Brevet FR2714696A1 — publié le 19950707

L'invention concerne un procédé pour réduire les émissions d'hydrocarbures pendant la phase de démarrage à froid d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un catalyseur et un adsorbeur comportant un agent de sorption, qui adsorbe des hydrocarbures au- dessous d'une température de désorption et désorbe ces hydrocarbures audessus de la température de désorption, l'adsorbeur étant disposé en amont du catalyseur dans une canalisation de dérivation d'un tuyau d'échappement comportant au moins une soupape de commutation pour régler une liaison d'écoulement entre la canalisation de dérivation et le tuyau d'échappement, et selon lequel au-dessous d'une température de déclenchement du catalyseur ainsi qu'au-dessous de la température de désorption, les gaz d'échappement peuvent circuler dans la canalisation de dérivation et traverser l'adsorbeur, et au-dessous de la température de déclenchement du catalyseur ainsi qu'au-dessus de la température de désorption, la canalisation de dérivation est fermée, et au-dessus de la température de déclenchement du catalyseur ainsi qu'au-dessus de la température de désorption, au moins une partie des gaz d'échappement peut circuler dans la canalisation de dérivation et traverser l'adsorbeur pour réaliser la désorption des hydrocarbures. D'après le brevet US 5 051 244 on connaît déjà un procédé du type indiqué pour réduire des émissions d'hydrocarbures. Dans un tuyau d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un catalyseur est disposé, en amont du catalyseur, un adsorbeur servant à adsorber les hydrocarbures, l'adsorbeur étant disposé dans une canalisation de dérivation du tuyau d'échappement. Au point d'embouchure de la canalisation de dérivation partant du tuyau d'échappement est disposée une soupape de commutation servant à régler une liaison d'écoulement entre le tuyau d'échappement et la canalisation de dérivation, la régulation étant exécutée notamment en fonction de la température de l'adsorbeur. En tant qu'arrière-plan général, on se réferera en outre aux documents suivants: brevet allemand 39 28 760 C2, brevet allemand 42 05 496 C1, demande de brevet allemand 42 07 005 A1, modèle d'utilité allemand 03 204, demande de brevet européen EP 0 484 966 A1, brevet européen EP 0 460 542 A2 et brevet japonais JP 2-135126. Un inconvénient de procédés connus pour réduire les émissions d'hydrocarbures de moteurs à combustion interne réside dans le fait que la température de désorption de l'adsorbeur est nettement inférieure à la température de déclenchement du catalyseur en aval de l'adsorbeur, et c'est pourquoi des quantités élevées indésirables d'émission d'hydrocarbures apparaissent pendant des parties déterminées de la phase de démarrage à froid. L'invention a pour but de concevoir un procédé du type indiqué et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé de manière qu'une réduction importante de l'émission d'hydrocarbures soit obtenue pendant l'ensemble de la phase de démarrage à froid d'un moteur à combustion interne. Le problème est résolu à l'aide d'un procédé du type indiqué plus haut caractérisé par un catalyseur proche du moteur et disposé en amont de la canalisation de dérivation et situé dans le tuyau d'échappement, auquel cas, lorsque latempérature de déclenchement du catalyseur proche du moteur est atteinte, la canalisation de dérivation est fermée au moins jusqu'à ce que soit atteinte la température de déclenchement du catalyseur disposé en aval de l'adsorbeur. L'avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait que pendant la phase de démarrage à froid du moteur à combustion interne, on peut obtenir une réduction nettement meilleure de l'émission d'hydrocarbures que dans le cas de l'état connu de la technique. Un autre avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait que grâce à la disposition du catalyseur à proximité du moteur en amont de l'adsorbeur, dans l'adsorbeur parvient une quantité d'hydrocarbures non brûlés, plus faible que dans le cas des procédés connus, et c'est pourquoi la puissance d'adsorption de l'agent de sorption est suffisante également dans des adsorbeurs compacts du point de vue construction, pour adsorber les hydrocarbures non brûlés, qui apparaissent jusqu'à ce que soit atteinte la température de déclenchement du catalyseur proche du moteur. Une désorption de l'adsorbeur est exécutée uniquement lorsque le catalyseur éloigné du moteur (catalyseur situé au-dessous de la voiture) a atteint sa température de déclenchement. Selon un mode de mise en oeuvre, la désorption des hydrocarbures est exécutée pendant les phases de fonctionnement du moteur à combustion interne avec interruption de la poussée. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le moteur à combustion interne fonctionne pendant un bref intervalle de temps avec un excès d'air pour réaliser la désorption des hydrocarbures dans l'absorbeur. Grâce à l'utilisation avantageuse de phases de fonctionnement du moteur à combustion interne, qui viennent d'être indiquées dans les deux paragraphes précédents, on obtient de façon simple l'oxygène nécessaire pour la désorption des hydrocarbures à partir de l'agent de sorption de l'adsorbeur. L'invention concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, ce dispositif comprenant un catalyseur et un adsorbeur comportant un agent de sorption, qui adsorbe des hydrocarbures au- dessous d'une température de désorption et désorbe ces hydrocarbures au- dessus de la température de désorption, l'adsorbeur étant disposé en amont du catalyseur dans une canalisation de dérivation d'un tuyau d'échappement comportant au moins une soupape de commutation pour régler une liaison d'écoulement entre la canalisation de dérivation et le tuyau d'échappement, caractérisé par un catalyseur proche du moteur,disposé dans le tuyau d'échappement, en amont de la canalisation de dérivation. Selon un mode de réalisation de ce dispositif, les soupapes de commutation montées dans le tuyau d'échappement et dans la canalisation de dérivation sont réglables par l'intermédiaire d'un dispositif d'évaluation et de réglage. Selon un autre mode de réalisation, le catalyseur éloigné du moteur, le catalyseur proche du moteur et l'adsorbeur possèdent des capteurs respectifs de température, les signaux des capteurs de température formant des signaux d'entrée du dispositif d'évaluation et de réglage. Selon un autre mode de réalisation, pour l'évacuation de chaleur à partir des gaz d'échappement, la longueur du tuyau d'échappement entre l'absorbeur et le catalyseur proche du moteur est réglée de telle sorte que lorsque la température de déclenchement du catalyseur proche du moteur est atteinte, la température des gaz d'échappement en amont de l'absorbeur soit encore inférieure à la température de désorption. Selon un autre mode de réalisation, un dispositif de refroidissement des gaz d'échappement est disposé dans la canalisation de dérivation en amont de l'adsorbeur. Un avantage de l'agencement selon l'invention du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, conformément aux deux derniers paragraphes cidessus, réside dans le fait que c'est seulement une fois qu'est atteinte la température de déclenchement du catalyseur proche du moteur que la température de désorption de l'adsorbeur est également atteinte, et c'est pourquoi, pendant l'ensemble de la phase de démarrage à froid, une adsorption des hydrocarbures non brûlés par l'adsorbeur ou leur conversion catalytique se produit dans le catalyseur proche du moteur. Selon un autre mode de mise en oeuvre, dans une canalisation d'amenée d'air, qui débouche dans la canalisation de dérivation en amont de l'adsorbeur, est disposée une soupape de commutation, qui est réglable au moyen du dispositif d'évaluation et de réglage. Selon un autre mode de réalisation, le catalyseur proche du moteur est disposé dans la canalisation de dérivation en amont de l'adsorbeur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence au dessin annexé, qui illustre une forme de réalisation de l'invention. La figure unique représente, d'une manière schématique, un moteur à combustion interne 1 comportant un tuyau d'échappement 2, dans lequel sont disposés un catalyseur 3 éloigné du moteur (catalyseur situé au- dessous de la voiture) et un catalyseur 4 proche du moteur. Une canalisation de dérivation 5 aboutissant au tuyau d'échappement 2 est branchée entre le catalyseur 4 proche du moteur et le catalyseur 3 (par exemple un catalyseur à trois voies). En amont du catalyseur 3 est disposé, dans la canalisation de dérivation 5 du tuyau d'échappement 2, un adsorbeur 10, dont l'agent de sorption adsorbe des hydrocarbures au-dessous d'une température de désorption et désorbe ces hydrocarbures au-dessus d'une température de désorption. Une soupape de commutation 7 est branchée dans le tuyau d'échappement 2 et une soupape de commutation 8 est branchée dans la canalisation de dérivation 5, pour régler une liaison d'écoulement entre la canalisation de dérivation 5 et le tuyau d'échappement 2. Le procédé pour réduire des émissions d'hydrocarbures du moteur à combustion interne 1 pendant la phase de démarrage à froid de ce dernier comprend, à partir de l'actionnement de la clé d'allumage jusque peu avant que ne soit atteinte la température de déclenchement du catalyseur 3 éloigné du moteur, les étapes opératoires suivantes: 1. Au-dessous d'une température de déclenchement du catalyseur 4 proche du moteur, disposé en amont de la canalisation de dérivation 5 et au-dessous de la température de désorption de l'adsorbeur 6, les gaz d'échappement circulent dans la canalisation de dérivation 5 et traversent l'adsorbeur 6. 2. Une fois que la température de désorption de l'adsorbeur 6 est atteinte, la canalisation de dérivation 5 est fermée par la soupape de commutation 8. 3. Une fois qu'est atteinte la température de déclenchement du catalyseur 4 situé près du moteur, la canalisation de dérivation 5 est fermée au moins jusqu'à ce que soit atteinte la température de déclenchement du catalyseur 3 disposé en aval de l'adsorbeur 6. 4. Au-dessus de la température de déclenchement du catalyseur 3 ainsi qu'au-dessus de la température de désorption de l'adsorbeur 6, pour la désorption de l'hydrocarbure à partir de l'agent de sorption de l'adsorbeur 6, une partie des gaz d'échappement peut circuler dans la canalisation de dérivation 5 et traverser l'adsorbeur 6. Variante 4.A: La désorption des hydrocarbures est exécutée pendant des phases de fonctionnement du moteur à combustion interne 1 avec interruption de la poussée (aucun envoi de carburant), par le fait qu'une partie des gaz d'échappement (essentiellement de l'air dans le cas de l'interruption de la poussée) circule dans la canalisation de dérivation 5 et traverse l'adsorbeur 6. Variante 4.B: On fait fonctionner le moteur à combustion interne 1 pendant un bref intervalle de temps avec un excès d'air, pour la désorption des hydrocarbures dans l'adsorbeur 6, une partie des gaz d'échappement circulant dans la canalisation de dérivation 5 et traversant l'adsorbeur 6. Dans la canalisation de dérivation située en amont de l'adsorbeur 6, de l'air peut être injecté par l'intermédiaire d'une canalisation d'alimentation séparée 13 et d'une soupape 14. Cet air sert principalement à régler le mélange stoechiométrique des gaz d'échappement avant leur entrée dans le catalyseur 3. Au moyen de l'injection d'air en amont de l'adsorbeur 6, cet air peut être utilisé au moyen d'une régulation correspondante de l'alimentation en air, également pour la désorption des hydrocarbures dans l'adsorbeur 6. La régulation des soupapes de commutation 7 et 8 s'effectue par l'intermédiaire d'un dispositif d'évaluation et de réglage 9, dont les paramètres d'entrée sont les températures du catalyseur 3, du catalyseur 4 proche du moteur et de l'adsorbeur 6, qui sont mesurées au moyen de capteurs de température 10, 11 et 12. Les capteurs de température 10-12 sont reliés au dispositif d'évaluation et de réglage 9 par des lignes 10', 11' et 12' représentées par des tirets. L'agent de sorption de l'adsorbeur 10 est constitué d'une manière connue dans son principe par du charbon actif, un hydrure métallique ou une céramique (de la zéolithe), l'agent de sorption adsorbant des hydrocarbures à des températures relativement basses (par exemple inférieures à environ 150-200 C, en fonction de l'agent de sorption) et désorbant des hydrocarbures à partir d'une température déterminée de désorption (par exemple au-dessus d'environ 150-200 C, en fonction de l'agent de sorption). La température de déclenchement du catalyseur 3 éloigné du moteur et du catalyseur 4 proche du moteur est égale à environ 300 C. Grâce à la disposition du catalyseur 4 à proximité du moteur et à une isolation du tuyau d'échappement entre le côté de sortie du moteur à combustion interne 1 et le catalyseur 4, la température de déclenchement du catalyseur est atteinte en une durée d'environ 20-50 secondes après le démarrage, tandis que la température de déclenchement du catalyseur 3 éloigné du moteur n'est atteinte que nettement plus tard en fonction du type de fonctionnement du moteur à combustion interne. Pour l'obtention d'une émission aussi faible que possible d'hydrocarbures, il est judicieux d'agencer le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de manière que la température de désorption de l'adsorbeur soit atteinte uniquement au- dessus de la température de déclenchement du catalyseur 4 proche du moteur, c'est-à-dire de manière que les étapes opératoires 2 et 3 indiquées plus haut coïncident dans le temps de sorte que, pendant la phase de démarrage à froid, il se produit une adsorption ou une conversion catalytique des hydrocarbures. Etant donné que la température de déclenchement du catalyseur 4 est supérieure, d'environ 100 C (en fonction de l'agent de sorption de l'adsorbeur 6) à la température de désorption de l'adsorbeur 6, ceci est obtenu grâce au fait qu'après avoir quitté le catalyseur 4 proche du moteur et avant de pénétrer dans l'adsorbeur 6, les gaz d'échappement sont refroidis de sorte que lorsque la température de déclenchement du catalyseur 4 est atteinte, la température d'entrée des gaz d'échappement dans l'adsorbeur 6 est encore inférieure à la température de désorption de l'adsorbeur. Le refroidissement des gaz d'échappement peut être réalisé soit au moyen d'un tuyau d'échappement disposé entre le catalyseur 4 et l'adsorbeur 6 et possédant une longueur déterminée en fonction de la quantité de chaleur devant être évacuée des gaz d'échappement, ou bien, dans une autre forme de réalisation de l'invention, un dispositif de refroidissement des gaz d'échappement est disposé dans la canalisation de dérivation 5 (par exemple la tubulure des gaz d'échappement comportant des ailettes de refroidissement) entre le catalyseur 4 et l'adsorbeur 6. Pour éviter une surcharge thermique du catalyseur 4 proche du moteur dans le tuyau d'échappement 2, on peut intégrer ce dernier d'une manière connue dans son principe dans un boîtier à deux tubes, qui comprend un tube intérieur et un tube extérieur entourant le précédent concentriquement. La face frontale, située du côté arrivée des gaz, du boîtier à deux tubes est reliée par l'intermédiaire d'une partie de boîtier en forme de diffuseur au tuyau d'échappement de sorte que les gaz d'échappement chargent aussi bien le tube intérieur que la section transversale annulaire entre le tube intérieur et le tube extérieur. La face frontale, située côté sortie, du carter à deux tubes est reliée au tuyau d'échappement par l'intermédiaire d'une partie en forme de tuyau du boîtier. Le catalyseur 4 est situé entre le tube intérieur et le tube extérieur. Un papillon d'étranglement réglable est disposé dans le tube intérieur. Jusqu'à ce que soit atteinte la température de déclenchement du catalyseur 4, le papillon d'étranglement situé dans le tube intérieur est fermé et les gaz d'échappement traversent la partie de forme cylindrique du tube double et par conséquent le catalyseur 4. Si la température de déclenchement du catalyseur 3 éloigné du moteur est atteinte, le catalyseur 4 proche du moteur est arrêté dans une large mesure, par le fait que le papillon des gaz est ouvert, ce qui a pour effet que la majeure partie des gaz d'échappement emprunte le trajet présentant la plus faible résistance, à travers le tube intérieur du boîtier à deux tubes, et que seule une faible partie des gaz d'échappement passe sur le catalyseur proche du moteur. On peut également obtenir la protection du catalyseur 4 proche du moteur vis-à-vis d'une surcharge thermique lorsque ce dernier est disposé dans la canalisation de dérivation 5 en amont de l'adsorbeur 6. Il faut alors veiller à obtenir notamment une évacuation de chaleur suffisante, par exemple au moyen d'un tube comportant des ailettes de refroidissement entre l'adsorbeur et le catalyseur proche du moteur, dans le cas de températures du catalyseur supérieures à la température de désorption de l'adsorbeur. Dans une autre configuration de l'invention, on peut également disposer, à la place des deux soupapes de commutation 6 et 7, une seule soupape de commutation au niveau de l'embouchure de la canalisation de dérivation 5 et du tuyau d'échappement 2. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire les émissions d'hydrocarbures pendant la phase de démarrage à froid d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un catalyseur et un adsorbeur comportant un agent de sorption, qui adsorbe des hydrocarbures au-dessous d'une température de désorption et désorbe ces hydrocarbures au-dessus de la température de désorption, l'adsorbeur étant disposé en amont du catalyseur dans une canalisation de dérivation d'un tuyau d'échappement comportant au moins une soupape de commutation pour régler une liaison d'écoulement entre la canalisation de dérivation et le tuyau d'échappement, et selon lequel - au-dessous d'une température de déclenchement du catalyseur ainsi qu'au- dessous de la température de désorption, les gaz d'échappement peuvent circuler dans la canalisation de dérivation et traverser l'adsorbeur, - au-dessous de la température de déclenchement du catalyseur ainsi qu'au-dessus de la température de désorption, la canalisation de dérivation est fermée, et - au-dessus de la température de déclenchement du catalyseur ainsi qu'au-dessus de la température de désorption, au moins une partie des gaz d'échappement peut circuler dans la canalisation de dérivation et traverser l'adsorbeur pour réaliser la désorption des hydrocarbures, caractérisé par un catalyseur (4) proche du moteur et disposé en amont de la canalisation de dérivation (5) et situé dans le tuyau d'échappement (2), auquel cas, lorsque la température de déclenchement du catalyseur (4) proche du moteur est atteinte, la canalisation de dérivation (5) est fermée au moins jusqu'à ce que soit atteinte la température de déclenchement du catalyseur (3) disposé en aval de l'adsorbeur (6). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la désorption des hydrocarbures est exécutée pendant les phases de fonctionnement du moteur à combustion interne (1) avec interruption de la poussée. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (1) fonctionne pendant un bref intervalle de temps avec un excès d'air pour réaliser la désorption des hydrocarbures dans l'absorbeur (6). 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, ce dispositif comprenant un catalyseur et un adsorbeur comportant un agent de sorption, qui adsorbe des hydrocarbures au-dessous d'une température de désorption et désorbe ces hydrocarbures au-dessus de la température de désorption, l'adsorbeur étant disposé en amont du catalyseur dans une canalisation de dérivation d'un tuyau d'échappement comportant au moins une soupape de commutation pour régler une liaison d'écoulement entre la canalisation de dérivation et le tuyau d'échappement, caractérisé par un catalyseur (4) proche du moteur, disposé dans le tuyau d'échappement (2), en amont de la canalisation de dérivation (5). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les soupapes de commutation (7,8) montées dans le tuyau d'échappement (2) et dans la canalisation de dérivation (5) sont réglables par l'intermédiaire d'un dispositif d'évaluation et de réglage (9). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le catalyseur (3) éloigné du moteur, le catalyseur (4) proche du moteur et l'adsorbeur (6) possèdent des capteurs respectifs de température (10,11, 12), les signaux des capteurs de température (10,11,12) formant des signaux d'entrée du dispositif d'évaluation et de réglage (9). 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour l'évacuation de chaleur à partir des gaz d'échappement, la longueur du tuyau d'échappement (2) entre l'absorbeur (6) et le catalyseur (4) proche du moteur est réglée de telle sorte que lorsque la température de déclenchement du catalyseur (4) proche du moteur est atteinte, la température des gaz d'échappement en amont de l'absorbeur (6) soit encore inférieure à la température de désorption. 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un dispositif de refroidissement des gaz d'échappement est disposé dans la canalisation de dérivation (5) en amont de l'adsorbeur (6). 9. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans une canalisation d'amenée d'air (13), qui débouche dans la canalisation de dérivation (5) en amont de l'adsorbeur (6), est disposée une soupape de commutation (14), qui est réglable au moyen du dispositif d'évaluation et de réglage (9).