Brevet FR2950384A1 — publié le 20110325

LIGNE D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION [0001] L'invention porte sur le domaine des circuits de traitement et d'évacuation des gaz d'échappement des moteurs à combustion. [0002] La dépollution des gaz d'échappement un moteur, notamment équipant un véhicule automobile, consiste dans le traitement de polluants réglementés, notamment le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) et les oxydes d'azote (NOx), et les particules, afin d'en limiter les émissions dans l'atmosphère. [0003] Les motorisations à allumage commandé (également appelées communément « motorisation à essence » ou « motorisation essence ») utilisent des catalyseurs dit 3 voies pour réaliser les réactions d'oxydoréduction nécessaires à la transformation des polluants réglementés en éléments non polluants. [0004] Ces catalyseurs sont généralement constitués d'un support ou substrat (céramique ou métallique) formé de canaux dans lesquels est appliquée une imprégnation favorisant la catalyse des réactions. Ces canaux sont plus ou moins nombreux et plus ou moins ouverts selon les applications et l'efficacité de conversion recherchée. [0005] Cependant, le catalyseur peut être empoisonné par un certain nombre d'éléments imbrûlables présent dans les gaz d'échappement, qui viennent s'adsorber sur les surfaces offertes par le catalyseur, et en réduisent ainsi l'efficacité de conversion. Ces éléments peuvent avoir diverses origines. Il peut s'agir d'éléments issus de l'huile de lubrification du moteur (P, Ca, Zn, etc.) ou encore d'éléments provenant du carburant employé pour faire fonctionner le moteur. Typiquement, certains carburants contiennent du Manganèse sous une forme particulière appelée MMT pour Méthyl cyclopentadienyl Manganèse Tricarbonyle. Cette molécule n'est pas transformée pendant la combustion, se retrouve dans les gaz d'échappement, se dépose ensuite sur le catalyseur et y reste fixée. [0006] On désignera donc dans le reste du présent mémoire par « poison du catalyseur » les éléments imbrûlables contenus dans les gaz d'échappement susceptibles de se fixer sur le catalyseur et d'en réduire l'efficacité de conversion. [0007] Une fois fixée, la molécule bouche les canaux du catalyseur ce qui impacte l'efficacité de la dépollution et les prestations moteur : on constate une baisse des performances et une augmentation de la consommation, notamment du fait de l'augmentation de la contre pression générée à l'échappement par le catalyseur empoisonné. Il n'y a alors pas d'autre solution que de remplacer le catalyseur pour retrouver d'une part les performances du moteur et d'autre part pour respecter les normes de dépollution en vigueur. [0008] Le catalyseur étant constitué pour partie de métaux précieux (Platine, Palladium, Rhodium) son remplacement est très coûteux. [0009] Dans l'invention, on résout ce problème en disposant un dispositif non catalytique apte à piéger par adsorption certains poisons du catalyseur. [0010] Plus précisément, l'invention porte donc sur une ligne d'échappement d'un moteur à combustion comportant, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un catalyseur 2 ou 3 voies en tant que premier dispositif de post-traitement des polluants réglementés contenus dans les gaz d'échappement, comportant en outre, en amont dudit catalyseur, un dispositif non catalytique de piégeage par adsorption d'au moins un poison du catalyseur ne comportant pas d'élément mobile. Les polluants réglementés incluent le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) et les oxydes d'azote (NOx), et les particules. Un poison du catalyseur, est un élément imbrûlable (dans les conditions thermiques classiques pouvant être obtenues dans les gaz d'échappement) ayant l'aptitude à s'adsorber à la surface des canaux du catalyseur, en réduisant ainsi l'efficacité. Il peut notamment d'agir de Méthyl cyclopentadienyl Manganèse Tricarbonyle. Dans l'invention, les poisons du catalyseur seront adsorbés en surface de l'élément non catalytique, ce qui protège ainsi le catalyseur contre son empoisonnement. [0011] Dans une variante, le dispositif de piégeage comporte une grille métallique. Cela constitue une manière simple de réalisation de l'invention. [0012] De préférence, le dispositif non catalytique comporte une succession de grilles métalliques, les mailles de deux grilles successives étant non alignées. Cette solution permet la constitution d'un dispositif de piégeage des poisons du catalyseur par adsorption efficace, et pouvant générer une contre-pression minimale dans la ligne. En s'assurant que les mailles des grilles sont non alignées, le flux des gaz va impacter un maximum de surfaces offertes par la succession de grilles, ce qui augmente la capacité d'adsorption de l'ensemble. [0013] Dans une variante, le dispositif de piégeage comporte un monolithe en céramique ou métallique, présentant, entre une face d'entrée et une face de sortie, des canaux ouverts à chacune de leur extrémité. Le monolithe peut être formé de canaux pouvant être plus moins ouverts selon l'optimum recherché entre la capacité d'absorption du dispositif et la contre-pression générée. On notera que c'est avant tout la surface offerte par les canaux pour le dépôt des poisons qui est dimensionnante. Divers modes de réalisations sont envisageables : un monolithe céramique de petite taille, analogue dans sa constitution à un substrat de catalyseur 3 voies, un monolithe métallique extrudé ou constitué par assemblage de tôles ondulées, etc. La surface totale constituée par l'ensemble des canaux et la forme de cet ensemble correspondront à la surface et à la forme de la ligne d'échappement à l'endroit où cet ensemble sera inséré de sorte que les gaz d'échappement issus du moteur traversent ce dispositif. D'autres modes de réalisation sont envisageables, par exemple un monolithe en mousse métallique. [0014] De préférence, le monolithe présente une longueur de 3 à 6 centimètres. Cette longueur correspond à la longueur de la zone d'établissement du flux laminaire dans les canaux du substrat, lorsque le diamètre hydraulique des canaux est d'un millimètre environ. Or, l'absorption étant liée à l'impact du flux gazeux sur les paroi, elle se produit principalement dans la zone où le flux est turbulent. Dans une variante de l'invention, le dispositif de piégeage comporte des ailettes augmentant la turbulence du flux gazeux le traversant. Ceci facilite l'adsorption des poisons du catalyseur à la surface du dispositif de piégeage. D'ailleurs, le dispositif peut essentiellement être constitué d'une ou plusieurs ailettes interposées dans le flux gazeux, les poisons se déposant alors à la surface des ailettes. Les ailettes sont alors positionnées de façon à ce que les gaz entrent en contact avec elles autant que possible sans toutefois augmenter de manière trop sensible la contrepression de la ligne d'échappement. La forme des ailettes n'est pas en soi fondamentale pour la réalisation de l'invention. Ces ailettes peuvent être constituées de tout matériau ayant les propriétés thermomécaniques pour supporter l'environnent dans la ligne d'échappement. La portion de ligne dans laquelle elles sont disposées peut être linéaire ou courbe sans que cela revête une grande importance en termes d'efficacité du dispositif. [0015] De préférence, le dispositif de piégeage présente une imprégnation augmentant la surface développée d'adsorption. En effet, l'adsorption sera d'autant facilitée que la surface offerte par le dispositif de piégeage est importante. [0016] De préférence, l'imprégnation contient de l'alumine gamma. Une imprégnation à base de ce composant est peu onéreuse et permet d'augmenter considérablement la surface offerte à l'adsorption des poisons du catalyseur. [0017] De préférence, la ligne d'échappement comporte des moyens de montage et démontage rapide de l'élément non catalytique. Il peut s'agir de brides, par exemple. Ceci permet un remplacement ou un nettoyage du dispositif lorsqu'il est encrassé. [0018] Dans le cas d'une ligne d'échappement double comportant un catalyseur dans chacune de ses branches, 2 dispositifs de piégeage pourront être utilisés, en les positionnant respectivement en amont de chacun des catalyseurs. [0019] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système selon un mode de réalisation possible. [0020] La figure 1 présente schématiquement une vue partielle de l'architecture d'une ligne d'échappement conforme à l'invention. [0021] La figure 2 présente schématiquement un dispositif de piégeage des poisons du catalyseur, selon un mode de réalisation possible pour la mise en oeuvre de l'invention. [0022] Sur la figure 1, un moteur à combustion 1 présente une ligne d'échappement 2 équipée d'au moins un catalyseur 3 en tant que premier dispositif de post traitement des polluants réglementés. Dans l'invention, on dispose dans la ligne d'échappement un dispositif non catalytique de piégeage 4 par adsorption d'au moins un poison du catalyseur en amont du catalyseur 3. [0023] Le dispositif de piégeage 4 est, dans la variante de l'invention ici représentée, fixé dans la ligne à l'aide de brides 5, permettant un montage et un démontage aisé du dispositif. Ainsi, selon les exigences normatives à respecter et la quantité des polluants dans les gaz d'échappement (qui dépend notamment de la qualité du carburant employée, qui est très variable selon la zone géographique considérée), si le dispositif de piégeage 4 est encrassé et n'est plus en mesure de correctement fixer les poisons du catalyseur ou ne permet plus un transit efficace des gaz, générant par là même une contrepression importante et un perte de performance résultante du moteur, il peut être remplacé, ou démonté pour être nettoyé. [0024] La figure 2 présente un mode de réalisation particulier d'un dispositif de piégeage par adsorption apte à la mise en oeuvre de l'invention. [0025] La vue supérieure correspond à une vue de la face d'entrée du dispositif. La vue inférieure correspond à une coupe du dispositif selon l'axe AA de la vue supérieure. [0026] Selon le mode de réalisation présenté en figure 2, la face d'entrée du dispositif de piégeage présente une grille métallique 61. Le dispositif comporte une succession de grilles 62, 63, etc. L'ensemble est tenu dans une portion de tube 7 de diamètre correspondant à celui de la ligne d'échappement dans la zone où il doit être implanté, comportant un système de brides 5 pour assurer un montage et un démontage facile. [0027] Dans d'autres variantes de l'invention non représentées, le dispositif de piégeage 4 peut être contenu dans une portion de tube 7 soudée au reste de la ligne, ou encore implanté directement dans la ligne d'échappement. En outre, le dispositif peut être constitué différemment. Il peut s'agir, à titre d'exemple, d'une grille métallique, d'un monolithe en céramique ou métallique, ou encore d'un système présentant des ailettes favorisant la turbulence du flux des gaz d'échappement. [0028] Ainsi constituée, l'invention permet la protection du catalyseur 2 ou 3 voies, lorsque celui-ci est le premier dispositif de post-traitement des polluants réglementé, contre son empoisonnement par des espèces chimiques susceptibles de s'y fixer et d'en réduire l'efficacité de conversion des polluants. [0029] Une ligne selon l'invention met en outre en oeuvre un dispositif dédié simple, peu coûteux, et, selon la variante de l'invention employée, susceptible d'être remplacé lors d'une maintenance du moteur, ou du véhicule automobile qu'il équipe si tel est le cas. Sur une application automobile, le coût de nettoyage (ou de remplacement) de ce dispositif est nettement moins élevé que le coût de remplacement d'un catalyseur. Revendications: 1. Ligne d'échappement d'un moteur à combustion (1) comportant, selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un catalyseur 2 ou 3 voies (3) en tant que premier dispositif de post-traitement des polluants réglementés contenus dans les gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre, en amont dudit catalyseur (3), un dispositif non catalytique de piégeage (4) par adsorption d'au moins un poison du catalyseur, ne comportant pas d'élément mobile. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de piégeage (4) comporte une grille métallique. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dispositif non catalytique comporte une succession de grilles métalliques (61, 62, 63), les mailles de deux grilles successives étant non alignées. 4. Ligne d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de piégeage (4) comporte un monolithe en céramique ou métallique, présentant, entre une face d'entrée et une face de sortie, des canaux ouverts à chacune de leur extrémité. 5. Ligne d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que le monolithe présente une longueur de 3 à 6 centimètres 6. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de piégeage (4) comporte des ailettes augmentant la turbulence du flux gazeux le traversant. 7. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de piégeage (4) présente une imprégnation augmentant la surface développée d'adsorption. 8. Ligne d'échappement selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'imprégnation contient de l'alumine gamma. 9. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte des moyens de montage et démontage rapide de l'élément non catalytique.