Brevet FR3069889A1 — publié le 20190208

LIGNE D'ECHAPPEMENT COMPORTANT UN CATALYSEUR TROIS VOIES ET UN FILTRE A PARTICULES ESSENCE [0001] La présente invention concerne une ligne d'échappement comportant un catalyseur trois voies et un filtre à particules essence. [0002] Les normes anti-pollution à venir, notamment en Europe avec la prochaine application de la réglementation émissions Euro 6 2ème étape, durcissent fortement le seuil à respecter pour les particules émises par les motorisations à Injection Directe d'Essence ou moteurs à allumage commandé puis plus tard à injection indirecte. [0003] Le respect d'une telle réglementation va imposer d'utiliser un filtre à particules dans la ligne d'échappement de tels moteurs. Un tel filtre à particules pour des motorisations à allumage commandé à carburant essence, aussi communément appelé GPF pour la dénomination anglaise de « Gasoline Particle Filter », c'est-à-dire de filtre à particules pour carburant essence, ci-après dénommé filtre à particules essence, est relativement similaire à ceux utilisés pour les motorisations Diesel mais ses caractéristiques sont adaptées afin de ne pas pénaliser les performances ou la consommation pour une motorisation à carburant essence. Le filtre à particules d'une ligne d'échappement sert à la rétention de suies en son intérieur. [0004] La ligne d'échappement d'une motorisation à carburant essence comprend aussi un catalyseur trois voies. Un catalyseur trois voies est destiné à traiter les émissions de monoxyde de carbone ou CO, d'hydrocarbures ou HO et d'oxydes d'azote ou NOx. Il est en général placé à proximité d'un collecteur d'échappement du moteur thermique à carburant essence ou en aval d'une turbine pour un moteur turbocompressé. [0005] Une ligne d'échappement comprend un conduit de circulation des gaz d'échappement équipé d'organes de traitement chimique et/ou physique des gaz d'échappement, par exemple à la sortie d'un moteur thermique à carburant à essence. Le catalyseur trois voies et le filtre à particules peuvent être logés à l'intérieur d'une enveloppe métallique, aussi appelée sous la dénomination anglaise de « canning » ou avoir deux enveloppes métalliques séparées. [0006] Au bout d'une durée écoulée ou d'une certaine distance parcourue, un filtre à particules se retrouve chargé en particules, notamment en suies. Il faut alors le nettoyer ou 2 le régénérer. Cette régénération passe par la combustion de ces suies. Pour brûler ces suies, le moteur peut passer dans un mode de combustion spécifique pour augmenter la température des gaz d'échappement environ jusqu'à 650°C pour brûler les suies, sans additif d'aide à la combustion des suies, dans le filtre à particules. Une régénération se 5 passe donc sous température élevée en présence d'un apport d'oxygène. [0007] Pour les moteurs thermiques à carburant essence, ces conditions peuvent être naturellement présentes pour une régénération passive qui est en fait quasi continue. Donc il n'y a pas de déclenchement de régénération en mode nominal. Il s'ensuit que pour un moteur thermique à carburant essence une zone importante de fonctionnement moteur 10 permet d'apporter la thermique nécessaire et l'oxygène peut être apporté par des coupures d'injection lors de levers de pied ou lors des passages de rapport : cela apportera les conditions des régénérations passives avec des charges en suies dans le filtre relativement peu élevées, par exemple jusqu'à 3 grammes. [0008] Il convient donc que le filtre à particules essence soit positionné au plus près 15 possible du moteur pour avoir une température élevée devant être plus de 600°C lors d'une régénération. Le catalyseur trois voies requiert aussi un même positionnement et a priorité sur le filtre à particules, ce qui n'est pas défavorable au filtre à particules essence étant donné que le catalyseur trois voies crée un exotherme en aval dans la ligne et donc contribue à élever la température dans la ligne d'échappement à sa sortie. 20 [0009] En général, une ligne d'échappement comporte une sonde à oxygène en amont du catalyseur trois voies. Comme précédemment mentionné, le catalyseur trois voies est positionné au plus près en aval d'une turbine, pour un moteur turbocompressé ou en sortie du collecteur d'échappement pour un moteur atmosphérique. [0010] Il convient que le filtre à particules essence soit disposé au plus près du catalyseur 25 trois voies, par exemple en étant incorporé dans la même enveloppe. L'intérêt d'un positionnement dans la même enveloppe est double. En premier, cela permet d'éviter des pertes thermiques entre les deux éléments et en second cela permet de maximiser le volume de briques d'éléments de dépollution disponibles. [0011] II est fréquemment utilisé une sonde à oxygène disposée en aval du catalyseur 30 trois voies, cette sonde à oxygène étant utilisée, d'une part, dans la cadre de la régulation de richesse et, d'autre part, dans le cadre de diagnostics sur l'efficacité de la dépollution effectuée par le catalyseur trois voies. Quand cette sonde à oxygène aval est positionnée entre le catalyseur trois voies et le filtre à particules essence, elle éloigne ces deux éléments 3 et diminue la température des gaz d'échappement pénétrant dans le filtre à particules et donc la température du filtre à particules. [0012] De plus, la masse de suies contenue dans le filtre à particules est à surveiller. Ceci est fait en contrôlant la différence de pression aux bornes du filtre à particules, de préférence 5 avec une estimation du débit des gaz d'échappement dans le filtre à particules. Il est important que cette mesure se fasse aux bornes du filtre à particules et non pas entre quelque part en amont du filtre à particules et quelque part en aval du filtre à particules. [0013] En effet, les éléments de dépollution présents dans le voisinage du filtre à particules essence, notamment le catalyseur trois voies, pourraient créer des dispersions et fausser 10 les mesures de différence de pression et l'estimation de la masse de suies stockée dans le filtre à particules essence. [0014] Le document WO-A-2017/51458 décrit une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, dans lequel un catalyseur trois voies et un filtre à particules essence sont disposés en série dans un passage de gaz d'échappement. La ligne est contrôlée par 15 un capteur produisant un signal correspondant à un rapport air/carburant des gaz d'échappement et par une sonde à oxygène qui est prévue en aval du catalyseur trois voies et produit un signal correspondant au rapport air/carburant dans les gaz d'échappement. Le filtre à particules est disposé en aval de la sonde à oxygène. [0015] Une unité de contrôle commande centrale pilote un rapport air/carburant d'un 20 mélange air/carburant dans un moteur à l'aide des signaux de sortie du capteur et de la sonde à oxygène, de sorte que le rapport air/carburant des gaz d'échappement circulant vers le filtre à particules converge vers une valeur cible définie à proximité du rapport stoechiométrique. [0016] Dans ce document, il n'est mentionné aucun capteur de pression aux bornes du 25 filtre à particules et le positionnement de la sonde à oxygène en amont du filtre à particules diminue la température au filtre à particules et ne facilite pas la tenue de régénérations du filtre à particules. [0017] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est, pour un groupe motopropulseur comportant un moteur thermique à carburant essence et une ligne 30 d'échappement logeant un catalyseur trois voies et un filtre à particules essence, d'agencer ces éléments de même que leurs éléments auxiliaires que sont un capteur de différentiel de 4 pression et une sonde à oxygène aval dans la ligne d'échappement, de manière que les conditions de régénération du filtre à particules puissent être optimales. [0018] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention une ligne d'échappement des gaz à la sortie d'un moteur thermique à allumage commandé, la ligne d'échappement 5 comprenant un catalyseur trois voies et un filtre à particules essence, le filtre à particules étant positionné dans la ligne directement à proximité en aval du catalyseur trois voies, la ligne d'échappement comprenant aussi une sonde à oxygène en aval du catalyseur trois voies, caractérisée en ce qu'un capteur de différentiel de pression est connecté directement aux bornes amont et aval du filtre à particules et que la sonde à oxygène aval est positionnée 10 en aval du filtre à particules. [0019] Par filtre à particules essence, on entend tout filtre à particules pour un moteur à allumage commandé, notamment pour moteur à carburant essence ou à mélange contenant de l'essence. Cette dénomination est communément acceptée pour l'opposer à un filtre à particules pour un moteur à allumage par compression, notamment moteur Diesel ou 15 fonctionnant au gazole mais ne doit pas être prise dans son sens restrictif réduit à un carburant essence. [0020] L'effet technique est d'obtenir des conditions favorables de tenue d'une régénération, c'est-à-dire principalement une thermique élevée nécessaire dans la ligne d'échappement et un apport suffisant d'oxygène. La température du filtre à particules est 20 maintenue relativement haute dans la ligne du fait de sa proximité avec le moteur et surtout avec le catalyseur trois voies disposé en amont du filtre qui crée un exotherme, aucun élément, comme par exemple une sonde à oxygène aval, n'étant interposé entre ces deux éléments de dépollution. [0021] La prise de différentiel de pression est prise directement aux bornes du filtre à 25 particules, ce qui fait que cette mesure n'est pas faussée par la présence d'un ou d'éléments interposés entre les branches amont et aval d'un capteur de différentiel de pression associé au filtre à particules, par exemple un élément du type sonde ou un élément de dépollution. Il s'ensuit que la masse de suies dans le filtre à particules peut être estimée de manière optimale. 30 [0022] Le déplacement de la sonde à oxygène aval en éloignement du catalyseur trois voies permet de maximiser le volume entourant la ligne d'échappement et disponible pour l'insertion du filtre à particules essence en ne le grevant pas du volume nécessaire à l'insertion d'une sonde entre le catalyseur et le filtre. Le volume disponible pour le filtre à 5 particules est maximisé tout en augmentant les occurrences de régénérations passives si nécessaires du fait d'une thermique favorable pour le filtre à particules de par sa proximité de la sortie du moteur et du catalyseur trois voies. [0023] Le déplacement de la sonde à oxygène aval en éloignement du catalyseur trois 5 voies n'est pas pénalisant pour son exploitation car, en motorisation essence, prenant en compte son positionnement très proche du moteur, le filtre à particules essence sera vide de suies la plupart du temps du fait de régénérations spontanées et le signal de sonde en aval ne sera pas perturbé. [0024] Si des régénérations sont à déclencher, ce qui n'est pas forcément le cas pour un 10 moteur à carburant essence étant donné que ces régénérations peuvent être spontanées, d'autant plus que la présente invention permet d'avoir des conditions optimales pour le lancement de régénérations spontanées, les régénérations le seront pour des masses de suies dans le filtre à particules exactement estimées par différentiel de pression, ce qui représente une économie de moyens. L'estimation de la charge par différentiel de pression 15 est précise mais peut parfois ne pas être exploitable : c'est moins le cas quand le différentiel de pression est mesuré directement aux bornes du filtre à particules comme le propose la présente invention. [0025] Avantageusement, le catalyseur trois voies et le filtre à particules sont intégrés dans une même enveloppe, le capteur de différentiel de pression comportant des piquages 20 traversant l'enveloppe et étant relié directement aux bornes du filtre à particules. Une même enveloppe pour le catalyseur trois voies et le filtre à particules permet de conserver une température élevée entre le catalyseur et le filtre à particules, cette enveloppe étant localement percée pour permettre de prendre le différentiel de pression juste aux bornes du filtre à particules. 25 [0026] Avantageusement, le filtre à particules est non imprégné. [0027] Avantageusement, la ligne d'échappement comprend une sonde à oxygène amont disposée en amont du catalyseur trois voies. Ceci est une mesure classique pour contrôler une richesse du mélange air/carburant dans la ligne d'échappement. [0028] Avantageusement, la ligne d'échappement comprend un ou plusieurs des éléments 30 de dépollution suivants pris unitairement ou en combinaison en aval du filtre à particules : un catalyseur additionnel, un système de réduction catalytique sélective doté d'un catalyseur de réduction avec ou sans catalyseur de destruction des rejets d'ammoniac 6 disposé le plus en aval dans la ligne d'échappement et un piège à NOx actif ou passif. Il peut y avoir aussi deux filtres à particules. [0029] Avantageusement, la ligne d'échappement comprend un ou des éléments suivants : au moins un capteur de température, un capteur de suies en aval du filtre à particules, au 5 moins un capteur d'oxydes d'azote en amont et/ou en aval du catalyseur trois voies. Ces éléments sont reliés à l'unité de contrôle commande du groupe motopropulseur en vue d'établir des diagnostics, des historiques de conditions de roulage mais surtout de contrôler le bon fonctionnement du moteur et des éléments de dépollution dans la ligne d'échappement du groupe motopropulseur. 10 [0030] L'invention concerne un groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur thermique à allumage commandé et une ligne d'échappement, caractérisé en ce que la ligne d'échappement est conforme à une telle ligne et que le catalyseur trois voies est disposé à proximité en aval d'une turbine, pour un moteur thermique turbocompressé, ou d'un collecteur d'échappement du moteur thermique, pour 15 un moteur thermique atmosphérique. [0031] Avantageusement, le groupe motopropulseur comprend un superviseur du filtre à particules déclenchant une régénération du filtre à particules pour une charge de particules de suies dans le filtre supérieure à un seuil maximal de charge prédéterminé. [0032] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront 20 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 représentation schématique d'un ensemble d'un moteur thermique turbocompressé à allumage commandé et d'une ligne d'échappement comportant un catalyseur trois voies et un filtre à particules, un tel ensemble étant conforme 25 à un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'un ensemble d'un moteur thermique atmosphérique à carburant essence et d'une ligne d'échappement comportant un catalyseur trois voies et un filtre à particules, un tel ensemble étant conforme à un deuxième mode de réalisation de la présente invention. 30 [0033] II est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement 7 à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. [0034] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont 5 à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. [0035] On entend par groupe motopropulseur le moteur thermique et tous ses éléments auxiliaires comme une ligne d'échappement, une unité de contrôle commande en charge du bon fonctionnement du moteur et du contrôle de la dépollution dans la ligne 10 d'échappement, le groupe motopropulseur pouvant comporter ou non un turbocompresseur. [0036] En se référant aux figures 1 et 2, celles-ci montrent un moteur 1 thermique à allumage commandé pouvant par exemple fonctionner avec un carburant de type essence et une ligne 8 d'échappement comprenant un filtre 5 à particules, un catalyseur 3 trois voies, 15 une sonde à oxygène amont 4a juste en sortie du moteur 1 thermique et une sonde à oxygène aval 4b au moins en aval du catalyseur 3 trois voies. [0037] Le moteur thermique peut être un moteur thermique de véhicule automobile, un moteur thermique d'un autre moyen de transport ou un moteur thermique fixe. [0038] A la figure 1, le moteur 1 est un moteur 1 turbocompressé avec une turbine 2 20 disposée en amont du catalyseur 3 trois voies. Le catalyseur 3 trois voies et le filtre 5 à particules sont intégrés dans une même enveloppe 7. A la figure 2, le moteur 1 est un moteur atmosphérique c'est-à-dire non turbocompressé. Le catalyseur et le filtre 5 à particules sont intégrés dans des enveloppes 7 différentes. Ceci n'est pas limitatif et un moteur 1 turbocompressé peut être associé à un filtre 5 à particules et à un catalyseur 3 trois voies 25 montés dans des enveloppes 7 différentes et inversement pour un moteur 1 atmosphérique. [0039] Aux deux figures, le filtre 5 à particules est positionné dans la ligne 8 directement à proximité en aval du catalyseur 3 trois voies pour profiter de l'exotherme de la catalyse dans le catalyseur 3 trois voies. Selon la présente invention, un capteur 6 de différentiel de pression est connecté directement aux bornes amont et aval du filtre 5 à particules et la 30 sonde à oxygène aval 4b est positionnée en aval du filtre 5 à particules. [0040] Le capteur 6 de différentiel de pression sert à réaliser divers diagnostics sur le filtre 5 à particules, à la fois les diagnostics de chargement en suies ou en cendres et les 8 diagnostics de présence ou de colmatage. Pour ce faire, des piquages de mesure de la pression sont disposés en amont et en aval du filtre 5 à particules essence. Ces piquages permettent d'obtenir un delta de pression entre l'amont et l'aval du filtre 5. Le capteur 6 de différentiel de pression joue un rôle important dans l'estimation de la masse de suies dans 5 le filtre 5 à particules pour décider de lancer une régénération du filtre 5 à particules, notamment une régénération dysfonctionnelle ou préventive. [0041] Le capteur 6 de différentiel de pression connecté directement aux bornes amont et aval du filtre 5 à particules délivre une mesure de différentiel de pression fiable à partir de laquelle peut être estimée avec exactitude la masse de suies se trouvant dans le filtre 5 à 10 particules. Le fait de repousser la sonde à oxygène aval 4b en aval du filtre 5 à particules permet un rapprochement du filtre 5 à particules et du catalyseur trois voies 3 qui peuvent être logés dans une même enveloppe 7. [0042] Comme montré à la figure 1, le catalyseur 3 trois voies et le filtre 5 à particules peuvent être intégrés dans une même enveloppe 7, avantageusement métallique et 15 conservant la chaleur en son intérieur. Pour passer à travers l'enveloppe 7, le capteur 6 de différentiel de pression comporte des piquages traversant l'enveloppe 7, les piquages ou branches du capteur 6 reliant le capteur 6 directement aux bornes du filtre 5 à particules. [0043] Le filtre 5 à particules peut être imprégné, non imprégné. Cela ne revêt que peu d'importance pour les régénérations, par exemple pour sa montée en température de 20 régénération qui doit être supérieur à 600°C. [0044] Comme précédemment mentionné, la ligne 8 d'échappement peut comprendre une sonde à oxygène amont 4a disposée en amont du catalyseur 3 trois voies, donc entre le catalyseur 3 trois voies et la turbine 2 pour un moteur 1 turbocompressé ou entre le catalyseur trois voies 3 et le collecteur d'échappement du moteur 1 atmosphérique. 25 [0045] Bien que non montré aux figures, la ligne 8 d'échappement peut comprendre un ou plusieurs des éléments de dépollution suivants pris unitairement ou en combinaison en aval du filtre 5 à particules : un catalyseur additionnel, avantageusement en positionnement sous un plancher de l'habitacle d'un véhicule, un système de réduction catalytique sélective doté d'un catalyseur de réduction avec ou sans catalyseur de destruction des rejets d'ammoniac 30 disposé le plus en aval dans la ligne 8 d'échappement et un piège à NOx actif ou passif, ces derniers éléments pour la neutralisation des oxydes d'azote ou NOx. Le filtre 5 à particules peut aussi être doublé. La position du piège à NOx se trouve de préférence en aval du filtre à particules 5. 9 [0046] La présence d'un ou de tels éléments auxiliaires n'est en aucun cas nécessaire à la mise en oeuvre de la présente invention. L'utilisation d'un système de réduction catalytique sélective dans une ligne 8 d'échappement de motorisation essence n'est pas encore répandue bien que techniquement faisable. 5 [0047] De même comme non montré aux figures, la ligne 8 d'échappement peut comprendre un ou des éléments suivants : au moins un capteur de température permettant d'apporter de la robustesse sur certaines fonctions du contrôle du moteur 1 par une unité de contrôle commande, un capteur de suies en aval du filtre 5 à particules, au moins un capteur d'oxydes d'azote en amont et/ou en aval du catalyseur trois voies 8, de préférence 10 en aval du filtre à particules 5 afin que le filtre à particules 5 suive directement le catalyseur trois voies 3 dans la ligne 8. [0048] L'invention concerne un groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur 1 thermique et une ligne 8 d'échappement telle que précédemment décrite. Le catalyseur 3 trois voies est disposé à proximité en aval d'une turbine 2, pour un 15 moteur 1 thermique turbocompressé, ou d'un collecteur d'échappement du moteur 1 thermique, pour un moteur 1 thermique atmosphérique et le capteur 6 de différentiel de pression est piqué directement aux bornes du filtre 5 à particules. [0049] Le groupe motopropulseur peut comprendre un superviseur du filtre 5 à particules déclenchant une régénération du filtre 5 à particules pour une charge de particules de suies 20 dans le filtre 5 supérieure à un seuil maximal de charge prédéterminé. Pour une motorisation essence, les conditions de température dans la ligne 8 d'échappement et l'apport d'oxygène sont telles que les régénérations peuvent être passives et se produire de manière quasi-continue. [0050] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui 25 n'ont été donnés qu'a titre d'exemples. REVENDICATIONS1. Ligne (8) d'échappement des gaz à la sortie d'un moteur (1) thermique à allumage commandé, la ligne (8) d'échappement comprenant un catalyseur (3) trois voies et un filtre (5) à particules, le filtre (5) à particules étant positionné dans la ligne (8) directement à proximité en aval du catalyseur (3) trois voies, la ligne (8) d'échappement comprenant aussi une sonde à oxygène en aval (4b) du catalyseur (3) trois voies, caractérisée en ce qu'un capteur (6) de différentiel de pression est connecté directement aux bornes amont et aval du filtre (5) à particules et que la sonde à oxygène aval (4b) est positionnée en aval du filtre (5) à particules. 2. Ligne (8) d'échappement selon revendication 1, dans laquelle le catalyseur (3) trois voies et le filtre (5) à particules sont intégrés dans une même enveloppe (7), le capteur (6) de différentiel de pression comportant des piquages traversant l'enveloppe (7) et étant relié directement aux bornes du filtre (5) à particules. 3. Ligne (8) d'échappement selon revendication 1 ou 2, dans laquelle le filtre (5) à particules est non imprégné. 4. Ligne (8) d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, laquelle comprend une sonde à oxygène amont (4a) disposée en amont du catalyseur (3) trois voies. 5. Ligne (8) d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, laquelle comprend un ou plusieurs des éléments de dépollution suivants pris unitairement ou en combinaison en aval du filtre (5) à particules : un catalyseur additionnel, un système de réduction catalytique sélective doté d'un catalyseur de réduction avec ou sans catalyseur de destruction des rejets d'ammoniac disposé le plus en aval dans la ligne (8) d'échappement et un piège à NOx actif ou passif. 6. Ligne (8) d'échappement selon la revendication précédente, laquelle comprend un ou des éléments suivants : au moins un capteur de température, un capteur de suies en aval du filtre (5) à particules, au moins un capteur d'oxydes d'azote en amont et/ou en aval du catalyseur trois voies (3). 11 7. Groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur (1) thermique à allumage commandé et une ligne (8) d'échappement, caractérisé en ce que la ligne (8) d'échappement est conforme à une ligne (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes et que le catalyseur (3) trois voies est disposé directement en aval d'une 5 turbine (2), pour un moteur (1) thermique turbocompressé, ou d'un collecteur d'échappement du moteur (1) thermique, pour un moteur (1) thermique atmosphérique. 8. Groupe motopropulseur selon la revendication précédente, lequel comprend un superviseur du filtre (5) à particules déclenchant une régénération du filtre (5) à particules pour une charge de particules de suies dans le filtre (5) supérieure à un seuil 10 maximal de charge prédéterminé.