Brevet FR2930277A1 — publié le 20091023

Moyen de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion [0001] L'invention porte sur un moyen de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, ainsi que sur un véhicule comportant une ligne d'échappement équipée d'un tel moyen de dépollution. Ce moyen de dépollution a pour principale caractéristique de jouer à la fois le rôle de filtre à particules de suies et d'échangeur de chaleur. En tant qu'échangeur, il peut remplir par exemple deux fonctions principales : d'une part le refroidissement des gaz d'échappement, destinés à une recirculation vers le moteur, et d'autre part une fonction de récupération thermique, par exemple pour le conditionnement thermique de l'habitacle d'un véhicule embarquant l'invention. [0002] Les moteurs à combustion interne émettent lors de leur fonctionnement des particules issues de la combustion, et ceci est notamment le cas pour les moteurs de type Diesel. [0003] Les niveaux d'émissions polluantes des véhicules automobiles sont réglementés, et notamment le niveau d'émissions de particules. Une des solutions proposées pour respecter les niveaux d'émissions de particules réglementaires consiste à doter les véhicules d'un filtre à particules. Ce filtre est disposé dans le circuit d'échappement des gaz issus de la combustion d'un mélange carburé dans le moteur. Ce filtre peut être constitué de divers matériaux présentant une certaine porosité, notamment de la cordiérite ou du carbure de silicium (Sic). Ce dernier matériau possède des propriétés de conduction thermique que l'invention se propose de mettre à profit afin de remplir avantageusement d'autres fonctions qui nécessitent généralement un échangeur de chaleur dédié. [0004] Les filtres à particules peuvent être positionnés selon diverses localisations sur la ligne d'échappement d'un moteur à combustion. Ils peuvent notamment être positionnés sous le plancher du véhicule ainsi équipé, ou dans le sous capot moteur, par exemple à proximité de la sortie d'un turbocompresseur. [0005] Par ailleurs, les niveaux d'émissions d'oxydes d'azote (NOx) des véhicules automobiles font également l'objet de réglementations de plus en plus restrictives. Il existe diverses technologies pour réduire les émissions de NOx, que ce soit par l'application aux gaz d'échappement d'un post-traitement ou par limitation des NOx formés lors de la combustion. Cette limitation � à la source �, peut être aidée par le mélange de gaz d'échappement à l'air admis dans le moteur. On parle alors de fonction EGR (Exhaust gas recirculation). Cette fonction a pour effet de ralentir la combustion du mélange et permet de diminuer la température de combustion, ce qui réduit la génération de NOx. [0006] Il existe différentes architectures de circuit de recirculation des gaz d'échappement. Généralement, les gaz sont prélevés directement en sortie du collecteur d'échappement du moteur et réintroduits dans le répartiteur d'admission ou à proximité de ce dernier. Selon une autre architecture de circuit EGR, applicable si le moteur est muni d'un turbocompresseur, les gaz d'échappement sont prélevés en aval de la turbine du turbocompresseur, et généralement réintroduits en amont du compresseur du turbocompresseur. On parle alors de circuit EGR basse pression. [0007] La solution basse pression est intéressante car elle permet notamment une plus grande récupération d'énergie au niveau de la turbine du turbocompresseur, et l'introduction de gaz d'échappement plus froids à l'admission du moteur, ce qui en favorise le bon remplissage et augmente l'efficacité de la fonction EGR sur les émissions de NOx. [0008] Afin d'éviter l'encrassement ou la dégradation du turbocompresseur par l'introduction de particules à l'admission via le circuit EGR basse pression, il est envisageable d'installer un filtre à particules dans la branche du circuit de recirculation des gaz d'échappement, mais il est aussi avantageusement possible de prélever les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement en aval d'un filtre à particules préexistant pour le post-traitement des gaz à l'échappement. Une architecture EGR basse pression dans laquelle les gaz sont ainsi prélevés en aval d'un filtre à particules est notamment décrite dans le brevet EP1085176. [0009] Quelle que soit l'architecture du circuit EGR, les gaz d'échappement réintroduits doivent l'être à la température la plus faible possible. Ainsi, ils ne pénalisent pas le remplissage des cylindres en air, et ils sont d'autant plus efficaces dans l'abaissement des températures de combustion. Pour réduire la température des gaz recirculés, un échangeur de chaleur peut être positionné dans le circuit de recirculation des gaz. [0010] Une autre fonction mettant en jeu un échangeur thermique pouvant être positionné sur la ligne d'échappement d'un véhicule est également connue. Il s'agit de la fonction de récupération thermique à l'échappement (RTE), qui permet d'améliorer le confort thermique du véhicule, c'est-à-dire d'en chauffer l'habitacle. Le système est placé en aval du filtre à particules et en amont du silencieux. Il fonctionne grâce un échangeur eau/gaz, et chauffe l'habitacle par le circuit de refroidissement du moteur. [0011] Notons que l'on emploie classiquement l'expression � boucle d'air � d'un moteur pour désigner l'ensemble des circuits de circulation des gaz dans un moteur, allant de l'entrée dans le circuit d'admission jusqu'à l'échappement, en incluant les éventuels circuits de recirculation des gaz, la partie de circulation des gaz dans un dispositif de RTE, les circuits de dérivation (by-pass) des diverses fonctions, etc. [0012] Dans un véhicule moderne combinant la dépollution à l'aide d'un filtre à particules, et/ou une fonction de recirculation des gaz d'échappement (notamment à basse pression), et/ou une fonction de récupération thermique à l'échappement, il est possible d'aboutir à une architecture de boucle d'air complexe car intégrant potentiellement plusieurs échangeurs de chaleur. L'implantation sur un véhicule des fonctions étant largement contrainte, le volume alloué au refroidissement des gaz de la fonction EGR est souvent restreint, ce qui limite le refroidissement possible de ces gaz. En outre, les pertes énergétiques peuvent être multipliées, par exemple l'efficacité d'un système RTE se trouve diminuée du fait des pertes thermiques dans le filtre à particules. [0013] Dans la présente invention, la solution à ces problèmes consiste à employer le filtre à particules en tant qu'échangeur de chaleur. Pour cela, l'inventeur a conçu un moyen de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur comportant un média filtrant pour la captation des particules et présentant une constitution particulière qui est l'objet du présent brevet, et qui permet à ce moyen de dépollution de jouer un rôle d'échangeur thermique. L'invention consiste donc à ajouter un refroidissement liquide piloté selon les situations de vie autour du média filtrant, et à utiliser le filtre ainsi constitué comme un échangeur. Un filtre à particules automobile possède classiquement une structure très favorable pour l'échange thermique entre les gaz d'échappement et sa matière. L'intensité de cet échange est dépendante de la surface d'échange, qui est très élevée sur un filtre à particules, de l'ordre de 2m2 dans une application automobile classique. Mais les échanges thermiques du substrat avec l'extérieur dans l'art antérieur sont limités volontairement par conception. [0014] Les gaz d'échappement étant refroidis par ce moyen, on pourra utiliser ce gain en refroidissement pour améliorer le refroidissement global des gaz de la fonction EGR et diminuer ainsi les émissions d'oxyde d'azote du moteur, ou supprimer l'échangeur dans la branche du circuit de recirculation des gaz d'échappement, ce qui résout la problématique d'implantation associée à cet échangeur. Les calories récupérées par le moyen de dépollution conforme à l'invention pourront également être utilisées pour le conditionnement thermique de l'habitacle (fonction RTE). [0015] Par ailleurs, il est parfois nécessaire que les gaz de la fonction EGR ne soient pas refroidis (typiquement pendant la montée en température du moteur) ou que le filtre à particules soit échauffé (typiquement pendant ses phases de régénération). L'invention prévoit également les stratégies de pilotage du système associées à ces besoins. [0016] Plus précisément, l'invention concerne donc un moyen de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion comportant un substrat filtrant conducteur thermique pour la filtration des particules de suies, maintenu dans une enveloppe métallique, caractérisé en ce que cette enveloppe est entourée d'un manchon dans lequel peut circuler un fluide caloporteur entre une d'entrée et une sortie. [0017] Dans une variante, l'enveloppe métallique du moyen de dépollution selon l'invention comporte une double paroi constituant le manchon dans lequel peut circuler un fluide caloporteur. [0018] Préférentiellement, le substrat filtrant du moyen de dépollution est majoritairement constitué de carbure de silicium, et est maintenu dans l'enveloppe par une nappe de maintien conductrice thermique, typiquement une nappe constituée d'un mat de métal expansé. [0019] Selon une variante de l'invention, l'enveloppe métallique du moyen de dépollution peut être commune au substrat filtrant et à un catalyseur d'oxydation. Préférentiellement, le substrat filtrant et le catalyseur d'oxydation sont alors maintenus dans l'enveloppe par une nappe de maintien présentant une moindre conduction thermique dans la partie maintenant le catalyseur que dans la partie maintenant le substrat filtrant. [0020] Le moyen de dépollution comportera préférentiellement un moyen de purge permettant de vider le manchon du fluide caloporteur. [0021] L'invention porte également sur un véhicule équipé d'une ligne d'échappement comportant un moyen de dépollution tel que décrit dans le présent mémoire, et comportant au moins un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit circuit de fluide caloporteur comporte une branche traversant le manchon du moyen de dépollution. Le fluide caloporteur peut être employé au conditionnement thermique de l'habitacle du véhicule. [0022] Le véhicule peut en outre comporter un moteur muni d'un circuit de recyclage d'une partie des gaz d'échappement, dans lequel les gaz recyclés sont prélevés dans la ligne d'échappement dans une zone située en aval du dispositif de dépollution. [0023] Le véhicule peut en outre comporter une turbine d'un turbocompresseur placée dans la ligne d'échappement du moteur, en amont du moyen de dépollution. [0024] Enfin, l'invention porte sur une stratégie de pilotage de la circulation d'un fluide caloporteur dans un moyen de dépollution tel que décrit dans le présent mémoire et équipant un véhicule, caractérisée en ce qu'on arrête la circulation du fluide caloporteur ou qu'on purge le fluide caloporteur du manchon entourant le moyen de dépollution pendant les phases de régénération dudit moyen de dépollution. [0025] Une autre stratégie consiste purger le fluide caloporteur du manchon entourant le moyen de dépollution si la température du fluide évaluée à proximité de la sortie du manchon dépasse un seuil de température prédéterminé. [0026] Selon une dernière stratégie, on désactive la circulation de fluide lorsque la température des gaz d'échappement évaluée à l'entrée du moyen de dépollution est inférieure à un niveau prédéterminé, et on l'active lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure à ce niveau prédéterminé. [0027] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0028] La figure 1 présente la boucle d'air générale d'un moteur à combustion muni d'une architecture d'EGR basse pression, selon l'art antérieur. [0029] La figure 2 présente la boucle d'air générale d'un moteur à combustion muni d'une architecture d'EGR basse pression, selon l'une des applications possibles de l'invention. [0030] La figure 3 présente schématiquement la circulation des gaz et des fluides de refroidissement à l'échappement d'un moteur à combustion muni d'une architecture d'EGR basse pression, selon l'invention, et en détaillant la constitution du moyen de dépollution, objet de l'invention. [0031] Sur la figure 1, correspondant à l'état de la technique antérieur à l'invention, un moteur 1 de type Diesel est alimenté en air via un turbocompresseur 2 comportant une turbine 2a et un compresseur 2b. L'air admis pour alimenter le moteur 1 est d'abord filtré dans un filtre à air 3 permettant d'ôter les impuretés de l'air susceptibles d'entraver le bon fonctionnement du moteur 1. Puis, l'air peut être mélangé à une part de gaz d'échappement, dans une zone d'introduction 4. L'air est comprimé par le compresseur 2b du turbocompresseur 2. Cette compression entraine un échauffement de l'air. En dehors de phases de fonctionnement bien particulières telles que les démarrages à froid, il est important que l'air admis dans le moteur soit le plus frais possible, afin de garantir un remplissage optimal des cylindres. Un échangeur air / liquide, le refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) 5 assure le refroidissement de l'air avant son introduction dans le moteur 1 via le répartiteur d'admission 1 a. Pour les phases lors desquelles on souhaite introduire de l'air chaud dans le moteur, un conduit de dérivation (� by-pass �) 6 est ménagé autour du RAS. [0032] Après combustion dans le moteur 1, les gaz sortent du moteur 1 par le collecteur d'échappement 1 b, puis entrainent la turbine 2a du turbocompresseur 2. Les gaz d'échappement sont ensuite purifiés par des systèmes de post-traitement. Dans la ligne d'échappement d'une automobile Diesel moderne, on trouve typiquement un catalyseur d'oxydation 7, pour réduire le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC), ainsi qu'un filtre à particules 8 qui piège les particules de suies, et les stocke entre des phases de régénérations. Lors des régénérations, les suies sont oxydées par un échauffement important provoqué dans le filtre. [0033] Notons que le catalyseur d'oxydation 7 et le filtre à particules 8 peuvent être contenus dans une enveloppe métallique (parfois appelée � canning �) unique. Avant d'être évacués, les gaz d'échappement traversent enfin un silencieux. [0034] Une part des gaz d'échappement est prélevée dans une zone 10 entre le filtre à particules 8 et le silencieux, pour être ramenée à l'admission dans une zone 4 via un circuit EGR 11 à basse pression. La quantité de gaz recirculée est pilotée au moyen des vannes 12 et 13. Les gaz admis dans le moteur devant être frais, afin de garantir un meilleur remplissage des cylindres du moteur et pour abaisser efficacement la température de combustion, un échangeur gaz / liquide 14 est ménagé dans le circuit EGR. [0035] La figure 2 nous montre l'architecture générale de la boucle d'air mettant en jeu l'invention, dans une application similaire à celle représentée sur la figure 1. On y retrouve le moteur 1, alimenté en air par un turbocompresseur 2. L'air admis pour alimenter le moteur 1 est tout d'abord filtré dans un filtre à air 3 puis mélangé à une part de gaz d'échappement, dans une zone d'introduction 4. L'air est comprimé par le compresseur 2b du turbocompresseur 2, puis refroidi dans le RAS 5 (ou � bypassé � selon le cas), avant d'être introduit dans le moteur 1 via le répartiteur d'admission 1 a. [0036] Après combustion, les gaz sortent du moteur 1 par le collecteur d'échappement 1 b, puis entrainent la turbine 2a du turbocompresseur 2. Les gaz d'échappement sont ensuite purifiés par des systèmes de post-traitement, typiquement un catalyseur d'oxydation 7 suivi d'un moyen de dépollution 9 faisant filtre à particules et échangeur, caractéristique de l'invention. Ce moyen de dépollution 9 présente la particularité de jouer, en plus de son rôle de filtration des particules de suies (rôle du filtre à particules 8 de la figure 1), le rôle d'échangeur de chaleur gaz / liquide, et comporte pour cela d'un substrat filtrant conducteur de chaleur 9a entouré d'un moyen de refroidissement par fluide caloporteur, typiquement un noyau d'eau. Le moyen de dépollution 9 peut ainsi, selon les variantes de l'invention, ou améliorer le refroidissement des gaz recirculés, ou remplacer l'échangeur 14 présent sur la figure 1, comme c'est le cas sur la figure 2. Les calories récupérées dans le noyau d'eau peuvent être par ailleurs employées dans le cadre d'une fonction RTE, afin d'améliorer la montée en température du moteur consécutivement à un démarrage, ou encore pour chauffer l'habitacle du véhicule. [0037] Comme avec le filtre à particules 8 de la figure 1, l'enveloppe métallique 9d du moyen de dépollution 9 peut être commune au catalyseur d'oxydation 7 et au substrat filtrant 9a. Selon une variante de l'invention, l'enveloppe du moyen de dépollution 9, entourée d'un noyau de fluide caloporteur, pourra donc accueillir le catalyseur d'oxydation 7. [0038] Après leur passage dans le moyen de dépollution des gaz 9, les gaz d'échappement traversent le silencieux avant d'être évacués. Une part des gaz d'échappement est prélevée dans une zone 10 entre le moyen de dépollution 9 et le silencieux, pour être ramenée à l'admission dans une zone 4 via un circuit EGR 11 à basse pression. La quantité de gaz recirculée est pilotée au moyen des vannes 12 et 13. Dans la variante de l'invention ici représentée, le refroidissement des gaz d'échappement dans le moyen de dépollution 9 est suffisant pour se passer d'un échangeur supplémentaire dans le circuit EGR. [0039] La figure 3 nous permet de détailler un peu plus la constitution du moyen de dépollution 9 ainsi que la circulation des fluides dans le dispositif. Sur cette figure, l'enveloppe métallique 9d est commune au filtre à particules et au catalyseur d'oxydation 7. Le moteur 1 évacue les gaz issus de la combustion par le collecteur d'échappement 1 b. Les gaz d'échappement traversent la turbine du turbocompresseur 2, et sont acheminés au système de post-traitement. [0040] Le moyen de dépollution 9 comporte un média filtrant 9a, bon conducteur de chaleur. Le média filtrant 9a sera préférentiellement majoritairement constitué de carbure de silicium (SiC). [0041] Dans la variante de l'invention représentée, le catalyseur 7 et le média filtrant 9a sont maintenus dans l'enveloppe 9d par une nappe de maintien 9c. Cette nappe 9c doit à la fois autoriser la dilatation du média filtrant 9a et garantir l'étanchéité vis-à-vis des particules. Par ailleurs, cette nappe de maintien 9c est constituée pour assurer une bonne conductivité thermique, sachant que nappes classiquement utilisées tendent au contraire à être les plus isolantes possibles. Préférentiellement, on utilisera une nappe constituée d'un mat en métal expansé, ou, dans le cas où le catalyseur d'oxydation 7 est dans la même enveloppe 9d que le substrat filtrant du moyen de dépollution 9, on privilégiera une nappe mixte, constituée d'un mat classique dans sa partie amont enserrant le catalyseur 7 et le début du média filtrant 9a, et d'un mat meilleur conducteur thermique tel un mat en métal expansé dans la partie aval restante. [0042] La nappe de maintien 9c réalise ainsi l'interface entre le média filtrant 9a du moyen de dépollution 9, éventuellement le catalyseur 7, et l'enveloppe métallique 9d. Selon l'invention, l'enveloppe 9d est entourée d'un manchon 9b permettant la circulation d'un liquide caloporteur, préférentiellement du liquide de refroidissement provenant du circuit de refroidissement du moteur 1. Le manchon 9b pourra être préférentiellement constitué par une enveloppe 9d à double paroi. La circulation de l'eau du circuit de refroidissement se fait préférentiellement en sens opposé au flux des gaz d'échappement, c'est-à-dire que l'on introduit le fluide à proximité de la sortie du moyen de dépollution 9, à l'entrée 15, et que le fluide ressort du filtre échangeur à proximité de l'entrée des gaz d'échappement, à la sortie 16. [0043] Le fluide caloporteur ainsi chauffé circule préférentiellement dans le circuit de refroidissement du moteur, assurant ainsi une fonction de récupération thermique à l'échappement. [0044] Des moyens de purge, non représentés sur les figures, sont ménagés afin de pouvoir vider le manchon 9b du fluide caloporteur qu'il contient. [0045] La circulation du fluide caloporteur dans la branche du circuit de refroidissement portant le moyen de dépollution 9 sera pilotée selon les situations de vie du véhicule embarquant l'invention. La circulation du fluide caloporteur est contrôlée par une vanne, pilotée par le calculateur moteur. Selon une variante de l'invention, la circulation est désactivée pendant la phase de montée en température du moteur, afin de ne pas refroidir excessivement les gaz d'échappement. La circulation est ensuite activée, ce qui permet de réduire la température des gaz d'échappement. [0046] Selon une variante de l'invention, une stratégie de protection peut être mise en place dans les situations où l'eau monterait trop en température, par exemple pendant les phases de régénérations du filtre échangeur ou pendant un fonctionnement prolongé du moteur à pleine charge. Cette stratégie consiste à purger l'eau présente dans le manchon 9b de l'enveloppe métallique 9d, en l'aspirant avec une mise à l'air libre pilotée.10 Revendications1. Moyen de dépollution (9) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1) comportant un substrat filtrant (9a) conducteur thermique pour la filtration des particules de suies, maintenu dans une enveloppe métallique (9d) , caractérisé en ce que cette enveloppe (9d) est entourée d'un manchon (9b) dans lequel peut circuler un fluide caloporteur entre une d'entrée (15) et une sortie (16). 2. Moyen de dépollution (9) selon la revendication (1), caractérisé en ce que l'enveloppe métallique (9d) comporte une double paroi constituant le manchon (9b) dans lequel peut circuler un fluide caloporteur. 3. Moyen de dépollution (9) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat filtrant (9a) est majoritairement constitué de carbure de silicium. 4. Moyen de dépollution (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que ce que le substrat filtrant (9a) est maintenu dans l'enveloppe (9d) par une nappe de maintien (9c) conductrice thermique. 5. Moyen de dépollution (9) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la nappe de maintien (9c) est constituée au moins pour partie d'un mat de métal expansé. 6. Moyen de dépollution (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe métallique (9d) est commune au substrat filtrant (9a) et à un catalyseur d'oxydation (7). 7. Moyen de dépollution (9) selon la revendication 6 caractérisé en que ce que le catalyseur (7) et le substrat filtrant (9a) sont maintenus dans l'enveloppe (9d) par une nappe de maintien (9c) présentant une moindre conduction thermique dans sa partie maintenant le catalyseur (7) que dans sa partie maintenant le substrat filtrant (9a). 8. Moyen de dépollution (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de purge permettant de vider le manchon (9b) du fluide caloporteur. 9. Véhicule équipé d'une ligne d'échappement comportant un moyen de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes et comportant au moins un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit circuit de fluidecaloporteur comporte une branche traversant le manchon (9b) entre une entrée (15) et une sortie (16). 10. Véhicule selon la revendication 9 et comportant en outre un habitacle, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est employé au conditionnement thermique de l'habitacle. 11 Véhicule selon la revendication 9 ou la revendication 10, comportant en outre un moteur (1) muni d'un circuit de recyclage (11) d'une partie des gaz d'échappement, caractérisé en ce que les gaz recyclés sont prélevés dans la ligne d'échappement dans une zone (10) située en aval du dispositif de dépollution (9). 12. Véhicule selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comportant de plus une turbine (2a) d'un turbocompresseur (2) placée dans la ligne d'échappement du moteur, en amont du moyen de dépollution (9). 13. Stratégie de pilotage de la circulation d'un fluide caloporteur dans un moyen de dépollution (9) équipant un véhicule selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce qu'on arrête la circulation du fluide caloporteur ou qu'on purge le fluide caloporteur du manchon (9b) entourant le moyen de dépollution (9) pendant les phases de régénération dudit moyen de dépollution (9). 14. Stratégie de pilotage de la circulation d'un fluide caloporteur dans un moyen de dépollution (9) équipant un véhicule selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce qu'on purge le fluide caloporteur du manchon (9b) entourant le moyen de dépollution (9) si la température du fluide évaluée à proximité de la sortie (16) dépasse un seuil de température prédéterminé. 15. Stratégie de pilotage de la circulation d'un fluide caloporteur dans un moyen de dépollution (9) équipant un véhicule selon l'une quelconque des revendications 9 à 12 caractérisée en ce qu'on désactive la circulation de fluide lorsque la température des gaz d'échappement évaluée à l'entrée du moyen de dépollution (9) est inférieure à un niveau prédéterminé, et qu'on l'active lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure à ce niveau prédéterminé.