Brevet FR2820341A1 — publié le 20020809

La présente invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur à essence, comportant un catalyseur accumulateur et un dispositif de chauffage complémentaire pour chauffer la veine des gaz d'échappement dans un boîtier commun. Etat de la technique La réglementation concernant l'émission des gaz d'échappement par les véhicules automobiles est de plus en plus renforcée à mesure que progresse l'état des connaissances pour protéger la santé et l'environnement. Pour respecter cette réglementation, on utilise à côté de carburants modifiés, également des catalyseurs accumulateurs d'oxydes d'azote NOx, pour stocker les oxydes d'azote émis par les moteurs fonc- tionnant au régime maigre et pour lesquels la combustion se fait avec un excédent d'air (X > 1) dans la veine des gaz d'échappement. A cela s'ajoute seulement une faible émission de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures mais avec une émission relativement élevée d'oxydes d'azote NOx, les gaz d'échappement contenant notamment du monoxyde d'azote (NO). Alors que les catalyseurs accumulateurs NOx absorbent les combinaisons NOx contenues dans les gaz d'échappement, pendant leur phase de stockage, pendant leur phase de stratification, le taux d'absorption dépend notamment du traitement des catalyseurs accumu- lateurs si bien qu'à certains intervalles, il faut une régénération. La régé- nération se fait avant tout si la concentration en NOx mesurée dans le catalyseur accumulateur est trop élevée par rapport à la réglementation. Pour régénérer le catalyseur accumulateur NOx, on génère en général une atmosphère réductrice de gaz d'échappement (X Du fait des rapports soustoechiométriques air/carburant (. d'hydrocarbures (HC). Ces agents réducteurs tels que l'hydrogène (H2) ré- génèrent pendant la courte phase de régénération, le catalyseur accumu- lateur NOx et les combinaisons NOx accumulées sont décomposées avec le monoxyde de carbone (CO) et le carburant (HC) ou l'hydrogène (H2) dans le catalyseur, donnant surtout de l'azote (N2) ou du dioxyde de carbone (C02) et de l'eau (H20). De manière générale, le fonctionnement de moteurs à es- sence tant en mode maigre qu'en mode riche est facile à réaliser. Toute- fois, dans le cas de moteurs à injection directe, dans la phase de charge partielle, en mode de fonctionnement maigre, souvent les températures de fonctionnement ne sont pas optimales pour le catalyseur accumulateur. On arrive alors au mieux à la limite de température inférieure, spécifiée par le fabricant du catalyseur dans la plage de travail du catalyseur ac- cumulateur NOx. Jusqu'à présent, on utilise des moyens internes au moteur, des chauffages électriques ou des brûleurs à carburant pour assurer le chauffage complémentaire de la veine des gaz d'échappement. La con- sommation énergique supplémentaire ou consommation de carburant, relativement importante par le brûleur constitue toutefois un inconvé- nient. Or, des quantités importantes d'énergie supplémentaire ou de car- burant supplémentaire vont à l'encontre du concept de moteurs fonctionnant en régime maigre. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec un catalyseur accumulateur et un dispositif de chauffage complé- mentaire, pour chauffer la veine des gaz d'échappement, améliorant le fonctionnement du catalyseur accumulateur et réduisant de manière si- gnificative en même temps la quantité d'énergie à fournir ou de carburant à fournir. Solution de l'invention Ce problème est résolu selon l'invention par un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé par un échangeur de chaleur pour pré- chauffer la veine des gaz d'échappement à l'aide de la chaleur dégagée par la veine de gaz d'échappement préchauffée par le dispositif de chauffage complémentaire. De manière avantageuse, l'échangeur de chaleur selon l'invention réalise une récupération de la chaleur des gaz d'échappement pour le fonctionnement du catalyseur accumulateur ce qui réduit considé- rablement le bilan énergétique pour atteindre la température de fonction- nement du catalyseur accumulateur. En même temps, on peut réaliser l'échangeur de chaleur pour compenser des variations de températures relativement fortes de la veine des gaz d'échappement, améliorant le fonctionnement et la durée de vie du catalyseur accumulateur. Selon un développement particulier de l'invention, l'échangeur de chaleur est placé dans le boîtier commun du catalyseur accumulateur et du dispositif de chauffage complémentaire. Cela se tra- duit par une variante particulièrement compacte et peu encombrante du dispositif selon l'invention avec une meilleure récupération de la chaleur. Cela est avantageux notamment pour les applications à la construction automobile car ainsi le dispositif selon l'invention peut se monter de ma- nière relativement simple et peu encombrante sous le véhicule. Le cas échéant l'échangeur de chaleur peut également être réalisé par une dispo- sition correspondante de la conduite des gaz d'échappement ou autour du catalyseur accumulateur. De manière préférentielle, le dispositif de chauffage com- plémentaire comporte au moins un élément chauffant électrique. Le dis- positif de chauffage complémentaire peut être alimenté à partir d'une batterie électrique ou d'un accumulateur ou d'un générateur. En particu- lier le générateur est celui du véhicule entraîné de préférence par le mo- teur à combustion interne. De manière avantageuse, le corps du catalyseur comporte un élément chauffant avec une résistance électrique, une inductance ou une capacité et le cas échéant un fil chauffant ou une source de rayonne- ment d'énergie, intégrée directement dans le corps du catalyseur. Selon un développement avantageux de l'invention, le dis- positif de chauffage complémentaire comprend au moins un brûleur. Cela permet avantageusement d'alimenter le brûleur avec le carburant du mo- teur à combustion interne ou analogue. A titre d'exemple, on peut utiliser un brûleur à flamme ouverte et/ou un brûleur catalytique. En principe on peut également prévoir des moyens internes au moteur pour augmenter la température de la veine de gaz d'échappement comme par exemple une phase de combustion avec un rapport d'air (X = 1), un retard à l'allumage ou un moyen analogue et par exemple dans le cas d'un retard à l'injection dans le cas d'un moteur die- sel, on augmente la teneur en hydrocarbures dans les gaz d'échappement ce qui peut être utilisé comme agent réducteur pour vider le catalyseur accumulateur. Selon un mode de réalisation avantageux, il est prévu au moins un dispositif de refroidissement avec un fluide de refroidissement pour refroidir le catalyseur accumulateur. Ainsi par exemple dans des phases de fonctionnement correspondantes avec des gaz d'échappement très chauds, comme en mode de charge maximale, on évite la surchauffe et ainsi l'endommagement ou la destruction du catalyseur accumulateur. Il est également avantageux de refroidir le catalyseur accumulateur, indé- pendamment de l'utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. Selon un développement possible de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend le dispositif de refroidissement pour refroidir le ca- talyseur accumulateur. De manière préférentielle, suivant le mode de fonctionnement du moteur à combustion interne, on peut utiliser de ma- nière multiple l'échangeur de chaleur selon l'invention, par exemple pour préchauffer ou pour refroidir la veine de gaz d'échappement émise par le moteur à combustion interne. De façon avantageuse, il est prévu au moins une commande du dispositif selon l'invention qui agit sur le dispositif de chauffage complémentaire et/ou le dispositif de refroidissement avant tout à l'aide de capteurs de température et/ou de gaz, pour en commander le fonctionnement et/ou réguler la puissance de chauffage fournie. Comme fluide de refroidissement du dispositif de refroidis- sement on peut utiliser par exemple un métal liquide, de l'huile thermique ou un fluide analogue. On utilise de préférence comme fluide de refroidis- sement du dispositif de refroidissement, un fluide comportant au moins en partie de l'air. Cela permet, par exemple grâce à des ventilateurs ou des moyens analogues, de fournir le cas échéant de l'air froid comme fluide de refroidissement à l'échangeur de chaleur pour le refroidir de manière cor- respondante. Selon une variante avantageuse, le fluide de refroidissement du dispositif de refroidissement est un fluide contenant au moins en par- tie de l'eau. Le cas échéant on peut fournir de l'eau de refroidissement comme fluide de refroidissement à l'échangeur de chaleur par exemple des conduites traversées par de l'eau en particulier des conduites en serpen- tin, passant dans l'échangeur de chaleur et/ou prévues au moins en par- tie autour de celui-ci. Selon un développement particulier de l'invention, il est prévu une unité de refroidissement pour refroidir le moteur à combustion interne pour le fluide de refroidissement du dispositif de refroidissement. Cela réduit à un minimum les moyens mis en oeuvre pour refroidir l'échangeur de chaleur selon l'invention car une telle unité de refroidisse- ment équipe nécessairement chaque moteur à combustion interne. La commande peut se faire avantageusement à l'aide de capteurs régulant le refroidissement du moteur à combustion interne et/ou du dispositif de refroidissement selon l'invention. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'échangeur présente une structure augmentant sa surface. Cela améliore de façon complémentaire la récupération de chaleur par l'échangeur de chaleur. On peut par exemple prévoir plusieurs échangeurs de chaleur selon l'invention notamment branchés en parallèle et/ou des parois d'échange de chaleur non planes, structurées ou analogues, de l'échangeur de chaleur qui améliorent considérablement le transfert de chaleur selon l'invention. En principe tous les modes de réalisation de l'invention aboutissent à une réduction significative de l'énergie complémentaire né- cessaire ce qui permet un fonctionnement beaucoup plus économique et plus écologique que celui de l'état de la technique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un autre dispositif selon l'invention. Description des exemples de réalisation La figure 1 montre un dispositif selon l'invention. Dans ce- lui-ci, un flux d'alimentation 1, c'est-à-dire les gaz d'échappement émis par le moteur à combustion interne, est préchauffé dans un échangeur de chaleur 2 selon l'invention, par la chaleur dégagée par une veine 9 chauf- fée par une source de chaleur 4. Le préchauffage de la veine d'alimentation 1 se fait le long d'une paroi d'échange de chaleur 3. A une extrémité de la paroi 3 de l'échangeur de chaleur on a une zone de chauf- fage 5, équipée d'une source de chaleur 4. Il est prévu un boîtier com- mun 10. La figure 1 montre notamment une phase de fonctionne- ment d'un brûleur constituant une source de chaleur 4, suivant une re- présentation schématique; toutefois on peut également réaliser d'autres sources de chaleur telles qu'une source électrique ou une source chimique 4, par exemple effectuant une conversion catalytique du carburant du moteur à combustion interne. Le cas échéant on peut également utiliser des sources de chaleur distinctes 4 ou encore des sources de chaleur 4 intégrées dans un catalyseur 6, 7. Au niveau de la zone de chauffage 5 selon la figure 1 ou entre la zone de chauffage 5 et l'échangeur de chaleur 2 selon la figure 2, on a représenté avantageusement deux catalyseurs 6, 7; l'un des cataly- seurs 6, 7 peut le cas échéant être supprimé. Le dispositif représenté à la figure 2 montre une variante de l'échangeur de chaleur 2 selon l'invention, de la paroi d'échangeur de chaleur 3, la zone de chauffage 5 et éventuel- lement le catalyseur 6 étant installés de manière séparée. En particulier, pour protéger les catalyseurs de stockage 6, 7, le dispositif tel que représenté selon la figure 1 comporte des dispositifs de refroidissement 8a, 8b, 8c; toutefois un seul des dispositifs de refroi- dissement 8a, 8b, 8c peut suffire pour refroidir le dispositif selon l'invention. Le dispositif de refroidissement 8a refroidit le flux d'alimentation 1 déjà dans la zone d'entrée de l'échangeur de chaleur 2 ce qui se traduit par un fort refroidissement avantageux, de la veine d'alimentation 1 avant que celle-ci n'arrive dans les catalyseurs 6, 7. Les dispositifs de refroidissement 8b, 8c refroidissent avantageusement la plage particulièrement chaude de la zone de chauffage 5 pour permettre de réaliser un refroidissement avantageusement rapide de la zone de chauffage 5 ou du dispositif selon l'invention, la source de chauffage 4 étant hors service. On peut également prévoir un réservoir d'eau, séparé pour le liquide de refroidissement du dispositif de refroidissement 8a, 8c. En principe, l'échangeur de chaleur 2 selon l'invention évite de trop fortes variations de la température des gaz d'échappement au ni- veau des catalyseurs 6, 7 ce qui se traduit par un meilleur fonctionnement et le cas échéant à une augmentation de la durée de fonctionnement du dispositif selon l'invention. On évite surtout les fortes augmentations de température ce qui peut le cas échéant se répercuter de manière avanta- geuse sur la charge des catalyseurs 6, 7. Le dispositif selon l'invention s'applique à la fois à des moteurs à essence ou à des moteurs diesel. NOMENCLATURE 1 Veine d'alimentation 2 Echangeur de chaleur 3 Paroi de l'échangeur de chaleur 4 Source de chauffage (source chaude) Zone de chauffage 6 Catalyseur 7 Catalyseur 8 Dispositif de refroidissement 9 Veine de sortie Boîtier REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à com- bustion interne, notamment d'un moteur à essence, comportant un cata- lyseur accumulateur (6, 7) et un dispositif de chauffage complémentaire (4) pour chauffer la veine des gaz d'échappement (1) dans un boîtier commun (10), caractérisé par un échangeur de chaleur (2) pour préchauffer la veine des gaz d'échappement (1) à l'aide de la chaleur dégagée par la veine de gaz d'échappement (9) préchauffée par le dispositif de chauffage complémen- taire (4). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (2) est logé dans le boîtier commun (10). 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage complémentaire (4) comporte au moins un élé- ment chauffant électrique. 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage complémentaire (4) comporte au moins un brû- leur (4). ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par au moins un dispositif de refroidissement (8a, 8b, 8c) avec un fluide de refroidissement pour refroidir le catalyseur accumulateur (6, 7). 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (2) comprend le dispositif de refroidissement (8) pour refroidir le catalyseur accumulateur. 7 ) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement du dispositif de refroidissement (8) est un fluide qui comporte au moins en partie de l'air. 8 ) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement du dispositif de refroidissement (8) est un fluide comportant au moins en partie de l'eau. 9 ) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu' une unité de refroidissement pour refroidir le moteur à combustion in- terne, est prévue pour refroidir le fluide de refroidissement du dispositif de refroidissement (8). 10 ) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par un dispositif de régulation pour réguler le dispositif de chauffage complé- mentaire (4) et/ou le dispositif de refroidissement (8) à l'aide de capteurs chimiques et/ou dépendant de la température et/ou d'un champ de ca- ractéristiques du moteur à combustion interne. 11 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (2) a une structure augmentant la surface. 12 ) Véhicule équipé d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne notamment d'un moteur à essence comportant un catalyseur accumulateur (6, 7), avec un dispositif de chauffage complémentaire (4) pour chauffer la veine des gaz d'échappement (1), caractérisé en ce qu' il est prévu un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.