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FR2900963A1 - Systeme d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile et procede associe - Google Patents

Systeme d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne de vehicule automobile et procede associe Download PDF

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FR2900963A1 FR0604283A FR0604283A FR2900963A1 FR 2900963 A1 FR2900963 A1 FR 2900963A1 FR 0604283 A FR0604283 A FR 0604283A FR 0604283 A FR0604283 A FR 0604283A FR 2900963 A1 FR2900963 A1 FR 2900963A1
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Renault SA
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Abstract

Le système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement sur laquelle est situé le dispositif de traitement, est muni d'un moyen d'injection (6) d'au moins un agent réducteur gazeux dans les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne d'échappement, et de moyens chauffants (7) disposés à l'intérieur de la ligne d'échappement et aptes à permettre une oxydation et une combustion de l'agent réducteur gazeux injecté.

Description

1 Système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz
d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile et procédé associé.
La présente invention concerne un système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, en particulier dans une ligne d'échappement de moteur Diesel, ainsi qu'un procédé d'oxydation pour l'épuration des gaz d'échappement du moteur. L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère.
Parmi les systèmes connus pour réduire considérablement la quantité de particules, poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et satisfaire aux normes antipollution, on peut citer le filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur. En effet, un tel filtre est conçu de manière à pouvoir retenir les particules contenues dans les gaz d'échappement qui le traversent. Cependant, au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre-pression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances.
A cet égard, des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter ainsi une élévation importante de la contre-pression à l'échappement et un éventuel colmatage du filtre. Cette régénération est effectuée en élevant la température au niveau du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de
2 570 C à 650 C, températures à partir desquelles les particules de carbone retenues dans le filtre se consument instantanément. Pour ce faire, on peut procéder à une injection retardée du carburant, ou post-injection, dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement. Toutefois, une telle injection retardée présente l'inconvénient d'élever la température des gaz d'échappement très en amont du filtre à particules, ce qui est susceptible d'engendrer une fatigue mécanique et de provoquer un phénomène de dilution du gasoil dans l'huile de lubrification du moteur. Il en découle ainsi une dégradation de ses propriétés physiques ou chimiques pouvant aboutir à une usure prématurée du moteur.
De plus, afin de réduire la quantité de polluant émis dans l'atmosphère, on peut également prévoir un dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur la ligne d'échappement. Un tel dispositif de traitement peut être pourvu d'un catalyseur d'oxydation et d'un injecteur de carburant disposé en amont du catalyseur d'oxydation., en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Un catalyseur d'oxydation permet d'oxyder en CO2 et H2O les produits résiduels de combustion du type HC/CO. Le catalyseur d'oxydation est efficace lorsque sa température est élevée. Toutefois, à froid, il ne fonctionne pas de façon satisfaisante. Il existe donc un risque de pollution d'autant plus élevé que le trajet moyen d'un véhicule est généralement court. Dans le but d'éviter une telle pollution, il est souhaitable de permettre, dès le démarrage du véhicule ou encore pendant des
3 situations urbaines embouteillées, un traitement des produits résiduels du type HC/CO qui soit efficace. A cet égard, la demande de brevet US 2003/0140622 décrit un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion de type Diesel, le système étant pourvu d'un catalyseur d'oxydation positionné dans la ligne d'échappement du moteur, et d'un réacteur plasma relié à une conduite débouchant dans la ligne d'échappement en amont dudit catalyseur d'oxydation, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Le réacteur plasma permet une injection de gaz dans la ligne d'échappement de manière à obtenir une conversion préalable des NOx avant leur entrée au niveau du catalyseur d'oxydation. Toutefois, ce système présente l'inconvénient de nécessiter une production homogène de plasma, qui est énergétiquement cher, pour la conversion préalable des NOx et de ne pas permettre une augmentation de la température des gaz d'échappement. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients en proposant un système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qui soit particulièrement efficace, économique, et fiable. A cet effet, selon un premier aspect, l'invention a pour objet un système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement sur laquelle est positionné le dispositif de traitement, le système comprenant des moyens d'injection d'au moins un agent réducteur gazeux dans les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne d'échappement, et des moyens chauffants disposés à l'intérieur de la ligne d'échappement et aptes à permettre une oxydation et une combustion de l'agent réducteur gazeux injecté. Avec un tel dispositif, il devient dès lors possible de réaliser une augmenl:ation de la température des gaz d'échappement dans une phase de démarrage, ou encore dans une phase de roulage urbain embouteillée, pour lesquelles une oxydation catalytique conventionnelle n'est pas envisageable. En effet, l'injection et le chauffage d'au moins un agent réducteur directement dans la ligne d'échappement permet d'obtenir une oxydation de l'agent réducteur. Cette réaction étant particulièrement exothermique, elle permet l'élévation de la température des gaz d'échappement. Les moyens chauffants peuvent comprendre des éléments de transfert de chaleur s'étendant radialement à l'intérieur de la ligne d'échappement. Les moyens d'injection de l'agent réducteur peuvent comprendre une conduite débouchant à l'intérieur de la ligne d'échappement et configurée pour permettre l'injection de l'agent réducteur à contre-courant du sens de circulation des gaz d'échappement. Cette configuration permet notamment d'obtenir un bon mélange de l'agent réducteur avec les gaz d'échappement, ce qui accroît l'homogénéité de la distribution de l'agent réducteur. Dans un mode de réalisation, les moyens chauffants sont électriques et disposés en aval des moyens d'injection, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement. Les moyens électriques chauffants peuvent comprendre une bougie de préchauffage. En variante, ils peuvent comprendre une bougie d'allumage et une contre-électrode associée. Ladite bougie d'allumage et la contre-électrode associée peuvent être disposées radialement en regard à l'intérieur de la ligne d'échappement. 5 Dans un autre mode de réalisation, les moyens chauffants sont disposés en amont des moyens d'injection, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement. Les moyens électriques chauffants peuvent comprendre un fil réalisé en matière métallique. Avantageusement le fil est réalisé en dans un métal du groupe des platinoïdes. Selon un second aspect, l'invention concerne également un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement du moteur tel que défini précédemment. Selon un troisième aspect, l'invention concerne enfin un procédé d'oxydation pour l'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement, dans lequel on injecte au moins un agent réducteur gazeux dans les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne d'échappement, et on chauffe l'agent réducteur mélangé avec les gaz d'échappement de manière à permettre une oxydation et une combustion de l'agent réducteur gazeux injecté. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels les figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement respectivement des premier, second et troisième modes de réalisation d'un système d'aide au fonctionnement selon l'invention.
6 Sur la figure 1, on a représenté, de manière schématique, une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, désignée par la référence numérique générale 1, et sur laquelle est disposé un dispositif 2 de traitement des gaz d'échappement issus du moteur, ainsi qu'un système 3 d'aide au fonctionnement du dispositif 2. Le dispositif 2 de traitement des gaz d'échappement comprend ici un catalyseur d'oxydation 4 et un filtre à particules 5, disposés d'amont en aval, en considérant la circulation de gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 1. On conçoit aisément qu'il est également possible d'utiliser d'autres organes de traitement des gaz d'échappement. Le filtre à particules 5 comporte des moyens, par exemple électrostatiques, pour piéger les suies et les particules provenant du moteur et véhiculées par les gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 1. En ce qui concerne le catalyseur d'oxydation 4, celui-ci est destiné à réduire les hydrocarbures contenus dans le gaz d'échappement, et permettre, lors d'une phase de régénération du filtre à particules 5, de réchauffer les gaz d'échappement par oxydation d'un excès de réducteur (HC, CO....). Le catalyseur d'oxydation 4 a une température dite d'amorçage thermique en dessous de laquelle l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés et du CO ne peut être effectuée de façon autonome. Cette température est de l'ordre de 150 C. Ainsi, le catalyseur d'oxydation 4 ne peut fonctionner convenablement à des faibles températures, notamment pendant le démarrage du véhicule et pendant la durée nécessaire à l'activation thermique du catalyseur. Cette durée est généralement de l'ordre de
7 quelques centaines de secondes lors d'un démarrage à froid. A l'issue de cette durée, le catalyseur d'oxydation 4 voit sa température franchir le seuil de 150 C. Toutefois, il est également possible que le catalyseur d'oxydation 4 se désamorce, c'est-à-dire que la température devienne inférieure au seuil de 150 C au cours du fonctionnement du véhicule, par exemple lors d'un embouteillage. De manière à permettre au catalyseur d'oxydation 4 et au filtre à particules 5 de fonctionner convenablement aux faibles températures, le système 3 d'aide au fonctionnement comprend une conduite 6 qui débouche à l'intérieur de la ligne d'échappement 1 et apte à permettre l'injection d'au moins un agent réducteur, ainsi qu'une bougie 7 disposée en aval de la conduite 6, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 1. La conduite 6 et la bougie 7 sont disposées en amont du catalyseur d'oxydation 4. Le système 3 est donc disposé en amont du dispositif 2 de traitement. La conduite 6 débouche sensiblement au centre de la ligne d'échappement 1. De manière à permettre une meilleure diffusion de l'agent réducteur à l'intérieur des gaz d'échappement véhiculés dans la ligne d'échappement 1, la conduite 6 est coudée à son extrémité et orientée à contre-courant des gaz d'échappement véhiculés. De cette façon, la distribution de l'agent réducteur est plus homogène, ce qui permet d'obtenir une meilleure efficacité d'aide au fonctionnement.
En variante, il est également envisageable de prévoir une conduite 6 configurée de manière à permettre un écoulement en tourbillon des gaz d'échappement. L'agent réducteur est un reformat obtenu par une opération de reformage, qui consiste à transformer par un procédé catalytique un
8 hydrocarbure en mélange gazeux. Les constituants majoritaires du reformat sont H2 et CO. La proportion de ces constituants dépend de la technologie de reformage utilisée. On peut par exemple relier la conduite 6 à un générateur de reformat utilisant une technique de reformage par vapeur d'eau. Bien entendu, il est également envisageable d'utiliser un générateur fonctionnant avec une autre technique de reformage. En ce qui concerne la bougie 7, elle traverse la ligne d'échappement 1 et s'étend sensiblement radialement jusqu'à l'axe de ladite ligne en étant disposée au voisinage de la conduite 6 en aval de celle-ci. La bougie 7 peut être une bougie de préchauffage conventionnelle utilisée dans un moteur de type Diesel. Une telle bougie comprend notamment une résistance électrique de chauffage et un fil de résistance relié à la résistance électrique (non représentés). Il est également envisageable d'utiliser des bougies ayant une conception différente mais comprenant cependant un élément électrique chauffant. L'utilisation d'une telle bougie de préchauffage pour moteur de type Diesel présente l'avantage d'utiliser des composants automobiles couramment utilisés et ainsi de réduire les coûts associés au système 3. Afin d'alimenter électriquement la bougie 7, on peut utiliser avantageusement le réseau de bord basse tension du véhicule automobile.
De manière à procéder au contrôle de fonctionnement de la ligne d'échappement 1, ladite ligne est associée à une unité de contrôle reliée à des capteurs de température (non représentés) montés par exemple en amont et en aval du catalyseur d'oxydation 4 pour détecter la température des gaz d'échappement.
Ainsi, lorsque la température est inférieure à la valeur d'une valeur seuil prédéterminée, l'unité de contrôle commande l'injection de l'agent réducteur sous forme gazeuse à l'intérieur de la ligne d'échappement 1.
Avec une telle injection du ou des agents réducteurs à l'intérieur de la ligne d'échappement 1, lorsque les gaz d'échappement enrichis avec l'agent réducteur comprenant majoritairement du H2 et du CO, arrivent au niveau de la bougie 7, il se produit une succession de réactions d'oxydation du reformat ou agent réducteur, et notamment du H2. Ainsi, la bougie 7 constitue un moyen électrique chauffant de l'agent réducteur gazeux permettant de transférer de la chaleur audit agent pour provoquer son oxydation et sa combustion. Ces réactions génèrent une élévation globale de la température des gaz d'échappement, de manière à obtenir une assistance ou une aide au fonctionnement du catalyseur d'oxydation 4 et du filtre à particules 5, dans des conditions de roulage dans lesquelles les catalyseurs conventionnels ne peuvent être utilisés. En outre, lors de cette succession de réactions d'oxydation, si la température dégagée est suffisante, le CO est lui aussi oxydé, ce qui contribue également à une élévation de la température des gaz d'échappement. Par ailleurs, on observe également une oxydation complète des hydrocarbures de l'agent réducteur, y compris le CH4 en CO2 et H2O. Le mode de réalisation illustré à la figure 2 dans lequel les éléments identiques portent les mêmes références, diffère en ce que le système 3 d"aide au fonctionnement comprend une bougie d'allumage 10 et une contre-électrode 11 débouchant à l'intérieur de la ligne d'échappement 1. La disposition relative de la conduite 6, de la bougie
10 10 et du catalyseur d'oxydation 4 est analogue à celle du mode de réalisation précédent. La bougie 10 s'étend sensiblement radialement jusqu'à l'axe de la ligne d'échappement 1. La bougie 10 est avantageusement une bougie d'allumage conventionnelle utilisée dans un moteur de type essence. Il est également envisageable d'utiliser des bougies ayant une conception différente. Toutefois, l'utilisation d'une telle bougie est particulièrement économique. Pour alimenter électriquement la bougie 10, on utilise une alimentation par une haute tension impulsionnelle, avec une fréquence pouvant être de l'ordre de 100 Hz. De par son fonctionnement par impulsions, cette bougie 10 présente l'avantage de requérir peu d'énergie électrique. La contre-électrode l 1 est disposée radialement en regard de la bougie 10 et s'étend radialement jusqu'au voisinage de l'axe de la ligne d'échappement 1 de manière à pouvoir générer un arc électrique entre elle et la bougie 10. Elle comprend à son extrémité libre une électrode 12 se présentant sous la forme d'une tige effilée de sorte que la perturbation de l'écoulement des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 1 soit faible et que la longueur de l'arc électrique soit augmentée. Avec de telles bougie 10 et contre-électrode 11, on obtient localement au niveau de l'arc électrique, une température très élevée, qui est supérieure à 1000 c. Cette température permet de favoriser les réactions d'oxydation de l'agent réducteur, notamment de H2 et de CO. En d'autres termes, la chaleur ainsi créée entre la bougie 10 et la contre-électrode Il est transférée à l'agent réducteur pour provoquer son oxydation et sa combustion.
11 En outre, la demanderesse a déterminé que l'utilisation de ces éléments permet également une oxydation facilitée des hydrocarbures de l'agent réducteur, et notamment du CO, du fait de la température très élevée de l'étincelle, ce qui permet d'obtenir une suppression totale de la pollution induite par l'injection de l'agent réducteur. Le mode de réalisation illustré à la figure 3 dans lequel les éléments identiques portent les mêmes références, diffère en ce que le système 3 comprend des moyens chauffants montés en amont de la conduite 6, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Les moyens chauffants comprennent un fil 15 s'étendant radialement à l'intérieur de la ligne d'échappement 1, au voisinage de la conduite 6, ainsi que des premier et second tendeurs 16 et 17 du fil. Le fil 15 est réalisé en matière métallique, et avantageusement en platine ou palladium, ou encore tout autre métal du groupe des platinoïdes. Il présente un diamètre de l'ordre du dixième de millimètre. Le premier tendeur 16 est fixé sur la surface extérieure de la ligne d'échappement 1, le fil 15 s'étendant radialement à travers un perçage (non référencé) ménagé dans la ligne d'échappement 1. Le second tendeur 17 traverse la ligne d'échappement 1 et débouche à l'intérieur de celle-ci. Elle comprend, à son extrémité libre, un organe élastique tel qu'un ressort 18 pour la fixation du fil 15. De rnanière à éviter une perturbation de l'écoulement des gaz d'échappement, la ligne d'échappement 1 comprend en outre un décrochement 19 au niveau duquel le second tendeur 17 est monté. Ainsi, l'extrémité du second tendeur affleure sensiblement par rapport à la surface cylindrique de la ligne d'échappement 1.
12 En fonctionnement, l'agent réducteur ou reformat injecté par la conduite 6 est un mélange de gaz chaud, dont la température est proche de 800 C. Cette température permet l'amorçage de la réaction d'oxydation du CO et du H2 contenu dans le reformat par catalyse sur le matériau contenu dans le fil 15. Il se produit alors un transfert de la chaleur ainsi créée au niveau du fil 15 à l'agent réducteur ou reformat, ce qui produit une succession de réactions d'oxydation du reformat et une combustion locale au voisinage du fil 15 qui se propage à une partie, voire à la totalité du CO et du H2 injecté. On obtient ainsi une combustion partielle ou complète du reformat et une augmentation importante de la température des gaz d'échappement. Grâce au système selon l'invention, il devient ainsi possible de permettre une aide au fonctionnement d'un ou plusieurs dispositifs de traitement des gaz d'échappement notamment par une injection d'un agent réducteur gazeux si le besoin s'en fait sentir, et ce, de manière particulièrement efficace et économique.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement sur laquelle est positionné le dispositif de traitement, le système comprenant des moyens d'injection (6) d'au moins un agent réducteur gazeux dans les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens chauffants (7 ; 10, 11 ; 15) disposés à l'intérieur de la ligne d'échappement et aptes à permettre une oxydation et une combustion de l'agent réducteur gazeux injecté.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens chauffants (7 ; 10, 11 ; 15) comprennent des éléments de transfert de chaleur s'étendant radialement à l'intérieur de la ligne d'échappement.
3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'injection de l'agent réducteur comprennent une conduite débouchant à l'intérieur de la ligne d'échappement et configurée pour permettre l'injection de l'agent réducteur à contre-courant du sens de circulation des gaz d'échappement.
4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens chauffants (7 ; 10, 11) sont électriques et disposés en aval des moyens d'injection, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement.
5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens chauffants comprennent une bougie de préchauffage (7).
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens chauffants comprennent une bougie d'allumage (10) et une contre-électrode (11) associée.
7. Système selon la revendication 6, dans lequel la bougie 5 d'allumage et la contre-électrode associée sont disposées radialement en regard à l'intérieur de la ligne d'échappement.
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens chauffants (15) sont disposés en amont des moyens d'injection, en considérant le sens de circulation des gaz 10 d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement.
9. Système selon la revendication 8, dans lequel les moyens chauffants comprennent un fil (15) réalisé en matière métallique.
10. Système selon la revendication 9, dans lequel le fil est réalisé dans un métal du groupe des platinoïdes. 15
11. Moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un système d'aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement du moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Procédé d'oxydation pour l'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement, dans lequel on injecte au moins un agent réducteur gazeux dans les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'on chauffe l'agent réducteur mélangé aux gaz d'échappement pour permettre une oxydation et une combustion de l'agent réducteur gazeux injecté. 20 25
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