Brevet FR3092365A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : Volume, dispositif, ligne d'échappement et véhicule, procédé de pilotage du volume [0001] La présente invention concerne en général le chauffage des organes de purification des gaz d'échappement. [0002] Les lignes d'échappement comprennent généralement des organes de purification, prévus pour éliminer certains composés chimiques des gaz d'échappement. Ces composés chimiques sont par exemple les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone ou les résidus de carburant imbrûlés. [0003] Les organes de purification sont typiquement des catalyseurs, qui ne sont efficaces que quand leur température dépasse une limite basse. [0004] Les véhicules automobiles doivent respecter des normes d'émission de polluants de plus en plus drastiques. [0005] Pour respecter les futures normes, un élément clé est de chauffer les organes de puri- fication aussi vite que possible au démarrage du véhicule. Il est possible, dans ce but, d'utiliser des éléments résistifs, chauffant les gaz d'échappement par effet Joule en amont des organes de purification. [0006] Toutefois, la puissance de chauffage est limitée dans ce cas par la température que peut supporter l'élément résistif avant de fondre. [0007] Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un volume d'échappement permettant un chauffage plus rapide des gaz d'échappement. [0008] A cette fin, l'invention porte selon un premier aspect sur un volume d'échappement, le volume d'échappement comprenant : [0009] - une enveloppe délimitant intérieurement un passage de circulation de gaz d'échappement ; [0010] - des première et seconde électrodes ayant des première et seconde extrémités internes respectives situées dans le passage de circulation des gaz d'échappement ; [0011] - les première et seconde électrodes étant conformées pour être raccordées élec- triquement à une alimentation électrique, l'alimentation électrique étant configurée pour sélectivement maintenir une différence de potentiel entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes et entretenir un plasma thermique entre les première et secondes extrémités internes. [0012] Ainsi, dans l'invention, le chauffage des gaz d'échappement est réalisé en créant un plasma thermique, tel qu'un arc électrique, dans le passage de circulation des gaz d'échappement, entre deux électrodes. Ce plasma thermique chauffe les gaz d'échappement circulant dans le passage. 2 [0013] Il est possible par ce moyen de transférer aux gaz d'échappement une puissance élevée. Les électrodes peuvent supporter une puissance électrique très supérieure à celle que supporte des éléments résistifs tels que des fils ou une grille conductrice, et ce même à des débits de gaz d'échappement réduits. Elles peuvent supporter des températures élevées sans fondre. Il est donc possible de chauffer les gaz à des températures plus élevées qu'avec des éléments chauffants résistifs. [0014] La dynamique du dispositif de chauffage est très élevée, car les gaz d'échappement sont chauffés directement. Il n'est pas nécessaire de chauffer d'abord un premier élément, qui va lui-même ensuite transmettre la chaleur aux gaz d'échappement. [0015] Le dispositif de chauffage est peu intrusif, au sens où seules les électrodes sont disposées dans le passage de circulation des gaz d'échappement. Il ne génère que des pertes de charges limitées. [0016] Le dispositif de chauffage peut être facilement adapté à toutes les géométries d'enveloppe. Ces enveloppes peuvent être de section circulaire, rectangulaire, ovale ou même irrégulière. Les électrodes peuvent être implantées dans un conduit d'échappement, ou dans la même enveloppe que l'organe de purification. [0017] L'invention présente également beaucoup d'avantages par rapport à une solution dans laquelle l'organe de purification est chauffé en créant un plasma thermique entre une électrode et l'organe de purification. [0018] La dynamique du chauffage est beaucoup plus élevée dans l'invention, car les gaz d'échappement diffusent la chaleur en tous points de l'organe de purification. Quand l'organe de purification est chauffé par le plasma thermique, la montée en température est plus lente du fait de l'inertie thermique de l'organe de purification, et du fait que la chaleur se diffuse plus lentement. [0019] Par ailleurs, la création d'un plasma thermique entre l'électrode et l'organe de puri- fication peut entraîner, à terme, une usure de l'organe de purification. Ce risque n'existe pas dans l'invention. [0020] L'invention présente également l'avantage de pouvoir être mise en oeuvre quand l'organe de purification est dans un matériau ne conduisant pas l'électricité, comme par exemple une céramique du type utilisée actuellement pour les catalyseurs TWC (three way catalyst, ou catalyseur trois voies). [0021] Le volume d'échappement peut en outre présenter une ou plusieurs des caracté- ristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : [0022] - le volume d'échappement comprend une liaison électriquement isolante des première et seconde électrodes à l'enveloppe ; [0023] - la liaison des première et/ou seconde électrodes à l'enveloppe est démontable ; [0024] - la liaison des première et seconde électrodes à l'enveloppe comprend au moins un 3 actionneur configure pour ajuster l'écartement entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes ; [0025] - le volume d'échappement comprend une commande programmée pour : - amorcer le plasma thermique en maintenant un écartement relativement plus faible entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes et en régulant une tension électrique entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes; [0026] - une fois le plasma thermique établi, maintenir un écartement relativement plus grand entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes, et réguler une intensité du courant électrique entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes de manière à maintenir une puissance thermique fournie au plasma thermique dans un intervalle prédéterminé ; [0027] - les première et seconde extrémités internes sont situées à distance de l'enveloppe ; [0028] - les première et seconde électrodes traversent l'enveloppe ; [0029] - le volume d'échappement comprend au moins un organe de purification des gaz d'échappement disposé en aval des première et seconde électrodes. [0030] Selon un second aspect, l'invention porte sur un dispositif comprenant un volume d'échappement ayant les caractéristiques ci-dessus et une alimentation électrique, les première et seconde électrodes étant raccordées électriquement à l'alimentation électrique, l'alimentation électrique étant configurée pour sélectivement maintenir une différence de potentiel entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes et entretenir un plasma thermique entre les première et secondes extrémités internes. [0031] Selon un troisième aspect, l'invention porte sur une ligne d'échappement, comprenant un volume d'échappement ayant les caractéristiques ci-dessus. [0032] Selon un quatrième aspect, l'invention porte sur un véhicule comprenant une ligne d'échappement ayant les caractéristiques ci-dessus. [0033] Selon un cinquième aspect, l'invention porte sur un procédé de pilotage d'un volume d'échappement ayant les caractéristiques ci-dessus, le procédé comprend les étapes suivantes : [0034] - amorcer le plasma thermique en maintenant un écartement relativement plus faible entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes et en régulant une tension électrique entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes; et/ou [0035] - une fois le plasma thermique établi, maintenir un écartement relativement plus grand entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes, et réguler une intensité du courant électrique entre les première et seconde extrémités internes des première et seconde électrodes de manière à maintenir une puissance thermique fournie au plasma thermique dans un intervalle prédéterminé. [0036] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : [0037] [fig.1] la figure 1 est une représentation schématique simplifiée, en coupe axiale, d'un volume d'échappement selon l'invention ; [0038] [fig.2] la figure 2 est une représentation schématique simplifiée du volume d'échappement de la figure 1, pris en section selon l'incidence des flèches II. [0039] La ligne d'échappement 1 représentée sur la figure 1 est destinée à équiper un véhicule à moteur à combustion interne, typiquement un véhicule automobile tel qu'une voiture, un camion ou un deux roues. [0040] En variante, la ligne d'échappement est destinée à équiper un moteur stationnaire, comme par exemple un groupe électrogène. [0041] La ligne d'échappement 1 comprend un volume d'échappement 3, comprenant lui-même une enveloppe 5 délimitant intérieurement un passage 7 de circulation de gaz d'échappement. L'enveloppe 5 présente un axe central C. [0042] Le volume d'échappement 3 comprend également un dispositif de chauffage 8 qui comporte des première et seconde électrodes 9, 11 ayant des première et seconde extrémités internes 13, 15 respectives situées dans le passage de circulation 7 des gaz d'échappement. [0043] La ligne d'échappement 1 comprend une alimentation électrique 17 (figure 2), les première et seconde électrodes 9, 11 étant raccordées électriquement à l'alimentation électrique 17. [0044] Le volume d'échappement 3 comprend également un organe de purification des gaz d'échappement 19 disposé en aval des première et seconde électrodes 9, 11. L'organe de purification des gaz d'échappement 19 est disposé typiquement immédiatement en aval des première et seconde électrodes 9, 11. [0045] L'amont et l'aval sont entendus ici selon le sens d'écoulement normal des gaz d'échappement. [0046] L'organe de purification 19 est de tout type adapté. [0047] Par exemple, l'organe de purification 19 est un catalyseur trois voies, ou un ca- talyseur d'oxydation, ou un catalyseur de réduction, ou un catalyseur SCR (Selective Catalytic Reduction ou réduction catalytique sélective), éventuellement précédé d'un injecteur de précurseur d'ammoniac et/ou d'un mélangeur, un filtre à particules, ou un piège à NOx. [0048] L'organe de purification 19 est placé dans l'enveloppe 5, avec interposition d'une nappe 21 d'un matériau fibreux. La nappe 21 maintien l'organe de purification 19 en position axialement par rapport à l'enveloppe 5. [0049] L'organe de purification 19 présente une section circulaire. En variante, l'organe de purification 19 présente une section ovale, ou toute autre section adaptée. [0050] Les première et seconde électrodes 9, 11 sont montés dans un tronçon 23 de l'enveloppe 5 présentant typiquement la même section que le tronçon d'enveloppe recevant l'organe de purification 19. [0051] Le tronçon d'enveloppe 23 est donc typiquement circulaire. En variante, le tronçon d'enveloppe 23 est ovale ou de toute autre section adaptée. [0052] En variante, l'organe de purification 19 est monté dans une enveloppe distincte de l'enveloppe 5 et raccordée fluidiquemcnt à l'enveloppe 5. [0053] L'alimentation électrique 17 est configurée pour sélectivement maintenir une différence de potentiel entre les première et seconde extrémités internes 13. 15 des première et seconde électrodes 9, 11 et entretenir un plasma thermique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15. [0054] Un plasma thermique est un plasma dans lequel la température du gaz est sen- siblement à la température des électrons [0055] L'alimentation électrique 17, quand elle est en fonctionnement, permet ainsi de maintenir, entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11, une différence de potentiel suffisante pour qu'un courant électrique passe de la première à la seconde extrémité interne, à travers les gaz d'échappement. Elle provoque une ionisation des molécules de gaz entre les première et seconde extrémités internes 13, 15, et conjointement un échauffement des gaz d'échappement. [0056] La différence de potentiel est supérieure à 10 Volts, et de préférence supérieure à 50 V, à 100 V, à 200 V, à 500 V, ou encore à 1000V. [0057] La différence de potentiel permettant la création et l'entretien d'un plasma thermique dépend de la composition du gaz d'échappement et de l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15. [0058] Les première et seconde électrodes 9, 11 ont chacune la forme d'une tige, s'étendant à partir de première et seconde extrémités externes 25, 27 respectives jusqu'aux première et seconde extrémités internes 13, 15. [0059] Les première et seconde électrodes 9, 11 sont en typiquement en graphite, en tungstène, en un alliage FeCrAl ou NiCr, ou en un alliage d'acier inoxydable.. Elles présentent typiquement une section comprise entre 1 et 100 mm2, de préférence comprise entre 2 et 50 mm2, encore de préférence entre 5 et 30 mm2 Elles présentent typiquement une longueur comprise entre 10 et 120 mm, de préférence comprise entre 20 et 80 mm, encore de préférence entre 30 et 60 mm 6 [0060] Typiquement, les première et seconde électrodes 9, 11 traversent l'enveloppe 5. Les première et seconde extrémités externes 25, 27 sont situées à l'extérieur de l'enveloppe 5. [0061] L'alimentation électrique 17 est raccordée aux première et seconde extrémités externes 25, 27. [0062] Les première et seconde extrémités internes 13, 15 sont situées à distance de l'enveloppe 5. [0063] Si on considère la droite Dl perpendiculaire à l'axe central C et passant par la première extrémité interne 13, cette droite Dl rencontre l'enveloppe Sen un point situé à une distance dl de l'axe central C le long de la droite Dl. La première extrémité interne 13, le long de la droite Dl, est située typiquement à une distance de l'axe central C compris entre 10% et 80% de dl, de préférence comprise entre 20 et 60% de dl . [0064] De même, si on considère la droite D2 perpendiculaire à l'axe central C et passant par la seconde extrémité interne 15, cette droite D2 rencontre l'enveloppe Sen un point situé à une distance d2 de l'axe central C le long de la droite D2. La seconde extrémité interne 15, le long de la droite D2, est située à une distance de l'axe central C compris entre 10% et 80% de d2, de préférence comprise entre 20 et 60% de d2. [0065] Les positions des première et seconde extrémités sont fonctions de la tension appliquée et dc l'usure des électrodes. [0066] Les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11 sont de préférence disposées dans un même plan perpendiculaire à l'axe central C du passage de circulation 7. [0067] De préférence, les première et seconde extrémités internes 13, 15 sont disposées de manière symétrique l'une de l'autre par rapport à l'axe central C du passage de circulation 7. [0068] Par exemple, les première et seconde électrodes 9, 11 sont orientées de manière radiale par rapport à l'axe central C, et sont placées de manière diamétralement opposée l'une à l'autre. [0069] Ainsi, les pertes thermiques sont extrêmement réduites. D'abord parce que les passages prévus pour les électrodes 9, 11 à travers l'enveloppe 5 sont de petites tailles. Ensuite, parce que le volume de gaz à haute température est situé au centre du passage de circulation 7, loin de l'enveloppe 5. Les pertes thermiques de ce fait sont beaucoup plus faibles que pour un dispositif de chauffage dans lequel un arc est créé entre une électrode annulaire plaquée contre l'enveloppe paroi, et une électrode centrale située sur l'axe central C. [0070] Le volume d'échappement 3 comprend une liaison 29 électriquement isolante des première et seconde électrodes 9, 11 à l'enveloppe 5. 7 [0071] La liaison 29 des première et seconde électrodes 9, 11 à l'enveloppe 5 est dé- montable. Ainsi, il est possible de changer les électrodes usées. [0072] La liaison 29 des première et seconde électrodes 9, 11 à l'enveloppe 5 comprend au moins un actionneur 31 configure pour ajuster l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11. [0073] Dans l'exemple représenté, la liaison 29 des première et seconde électrodes 9, 11 à l'enveloppe 5 comprend deux actionneurs 31. L'un des deux actionneurs 31 est prévu pour déplacer la première électrode 9 par rapport à l'enveloppe 5. L'autre actionneur 31 est prévu pour déplacer la seconde électrode 11 par rapport à l'enveloppe 5. [0074] Les actionneurs 31 déplacent les première et seconde électrodes 9, 11 radialemcnt par rapport à l'axe central C. [0075] La liaison 29 comporte par exemple une liaison coulissante de la première électrode 9 à l'enveloppe Set une autre liaison coulissante de la seconde électrode 11 à l'enveloppe 5. Dans ce cas, les actionneurs 31 sont de type linéaire et sont par exemple des vérins. En variante, les actionneurs 31 comprennent un moteur rotatif et un organe convertissant le mouvement de rotation de l'arbre moteur en mouvement de translation de l'électrode. [0076] La liaison 29 permet de rapprocher les première et seconde électrodes 9, 11 l'une de l'autre au moment de la mise en service de l'alimentation électrique 17, de manière à faciliter la création d'un plasma thermique sans qu'il soit nécessaire d'augmenter de manière trop importante la différence de potentiel. [0077] Rapprocher les première et seconde électrodes 9, 11 l'une de l'autre pet-met également de compenser l'usure des électrodes. [0078] L'alimentation électrique 17 comprend une source de courant 33 présentant une borne positive et une borne négative. Les première et seconde électrodes 9, 11 sont respectivement raccordées à la borne positive et à la borne négative. [0079] La source de courant 33 est de tout type adapté. Elle fournit un courant continu et/ou alternatif, selon les cas. La tension du courant est comme défini plus haut. L'intensité du courant est typiquement comprise entre 50 mA et 500A [0080] Le volume d'échappement 3 comprend également une commande 35. [0081] La commande 35 est programmée pour, au démarrage de l'alimentation électrique 17, réguler la tension électrique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15, à une valeur relativement plus élevée. Une fois le plasma thermique établi, la commande 35 est programmée pour maintenir une tension électrique relativement moins élevée entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11. [0082] Maintenir une tension électrique relativement plus élevée facilite la création du plasma thermique. Baisser ensuite la tension électrique permet de stabiliser le plasma 8 thermique. [0083] La commande 35 est programmée pour régler l'intensité du courant électrique entre les première et seconde électrodes 9, 11 de manière à maintenir une puissance électrique fournie par l'alimentation électrique 17 au plasma thermique dans un intervalle prédéterminé. [0084] Ce mode de pilotage est appliqué une fois le plasma thermique établi. Il contribue à garantir la permanence du plasma thermique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11. Ceci permet en conséquence d'assurer un haut niveau de transfert thermique vers les gaz d'échappement circulant dans le passage de circulation 7. [0085] Pour ce faire, l'alimentation électrique 17 comprend un capteur de tension 37 mesurant la tension électrique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11, et un capteur de courant 39 mesurant l'intensité du courant électrique fourni par la source de courant 33. [0086] La commande 35 comporte un module 41 de calcul de la puissance électrique fournie par l'alimentation électrique 17. Le module de calcul 41 calcule par exemple la puissance électrique en multipliant la tension électrique mesurée par l'intensité mesurée. [0087] La commande 35 comporte encore un module 43 de calcul d'une consigne d'intensité du courant électrique entre les première et seconde électrodes 9, 11 en fonction de la puissance électrique déterminée par le module de calcul 41, et un module de commande 45 commandant à la source de courant 33 de fournir un courant électrique égal à la consigne. Le module de calcul 43 calcule la consigne par exemple en utilisant des tables ou des courbes prédéterminées donnant directement la consigne en fonction de la puissance électrique calculée par le module de calcul 41. [0088] De préférence, la commande 35 pilote également le ou les actionneurs 31 permettant d'ajuster l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11. [0089] La commande 35 est programmée pour amorcer le plasma thermique en maintenant un écartement relativement plus faible entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11 et en régulant une tension électrique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11., [0090] La commande 35 est programmée pour, une fois le plasma thermique établi, maintenir un écartement relativement plus grand entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11, et réguler une intensité du courant électrique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11 de manière à maintenir une puissance 9 thermique fournie au plasma thermique dans un intervalle prédéterminé, comme décrit plus haut. [0091] Au démarrage, l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 est avantageusement nul, les première et seconde extrémités internes 13, 15 étant en contact direct l'une avec l'autre. [0092] En variante, l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 n'est pas nul au démarrage. Dans ce cas, la commande 35 pilote également la fréquence du courant électrique pour créer le plasma thermique. [0093] Avantageusement, la commande 35 est également programmée pour régler l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11 de manière à maintenir une puissance électrique fournie par l'alimentation électrique 17 dans un intervalle prédéterminé. [0094] Ceci contribue à garantir la permanence de le plasma thermique entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 1 1 . [0095] Pour ce faire, l'alimentation électrique 17 comprend un capteur de position 51 mesurant la position du ou de chaque actionneur 31. [0096] La commande 35 comporte un module 53 de calcul de l'écartement courant entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11 en utilisant la position mesurée par le ou chaque capteur de position 51. [0097] Le module de calcul 53 calcule par exemple la distance des première et seconde ex- trémités internes 13, 15 radialement par rapport à l'axe central C en fonction des positions mesurées par les capteurs de position 51, puis calcule l'écartement courant entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11 en faisant la somme des distances préalablement calculées. [0098] La commande 35 comporte encore un module 55 de calcul d'une consigne d'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 en fonction de la puissance électrique déterminée par le module de calcul 41, et un module de commande 57 commandant au ou à chaque actionneur 31 de déplacer la première et/ou la seconde électrode 9, 11 jusqu'à atteindre la consigne d'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11. [0099] Le module de calcul 55 calcule la consigne d'écartement par exemple en utilisant des tables ou des courbes prédéterminées, donnant directement la consigne en fonction de la puissance électrique calculée par le module de calcul 41. [0100] Le module de commande 57 élabore une commande pour les actionneurs 31 en utilisant la consigne d'écartement calculée par le module de calcul 55 et l'écartement courant calculé par le module de calcul 53. [0101] La commande 35 est programmée pour maintenir la puissance électrique fournie par l'alimentation électrique 17 dans l'intervalle prédéterminé en jouant sur l'intensité du courant électrique entre les première et seconde électrodes 9, 11 et/ou sur l'écartement entre les première et seconde extrémités internes 13, 15 des première et seconde électrodes 9, 11. [0102] La commande 35 est ainsi programmée pour réaliser l'amorçage du plasma thermique par contact des première et seconde électrodes 9, 11 l'une avec l'autre, ou pour réaliser l'amorçage du plasma thermique sans contact des première et seconde électrodes 9, 11 l'une avec l'autre par un courant de fréquence adaptée. [0103] Une fois le plasma thermique établi, la commande 35 est programmée pour réguler le courant pour maintenir le plasma thermique à la puissance thermique désirée. [0104] La commande 35 est programmée pour piloter l'écartement mutuel des première et seconde extrémités 13, 15 via les actionneurs en fonction de l'état du plasma thermique: amorçage du plasma thermique ou entretien du plasma thermique. [0105] La commande 35 est programmée pour réaliser un pilotage adaptatif de l'écartement mutuel des première et seconde extrémités 13, 15, de manière à compenser l'usure des électrodes. La commande 35 est programmée pour réaliser le pilotage de la tension en fonction de l'écartement des électrodes pendant la durée de vie du système, de manière adaptative. [0106] Les première et seconde électrodes 9, 11 ont été décrites comme ayant chacune la forme d'une tige. En variante, la première électrode est une électrode centrale en forme de tige, et la seconde électrode est une électrode périphérique en couronne, créant un cylindre » de plasma. 11