Brevet FR2990237A1 — publié le 20131108

LIGNE D'ECHAPPEMENT AVEC UN SYSTEME DE DEPOLLUTION ADAPTE AU TRAVAIL EN CONDITIONS DE SUR-ENRICHISSEMENT ET PROCEDE DE DEPOLLUTION D'UNE TELLE LIGNE [0001] L'invention porte sur une ligne d'échappement avec un système de dépollution adapté au travail en conditions de sur-enrichissement des gaz d'échappement sortant d'un moteur technique et un procédé de dépollution d'une telle ligne. [0002] Le domaine technique est plus particulièrement la dépollution essence d'un véhicule présentant un moteur thermique. La présente invention est valable aussi pour des carburants éthanolés comportant un mélange d'essence et d'éthanol. [0003] Sur un moteur essence, à très forte charge, pour favoriser la combustion ou pour baisser la température de certains composants, par exemple le collecteur d'échappement, les soupapes, la turbine, le ou les catalyseurs, etc..., il est nécessaire d'enrichir le mélange air-essence en produisant un excès d'essence. [0004] Dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique à essence, il est prévu au moins un catalyseur, ce catalyseur étant avantageusement un catalyseur à trois voies. Un tel catalyseur trois voies ne convertit les polluants que sur une plage de richesse très étroite autour de la richesse dite un, cette richesse un correspondant à un rapport de masse égal à 14,7 fois moins de masse d'essence que de masse d'air. En effet, pour un catalyseur trois voies, cette plage de fonctionnement correspond à des richesses variant usuellement de +/- 0,005 autour de la richesse un. Il en va de même pour divers types de catalyseurs avec cependant une plage de fonctionnement un peu plus large, par exemple de +/- 0,01 autour de la richesse un. [0005] Dans le cas de carburants éthanolés, le rapport stoechiométrique n'est plus de 14,7 mais peut descendre jusqu'à une valeur autour de 9. Par exemple, actuellement l'essence du commerce est de l'E5 ou de l'El 0 avec respectivement 5 ou 10% d'éthanol. L'essence du commerce a donc un rapport stoechiométrique autour de 14 pour avoir une richesse de 1. [0006] Cependant, plus la masse d'essence s'accroît en proportion de la masse d'air et plus la richesse augmente. Les richesses courantes du mélange essence/air sur fortes charges sont de l'ordre de 1,1 à 1,3. A un tel niveau de richesse, l'efficacité du catalyseur trois voies est quasi-nulle en étant hors de sa plage de fonctionnement. Les émissions de gaz, notamment de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures, qui augmentent fortement par fortes charges, ne sont plus converties par le catalyseur. [0007] Un moyen pour permettre de garantir une efficacité optimale du catalyseur tout en garantissant l'intégrité des composants et la performance du moteur est d'injecter de l'oxygène, sous forme d'air, en amont du catalyseur afin de revenir dans des conditions stoechiométriques pour ledit catalyseur, c'est-à-dire de baisser la richesse du mélange pour l'intégrer dans la plage de fonctionnement du catalyseur. [0008] Toutefois, cette injection d'air en conditions d'excès de carburant va faire fortement augmenter la température et peut donc endommager le catalyseur. En effet, il peut se produire une combustion du carburant dans la ligne d'échappement avec donc une augmentation de la température dans la ligne et donc dans le catalyseur. [0009] Comme l'intégrité du moteur thermique est la condition essentielle du fonctionnement du moteur, les richesses à très fortes charges sont élevées et il en résulte des émissions élevées d'autant plus que le ou les catalyseurs prévus dans la ligne d'échappement ne travaillent plus dans leur plage de fonctionnement optimal. [0010] Pour limiter les besoins d'enrichissement, il faudrait : - soit augmenter la tenue thermique des composants par exemple le collecteur d'échappement, les soupapes, la turbine, le ou les catalyseurs, etc..., - soit refroidir les gaz d'échappements en utilisant par exemple un système de recirculation des gaz d'échappement, - soit limiter la puissance spécifique du moteur. [0011] Les deux premières conditions ont un coût élevé avec la seconde présentant en outre une complexité technique. La troisième implique la réduction des performances du moteur et donc du véhicule. Ces conditions ne peuvent donc pas être aisément envisagées. [0012] Inversement, il n'est plus possible d'autoriser le fonctionnement du moteur avec un tel excès de richesse sans mettre en oeuvre des moyens de réduction des émission de gaz, les nouvelles normes anti-pollution prévoyant des seuils des émissions de plus en bas. [0013] Le document US-A-3 757 521 propose une injection d'air en sortie collecteur échappement en amont d'un premier catalyseur suivi d'une seconde injection d'air en amont d'un second catalyseur. Ce procédé permet le contrôle des émissions de gaz dans toutes les phases de fonctionnement du moteur thermique, notamment au démarrage, en fonctionnement normal, en surcharge et quand les gaz d'échappement sont à une température anormalement élevée. Le catalyseur le plus proche du moteur est un catalyseur de réduction et le catalyseur le plus éloigné du moteur est un catalyseur d'oxydation. [0014] Le fait que l'injection d'air se fasse pour toutes les phases de fonctionnement du moteur thermique n'incite pas l'homme de métier à rechercher dans ce document une solution pour un problème de dépollution des gaz créé par des richesses élevées à forte charge. De plus, les catalyseurs divulgués dans ce document ne sont pas assimilables aux catalyseurs existant actuellement et il n'est pas évoqué une plage de fonctionnement pour au moins l'un de ces catalyseurs requérant le maintien d'une richesse donnée. [0015] Le problème à résoudre selon la présente invention est de concevoir un système de dépollution dans la ligne d'échappement qui soit spécifiquement adapté à des conditions de fonctionnement du moteur à très fortes charges et à des richesses de mélange essence/air à la sortie du moteur thermique supérieures à un afin qu'au moins un des catalyseurs prévus dans ce système puisse fonctionner dans sa plage de fonctionnement optimal, ceci avec le système continuant à remplir efficacement son action de dépollution pour les autres configurations de fonctionnement du véhicule. [0016] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention une ligne d'échappement de véhicule automobile, s'étendant d'un collecteur d'échappement du moteur thermique en présentant un système de dépollution comprenant au moins un catalyseur sous plancher, disposé à distance dudit collecteur et au moins une sonde à oxygène, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un catalyseur groupe compact disposé sur ladite ligne à proximité du collecteur d'échappement et en amont du catalyseur sous plancher, - un injecteur d'air disposé sur ladite ligne entre le catalyseur groupe compact et le catalyseur sous plancher pour l'injection d'air dans ladite ligne, - une sonde à oxygène disposée sur ladite ligne entre l'injecteur et le catalyseur sous plancher. [0017] L'effet technique est d'obtenir un fonctionnement du catalyseur sous plancher qui se fasse dans la plage de fonctionnement dudit catalyseur, ce qui n'est pas le cas quand la richesse du catalyseur est supérieure à 1, notamment en étant comprise entre 1,1 et 1,3. Ceci permet d'effectuer une dépollution satisfaisante des gaz d'échappement à richesse élevée desdits gaz à la sortie du moteur, ce qui est particulièrement avantageux à fortes charges pour lesquelles les émissions desdits gaz sont importantes. [0018] Avantageusement, les catalyseurs groupe compact et sous plancher sont des catalyseurs trois voies, le catalyseur groupe compact présentant un plus faible volume et une plus forte densité de cellules que le catalyseur sous plancher. [0019] Avantageusement, il est prévu une seconde sonde à oxygène disposée sur ladite ligne entre le collecteur d'échappement et le catalyseur groupe compact. [0020] Avantageusement, il est prévu une troisième sonde à oxygène disposée sur ladite ligne en aval du catalyseur sous plancher. [0021] Avantageusement, le système de dépollution comprend des moyens de réception de mesures délivrées par la sonde à oxygène disposée entre l'injecteur et le catalyseur sous plancher, des moyens de calcul de la richesse des gaz d'échappement au niveau de la sonde ainsi que des moyens de calcul de quantités d'air à injecter pour que la richesse à l'entrée du catalyseur sous plancher soit sensiblement égale à un et des moyens de régulation de l'injection d'air en fonction desdites quantités. [0022] Avantageusement, la sonde à oxygène est linéaire ou à deux points. [0023] L'invention concerne un procédé de dépollution pour la mise en oeuvre d'un système de dépollution dans une telle ligne d'échappement, le catalyseur sous plancher ayant une plage de fonctionnement préétablie en fonction de richesse des gaz le traversant, le procédé étant caractérisé en ce que, quand la sonde à oxygène placée entre l'injecteur d'air et le catalyseur sous plancher délivre un signal représentatif d'une valeur de richesse des gaz d'échappement supérieure à un, il est procédé à l'injection d'une quantité d'air dans la ligne d'échappement par l'injecteur suffisante pour ramener la richesse des gaz à l'entrée du catalyseur sous plancher à une valeur entrant dans la plage de fonctionnement dudit catalyseur sous plancher. [0024] Avantageusement, la régulation de l'injection d'air s'effectue en boucle fermée. [0025] Avantageusement, la régulation s'effectue selon un régulateur PID. [0026] L'invention concerne enfin un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique présentant une telle ligne d'échappement des gaz sortant dudit moteur. [0027] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une courbe montrant l'efficacité de post-traitement d'un catalyseur en fonction de la richesse du mélange essence/air, - la figure 2 est une représentation schématique d'une vue longitudinale d'une ligne d'échappement selon la présente invention. [0028] En regard de la figure 1, pour un bon fonctionnement du moteur, il est nécessaire d'avoir un rapport carburant/air bien établi, par exemple avec un rapport de masse égal à 14,7 fois plus de masse d'air que de masse d'essence. Avec un tel rapport, il est défini une richesse égale à un. Quand il y a plus d'air par rapport au carburant, la richesse diminue et le mélange carburant/air est dit pauvre. Inversement, quand il y a plus de carburant par rapport à l'air, la richesse augmente et le mélange est dit riche. [0029] Les émissions de gaz pouvant être convertis par un catalyseur concernent essentiellement le monoxyde de carbone ou CO, les hydrocarbures ou HO et les oxydes d'azote ou NON. Les émissions de CO et de HO diminuent pour un mélange pauvre tandis que les NO x augmentent, ceci en raison de la température de combustion en mélange pauvre qui augmente, un excès d'air étant présent. [0030] Lorsque la richesse R du mélange est entre 1 et 1,2, les émissions de CO et HO augmentent fortement en raison d'une combustion incomplète du fait d'un mélange riche et de carburant imbrûlé. Cette trop grande proportion de carburant imbrûlée peut provoquer en cas de prise d'air à l'échappement un phénomène de post-combustion entraînant la destruction totale du catalyseur, ce qui peut se produire à une température dépassant les 1000°C. [0031] La courbe de la figure 1 montre le taux de conversion TC d'un catalyseur en fonction de la richesse R du mélange. Il peut être vu à cette figure que si, à richesse haute, le taux de conversion des NON est élevé, le taux de conversion TC des HO baisse par contre fortement de la richesse un vers les richesses supérieures pour devenir faible. Le taux de conversion TC des CO baisse encore plus fortement à richesse supérieure à un. Il est donc très difficile d'avoir simultanément les trois polluants NON, HO et CO à leur niveau minimum tout en conservant une richesse R permettant un bon fonctionnement du moteur. [0032] Pour des richesses R dites pauvres, c'est-à-dire avec un excès d'air dans le mélange, les taux de conversion TC de CO et des HO sont relativement élevés. Par contre, les taux de conversion TC sont de plus en plus faibles pour les NON quand la valeur de la richesse R baisse. Si comme précédemment mentionné, pour un catalyseur trois voies, son fonctionnement adéquat s'effectue dans une plage Z de richesse étroite de +10,005 autour d'une richesse un, l'efficacité maximale du catalyseur ne dépasse pas une fenêtre de richesse étroite entre 0,995 et 1,005. [0033] La figure 2 montre une vue longitudinale d'une ligne d'échappement 1 selon la présente invention. Cette ligne d'échappement 1 présente une des extrémités entrant dans le collecteur 2 d'échappement du moteur thermique du véhicule. [0034] Dans cette ligne d'échappement 1 conforme à la présente invention, il est prévu un premier catalyseur 3, dit catalyseur groupe compact, disposé à proximité du moteur thermique, donc à proximité du collecteur 2 d'échappement. [0035] Il est aussi prévu un second catalyseur 5, dit catalyseur sous plancher, disposé en aval du premier catalyseur 3. Sa position est dite sous plancher car sur une partie de la ligne d'échappement 1 s'étendant sous le véhicule, ceci sensiblement longitudinalement audit véhicule. [0036] Enfin, il est prévu une injection d'air par un injecteur 4, cet injecteur 4 débouchant dans la ligne d'échappement 1 entre les deux catalyseurs 3 et 5. La quantité d'air injectée par l'injecteur 4 disposé en amont du catalyseur sous plancher 5, est régulée par une première sonde à oxygène, référencée 6b, cette première sonde 6b étant disposée en aval de l'injecteur 4 d'air et en amont du catalyseur sous plancher 5. [0037] Avantageusement, il est prévu une seconde sonde à oxygène 6a, cette seconde sonde 6a étant disposée en amont de l'injecteur 4 d'air et en aval du catalyseur groupe compact 3 disposé le plus près du moteur des deux catalyseurs 3 et 5. [0038] Avantageusement, il est prévu une troisième sonde à oxygène, non référencée à la figure 2, cette troisième sonde étant disposée en aval du catalyseur sous plancher 5 et donc disposée la plus proche de l'extrémité de sortie de la ligne d'échappement 1 de tous les éléments précédemment décrits. [0039] Le catalyseur groupe compact 3 est assimilable à un catalyseur dit de démarrage. Pour diminuer les émissions au démarrage à froid, il a été développé ce qu'on appelle des catalyseurs de démarrage qui, contrairement à des catalyseurs trois voies classiques, ne sont pas disposés sous le plancher du véhicule mais à proximité du moteur. Ceci leur permet d'atteindre un chauffage le plus rapide possible à une température supérieure à leur température d'amorçage de 150 à 250°C. [0040] Le catalyseur groupe compact 3 est avantageusement sous la forme d'un catalyseur trois voies de faible volume et avec une forte densité de cellules. Le rôle de ce catalyseur groupe compact 3 est de s'amorcer rapidement après démarrage du moteur thermique et de convertir les polluants nocifs sur les charges partielles de ce dernier. [0041] Pour baisser la température du catalyseur sous plancher 5, ledit catalyseur 5 est éloigné de la source chaude qui est la chambre de combustion du moteur thermique. En effet, plus le catalyseur sous plancher 5 est éloigné de la chambre de combustion, donc du collecteur d'échappement 2, et plus sa température de travail baisse. [0042] Avantageusement, le catalyseur sous plancher 5 est un catalyseur trois voies de fort volume avec une faible densité de cellules. Le catalyseur groupe compact 3 présente donc un plus faible volume et une plus forte densité de cellules que le catalyseur sous plancher 5. [0043] Le catalyseur sous plancher 5 est situé à une distance prédéterminée suffisante en aval du catalyseur groupe compact 3. Le rôle de ce catalyseur sous plancher 5 est de convertir les polluants sur les points de fonctionnement chargés, c'est-à-dire à forte température et à fort débit tout en produisant la contre pression à l'échappement la plus faible possible. De par son positionnement très en aval dans la ligne d'échappement 1, le catalyseur sous plancher 5 est plus froid que le catalyseur groupe compact 3 et est donc moins sensible au vieillissement thermique. [0044] Les sondes à oxygène 6a et 6b peuvent être linéaires ou à deux points. La seconde sonde à oxygène 6a placée entre le collecteur d'échappement 2 et le catalyseur groupe compact 3 est assimilable à une sonde lambda. De telles sondes 6a, 6b mesurent la teneur en oxygène des gaz d'échappement en des points différents de la ligne d'échappement 1. La sonde 6b, en étant la sonde la plus importante dans le système de dépollution selon l'invention, mesure la teneur en oxygène après l'injection d'air dans la ligne 1 par l'injecteur 4. [0045] Les sondes à oxygène sont surtout destinées au contrôle du bon fonctionnement du moteur thermique. Pour ce faire, une sonde à oxygène fournit un signal de richesse utilisé pour le fonctionnement du moteur à une valeur de richesse sensiblement égale à un. A partir du signal délivré par la sonde de richesse, les paramètres de l'injection du moteur sont modifiés pour obtenir une valeur de richesse sensiblement égale à un. [0046] De telles sondes peuvent donc effectuer des mesures respectives indirectes de la richesse du mélange, la richesse du mélange dans la ligne d'échappement décroissant après l'injection d'air par l'injecteur 4. [0047] Le système de dépollution dans la ligne d'échappement fonctionne de la manière suivante. Tant que le moteur fonctionne à une richesse égale à un, le système fonctionne comme un système de dépollution classique. En conditions de fortes charges, où il est nécessaire d'enrichir le mélange, la richesse augmente et le catalyseur groupe compact 3 ne peut plus convertir efficacement tous les polluants. [0048] En injectant de l'air en aval du catalyseur groupe compact 3 par l'injecteur 4, il est possible de maintenir une efficacité optimale de conversion des polluants, sans impacter sur la durabilité des diverses pièces. [0049] Pour effectuer cette régulation, le système de dépollution, principalement formé des catalyseurs 3 et 5, de l'injecteur 4 et de la sonde à oxygène 6b dans la ligne 1 d'échappement, comprend des moyens de réception de mesures délivrées par la première sonde à oxygène 6b disposée entre l'injecteur 4 et le catalyseur sous plancher 5, des moyens de calcul de la richesse des gaz d'échappement au niveau de la sonde 6b ainsi que des moyens de calcul de quantités d'air à injecter pour que la richesse à l'entrée du catalyseur sous plancher 5 soit sensiblement égale à un et des moyens de régulation de l'injection d'air en fonction desdites quantités. [0050] II convient de concevoir le système de dépollution en prenant en compte l'excès de température produit par la combustion de carburant en excès en aval de l'injecteur 4 d'air après l'injection d'air, afin que le catalyseur sous plancher 5 ne soit pas soumis à des températures trop importantes. [0051] La présente invention concerne aussi un procédé de dépollution associé à un tel système de dépollution dans une ligne d'échappement 1, pour lequel, quand la première sonde à oxygène 6b placée entre l'injecteur 4 d'air et le catalyseur sous plancher 5 délivre un signal représentatif d'une valeur de richesse des gaz d'échappement supérieure à un, il est procédé à l'injection d'une quantité d'air dans la ligne d'échappement 1 par l'injecteur 4 suffisante pour ramener la richesse des gaz à l'entrée du catalyseur sous plancher 5 à une valeur entrant dans la plage de fonctionnement dudit catalyseur sous plancher 5. [0052] Cette régulation se fait avantageusement en boucle fermée, avantageusement avec un régulateur PID à partir de la mesure de la sonde à oxygène 6b en amont du catalyseur sous plancher 5. [0053] Les principaux avantages de la présente invention sont de convertir les polluants sur tous les points de fonctionnement, en particulier sur les profils de conduite les plus sévères, sans impacter le coût ni la durabilité des composants. Ainsi, il est obtenu une dépollution dans la ligne d'échappement qui répond aux normes plus sévères présentes et prochainement prévues. REVENDICATIONS: 1. Ligne d'échappement (1) de véhicule automobile, s'étendant d'un collecteur (2) d'échappement du moteur thermique en présentant un système de dépollution comprenant au moins un catalyseur sous plancher (5), disposé à distance dudit collecteur (2) et au moins une sonde à oxygène (6b), caractérisée en ce qu'elle comprend : - un catalyseur groupe compact (3) disposé sur ladite ligne (1) à proximité du collecteur (2) d'échappement et en amont du catalyseur sous plancher (5), - un injecteur (4) d'air disposé sur ladite ligne (1) entre le catalyseur groupe compact (3) et le catalyseur sous plancher (5) pour l'injection d'air dans ladite ligne (1), - une première sonde à oxygène (6b) disposée sur ladite ligne (1) entre l'injecteur (4) et le catalyseur sous plancher (5). 2. Ligne (1) selon la revendication précédente, dans laquelle les catalyseurs groupe compact (3) et sous plancher (5) sont des catalyseurs trois voies, le catalyseur groupe compact (3) présentant un plus faible volume et une plus forte densité de cellules que le catalyseur sous plancher (5). 3. Ligne (1) selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans laquelle il est prévu une seconde sonde à oxygène (6a) disposée sur ladite ligne (1) entre le collecteur (2) d'échappement et le catalyseur groupe compact (3). 4. Ligne (1) selon la revendication précédente, dans laquelle il est prévu une troisième sonde à oxygène disposée sur ladite ligne (1) en aval du catalyseur sous plancher (5). 5. Ligne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le système de dépollution comprend des moyens de réception de mesures délivrées par la première sonde à oxygène (6b) disposée entre l'injecteur (4) et le catalyseur sous plancher (5), des moyens de calcul de la richesse des gaz d'échappement au niveau de la sonde (6b) ainsi que des moyens de calcul de quantités d'air à injecter pour que la richesse à l'entrée du catalyseur sous plancher (5) soit sensiblement égale à un et des moyens de régulation de l'injection d'air en fonction desdites quantités. 6. Ligne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la première sonde à oxygène (6b) est linéaire ou à deux points. 7. Procédé de dépollution pour la mise en oeuvre d'un système de dépollution dans une ligne d'échappement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le catalyseur sous plancher (5) ayant une plage (Z) de fonctionnement préétablie en fonction de la richesse des gaz le traversant, le procédé étant caractérisé en ce que, quand la première sonde à oxygène (6b) placée entre l'injecteur (4) d'air et le catalyseur sous plancher (5) délivre un signal représentatif d'une valeur de richesse des gaz d'échappement supérieure à un, il est procédé à l'injection d'une quantité d'air dans la ligne d'échappement (1) par l'injecteur (4) suffisante pour ramener la richesse des gaz à l'entrée du catalyseur sous plancher (5) à une valeur entrant dans la plage (Z) de fonctionnement dudit catalyseur sous plancher (5). 8. Procédé selon la revendication précédente, pour lequel la régulation de l'injection d'air s'effectue en boucle fermée. 9. Procédé selon la revendication précédente, pour lequel la régulation s'effectue selon un régulateur PID. 10. Véhicule automobile équipé d'un moteur thermique présentant une ligne d'échappement (1) des gaz sortant dudit moteur, caractérisé en ce que ladite ligne (1) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.