Brevet FR3089007A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE REPRODUCTION D'UN PHENOMENE D'ENCRASSEMENT D'UNE LIGNE TRAVERSEE PAR LES GAZ D'ECHAPPEMENT PRODUITS PAR UN MOTEUR THERMIQUE A ALLUMAGE COMMANDE [0001] La présente invention concerne le domaine de la dépollution des gaz d'échappement issus d'un moteur thermique. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de reproduction d'un phénomène physico-chimique d'encrassement d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique à allumage commandé. [0002] Les niveaux d'émissions polluantes, notamment des véhicules automobiles, sont rè- glementés. Les normes régissant ces niveaux d'émissions polluantes sont d'ailleurs de plus en plus drastiques. C'est pourquoi les véhicules munis de moteurs thermiques sont de plus en plus souvent équipés de moyens de dépollution qui peuvent comprendre un ensemble de catalyseurs transformant les constituants toxiques des gaz d'échappement, tels que le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures imbrûlés (notés HC), ou les oxydes d'azote NOx, en éléments moins toxiques comme la vapeur d'eau, l'azote et le dioxyde de carbone. [0003] Aujourd'hui, sur certains moteurs à allumage commandé, fonctionnant par exemple à l'essence, la réintroduction des gaz d'échappement à l'admission est un levier pour réduire la consommation spécifique de ces moteurs. [0004] Une boucle de recirculation des gaz d'échappement, dite boucle EGR (de l'acronyme Anglais « Exhaust Gas Recirculation ») améliore en outre la réduction des émissions d'oxydes d'azote NOx après la combustion, grâce à l'injection d'une partie des gaz d'échappement imbrûlés au niveau des gaz d'admission du moteur. La recirculation des gaz d'échappement engendre cependant une augmentation des particules. Pour résoudre ce problème, les gaz réinjectés sont refroidis. La boucle EGR se compose donc essentiellement d'une vanne EGR pour régler le débit des gaz imbrûlés dans le collecteur d'admission, et d'un échangeur thermique pour abaisser la température des gaz réinjectés afin de diminuer la production de particules. La boucle EGR est dénommée « basse pression » lorsque les gaz réinjectés proviennent de l'extrémité de la ligne d'échappement située après le filtre à particules de suies, et dénommée « haute pression » lorsque les gaz réinjectés proviennent directement de la soupape d'échappement de la chambre à combustion du moteur thermique. [0005] Cependant l'utilisation de cette technologie a des impacts non négligeables, sur le prix du moteur, sur l'intégration de l'ensemble des composants de la boucle de recirculation (Vanne, échangeur, etc...) et peut éventuellement provoquer des problèmes de 2 qualité à cause des phénomènes d'encrassement. [0006] Plusieurs types de défaillances peuvent survenir en cas d'encrassement : blocage de la vanne et/ou du by-pass échangeur, réduction de la perméabilité et de l'efficacité thermique de l'échangeur. Assurer la fiabilité de la boucle EGR est donc un enjeu capital. La compréhension et la maîtrise de l'encrassement exigent de bien connaître les mécanismes physiques et chimiques impliqués. On sait en Diesel que l'encrassement est essentiellement piloté par les transferts couplés de masse et de chaleur liés aux gradients de concentration et de température mis en jcu (thermophorèse) et aussi (dans une moindre mesure) par le phénomène de condensation. De nombreuses variables sont en outre impliquées dans la formation et la transformation du dépôt d'encrassement (toujours en Diesel) : citons le ratio matière organique/particules dans les gaz d'échappement, la plage de fonctionnement qui détermine en partie les gradients de température mis en jeu dans la boucle ou encore le taux d'EGR. En essence, les produits de combustions incomplètes sont plus légers que ceux rencontrés en Diesel et la présence d'une part importante de phénols peuvent conduire à la formation de dépôts dans le moteur de type laque bakélite, dépôts très durs et très difficiles à détruire et évacuer contrairement à ceux rencontrer en Diesel. [0007] Dans ce contexte, une meilleure compréhension des paramètres physicochimiques conduisant aux encrassements, l'élaboration des lois d'encrassements (formation et transformation du dépôt au cours du temps) prenant en compte l'ensemble des changements imposés par les normes antipollution, est nécessaire. [0008] On connait du document FR2998671, un dispositif de reproduction d'un phénomène physico-chimique d'encrassement, mais celui-ci est adapté à des besoins d'étude de moteur à allumage par compression, fonctionnant par exemple au gazole et pas à des besoins d'étude de moteur à allumage commandé, fonctionnant avec une source d'énergie primaire telle que : essence, bio-carburant de type éthanol dont les produits de combustion incomplète sont beaucoup plus légers que dans le cas du gazole. [0009] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est d'obtenir un dispositif de re- production d'un phénomène physico-chimique d'encrassement adapté aux besoins d'étude de moteur à allumage commandé. [0010] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un dispositif de reproduction d'un phénomène d'encrassement d'une ligne traversée par les gaz d'échappement produits par un moteur thermique à allumage commandé, comprenant : [0011] -un circuit de circulation des gaz, [0012] -des alimentations en gaz de ce circuit agencées pour créer la première partie d'un mélange représentatif d'un gaz d'échappement, [0013] -un premier réchauffeur de cette première partie de mélange, [0014] -une injection de composés liquides agencée pour compléter la composition du 3 mélange représentatif d'un gaz d'échappement disposé en aval du premier réchauffeur, [0015] -un échangeur thermique apte à refroidir le mélange représentatif, siège de la formation d'un dépôt d'encrassement, [0016] De plus, le dispositif comprend un second réchauffeur du mélange complet repré- sentatif d'un gaz d'échappement placé en amont du second réchauffeur et en ce que l'injection de composés liquides comprend une injection d'huile de lubrification moteur. [0017] L'effet technique est d'obtenir un dispositif de reproduction d'un phénomène physico-chimique d'encrassement amélioré et permettant une prise en compte d'un élément pour lequel il a été constaté son importance dans le phénomène d'encrassement des moteurs à allumage commandé. [0018] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en com- binaisons : [0019] Dans une variante, l'huile moteur peut être de tout grade, neuve ou vieillie et peut comporter des taux de dilution carburants et/ou de carbone différents. [0020] Dans une variante, le premier réchauffeur est apte à porter la première partie du mélange représentatif à une température suffisante pour de vaporiser les composés liquides injectés. [0021] Dans une variante, le premier réchauffeur est apte à porter la première partie du mélange représentatif à une température comparable à des gaz d'échappement d'une ligne traversée par les gaz d'échappement produits par un moteur thermique à allumage commandé. [0022] Dans une variante, le premier réchauffeur n'est pas asservi. [0023] Dans une variante, le second réchauffeur est régulé par un régulateur de température PID associé à un capteur de température placé à l'entrée de l'échangeur thermique. [0024] Dans une variante, l'échangeur thermique est démontable. [0025] Dans une variante, la composition du mélange représentatif est constituée d'un mélange des produits suivants : Azote, Oxygène, Eau, Trioxyde de soufre, Propène, Acétylène, Isooctane, Xylène, Ethanol, Formaldéhyde. [0026] Dans une variante, la composition du mélange représentatif est constituée des produits suivants : Azote, Oxygène, Eau, Trioxyde de soufre, Propène, Acétylène, Isooctane, Xylène, Ethanol, Formaldéhyde avec les compositions molaires respectives 0,973998 ; 0,0075 ; 0,01 ; 0,000002 ; 0,004 ; 0,002 ;0,0005 ; 0,0005 ; 0,001 ; 0,0005. [0027] Dans une variante, l'azote, l'oxygène, le propène, et l'acétylène forme la première partie du mélange représentatif. [0028] Dans une variante, l'injection de composés liquides comprend une injection d'une solution aqueuse d'acide sulfurique associée à un système d'évaporation pour faire arriver cette solution aqueuse vaporisée dans le circuit de gaz. [0029] Dans une variante, le dispositif comprend un thermocouple de mesure de la tem- pérature des gaz disposé en entrée de l'échangeur thermique et un thermocouple de mesure de la température des gaz disposé en sortie de l'échangeur thermique et en ce que les thermocouples sont coudés de sorte à s'étendre parallèlement au circuit de gaz. [0030] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : [0031] [fig.1] : La figure 1 représente schématiquement, le dispositif de l'invention. [0032] La figure 1 représente un schéma d'un dispositif de reproduction d'un phénomène physico-chimique d'encrassement dans une ligne traversée par les gaz d'échappement produits par un moteur thermique à allumage commandé. Ce dispositif a pour but de recréer, dans un échangeur thermique 10, des dépôts d'encrassement comparables à ceux qui se forment dans une ligne traversée par les gaz brûlés produits d'un moteur thermique à allumage commandé. Un moteur thermique à allumage commandé peut fonctionner à l'essence ou avec un mélange essence éthanol. [0033] Il est donc nécessaire d'être dans des conditions similaires. Afin de faciliter l'étude, un mélange représentatif des gaz d'échappement produits par le moteur à allumage commandé est déterminé. Ce mélange représentatif est déterminé en fonction du type de carburant envisagé pour faire fonctionner ce moteur. En effet celui-ci peut fonctionner à partir de carburant tels que l'essence, l'éthanol, un mélange essence-éthanol, du gaz naturel, du GPL, [0034] La composition du mélange représentatif des gaz d'échappement produits par un moteur à allumage commandé est donc variable en fonction du type de carburant utilisé. Pour les carburants essence éthanolés, la composition du mélange représentatif choisi est constituée d'un mélange parmi les produits suivants : Azote, Oxygène, Eau, Trioxyde de soufre, Propène, Acétylène, Isooctane, Xylène, Ethanol, Formaldéhyde. [0035] Nous présentons ici au tableau 1 la composition d'un mélange représentatif des gaz d'échappement produits par un moteur à allumage commandé fonctionnant avec un mélange essence-éthanol. Cette composition a été choisie dans le but d'être représentative de gaz d'échappement produits par un moteur à allumage commandé fonctionnant avec des carburants essence éthanolés (par exemple du SP95-E10) disponibles en Europe. Cette composition spécifique a été déterminée à partir d'une moyenne sur les gaz d'échappement obtenus à partir d'essais réalisés avec ces carburants. [0036] Ce mélange représentatif est injecté dans l'échangeur 10 à un débit massique total pouvant varier entre 0,05 à 0,5 g/s, à une température pouvant varier de 150 à 650°C et sort de l'échangeur 10 à une température comprise entre 60 et 110°C afin de concorder avec les conditions en fonctionnement d'une ligne traversée par les gaz d'échappement produits par un moteur thermique à allumage commandé. [0037] [Tableauxl] Produits Composition molaire Azote 0,973998 Oxygène 0,0075 Eau 0,01 Trioxyde de soufre S03 (via H2SO4) 0,000002 Propène C3H6 0,004 Acétylène C2H2 0,002 Isooctane Ca, g 0,0005 Xylène C4110 0,0005 Ethanol C2H2O 0,001 Formaldéhyde CH20 0,0005 [0038] Les faibles débits massiques injectés sont la conséquence directe du faible poids mo- léculaire des molécules modèles permettant de reproduire des gaz d'échappement en motorisation essence éthanol. [0039] Comme illustré à la figure 1, le dispositif comporte quatre modules : Un premier module 1A-1B est dédié à l'alimentation du banc, la préchauffe et la chauffe ; un second module 2 comprend l'échangeur de chaleur 10 où l'encrassement a lieu ; un troisième module 3 concerne un circuit dit de court-circuit (ou « by-pass » en anglais) et un quatrième module 4 qui comprend un condenseur 21. [0040] Le dispositif comporte un circuit 100 de circulation des gaz dans lequel est injecté le mélange gazeux représentatif de gaz d'échappement. Le circuit 100 représente une ligne traversée par les gaz d'échappement produits par un moteur thermique à allumage commandé. Cette ligne peut être une ligne de recirculation des gaz d'échappement, encore désignée ligne EGR. Ce circuit 100 de circulation des gaz est tubé de faible diamètre (par exemple en tube de d'environ 13mm de diamètre extérieur) pour limiter les effets d'inertie liés aux masses métalliques, effets (l'inertie exacerbés ici par les faibles débits massiques injectés caractéristiques d'un moteur thermique à allumage commandé. 100411 Le premier module 1A-1B est spécifique à la reproduction de l'environnement physi- cochimique responsable des encrassements d'une pièce cible en présence d'une architecture haute pression de recirculation des gaz EGR sur moteur essence-éthanol. Ce premier module comprend dans sa partie 1A (cf. figure 1) des alimentations en gaz, ici quatre alimentations référencées 11, 12, 13, 14, qui permettent d'injecter dans le circuit 6 100 de circulation des gaz des composants avec des débits massiques prédéterminés et régulés, qui permettent de créer la première partie d'un mélange gazeux représentatif d'un gaz d'échappement. Les quatre alimentations injectent respectivement de l'azote, N,, de l'oxygène, 02, un mélange d'acétylène dans de l'azote et un mélange de propène dans de l'azote. Il a été fait le choix d'un mélange acétylène/azote dont la composition molaire est de 4% d'acétylène (C2112) et 96 % d'azote et d'un mélange propène/azote dont la composition molaire est de 8% de propène (C3H6) et 92 % d'azote. [0042] Ces gaz sont injectés sous forme gazeuse et à température ambiante. Pour l'azote, on utilise par exemple un régulateur de débit massique à effet thermique de pleine échelle 20 NI/min, pour l'oxygène un régulateur de débit massique à effet thermique de pleine échelle 0,15 NI / min, pour les mélanges acétylène / azote et propène / azote, dcux régulateurs massiques à effet thermique de pleine échelle 1 NI/min (NI signifiant normal litre). [0043] La partie lA du premier module comprend encore un réchauffeur 15, pour chauffer cette première partie de mélange gazeux jusqu'à une température de 450°C soit une température comparable à des gaz d'échappement d'une ligne traversée par les gaz d'échappement produits par un moteur thermique à allumage commandé. Ce réchauffeur 15 est d'une puissance de l'ordre de 400W, ce qui est adapté aux faibles débits de gaz employés. Ce premier réchauffeur 15 est piloté à une puissance constante déterminée manuellement par un variateur de puissance. Cc variateur de puissance pilotant le préchauffeur 15 permet d'atteindre la température de 450°C au niveau du capteur de température Tl des gaz en sortie du premier réchauffeur 15 quel que soit le débit massique. Le premier réchauffeur 15 est donc non asservi. [0044] Pour compléter la première partie du mélange et obtenir la composition finale du mélange représentatif d'un gaz d'échappement, il est prévu une injection 16 sous forme liquide des produits organiques : xylène, isooctane, fon-naldéhyde (sous forme d'une solution aqueuse stabilisée), éthanol, et également d'huile de lubrification moteur, car il a été constaté que l'huile moteur était un paramètre important de l'encrassement pour les moteurs à allumage commandé. L'huile moteur peut être de tout grade mais aussi vieillie à différents kilométrages sur banc dynamique ou sur route ou à différentes heures de bancs moteurs ou en laboratoire, et comporter des taux de dilution carburant et/ou taux de carbone différents, afin de suivre l'impact du vieillissement d'une huile moteur sur l'encrassement. Ces produits sont injectés à l'aide d'un pousse-seringue 16 dans le mélange de gaz préchauffé. [0045] En pratique, le xylène et l'isooctane sont injectés via une même seringue de 25 ml. La solution aqueuse de fonnaldéhyde et l'éthanol sont injectés via deux seringues de 10 ml. Ces produits organiques interviennent dans le mélange en très faible proportion et sont injectés à des débits de l'ordre de quelques pL/min à quelques dizaines RL/min 7 Ils sont donc instantanément vaporisés en arrivant dans le flux gazeux préchauffé sans en abaisser significativement la température. De plus la contenance des seringues a été choisie de manière à ne pas avoir d'à-coups et pour ne pas avoir à re-rcmplir une seringue au cours d'une même journée d'expérience, quel que soit le débit. Dans la pratique, nous pouvons tout au plus avoir quelques à-coups avec la seringue du formaldéhydc et uniquement aux débits massiques totaux les plus faibles (i.e.