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FR2981983A1 - Dispositif de depollution des gaz d'echappement pour un moteur a combustion interne. - Google Patents

Dispositif de depollution des gaz d'echappement pour un moteur a combustion interne. Download PDF

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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de dépollution (10) des gaz d'échappement pour une ligne d'échappement (14) d'un moteur (12) à combustion interne, le dispositif (10) comportant, d'amont en aval selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement au moins un premier moyen de dépollution (16), un dispositif de chauffage (18) des gaz d'échappement, un filtre à particules (20) qui est relié au dispositif de chauffage (18) pour régénérer le filtre à particules (20), au moins un moyen de commande (48) qui est destiné au moins à commander le dispositif de chauffage (18) pour chauffer les gaz d'échappement, caractérisé en ce que le dispositif de dépollution (10) comporte un conduit de recirculation (40) qui s'étend depuis une entrée (42) raccordée sur le dispositif de chauffage (18), jusqu'à une sortie (44) raccordée sur la ligne d'échappement (14) en amont du premier moyen de dépollution (16), pour réchauffer les gaz d'échappement qui entrent dans le premier moyen de dépollution (16).

Description

DISPOSITIF DE DEPOLLUTION DES GAZ D'ECHAPPEMENT POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne un dispositif de dépollution par recirculation 5 des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne. Les moteurs à combustion interne produisent et émettent dans les gaz d'échappement des substances polluantes toxiques, en particulier des oxydes d'azote ou NOx et des particules de suie. Les normes antipollution applicables aux véhicules automobiles 10 imposent aux constructeurs des quantités maximales de substances polluantes rejetées dans l'atmosphère qui doivent être de plus en plus faibles. C'est la raison pour laquelle la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne est généralement équipée de moyens de dépollution. Les moyens de dépollution comportent notamment un filtre à 15 particules pour éliminer les particules de suie, un premier catalyseur permettant une réduction catalytique sélective, aussi connu sous le sigle SCR pour "Selective Catalytic Reduction" en terminologie anglaise, pour éliminer ou réduire les oxydes d'azotes, et un second catalyseur dit catalyseur d'oxydation pour moteur Diesel, aussi connu sous le sigle DOC pour "Diesel Oxidation 20 Catalyst" en terminologie anglaise, pour éliminer le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC). Avantageusement, la ligne d'échappement comporte un moyen de chauffage, comme un brûleur, pour chauffer fortement les gaz d'échappement qui s'écoulent dans le filtre à particules, à une température de l'ordre de 600°C. 25 Le chauffage des gaz d'échappement régénère le filtre à particules en brûlant les particules de suie capturées. Un inconvénient d'un tel agencement est le temps d'activation nécessaire au premier catalyseur du type SCR avant d'être pleinement efficace et de remplir sa fonction de dépollution. 30 Le temps d'activation correspond ici au temps nécessaire aux gaz d'échappement pour atteindre une température d'activation du catalyseur, cette température d'activation du premier catalyseur avoisine les 150°C. Ainsi, lorsque le moteur est froid et qu'il vient d'être démarré, le temps d'activation du catalyseur dure plusieurs secondes.
Le document US-2008/083215-Al décrit et représente un dispositif de recyclage de l'énergie thermique d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. La ligne d'échappement comporte d'amont en aval selon le sens 5 d'écoulement des gaz d'échappement, un turbocompresseur, un injecteur de carburant pour chauffer les gaz d'échappement qui s'écoulent dans un catalyseur d'oxydation du type DOC et un filtre à particules. Le dispositif à notamment pour but de réchauffer les gaz d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation et du filtre à particules. 10 A cet effet, la ligne d'échappement comporte un conduit d'échappement qui s'étend depuis la sortie du filtre à particules jusqu'à l'extérieur du véhicule, et dont un tronçon est équipé d'un échangeur thermique. L'échangeur thermique, qui est traversé par les gaz d'échappement 15 sortis du filtre à particules, s'étend en travers de la ligne d'échappement entre le turbocompresseur et l'injecteur de carburant, pour réchauffer les gaz d'échappement en amont du catalyseur et favoriser l'activation du catalyseur d'oxydation. Ce dispositif présente notamment l'inconvénient d'obstruer en 20 partie la ligne d'échappement par l'échangeur thermique et de provoquer une perte de charge dans la ligne d'échappement. De même, l'échangeur thermique nécessite un certain temps de latence pour monter en température et pour transmettre son énergie thermique aux gaz d'échappement en amont du catalyseur et du filtre à particules. 25 L'invention propose de remédier à ces inconvénients et plus particulièrement de diminuer le temps d'activation du catalyseur du type SCR. Dans ce but, l'invention propose un dispositif de dépollution des gaz d'échappement pour une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, le dispositif comportant, d'amont en aval selon le sens d'écoulement 30 des gaz d'échappement : - au moins un premier moyen de dépollution, - un dispositif de chauffage des gaz d'échappement, - un filtre à particules qui est relié au dispositif de chauffage pour régénérer le filtre à particules, 35 - au moins un moyen de commande qui est destiné au moins à commander le dispositif de chauffage pour chauffer les gaz d'échappement, caractérisé en ce que le dispositif de dépollution comporte un conduit de recirculation qui s'étend depuis une entrée raccordée sur le dispositif de chauffage, jusqu'à une sortie raccordée sur la ligne d'échappement en amont du premier moyen de dépollution, pour réchauffer les gaz d'échappement qui entrent dans le premier moyen de dépollution. La présente invention permet notamment de faire monter en température le premier moyen de dépollution rapidement, grâce à quoi ce dernier est efficace quasiment dès le démarrage du moteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le dispositif de dépollution comporte une vanne de recirculation qui est interposée entre le dispositif de chauffage et l'entrée du conduit de recirculation et qui est commandée par le moyen de commande, pour dériver tout ou partie des gaz d'échappement chauffés par le dispositif de chauffage jusqu'en amont du premier moyen de dépollution, via le conduit de recirculation.
Cette caractéristique permet de commander tout ou partie de la recirculation des gaz d'échappement à travers le conduit de recirculation. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif de dépollution comporte une sonde de température qui est agencée entre un second moyen de dépollution et la sortie du conduit de recirculation, et qui coopère avec le 20 moyen de commande de façon à commander l'ouverture et la fermeture de la vanne de recirculation au moins en fonction d'une consigne de température. La sonde de température ainsi agencée permet d'évaluer la température des gaz d'échappement qui s'écoulent dans le premier moyen de dépollution, par exemple au moyen d'une cartographie. 25 Selon un second mode de réalisation, le dispositif de dépollution comporte une sonde de température qui est agencée entre la sortie du conduit de recirculation et l'entrée du premier moyen de dépollution, et qui coopère avec le moyen de commande de façon à commander l'ouverture et la fermeture de la vanne de recirculation au moins en fonction d'une consigne de 30 température. Ainsi agencée, la sonde de température permet de mesurer directement la température des gaz d'échappement qui s'écoulent dans le premier moyen de dépollution. Avantageusement, le dispositif de chauffage est un brûleur qui 35 comporte au moins une chambre de combustion délimitant un orifice d'entrée d'air et un orifice d'alimentation en carburant, ledit brûleur étant équipé d'une bougie d'allumage destinée à allumer le mélange air-carburant injecté dans la chambre à combustion pour chauffer les gaz d'échappement qui traversent le brûleur. Le brûleur permet de faire monter en température les gaz 5 d'échappement rapidement. Le premier moyen de dépollution est un catalyseur qui est équipé d'un injecteur d'un agent réducteur et qui est conçu pour la réduction des oxydes d'azotes. Aussi, le dispositif de dépollution comporte un second moyen de 10 dépollution du type catalyseur d'oxydation qui est agencé sur la ligne d'échappement en amont dudit premier moyen de dépollution et en amont de la sortie du conduit de recirculation, et qui est conçu pour réduire au moins le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés des gaz d'échappement. Le dispositif de chauffage est apte à être commandé par le moyen 15 de commande dès la mise en route du système électrique du véhicule, avant l'allumage du moteur, pour réchauffer les gaz d'échappement qui entrent dans le premier moyen de dépollution, via le conduit de recirculation. Cette caractéristique présente l'avantage de permettre une montée en température très rapide des gaz d'échappement, grâce à quoi le premier 20 moyen de dépollution est efficace dès les premières secondes de fonctionnement du moteur. Le conduit de recirculation est équipé d'un moyen de protection thermique. Ce moyen de protection thermique permet de limiter les pertes de chaleur par dissipation. 25 Enfin, le moyen de commande est une unité électronique de commande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : 30 - la figure 1 est une vue schématique qui illustre un premier mode de réalisation du dispositif de dépollution selon l'invention, dans lequel une sonde de température est agencée en amont de la sortie du conduit de recirculation ; - la figure 2 est une vue schématique similaire à la figure 1, qui 35 illustre un second mode de réalisation du dispositif de dépollution selon l'invention, dans lequel une sonde de température est agencée entre le premier moyen de dépollution et la sortie du conduit de recirculation. Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions «amont» et «aval» qui sont déterminées par le sens 5 d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement du dispositif de dépollution, en référence aux flèches des figures 1 et 2. La figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif de dépollution 10 des gaz d'échappement pour une ligne d'échappement 14 d'un moteur 12 à combustion interne, selon l'invention. 10 Le dispositif de dépollution 10 comporte, d'amont en aval selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un catalyseur amont 22 du type dit "DOC" constituant un second moyen de dépollution, un catalyseur aval 16 du type dit "SCR" constituant un premier moyen de dépollution, un dispositif de chauffage 18 des gaz d'échappement et un filtre à particules 20. 15 Le catalyseur amont 22 est ici un catalyseur d'oxydation pour moteur Diesel, aussi connu sous le sigle DOC pour "Diesel Oxidation Catalyst" en terminologie anglaise, qui est conçu pour éliminer le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés. A cet effet, le catalyseur amont 22 présente un orifice d'entrée qui 20 est raccordé au moteur 12 par un conduit 24, pour traiter les gaz d'échappement qui s'écoulent depuis le moteur 24. Le catalyseur aval 16 est un catalyseur dit de réduction catalytique sélective, aussi connu sous le sigle SCR pour "Selective Catalytic Reduction" en terminologie anglaise, qui est conçu pour éliminer les oxydes d'azotes. 25 Comme le montre la figure 1, le catalyseur amont 22 et le catalyseur aval 16 sont raccordés entre eux par un conduit 26. Le conduit 26 est équipé d'un injecteur 28 de réducteur qui permet d'injecter un réducteur, ici de l'ammoniac, dans le catalyseur aval 16 via le conduit 26, pour permettre la réduction des oxydes d'azotes dans les gaz 30 d'échappement. Le catalyseur aval 16 est raccordé par sa sortie au dispositif de chauffage 18 par l'intermédiaire d'un conduit 30, pour permettre l'écoulement des gaz d'échappement à travers le dispositif de chauffage 18. On entend par dispositif de chauffage tout dispositif apte à générer 35 de l'énergie thermique pour chauffer les gaz d'échappement, comme une résistance chauffante par exemple.
Toutefois, selon l'exemple de réalisation décrit ici, le dispositif de chauffage 18 est un brûleur 18 qui comporte au moins une chambre de combustion 32 délimitant un orifice d'entrée d'air 34 et un orifice d'alimentation 36 en carburant.
Le brûleur 18 est équipé d'un bougie d'allumage 38 destinée à allumer le mélange air-carburant injecté dans la chambre à combustion 32 pour chauffer les gaz d'échappement qui traversent le brûleur 18. L'énergie thermique apportée par le brûleur 18 permet notamment de régénérer le filtre à particules 20 en brûlant les résidus de suies capturés 10 par le filtre à particules 20. Avantageusement, le brûleur 18 est ici relié directement à l'entrée du filtre à particules 20, limitant ainsi les pertes d'énergies thermique par dissipation de chaleur. Le dispositif de dépollution 10 comporte un conduit de recirculation 15 40 qui s'étend depuis une entrée 42 raccordée sur le brûleur 18, jusqu'à une sortie 44 raccordée sur la ligne d'échappement 14, en amont du catalyseur aval 16, pour réchauffer les gaz d'échappement qui entrent dans le catalyseur aval 16. Avantageusement, le conduit de recirculation 40 est équipé d'un 20 moyen de protection thermique (non représenté) pour limiter les pertes de chaleur par dissipation thermique. La sortie 44 du conduit de recirculation 40 est piquée sur le conduit 26 qui relie le catalyseur amont 22 et le catalyseur aval 16 entre eux, de sorte que les gaz d'échappement sont aptes à s'écouler directement depuis le 25 brûleur 18, jusqu'à l'entrée du catalyseur aval 16. Le dispositif de dépollution 10 comporte une vanne 46 de recirculation qui est interposée entre le brûleur 18 et l'entrée 42 du conduit de recirculation 40, pour dériver tout ou partie des gaz d'échappement chauffés par le brûleur 18 vers l'amont du catalyseur aval 16, via le conduit de 30 recirculation 40. A cet effet, la vanne 46 de recirculation est montée mobile entre une position de repos, dans laquelle les gaz d'échappement s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'au filtre à particules 20, et une position de recirculation, dans laquelle les gaz d'échappement s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'au 35 catalyseur aval 16, via le conduit de recirculation 40.
De même, la vanne 46 de recirculation peut adopter une infinité de position entre sa position de repos et sa position de recirculation, dans chacune desquelles les gaz d'échappement s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'à la fois au filtre à particules 20 et au conduit de recirculation 40.
Selon un premier exemple de réalisation représenté à la figure 1, le pilotage de la vanne 46 de recirculation est commandé par un moeyn de commande 48, qui est ici une première unité électronique de commande 48, laquelle commande aussi le brûleur 18. De plus, le dispositif de dépollution 10 comporte une sonde de 10 température 52 qui est agencée entre le catalyseur amont 22 et le catalyseur aval 16, en amont de l'entrée 44 du conduit de recirculation 40. La sonde de température 52 est reliée à une seconde unité électronique de commande 50 qui est ici une unité qui remplit d'autres fonctions de commande ou de calcul dans le véhicule. 15 A titre non limitatif, la sonde de température 52 peut être reliée directement à la première unité électronique de commande 48. De même, la sonde de température 52 est une sonde dont les mesures sont utilisées à d'autres fins par l'unité électronique de commande 50. La sonde de température 52 permet de relever une température 20 d'échappement T1 dans la ligne d'échappement 14. Le catalyseur aval 16 doit atteindre une température d'activation suffisante pour réduire efficacement les oxydes d'azotes, cette température d'activation est de l'ordre d'au moins 150°C par exemple. Dans un premier temps, la seconde unité électronique de 25 commande 50 compare la température d'échappement T1 à une température de consigne T2 qui est égale à la température d'activation du catalyseur aval 16. Si la température d'échappement T1 est inférieure à la température de consigne T2, la seconde unité électronique de commande 50 transmet un 30 ordre à la première unité électronique de commande 48 pour activer le brûleur 18 pendant une durée d'activation Dl. La durée d'activation D1 est calculée par la seconde unité électronique de commande 50 en fonction d'une cartographie de fonctionnement du brûleur 18, pour que le catalyseur aval 16 atteigne au moins 35 sa température d'activation.
De plus, la première unité électronique de commande 48 commande l'entraînement de la vanne de recirculation 46 dans sa position de recirculation, de sorte que les gaz d'échappement chauffés s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'au catalyseur aval 16, via le conduit de recirculation 40.
Dans un second temps, à la fin de la durée d'activation D1, la première unité électronique de commande 48 commande l'entraînement de la vanne de recirculation 46 dans sa position de repos, et commande l'arrêt du brûleur 18, de sorte que les gaz d'échappement s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'au filtre à particules 20.
Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 2, le dispositif de dépollution 10 ne comporte qu'une seule unité électronique de commande 48 qui commande le pilotage de la vanne 46 de recirculation et le brûleur 18. Le dispositif de dépollution comporte une sonde de température 56 15 qui est agencée entre le catalyseur aval 16 et l'entrée 44 du conduit de recirculation 40, et qui coopère avec l'unité électronique de commande 48. La sonde de température 56 permet de mesurer la température d'échappement T3 des gaz d'échappement directement à l'entrée du catalyseur aval 16. 20 Dans un premier temps, l'unité électronique de commande 48 compare la température d'échappement T3 à une température de consigne T2 qui est égale à la température d'activation du catalyseur aval 16. Si la température d'échappement T3 est inférieure à la température de consigne T2, l'unité électronique de commande 48 transmet un ordre pour 25 activer le brûleur 18 jusqu'à ce que la température d'échappement T3 soit égale à la température de consigne T2. De plus, la première unité électronique de commande 48 commande l'entraînement de la vanne de recirculation 46 dans sa position de recirculation, de sorte que les gaz d'échappement chauffés s'écoulent depuis le 30 brûleur 18, jusqu'au catalyseur aval 16, via le conduit de recirculation 40. Dans un second temps, lorsque la température d'échappement T3 est égale à la température de consigne T2, la première unité électronique de commande 48 commande l'entraînement de la vanne de recirculation 46 dans sa position de repos, et commande l'arrêt du brûleur 18, de sorte que les gaz 35 d'échappement s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'au filtre à particules 20.
Selon une variante de réalisation de l'invention non représentée, qui s'applique aussi bien au premier mode de réalisation qu'au second mode de réalisation, le réchauffement des gaz d'échappement par le brûleur 18 commence dès la mise en route du système électrique du véhicule par un utilisateur, avant l'allumage du moteur 12. Selon cette variante, si la température d'échappement T3, ou T1, est inférieure à la température de consigne T2, l'unité électronique de commande 48 transmet un ordre pour activer le brûleur 18 jusqu'à ce que la température d'échappement T3, ou T1, soit égale à la température de consigne T2. De plus, la première unité électronique de commande 48 commande l'entraînement de la vanne de recirculation 46 dans sa position de recirculation, de sorte que l'air injecté dans le brûleur 18 par son orifice d'admission 34 s'écoulent depuis le brûleur 18, jusqu'au catalyseur aval 16, via le conduit de recirculation 40. Dans un second temps, lorsque la température d'échappement T3, ou T1, est égale à la température de consigne T2, la première unité électronique de commande 48 commande l'entraînement de la vanne de recirculation 46 dans sa position de repos, et commande l'arrêt du brûleur 18.
Toujours selon cette variante de réalisation, le brûleur 18 coopère avec un moyen supplémentaire de soufflage (non représenté) qui est conçu pour générer un courant d'air et favoriser l'écoulement de l'air chauffé depuis le brûleur 18, jusqu'au catalyseur aval 16. Le dispositif de dépollution 10 selon l'invention permet au 25 catalyseur aval 16 du type SCR d'atteindre rapidement sa température d'activation et donc d'être efficace rapidement, notamment après le démarrage du moteur 12. Selon l'invention, le brûleur 18 remplit deux fonctions, une première fonction de régénération du filtre à particules 20 et une seconde fonction 30 d'activation rapide du catalyseur aval 16 du type SCR. A titre non limitatif, le brûleur 18 est apte à être activé à tout moment pour remplir sa fonction de régénérateur du filtre à particules 20.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de dépollution (10) des gaz d'échappement pour une ligne d'échappement (14) d'un moteur (12) à combustion interne, le dispositif 5 (10) comportant, d'amont en aval selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement : - au moins un premier moyen de dépollution (16), - un dispositif de chauffage (18) des gaz d'échappement, - un filtre à particules (20) qui est relié au dispositif de chauffage 10 (18) pour régénérer le filtre à particules (20), - au moins un moyen de commande (48) qui est destiné au moins à commander le dispositif de chauffage (18) pour chauffer les gaz d'échappement, caractérisé en ce que le dispositif de dépollution (10) comporte un conduit de recirculation (40) qui s'étend depuis une entrée (42) 15 raccordée sur le dispositif de chauffage (18), jusqu'à une sortie (44) raccordée sur la ligne d'échappement (14) en amont du premier moyen de dépollution (16), pour réchauffer les gaz d'échappement qui entrent dans le premier moyen de dépollution (16).
  2. 2. Dispositif de dépollution (10) selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce qu'il comporte une vanne de recirculation (46) qui est interposée entre le dispositif de chauffage (18) et l'entrée du conduit de recirculation (40) et qui est commandée par le moyen de commande (48), pour dériver tout ou partie des gaz d'échappement chauffés par le dispositif de chauffage (18) jusqu'en amont du premier moyen de dépollution (16), via le conduit de recirculation (40). 25
  3. 3. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de température (52) qui est agencée entre un second moyen de dépollution (22) en amont de la sortie (44) et la sortie (44) du conduit de recirculation (40), et qui coopère avec le moyen de commande (48) de façon à commander 30 l'ouverture et la fermeture de la vanne de recirculation (46) au moins en fonction d'une consigne de température.
  4. 4. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de température (56) qui est agencée entre la sortie (44) du conduit de recirculation 35 (40) et l'entrée du premier moyen de dépollution (16), et qui coopère avec le moyen de commande (48) de façon à commander l'ouverture et la fermeturede la vanne de recirculation (46) au moins en fonction d'une consigne de température.
  5. 5. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (18) est un brûleur (18) qui comporte au moins une chambre de combustion (32) délimitant un orifice d'entrée d'air (34) et un orifice d'alimentation (36) en carburant, ledit brûleur (18) étant équipé d'une bougie d'allumage (38) destinée à allumer le mélange air-carburant injecté dans la chambre à combustion (32) pour chauffer les gaz d'échappement qui traversent le brûleur (18).
  6. 6. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier moyen de dépollution (16) est un catalyseur qui est équipé d'un injecteur (28) d'un agent réducteur et qui est conçu pour la réduction des oxydes d'azotes.
  7. 7. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un second moyen de dépollution (22) du type catalyseur d'oxydation qui est agencé sur la ligne d'échappement (14) en amont dudit premier moyen de dépollution (16) et en amont de la sortie (44) du conduit de recirculation (40), et qui est conçu pour réduire au moins le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés des gaz d'échappement.
  8. 8. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (18) est apte à être commandé par le moyen de commande (48) dès la mise en marche du système électrique du véhicule, avant l'allumage du moteur (12), pour réchauffer les gaz d'échappement qui entrent dans le premier moyen de dépollution (16), via le conduit de recirculation (40).
  9. 9. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit de recirculation (40) est équipé d'un moyen de protection thermique.
  10. 10. Dispositif de dépollution (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de commande (48) est une unité électronique de commande (48).
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