Brevet FR2896533A1 — publié le 20070727

Ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un dispositif de traitement de gaz d'échappement. L'invention concerne le domaine général des dispositifs de traitement catalytique pour gaz d'échappement de moteurs à combustion interne de véhicules automobiles. L'invention concerne plus particulièrement une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un dispositif de traitement de gaz d'échappement qui est pourvu d'au moins un catalyseur d'oxydation pour l'épuration des gaz d'échappement et d'un injecteur de carburant situé en amont du catalyseur d'oxydation. L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbones polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. Parmü les systèmes connus pour réduire considérablement la quantité de particules, poussières et autres suies, émises dans l'atmosphère, et satisfaire aux normes antipollution, on peut citer le filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur. En effet, un tel filtre est conçu de manière à pouvoir retenir les particules contenues dans les gaz d'échappement qui le traversent. Cependant, au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contre-pression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances. A cet égard, des dispositifs de régénération pilotés permettent de brûler périodiquement les particules piégées dans le filtre et d'éviter ainsi une élévation importante de la contre-pression à l'échappement et un colmatage du filtre. Cette régénération est effectuée en élevant la température au niveau du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 570 C à 650 C, températures à partir desquelles les particules de carbone retenues dans le filtre s'enflamment instantanément. Pour ce faire, on peut procéder à une injection retardée de carburant, ou post-injection, dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz d'échappement. Toutefois, une telle injection retardée présente l'inconvénient d'élever la température des gaz d'échappement très en amont du filtre à particules, ce qui est susceptible d'engendrer une fatigue mécanique et de provoquer un phénomène de dilution du gasoil dans l'huile de lubrification de moteur. Il en découle ainsi une dégradation de ses propriétés physico-chimiques pouvant aboutir à une usure prématurée du moteur. Pour procéder à une régénération du filtre, on peut également prévoir un dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur la ligne d'échappement et pourvu d'un catalyseur d'oxydation et d'un injecteur de carburant disposé en amont du catalyseur d'oxydation, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Un catalyseur d'oxydation permet d'oxyder en CO2 et H2O les produits résiduels de combustion de type HC/CO. Pour plus de détails sur ce type de dispositif de traitement, on pourra par exemple se référer à la demande de brevet américain 2004/0204818. Un tel dispositif présente l'inconvénient de fortement solliciter le catalyseur d'oxydation. En effet, il doit non seulement permettre la dépollution des gaz d'échappement en réduisant de façon continue les produits résiduels de type HC/CO, mais également réchauffer les gaz 3 d'échappement afin de déclencher une régénération du filtre à particules. Dans ces conditions, on conçoit aisément que le catalyseur d'oxydation soit fortement sollicité thermiquement, ce qui peut être à l'origine d'un vieillissement anticipé, voire d'une casse. Dans le but d'éviter une telle détérioration du catalyseur d'oxydation, la demanderesse a mis au point un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, qui a fait l'objet du dépôt d'une demande de brevet n 04 53187. Cette demande de brevet décrit un dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant un premier catalyseur d'oxydation, un injecteur de carburant, et un second catalyseur d'oxydation disposés d'aval en amont en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. Une telle disposition permet d'obtenir un premier catalyseur apte à réchauffer périodiquement les gaz d'échappement en amont du filtre à particules à l'aide du carburant, lors d'une phase de régénération, et un deuxième catalyseur d'oxydation pouvant traiter les HC/CO contenus dans les gaz d'échappement issus du moteur. Ainsi, il devient possible de dissocier les fonctions d'un catalyseur d'oxydation, ce qui diminue sensiblement la sollicitation de chacun d'entre eux. Toutefois, lors d'une phase de régénération, il subsiste un risque que des gouttes liquides de carburant pulvérisées par l'injecteur de carburant soient entraînées par les gaz d'échappement et se trouvent à l'entrée du catalyseur d'oxydation. Ces gouttes de carburant peuvent créer au niveau du catalyseur d'oxydation des réactions localisées très exothermiques susceptibles de dépasser la température maximale admissible au sein du catalyseur, et de provoquer ainsi son endommagement. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. L'invention a notamment pour but de proposer un traitement des gaz d'échappement de moteur à combustion interne, qui soit particulièrement efficace, économique, fiable, et ce dans un encombrement réduit. A cet effet, l'invention a pour objet, selon un premier aspect, une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, comprenant un dispositif de traitement de gaz d'échappement qui est pourvu d'au moins un catalyseur d'oxydation et d'un injecteur de carburant situé en amont du catalyseur d'oxydation. Selon un aspect de l'invention, l'injecteur de carburant est disposé de façon à orienter un jet de carburant en direction d'une surface de vaporisation à l'intérieur de la ligne d'échappement, ladite surface de vaporisation présentant une température au moins égale à la température d'évaporation totale du carburant injecté. Avec une telle ligne d'échappement, il devient dès lors possible d'obtenir un traitement des gaz d'échappement issus du moteur de manière particulièrement économique et fiable. L'orientation de l'injecteur de carburant de manière à pulvériser le carburant au niveau d'une surface maintenue à une température au moins égale à la température d'évaporation totale du carburant injecté permet de limiter sensiblement le risque d'introduction de gouttes liquides de carburant au niveau du catalyseur d'oxydation, ce qui accroît par conséquent sa fiabilité et sa tenue dans le temps. En effet, le carburant se vaporise au contact de cette surface, ce qui favorise l'élimination des gouttes liquides de carburant avant l'introduction des gaz d'échappement à l'intérieur du catalyseur d'oxydation. Dans un mode de réalisation préféré, la température à laquelle la surface de vaporisation est maintenue est au moins égale à 360 C, le 5 carburant injecté étant du gasoil. Préférentiellement, le dispositif de traitement comprend un catalyseur d'oxydation additionnel monté en amont de l'injecteur de carburant et apte à traiter les HC/CO véhiculés par les gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement. Dans un mode de réalisation préféré, le catalyseur d'oxydation est apte à réchauffer périodiquement les gaz d'échappement à l'aide de l'injecteur de carburant. Avantageusement, le dispositif de traitement comprend encore des moyens pour élever la température de la surface de vaporisation. Dans un mode de réalisation, ces moyens comprennent un élément chauffant électrique. Le dispositif de traitement peut également comprendre au moins un capteur de température disposé au voisinage de la surface de vaporisation, et/ou un filtre à particules. Dans un mode de réalisation préféré, la surface de vaporisation est réalisée en acier ou en fonte. Selon un second aspect, l'invention a également pour objet un procédé de traitement des gaz d'échappement à l'intérieur d'une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, dans lequel on injecte du carburant dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur d'oxydation, ladite injection étant réalisée en direction d'une surface de vaporisation de la ligne d'échappement, présentant une température au moins égale à la température d'évaporation totale du carburant. 6 L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé, représentant schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne selon l'invention. Sur la figure, on a représenté l'architecture générale d'une ligne d'écha.ppement selon l'invention, désignée par la référence numérique générale 1, dans une position supposée horizontale. La ligne d'échappement 1 est reliée à un moteur à combustion interne 2 de véhicule automobile, et comprend un dispositif 3 de traitement des gaz d'échappement issus du moteur 2. Le dispositif 3 comprend un filtre à particules 4, un premier catalyseur d'oxydation 5 et un second catalyseur d'oxydation 6, disposés d'aval en amont, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 1. Le filtre à particules 4 est de type classique et comporte des moyens, par exemple électrostatiques, pour piéger les suies et les particules provenant du moteur 2 et véhiculées par les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 1. Afin de réchauffer les gaz d'échappement lors de phases de régénération du filtre à particules 4, le dispositif 3 comprend également un injecteur de carburant 7 disposé entre les catalyseurs d'oxydation .5 et 6. L'injecteur de carburant 7 est monté en amont du catalyseur d'oxydation 5. L'injecteur de carburant 7 et le catalyseur d'oxydation 5 permettent ainsi d'augmenter la température des gaz d'échappement avant leur entrée à l'intérieur du filtre à particules 4. Le catalyseur d'oxydation 5 est dédié spécifiquement et uniquement à la création de chaleur. 7 Pour traiter les HC et CO provenant des gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne d'échappement 1, le second catalyseur d'oxydation 6 additionnel joue le rôle d'un catalyseur d'oxydation classique dont la sollicitation thermique est continue, contrairement au premier catalyseur d'oxydation 5 sollicité uniquement pendant les phases de régénération du filtre à particules 4. En d'autres termes, le catalyseur d'oxydation 6 est destiné à réduire les hydrocarbures contenus dans les gaz d'échappement, le catalyseur d'oxydation 5 permettant de réchauffer les gaz d'échappement lors d'une phase de régénération du filtre à particules 4. Ainsi, à chacun des catalyseurs d'oxydation 5 et 6, est associée l'une des deux fonctions que l'on peut obtenir avec un catalyseur d'oxydation, ce qui diminue la sollicitation thermique de chacun d'entre eux. En effet, en-dehors des phases de régénération, le catalyseur d'oxydation .5 n'est pas sollicité, les HC et CO véhiculés par le gaz d'échappement ayant été traités au préalable lors de leur passage au niveau du premier catalyseur d'oxydation 6. Par ailleurs, lors de phases de régénération du filtre à particules 4, le dispositif 3 permet également que les gaz d'échappement en sortie du catalyseur d'oxydation 6 ne contiennent plus de HC ni de CO. Par conséquent, les réducteurs qui réagissent dans le catalyseur d'oxydation 5 proviennent uniquement de l'injecteur de carburant 7. Le moteur 2 est associé à une unité de contrôle 10 assurant le contrôle de fonctionnement du moteur, ainsi que le contrôle de fonctionnement des premier et second catalyseurs d'oxydation 5, 6 et du filtre à particules 4, ou de manière générale de la ligne d'échappement 1. 8 Pour procéder au contrôle de la ligne d'échappement 1, sont disposés des premier et second capteurs de pression 1 la et 11b, respectivement en amont du premier catalyseur d'oxydation 5 et en aval du filtre à particules 4, de manière que l'unité centrale 10 puisse procéder au contrôle du fonctionnement du filtre à particules 4 et commander éventuellement une régénération dudit filtre. En variante, il est bien entendu envisageable de disposer le premier capteur de pression 1 la directement en amont du filtre à particules 4, en le positionnant en aval du catalyseur d'oxydation 5. Pour obtenir une mesure de pression différentielle au niveau du filtre à particules 4, il pourrait également être envisageable de prévoir sur la ligne d'échappement 1 un unique capteur de pression apte à mesurer la pression en amont du filtre à particules 4, et d'utiliser un autre capteur de pression en-dehors de ladite ligne d'échappement 1 pour mesurer la pression atmosphérique. Une telle disposition permet notamment d'obtenir une mesure de pression différentielle avec un seul piquage sur la ligne d'échappement 1. Pour procéder au contrôle de fonctionnement de la ligne d'échappement 1, l'unité de contrôle 10 est également reliée à des premier et second capteurs de température 12 et 13 montés directement en amont du premier catalyseur d'oxydation 5, et entre ledit catalyseur d'oxydation 5 et le filtre à particules 4, respectivement. Le capteur de température 12 est ici disposée sur la ligne d'échappement 1 à proximité du capteur de pression 1 1 a et en amont de celui-ci Le capteur de température 12 permet notamment de déterminer la température des gaz d'échappement ayant traversé au préalable le catalyseur d'oxydation 6. En ce qui concerne le second capteur de température 13, celui-ci permet, lors d'une phase de régénération, de 9 connaître la température des gaz d'échappement une fois réchauffés par le premier catalyseur d'oxydation 5. En effet, comme cela est connu en soi, dès que la quantité de particules de suies dans le filtre à particules 4 détectées grâce aux capteurs de pression 1la et 1 lb dépasse une valeur de seuil prédéterminée, l'unité de contrôle 10 commande une phase de régénération consistant à augmenter la température dans le filtre à particules jusqu'au moins 570 C, pour brûler les particules contenues dans les gaz d'échappement. En variante, il est également envisageable de déterminer la quantité de particules de suies dans le filtre à particules à partir d'un modèle d'émission de suies du moteur et de stockage dans ledit filtre. A cet égard, l'unité de contrôle 10 commande une injection de carburant, par l'injecteur de carburant 7 qui possède une tête d'injection radialement en saillie dans la ligne d'échappement 1 et apte à pulvériser le carburant sous forme de gouttes liquides. Afin de limiter le risque d'introduction de ces gouttes de carburant au niveau du catalyseur d'oxydation 5, l'injecteur de carburant 7 est disposé sur la ligne d'échappement 1 à distance dudit catalyseur de manière que le carburant pulvérisé sous forme de gouttes liquides entraînées par les gaz d'échappement viennent en contact avec une surface 14 intérieure inférieure de la ligne d'échappement 1 située an amont du catalyseur d'oxydation 5. La surface 14 constituée par une portion de la surface intérieure de la ligne d'échappement 1 est ainsi située entre l'injecteur de carburant 7 et le catalyseur d'oxydation 5. La surface 14 peut par exemple être située dans une plage allant de 20 cm à 60 cm du catalyseur d'oxydation 5, et située à environ 20 cm de l'injecteur de carburant 7. 10 En d'autres termes, la surface 14 est ici située en aval de l'injecteur 7 de carburant, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne 1. Toutefois, dans une variante de réalisation, il est également envisageable de disposer la surface 14 en amont de l'injecteur 7 de carburant, en considérant le sens de circulation des gaz d'échappement. La surface 14 est ainsi située entre le catalyseur d'oxydation 6 et l'injecteur 7 de carburant. Cette disposition peut s'avérer particulièrement avantageuse suivant la conception de la ligne d'échappement 1. Dans ces conditions, la surface 14 peut être située à environ 20 crn de l'injecteur 7 de carburant. De manière à obtenir une vaporisation du carburant pulvérisé par l'injecteur 7 de carburant au niveau de la surface 14, celle-ci est maintenue à une température au moins égale à la température pour laquelle l'évaporation du carburant injecté est totale. Dans ces conditions, la surface 14 constitue une surface de vaporisation du carburant permettant de limiter sensiblement l'apparition de gouttes de carburant à l'entrée du catalyseur d'oxydation 5, ce qui accroît sensiblement la tenue mécanique et chimique dudit catalyseur dans le temps et augmente, par conséquent, la fiabilité de la ligne d'échappement 1. Lorsque le carburant injecté par l'injecteur 7 est du type gasoil, la demanderesse a déterminé que la température permettant d'obtenir une évaporation totale du carburant est légèrement supérieure à 360 C. Ainsi, pour ce type de carburant, il est nécessaire de prévoir de maintenir la surface 14 de vaporisation à une température supérieure à 360 C. Avantageusement, la température de la surface 14 de vaporisation est supérieure à 360 C, et inférieure ou égale à 380 C. Cette plage de température permet en effet d'obtenir une vaporisation 11 totale du gasoil injecté tout en limitant l'apport énergétique nécessaire. Dans le but de maintenir la surface 14 de vaporisation à une température au moins égale à la température pour laquelle l'évaporation du carburant injecté est totale, le dispositif 3 comprend également des moyens pour élever la température au niveau de ladite surface. Ces moyens d'élévation de la température sont pourvus d'un élément chauffant 15 électrique monté à l'intérieur de la ligne d'échappement 1, au niveau de la surface de vaporisation 14, et relié électriquement à une source de courant 16 qui permet de générer un échauffement de l'élément 15. La source de courant 16 est commandée par l'unité de contrôle 10. L'élément chauffant 15 peut par exemple être un cordon chauffant fixé sur la surface 14. Pour procéder au contrôle de la température de la surface 14 de vaporisation, l'unité de contrôle 10 utilise les données transmises par le capteur de température 12 qui est disposé en amont du catalyseur d'oxydation 5, et en aval de ladite surface 14 de vaporisation, à son voisinage. En variante, afin d'obtenir une surface 14 de vaporisation présentant une température au moins égale à la température pour laquelle l'évaporation du carburant injecté est totale, il pourrait également être envisageable d'augmenter localement la température des gaz d'échappement au niveau de cette surface 14 de vaporisation. Pour ce faire, on pourrait procéder à une injection retardée de carburant, ou post-injection, dans les chambres de combustion du moteur 2, par exemple en injectant du carburant après le point mort haut lors de la phase de détente, de manière à augmenter la température des gaz d'échappement. Il est également envisageable de 12 prévoir une ou plusieurs injections tardives, c'est-à-dire nettement après le point mort haut, de manière que le carburant ainsi injecté ne brûle pas dans la chambre de combustion du moteur, mais au niveau du catalyseur d''oxydation 6. Toutefois, de telles injections présentent l'inconvénient d'élever la température des gaz d'échappement très en amont du filtre à particules 4. Grâce à l'invention, on obtient ainsi une ligne d'échappement particulièrement fiable, dans laquelle le risque d'introduction de gouttes sous forme liquide d'un carburant, du type gasoil ou essence, au niveau du premier catalyseur d'oxydation associé au filtre à particules est particulièrement faible, et dans laquelle les premier et second catalyseurs d'oxydation ont des rôles distincts, à savoir respectivement le traitement des hydrocarbures et le réchauffement des gaz d'échappement de manière à ce que la sollicitation thermique de chacun d'entre eux diminue. REVENDICATIONS 1-Ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement (3) de gaz d'échappement qui est pourvu d'au moins un catalyseur d'oxydation (5) et d'un injecteur de carburant (7) situé en amont du catalyseur d'oxydation, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant est disposé de façon à orienter un jet de carburant en direction d'une surface (14) de vaporisation de la ligne d'échappement, ladite surface de vaporisation présentant une température au moins égale à la température d'évaporation totale du carburant injecté. 2-Ligne d'échappement selon la revendication 1, dans laquelle ladite température est supérieure à 360 C, le carburant injecté étant du gasoil. 3- Ligne d'échappement selon la revendication 2, dans laquelle ladite température est supérieure à 360 C, et inférieure ou égale à 380 C. 4-Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de traitement comprend un catalyseur d'oxydation (6) additionnel monté en amont de l'injecteur de carburant et apte à traiter les HC et CO véhiculés par les gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement. 5-Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le catalyseur d'oxydation (5) est apte à réchauffer périodiquement les gaz d'échappement à l'aide de l'injecteur de carburant. 6-Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de traitement (3) comprend en outre des moyens pour élever la température de la surface (14 ) de vaporisation. 7-Ligne d'échappement selon la revendication 6, dans laquelle lesdits moyens comprennent un élément chauffant (15) électrique. 8-Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de traitement (3) comprend au moins un capteur de température (12) disposé au voisinage de la surface (14) de vaporisation. 9- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de traitement (3) comprend en outre un filtre à particules (4). 10- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface (14) de vaporisation est réalisée en acier, ou en fonte. 11-Procédé de traitement des gaz d'échappement à l'intérieur d'une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, dans lequel on injecte du carburant dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur d'oxydation, caractérisé en ce qu'on injecte le carburant en direction d'une surface de vaporisation de la ligne d'échappement présentant une température au moins égale à la température d'évaporation totale du carburant injecté.20