Brevet FR2917790A1 — publié le 20081226

DEMANDE DE BREVET B07-0681 FR - JT/PG Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de traitement de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile et procédé associé. Invention de : LAGREZE Frédéric UNGER Lomig 2 Système de traitement de gaz d'échappement pour moteur à combustion interne de véhicule automobile et procédé associé. La présente invention concerne un système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, et notamment d'un moteur Diesel. L'hétérogénéité des processus de combustion dans les moteurs, en particulier dans les moteurs Diesel, a pour effet de générer des particules de carbone polluantes dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. Parmi 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 contrepression 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 éventuel colmatage du filtre. Cette régénération est effectuée en élevant la température au niveau du filtre à particules. De manière à diminuer les émissions de particules polluantes du moteur particulièrement nocives, et les émissions d'oxydes d'azote, les véhicules automobiles peuvent être équipés de systèmes de recirculation de gaz d'échappement (EGR) qui sont destinés à réinjecter, dans le répartiteur d'admission du moteur, une partie des 3 gaz d'échappement issus de la combustion réalisée lors de cycles de fonctionnement précédents et donc appauvris en oxygène. La quantité d'oxydes d'azote est en effet fortement liée à la composition du mélange réactif dans les cylindres du moteur en air, en carburant, et à la présence de gaz inertes. Ainsi, en prévoyant une recirculation des gaz d'échappement, on injecte dans les cylindres du moteur des gaz inertes, lesquels permettent de diminuer la quantité d'oxydes d'azote produit par le moteur. Cette recirculation est cependant susceptible d'accroître de manière non négligeable la quantité de fumée dans les gaz d'échappement si elle n'est pas correctement réglée. Pour diminuer les émissions de particules polluantes du moteur par appauvrissement en oxygène de l'air destiné à être admis à l'intérieur du moteur, il est possible d'utiliser, de façon alternative, une membrane telle que décrite dans la demande de brevet WO 03/064844. On connaît encore par le brevet américain US 5, 649, 517, un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion qui est pourvu d'une membrane de séparation des gaz apte à séparer le diazote de l'oxygène en vue de l'alimentation du moteur, et d'un réacteur plasma alimenté avec de l'air enrichi en azote ayant traversé la membrane et relié à une conduite débouchant dans la ligne d'échappement du moteur. Le réacteur plasma permet une injection d'azote monoatomique dans la ligne d'échappement de manière à obtenir une conversion des oxydes d'azote véhiculés par les gaz d'échappement. Ce système présente l'inconvénient de nécessiter une production de plasma qui est énergétiquement chère. En outre, pour 4 favoriser l'appauvrissement en oxygène de l'air destiné à alimenter le moteur, le système de traitement comprend également une pompe montée entre ledit moteur et la membrane de façon à générer une dépression en aval de celle-ci. Ceci accroît encore le coût du système. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, la présente invention a pour but de prévoir un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile qui soit particulièrement efficace, économique et fiable. La présente invention a encore pour but de prévoir un système apte à permettre une aide au fonctionnement d'un dispositif de traitement de gaz d'échappement monté sur la ligne d'échappement du moteur. Dans un mode de réalisation, le système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement, comprend au moins un module de séparation de gaz alimenté en air et apte à fournir de l'air appauvri en oxygène au moteur, et au moins un premier conduit de recirculation relié à la ligne d'échappement et au module de séparation de gaz pour récupérer une partie des gaz d'échappement issus du moteur et former un flux de purge à l'intérieur du module de séparation de gaz favorisant la séparation des molécules d'oxygène. L'utilisation d'une partie des gaz d'échappement présentant une faible teneur en oxygène permet d'obtenir en sortie du module de séparation, de façon simple et économique, un appauvrissement plus aisé en oxygène de l'air destiné à alimenter les chambres de combustion du moteur. Avantageusement, le système comprend un filtre à particules, le premier conduit de recirculation étant relié à la ligne d'échappement en aval du filtre à particules. Une telle disposition permet de limiter un éventuel 5 encrassement du module de séparation. En effet, la teneur en suies des gaz d'échappement est sensiblement nulle, en aval du filtre à particules. Préférentiellement, le système comprend en outre un second conduit de recirculation relié au module de séparation de gaz et à la ligne d'échappement en amont du filtre à particules pour réintroduire, dans la ligne d'échappement, un flux enrichi en oxygène issu du module de séparation de gaz. Les gaz d'échappement enrichis en oxygène peuvent donc être réadmis lors de purges du filtre à particules et favoriser ainsi sa régénération. Avantageusement, le système comprend des vannes de recirculation pilotées associées aux premier et second conduits de recirculation. Dans un mode de réalisation, le module de séparation de gaz est pourvu d'au moins une membrane comprenant des fibres creuses cylindriques perméables par exemple à l'oxygène. Dans un mode de réalisation, le système comprend un mélangeur/détendeur monté entre le module de séparation de gaz et le moteur. Le mélangeur/détendeur peut être alimenté par de l'air extérieur. Le système de l'invention s'applique à tout type de moteur. Lorsque le moteur est équipé d'un groupe turbocompresseur, le module de séparation de gaz est monté en aval dudit groupe. Avantageusement, le système de l'invention est utilisé dans un moteur Diesel. 6 L'invention a également pour objet un procédé d'appauvrissement en oxygène pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, dans lequel on alimente un module de séparation de gaz en air et en gaz d'échappement de manière à former un flux de purge à l'intérieur du module de séparation de gaz et favoriser la diminution de la teneur en oxygène de l'air en sortie du module de séparation de gaz qui est destiné à être admis à l'intérieur du moteur. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé représentant schématiquement un système de traitement de gaz d'échappement selon la présente invention. Sur la figure, on a représenté, de manière schématique, un moteur 10 en sortie duquel se trouve une ligne d'échappement 12 sur laquelle est positionné un dispositif de traitement des gaz d'échappement issus du moteur et comprenant un filtre à particules 14. Le filtre à particules 14 est de type classique et comporte des moyens pour piéger les suies et les particules provenant du moteur 10 et véhiculées par les gaz d'échappement symbolisés par la flèche 16. Dans l'exemple de réalisation considéré, le dispositif de traitement comprend uniquement le filtre à particules 14. Toutefois, on conçoit aisément qu'il est également possible de prévoir un catalyseur d'oxydation monté en aval du filtre à particules, en considérant la circulation de gaz d'échappement à l'intérieur de la ligne d'échappement 12. Le moteur 10 est alimenté en air frais, dont le flux est symbolisé par la flèche 18, par une conduite 20 sur laquelle se trouve un compresseur 22 d'un groupe turbocompresseur et un filtre à air 24 7 disposé en amont dudit compresseur, en considérant le sens de circulation de l'air. De manière à permettre une réduction des émissions d'oxydes d'azote, il est prévu un module de séparation 26 de gaz monté sur la conduite 20 en aval du compresseur 22, un premier conduit de recirculation 28 des gaz d'échappement piqué sur la ligne d'échappement 12 en aval du filtre à particules 14 et relié au module de séparation 26, et un second conduit de recirculation 30 relié également au module de séparation 26 et à la ligne d'échappement 12. Les premier et second conduits de recirculation 28 et 30 débouchent à l'intérieur du module de séparation 26. Pour permettre un pilotage du flux de gaz d'échappement recirculé à l'intérieur du premier conduit de recirculation 28, et symbolisé par la flèche 29, une vanne de recirculation 50 est prévue entre ledit conduit et la ligne d'échappement 12. Le module de séparation 26 de gaz est pourvu d'une coque ou calandre 31 cylindrique et d'une membrane 32 représentée schématiquement en pointillés. La membrane 32 est constituée par une pluralité de fibres creuses cylindriques (non représentées), comme cela est décrit dans le document US 5, 649, 517. Ces fibres creuses sont constituées par exemple de polymères. Les fibres s'étendent axialement à l'intérieur de la calandre 31 sur l'ensemble de sa longueur, selon la direction d'écoulement du flux d'air 18. Un espace annulaire 33 radial vide est ménagé entre la membrane 32 et la calandre 31. Les conduites de recirculation 28, 30 débouchent radialement à l'intérieur de la calandre 31 de manière à être en communication fluidique avec l'espace annulaire 33. Les fibres creuses de la membrane 32 sont aptes à permettre une circulation des molécules de diazote (N2) véhiculées par le flux 8 d'air 18 sans absorption au niveau de leurs parois, tout en assurant une diffusion radiale des molécules de dioxygène (02) à travers lesdites parois en direction de l'espace annulaire 33. En d'autres termes, la membrane 32 a une plus grande sélectivité au dioxygène qui diffuse plus rapidement au travers des parois des fibres que le diazote. La force de diffusion d'une espèce chimique à travers la membrane 32 dépend notamment de la différence de pression partielle existante de l'espèce considérée de part et d'autre du module de séparation 26. De manière à favoriser l'appauvrissement en oxygène du flux d'alimentation 18 véhiculé par la conduite 20, la pression partielle d'air est augmentée en amont du module de séparation 26 par l'intermédiaire du compresseur 22, et diminuée en aval dudit module de par la recirculation des gaz d'échappement présentant une faible teneur en dioxygène à l'intérieur du module de séparation 26, et plus précisément au niveau de l'espace 33 annulaire. A titre indicatif, la Demanderesse a déterminé qu'une circulation de gaz d'échappement à l'intérieur du module de séparation 26 comparée à une alimentation en air standard permet d'obtenir une augmentation de l'ordre de 60% de la force de diffusion du dioxygène à travers la membrane 32, sous une pression de 2 atm. On obtient donc au niveau de la conduite de recirculation 30, un flux d'air enrichi en dioxygène, illustré par la flèche 34, qui est destiné à être redirigé vers la ligne d'échappement 12. A la sortie du module de séparation 26, l'air destiné au moteur 10, qui est illustré schématiquement par la flèche 36, est enrichi en diazote. Ainsi, un flux de perméat véhiculé par la conduite de recirculation 30 constitue une phase enrichie en dioxygène, tandis qu'un flux de rejet ou de retentat véhiculé en direction du moteur 10 9 présente une teneur enrichie en diazote par rapport à l'air standard, et ce, grâce à l'utilisation d'un flux de purge passant dans l'espace 33 annulaire et favorisant le rendement de séparation. Avant son introduction à l'intérieur du moteur 10, le flux d'air 36 enrichi en diazote est dirigé vers un mélangeur/détendeur 38. Pour contrôler le flux d'air transmis vers ledit mélangeur/détendeur 38, une vanne pilotée 40 est prévue. Le mélangeur/détendeur 38 comprend également une conduite 42 destinée à capter de l'air extérieur au moteur. La quantité d'air extérieur dirigée vers ledit mélangeur/détendeur est pilotée par une vanne 44. En fonction des besoins du moteur 10, on ajuste les flux d'air enrichi en diazote et d'air extérieur transmis au mélangeur/détendeur 38. Comme mentionné précédemment, le flux d'air enrichi en 02 est dirigé vers la ligne d'échappement 12. Plus précisément, le conduit de recirculation 30 débouche sur la ligne d'échappement 12, en amont du filtre à particules 14. Le conduit de recirculation 30 comprend également une dérivation 46 de manière à permettre une redirection du flux d'air enrichi en 02 dans la ligne d'échappement 12, en aval du filtre à particules 14. La dérivation 46 débouche ici en aval de l'embranchement du conduit 28. Les premier et second conduits 28, 30 ainsi que la dérivation 46 forment un circuit de recirculation des gaz d'échappement. Une vanne de recirculation 48 pilotée est prévue entre le conduit de recirculation 30 et la dérivation 46. Ainsi, lors d'une phase de régénération du filtre à particules 14, le flux d'air enrichi en 02 est redirigé vers la ligne d'échappement 12 en amont de celui-ci de manière à favoriser sa purge. Au contraire, lorsque la régénération du filtre à particules 14 n'est pas nécessaire, le flux d'air enrichi en 10 oxygène est réintroduit dans la ligne d'échappement 12, via la dérivation 46, en aval du filtre 14. Grâce à l'invention, on dispose d'un système de traitement des gaz d'échappement qui permet non seulement une réduction des émissions d'oxydes d'azote du moteur par diminution de la teneur en oxygène de l'air admis à l'intérieur de celui-ci, mais également une aide au fonctionnement d'un filtre à particules monté sur la ligne d'échappement du moteur lors de phases de purge. Bien que dans le mode de réalisation décrit, l'alimentation en air frais s'effectue par l'intérieur des fibres de la membrane et l'obtention d'un flux de perméat s'obtient par diffusion au travers de la membrane et passage dans l'espace annulaire entre les fibres et la calandre du module de séparation, on conçoit aisément qu'il pourrait être possible sans sortir du cadre de l'invention, de prévoir une alimentation en air frais via l'espace annulaire et l'obtention d'un flux de perméat par diffusion au travers de la membrane et passage à l'intérieur des fibres de la membrane. REVENDICATIONS 1-Système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile pourvu d'une ligne d'échappement (12), le système comprenant au moins un module de séparation (26) de gaz alimenté en air et apte à fournir de l'air appauvri en oxygène au moteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier conduit de recirculation (28) relié à la ligne d'échappement et au module de séparation (26) de gaz pour récupérer une partie des gaz d'échappement issus du moteur et former un flux de purge à l'intérieur du module de séparation de gaz favorisant la séparation des molécules d'oxygène. 2-Système selon la revendication 1, comprenant un filtre à particules (14), le premier conduit de recirculation (28) étant relié à la ligne d'échappement en aval du filtre à particules. 3-Système selon la revendication 2, comprenant en outre un second conduit de recirculation (30) relié au module de séparation (26) de gaz et à la ligne d'échappement en amont du filtre à particules (14) pour réintroduire, dans la ligne d'échappement, un flux enrichi en oxygène issu du module de séparation de gaz. 4-Système selon la revendication 3, comprenant des vannes de recirculation (48, 50) pilotées associées aux premier et second conduits de recirculation (28, 30). 5-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module de séparation (26) de gaz est pourvu d'au moins une membrane (32) comprenant des fibres creuses cylindriques perméables par exemple à l'oxygène. 12 6-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un mélangeur/détendeur (38) monté entre le module de séparation (26) de gaz et le moteur. 7-Système selon la revendication 6, dans lequel le mélangeur/détendeur (38) est alimenté en outre par de l'air extérieur. 8-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur à combustion est équipé d'un groupe turbocompresseur monté en amont du module de séparation (26) de gaz. 9-Utilisation d'un système de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un moteur Diesel équipé d'un filtre à particules. 10-Procédé d'appauvrissement en oxygène pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'on alimente un module de séparation de gaz en air et en gaz d'échappement de manière à former un flux de purge à l'intérieur du module de séparation de gaz et favoriser la diminution de la teneur en oxygène de l'air en sortie du module de séparation de gaz qui est destiné à être admis à l'intérieur du moteur.