Brevet FR2708041A1 — publié le 19950127

Pot catalytique à support de catalyseurs en feuilles muni de moyens de préchauffage et procédé d'épuration L'invention concerne un procédé et un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment pour un véhicule automobile, le dispositif comprenant un support sur lequel est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, communément appelé "pot catalytique". Un tel dispositif a pour fonction d'éliminer au moins en partie les gaz polluants contenus dans les gaz d'échappement, notamment l'oxyde de carbone, les hydrocarbures et les oxydes d'azote, en les transformant par des réactions de réduction ou d'oxydation. FR-A-2 679 602 décrit un dispositif de ce genre comprenant un support sous forme de feuilles superposées sensiblement planes et parallèles maintenues empilées par des éléments allongés s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des feuilles, traversant des trous ménagés dans cellesci, et sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement. Ce document prévoit en particulier que certains éléments allongés sont des tubes propres à jouer le rôle de source de chaleur pour le préchauffage du catalyseur. En effet, les réactions de destruction des gaz polluants ne s'effectuent avec un rendement convenable qu'à partir d'un seuil de température de l'ordre de 200 à 250"C. Un pot catalytique est donc inefficace lors du démarrage du moteur à froid, en l'absence de moyens de préchauffage. Les tubes chauffants peuvent être répartis sur toute la section transversale du bloc, et traverser par conséquent des trous répartis sur toute la surface de chaque feuille. L'élévation de température qu'ils produisent est alors sensiblement homogène sur toute la surface des feuilles, et il faut attendre que cette surface entière soit portée à la température requise pour pouvoir faire fonctionner le moteur thermique sans émission dans l'atmosphère de rejets polluants inacceptables. Un but de l'invention est de réduire ce temps d'attente, pour une puissance de chauffage donnée des tubes. L'invention a pour objet un procédé d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment pour un véhicule automobile, dans lequel on fait circuler lesdits gaz d'échappement entre des feuilles superposées sensiblement planes et parallèles sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, lesdites feuilles étant maintenues empilées sous forme d'un bloc par des éléments allongés s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des feuilles, traversant des trous ménagés dans celles-ci, et dont certains forment un premier sous-ensemble propre à jouer le rôle de source de chaleur pour le préchauffage du catalyseur. Selon un premier aspect de l'invention, ledit premier sousensemble est localisé dans une première fraction de la section transversale du bloc, dans laquelle circule la totalité du courant de gaz d'échappement. L'échauffement est ainsi hétérogène, la région des feuilles traversée par les tubes étant chauffée seule, ou au moins plus rapidement que la région restante. Elle atteint donc plus vite la température nécessaire pour que les catalyseurs soient efficaces. La partie ainsi préchauffée des catalyseurs permet de réduire la teneur en polluants des gaz d'échappement, alors que celle-ci ne serait pas affectée si l'ensemble des catalyseurs était chauffé pendant la même durée, la température atteinte étant insuffisante. D'autres caractéristiques, complémentaires ou alternatives, de l'invention sont énoncées ci-après - Le courant de gaz d'échappement circule d'abord dans ladite première fraction, puis dans la fraction restante de la section transversale du bloc. - Un second sous-ensemble desdits éléments allongés est propre à évacuer de la chaleur pour le refroidissement du catalyseur. - Ledit second sous-ensemble est localisé dans la fraction restante de la section transversale du bloc. - Des moyens sont prévus pour limiter le transfert de chaleur au sein de chaque feuille entre ladite première fraction et la fraction restante. - Lesdits moyens sont des découpes ménagées dans les feuilles, selon des lignes séparant la première fraction de la fraction restante. - Le procédé comprend les étapes suivantes a) avant le démarrage du moteur thermique, on détermine si la température du catalyseur est suffisante pour assurer une épuration des gaz d'échappement; b) si la température est insuffisante, on met en service ladite source de chaleur pendant une durée convenable; et c) si la température est suffisante, ou à l'expiration de ladite durée, on fait démarrer le moteur. - Pour déterminer si la température du catalyseur est suffisante, on compare la température d'un fluide de refroidissement du moteur à un seuil, la température du catalyseur étant considérée comme suffisante si la température du fluide est au moins égale au seuil. - Ladite durée convenable est choisie en fonction de ladite température du fluide de refroidissement. Dans le document précité, les tubes chauffants sont des gaines tubulaires contenant des résistances électriques chauffantes. Ces résistances électriques étant utilisées avant le démarrage du moteur thermique, l'énergie qu'elles consomment provient de la batterie du véhicule, ce qui peut être gênant lorsque celle-ci est faiblement chargée. Un second aspect de 1 invention vise à éviter cet inconvénient. Selon ce second aspect de l'invention, qui peut être mis en oeuvre indépendamment du premier ou conjointement à celui-ci, les éléments allongés du premier sous-ensemble sont des tubes dont une extrémité amont est reliée à une source de gaz chaud. Dans ce second aspect, il peut en outre être prévu que - La source de gaz chaud comprend un brûleur alimenté en combustible et en air de combustion. - Le brûleur est alimenté en combustible par une pompe à partir du réservoir de carburant du véhicule, et/ou en air de combustion par un ventilateur. - Le gaz chaud, après avoir parcouru lesdits tubes, pénètre entre les feuilles dans l'espace réservé à la circulation des gaz d'échappement. - Chacun desdits tubes a la forme d'un U dont les deux branches sont engagés dans des puits respectifs formés par des trous alignés des feuilles, le puits qui reçoit la branche aval se prolongeant au-delà de l'extrémité libre de celle-ci. - Les deux puits et la branche amont du tube s'étendent sur toute la longueur du bloc et la branche aval sur une fraction seulement de celle-ci. L'invention vise également un dispositif d'épuration pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, comprenant des feuilles superposées sensiblement planes et parallèles sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, lesdites feuilles étant maintenues empilées sous forme d'un bloc par des éléments allongés s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des feuilles, traversant des trous ménagés dans celles-ci, et dont certains forment un premier sous-ensemble propre à jouer le rôle de source de chaleur pour le préchauffage du catalyseur, qui est localisé dans une première fraction de la section transversale du bloc. L'invention prévoit encore pour ce dispositif les caractéristiques optionnelles suivantes - Le bloc est de forme sensiblement parallélépipédique, ladite première fraction et la fraction restante de la section transversale du bloc étant adjacentes respectivement à deux faces opposées de celui-ci. - Il comprend des tubes constituant les éléments allongés du premier sous-ensemble, un brûleur, une pompe pour alimenter le brûleur en combustible à partir du réservoir de carburant du véhicule, et un ventilateur pour alimenter le brûleur en air de combustion et pour envoyer le gaz brûlé dans les tubes. - Il comprend des moyens d'allumage du brûleur. - Il comprend des moyens pour interdire la circulation des gaz d'échappement à travers les tubes en direction du ventilateur lorsque celui-ci n'est pas en service. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un empilement de feuilles supports de catalyseurs d'un dispositif selon l'invention, pour l'épuration des gaz d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile; et - la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale de cet empilement, montrant également un tube de préchauffage et, de façon schématique, une source de gaz chaud reliée à ce tube. Les figures illustrent un empilement 1 réalisé selon la technologie bien connue des échangeurs de chaleur à tubes et bloc d'ailettes. Il comprend une multiplicité de feuilles 2 en acier inoxydable d'une épaisseur de 0,03 à 0,06 mm environ, munies de perforations 3 et enfilées sur des tubes allongés dont chacun traverse des perforations de toutes les feuilles, formant ainsi un bloc de forme générale parallélépipédique dans lequel les feuilles sont espacées de quelques dixièmes de millimètre. Les feuilles 2 sont recouvertes, par des moyens connus, d'un ou plusieurs catalyseurs à base de métaux précieux tels que platine, palladium et rhodium ou bien d'oxydes métalliques. Lorsque le moteur thermique du véhicule fonctionne, les gaz d'échappement sortant de celui-ci pénètrent dans les intervalles entre les feuilles 2 par une face 4 du bloc, pour en ressortir par la face opposée 5, en circulant selon les flèches F. Ils balaient les faces des feuilles recouvertes de catalyseurs, provoquant la réaction chimique des gaz polluants. Chacune des feuilles 2 est divisée en deux zones 6 et 7, adjacentes respectivement aux faces 4 et 5, par plusieurs découpes 8 en forme de fentes, allongées et mutuellement alignées selon une ligne parallèle à ces même faces. Les trous 3 sont disposés en plusieurs rangées également parallèles aux faces 4 et 5, l'une de ces rangées se trouvant dans la zone 6 et les autres dans la zone 7. Dans l'exemple représenté, chaque rangée comprend quatre trous. Les quatre trous disposés dans la zone 6 reçoivent deux tubes de préchauffage courbés en U dont l'un 9 est représenté à la figure 2. Ce tube comprend une branche amont 10 qui traverse le bloc 1 sur toute la longueur de celui-ci, un fond 11 situé à l'extérieur du bloc et une branche aval 12 qui traverse le bloc sur la majeure partie de sa longueur et s'interrompt ensuite, de sorte que sur la partie restante le puits 13 formé par l'alignement des trous 3 des différentes feuilles communique librement avec les intervalles entre celles-ci. Ce puits 13 est fermé de façon étanche par une plaque 14 parallèle aux feuilles 2, disposée à l'extrémité du bloc et traversée par la branche 10 du tube. L'extrémité amont de la branche 10 est reliée à une source de gaz chaud 15. Celle-ci comprend une chambre de combustion 16 dans laquelle se trouve un injecteur 17 alimenté par une pompe 18 à partir du réservoir 19 de carburant du véhicule. Un ventilateur 20 envoie de l'air dans la chambre de combustion. Des clapets anti-retour 21 et 22 sont prévus pour le carburant et pour l'air en amont de la chambre de combustion, et dans celle-ci est disposé un filament 23 pouvant être chauffé par un courant électrique fourni par la batterie du véhicule, pour l'allumage de la flamme. Par ailleurs, les réactions chimiques de transformation des impuretés dégagent une grande quantité de chaleur, pouvant porter au rouge le pot catalytique. Pour abaisser la température de celui-ci et éviter la dégradation des matériaux, et également pour récupérer la chaleur de réaction, l'invention prévoit de faire circuler un liquide de refroidissement dans des tubes constituant certains au moins des éléments allongés qui traversent les trous 3 de la zone 7 des feuilles, ces tubes étant reliés à cet effet à un circuit extérieur non représenté, comme connu dans la technique des échangeurs de chaleur. Le dispositif décrit fonctionne de la façon suivante. Avant de faire démarrer le moteur thermique du véhicule, on vérifie que la température des catalyseurs est suffisante pour permettre la transformation des polluants contenus dans les gaz d'échappement. A cet effet, on peut utiliser comme témoin la température du fluide de refroidissement du moteur thermique. En effet, après l'arrêt du moteur thermique, les températures des catalyseurs et du fluide de refroidissement décroissent de façon parallèle. A titre d'exemple, on peut considérer que la température des catalyseurs est suffisante si la température du fluide de refroidissement est au moins égale à 80"C. Si la température des catalyseurs est suffisante, on peut lancer immédiatement le moteur. Dans le cas contraire, on met en service la pompe 18 et le ventilateur 20 de façon à brûler du carburant dans la chambre de combustion 16 et à envoyer le gaz de combustion dans le tube 9. Le filament 23 est mis sous tension temporairement de façon à assurer l'allumage de la flamme de combustion. Le gaz de combustion parcourt la branche 10 puis la branche 12 du tube 9, fournissant ainsi de la chaleur aux feuilles 2 du bloc 1, qui portent les catalyseurs, par l'intermédiaire de la paroi du tube. Au-delà de l'extrémité libre de la branche 12, le gaz circule directement dans le puits 13, d'où il pénètre dans les intervalles entre les feuilles 2, continuant ainsi de céder de la chaleur à celles-ci. Il est ensuite évacué à l'atmosphère par le trajet prévu pour les gaz d'échappement. Le gaz circulant dans les tubes 9 assure en priorité l'é- chauffement de la zone 6 des feuilles 2. Les ponts étroits subsistant entre les ouvertures 8 ne permettent qu'un transfert de chaleur réduit entre la zone 6 et la zone 7, ce qui limite le temps nécessaire pour que la zone 6 atteigne la température voulue. Cette durée étant écoulée, la source de gaz chaud 15 est mise hors service et le moteur peut démarrer. Cette durée peut être choisie en fonction croissante de la température du fluide de refroidissement, qui comme indiqué plus tôt est représentative de la température initiale des catalyseurs. L'arrêt du ventilateur 20 entraîne la fermeture du clapet anti-retour 22, interdisant aux gaz d'échappement du moteur thermique de parcourir le tube 9 à partir des intervalles entre les feuilles 2 et du puits 13. Au cours du fonctionnement du moteur thermique, les gaz d'échappement circulent à travers le bloc 1 selon les flèches F de la figure 1. Ils parviennent en contact avec la zone 7 des feuilles 2 après avoir été partiellement épurés par les catalyseurs déposés sur la zone 6. Les catalyseurs de la zone 7 sont chauffés progressivement par les gaz d'échappement et peuvent compléter l'épuration de ceux-ci. Après un certain échauffement du bloc 1, on fait circuler un liquide de refroidissement dans les tubes traversant la zone 7 des feuilles. Cette circulation a un effet de refroidissement direct sur la zone 7, et un effet limité sur la zone 6, en raison des ouvertures 8. Cependant, il est possible de choisir les dimensions des ouvertures 8 et le débit du fluide de refroidissement de façon à maintenir à la fois la zone 6 à une température assez basse pour éviter toute dégradation et la zone 7 à une température assez élevée pour assurer l'efficacité des catalyseurs. La position des ouvertures 8 peut être modifiée par rapport à celle montrée à la figure 1, par exemple de façon que les deux zones comportent chacune deux rangées de trous. D'une façon générale, le nombre de rangées de trous dans chaque zone, et le nombre de trous par rangée, peuvent être choisis librement. Les trous ne sont d'ailleurs pas nécessairement disposés en rangées régulières. Les tubes chauffants, qui sont au nombre de deux dans le mode de réalisation illustré, mais qui peuvent être plus nombreux, peuvent être reliés en parallèle à une même source de gaz chaud telle que la source 15. Il est également possible de remplacer les fentes 8 par la séparation complète de chaque feuille en deux feuilles indépendantes juxtaposées, améliorant encore la concentration dans la zone 6 de la chaleur apportée par les tubes chauffants. Cette solution n'est cependant possible que lorsqu'un échauffement excessif du pot catalytique n'est pas à craindre, car elle ne permet pas le refroidissement de la zone 6. Le procédé selon l'invention peut faire appel à des composants électroniques connus pour les différentes fonctions telles que comparaison, temporisation, etc. Pour accélérer le démarrage du moteur, les étapes d'évaluation de la température des catalyseurs et de mise en route de la source de chaleur peuvent être déclenchées avant l'entrée du conducteur dans le véhicule, par exemple par la télécommande du déverrouillage des portières. Revendications 1. Procédé d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment pour un véhicule automobile, dans lequel on fait circuler lesdits gaz d'échappement entre des feuilles superposées sensiblement planes et parallèles (2) sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, lesdites feuilles étant maintenues empilées sous forme d'un bloc (1) par des éléments allongés s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des feuilles, traversant des trous (3) ménagés dans celles-ci, et dont certains (9) forment un premier sous-ensemble propre à jouer le rôle de source de chaleur pour le préchauffage du catalyseur, caractérisé en ce que ledit premier sous-ensemble est localisé dans une première fraction (6) de la section transversale du bloc, dans laquelle circule la totalité du courant (F) de gaz d'échappement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de gaz d'échappement circule d'abord dans ladite première fraction (6), puis dans la fraction restante (7) de la section transversale du bloc (1). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un second sous-ensemble desdits éléments allongés est propre à évacuer de la chaleur pour le refroidissement du catalyseur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit second sous-ensemble est localisé dans la fraction restante (7) de la section transversale du bloc. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens (8) sont prévus pour limiter le transfert de chaleur au sein de chaque feuille (2) entre ladite première fraction et la fraction restante. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens sont des découpes (8) ménagées dans les feuilles, selon des lignes séparant la première fraction de la fraction restante. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par les étapes suivantes a) avant le démarrage du moteur thermique, on détermine si la température du catalyseur est suffisante pour assurer une épuration des gaz d'échappement; b) si la température est insuffisante, on met en service ladite source de chaleur (9) pendant une durée convenable; et c) si la température est suffisante, ou à l'expiration de ladite durée, on fait démarrer le moteur. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour déterminer si la température du catalyseur est suffisante, on compare la température d'un fluide de refroidissement du moteur à un seuil, la température du catalyseur étant considérée comme suffisante si la température du fluide est au moins égale au seuil. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite durée convenable est choisie en fonction de ladite température du fluide de refroidissement. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments allongés du premier sousensemble sont des tubes (9) dont une extrémité amont est reliée à une source de gaz chaud (15). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la source de gaz chaud comprend un brûleur (17) alimenté en combustible et en air de combustion. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le brûleur est alimenté en combustible par une pompe (18) à partir du réservoir de carburant (19) du véhicule, et/ou en air de combustion par un ventilateur (20). 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le gaz chaud, après avoir parcouru lesdits tubes (9), pénètre entre les feuilles dans l'espace réservé à la circulation des gaz d'échappement. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que chacun desdits tubes a la forme d'un U dont les deux branches (10,12) sont engagés dans des puits respectifs formés par des trous alignés (3) des feuilles, le puits (13) qui reçoit la branche aval (12) se prolongeant au-delà de l'extrémité libre de celle-ci. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les deux puits et la branche amont (10) du tube s'étendent sur toute la longueur du bloc (1) et la branche aval (12) sur une fraction seulement de celle-ci. 16. Dispositif d'épuration pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant des feuilles superposées sensiblement planes et parallèles (2) sur lesquelles est déposé au moins un catalyseur pour la destruction chimique d'impuretés des gaz d'échappement, lesdites feuilles étant maintenues empilées sous forme d'un bloc (1) par des éléments allongés s'étendant dans la direction perpendiculaire aux plans des feuilles, traversant des trous (3) ménagés dans celles-ci, et dont certains (9) forment un premier sous-ensemble propre à jouer le rôle de source de chaleur pour le préchauffage du catalyseur, qui est localisé dans une première fraction (6) de la section transversale du bloc. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le bloc est de forme sensiblement parallélépipédique, ladite première fraction (6) et la fraction restante (7) de la section transversale du bloc étant adjacentes respectivement à deux faces opposées (4,5) de celui-ci. 18. Dispositif selon l'une des revendications 16 et 17, caractérisé en ce qu'il comprend des tubes (9) constituant les éléments allongés du premier sous-ensemble, un brûleur (17), une pompe (18) pour alimenter le brûleur en combustible à partir du réservoir de carburant (19) du véhicule, et un ventilateur (20) pour alimenter le brûleur en air de combustion et pour envoyer le gaz brûlé dans les tubes (9). 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (23) d'allumage du brûleur. 20. Dispositif selon l'une des revendications 18 et 19 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (22) pour interdire la circulation des gaz d'échappement à travers les tubes (9) en direction du ventilateur (20) lorsque celui-ci n'est pas en service.