Brevet FR3018310A1 — publié le 20150911

CATALYSEUR TROIS VOIES. [0001] L'invention porte sur un catalyseur trois voies qui est apte à réaliser trois réactions distinctes, dont une réaction de réduction d'oxydes d'azote en diazote et dioxyde de carbone, une oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et une oxydation d'hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau et qui est destiné à équiper une ligne d'échappement dont est pourvu un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. [0002] Un véhicule automobile hybride est équipé d'un moteur à combustion interne pour pourvoir à son déplacement. Le véhicule automobile hybride est aussi équipé d'un moyen annexe de propulsion du véhicule automobile, tel qu'un moteur électrique ou analogue. [0003] Le moteur à combustion interne génère des gaz d'échappement qui sont évacués vers un environnement extérieur hors du moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'une ligne d'échappement. Les gaz d'échappement comprennent des oxydes d'azote qu'il est souhaitable de réduire préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur. Les gaz d'échappement comprennent aussi du monoxyde de carbone qu'il est souhaitable d'oxyder préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur. Les gaz d'échappement comprennent enfin des hydrocarbures imbrûlés qu'il est souhaitable d'oxyder préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur. [0004] On connait par le document W02013153081 un catalyseur trois voies à l'intérieur duquel se réalisent trois réactions distinctes, dont une réaction de réduction des oxydes d'azote en diazote et dioxyde de carbone, une oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et une oxydation des hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau. [0005] Pour être efficace le catalyseur trois voies nécessite que les gaz d'échappement soient portés à une certaine température pour que le catalyseur trois voies lui-même atteigne une température-seuil. Or, le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile hybride est fréquemment mis à l'arrêt pour être suppléé par le moyen annexe de propulsion. Dans ce cas, la ligne d'échappement ne canalise plus une circulation de gaz d'échappement ce qui induit un refroidissement préjudiciable du catalyseur trois voies. [0006] Un but de la présente invention est de proposer un catalyseur trois voies qui permet de réaliser trois réactions distinctes, dont une réaction de réduction d'oxydes d'azote en diazote et dioxyde de carbone, une oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et une oxydation d'hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau, le catalyseur trois voies équipant une ligne d'échappement dont est pourvu un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile hybride, le catalyseur trois voies étant efficace, y compris après une mise à l'arrêt du moteur à combustion interne du véhicule hybride, le catalyseur trois voies étant léger, compact, simple à réaliser et peu coûteux. [0007] Un catalyseur de la présente invention est un catalyseur trois voies qui est apte à réaliser trois réactions distinctes, dont une réaction de réduction d'oxydes d'azote en diazote et dioxyde de carbone, une oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et une oxydation d'hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau et qui est destiné à équiper une ligne d'échappement dont est pourvu un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. [0008] Selon la présente invention, le catalyseur trois voies comprend un premier catalyseur trois voies élémentaire qui comporte un substrat métallique et un deuxième catalyseur trois voies élémentaire qui comporte un substrat céramique. [0009] Selon une première variante de réalisation, le premier catalyseur trois voies élémentaire et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire sont logés à l'intérieur d'une enveloppe respective. [0010] Selon une deuxième variante de réalisation, le premier catalyseur trois voies élémentaire et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire sont logés à l'intérieur d'une enceinte commune. [0011] Selon une troisième variante de réalisation, le premier catalyseur trois voies élémentaire est exempt d'enveloppe. [0012] Le premier catalyseur trois voies élémentaire et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire sont préférentiellement espacés l'un de l'autre d'une distance non nulle. [0013] Une ligne d'échappement de la présente invention est une ligne d'échappement logeant un tel catalyseur trois voies. [0014] Un moteur à combustion interne de la présente invention est un moteur à combustion interne équipé d'une telle ligne d'échappement. [0015] Un véhicule automobile de la présente invention est un véhicule automobile équipé d'un tel moteur à combustion interne. [0016] Le véhicule automobile est par exemple équipé d'un moyen annexe de propulsion. [0017] Le véhicule automobile est par exemple équipé d'un système d'arrêt-démarrage. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : [0019] Les figures 1 à 3 sont des illustrations schématiques de lignes d'échappement respectives logeant un catalyseur trois voies de la présente invention. [0020] Sur les figures, un véhicule automobile hybride est équipé d'un moteur à combustion interne 1 pour pourvoir à son déplacement. Le moteur à combustion interne 1 est préférentiellement un moteur essence à allumage commandé. Le moteur à combustion interne 1 génère des polluants dont des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Le véhicule automobile hybride est équipé d'un moyen annexe de propulsion, non représenté, tel qu'un moteur électrique ou analogue. [0021] Le moteur à combustion interne 1 génère des gaz d'échappement 2 qui sont évacués vers un environnement extérieur 3 hors du moteur à combustion interne 1 par l'intermédiaire d'une ligne d'échappement 4. Les gaz d'échappement 2 comprennent des oxydes d'azotes, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés dont il convient de minimiser la teneur préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur 3. A cet effet, la ligne d'échappement 4 loge un système de post-traitement 5 des gaz d'échappement 2. Le système de post-traitement 5 comprend un catalyseur trois voies 8 qui permet de réaliser trois réactions distinctes, dont une réaction de réduction d'oxydes d'azote en diazote et dioxyde de carbone, une oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et une oxydation d'hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau. [0022] Le catalyseur trois voies 8 comprend un substrat cylindrique ou de forme ovoïde qui est imprégné d'un composé chimique, couramment appelé « washcoat » pour revêtement. Le composé chimique contient des métaux précieux permettant de catalyser les réactions d'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés et de réduction des oxydes d'azote. [0023] Le catalyseur trois voies 8 nécessite d'être porté à une température-seuil pour être efficace. Il atteint 50% d'efficacité entre 300°C et 350°C environ et atteint sa pleine efficacité à partir de 600°C. Pour optimiser une mcntée en température du catalyseur trois voies 8, ce dernier est positionné à l'intérieur de la ligne d'échappement 4 directement en sortie du moteur à combustion interne 1. [0024] Selon le substrat utilisé et l'inertie de ce substrat, le catalyseur trois voies 8 monte en température plus ou moins rapidement, sous l'effet des gaz d'échappement 2 qui le traversent, voire sous l'effet d'un dispositif de chauffage du catalyseur trois voies 8. [0025] Selon la présente invention, le catalyseur trois voies 8 comprend un premier catalyseur trois voies élémentaire 8a qui comporte un substrat métallique et un deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b qui comporte un substrat céramique. [0026] Le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a avec substrat métallique a une inertie thermique faible et monte en température rapidement, ce qui permet une efficacité très tôt lors d'un cycle de mesure réglementaire et en fonctionnement client et permet une conversion optimisée des polluants au plus tôt. Le substrat métallique est revêtu dudit composé chimique contenant des métaux précieux qui permettent de catalyser les réactions d'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés et de réduction des oxydes d'azote. [0027] Le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b avec substrat céramique, en cordiérite par exemple ou analogue, a une inertie thermique relativement importante et nécessite donc plus de temps pour monter en température et commencer à convertir les polluants plus tardivement lors d'un cycle de mesure réglementaire ou en fonctionnement client. Le substrat céramique est également revêtu dudit composé chimique contenant des métaux précieux qui permettent de catalyser les réactions d'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés et de réduction des oxydes d'azote. [0028] Un véhicule automobile présente des phases de fonctionnement pendant lesquelles les gaz d'échappement 2 ne sont pas particulièrement chauds, cela peut être le cas lors de levés de pied pendant lesquelles une injection de carburant à l'intérieur du moteur à combustion interne 1 est coupée. Il existe également des phases de fonctionnement pendant lesquelles le moteur à combustion interne 1 ne fonctionne pas, par exemple, lorsque le véhicule automobile est équipé d'un dispositif d'arrêt-démarrage automatique couramment connu sous l'appellation anglo-saxonne « Stop & Start ». Ceci est d'autant plus pertinent pour un véhicule automobile hybride pour lequel le moteur à combustion interne 1 est associé à un moyen de propulsion annexe, du type moteur électrique ou à un autre type de motorisation (gaz comprimé par exemple). [0029] Dans ces cas de non-fonctionnement du moteur à combustion interne 1, il n'y a pas de gaz d'échappement 2 chauds qui traversent le catalyseur trois voies 8 ou alors ce sont des gaz d'échappement 2 froids. [0030] A partir de l'association du premier catalyseur trois voies élémentaire 8a qui comporte le substrat métallique et du deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b qui comporte le substrat céramique pour former conjointement le catalyseur trois voies 8 de la présente invention, la dépollution des gaz d'échappement 2 est optimisée dans tous les cas de fonctionnement du moteur à combustion interne 1. [0031] Lors du démarrage du moteur à combustion interne 1, le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a à faible inertie thermique monte en température rapidement et permet de traiter en les minimisant les émissions polluantes rapidement. [0032] Le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b à inertie thermique importante monte en température plus lentement et atteint sa pleine efficacité après quelques 20 secondes. [0033] Lors de coupures d'injection de carburant ou lors d'arrêts du moteur à combustion interne 1, dus à la mise en oeuvre du dispositif d'arrêt-démarrage et/ou à la mise en oeuvre du moyen de propulsion annexe, le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a à inertie thermique faible descend en température rapidement et perd son efficacité, mais le 25 deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b à inertie thermique importante conserve une température importante qui permet de traiter toutes les émissions polluantes lors du redémarrage du moteur à combustion interne 1 ou bien lors de la reprise de l'injection de carburant. [0034] Selon une première variante de réalisation illustrée sur la figure 1, le premier 30 catalyseur trois voies élémentaire 8a et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b sont logés à l'intérieur d'une enveloppe respective 11 a, 11 b. Les enveloppes 11 a,11 b comprennent par exemple chacune une couche d'un matériau endothermique inorganique comprenant des fibres céramiques. [0035] Selon une deuxième variante de réalisation illustrée sur la figure 2, le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b sont logés à l'intérieur d'une enceinte commune 12. L'enceinte commune 12 comprend par exemple aussi une couche d'un matériau endothermique inorganique comprenant des fibres céramiques. Le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b sont par exemple espacés l'un de l'autre d'une distance D non nulle qui est comprise entre 10 mm et 50 mm. Ces dispositions permettent d'éviter une propagation de vibrations entre le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b. Ces dispositions permettent aussi une dilatation différentielle du premier catalyseur trois voies élémentaire 8a et du deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b sans altération de l'un ou de l'autre des catalyseurs élémentaires 8a, 8b. Ces dispositions permettent enfin une interposition d'une sonde 9 entre le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire 8b, la sonde 9 étant par exemple une sonde à oxygène, dite sonde lambda. Accessoirement, la ligne d'échappement 4 loge aussi une sonde 9 en amont du catalyseur trois voies 8 et/ou en aval du catalyseur trois voies 8, selon un sens d'écoulement 6 des gaz d'échappement 2 à l'intérieur de la ligne d'échappement 4. [0036] Selon une troisième variante de réalisation illustrée sur la figure 3, le premier catalyseur trois voies élémentaire 8a est exempt d'enveloppe. REVENDICATIONS: 1. Catalyseur trois voies (8) qui est apte à réaliser trois réactions distinctes, dont une réaction de réduction d'oxydes d'azote en diazote et dioxyde de carbone, une oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et une oxydation d'hydrocarbures imbrulés en dioxyde de carbone et en eau et qui est destiné à équiper une ligne d'échappement (4) dont est pourvu un moteur à combustion interne (1) d'un véhicule automobile, caractérisé en ce que le catalyseur trois voies (8) comprend un premier catalyseur trois voies élémentaire (8a) qui comporte un substrat métallique et un deuxième catalyseur trois voies élémentaire (8b) qui comporte un substrat céramique. 2. Catalyseur trois voies (8) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier catalyseur trois voies élémentaire (8a) et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire (8b) sont logés à l'intérieur d'une enveloppe respective (11a, 11b). 3. Catalyseur trois voies (8) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier catalyseur trois voies élémentaire (8a) et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire (8b) sont logés à l'intérieur d'une enceinte commune (12). 4. Catalyseur trois voies (8) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier catalyseur trois voies élémentaire (8a) est exempt d'enveloppe. 5. Catalyseur trois voies (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier catalyseur trois voies élémentaire (8a) et le deuxième catalyseur trois voies élémentaire (8b) sont espacés l'un de l'autre d'une distance (D) non nulle. 6. Ligne d'échappement (2) logeant un catalyseur trois voies (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Moteur à combustion interne (1) équipé d'une ligne d'échappement (4) selon la revendication 6. 8. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne (1) selon la revendication 7. 9. Véhicule automobile selon la revendication 8, caractérisé en ce que le véhicule automobile est équipé d'un moyen annexe de propulsion. 10. Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le véhicule automobile est équipé d'un système d'arrêt-démarrage.5