Brevet FR2923858A1 — publié le 20090522

Dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé pour pot d'échappement catalytique et pot d'échappement catalytique équipé d'un tel dispositif L'invention concerne un dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé, notamment pour pot d'échappement catalytique, et un pot d'échappement catalytique équipé d'un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement la récupération d'énergie d'un pot d'échappement catalytique sous forme d'électricité et le chauffage du pot d'échappement catalytique. Les pots d'échappement catalytiques sont largement utilisés dans les moteurs à explosion des véhicules motorisés pour limiter la quantité et/ou la nocivité des gaz d'échappement. Des éléments catalyseurs déclenchent ou accentuent des réactions chimiques qui tendent à transformer les constituants les plus toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, oxydes d'azote) en éléments moins toxiques (eau et dioxyde de carbone). Pour transformer les constituants toxiques de manière optimale, un pot catalytique doit fonctionner dans une certaine plage de températures. Cette plage de températures est généralement centrée autour de 300 à 400°C et est encadrée par une température minimale de fonctionnement optimal et une température maximale de fonctionnement optimal. Lors d'un démarrage à froid, soit après une longue période de non-fonctionnement, le moteur et le pot d'échappement ont une température voisine de la température ambiante. II en résulte des émissions de gaz nocifs pour l'environnement pendant cette période. Pour éviter les émissions de gaz nocifs lors des démarrages à froid de moteurs de véhicules, il est connu de chauffer les pots catalytiques par des éléments extérieurs de façon à les rendre les plus performants possibles dans des délais courts. En revanche, l'énergie calorifique du pot d'échappement catalytique n'est pas récupérée. En particulier, cette énergie calorifique est perdue lorsque le moteur du véhicule est arrêté, l'émission de gaz d'échappement étant stoppée, et lorsque la température du pot catalytique dépasse la température minimale de fonctionnement optimal. Un but de l'invention est notamment de pallier l'inconvénient précité. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé et adapté pour équiper un pot d'échappement pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments thermoélectriques aptes à être commandés fixés d'une part, à un premier échangeur de température fixé au pot d'échappement, d'autre 1 o part à un second échangeur de température fixé à une source froide, les éléments thermoélectriques étant commandés par un boîtier de commande soit dans un mode de génération de chaleur soit dans un mode de récupération d'énergie, en fonction au moins de la température du pot d'échappement. 15 Avantageusement, le pot d'échappement est un pot d'échappement catalytique réduisant des émissions de gaz nocifs de manière optimale à partir d'une température minimale de fonctionnement optimal. 20 Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif est commandé dans un mode de génération de chaleur lorsque la température du pot d'échappement est inférieure à la température minimale de fonctionnement optimal et dans un mode de récupération d'énergie lorsque la température du pot d'échappement est supérieure à la température 25 minimale de fonctionnement optimal ou lorsque le moteur du véhicule est à l'arrêt. Le boîtier de commande peut être relié à des équipements fournissant des informations permettant de déterminer dans quel mode le dispositif doit fonctionner. 30 Le dispositif peut comporter un capteur de température et le véhicule automobile peut comprendre une sonde à oxygène, un capteur de la tension de la batterie et/ou un calculateur. Selon ce mode de réalisation, le boîtier de commande peut être relié à la sonde à oxygène, au capteur de la tension de la batterie et/ou au calculateur du véhicule. Selon une forme particulière de réalisation, le premier échangeur de température comprend une plaque électriquement et thermiquement conductrice, une piste conductrice et un film isolant électriquement, le film isolant électriquement étant fixé entre la plaque et la piste conductrice. Le deuxième échangeur de température peut comprendre un circuit imprimé, un deuxième film isolant électriquement, un substrat métallique et un radiateur, le deuxième film isolant électriquement étant fixé entre le circuit imprimé et le substrat métallique et le radiateur étant fixé au substrat métallique. 1 o Dans un mode particulier de réalisation, les éléments thermoélectriques comportent chacun un couple de matériaux semi-conducteurs de natures différentes, les matériaux semi-conducteurs d'une première nature étant dopés positivement et les matériaux semi-conducteurs de seconde nature étant dopés négativement. 15 Selon ce mode particulier de réalisation, une extrémité de chaque matériau semi-conducteur peut être reliée à une piste conductrice, les extrémités opposées à la piste conductrice de chaque matériau semi-conducteur de première nature peuvent être reliées à une première piste conductrice d'un circuit imprimé, la première piste conductrice du circuit 20 imprimé formant une première borne électrique des éléments thermoélectriques et les extrémités opposées à la piste conductrice de chaque matériau semi-conducteur de seconde nature peuvent être reliées à une deuxième piste conductrice du circuit imprimé, la deuxième piste conductrice du circuit imprimé formant une deuxième borne électrique des 25 éléments thermoélectriques. Les bornes électriques des éléments thermoélectriques peuvent être reliées au boîtier de commande. L'invention a également pour objet un pot d'échappement catalytique adapté pour équiper un véhicule automobile, caractérisé en ce 30 qu'il comporte un dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé tel que décrit précédemment. L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet à la fois, avec un seul dispositif, de chauffer le pot catalytique lorsque sa température 35 est inférieure à la température minimale de fonctionnement optimal, et de récupérer l'énergie calorifique du pot catalytique sous forme d'énergie électrique lorsque sa température a atteint cette température minimale de fonctionnement optimal ou lorsque le moteur est à l'arrêt, c'est-à-dire dans une phase de refroidissement. La récupération sous forme d'électricité de la chaleur dissipée par le pot catalytique améliore le rendement de l'installation électrique du véhicule, permettant une réduction de la taille de l'alternateur et de la batterie du véhicule. Cette amélioration du rendement de l'installation électrique du véhicule permet, en outre, de réduire la puissance électrique demandée à l'alternateur du véhicule, entraînant une réduction de la 1 o puissance mécanique demandée au moteur, et donc une réduction de la consommation de carburant. II en résulte une réduction des émissions de gaz nocifs. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé selon l'invention ; 20 - la figure 2 représente un schéma fonctionnel d'un exemple de boîtier de commande du dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé selon l'invention ; - la figure 3 représente un exemple de réalisation du boîtier de commande du dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à 25 être commandé selon l'invention. La figure 1 représente de façon schématique un dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé selon l'invention comportant un premier échangeur de température 1 fixé 30 solidairement à un pot d'échappement 2 d'un véhicule à moteur, par exemple un pot d'échappement catalytique, appelé source chaude. Le premier échangeur de température 1 peut comprendre une plaque 3 électriquement et thermiquement conductrice. La plaque 3 du premier échangeur de température 1 peut être adaptée pour que l'une de ses faces épouse la 35 surface du pot d'échappement 2 où elle doit être fixée. La plaque 3 peut être fixée sur le pot d'échappement 2 par brasage, soudage, collage, ou tout autre moyen adapté pour résister à de hautes températures, par exemple entre 300 et 800°C, qui est la plage de températures moyennes observées après la mise en chauffe du moteur. Un film 4 isolant électriquement est fixé sur la face opposée de la plaque 3, par exemple par collage. Le film 4 isolant est choisi pour pouvoir supporter une plage de températures minimale de -50 °C à 800°C. Un tel film 4 isolant électriquement est par exemple le Kapton (marque déposée). Une piste conductrice 5, par exemple un feuillard de cuivre, est fixée sur le film 4 isolant électriquement, par exemple par collage. 1 o Dans une forme particulière de réalisation, la piste conductrice 5 peut comporter une pâte conductrice à base de métal, par exemple d'argent, de cuivre ou d'aluminium. Les fixations entre, d'une part, le film 4 isolant électriquement et, d'autre part, la plaque 3 et la piste conductrice 5 sont également choisies pour pouvoir résister à une plage de températures 15 minimale de -50°C à 800°C. Selon un autre mode de réalisation, non représenté, la plaque 3 est isolante électriquement et thermiquement conductrice. Une telle plaque est par exemple en oxyde d'aluminium. Elle permet d'éviter d'employer le film 4 isolant électriquement. La pâte conductrice peut alors être appliquée par 20 sérigraphie sur la plaque 3. Le dispositif de récupération et de génération d'énergie comporte également un ou plusieurs éléments thermoélectriques 6 en parallèle thermiquement les uns avec les autres. Chaque élément thermoélectrique 6 comporte un couple de matériaux semi-conducteurs 6P, 6N de natures 25 différentes. Les matériaux semi-conducteurs 6P, 6N peuvent par exemple être à base de tellure de bismuth, les matériaux semi-conducteurs d'une première nature 6P étant dopés positivement et les matériaux semi-conducteurs de seconde nature 6N étant dopés négativement. Les couples de matériaux semi-conducteurs 6P, 6N peuvent par exemple être de forme 30 parallélépipédique ou cylindrique. Une extrémité de chaque matériau semi-conducteur 6P, 6N est reliée à la piste conductrice 5. Selon un premier mode de réalisation, les éléments thermoélectriques 6 sont en parallèle électriquement les uns avec les autres. Les extrémités opposées à la piste conductrice 5 de chaque matériau semi- 35 conducteur de première nature 6P sont reliées à une première piste conductrice d'un circuit imprimé 7, la première piste conductrice formant une première borne électrique 23 des éléments thermoélectriques 6. Les extrémités opposées à la piste conductrice 5 de chaque matériau semi-conducteur de seconde nature 6N sont reliées à une deuxième piste conductrice du circuit imprimé 7, la deuxième piste conductrice formant une deuxième borne électrique 24 des éléments thermoélectriques 6. Selon un deuxième mode de réalisation, non représenté, les éléments thermoélectriques 6 sont en série électriquement les uns avec les autres. Chaque extrémité de matériaux semi-conducteurs 6P, 6N opposée à la piste conductrice 5 forme une borne électrique, l'extrémité de chaque matériau semi-conducteur de première nature 6P formant une borne de première nature et l'extrémité de chaque matériau semi-conducteur de seconde nature 6N formant une borne de seconde nature. Les éléments thermoélectriques 6 sont reliés de manière à alterner les bornes de première et de seconde nature. Selon un troisième mode de réalisation, non représenté, les éléments thermoélectriques 6 sont agencés électriquement selon une combinaison des deux premiers modes de réalisation, les éléments thermoélectriques 6 formant une combinaison parallèle de deux ou plusieurs éléments thermoélectriques 6 en série. Dans l'un ou l'autre mode de réalisation, les éléments thermoélectriques 6 peuvent être fixés d'un côté sur la piste conductrice 5 et de l'autre sur la première ou la deuxième piste conductrice du circuit imprimé 7, de manière à rendre l'ensemble comprenant le premier échangeur de température 1 et les éléments thermoélectriques 6 rigide ou semi-rigide. Les éléments thermoélectriques 6 peuvent par exemple être fixés par brasage, soudage ou collage. Le circuit imprimé 7 est fixé sur un substrat métallique 9 isolé du circuit imprimé 7 par un deuxième film 10 isolant électriquement. Le substrat métallique 9 peut être une plaque d'aluminium ou de cuivre. Le deuxième film 10 isolant électriquement est par exemple un film de Kapton. Un radiateur 11, appelé source froide, est fixé sur le substrat métallique 9 pour dissiper la chaleur provenant des éléments thermoélectriques 6. L'ensemble comprenant le circuit imprimé 7, le deuxième film 10 isolant électriquement, le substrat métallique 9 et le radiateur 11 forme le deuxième échangeur de température 8. Le dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé comporte également un calculateur et des éléments de puissance contenus dans un boîtier de commande 12 permettant de commuter les éléments thermoélectriques 6 soit dans un mode de génération de chaleur soit dans un mode de récupération d'énergie. Dans une forme particulière de réalisation, le calculateur et les éléments de puissance sont implantés directement sur le circuit imprimé 7. Le boîtier de commande 12 1 o est relié à la première et à la deuxième pistes conductrices du circuit imprimé 7, de manière à pouvoir appliquer une tension entre les deux pistes conductrices du circuit imprimé 7 ou récupérer le courant traversant les éléments thermoélectriques 6. 15 La figure 2 représente un schéma fonctionnel du boîtier de commande 12 du dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé. Le boîtier de commande 12 comporte un calculateur 20 permettant de déterminer dans quel mode le dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé doit fonctionner, c'est-à-dire soit 20 dans le mode de génération de chaleur 21 soit dans le mode de récupération d'énergie 22. Le boîtier de commande 12 est relié électriquement aux bornes électriques 23, 24 des éléments thermoélectriques 6 montés en parallèle. Le boîtier de commande 12 est également relié électriquement à une batterie 13 de véhicule permettant soit d'alimenter en énergie électrique les éléments 25 thermoélectriques 6, soit de récupérer l'énergie électrique générée par ces éléments thermoélectriques 6 sous l'effet de la chaleur. Le boîtier de commande 12 peut être relié à des équipements fournissant des informations permettant de déterminer dans quel mode le dispositif doit fonctionner. En particulier, le boîtier de commande 12 peut 30 comporter un capteur de température 14, interne ou externe au boîtier de commande 12, pour déterminer la température du pot d'échappement 2. II peut être relié à une sonde à oxygène 15, à un capteur 16 de la tension de la batterie 13 ou à un calculateur du véhicule 17, de manière à prendre en compte diverses informations, par exemple le taux d'oxygène dans les gaz 35 d'échappement, la tension aux bornes de la batterie 13, la température du moteur ou des gaz d'échappement, l'information de moteur arrêté ou des informations liées à un préchauffage ou à un post-chauffage du mélange air-carburant dans une chambre de combustion du moteur. Le préchauffage correspond à un chauffage du mélange air-carburant avant le démarrage du moteur ; le post-chauffage correspond à un chauffage du mélange air-carburant pendant les secondes suivant le démarrage du moteur. En fonction des informations précitées, le boîtier de commande 12 commande le dispositif soit dans le mode de génération de chaleur 21, soit 1 o dans le mode de récupération d'énergie 22. En particulier, lorsque la température du pot d'échappement est inférieure à la température minimale de fonctionnement optimal du pot d'échappement 2 catalytique, le dispositif fonctionne en mode génération de chaleur 21. Une tension est appliquée aux bornes 23, 24 des éléments 15 thermoélectriques 6, faisant circuler un courant dans les différents couples de matériaux semi-conducteurs 6P, 6N. Le courant électrique crée une différence de température entre les extrémités des matériaux semi-conducteurs dopés positivement 6P d'une part, et les matériaux semi-conducteurs dopés négativement 6N d'autre part. II en résulte un 20 échauffement de la piste conductrice 5 qui se propage successivement par conduction thermique vers le film 4 isolant électriquement, la plaque 3 et enfin le pot d'échappement 2. Un tel dispositif présente l'avantage de réduire le temps de chauffe du pot d'échappement 2 catalytique lors d'un démarrage à froid. 25 A l'inverse, lorsque le pot d'échappement a atteint la température minimale de fonctionnement optimal ou lorsque le moteur est arrêté, le dispositif fonctionne en mode récupération d'énergie 22. Sous l'effet de la chaleur traversant les éléments thermoélectriques 6, une tension électrique est produite entre les bornes 23 et 24 des éléments thermoélectriques 6. 30 Cette tension électrique est utilisée par le boîtier de commande 12 pour faire circuler un courant permettant de recharger la batterie 13. La figure 3 représente un schéma électrique possible du boîtier de commande 12 du dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à 35 être commandé. Le calculateur 20 est relié à un circuit de commande 30 permettant de commuter les éléments thermoélectriques 6 dans le mode de génération de chaleur 21. Dans un mode particulier de réalisation, le circuit de commande 30 comporte un transistor bipolaire de commande Qc dont la base est reliée au calculateur 20, l'émetteur est relié à une masse électrique 31 et le collecteur est relié à une première borne d'une résistance 32. La masse électrique 31 est au potentiel de la borne négative de la batterie 13. La deuxième borne de la résistance 32 est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire Qw. L'émetteur du transistor Qw est relié à une ligne d'alimentation V reliée à la borne positive de la batterie 13. La base du transistor Qw est 1 o reliée à une ou plusieurs bases de transistors bipolaires Qi, i allant de 1 à N. N est le nombre d'éléments thermoélectriques 6 en parallèle du dispositif. Les collecteurs des transistors Qi sont reliés à la ligne d'alimentation V. Chaque émetteur des transistors Qi est relié à la première borne 23 des éléments thermoélectriques 6. La deuxième borne 24 des éléments 15 thermoélectriques 6 est reliée à la masse électrique 31. Le calculateur 20 est également relié à une pompe de charge 33 permettant de commuter les éléments thermoélectriques 6 dans le mode de récupération d'énergie 22. Dans un mode particulier de réalisation, la pompe de charge 33 est alimentée en énergie électrique par la ligne d'alimentation 20 V. II est également connecté en parallèle à une ou plusieurs grilles de transistors, par exemple à effet de champ, Ti, appelés transistors MOS. Les transistors Ti sont par exemple à canal N. Les drains des transistors Ti sont reliés à la première borne 23 des éléments thermoélectriques 6 et les sources des transistors Ti sont reliées à des circuits de puissance, par 25 exemple un élévateur / abaisseur de tension 34 alimenté en énergie électrique par la ligne d'alimentation V. Lorsque le calculateur 20 commande le dispositif dans le mode de génération de chaleur 21, il envoie un courant de base dans le transistor Qc, lequel devient passant. Dans l'état passant, le transistor Qc appelle un 30 courant dans le transistor Qw. L'intensité dudit courant dépend de la valeur de la résistance 32 et de la tension d'alimentation. Le courant fait passer les transistors Q1 à Qn à l'état passant, les transistors Ti à Tn étant bloqués. La première borne 23 des éléments thermoélectriques est alors alimentée par la ligne d'alimentation V. Le courant ainsi créé entre les bornes 23, 24 des 35 éléments thermoélectriques 6 génère une tension électrique dans les éléments 6 et donc un échauffement des jonctions entre les matériaux semi-conducteurs 6P et 6N. Lorsque le calculateur 20 commande le dispositif dans le mode de récupération d'énergie 22, il envoie un courant négatif ou nul à la base du transistor Qc, lequel devient bloqué. Les éléments thermoélectriques 6 ne sont alors plus alimentés en énergie électrique. Le calculateur 20 envoie un signal électrique à la pompe de charge 33. La pompe de charge 33 applique alors un potentiel aux grilles des transistors Ti à Tn supérieur au potentiel des sources desdits transistors. Les transistors Ti à Tn deviennent passants. 1 o La tension générée par les éléments thermoélectriques 6 sous l'effet de la chaleur est conditionnée par l'élévateur / abaisseur de tension 34 afin d'obtenir une tension de sortie compatible avec la tension de la batterie 13. La tension de sortie peut alors charger la batterie 13. REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé et adapté pour équiper un pot d'échappement (2) pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments thermoélectriques (6) aptes à être commandés fixés d'une part, à un premier échangeur de température (1) fixé au pot d'échappement, d'autre part à un second échangeur de température (8) fixé à une source froide, les éléments thermoélectriques (6) étant commandés par un boîtier de commande (12) soit dans un mode de génération de chaleur (21) soit dans un mode de récupération d'énergie (22), en fonction au moins de la température du pot 1 o d'échappement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pot d'échappement (2) est un pot d'échappement catalytique réduisant des émissions de gaz nocifs de manière optimale à partir d'une température 15 minimale de fonctionnement optimal. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est commandé dans un mode de génération de chaleur (21) lorsque la température du pot d'échappement (2) est inférieure à la température 20 minimale de fonctionnement optimal et dans un mode de récupération d'énergie (22) lorsque la température du pot d'échappement (2) est supérieure à la température minimale de fonctionnement optimal ou lorsque le moteur du véhicule est à l'arrêt. 25 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier de commande (12) est relié à des équipements (14, 15, 16, 17) fournissant des informations permettant de déterminer dans quel mode (21, 22) le dispositif doit fonctionner. 30 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de température (14), en ce que le véhicule automobile comprend une sonde à oxygène (15), un capteur (16) de la tension de la batterie (13) et/ou un calculateur (17), et en ce que le boîtierde commande (12) est relié à la sonde à oxygène (15), au capteur (16) de la tension de la batterie (13) et/ou au calculateur du véhicule (17). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier échangeur de température (1) comprend une plaque (3) électriquement et thermiquement conductrice, une piste conductrice (5) et un film (4) isolant électriquement, le film (4) isolant électriquement étant fixé entre la plaque (3) et la piste conductrice (5). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième échangeur de température (8) comprend un circuit imprimé (7), un deuxième film (10) isolant électriquement, un substrat métallique (9) et un radiateur (11), le deuxième film (10) isolant électriquement étant fixé entre le circuit imprimé (7) et le substrat métallique (9) et le radiateur étant fixé au substrat métallique (9). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments thermoélectriques (6) comportent chacun un couple de matériaux semi-conducteurs (6P, 6N) de natures différentes, les matériaux semi-conducteurs d'une première nature (6P) étant dopés positivement et les matériaux semi-conducteurs de seconde nature (6N) étant dopés négativement. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une extrémité de chaque matériau semi-conducteur (6P, 6N) est reliée à une piste conductrice (5), en ce que les extrémités opposées à la piste conductrice (5) de chaque matériau semi-conducteur de première nature (6P) sont reliées à une première piste conductrice d'un circuit imprimé (7), la première piste conductrice du circuit imprimé (7) formant une première borne électrique (23) des éléments thermoélectriques (6), en ce que les extrémités opposées à la piste conductrice (5) de chaque matériau semi-conducteur de seconde nature (6N) sont reliées à une deuxième piste conductrice du circuit imprimé (7), la deuxième piste conductrice du circuit imprimé (7) formant une deuxième borne électrique (24) des éléments thermoélectriques (6), et en ceque les bornes électriques (23, 24) des éléments thermoélectriques (6) sont reliées au boîtier de commande (12). 10. Pot d'échappement (2) catalytique adapté pour équiper un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de récupération et de génération d'énergie apte à être commandé selon l'une quelconque des revendications précédentes.