Brevet FR3100275A1 — publié le 20210305

Description Titre de l'invention : SYSTEME ET PROCEDE DE PRE- CHAUFFAGE POUR CATALYSEUR TROIS VOIES [0001] L'invention se rapporte à un système et un procédé de préchauffage de catalyseur trois voies équipant les moteurs thermiques à essence dans le but d'optimiser la dépollution de ce type de moteurs. [0002] Il est connu (le l'état (le la technique des systèmes de dépollution pour moteur thermique à essence mettant en oeuvre, notamment, un catalyseur trois voies, ayant pour acronyme en langue anglaise TWC ou "Three-Way Catalyst", et un filtre à particules, ayant pour acronyme en langue anglaise GPF ou "Gasoline Particle Filter". Un catalyseur trois voies, dénommé également pot catalytique, traite les émissions d'oxydes d'azote, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures non brûlés selon trois réactions principales grâce à divers métaux précieux tels que le platine, le palladium ou le rhodium. Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures réagissent avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone et de l'eau. Les oxydes d'azote réagissent avec le monoxyde de carbone pour former de l'azote et du dioxyde de carbone. Une quinzaine d'autres réactions ont également lieu au sein du catalyseur trois voies. Lc platine et le palladium accélèrent les réactions chimiques relatives au traitement du monoxyde carbone et des hydrocarbures non brûlés. Le rhodium, quant à lui, accélère les réactions entre les oxydes d'azote et le monoxyde de carbone. Concernant le filtre à particules, il a pour fonction de limiter les émissions de particules fines. Un catalyseur trois voies parvient à traiter de manière optimale les polluants lorsqu'il a atteint une température de fonctionnement comprise entre 300°C et 400°C. En dessous de cette plage de température, la dépollution ne se réalise pas correctement car les réactions chimiques décrites précédemment n'ont pas lieu ou sinon se produisent, mais alors avec unc efficacité dégradée. Il a été proposé dans l'état de la technique de positionner au plus proche du collecteur d'échappement le catalyseur trois voies afin d'obtenir une montée en température plus rapide et ainsi améliorer l'efficacité lors des démarrages à froid. Bien que cette solution améliore la dépollution des moteurs thermiques à essence, son efficacité reste néanmoins relativement modeste lors de la phase de démarrage à froid. [0003] Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un système de préchauffage pour catalyseur trois voies équipant un moteur thermique à essence afin d'en améliorer l'efficacité lors des démarrages à froid. [0004] Pour ce faire, l'invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un système de préchauffage pour catalyseur trois voies équipant le circuit d'échappement 2 d'un moteur thermique à essence d'un véhicule comprenant un collecteur d'échappement relié à la sortie dudit moteur thermique, ledit catalyseur trois voies étant disposé en aval de la sortie du moteur thermique, le circuit d'échappement comportant en outre en aval dudit catalyseur trois voies une tubulure caractérisé en ce que ledit système de préchauffage comporte une pompe à air montée sur un conduit de dérivation agencé en parallèle de ladite tubulure, l'entrée dudit conduit de dérivation étant reliée à ladite tubulure et prend naissance en aval dudit catalyseur trois voies et la sortie dudit conduit de dérivation étant reliée à ladite tubulure et est disposée en aval de ladite entrée dudit conduit de dérivation, ledit système de préchauffage comprenant en outre un premier clapet, un second clapet et un catalyseur électrique, ledit catalyseur électrique étant disposé en amont dudit catalyseur trois voies, ledit premier clapet étant disposé dans ladite tubulure entre l'entrée dudit conduit de dérivation et la sortie dudit conduit de dérivation et ledit second clapet étant disposé dans ledit conduit de dérivation et en amont de ladite pompe à air. [0005] Grâce à l'invention, le catalyseur trois voies atteint sa température de fonctionnement optimale plus rapidement qu'avec la solution proposée dans l'art antérieur. Ainsi, les réactions chimiques relatives au traitement des émissions polluantes telles que les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés se produisent dès le démarrage du moteur thermique à essence, même lorsqu'il est froid. [0006] De préférence, la puissance électrique dudit catalyseur électrique est comprise entre 2 et 4 KW. Le catalyseur électrique consomme ainsi peu d'énergie électrique et la charge de la batterie du véhicule est ainsi préservée. [0007] De préférence, le système de préchauffage comporte en outre un filtre à particules disposé en aval dudit catalyseur trois voies. De cette façon, la dépollution est encore améliorée. [0008] L'invention a également pour objet un procédé de préchauffage d'un catalyseur trois voies pour moteur thermique à essence mettant en oeuvre un système de préchauffage, ledit moteur thermique comportant un circuit électrique et un papillon des gaz, ledit procédé comportant les étapes suivantes : [0009] - une étape d'activation du circuit électrique dudit moteur thermique ; [0010] - une étape d'ouverture dudit papillon des gaz de manière à laisser de l'air frais circuler dans le circuit d'échappement ; [0011] - une étape de fermeture dudit premier clapet et d'ouverture dudit second clapet ; [0012] - une étape d'activation de ladite pompe à air afin d'aspirer de l'air frais et dudit ca- talyseur électrique afin de réchauffer l'air frais ; [0013] - une étape de désactivation de ladite pompe à air ; [0014] - une étape d'ouverture dudit premier clapet et de fermeture dudit second clapet ; [0015] - une étape de démarrage dudit moteur thermique ; 3 [0016] - une étape de désactivation dudit catalyseur électrique. [0017] Grâce à l'invention, on peut traiter les émissions polluantes produites par un moteur thermique à essence dès son démarrage, même lors d'un démarrage à froid. Il faut comprendre par "démarrage à froid" que le moteur thermique à essence n'a pas fonctionné depuis un certain temps et que sa température est redescendue à la température ambiante. [0018] Avantageusement, l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique a lieu moins d'une seconde après l'étape de démarrage dudit moteur thermique. On peut ainsi économiser l'énergie électrique stockée dans la batterie du véhicule. [0019] De manière préférée, l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique a lieu entre une et dix secondes après l'étape de démarrage dudit moteur thermique. De cette manière, la dépollution est optimisée. [0020] De préférence, l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique a lieu lorsque ledit catalyseur trois voies a atteint une température comprise entre 250°C et 400°C. [0021] Avantageusement, l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique a lieu lorsque ledit catalyseur trois voies a atteint une température d'environ 300°C. [0022] Dans un mode préféré, avant l'étape d'activation de ladite pompe à air, une étape de détermination du temps d'activation nécessaire de ladite pompe à air et dudit catalyseur électrique basée sur la puissance de la batterie dudit véhicule pour que le catalyseur trois voies atteigne sa température de fonctionnement optimale, l'étape d'activation de ladite pompe à air et dudit catalyseur électrique ayant lieu pendant une durée correspondant au temps d'activation nécessaire déterminé. Cette étape permet d'optimiser la consommation d'énergie électrique provenant de la batterie du véhicule et d'optimiser la dépollution. [0023] De préférence, l'étape de détermination du temps d'activation nécessaire est réalisée au moyen d'un module électronique mettant en oeuvre un programme d'ordinateur. [0024] On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, une forme d'exécution de la présente invention, en référence à la figure annexée sur laquelle : [0025] [fig.1] illustre schématiquement une partie du circuit d'échappement d'un moteur thermique à essence équipé d'un système de préchauffage selon un mode de réalisation de l'invention. [0026] Afin de bien comprendre les caractéristiques de l'invention, il faut souligner que les termes « amont », « aval », « entrée » et « sortie » sont à considérer pat- rapport au sens de propagation des gaz. De même, il est supposé connu l'existence d'un circuit d'admission de gaz pour un moteur thermique. [0027] La figure 1 illustre schématiquement une vue partielle d'un circuit d'échappement 1 d'un moteur thermique à essence comportant un collecteur d'échappement 8 relié à la sortie dudit moteur thermique, un système de dépollution 2 disposé en aval dudit collecteur d'échappement 8 et une tubulure 9 disposée en aval dudit système de dépollution 2. Le système de dépollution 2 comprend un catalyseur trois voies 4, un filtre à particules 5 et un système de préchauffage 6, selon un mode de réalisation de la présente invention. Le système de préchauffage 6 a pour fonction de préchauffer le catalyseur trois voies 4 avant le démarrage dudit moteur thermique, afin d'en améliorer l'efficacité et ainsi réduire significativement les émissions polluantes produites par ledit moteur thermique à essence lors de son démarrage. Lors de cette étape de préchauffage, la température dudit catalyseur trois voies 4 va être amenée, par exemple, à environ 300°C afin de le faire fonctionner de manière optimale. Un autre type de catalyseur trois voies 4 peut avoir une température optimale de fonctionnement différente, telle que 250°C ou 350°C. Le système de préchauffage 6 comporte un catalyseur électrique 7 disposé en aval du collecteur d'échappement 8 et en amont de l'entrée du catalyseur trois voies 4. Le catalyseur électrique 7 est un élément chauffant qui a pour fonction d'augmenter la température dudit catalyseur trois voies 4 jusqu'à sa température optimale de fonctionnement et ceci avant le démarrage dudit moteur thermique. La durée de ce préchauffage dépend du temps nécessaire au catalyseur trois voies 4 pour atteindre sa température optimale de fonctionnement. Par exemple, cette durée peut varier entre 2 et 10 secondes. Le catalyseur électrique 7 a une puissance électrique de 2 à 4 KW. Le système de préchauffage 6 comprend en outre une pompe à air 10 montée sur un conduit de dérivation 11 agencée en parallèle de ladite tubulure 9, l'entrée 14 dudit conduit de dérivation 11 prend naissance en aval dudit catalyseur trois voies 4, sur ladite tubulure 9. La sortie 15 dudit conduit de dérivation 11 est reliée en aval de ladite tubulure 9. La pompe à air 10 a pour fonction d'aspirer l'air frais passant par le moteur thermique, avant son démarrage. Un premier clapet 12 est disposé dans la tubulure 9, entre l'entrée 14 et la sortie 15 dudit conduit de dérivation 11. Un second clapet est disposé dans ledit conduit de dérivation 11, à son entrée 14. Le procédé de préchauffage dudit catalyseur trois voies 4 selon l'invention est décrit ci-après. On active tout d'abord le circuit électrique dudit moteur thermique afin d'alimenter en électricité, notamment, la pompe à air 10 et le catalyseur électrique 7. On ouvre ensuite le papillon des gaz du moteur thermique de manière à laisser de l'air frais circuler dans le circuit d'échappement 1, on ferme le premier clapet 12 et on ouvre le second clapet 13. L'air frais est ainsi aspiré par la pompe à air 10 et transite par le conduit de dérivation 11. La catalyseur électrique 7 est activé afin de réchauffer l'air frais et, par voie de conséquence, le catalyseur trois voies 4 jusqu'à atteindre sa température optimale de fonctionnement, par exemple 300°C. La durée pour atteindre la température optimale de fonctionnement dépend de la puissance de la batterie du véhicule. En effet, si la batterie a une faible puissance, le catalyseur électrique 7 sera activé plus longuement afin que le catalyseur trois voies 4 atteigne sa température optimale de fonctionnement. Au contraire, si la batterie a une puissance élevée, le catalyseur électrique 7 sera activé sur une plus courte durée. Un module électronique (non représenté), mettant en oeuvre un programme d'ordinateur, vérifie, lors de l'activation du circuit électrique, la température du catalyseur trois voies 4 afin de déterminer le temps d'activation nécessaire (0, de ladite pompe à air 10 et dudit catalyseur électrique 7, afin que le catalyseur trois voies 4 atteigne sa température de fonctionnement optimale. Le catalyseur électrique 7 est, par exemple, activé pendant environ 10 secondes. Lorsque le module électronique détermine que la température optimale de fonctionnement est atteinte, la pompe à air 10 est désactivée, le premier clapet s'ouvre 12, le second clapet 13 se ferme et le moteur thermique est démarré. Le catalyseur électrique 7 est ensuite désactivé moins d'une seconde après le démarrage du moteur thermique. Dans un mode de réalisation alternatif, le catalyseur électrique 7 est désactivé entre 2 et 10 secondes après le démarrage du moteur thermique. Ce procédé de préchauffage a pour avantage de rendre efficace le système de dépollution au moyen d'un catalyseur trois voies dès le démarrage de moteur thermique à essence et ainsi réduire significativement les émissions de polluants tels que les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés. [0028] L'invention décrite met en oeuvre un catalyseur trois voies ayant une température de fonctionnement optimale aux alentours de 300°C. L'invention peut également être mise en oeuvre pour d'autres types de catalyseur trois voies ayant des températures de fonctionnement optimales en dessous ou au-dessus de 300°C. Par ailleurs, l'invention peut aussi être appliquée à des dispositifs nécessitant d'être chauffés afin d'atteindre une température de fonctionnement plus élevée que la température ambiante. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] Système de préchauffage (6) pour catalyseur trois voies (4) équipant le circuit d'échappement (1) d'un moteur thermique à essence d'un véhicule comprenant un collecteur d'échappement (8) relié à la sortie dudit moteur thermique, ledit catalyseur trois voies (4) étant disposé en aval de la sortie du moteur thermique, le circuit d'échappement (1) comportant en outre en aval dudit catalyseur trois voies (4) une tubulure (9) caractérisé en ce que ledit système de préchauffage (6) comporte une pompe à air (10) montée sur un conduit de dérivation (11) agencé en parallèle de ladite tubulure (9), l'entrée (14) dudit conduit de dérivation (11) étant reliée à ladite tubulure (9) et prend naissance en aval dudit catalyseur trois voies (4) et la sortie (15) dudit conduit de dérivation (11) étant reliée à ladite tubulure (9) et est disposée en aval de ladite entrée (14) dudit conduit de dérivation (11), ledit système de préchauffage (6) comprenant en outre un premier clapet (12), un second clapet (13) et un catalyseur électrique (7), ledit catalyseur électrique (7) étant disposé en amont dudit catalyseur trois voies (4), ledit premier clapet (12) étant disposé dans ladite tubulure (12) entre l'entrée (14) dudit conduit de dérivation (11) et la sortie (15) dudit conduit de dérivation (11) et ledit second clapet (13) étant disposé dans ledit conduit de dérivation (11) et en amont de ladite pompe à air (10). [Revendication 2] Système de préchauffage (6) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la puissance électrique dudit catalyseur électrique (7) est comprise entre 2 et 4 KW. [Revendication 3] Système de préchauffage (6) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre un filtre à particules (5) disposé en aval dudit catalyseur trois voies (4). [Revendication 4] Procédé de préchauffage d'un catalyseur trois voies (4) pour moteur thermique à essence mettant en oeuvre un système de préchauffage (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ledit moteur thermique comportant un circuit électrique et un papillon des gaz, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - une étape d'activation du circuit électrique dudit moteur thermique ; - une étape d'ouverture dudit papillon des gaz de manière à laisser de l'air frais circuler clans le circuit d'échappement (1) ; - une étape de fermeture dudit premier clapet (12) et d'ouverture dudit second clapet (13) ; 7 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] - une étape d'activation de ladite pompe à air (10) afin d'aspirer de l'air frais et dudit catalyseur électrique (7) afin de réchauffer l'air frais ; - une étape de désactivation de ladite pompe à air (10) ; - une étape d'ouverture dudit premier clapet (12) et de fermeture dudit second clapet (13) ; - une étape de démarrage dudit moteur thermique ; - une étape de désactivation dudit catalyseur électrique (7). Procédé de préchauffage selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique (7) a lieu moins d'une seconde après l'étape de démarrage dudit moteur thermique. Procédé de préchauffage selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique (7) a lieu entre une et dix secondes après l'étape de démarrage dudit moteur thermique. Procédé de préchauffage selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique (7) a lieu lorsque ledit catalyseur trois voies (4) a atteint une température comprise entre 250°C et 400°C. Procédé de préchauffage selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'étape de désactivation dudit catalyseur électrique (7) a lieu lorsque ledit catalyseur trois voies a atteint une température d'environ 300°C. Procédé de préchauffage selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte en outre, avant l'étape d'activation de ladite pompe à air (10), une étape de détermination du temps d'activation nécessaire (t) de ladite pompe à ah- (10) et dudit catalyseur électrique (7) basée sur la puissance de la batterie dudit véhicule pour que le catalyseur trois voies (4) atteigne sa température de fonctionnement optimale, l'étape d'activation de ladite pompe à air (10) et dudit catalyseur électrique (7) ayant lieu pendant une durée correspondant au temps d'activation nécessaire (t) déterminé. Procédé de préchauffage selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'étape de détermination du temps d'activation nécessaire (t) est réalisée au moyen d'un module électronique mettant en oeuvre un programme d'ordinateur.