Brevet FR2926607A1 — publié le 20090724

DEMANDE DE BREVET B07-3593FR - JT/PG PJ8137 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 entre autres des particules de carbone polluantes et des oxydes d'azote dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. Les particules sont généralement traitées à l'aide d'un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement. De manière à diminuer 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 gaz d'échappement issus de la combustion réalisée lors de cycles de fonctionnement précédents et donc appauvris en oxygène. 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 produits 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 d'oxydes d'azote du moteur par appauvrissement en oxygène de l'air destiné à être admis à l'intérieur du moteur, une solution alternative consiste à utiliser une membrane telle que décrite dans la demande de brevet WO 03/064844, ou dans la 3 demande brevet français n° 07 55971 non encore publiée de la demanderesse. 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 l'azote 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 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 un traitement des gaz d'échappement sur l'ensemble des points de fonctionnement du moteur. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un groupe turbo compresseur, le système 4 comportant au moins un module de séparation de gaz apte à fournir de l'air appauvri en oxygène au moteur et monté en aval du compresseur du groupe turbocompresseur, et une branche de dérivation pour by-passer le module de séparation. L'utilisation d'un module de séparation en aval du compresseur du groupe turbocompresseur en association avec une branche de dérivation pour by-passer ledit module de séparation permet d'obtenir un traitement des gaz sur l'ensemble des points de fonctionnement du moteur de manière particulièrement économique. En effet, on utilise le compresseur du groupe turbocompresseur du moteur pour augmenter la pression partielle en amont du module de séparation, ce qui favorise l'appauvrissement en oxygène du flux d'alimentation destiné au moteur. La branche de dérivation permet quant à elle un bon traitement des gaz d'échappement grâce à la répartition du flux entre le module de séparation et ladite branche afin d'obtenir le débit et la composition souhaités pour le point de fonctionnement considéré. Avantageusement, le système comprend une vanne de régulation montée sur la branche de dérivation. Dans un mode de réalisation, le système comprend une chambre de mélange disposée en aval du module de séparation et de la branche de dérivation, et en amont du moteur. Préférentiellement, le module de séparation de gaz est monté immédiatement en aval du compresseur du groupe turbocompresseur. Dans un mode de réalisation, le module de séparation de gaz est pourvu d'au moins une membrane comprenant des fibres creuses cylindriques perméables à l'oxygène. Le système peut comprendre un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement du moteur. Avantageusement, un conduit de circulation relié au module de séparation de gaz et à la ligne d'échappement en amont du filtre à particules pour introduire, dans la ligne d'échappement, un flux enrichi en oxygène issu du module de séparation de gaz. Le système peut également comprendre une vanne 5 de régulation de la quantité d'oxygène introduit dans la ligne d'échappement. Avantageusement, le système de l'invention est utilisé dans un moteur Diesel. Selon un second aspect, 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 équipé d'un groupe turbocompresseur dans lequel on alimente un module de séparation de gaz avec de l'air comprimé issu du compresseur du groupe turbocompresseur et on by-passe au moins partiellement le module de séparation. L'invention sera mieux comprise à l'étude de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 3 représentent schématiquement des systèmes de traitement de gaz d'échappement selon des premier, second et troisième modes de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté, de manière schématique, un moteur 10 en entrée et en sortie duquel se trouve une ligne d'admission 12 et une ligne d'échappement 14. Le moteur 10 comporte une turbine 16 disposée dans la ligne d'échappement 14 et montée sur un arbre commun 18 à un compresseur 20 monté dans la ligne d'admission 12 de manière que les gaz d'échappement véhiculés à l'intérieur de la ligne 14 traversent la turbine 16 qui entraîne à son tour le compresseur 20 de façon à 6 augmenter la pression de l'air admis en aval de celui-ci. La turbine 16 et le compresseur 20 forment le groupe turbocompresseur du moteur 10. Un filtre à air 22 est disposé en amont du compresseur 20, en considérant le sens de circulation de l'air à l'intérieur de la ligne d'admission 12. De manière à permettre une réduction des émissions d'oxydes d'azote, il est prévu un module de séparation 26 de gaz monté sur une première branche 24 de la ligne d'admission 12 en aval du compresseur 20. Pour permettre de contourner le module de séparation 26, une seconde branche 28 de la ligne d'admission 12 by-passe ledit module. Une vanne de régulation 30 est prévue sur la seconde branche 28. Le module de séparation 26 de gaz est pourvu d'une coque ou calandre 32 et d'une membrane 34 représentée schématiquement en pointillés. La membrane 34 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 32 sur l'ensemble de sa longueur, selon la direction d'écoulement du flux d'air à l'intérieur de la branche 24 de la ligne d'admission 12. Un espace annulaire 36 radial vide est ménagé entre la membrane 34 et la calandre 32. Cet espace 36 est raccordé à une conduite d'évacuation 38. Les fibres creuses de la membrane 34 sont aptes à permettre une circulation des molécules de diazote N2 véhiculées par le flux d'air circulant à l'intérieur de la branche 24 avec une absorption moindre 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 36. En d'autres termes, la membrane 34 7 a une plus grande sélectivité au dioxygène qui diffuse plus rapidement au travers des parois des fibres que le diazote. La diffusion au travers de la membrane 34 d'une partie du flux d'air conduit à la formation d'un flux de perméat enrichi en dioxygène 02. Le reste du flux est appelé rétentat et est enrichi en diazote N2. La force de diffusion d'une espèce chimique à travers la membrane 34 dépend notamment de la différence de pression partielle existante de l'espèce considérée de part et d'autre du module de séparation 26. Les bilans des masses au niveau du module de séparation 26 s'écrivent comme suit : d(xk L) = - Qk (xk.PH -Yk PB)•dA avec k = 1, 2, ...n dans lequel xk représente la fraction molaire en constituant k du flux du côté du rétentat, L représente le débit du flux du côté de l'alimentation, QK est le coefficient de perméance du constituant k, PH est la pression du côté du rétentat dans le module de séparation 26, yk représente la fraction molaire en constituant k du flux du côté du perméat, PB est la pression du côté du perméat, dA est l'élément surfacique de membrane 34. La disposition du compresseur 20 du groupe turbocompresseur immédiatement en amont du module de séparation 26 favorise l'augmentation de la pression partielle de l'air en amont de celui-ci et donc l'appauvrissement en oxygène de l'air délivré au moteur 10, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un compresseur additionnel. Le moteur 10 comprend également une unité de contrôle 40 électronique assurant son fonctionnement et recevant à cet effet un certain nombre d'informations. Différents capteurs (non représentés) 8 sont placés à cet égard dans la ligne d'admission 12 et/ou dans la ligne d'échappement 14. L'unité de contrôle 40 commande notamment la position de la vanne de régulation 30 par l'intermédiaire d'une connexion électrique 42, représentée schématiquement en pointillés. L'unité de contrôle 40 commande une répartition optimale du flux entre la branche 24 comportant le module de séparation 26 et la branche 28 de dérivation afin d'obtenir à la fois le débit et la consommation souhaités du moteur 10. Ce mélange de flux s'effectue dans une conduite de mélange 44 reliée au moteur 10 et sur laquelle se raccordent lesdites branches 24, 28. Ainsi, avec cette structure, on peut ajouter au flux d'air enrichi en diazote, un flux d'air standard n'ayant pas subi de modification de sa composition. Par exemple, si le traitement des émissions polluantes impose d'alimenter le moteur avec de l'air à 17 % en 02 sur deux points de fonctionnement dont l'un requiert une alimentation du module de séparation 26 avec un débit de 82 kg d'air et l'autre avec un débit de 400 kg d'air, il ne serait pas possible de réaliser un traitement efficace des polluants sans l'existence de la branche de dérivation 28 puisque, si la membrane 34 est dimensionnée pour délivrer un flux de 400 kg/h à 17 % en 02, elle délivrera un flux dont la teneur en 02 sera bien inférieure à 17 % pour un débit de 82 kg/h. Le pilotage de la vanne de régulation 30 permet ainsi de répartir le flux d'air issu du compresseur 20 entre les deux branches 24, 28 en fonction des besoins du moteur 10. A cet égard, l'unité de contrôle 40 comporte une cartographie mémorisée (non représentée) pour piloter la vanne de régulation 30, en fonction des caractéristiques de fonctionnement détectées par les différents capteurs. Une telle cartographie mémorisée peut être 9 obtenue par mesures sur banc d'essais en fonction des valeurs caractéristiques de fonctionnement du moteur 10. Pour favoriser un mélange uniforme entre le flux d'air issu de la branche 24 et celui véhiculé par la branche 28, il est possible de prévoir, sur la conduite 44, une chambre de mélange 50 comme illustré sur la variante de réalisation de la figure 2 où les références identiques portent les mêmes références. Le mode de réalisation illustré à la figure 3 diffère du mode de réalisation de la figure 1 uniquement en ce que la conduite d'évacuation 38 reliée au module de séparation 26 débouche sur la ligne d'échappement 14 en aval de la turbine 16 et en amont d'un filtre à particules 60. La conduite d'évacuation 38 comprend également une dérivation 62 de manière à permettre une circulation du flux d'air enrichi en 02 dans la ligne d'échappement 14, en aval du filtre à particules 60. Une vanne de recirculation 64 pilotée par l'unité de contrôle 38, par l'intermédiaire d'une connexion électrique 66, est prévue entre la conduite d'évacuation 38 et la dérivation 62. Ainsi, lors d'une phase de régénération du filtre à particules 60, le flux d'air enrichi en 02 est dirigé vers la ligne d'échappement 14 en amont de celui-ci de manière à favoriser sa purge. Au contraire, lorsque la régénération du filtre à particules 60 n'est pas nécessaire, l'unité de contrôle 38 commande la vanne 64 de manière que le flux d'air enrichi en 02 est réintroduit dans la ligne d'échappement 14, via la dérivation 62, en aval du filtre 60. 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 sur l'ensemble des points de fonctionnement du moteur, mais également une aide au 10 fonctionnement d'un filtre à particules monté sur la ligne d'échappement du moteur lors de phases de purge. REVENDICATIONS 1-Système de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un groupe turbocompresseur (16, 20), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module de séparation (26) de gaz apte à fournir de l'air appauvri en oxygène au moteur et monté en aval du compresseur (20) du groupe turbocompresseur, et une branche de dérivation (28) pour by-passer le module de séparation. 2-Système selon la revendication 1, comprenant une vanne de régulation (30) montée sur la branche de dérivation (28). 3-Système selon la revendication 1 ou 2, comprenant une chambre de mélange (50) disposée en aval du module de séparation (26) et de la branche de dérivation (28), et en amont du moteur. 4-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module de séparation (26) de gaz est monté précédentes, dans lequel le module de séparation (26) de gaz est pourvu d'au moins une membrane (34) comprenant des fibres creuses cylindriques perméables à l'oxygène. 6-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre à particules (60) monté dans la ligne d'échappement du moteur. 7-Système selon la revendication 6, comprenant un conduit de circulation (38) relié au module de séparation (26) de gaz et à la ligne d'échappement en amont du filtre à particules (60) pour introduire, dans la ligne d'échappement, un flux enrichi en oxygène issu du module de séparation de gaz. immédiatement en aval du compresseur (20) du groupe turbocompresseur. selon l'une quelconque des revendications 5-Système 12 8-Système selon la revendication 7, comprenant une vanne de régulation (64) de la quantité d'oxygène introduit dans la ligne d'échappement. 9-Utilisation d'un système de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un moteur Diesel. 10-Procédé d'appauvrissement en oxygène pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile équipé d'un groupe turbocompresseur, caractérisé en ce qu'on alimente un module de séparation de gaz avec de l'air comprimé issu du compresseur du groupe turbocompresseur, et en ce qu'on by-passe au moins partiellement le module de séparation.