Brevet FR2760654A1 — publié le 19980918

Etat de la technique La présente invention concerne un procédé pour réduire l'émission de matières polluantes contenues dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion équipés de cataly- seurs à gaz d'échappement, notamment de véhicules à moteur, selon lequel on ajoute aux gaz d'échappement du moteur à com- bustion interne et selon leur état de fonctionnement, de l'air secondaire fourni par une pompe d'air secondaire. L'invention concerne également un dispositif pour réduire l'émission de matières polluantes contenues dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne équipés de catalyseurs de gaz d'échappement et en particulier de véhicu- les automobiles comprenant une pompe d'air secondaire qui fournit aux gaz d'échappement du moteur à combustion interne, avant le catalyseur et suivant l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne, de l'air secondaire. Environ 80 % de l'émission totale de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures (HC) d'un moteur à combustion interne est émis dans le test (par exemple FTP 75) pendant les 120 premières secondes comme le montre la pratique. La cause est une mauvaise préparation du mélange lorsque le mo- teur est froid ainsi qu'un coefficient de conversion défec- tueux du catalyseur qui ne fonctionne pas encore à la température normale. Pour éviter cette difficulté, il faut chercher à raccourcir le temps de mise en oeuvre du cataly- seur, c'est-à-dire le temps jusqu'à ce que le catalyseur at- teigne sa température de fonctionnement car cela permet de réduire considérablement l'émission de produits polluants. Pour cela, on peut par exemple fournir aux gaz d'échappement en amont du catalyseur, de l'air ambiant avec une pompe d'air secondaire ou une machine soufflante d'air secondaire. Un tel procédé de réduction de l'émission de ma- tières polluantes dans les gaz de combustion des moteurs à combustion interne et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé découlent par exemple du document DE 41 41 946 A1. On fournit aux gaz d'échappement du moteur à com- bustion interne, en amont du catalyseur et en fonction de son état de fonctionnement, de l'air secondaire à l'aide d'une pompe d'air secondaire pour augmenter la température des gaz d'échappement. Cela se fait par exemple en soufflant pendant une courte durée après le démarrage de l'air dans le système des gaz d'échappement en amont du catalyseur dans le cas d'un réglage riche pour le réchauffage (excédent de carburant). Cet excédent d'air conduit pour un niveau de température suf- fisant à une oxydation HC ou CO dans le système d'échappement et ainsi à une température élevée, souhaitée des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement plus chauds réchauffent plus rapidement le catalyseur qui atteint alors sa tempéra- ture de fonctionnement. On connaît en outre des procédés consistant à mé- langer de l'oxygène pur (02) à de l'air frais aspiré pour augmenter la température des gaz d'échappement et réduire ainsi le temps de réponse du catalyseur. De tels procédés de réduction des matières noci- ves émises dans les gaz de combustion de moteurs à combustion interne et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé découlent par exemple du document DE 44 04 681 Cl. Il est prévu selon le document, un enrichissement en oxygène (02) de l'air aspiré par une membrane placée dans une chambre et qui n'est perméable qu'à la molécule d'oxygène (02) La difficulté de ce procédé est que toute la com- mande du moteur doit être accordée sur de l'air enrichi en 02. Il faut pour cela des interventions nombreuses sur le mo- teur. Enfin, l'ensemble de la gestion du moteur à combustion interne doit être modifié. La présente invention a pour but de créer un pro- cédé et un dispositif permettant de réduire l'émission de produits polluants contenus dans les gaz de combustion d'un moteur à combustion interne équipé de catalyseurs pour les gaz d'échappement de façon à permettre par une réalisation technique aussi simple que possible, de réduire le temps de réponse du catalyseur et de réduire ainsi l'émission des ma-35 tières polluantes dans les gaz d'échappement. Avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on augmente la teneur en oxygène (02) par l'air secondaire fourni. Grâce à l'augmentation de la teneur en 02 de l'air secondaire fourni, c'est-à-dire par un enrichissement en 02 des gaz d'échappement en amont du catalyseur, on amé- liore les conditions d'oxydation en amont du catalyseur et dans celui-ci d'une manière très avantageuse; le temps de réponse du catalyseur est ainsi raccourci; cela se traduit par une réduction de l'émission des produits polluants dans les gaz d'échappement de combustion. De plus, il est particu- lièrement avantageux qu'en augmentant la teneur en oxygène de l'air insufflé, on diminue globalement le débit volumique. On diminue ainsi le refroidissement des gaz d'échappement du mo- teur ce qui est également très avantageux pour raccourcir le temps de réponse du catalyseur. Sur le strict plan des principes, les modes de réalisation les plus différents peuvent être envisagés pour augmenter la teneur en oxygène dans l'air secondaire. Ainsi, l'oxygène peut être par exemple fourni par une bouteille à gaz équipant le véhicule. Il peut également provenir d'une pompe d'air secondaire. Dans ce cas, il faut renouveler la bouteille de gaz comprimé contenant de l'oxygène, complètement vide ce qui nécessite la mise en oeuvre de moyens techniques non négli- geables et des moyens structurels. Un mode de réalisation particulièrement avanta- geux prévoit ainsi que l'air secondaire pour augmenter la te- neur en oxygène 02 soit fourni à une chambre équipée d'une membrane perméable seulement aux molécules d'oxygène, c'est- à-dire un module dit de séparation. De cette manière, à l'aide du module de séparation, on peut générer à bord du vé- hicule, et en fonction de la demande, en continu de l'air se- condaire enrichi en oxygène et alimenter les gaz d'échappement. C'est pourquoi, on peut supprimer complètement par exemple les bouteilles à oxygène sous pression. Un autre mode de réalisation très avantageux du procédé prévoit que l'air secondaire enrichi en oxygène 02, après génération dans le module de séparation et avant d'être mélangé aux gaz d'échappement du moteur à combustion interne,5 subit d'abord un stockage intermédiaire dans un réservoir de pression et est fourni aux gaz d'échappement au cours d'un cycle de fonctionnement ultérieur suivant l'état de fonction- nement. De cette manière, on peut enrichir en oxygène l'air secondaire destiné ultérieurement aux gaz d'échappement dans10 des conditions de fonctionnement au cours desquelles on n'a besoin d'aucune insufflation d'air secondaire, par exemple lorsque le véhicule fonctionne en pleine charge. Au cours des cycles de fonctionnement suivants, par exemple pour un démar- rage à froid ou une phase de réchauffage, on peut alors four-15 nir l'air secondaire enrichi en oxygène, stocké entre temps, aux gaz d'échappement. La membrane peut par exemple être formée de céra- mique à conduction mélangée, nécessitant une chute de pres- sion partielle 02 par rapport à la membrane comme force20 d'entraînement. C'est pourquoi, pour éviter une machine souf- flante supplémentaire dans le cas d'un mode de réalisation avantageux, il est prévu de générer une chute de pression partielle, nécessaire, sur la membrane avec la pompe d'air secondaire. La présente invention concerne en outre un dispo- sitif pour réduire l'émission de matières polluantes conte- nues dans les gaz de combustion de moteurs à combustion interne équipés de catalyseurs à gaz d'échappement en parti- culier de véhicules automobiles, comprenant une pompe d'air secondaire qui fournit aux gaz d'échappement du moteur à com- bustion interne, l'air secondaire en amont du catalyseur de gaz d'échappement et selon l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne. Dans ce contexte, le problème de l'invention con- siste à créer un dispositif correspondant au type défini ci- dessus permettant de réduire efficacement l'émission de ma- tières polluantes par les gaz d'échappement provenant de la combustion, et cela avec des moyens techniques aussi réduits que possible. A cet effet l'invention concerne un dispositif pour réduire l'émission de produits polluants contenus dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne équipés de catalyseurs de gaz d'échappement selon le type défini ci- dessus, caractérisé par un enrichissement en oxygène 02 de l'air secondaire. Selon un mode de réalisation avantageux, ces moyens comprennent au moins une membrane placée dans une chambre et qui est perméable aux molécules d'oxygène (module de séparation). On peut ainsi entreprendre un enrichissement en oxygène à bord d'un véhicule automobile. Il est prévu de façon avantageuse que le module de séparation soit en aval de la pompe d'air secondaire. Cela permet d'utiliser la pression appliquée par la pompe d'air secondaire pour créer une chute de pression partielle au ni- veau de la membrane ce qui est par exemple nécessaire dans le cas d'une membrane en céramique, à conduction mélangée, pour l'enrichissement en oxygène 02. Pour stocker l'air enrichi en oxygène à destina- tion de futurs cycles de fonctionnement du moteur à combus- tion interne, un réservoir de pression est prévu en aval du module de séparation dans lequel on stocke provisoirement l'air enrichi en oxygène. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est une vue partiellement arrachée d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour réduire l'émission de matières polluantes par les gaz de combustion de moteurs à combustion interne équipés de catalyseurs d'analyse de gaz d'échappement, - la figure 2 est une vue partiellement arrachée d'un second exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour réduire l'émission de particules polluantes contenues dans les gaz d'échappement de combustion, pour des moteurs à combustion interne équipés de catalyseurs de gaz d'échappement, - la figure 3 est vue partiellement arrachée d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour réduire l'émission des produits polluants contenus dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne. Description des exemples de réalisation Un premier exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour réduire l'émission de produits pol- luants contenus dans les gaz d'échappement de combustion d'un moteur à combustion interne 10 comprend une pompe d'air se- condaire 20 qui reçoit de l'air ambiant enrichi en oxygène, représentée schématiquement par une flèche portant la réfé- rence 22. L'oxygène ou l'air enrichi d'oxygène est pris par15 exemple d'un réservoir sous pression (non représenté) pour être mélangé à l'air ambiant par un dispositif mélangeur. L'oxygène est pris par exemple d'un réservoir d'oxygène em- barqué à bord d'un véhicule automobile non représenté; il peut également obtenir dans un véhicule d'une manière qui se- ra décrite ultérieurement. La commande de la quantité insufflée se fait à l'aide d'une commande de moteur (non représentée) qui com- mande les soupapes secondaires 30 et prédétermine la commande du moteur en fonction de la teneur en oxygène de l'air d'entrée. Pour cela, le point de départ est toujours un rap- port de mélange fixe. L'air enrichi en oxygène est fourni par l'intermédiaire d'un canal 40 au canal d'aspiration de gaz d'échappement 50 du moteur à combustion interne 10 en amont du catalyseur 52. En fournissant de l'air enrichi en oxygène, on produit des réactions exothermiques dans le canal des gaz d'échappement 50 qui peuvent conduire à une élévation de tem- pérature du catalyseur et par suite à un raccourcissement de la durée de mise en oeuvre, c'est-à-dire du temps qui s'écoule entre le catalyseur (par exemple en cas de démarrage à froid) et sa température de fonctionnement. Dans un second exemple de réalisation représenté à la figure 2, les éléments identiques à ceux du premier exemple portent les mêmes références et pour leur description on se référera aux explications données à propos du premier exemple de réalisation. Contrairement au premier exemple de réalisation, dans le second exemple de réalisation de la figure 2, la pompe d'air secondaire 20 est suivie par un module de sépara- tion 70. Ce module 70, placé dans une chambre, comprend une10 membrane qui est seulement perméable aux molécules d'oxygène et il régénère l'air enrichi en oxygène à insuffler, à bord du véhicule à savoir seulement pendant la durée de mise en route de la machine soufflante secondaire 20. De cette manière, chaque fois que la machine soufflante d'air secondaire est mise en route, on réalise en même temps un enrichissement de l'oxygène de l'air secon- daire. Le troisième exemple de réalisation représenté à la figure 3 se distingue de l'exemple de réalisation de la figure 2 en ce que le module de séparation 70 est suivi d'un réservoir sous pression 80 qui assure le stockage intermé- diaire de l'air secondaire enrichi en oxygène fourni par le module de séparation 20, pour servir au cours d'un cycle de fonctionnement ultérieur par exemple en phase de démarrage à froid du moteur à combustion interne et être à ce moment ajouté aux gaz d'échappement. La pompe à air secondaire est mise en route avantageusement dans des situations de fonc- tionnement au cours desquelles il ne faut pas d'insufflation d'air secondaire. La pompe peut également fonctionner en per- manence. De façon avantageuse, la pompe à air secondaire est mise en route dans des cycles de fonctionnement avec ex- cédent d'énergie comme par exemple en mode de poussée iner- tielle ou pendant le freinage du véhicule à moteur. Cela permet d'éviter une surconsommation de carburant, notamment pour former de l'air enrichi en oxygène. L'insufflation se- condaire peut être commandée sans mise en route de la pompe à air secondaire par la soupape d'injection d'air secondaire 30. Pour obtenir l'air d'insufflation enrichi en oxygène dans le module de séparation 60, on peut utiliser différents types de membranes. A titre d'exemple, on peut avoir des membranes en céramique, en dioxyde de zirconium (ZrO2) ou en perovskit. La récupération de l'oxygène à partir de l'air ambiant se fait dans le cas des membranes à dioxyde de zirco- nium par une différence de tension appliquée à la membrane donnant un flux d'électrons par une liaison extérieure entre les deux parties de la membrane. La tension électrique peut, dans ce cas, réaliser une compression de l'oxygène 02 obtenue ainsi sans nécessiter de travail de pompage supplémentaire. 2o Comme pour cela il faut des pressions très élevées (> 10 bars) qui se règlent par la tension, on supprime complètement les compresseurs pour remplir le réservoir sous pression 80. Dans les membranes en céramique à conduction mixte par exemple les membranes perovskit, on utilise une chute de pression partielle d'oxygène des deux côtés de la membrane comme force motrice. Cette différence de pression peut être engendrée par la pompe d'air secondaire 20. Comme on peut utiliser à la fois une membrane à dioxyde de zirconium ou une membrane à conduction mixte pour une utilisation économique, les taux de perméation intéres- sants apparaissent seulement à des températures élevées ( la membrane de la même manière. En outre, on peut réaliser un premier enrichisse- ment en oxygène avec des membranes en matière plastique par exemple des membranes en polymère. De telles membranes en po- lymère permettent de réaliser des teneurs en oxygène allant jusqu'à 40 %. Pour faire fonctionner des modules de sépara- tion 70 équipés de membranes de polymère, il faut un travail de séparation mécanique sous la forme d'un travail de pompage ou de compression générant une chute de pression partielle. Cette possibilité de compression ou de pompage peut, par exemple se réaliser par un couplage approprié entre une pompe et un compresseur et le frein pour utiliser l'énergie cinéti- que à absorber pendant le freinage. De plus, la pompe à air secondaire 20 peut servir à générer la chute de pression. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé pour réduire l'émission de matières polluantes contenues dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion (10) équipés de catalyseurs à gaz d'échappement (52), notam- ment de véhicules à moteur, selon lequel on ajoute aux gaz d'échappement du moteur à combustion interne (10) et selon leur état de fonctionnement, de l'air secondaire fourni par une pompe d'air secondaire 20, caractérisé en ce que10 on augmente la teneur en oxygène (02) par l'air secondaire fourni. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air secondaire est conduit à travers une membrane (module de séparation 70), perméable seulement aux molécules d'oxygène, placées dans une chambre pour augmenter la teneur en oxygène 02. 30) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air secondaire enrichi en oxygène 02, est tout d'abord stocké de manière intermédiaire dans un réservoir de pression (80) avant d'être mélangé aux gaz d'échappement du moteur à combustion interne et les gaz d'échappement reçoivent cet air dans un cycle de fonctionnement ultérieur selon son état de fonctionnement. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu' une chute de pression partielle nécessaire sur la membrane est réalisée par la pompe d'air secondaire (20). ) Dispositif pour réduire l'émission de matières polluantes contenues dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne (10) équipés de catalyseurs de gaz d'échappement (52), et en particulier de véhicules automobiles comprenant une pompe d'air secondaire (20) qui fournit aux gaz 1I d'échappement du moteur à combustion interne (10), avant le catalyseur (52) et suivant l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne (10), de l'air secondaire, caractérisé par des moyens permettant d'enrichir en oxygène 02, l'air secon- daire. 6 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que I( les moyens comprennent au moins une membrane perméable aux molécules d'oxygène, prévue dans l'une des chambres. 7 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module de séparation (70) est en aval de la pompe d'air secondaire (20). 8 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par un réservoir sous pression (80) en aval du module de sépara- tion (70) qui stocke temporairement l'air secondaire enrichi en oxygène 02