimension radiale e1 de sorte que : d1 < d < e1. Pour distinguer le diamètre d du conduit d’alimentation du premier diamètre d1 des orifices de distribution, le diamètre d du conduit d’alimentation 121 est appelé deuxième diamètre d.
Comme observé sur la figure 3, les orifices de distribution 125 sont au nombre de 12. Dans un autre exemple, le nombre N d’orifices de distribution est compris entre 8 et 12.
Ici, les orifices de distribution 125 sont répartis de manière uniforme sur la face aval 123. En d’autres termes, les orifices de distribution 125 sont espacés des uns des autres d’un même écart angulaire α. A titre d’exemple, l’écart angulaire α respecte la formule : α = 360/N.
De cette manière, les orifices de distribution 125 sont disposés de manière symétrique autour de l’axe principal X du catalyseur 11 en vue d’une distribution d’air plus uniforme, multidirectionnelle vers la grille de chauffage 114.
Le dispositif catalytique 1 tel que décrit permet, lors de son fonctionnement, d’envoyer de l’air à travers la grille de chauffage 114 pour faire propager de la chaleur de manière plus rapide, uniforme et homogène dans le bloc monolithique 113. Ceci permet de garder le bloc monolithique 113 à une température minimale de fonctionnement afin de ne pas avoir de phase pendant laquelle très peu de polluants sont traités, voire aucun polluant n’est traité.
Le dispositif catalytique 1 selon l’esprit de l’invention est aussi bien adapté à un moteur thermique simple qu’à un moteur thermique associé à un moteur électrique. Avantageusement, le dispositif catalytique 1 est adapté à une architecture hybride parce que le moteur thermique est amené à être arrêté de manière fréquente, notamment lorsque la machine électrique entraîne seule le véhicule. Le catalyseur du moteur thermique se refroidit plus souvent que dans le cas d’un moteur seul, pour lequel, en dehors du démarrage du véhicule, le cas se présente presque uniquement quand le conducteur relâche complètement la pédale d’accélérateur du véhicule.
Claims (10)
- Dispositif catalytique (1) pour traitement de gaz d’échappement de moteur à combustion interne (10), ledit dispositif comprenant :
- un catalyseur (11) d’axe principal (X) comportant un bloc monolithique (113) et une grille de chauffage (114) disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement des gaz d’échappement (F) ;
- un organe d’injection d’air (12) disposé en amont de la grille de chauffage ; et
- une pompe à air (13) fournissant de l’air à l’organe d’injection d’air ;
le dispositif catalytique étant
caractérisé en ce quel’organe d’injection d’air (12) comprend :
- un conduit d’alimentation (121) recevant de l’air de la pompe à air ; et
- un organe de distribution d’air (122) communiquant avec le conduit d’alimentation à travers une entrée d’air (126);
et en ce quel’organe de distribution d’air (122) est composé d’un anneau dont l’axe de révolution (L) est orienté de la même manière que l’axe principal (X) du catalyseur (11), l’organe de distribution d’air comprenant une face aval (123) orientée face à la grille de chauffage et plusieurs orifices de distribution (125) pratiqués dans la face aval. - Dispositif catalytique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices de distribution (125) sont répartis de manière uniforme sur la face aval (123).
- Dispositif catalytique (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les orifices de distribution (125) ont une forme circulaire.
- Dispositif catalytique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les orifices de distribution (125) sont de mêmes dimensions et présentent un premier diamètre (d1) compris entre 2 mm et 4mm.
- Dispositif catalytique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la dimension radiale (e1) de la face aval (123) est comprise entre 1,5*d1 et 2,5*d1.
- Dispositif catalytique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le conduit d’alimentation (121) a une forme tubulaire et présente un deuxième diamètre (d) satisfaisant à la formule suivante : d1 < d < e1.
- Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre (N) d’orifices de distribution (125) est compris entre 8 et 12.
- Dispositif catalytique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les orifices de distribution (125) sont espacés les uns des autres d’un même écart angulaire (α) respectant la formule suivante : α = 360/N.
- Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’organe de distribution d’air (122) présente une forme torique.
- Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la distance axiale (E) entre la grille de chauffage (114) et l’organe d’injection d’air (12) et le diamètre (D) du bloc monolithique (113) est compris entre 0,4 et 0,6.
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| FR3128736A1 (fr) * | 2021-11-03 | 2023-05-05 | Faurecia Systemes D'echappement | Dispositif de purification de gaz d’échappement comprenant une buse d’arrivée d’air perfectionnée |
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