Brevet FR2921970A1 — publié le 20090410

Ligne d'échappement de véhicule automobile équipée d'un piège à oxydes d'azote bipassable La présente invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicule automobile équipées de pièges à oxyde d'azote. Plus précisément, l'invention concerne une ligne d'échappement de vé-hicule automobile, du type comportant : - un conduit principal de circulation des gaz d'échappement, comprenant un tronçon amont, un tronçon aval, et un piège à oxyde d'azote intercalé en série entre les tronçons amont et aval ; - un conduit de bipasse, s'étendant à partir d'une intersection avec le tronçon amont jusqu'à une intersection avec le tronçon aval en bipassant le piège à oxyde d'azote. Une telle ligne d'échappement est connue de FR-2 886 337. Diminuer les rejets de produits polluants dans l'atmosphère est un souci constant des constructeurs automobiles, en vue de respecter les normes, qui sont de plus en plus sévères, et de protéger l'environnement. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une ligne d'échappement plus performante en dépollution et permettant de réduire la consommation du véhicule. A cette fin, l'invention porte sur une ligne d'échappement du type précité, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse. Avantageusement, les moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant les conduits de bipasse peuvent comprendre un second piège à oxyde d'azote intercalé en série dans le conduit aval en aval de l'intersection entre le conduit de bipasse et le conduit aval. En outre, les deux pièges à oxydes d'azote peuvent être séparés, suivant le parcours de la ligne d'échappement, d'une distance comprise entre 0.5 mètre et 1.5 mètre. Alternativement, les moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse peuvent comprendre un catalyseur trois voies intercalé en série dans le conduit aval, en aval de l'intersection entre le conduit de bipasse et le conduit aval. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse peuvent comprendre un catalyseur trois voies intercalé en série dans le conduit de bipasse. La ligne d'échappement peut également comprendre des moyens pour orienter les gaz d'échappement à partir du tronçon amont sélectivement soit vers la ligne de bipasse soit vers le piège à oxyde d'azote. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique une ligne d'échappement conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, et représentant un second mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une vue similaire à celles des figures 1 et 2, et illustrant une variante du second mode de réalistion. La ligne d'échappement 10 illustrée sur la figure 1 est destinée à être reliée à la sortie d'un moteur thermique fonctionnant normalement en mélange pauvre. La ligne d'échappement comporte ainsi une entrée 12 propre à être reliée à la culasse d'échappement du moteur et une sortie 14 de libération des gaz d'échappement dans l'atmosphère, après purification. L'entrée 12 est formée d'un collecteur 16 apte à capter les gaz d'échappement du moteur. Le collecteur 16 comprend une pluralité de bouches d'en- trée 17 susceptibles d'être connectées chacune à la sortie d'une chambre de combustion du moteur. La sortie du collecteur 16 est connectée à l'entrée d'un organe de purification catalytique 18 connu en soi, par exemple un catalyseur trois voies. En aval du catalyseur 18, la ligne comporte un conduit principal de cir- culation 20 dont l'extrémité constitue la sortie 14 de libération des gaz d'échappement dans l'atmosphère. Le conduit principal 20 comprend un tronçon amont 22, un tronçon aval 24 et un premier piège à oxydes d'azote 26 intercalé en série entre les tronçons amont 22 et aval 24. Les notions d'amont et d'aval sont ici entendues relativement au sens de circulation des gaz d'échappement. La ligne 10 comprend également un conduit de bipasse 28 s'étendant à partir d'une intersection en T 30 jusqu'à une autre intersection en T 32 en bi- passant le premier piège à oxyde d'azote 26. A l'intersection en T 30, le conduit de bipasse 28 se branche sur le tronçon amont 22 du conduit principal. A l'intersection en T 32, le conduit de bipasse 28 se branche sur le tronçon aval 24 du conduit principal. L'intersection en T 32 est une vanne trois voies commandée par un ac- tionneur 34, lui-même piloté par un calculateur 36. La vanne trois voies comporte un volet (non représenté) déplaçable entre une première position dans laquelle le tronçon de bipasse 28 est isolé, et une seconde position dans la-quelle le premier piège à oxydes d'azote 26 est isolé. Dans la première position du clapet, les gaz d'échappement sont susceptibles de circuler à partir du tronçon amont 22 à travers le piège à oxydes d'azote 26 jusqu'à la vanne trois voies 32 puis à travers le tronçon aval 24 jusqu'à la sortie 14. Dans la première position, les gaz ne circulent pas dans le conduit de bipasse 28. Dans la seconde position, les gaz d'échappement sont aptes à circuler à partir du tronçon amont 22 à travers le tronçon de bipasse 28 jusqu'à la vanne trois voies 32 puis à travers une partie du tronçon aval 24 jusqu'à la sortie 14. Dans la seconde position, les gaz d'échappement ne traversent pas le piège à oxydes d'azote 26. Dans un premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, la ligne d'échappement comporte encore un second piège à oxydes d'azote 38, inter- calé dans le tronçon aval entre la vanne trois voies 32 et la sortie 14. Ainsi, que le clapet de la vanne trois voies soit dans sa première ou dans sa seconde position, les gaz d'échappement traversent toujours le second piège à oxydes d'azote avant d'être rejetés dans l'atmosphère par la sortie 14. La ligne d'échappement décrite ci-dessus présente de multiples avanta- ges. Du fait qu'elle comprend un second piège à oxydes d'azote intercalé en série dans le conduit aval, en aval de l'intersection entre le conduit de bipasse et le conduit aval, les gaz d'échappement traversent toujours le second piège à oxydes d'azote, quelle que soit la position du clapet de la vanne trois voies. De plus, le second piège à oxydes d'azote est situé à distance du premier piège à oxydes d'azote. Les gaz d'échappement parcourent, entre les deux pièges à oxydes d'azote, une distance comprise entre 50 cm et 1 m. En conséquence, la température des gaz d'échappement au niveau du second piège à oxydes d'azote est nettement plus faible qu'au niveau du premier piège à oxydes d'azote. La température des gaz d'échappement au niveau du second piège à oxydes d'azote est inférieure de 50°C à 100°C à la tempéra- ture de ces mêmes gaz d'échappement au niveau du premier piège à oxydes d'azote. Ceci présente plusieurs avantages. Du fait que le second piège à oxyde d'azote est exposé à des gaz à température plus basse, son vieillissement sera moins rapide. Par ailleurs, les pièges à oxydes d'azote sont prévus pour fonctionner entre sensiblement 250°C et 450°C. En dehors de cette zone de température, l'efficacité du piège à oxydes d'azote diminue fortement. Quand le moteur fonctionne à un régime tel que les gaz d'échappement arrivant au niveau du premier piège à oxydes d'azote sont à une température supérieure à 450°C, le second piège à oxydes d'azote peut prendre le relais du premier piège à oxydes d'azote. Dans ce cas, le calculateur 36 commande à la vanne trois voies d'orienter les gaz d'échappement à travers le circuit de bipasse et d'isoler le premier piège à oxydes d'azote. Les gaz d'échappement arrivant au second piège à oxydes d'azote seront dans une plage de température correspondant au maximum d'efficacité de ce second piège à oxydes d'azote. Ainsi, la ligne d'échappement permet d'obtenir une diminution des rejets, notamment en oxydes d'azote, dans le cas où le moteur fonctionne à forte charge. Ceci per-met d'élargir la plage de fonctionnement du moteur en mélange pauvre et, en conséquence, de diminuer la consommation du véhicule. Par ailleurs, le fait de disposer deux pièges à oxydes d'azote en série permet d'augmenter l'efficacité globale du piégeage, c'est-à-dire permet d'augmenter la proportion des polluants, notamment des oxydes d'azote, contenus dans les gaz d'échappement en sortie du moteur qui est piégée dans la ligne d'échappement. En effet, deux pièges en série, présentant des volumes respectifs de somme déterminée et travaillant l'un à une première température, et l'autre à une seconde température inférieure de 50°C à 100°C à la première température, sont plus efficaces qu'un unique piège de volume égal à ladite somme déterminée et travaillant à la première température. Ceci est dû notamment au fait que le piège le plus en aval vieillit plus lentement et conserve une meilleure efficacité à long terme. De ce fait, pour une efficacité visée du système de dépollution des oxydes d'azote, il est possible d'utiliser des pièges à oxyde d'azote de plus petit volume que dans l'état de la techni- que. Ainsi, si, pour obtenir une efficacité visée du système de dépollution, il est nécessaire d'utiliser un piège à oxyde d'azote de volume déterminé dans l'état de la technique, dans l'invention, le volume cumulé des deux pièges à oxyde d'azote sera compris entre 70 % et 90 % dudit volume déterminé, et vaudra par exemple 80 % dudit volume déterminé. Par ailleurs, si le clapet dans sa première position n'est pas étanche et présente des fuites, les gaz d'échappement empruntant le bipasse 28 du fait des fuites traverseront quand même le second piège à oxydes d'azote avant d'être rejetés à l'atmosphère. L'impact des fuites au niveau de la vanne trois voies sur les rejets totaux en polluants de la ligne d'échappement en est donc considérablement diminué. De ce fait, il devient possible d'utiliser sur la ligne d'échappement des vannes présentant un moins bon niveau d'étanchéité dans la position d'obturation du conduit de bipasse. Ces vannes sont moins onéreuses que les vannes trois voies présentant un haut niveau d'étanchéité utilisées dans l'état de la technique. Un second mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit, en référence à la figure 2. Seuls les points par lesquels le second mode de réalisation se différencie du premier seront décrits ci-dessous. Les éléments identiques ou assurant les mêmes fonctions seront désignés par les mêmes références que dans le premier mode de réalisation. Dans le second mode de réalisation, la ligne d'échappement 10 ne comporte pas de second piège à oxyde d'azote intercalé dans le tronçon aval entre la vanne trois voies 32 et la sortie 14 de libération des gaz d'échappe- ment dans l'atmosphère. En revanche, la ligne d'échappement comprend un catalyseur trois voies 40 interposé en série dans la ligne de bipasse 28, entre l'intersection en T 30 et la vanne trois voies 32. Le catalyseur trois voies 40 est du même type que le catalyseur 18. Comme connu en soi, il est apte à réduire les NOx en N2 gazeux, et à oxyder le CO et le HC en CO2. Un tel catalyseur permet de réduire les NOx en N2 quand le moteur du véhicule automobile fonctionne en mélange riche ou stoechiométrique, mais pas en mélange pauvre. On dit que le mélange est stoechiométrique quand, dans les chambres de combustion, la quantité d'oxygène et la quantité de carburant sont en pro-portions stoechiométriques. Le mélange est dit riche quand on introduit dans les chambres de combustion un excès de carburant par comparaison avec les conditions stoechiométriques. Le mélange est dit pauvre quand on introduit un excès d'air dans les chambres de combustion par rapport aux conditions stoechiométriques. Le moteur fonctionne dans des conditions stoechiométriques ou en mélange riche quand le véhicule roule à grande vitesse, ou à forte charge, par exemple en côte. Les gaz d'échappement atteignent alors des températures élevées. Au contraire, le moteur fonctionne en mélange pauvre dans les autres cas, les gaz d'échappement étant alors plus froids.. Les catalyseurs trois voies présentent l'avantage de pouvoir fonctionner à des températures élevées, alors que les pièges à oxyde d'azote tels que 26 contiennent un substrat qui se détruit à des températures supérieures à 800°C. Une variante du deuxième mode réalisation est représentée sur la figure 3. Dans cette variante, le catalyseur trois voies 40 n'est pas placé dans le conduit de bipasse. Au contraire, le catalyseur trois voies 40 est intercalé en série dans le tronçon aval 24, en aval de l'intersection 32 entre le conduit de bipasse 38 et le tronçon aval 24. La ligne d'échappement de la figure 2 présente une grande partie des avantages du premier mode de réalisation. Le catalyseur trois voies 40 prend le relais du piège à oxyde d'azote 26 quand les gaz d'échappement dépassent une température maximum prédé- terminée, par exemple 450°C. Le calculateur 36 commande, dans ce cas, à la vanne trois voies d'orienter les gaz d'échappement vers le circuit de bipasse. Le piège à oxyde d'azote 26 est donc bipassé quand le véhicule circule à grande vitesse ou à forte charge, c'est-à-dire dans les cas où le moteur fonc- tionne en conditions stoechiométriques ou riches. Dans ces conditions, le catalyseur trois voies disposé dans la ligne de bipasse ou dans le tronçon aval en aval de la vanne 32 est apte à convertir les NOx en N2. Le catalyseur trois voies intercalé dans la ligne de bipasse permet de piéger les polluants passant dans la ligne de bipasse en cas de fuite de la vanne trois voies. Les rejets totaux en polluants de la ligne d'échappement sont donc diminués. II est possible d'utiliser une vanne trois voies présentant un moins bon niveau d'étanchéité mais qui soit moins coûteuse. Dans le cas où le catalyseur trois voies est disposé en aval de la vanne trois voies 32, le fait de disposer un piège à oxyde d'azote et un catalyseur trois voies en série permet d'augmenter la proportion des polluants qui sont piégés. Quand le moteur fonctionne en mélange pauvre et que le piège à NOx 26 n'est pas bipassé, les HC et CO subissent deux étages de dépollution, à savoir le piège à NOx 26 et le catalyseur trois voies 40. Les NOx, en revanche, ne traversent qu'un seul étage de dépollution, le piège à NOx 26. Le second mode de réalisation permet donc lui aussi d'élargir la plage de fonctionnement du moteur dans laquelle les gaz d'échappement subissent une dépollution, notamment quand le piège à NOx 26 est bipassé. Ainsi, quelque soit le mode de réalisation de l'invention, la ligne d'échappement comprend des moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse. Ceci a pour effet d'élargir la plage de fonctionnement du moteur dans laquelle la dépollution des NOx est efficace, que ce soit au cours des cycles normalisés du moteur ou hors cycles. Ceci permet également de diminuer les rejets des autres polluants par exemple HC ou CO. Ceci permet enfin d'optimiser les performances des vannes trois voies, c'est-à-dire de choisir une vanne trois voies d'étanchéité un peu moins bonne, sans compromettre les performances de la ligne d'échappement en matière de rejet de polluants dans l'atmosphère. Le premier mode de réalisation est plus coûteux que le second, car un piège à NOx est plus cher qu'un catalyseur trois voies. En revanche, il permet de faire fonctionner le moteur en pauvre sur une plus large plage de points de fonctionnement, sans augmenter les rejets. II permet également de dépolluer les gaz d'échappement même quand le moteur fonctionne en mélange stoechiométrique ou riche, et que le piège à NOx 26 est bipassé. Le second mode de réalisation est plus économique, mais ne permet pas d'élargir la plage de points de fonctionnement dans laquelle le moteur fonctionne en mélange pauvre. Il faut en effet que le moteur fonctionne en mé- lange riche ou stoechiométrique pour que le catalyseur trois voies piège les NOx quand le piège à NOx 26 est bipassé. La ligne d'échappement décrite ci-dessus peut présenter de multiples variantes. La vanne trois voies 32 peut ne pas être disposée à l'intersection entre le conduit de bipasse et le tronçon aval mais plutôt à l'intersection 30 entre le conduit amont et le tronçon de bipasse. La ligne d'échappement peut également ne pas comporter une vanne trois voies, mais plutôt deux vannes simples, l'une susceptible d'obturer le conduit de bipasse 28 et l'autre susceptible d'interdire la circulation des gaz d'échappement à travers le premier piège à oxydes d'azote. REVENDICATIONS 1.- Ligne d'échappement de véhicule automobile, la ligne d'échappement (10) comportant : - un conduit principal (20) de circulation des gaz d'échappement, corn- prenant un tronçon amont (22), un tronçon aval (24), et un piège à oxydes d'azote (26) intercalé en série entre les tronçons amont et aval (22, 24) ; - un conduit de bipasse (28), s'étendant à partir d'une intersection (30) avec le tronçon amont (22) jusqu'à une intersection (30) avec le tronçon aval (24) en bipassant le piège à oxydes d'azote (26), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (38, 40) de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse (28). 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce les moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse (28) comprennent un second piège à oxydes d'azote (38) intercalé en série dans le conduit aval (24), en aval de l'intersection (30) entre le conduit de bipasse (28) et le conduit aval (24). 3. Ligne d'échappement selon la revendication 2, caractérisée en ce que les deux pièges à oxydes d'azote (26 ; 38) sont séparés, suivant le par-cours de la ligne d'échappement (10), d'une distance comprise entre 0.5 mè- tres et 1.5 mètres. 4. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce les moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse (28) comprennent un catalyseur trois voies (40) intercalé en série dans le conduit aval (24), en aval de l'intersection (30) entre le conduit de bipasse (28) et le conduit aval (24). 5. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce les moyens de purification catalytique des gaz d'échappement traversant le conduit de bipasse (28) comprennent un catalyseur trois voies (40) intercalé en série dans le conduit de bipasse (28). 6. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (32, 34, 36) pour orienter les gaz d'échappement à partir du tronçon amont (22) sélectivement soit vers la ligne de bipasse (28) soit vers le piège à oxydes d'azote (26).