Brevet FR2997999A1 — publié le 20140516

DISPOSITIF DE DEPOLLUTION DE GAZ D'ECHAPPEMENT A EFFICACITE AMELIOREE [0001] L'invention concerne le post traitement de dépollution appliqué aux moteurs de véhicule automobile, et en particulier aux moteurs de véhicule automobile de type essence c'est-à-dire à allumage commandé. [0002] Sur un moteur à essence suralimenté, le couple maximum à faible régime peut être augmenté en autorisant un fort taux de balayage. Le balayage, ou « scavenging » en anglais, consiste en une circulation de gaz frais de l'admission à l'échappement du moteur au moment où les soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes dans la chambre de combustion. Cependant le balayage a pour conséquence d'augmenter le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement en entrée du catalyseur et donc de diminuer la richesse, ce qui a pour effet de diminuer fortement l'efficacité de conversion des polluants. En effet, un catalyseur trois voies ne convertit les polluants que sur une plage de richesse très étroite autour de la richesse 1 ou richesse stoechiométrique, usuellement sur une plage de +/- 0,005 autour de la richesse 1. Le balayage a également pour conséquence d'accélérer le vieillissement du catalyseur, engendrant une baisse d'efficacité de conversion des polluants ainsi qu'une diminution de la capacité de stockage de l'oxygène ou OSC pour « Oxygen Storage Capacity » selon la terminologie anglo- saxonne. [0003] Les richesses courantes au niveau du catalyseur sur fortes charges sont de l'ordre de 0,9. A un tel niveau de richesse, l'efficacité d'un catalyseur trois voies est quasi nulle. Les émissions à la canule augmentent donc fortement. [0004] Un moyen de permettre une efficacité optimale du catalyseur est d'injecter un excès de carburant dans la chambre de combustion afin de revenir dans des conditions stoechiométriques dans le catalyseur, c'est-à-dire dans une plage de richesse de 1 +10,005, le tout en essayant de ne pas impacter la combustion. [0005] Actuellement, la seule stratégie visant à conserver l'efficacité de post-traitement en phase de balayage est d'enrichir la combustion afin de rester dans la plage de richesse 1+/- 0,005. Autrement, il faut éviter de faire du balayage ce qui diminue le couple disponible à faible régime et donc la performance du moteur. Les deux solutions citées impliquent respectivement un fort enrichissement sur les phases de fort balayage, c'est-à-dire typiquement une richesse de 1,3 ou plus, qui est néfaste pour la stabilité de la combustion ainsi que les émissions de CO, HC et particules, et une diminution des prestations dynamiques du moteur et donc du véhicule. [0006] Le but de l'invention est de permettre de réguler à une richesse 1 les gaz dans le catalyseur sans générer les inconvénients des techniques actuelles. [0007] Ce but est atteint selon l'invention grâce à un dispositif de dépollution de gaz d'échappement émanant d'une chambre de combustion de moteur de véhicule automobile, comportant un catalyseur de dépollution, un dispositif de modification de richesse des gaz d'échappement, lequel dispositif de modification de richesse comprend un injecteur de carburant disposé en aval de la chambre de combustion et en amont du catalyseur, tel que le dispositif de modification de richesse comporte un régulateur lequel pilote l'injecteur de manière à réguler la richesse à une valeur stoechiométrique en entrée du catalyseur pendant une phase de fonctionnement en balayage. [0008] Avantageusement, le dispositif comporte deux catalyseurs et l'injecteur est disposé en aval de l'un des catalyseurs et en amont de l'autre des catalyseurs. [0009] Avantageusement, le dispositif comprend un capteur prélevant une valeur indicatrice de richesse en entrée du catalyseur, et le capteur est relié au régulateur pour transmettre ladite valeur prélevée au régulateur, le régulateur étant configuré pour déterminer un débit de carburant à injecter en fonction de la valeur prélevée par le capteur et le régulateur pilotant l'injecteur de telle sorte que celui-ci injecte le débit ainsi déterminé. [0010] Avantageusement, le capteur est une sonde à oxygène. [0011] Avantageusement, le capteur est disposé en aval de l'injecteur et en amont du 20 catalyseur. [0012] Avantageusement, le catalyseur disposé en aval de l'injecteur est un catalyseur de réduction catalytique sélective. [0013] Avantageusement, le catalyseur disposé en aval de l'injecteur est un catalyseur trois voies. 25 [0014] Avantageusement, le catalyseur disposé en aval de l'injecteur est disposé sous le plancher du véhicule. [0015] Avantageusement, le régulateur comprend un microprocesseur. [0016] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel dispositif de dépollution 30 [0017] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon un premier exemple de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon un 35 second exemple de réalisation de l'invention. [0018] Dans le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif de post-traitement comprend, en aval d'un bloc moteur 1, un catalyseur trois voies lequel est représenté sous la référence 2. Le catalyseur trois voies 2 peut être composé d'une ou de plusieurs céramiques. Le dispositif de post-traitement comporte en outre un turbocompresseur, non représenté, et un injecteur de carburant 3 situé entre le turbocompresseur et le catalyseur 2. Cette injection peut se faire à basse pression, la pression étant générée par une pompe de gavage, ou à haute pression, la pression étant générée par une pompe spécifique. Le dispositif de la figure 1 comporte en outre une sonde à oxygène 4, de type linéaire ou de type deux points, disposée entre l'injecteur de carburant 3 et le catalyseur 2. Le dispositif comporte en outre ici une sonde à oxygène 5 en aval du catalyseur 2. [0019] Tant que le moteur fonctionne à richesse 1, le système fonctionne comme un système de post traitement classique. En conditions de forte charge où il est nécessaire de faire du balayage, le catalyseur 2 devrait voir des gaz d'échappement pauvres et donc ne devrait plus convertir efficacement tous les polluants. En injectant du carburant en amont de ce dernier grâce à l'injecteur 3 tout en régulant cette injection en boucle fermée à partir de la mesure de la sonde à oxygène amont 4, il est possible de maintenir une efficacité optimale de conversion des polluants. La régulation de l'injection à la richesse stoechiométrique est réalisée par un régulateur non représenté. Un tel régulateur est constitué d'une entité logique, matérielle ou logicielle, configurée pour mettre en oeuvre la régulation décrite ici. Un tel régulateur est par exemple constitué d'un circuit de composants ou d'un processeur programmé de manière adaptée. [0020] Un tel dispositif permet de respecter les seuils d'émissions sur tous les points de fonctionnement, donc sur les profils de conduite les plus sévères, sans impacter le coût ni la durabilité des composants et ainsi de respecter les législations actuelles ou à venir en matière d'émissions polluantes. Un tel dispositif permet en outre de limiter le vieillissement du catalyseur. En effet, dans des conditions de fonctionnement à température élevée, plus les gaz d'échappements sont pauvres et notamment plus le taux de balayage est élevé, et plus le vieillissement du catalyseur est accéléré. En revenant à une richesse 1, on maîtrise mieux le vieillissement du catalyseur. [0021] Le présent dispositif régule donc la richesse à richesse 1 ou richesse stoechiométrique en amont du catalyseur 2 dans des conditions de fort balayage en injectant du carburant en amont de celui-ci, et en régulant la quantité injectée à l'aide de la sonde à oxygène 4 disposée en aval de l'injecteur de carburant 3 et en amont du catalyseur 2. De cette manière, l'efficacité de post traitement des espèces nocives est conservée dans tous les cas de vie. [0022] Dans un deuxième mode de réalisation décrit maintenant en référence à la figure 2 on vise à pallier à un effet néfaste additionnel. En effet l'injection de carburant en conditions d'excès d'air peut entraîner une combustion dans la ligne d'échappement laquelle combustion va faire fortement augmenter la température des gaz et donc endommager le catalyseur. [0023] Dans le présent mode de réalisation, on abaisse la température du catalyseur en l'éloignant de la source chaude c'est-à-dire de la chambre de combustion. Le dispositif de post traitement en sortie moteur tel que représenté sur la figure 2 comprend, en aval d'un bloc moteur 10, un catalyseur trois voies 21 de faible volume ayant une forte densité de cellules, ici disposé à proximité de la sortie d'échappement du bloc moteur, ou en « close coupled » selon la terminologie anglo-saxonne. Ce terme anglais désigne en effet une disposition prsè du collecteur d'échappement du moteur, et, notamment ici dans le cas d'un moteur suralimenté, en position sous turbocompresseur. Un tel catalyseur en « close coupled » présente l'avantage de monter rapidement en température et de devenir opérationnel très rapidement après le démarrage du moteur. Le rôle de ce catalyseur 21 est donc de s'amorcer rapidement après démarrage du moteur thermique et de convertir les polluants nocifs sur les charges partielles de ce dernier. [0024] Le dispositif de la figure 2 comporte en outre un catalyseur trois voies de fort volume 22 avec une faible densité de cellules, lequel est disposé sous le plancher du véhicule ou du moins à une distance suffisante en aval du catalyseur 21. Le rôle de ce catalyseur 22 est de convertir les polluants sur les points de fonctionnement chargés, typiquement à forte température et à fort débit, tout en produisant une contre-pression à l'échappement la plus faible possible. De par son positionnement très en aval, ce catalyseur 22 est plus froid que le catalyseur en « close coupled » 21 et est donc moins sensible au vieillissement thermique. [0025] Un injecteur de carburant 30 est disposé entre les deux catalyseurs. Cette injection peut se faire à basse pression où la pression est générée par une pompe de gavage, ou à haute pression où la pression est générée par une pompe spécifique. Une sonde à oxygène 40, linéaire ou deux points, est placée entre l'injecteur de carburant 30 et le catalyseur sous plancher 22. [0026] Une sonde à oxygène référencée 41 sur la figure 2 est ici placée en amont du catalyseur en close coupled 21 et une sonde à oxygène référencée 42 est placée en aval du catalyseur sous plancher 22. [0027] Tant que le moteur fonctionne à richesse 1, le système fonctionne comme un système de post traitement classique. En conditions de forte charge où il est nécessaire de faire du balayage, le catalyseur close coupled 21 voit des gaz d'échappements pauvres et ne peut donc plus convertir efficacement tous les polluants. En injectant du carburant en aval de ce dernier, tout en régulant cette injection en boucle fermée à partir de la mesure réalisée par la sonde à oxygène 40 en amont du catalyseur sous plancher 22, on maintient une efficacité optimale de conversion des polluants, sans impacter la durabilité des pièces. Le dispositif est donc conçu en prenant en compte l'accroissement de température produit par la combustion de carburant en aval de l'injecteur de carburant 30 afin que le catalyseur sous plancher 22 ne soit pas soumis à des températures trop importantes. [0028] La régulation de la richesse à sa valeur stoechiométrique est réalisée par un régulateur non représenté. Un tel régulateur est constitué d'une entité logique, matérielle ou logicielle, configurée pour mettre en oeuvre la régulation décrite ici. Un tel régulateur est par exemple constitué d'un circuit de composants ou d'un processeur programmé de manière adaptée. [0029] On propose donc ici un dispositif de post-traitement composé d'un catalyseur en close coupled 21 préférentiellement en position aval d'un collecteur d'échappement ou en aval d'un turbocompresseur, lequel catalyseur 21 est associé à un catalyseur sous plancher 22 avec une injection de carburant en amont du catalyseur sous plancher. [0030] Le présent dispositif permet de respecter les seuils d'émissions sur tous les points de fonctionnement, donc sur les profils de conduite les plus sévères, sans impacter le coût ni la durabilité des composants. Il s'applique avantageusement aux moteurs suralimentés, où la pression en amont de la chambre de combustion est supérieure à la pression en aval de celle-ci, et tout particulièrement aux moteurs équipés d'un turbocompresseur. REVENDICATIONS1. Dispositif de dépollution de gaz d'échappement émanant d'une chambre de combustion (1) de moteur de véhicule automobile, comportant un catalyseur de dépollution (2, 21,22), un dispositif de modification de richesse des gaz d'échappement (3, 30) lequel dispositif de modification de richesse (3,30) comprend un injecteur de carburant (3,30) disposé en aval de la chambre de combustion (1) et en amont du catalyseur (2,22), caractérisé en ce que le dispositif de modification de richesse (3,30) comporte un régulateur lequel pilote l'injecteur (3,30) de manière à réguler la richesse à une valeur stoechiométrique en entrée du catalyseur (2,22) pendant une phase de fonctionnement en balayage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux catalyseurs (21,22) et en ce que l'injecteur (30) est disposé en aval de l'un des catalyseurs (21) et en amont de l'autre des catalyseurs (22). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (4,40) prélevant une valeur indicatrice de richesse en entrée du catalyseur (2,22), et le capteur (4,40) est relié au régulateur pour transmettre ladite valeur prélevée au régulateur, le régulateur étant configuré pour déterminer un débit de carburant à injecter en fonction de la valeur prélevée par le capteur (4,40) et le régulateur pilotant l'injecteur (3,30) de telle sorte que celui-ci injecte le débit ainsi déterminé. 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur est une sonde à oxygène (4,40). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur (4,40) est disposé en aval de l'injecteur (3,30) et en amont du catalyseur (2,22). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur (2,22) disposé en aval de l'injecteur (3,30) est un catalyseur de réduction catalytique sélective. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur (2,22) disposé en aval de l'injecteur (3,30) est un catalyseur trois 30 voies. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur (2,22) disposé en aval de l'injecteur (3,30) est disposé sous le plancher du véhicule. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 35 ce que le régulateur comprend un microprocesseur. 10. Véhicule automobile comprenant un dispositif de dépollution selon l'une quelconque des revendications précédentes.