Brevet FR2928685A3 — publié le 20090918

FR 2928685 A3 20090918 FR 0801350 A 20080312 REN071 FR PJ7877 dépôt DA 1 L'invention concerne un dispositif d'injection de réformat pour un dispositif de dépollution de gaz d'échappement de véhicule automobile, ainsi qu'un agencement pour la dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile et un véhicule automobile en tant que tel incluant un tel agencement. Enfin, elle concerne un procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile. Malgré l'optimisation du fonctionnement des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement des moteurs de type diesel, les moteurs génèrent un premier type d'émission polluante consistant en l'émission de particules polluantes qui sont constituées de suies produites lors de la combustion imparfaite dans le moteur. De plus, ils génèrent un second type d'émissions polluantes consistant en l'émission d'oxydes d'azote (NOx). Selon l'état de la technique, il est connu de piéger les particules polluantes présentes dans les gaz d'échappement par l'implantation d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement en aval des chambres de combustion du moteur. Un tel filtre est conçu de façon à pouvoir retenir les particules se trouvant dans les gaz d'échappement qui traversent le filtre. 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, ainsi qu'une augmentation de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules. De plus, un autre dispositif classiquement appelé piège à oxydes d'azote, ou encore par sa dénomination anglo-saxonne "NOx trap", expression qui sera utilisée par la suite, composé par exemple de baryum destiné à absorber les oxydes d'azotes NOx, est aussi classiquement implémenté REN071 FR PJ7877 dépôt DA 2 sur la ligne d'échappement d'un véhicule automobile. Le NOx trap peut présenter le désavantage d'absorber également des oxydes de soufre SOx. Ces deux dispositifs de dépollution, comme d'autres non mentionnés, fonctionnent selon un même principe, qui consiste d'une part à piéger et stocker certains éléments polluants des gaz d'échappement et d'autre part à nécessiter une phase de régénération au-delà d'une certaine quantité d'éléments polluants stockés pour pouvoir continuer durablement de remplir leur fonction technique et ne pas perturber l'ensemble des performances de la motorisation. Ainsi, classiquement, ces dispositifs fonctionnent donc de manière périodique, en deux phases. Lors d'une première phase, ils stockent des éléments polluants émis par le moteur comme des particules ou des oxydes d'azote, et lors d'une deuxième phase, ces éléments stockées sont brûlés ou réduits afin de régénérer les dispositifs de dépollution. Cette phase de régénération, qui consiste en une combustion ou réduction des éléments polluants accumulés, nécessite soit une opération de combustion qui est rendue possible par une élévation de la température interne au sein de ces dispositifs, par une augmentation de la thermique des gaz d'échappement, soit l'introduction d'espèces chimiques à fort pouvoir réducteur au sein de ces dispositifs, comme par exemple de l'hydrogène H2, du monoxyde de carbone CO ou des hydrocarbures HC. Pour ce faire, une première solution de l'état de la technique propose de procéder à une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant juste après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz à l'échappement. Par exemple, on REN071 FR PJ7877 dépôt DA 3 provoque la combustion des suies dans le filtre à particules en élevant la température des gaz d'échappement au sein du filtre à particules jusqu'à une température de l'ordre de 550 à 650 degrés Celsius, température à partir de laquelle la combustion des particules de carbone retenues dans le filtre est amorcée. De plus, en basculant momentanément le fonctionnement du moteur d'une injection de type mélange pauvre vers une injection de type mélange riche, on produit en sortie de combustion des réducteurs, comme par exemple les éléments HC et CO, destinés ensuite à réduire les oxydes d'azote NOx de leur piège NOx-Trap lors de leur passage dans ce dispositif. Ces méthodes de régénération ont l'inconvénient d'exiger la modification sensible du fonctionnement du moteur. Cette modification augmente de manière significative la consommation de carburant et augmente la concentration en carburant dans l'huile de lubrification, par le phénomène qu'on appelle la dilution. Une autre solution, décrite par exemple dans le document FR2900196, propose une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qui comporte un réformeur permettant de générer un mélange appelé réformat à partir du carburant du véhicule, qui est riche en hydrogène (H2) et en monoxyde de carbone (CO). Le réformat est ensuite injecté sur commande en amont d'au moins un des dispositifs de traitement des gaz d'échappement mentionnés précédemment. Ce mélange, par sa richesse en espèces chimiques à fort pouvoir réducteur, permet de fournir soit les molécules nécessaires à la réduction des éléments polluants soit l'énergie thermique nécessaire à la combustion de ces éléments polluants. Lorsqu'il est par exemple injecté en amont du piège à oxyde d'azote, le réformat est oxydé par l'oxygène des gaz d'échappement, comme sur un catalyseur d'oxydation. En effet, le piège à oxydes d'azote comporte, comme le catalyseur d'oxydation, des métaux capables d'oxyder l'hydrogène, le monoxyde de carbone en REN071 FR PJ7877 dépôt DA 4 présence d'oxygène. De plus, le réformat peut apporter les molécules nécessaires à la réaction de réduction des oxydes stockés dans le NOx trap. Cette solution présente l'inconvénient d'entraîner un encombrement supplémentaire important du dispositif de dépollution car le réformat doit se mélanger de manière homogène dans les gaz d'échappement pour agir efficacement, ce qui nécessite une longueur de mélange importante et souvent incompatible avec les contraintes d'un véhicule automobile. L'invention a pour objet un dispositif et procédé permettant la régénération 10 améliorée des dispositifs de traitement de la pollution des gaz d'échappement par rapport aux solutions existantes rappelées ci-dessus. Plus précisément, un premier objet de l'invention est un dispositif dont l'encombrement est minimal, compatible avec les contraintes d'un 15 véhicule automobile. Un second objet de l'invention est un dispositif qui ne nécessite pas une modification du fonctionnement du moteur, et n'entraîne pas une surconsommation de carburant. 20 A cet effet, l'invention repose sur un dispositif d'injection de réformat pour un véhicule automobile, comprenant un tube d'injection ayant à une première extrémité une entrée de réformat, caractérisé en ce que le tube d'injection est destiné à être disposé transversalement à un tube 25 d'échappement de véhicule automobile et comprend vers sa seconde extrémité au moins une fente apte à laisser sortir le réformat au sein du tube d'échappement. Le tube d'injection peut comprendre deux fentes rectangulaires 30 diamétralement opposées. Les deux fentes peuvent s'étendre REN071 FR PJ7877 dépôt DA 5 longitudinalement dans la direction du tube d'injection, de largeur comprise entre 20 et 50% du diamètre interne du tube d'injection, et de longueur supérieure à 80% du diamètre du tube d'échappement sur lequel le tube d'injection est destiné à être disposé. L'invention porte aussi sur un agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant un tube d'échappement et au moins un dispositif de dépollution des gaz d'échappement de type filtre à particules et/ou piège à oxydes d'azote, nécessitant une phase de régénération consistant en la combustion ou la réduction des éléments polluants stockés, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'injection de réformat tel que décrit précédemment disposé en amont du au moins un dispositif de dépollution, de sorte que le tube d'injection est disposé transversalement au tube d'échappement et comprend vers sa seconde extrémité au moins une fente apte à laisser sortir le réformat au sein du tube d'échappement. La au moins une fente peut être comprise à l'intérieur du tube d'échappement, être rectangulaire et orientée dans la direction du tube d'injection, et présenter une longueur supérieure ou égale à 80% du diamètre du tube d'échappement. La au moins une fente peut être orientée dans le tube d'échappement de sorte que le réformat est injecté dans une direction perpendiculaire à la 25 direction d'écoulement des gaz d'échappement. L'agencement peut de plus comprendre un mélangeur en aval du dispositif d'injection de réformat, qui consiste en un matériau poreux, comme un élément à base de fibres métalliques ou à structure en nid 30 d'abeilles ou un assemblage de feuillets métalliques. REN071 FR PJ7877 dépôt DA 6 Il peut aussi comprendre un dispositif de montée en température en aval du dispositif d'injection de réformat, qui consiste en une résistance chauffante ou en l'imprégnation de fibres et un dépôt de métaux précieux, comme du platine ou du palladium. Le mélangeur peut présenter une structure métallique qui est reliée à une source de courant pour remplir la fonction supplémentaire de résistance chauffante pour remplir de plus la fonction de dispositif de montée en température du réformat. L'invention porte aussi sur un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un agencement pour le traitement des gaz d'échappement tel que décrit précédemment. L'invention porte aussi sur un procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile comprenant une étape consistant à stocker des éléments polluants dans un dispositifs de dépollution et une étape consistant à régénérer le dispositif de dépollution par combustion ou réduction des éléments polluants stockés, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à injecter un réformat par au moins une fente rectangulaire dans le tube d'échappement du véhicule automobile dans l'étape de régénération du dispositif de dépollution. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : REN071 FR PJ7877 dépôt DA 7 la figure 1 représente schématiquement un dispositif d'injection de réformat selon un mode d'exécution de l'invention ; la figure 2 représente schématiquement un agencement selon une première variante du mode d'exécution de l'invention; la figure 3 représente schématiquement un agencement selon une seconde variante du mode d'exécution de l'invention; les figures 4 et 5 représentent en perspective les dispositifs d'injection selon deux variantes d'exécution de l'invention. L'invention repose sur une injection de réformat dans les gaz d'échappement à l'aide d'un injecteur particulier d'encombrement réduit, en amont des dispositifs de traitement de la pollution, non représentés, comme un Nox trap et/ou un filtre à particules. Selon le mode d'exécution représenté sur la figure 1, le réformat est guidé dans un tube 2 de section circulaire depuis une entrée 1, jusqu'à l'intérieur du tube d'échappement 3 d'un véhicule automobile. Le tube d'injection 2 du réformat est disposé transversalement au tube d'échappement 3, et pénètre à l'intérieur de ce tube. Sa partie 4 disposée à l'intérieur du tube d'échappement 3 comprend des ouvertures pour laisser sortir le réformat 5 qui se mélange ensuite avec les gaz d'échappement 6, dans la partie avale à cette injection. L'extrémité 8 de la partie 4 du tube de réformat 2 peut venir en appui sur la paroi opposée intérieure du tube d'échappement 3 pour stabiliser le positionnement du tube d'injection 2, comme cela est illustré sur les figures 2 et 3. Les ouvertures de la partie 4 du tube d'injection 2 pour l'injection du réformat 5 dans le tube d'échappement 3 consistent en au moins une fente rectangulaire 7 s'étendant le long du tube 4, dans une direction qui est donc sensiblement perpendiculaire au tube d'échappement 3. REN071 FR PJ7877 dépôt DA 8 Selon le mode d'exécution avantageux de l'invention, la partie 4 du tube d'injection 2 comprend deux fentes de 2 millimètres de large pour une longueur d'environ 43 millimètres, diamétralement opposées selon une orientation telle que le réformat 5 est injecté perpendiculairement à la direction de l'écoulement des gaz d'échappement 6. Cette configuration permet d'atteindre un mélange homogène du réformat avec les gaz d'échappement en une distance d'environ 90 millimètres pour un tube d'échappement de diamètre 50 millimètres. Plus généralement, une fente de largeur comprise entre 20 et 50% du diamètre interne du tube d'injection, soit environ de 1 et 3 millimètres pour un diamètre de 6 millimètres, et de hauteur sensiblement supérieure à 80% du diamètre du tube d'échappement 3, par exemple comprise entre 35 et 45 millimètres pour un tube d'échappement de diamètre classique (50 millimètres), conviendra bien. La figure 4 illustre à titre d'exemple le mode d'exécution de l'invention en perspective. Selon une construction avantageuse, l'injecteur décrit ci-dessus est couplé à un mélangeur supplémentaire 9 monté en aval de l'injecteur et dont la fonction est d'améliorer le mélange du réformat dans les gaz d'échappement. Selon l'exemple décrit sur la figure 2, ce mélangeur 9 consiste en un matériau poreux, à base de fibres métalliques par exemple. La porosité du matériau est déterminée de sorte de générer une perte de charge inférieure à 50 mbar dans la ligne d'échappement. Le mélangeur peut comprendre une structure en nid d'abeilles ou un assemblage de feuillets métalliques. Le dispositif de mélange 9 peut être celui proposé dans les dispositifs d'injection d'espèces chimiques liquides à REN071 FR PJ7877 dépôt DA 9 l'échappement. La figure 5 illustre à titre d'exemple une telle variante d'exécution. Selon une autre construction avantageuse, l'injecteur est couplé à un dispositif de montée en température 10 du mélange obtenu. Selon l'exemple réalisé en figure 3, une structure poreuse métallique telle qu'utilisée dans la construction relative à la figure 2 est reliée à une source de courant électrique, de sorte qu'elle se comporte en outre comme une résistance chauffante. Elle a alors pour effet de chauffer tout ou partie du mélange pour le porter à une température suffisante, soit pour amorcer des catalyseurs positionnés en aval, ce qui exige une température entre 150 et 200 degrés Celsius, soit pour initier les réactions de combustion d'une partie en volume du réformat présent dans le mélange qui va traverser les dispositifs de dépollution, ce qui exige une température locale entre 550 et 600 degrés celsius. En variante, ce dispositif de montée en température peut être obtenu par l'imprégnation des fibres ou des feuillets métalliques ou du matériau à structure en nid d'abeille et le dépôt de métaux précieux, comme le platine ou le palladium, qui permettent une oxydation à plus basse température de l'hydrogène et du monoxyde de carbone contenus dans le réformat. Dans ces deux précédents exemples, le dispositif de montée en température 10 remplit de plus la fonction de mélangeur 9. Toutefois, ces deux fonctions pourraient être séparées et mises en oeuvre par deux dispositifs distincts. Un seul des deux dispositifs pourrait être implémenté, monté sur le tube d'échappement, ou les deux pourraient être disposés en série sur le tube d'échappement. REN071 FR PJ7877 dépôt DA 10 Le dispositif de dépollution peut de plus contenir un calculateur afin de calculer la quantité optimale de réformat nécessaire afin de respecter les conditions stoechiométriques entre les éléments H2 et CO du réformat et l'oxygène 02. L'invention porte aussi sur un procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile comprenant l'étape consistant à injecter un réformat par au moins une fente rectangulaire 7 dans le tube d'échappement 3 du véhicule automobile dans l'étape de régénération d'un dispositif de dépollution. Cette injection peut avantageusement être perpendiculaire à la direction du flux des gaz d'échappement. Revendications 1. Dispositif d'injection de réformat pour un véhicule automobile, comprenant un tube d'injection (2) ayant à une première extrémité (1) une entrée de réformat, caractérisé en ce que le tube d'injection (2) est destiné à être disposé transversalement à un tube d'échappement (3) de véhicule automobile et comprend vers sa seconde extrémité (8) au moins une fente (7) apte à laisser sortir le réformat (5) au sein du tube d'échappement (3). 2. Dispositif d'injection de réformat selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube d'injection comprend deux fentes rectangulaires (7) diamétralement opposées. 3. Dispositif d'injection de réformat selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube d'injection (2) comprend deux fentes s'étendant longitudinalement dans la direction du tube d'injection (2), de largeur comprise entre 20 et 50% du diamètre interne du tube d'injection, et de longueur supérieure à 80% du diamètre d'un tube d'échappement (3) sur lequel le tube d'injection (2) est destiné à être disposé. 4. Agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant un tube d'échappement (3) et au moins un dispositif de dépollution des gaz d'échappement de type filtre à particules et/ou piège à oxydes d'azote, nécessitant une phase de régénération consistant en la combustion ou la réduction des éléments polluants stockés, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'injection de réformat selon l'une des revendications précédentes disposé en amont du au moins un dispositif de dépollution, de sorte que le tube d'injection (2) est disposé transversalement au tube d'échappement (3) et comprendREN071 FR PJ7877 dépôt DA 12 vers sa seconde extrémité (8) au moins une fente (7) apte à laisser sortir le réformat (5) au sein du tube d'échappement (3). 5. Agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la au moins une fente (7) est comprise à l'intérieur du tube d'échappement (3), est rectangulaire et orientée dans la direction du tube d'injection (2), et présente une longueur supérieure ou égale à 80% du diamètre du tube d'échappement (3). 6. Agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la au moins une fente (7) est orientée dans le tube d'échappement (3) de sorte que le réformat (5) est injecté dans une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement des gaz d'échappement (6). 7. Agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un mélangeur (9) en aval du dispositif d'injection de réformat, qui consiste en un matériau poreux, comme un élément à base de fibres métalliques ou à structure en nid d'abeilles ou un assemblage de feuillets métalliques. 8. Agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de montée en température (10) en aval du dispositif d'injection de réformat, qui consiste en une résistance chauffante ou en l'imprégnation de fibres et un dépôt de métaux précieux, comme du platine ou du palladium.30REN071 FR PJ7877 dépôt DA 13 9. Agencement pour le traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le mélangeur (9) présente une structure métallique qui est reliée à une source de courant pour remplir la fonction supplémentaire de résistance chauffante pour remplir de plus la fonction de dispositif de montée en température (10) du réformat. 10. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un agencement pour le traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 10 4à9. 11. Procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile comprenant une étape consistant à stocker des éléments polluants dans un dispositifs de dépollution et une étape consistant à 15 régénérer le dispositif de dépollution par combustion ou réduction des éléments polluants stockés, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à injecter un réformat par au moins une fente rectangulaire (7) dans le tube d'échappement (3) du véhicule automobile dans l'étape de régénération du dispositif de dépollution. 20