Brevet FR3085998A1 — publié le 20200320

LIGNE D'ÉCHAPPEMENT DE VÉHICULE À CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT PAR GAZ NEUTRE EN AMONT DU DISPOSITIF DE DÉPOLLUTION L'invention concerne les lignes d'échappement qui sont connectées à un moteur thermique de véhicule et qui comprennent un dispositif de dépollution des gaz d'échappement. Comme le sait l'homme de l'art, certaines lignes d'échappement de moteur thermique de véhicule, éventuellement de type automobile, comprennent un dispositif de dépollution comportant au moins un catalyseur ainsi qu'éventuellement un filtre à particules. Le catalyseur est couplé à la partie amont de la ligne d'échappement, laquelle est connectée à la sortie des gaz d'échappement du moteur thermique, et est chargé de traiter, notamment, des oxydes d'azote (ou NON) qui sont produits par ce dernier. L'éventuel filtre à particules est couplé à la sortie du catalyseur, qui est couplé à la partie aval de la ligne d'échappement, et chargé de filtrer, par stockage interne, des particules de suie qui sont produites par le moteur thermique. Le dispositif de dépollution est fréquemment exposé à des gaz d'échappement dont la température est élevée, typiquement comprise entre 300°C et 1000°C, et donc est conçu pour supporter t telles températures. Cependant, il peut arriver que cette température devienne ponctuellement très élevée, typiquement supérieure à 1000°C (par exempt jusqu'à 1300°C). Cela peut par exemple être le cas lorsque le moteur thermique fait l'objet d'un réglage inadapté qui induit des ratés de combustion ou une avance d'allumage trop faible et que dans le même temps le moteur thermique est immédiatement arrêté sans que le dispositif de dépollution soit traversé par un flux d'air ou de gaz d'échappement. Il a été constaté que lorsque la température des gaz d'échappement (produits par le moteur thermique) devenait supérieure à un seuil (typiquement supérieur à 1000°C), au moins le catalyseur pouvait faire l'objet d'une détérioration induisant un vieillissement et/ou une perte d'efficacité prématuré(e)(s), voire d'une destruction (car à 1300°C on est proche de la 2 température de fusion du substrat). Lorsque la détérioration ou la destruction survient sur un banc d'essai pendant un test d'endurance, non seulement la ligne d'échappement est inutilisable, mais un nouveau test d'endurance complet doit être réalisé, ce qui s'avère onéreux et chronophage. Lorsque la 5 détérioration ou la destruction survient sur un véhicule en circulation, ce dernier doit être conduit jusqu'à un service après-vente afin d'être réparé ou changé, ce qui fait perdre un temps précieux à son usager et s'avère onéreux soit pour cet usager lorsque la garantie constructeur n'est plus valable, soit au constructeur lorsque la garantie constructeur est valable. 10 Il a été proposé, notamment dans le document brevet WO 2014/039039, d'injecter au moyen d'une pompe dans la partie amont de la ligne d'échappement de l'air extérieur prélevé afin d'augmenter plus rapidement qu'à l'accoutumée la température du catalyseur pour qu'il atteigne son seuil d'amorçage, et ainsi favoriser une postcombustion. Cependant 15 utiliser une telle injection dans le seul but de refroidir les gaz d'échappement présenterait un réel inconvénient. En effet, l'air n'étant pas un gaz neutre il induirait des conséquences préjudiciables sur certaines réactions chimiques survenant dans le dispositif de dépollution (et notamment de la postcombustion), ce qui contraindrait à désactiver la régulation de la richesse 20 du moteur thermique et induirait une augmentation de la température préalablement à sa décroissance. Il en résulterait une complexification des logiciels de contrôle du moteur thermique et une augmentation de la durée d'exposition du dispositif de dépollution aux températures très élevées et donc une dégradation prématurée du catalyseur (voire une destruction totale). 25 L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. Elle propose notamment à cet effet une ligne d'échappement destinée à être connectée à une sortie de gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un véhicule, et comprenant une partie amont destinée à être couplée à cette sortie de gaz d'échappement, une partie aval, et un dispositif de dépollution 30 intercalé entre ces parties amont et aval. Cette ligne d'échappement se caractérise par le fait qu'elle comprend aussi - un circuit de refroidissement comportant un réservoir stockant un gaz neutre 3 et un dispositif d'alimentation connecté à ce réservoir et à la partie amont, et pouvant être placé dans l'un de deux états ouvert et fermé dans lesquels respectivement il alimente et n'alimente pas en gaz neutre la partie amont, et 5 - au moins un processeur déclenchant un placement du dispositif d'alimentation dans son état ouvert lorsqu'une température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique est supérieure à un seuil choisi. Grâce à l'utilisation d'un gaz neutre, on peut refroidir immédiatement 10 et directement les gaz d'échappement avant qu'ils n'atteignent le dispositif de dépollution sans crainte de conséquences préjudiciables sur certaines réactions chimiques survenant dans ce dernier. La ligne d'échappement selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et 15 notamment : - le gaz neutre peut, par exemple, être de l'azote ; - son processeur peut déclencher le placement du dispositif d'alimentation dans son état ouvert tant que la température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique est supérieure au seuil choisi ; 20 - en variante, son processeur peut déclencher le placement du dispositif d'alimentation dans son état ouvert pendant une durée choisie qui débute après une détection d'un franchissement du seuil par valeur supérieure par la température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique ; - son dispositif d'alimentation peut comprendre un détendeur, et une première 25 électrovanne installée entre le détendeur et la partie amont et propre à être placée dans les états ouvert et fermé par le processeur ; son dispositif d'alimentation peut comprendre une seconde électrovanne installée entre le réservoir et le détendeur et propre à être placée dans les états ouvert et fermé par le processeur en même temps que la 30 première électrovanne ; - son dispositif de dépollution peut comprendre un catalyseur agencé de manière à traiter au moins des oxydes d'azote produits par le moteur thermique, et un filtre à particules couplé à une sortie du catalyseur et 4 agencé de manière à filtrer des particules de suie produites par le moteur thermique ; r son catalyseur peut être de type trois voies, mais il pourrait aussi être de type deux voies. 5 L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant un moteur thermique et une ligne d'échappement du type de celle présentée ci-avant et connectée à une sortie de gaz d'échappement de ce moteur thermique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à 10 l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel l'unique figure illustre schématiquement et fonctionnellement une partie d'un véhicule automobile comprenant un moteur thermique auquel est connecté un exemple de réalisation d'une ligne d'échappement selon l'invention. 15 L'invention a notamment pour but de proposer une ligne d'échappement LE, destinée à être connectée à une sortie S de gaz d'échappement d'un moteur thermique MT d'un véhicule V, et comprenant un circuit de refroidissement CR. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le 20 véhicule V est de type automobile. Il s'agit par exemple d'une voiture, comme illustré non hmitativement sur l'unique figure. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de véhicule. Elle concerne en effet tout véhicule comprenant un groupe motopropulseur (ou GMP) comportant au moins un moteur thermique (à essence ou au gazole). Ainsi, elle concerne les véhicules terrestres, 25 maritimes (ou fluviaux), et aériens, et d'une manière générale tout véhicule comprenant un moteur thermique couplé à un catalyseur. On notera que l'invention ne concerne pas seulement les véhicules ayant un GMP ne comportant qu'un moteur thermique. Elle concerne en effet également les véhicules ayant un GMP hybride, c'est-à-dire comportant au 30 moins un moteur thermique et au moins une machine motrice non thermique (comme par exemple un moteur électrique). On a schématiquement et fonctionnellement représenté sur l'unique figure une partie d'un exemple de véhicule V (ici automobile) comprenant un 5 GMP et un exemple de réalisation d'une ligne d'échappement LE selon l'invention. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le GMP ne comprend qu'un moteur thermique MT à essence. Mais comme 5 indiqué ci-avant, le GMP pourrait comprendre un moteur thermique au gazole ou pourrait être hybride et donc pourrait aussi comporter au moins une machine motrice non thermique. Le fonctionnement du moteur thermique MT est supervisé par un calculateur de supervision CS. Par ailleurs, ce moteur thermique MT produit des gaz d'échappement qu'il délivre sur une sortie S. Comme illustré sur l'unique figure, une ligne d'échappement LE, selon l'invention, comprend des parties amont P1 et aval P2, un dispositif de dépollution DD intercalé entre ces parties amont Pi et aval P2, un circuit de refroidissement CR, et au moins un processeur PR. 15 La partie amont Pi est un conduit qui est destiné à être connecté à la sortie S des gaz d'échappement du moteur thermique MT. La partie aval P2 est un conduit ayant une extrémité libre qui communique avec l'extérieur afin d'évacuer les gaz d'échappement après qu'ils aient été partiellement dépollués par le dispositif de dépollution DD. 20 Le dispositif de dépollution DD peut, par exemple et comme illustré non limitativement, comprendre un catalyseur CT et un filtre à particules FP. Ces catalyseur CT et filtre à particules FP peuvent être logés dans un boîtier (ou réceptacle). Le catalyseur CT est agencé de manière à traiter au moins des oxydes 25 d'azote (ou NOx) qui sont produits par le moteur thermique MT et délivrés sur sa sortie S. Ce catalyseur CT peut, par exemple, être de type trois voies. Dans ce cas, il peut classiquement contenir des métaux précieux, tels que le platine, le palladium ou le rhodium, qui provoquent trois réactions simultanées en présence d'oxydes d'azote. Ces trois réactions simultanées sont une réduction 30 des oxydes d'azote en diazote et en dioxyde de carbone (2NO + 2C0 -> N2 + 2CO2), une oxydation des monoxydes de carbone en dioxyde de carbone (2C0 + 02 -> 2CO2), et une oxydation des hydrocarbures imbrulés (ou HC) en 6 dioxyde de carbone et en eau (4CxHy + (4x+y)02 4xCO2 + 2yH2O). Mais le catalyseur CT pourrait aussi être de type deux voies. Le filtre à particules FP est couplé à la sortie du catalyseur CT et est couplé à la partie aval P2 de la ligne d'échappement LE. Ce filtre à particules 5 FP est agencé de manière à filtrer, par stockage interne, des particules de suie qui sont produites par le moteur thermique MT. Par exemple, ce filtre à particules FP peut comprendre des composés ou des perovskites, qui favorisent le brûlage des particules de suie à « basse » température (typiquement entre 400°C et 450°C) pendant une phas de régénération, et/ou 10 une porosité réduite par rapport à une porosité normale. Le circuit de refroidissement CR comprend un réservoir RA qui stocke un gaz neutre, et un dispositif d'alimentation DA qui est connecté au réservoir RA et à la partie amont H de la ligne d'échappement LE. Ce gaz neutre est par exemple de l'azote (sous forme N2). 15 On notera que lorsque le gaz neutre est de l'azote, il est préférentiellement stocké sous forme gazeuse car cela ne requiert pas que le réservoir RA soit isolé thermiquement. Mais on pourrait envisager qu'il soit stocké sous forme liquide à environ -200°C, sous réserve que le réservoir RA soit très résistant et isolé thermiquement. Cette alternative n'est pas celle qui 20 est actuellement préférée car elle nécessite un mécanisme d'injection très sophistiqué et donc très onéreux. Le dispositif d'alimentation DA peut être placé dans l'un de deux états ouvert et fermé. Dans l'état ouvert il alimente en gaz neutre la partie amont P1 de la ligne d'échappement LE, tandis que dans l'état fermé il n'alimente pas en 25 gaz neutre cette partie amont P1. Le processeur PR est chargé de déclencher le placement du dispositif d'alimentation DA dans son état ouvert lorsqu'une température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique MT est supérieure à un seuil choisi. 30 On notera que le seuil peut, par exemple, être compris entre environ 1000°C et environ 1300°C. Ainsi, il peut, rar exemple, être choisi égal à 1200°C. Ce seuil est de préférence calibrable dam le processeur PR. On notera également que la température des gaz d'échappement peut 7 être soit mesurée directement par un capteur de température CP, soit estimée par le calcul au moyen d'un modèle tenant compte de l'état en cours du moteur thermique MT (et plus précisément de ses réglages et régime en cours). Dans l'exemple illustré non limitativement sur l'unique figure, la partie amont P-I de 5 la ligne d'échappement LE comprend un tel capteur de température CP qui fait alors partie de cette dernière (LE). Mais dans une variante ce capteur de température CP pourrait faire partie du moteur thermique MT (ainsi il peut être installé au voisinage de la sortie S, comme c'est souvent le cas dans un moteur diesel). 10 Le gaz injecté étant un gaz neutre (par exemple de l'azote), il n'induit pas de postcombustion, et donc on n'a pas besoin de procéder à une désactivation de la régulation de la richesse du moteur thermique MT, ce qui permet d'éviter de complexifier les logiciels de contrôle du moteur thermique MT et de refroidir immédiatement et directement les gaz d'échappement avant 15 qu'ils n'atteignent le dispositif de dépollution DD. Par ailleurs, lorsque le gaz neutre est de l'azote, il est facile à comprimer et très peu onéreux. Dans l'exemple illustré non limitativement sur l'unique figure, le processeur PR fait partie du calculateur de supervision CS qui supervise le fonctionnement du moteur thermique MT. Mais cela n'est pas obligatoire. En 20 effet, il pourrait être externe à ce calculateur de supervision CS. Il est cependant préférentiellement éloigné de la ligne d'échappement LE, afin de ne pas être exposé aux températures relativement importantes régnant dans son environnement. On notera que le processeur PR peut, par exemple, être agencé de 25 manière à déclencher le placement du dispositif d'alimentation DA dans son état ouvert tant que la température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique MT est supérieure au seuil (de température) choisi. Dans ce cas, dès que la température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique MT redevient inférieure au seuil choisi, le processeur PR déclenche 30 le placement du dispositif d'alimentation DA dans son état fermé. Dans une variante de réalisation le processeur PR peut, par exemple, être agencé de manière à déclencher le placement du dispositif d'alimentation DA dans son état ouvert pendant une durée choisie qui débute après la 8 détection d'un franchissement du seuil (de température) par valeur supérieure par la température des gaz d'échappement qui sont produits par le moteur thermique MT. Dans ce cas, dès que la durée a expiré, le processeur PR déclenche le placement du dispositif d'alimentation DA dans son état fermé. 5 On comprendra que cette durée est choisie suffisamment large, lors de phases d'essais pour être certain que la température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique MT sera repassée en-dessous du seuil (de température). Par exemple, cette durée peut être comprise entre quelques secondes et quelques minutes. Ainsi, elle peut, par exemple, être choisie égale 10 à 3 minutes. On notera également, comme illustré non limitativement sur l'unique figure, que le dispositif d'alimentation DA peut comprendre au moins un détendeur DT et une première électrovanne E1. Le détendeur DT est chargé de contrôler la pression du gaz neutre devant alimenter la partie amont H , fin 15 qu'elle soit constante. Typiquement on peut, par exemple, utiliser une pression de quelques centaines de millibars (il faut qu'elle soit supérieure à la pression d'échappement). La première électrovanne El est de préférence installée entre le détendeur DT et la partie amont PI de la ligne d'échappement LE et est propre 20 à être placée dans l'état ouvert ou dans l'état fermé par le processeur PR selon les besoins. Par ailleurs, l'état dans lequel est placée cette première électrovanne El peut être contrôlé au moyen d'une commande ou instruction numérique ou analogique. Cette première électrovanne El permet aussi d'empêcher la remontée de gaz d'échappement vers le détendeur DT (elle agit 25 alors en tant que vanne anti-retour). On notera également, comme illustré non limitativement sur l'unique figure, que le dispositif d'alimentation DA peut éventuellement comprendre, en complément, une seconde électrovanne E2 installée entre le réservoir RA et le détendeur DT. Cette seconde électrovanne E2 est propre à être placée dans 30 l'état ouvert ou dans l'état fermé par le processeur PR en même temps que la première électrovanne E1, selon les besoins. Par ailleurs, l'état dans lequel est placée cette seconde électrovanne E2 peut être contrôlé au moyen d'une commande ou instruction numérique ou analogique. Cette seconde 9 électrovanne E2 permet d'éviter que le détendeur DT soit en permanence placé sous pression. En outre, elle offre une sécurité supplémentaire. On notera également que sur l'unique figure les moyens de traitement (ou calcul) et de contrôle de la ligne d'échappement LE sont très 5 schématiquement et fonctionnellement illustrés par le seul processeur PR qui est éventuellement un processeur de signal numérique (ou DSP (Digital Signal Processor)), éventuellement associé à une mémoire vive pour stocker des instructions pour la mise en oeuvre par ce processeur d'un programme informatique (ou logiciel (ou encore « software »)) ou de routines permettant 10 de contrôler l'état du dispositif d'alimentation DA en fonction de la température des gaz d'échappement produits par le moteur thermique MT. Par ailleurs, les moyens de traitement (ou calcul) et de contrôle de la ligne d'échappement LE peuvent comprendre un boitier comportant des circuits intégrés (ou imprimés), reliés par des connections filaires ou non filaires. On entend par circuit intégré 15 (ou imprimé) tout type de dispositif apte à effectuer au moins une opération électrique ou électronique. De plus, cette ligne d'échappement LE peut éventuellement comprendre une pluralité de processeurs, au moins une mémoire de masse, une interface d'entrée pour la réception de la valeur (éventuellement estimée) de la température des gaz d'échappement produits 20 par le moteur thermique MT, et une interface de sortie pour la transmission des commandes (ou instructions) définissant l'état dans lequel doit être placé le dispositif d'alimentation REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement (LE) destinée à être connectée à une sortie (S) de gaz d'échappement d'un moteur thermique (MT) d'un véhicule (V), ladite ligne d'échappement (LE) comprenant une partie amont (P1) destinée à être couplée à ladite sortie (S), une partie aval (P2), et un dispositif de dépollution (DD) intercalé entre lesdites parties amont (P1) et aval (P2), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre i) un circuit de refroidissement (CR) comportant un réservoir (RA) stockant un gaz neutre et un dispositif d'alimentation (DA) connecté audit réservoir (RA) et à ladite partie amont (P1), et pouvant être placé dans l'un de deux états ouvert et fermé dans lesquels respectivement il alimente et n'alimente pas en gaz neutre ladite partie amont (P1), et ii) au moins un processeur (PR) déclenchant un placement dudit dispositif d'alimentation (DA) dans son état ouvert lorsqu'une température desdits gaz d'échappement produits par ledit moteur thermique (MT) est supérieure à un seuil choisi. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit gaz neutre est de l'azote. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit processeur (PR) déclenche ledit placement du dispositif d'alimentation (DA) dans son état ouvert tant que ladite température desdits gaz d'échappement produits par ledit moteur thermique (MT) est supérieure audit seuil choisi. 4. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit processeur (PR) déclenche ledit placement du dispositif d'alimentation (DA) dans son état ouvert pendant une durée choisie débutant après une détection d'un franchissement dudit seuil par valeur supérieure par ladite température des gaz d'échappement produits par ledit moteur thermique (MT). 5. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit dispositif d'alimentation (DA) comprend un détendeur (DT), et une première électrovanne (El ) installée entre ledit détendeur (DT) et ladite partie amont (P1) et propre à être placée dans lesdits états ouvert et fermé par ledit processeur (PR). 11 6. Ligne d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit dispositif d'alimentation (DA) comprend une seconde électrovanne (E2) installée entre lesdits réservoir (RA) et détendeur (DT) et propre à être placée dans lesdits états ouvert et fermé par ledit processeur (PR) en même 5 temps que ladite première électrovanne (El ). 7. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit dispositif de dépollution (DD) comprend i) un catalyseur (CT) agencé de manière à traiter au moins des oxydes d'azote produits par ledit moteur thermique (MT), et ii) un filtre à particules (FP) couplé 10 à une sortie dudit catalyseur (CT) et agencé de manière à filtrer des particules de suie produites par ledit moteur thermique (MT). 8. Ligne d'échappement selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit catalyseur (CT) est de type trois voies. 9. Véhicule (V) comprenant un moteur thermique (MT), caractérisé en 15 ce qu'il comprend une ligne d'échappement (LE) selon l'une des revendications précédentes, connectée à une sortie (S) de gaz d'échappement dudit moteur thermique (MT). 10. Véhicule selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est de type automobile. 20