Brevet FR3098855A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : Dispositif de purification des gaz d'échappement d'un véhicule, ligne d'échappement et procédé de purification des gaz d'échappement associés [0001] La présente invention concerne un dispositif de purification des gaz d'échappement d'un véhicule, le dispositif définissant un passage de circulation des gaz d'échappement configuré pour conduire les gaz d'échappement selon un axe central du passage dans un sens de circulation depuis une extrémité amont du dispositif vers une extrémité aval du dispositif, ledit dispositif comprenant [0002] - une bobine enroulée autour du passage et configurée pour générer un champ élec- tromagnétique ; [0003] - un concentrateur de flux magnétique, entourant la bobine, le concentrateur de flux magnétique étant configuré pour conduire le champ électromagnétique généré par la bobine ; [0004] - un substrat de purification des gaz d'échappement s'étendant dans le passage, le substrat comprenant d'un matériau ferromagnétique et étant adapté pour être chauffé par induction du champ électromagnétique généré par la bobine ; et [0005] - un organe d'obturation mobile entre une position d'obturation dans laquelle l'organe d'obturation est adapté pour bloquer au moins partiellement la circulation des gaz d'échappement, et une position de circulation des gaz d'échappement. [0006] Les lignes d'échappement de véhicules équipés de moteurs thermiques comportent typiquement des dispositifs de purification catalytiques, permettant par exemple de convertir les NOx, le CO et les hydrocarbures en N2, CO, et H2O. De tels organes ne sont efficaces que quand le matériau catalytique se trouve à une température minimum. [0007] Pour remédier à ce problème, il a été proposé de réaliser le substrat des dispositifs de purification dans un matériau ferromagnétique et de chauffer le substrat par induction à l'aide d'une bobine et d'un concentrateur de flux magnétique entourant la bobine. [0008] Toutefois, un tel dispositif ne donne pas entière satisfaction puisque le champ ma- gnétique induit par la bobine dans le substrat est mal réparti au sein du substrat et génère par conséquent un chauffage inhomogène, dégradant les performances du catalytiques du substrat. [0009] Un premier objectif de l'invention est ainsi d'améliorer la répartition du champ ma- gnétique dans le substrat afin d'obtenir des performances accrues du dispositif de purification. Un deuxième objectif est d'atteindre le premier objectif tout en minimisant les pertes de charge. [0010] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de purification du type précité ca- 2 ractérisé en ce que le substrat est tubulaire et définit intérieurement une lumière de passage des gaz d'échappement [0011] Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif de purification présente également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : [0012] - l'organe d'obturation est configure pour obturer complètement la lumière de passage des gaz d'échappement dans sa position d'obturation ; [0013] - le rapport de la section de lumière sur la section de substrat est compris entre 16% et 55% ; [0014] - le dispositif de purification comprend un manchon rigide placé entre le substrat et le concentrateur de flux magnétique et connectant le substrat au concentrateur de flux magnétique le manchon étant fixé d'une part au substrat et d'autre part au concentrateur de flux magnétique ; [0015] - le dispositif de purification comprend une nappe de maintien et un tube de renfort, le tube de renfort étant fixé dans la nappe de maintien, la nappe de maintien et le tube de renfort étant placés entre le substrat et le concentratcur de flux magnétique et connectant le substrat au concentratcur de flux magnétique, la nappe de maintien étant fixée au concentrateur de flux magnétique et le tube de renfort étant fixé au substrat ; [0016] - l'organe d'obturation obture une extrémité amont de la lumière de passage ; et [0017] - l'organe d'obturation obture une extrémité aval de la lumière de passage. [0018] L'invention concerne également une ligne d'échappement d'un véhicule comprenant un dispositif de purification des gaz d'échappement d'un véhicule tel que précité. [0019] Avantageusement, la ligne d'échappement comprend un catalyseur aval en aval du dispositif de purification des gaz d'échappements, le passage du dispositif de purification des gaz d'échappements débouchant dans le catalyseur aval. [0020] L'invention se rapport en outre à un véhicule comprenant une ligne d'échappement telle que précitée. [0021] Avantageusement, l'invention se rapporte à un procédé de purification des gaz d'échappement d'un véhicule par une ligne d'échappement tel que précité, comprenant les étapes suivantes : [0022] - démarrage d'un moteur générant des gaz d'échappements circulant dans le passage; [0023] - chauffage du substrat par induction du champ électromagnétique généré par la bobine ; [0024] - maintien de l'organe d'obturation en position fermée et chauffage des gaz d'échappement au travers du substrat jusqu'à ce que la température du catalyseur aval atteigne une consigne de température ; et [0025] - lorsque la température du catalyseur aval a atteint la consigne de température, ouverture de l'organe d'obturation puis maintien de l'organe d'obturation en position 3 ouverte et circulation des gaz d'échappement dans la lumière. [0026] Le procédé selon l'invention est en outre avantageusement caractérisé en cc que la température consigne est comprise entre 300°C et 450°C, la température consigne étant avantageusement autour de 400°C. [0027] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : [0028] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique prise en coupe suivant un plan vertical médian d'une ligne d'échappement comprenant un dispositif de purification selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et [0029] [fig.2] la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'une ligne d'échappement comprenant un dispositif de purification selon un deuxième mode de réalisation de l' invention. [0030] Dans la suite de la description, on entend par « une température autour de » une tem- pérature comprise sur une plage de plus ou moins 10°C autour de la température citée. [0031] Une ligne d'échappement 1, représentée sur la figure 1, est adaptée pour être implantée à bord d'un véhicule, typiquement d'un véhicule équipé d'un moteur thermique. Ce véhicule est typiquement un véhicule automobile, par exemple une voiture ou un camion. [0032] Comme visible sur la figure 1, la ligne d'échappement comprend un conduit 4 dans lequel est installé un catalyseur aval 6 et un dispositif 8 de purification des gaz d'échappement, en amont du catalyseur aval 6. [0033] Le conduit 4 s'étend autour du dispositif 8 de purification des gaz d'échappement et du catalyseur aval 6 et entre le dispositif 8 de purification des gaz d'échappement et le catalyseur aval 6. 11 connecte tluidiquement le dispositif 8 au catalyseur aval 6. [0034] Le conduit 4 comporte par exemple une succession de tronçons cylindriques et/ou tronconiques et est adapté pour conduire les gaz d'échappement depuis le dispositif 1 vers le catalyseur aval 6. [0035] Le conduit 4 maintient par exemple le catalyseur aval 6 et le dispositif 8 en position. [0036] Le catalyseur aval 6 est adapté pour traiter les gaz d'échappement sortant du dispositif 8, le dispositif 8 débouchant sur le catalyseur aval 6. [0037] Le catalyseur aval 6 est par exemple un catalyseur connu de l'état de la technique, notamment du type comportant un substrat de catalyse céramique ou en un matériau ferromagnétique et dont le substrat obture complètement le conduit 4. [0038] Comme visible sur la figure 1, le dispositif 8 définit un passage 10 de circulation des gaz d'échappement. Le passage 10 s'étend selon un axe longitudinal D-D'. Un sens de circulation des gaz d'échappement est orienté depuis une extrémité amont 12 du dispositif 8 vers une extrémité aval 14 du dispositif 8. Le passage 10 est configuré pour conduire les gaz d'échappement, notamment générés par le moteur thermique, selon l'axe central de passage D-D' et dans le sens de circulation. [0039] Le dispositif 8 comprend un substrat poreux 18 de purification des gaz d'échappement s'étendant dans le passage 10 et définissant une lumière 16 de passage des gaz d'échappement [0040] Le dispositif 8 comprend un organe d'obturation 20 mobile entre une position d'obturation dans laquelle l'organe d'obturation 20 est adapté pour bloquer au moins partiellement la circulation des gaz d'échappement dans la lumière 16, et une position de circulation des gaz d'échappement, dans laquelle l'organe d'obturation 20 est adapté pour laisser circuler les gaz d'échappement dans la lumière 16. [0041] Le dispositif 8 comprend encore une bobine 22 enroulée autour du passage 10 et un concentrateur de flux magnétique 26 entourant la bobine 22. [0042] Le dispositif 8 comprend une nappe de maintien 24, ainsi qu'un tube de renfort 28, Moqué à l'intérieur de la nappe 24. Le concentrateur de flux magnétique 26 entoure la nappe 24 et est solidaire à la nappe 24 et le tube de renfort 28 entoure le substrat 18 et maintien en place le substrat poreux 18. [0043] Le substrat 18 est adapté pour être chauffé par induction du champ électroma- gnétique généré par la bobine 22. [0044] Le substrat 18 comprend par exemple un matériau ferromagnétique. Le substrat 18 comprend avantageusement un revêtement ferromagnétique. En variante, le substrat 18 est constitué d'un matériau ferromagnétique. Le substrat 18 comporte par exemple un ensemble de feuillets métalliques enroulés les uns dans les autres. [0045] Le substrat 18 est adapté pour laisser circuler les gaz d'échappement tout en les traitant. [0046] Le substrat 18 est de forme tubulaire et a, perpendiculairement à l'axe central D-D, une section de substrat 30, correspondant à la surface du substrat, en incluant la lumière 30, perpendiculairement à l'axe central D-D'. La section de substrat 30 est par exemple constante le long de l'axe central D-D'. La section de substrat 30 correspond avantageusement à la section du passage 10. [0047] La lumière 16 a, perpendiculairement à l'axe central D-D', une section de lumière 32, correspondant à la surface de la lumière perpendiculairement à l'axe central D-D'. En d'autres termes, la section de lumière 32 correspond à la section définie par le bord interne du substrat. La section de lumière 32 est par exemple constante le long de l'axe central D-D'. [0048] Le rapport de la section de lumière 32 sur la section de substrat 30 est avanta- geusement compris entre 16% et 55%. [0049] Dans le cas où la lumière 32 et le substrat 32 sont cylindriques, le rapport du diamètre de lumière 32 sur le diamètre de substrat 30 est avantageusement compris entre 40% et 75%. [0050] La longueur du substrat est comprise entre 50 mm et 150 mm. [0051] L'organe d'obturation 20 est mobile entre la position d'obturation, et la position de circulation. [0052] En particulier, l'organe d'obturation 20 est configuré pour obturer complètement la lumière 16 de passage des gaz d'échappement dans sa position d'obturation. En variante, l'organe d'obturation 20 est configuré pour obturer partiellement la lumière 16 de passage des gaz d'échappement dans sa position d'obturation. [0053] L'organe d'obturation 20 comprend avantageusement un volet. Dans l'exemple de la figure 1, l'organe d'obturation 20 est configurée pour obturer une extrémité amont 36 de la lumière de passage 16. [0054] L'organe d'obturation 20 est par exemple mobile entre la position d'obturation et la position de circulation par rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe central D-D'. [0055] L'organe d'obturation est par l'exemple une valve. Dans l'exemple de la figure 1, l'organe d'obturation est une valve de type papillon. [0056] Selon l'exemple de la figure 1, l'organe d'obturation 20 est mobile en rotation autour d'un axe sécant à l'axe central D-D'. L'axe de rotation de l'organe d'obturation 20 passe avantageusement en un axe médian de l'organe d'obturation 20. [0057] La bobine 22 est adaptée pour générer un champ électromagnétique. [0058] Plus particulièrement, dans l'exemple présenté en figure 1, la bobine 22 est enroulée autour de la nappe 24. [0059] Le concentrateur de tlux magnétique 26 est formé, dans l'exemple présenté sur les figures 1 et 2, par une portion amont 38 et une portion aval 40. [0060] Le concentrateur de tlux magnétique 18 comporte un corps tubulaire 42, une collerette amont 44 et une collerette aval 46. [0061] Le concentrateur de tlux magnétique 18 est configuré pour conduire le champ ma- gnétique généré par la bobine 22. [0062] Le corps tubulaire 42 entoure la bobine 22 et connecte la collerette amont 44 à la collerette aval 46. [0063] La collerette amont 44 s'étend radialement vers l'axe central D-D' par rapport au corps tubulaire 42. La collerette amont est située en amont de bobine 22. La collerette amont 44 définit, avec le substrat 18, un entrefer amont 48. [0064] La collerette aval 46 s'étend radialement vers l'axe central D-D' pat- rapport au corps tubulaire 42. La collerette aval 46 est située en aval de la bobine 22. La collerette aval 46 définit, avec le substrat 18, un entrefer aval 50. [0065] La nappe 24 est solidaire d'une part au tube de renfort 28 et d'autre part au concentrateur 26. La nappe 24 s'étend avantageusement entre le tube de renfort 28 et le 6 concentrateur de flux magnétique 26. En particulier, la nappe 24 s'étend au travers de l'entrefer amont 48 et au travers de l'entrefer aval 50. [0066] L'extérieur de la nappe 4 est par exemple fixée au concentrateur 26 dans l'entrefer amont 48 et dans l'entrefer aval 50. [0067] Le tube de renfort 28 est solidaire à l'intérieur de la nappe 24 et entoure le substrat 18. Le tube de renfort 28 définit le passage 10. [0068] Le tube de renfort 28 s'étend dans l'entrefer amont 48 et l'entrefer aval 50. [0069] Le tube de renfort 28 est fixé au substrat 18, par exemple par brasage. Le tube de renfort 28 est avantageusement fixé au substrat dans l'entrefer amont 48 et dans l'entrefer aval 50. [0070] Un procédé de purification des gaz d'échappement d'un véhicule par une ligne d'échappement 1 va maintenant être décrit. [0071] Le démarrage d'un moteur génère tout d'abord des gaz d'échappements. Les gaz d'échappement circulent dans la ligne d'échappement 1 et circulent notamment au travers du dispositif 8 de purification des gaz d'échappement et au travers du catalyseur aval 6. [0072] Plus particulièrement, les gaz d'échappement circulent au travers du passage 10 dans le sens de circulation. [0073] A la suite du démarrage et pendant une durée variant de 10 secondes à 2 minutes, les gaz d'échappement sont froids et ne sont pas correctement traités dans le catalyseur aval 6. [0074] Le substrat 18 est alors chauffé par induction du champ électromagnétique généré par la bobine 22. [0075] L'organe d'obturation 20 est maintenu en position fermée et les gaz circulant dans le passage 10 sont forcés à passer au travers du substrat 18. [0076] Les gaz sont alors chauffés et purifiés au travers du substrat jusqu'à ce que la tem- pérature des gaz d'échappement et du catalyseur aval 6 permettent une purification suffisante des gaz d'échappement dans le catalyseur aval. [0077] En particulier, l'organe d'obturation 20 est maintenu en position fermée jusqu'à ce que la température du catalyseur aval 6 atteigne une consigne de température. [0078] La température consigne est par exemple comprise entre 300°C et 450°C. La tem- pérature consigne est avantageusement autour de 400°C. [0079] Lorsque la température du catalyseur aval 6 atteint la température consigne, l'organe d'obturation 20 est par exemple ouvert et maintenu ouvert jusqu'au prochain démarrage du moteur à froid. La plage de fonctionnement intermédiaire de l'organe d'obturation 20 est permise pour faire la transition et permettre de réduire la perte de charge en cas de forte demande de couple moteur. Les gaz d'échappement circulent alors dans la lumière 16 avant d'être traités par le catalyseur aval 6, dont la température 7 est adaptée au traitement des gaz d'échappement. [0080] L'utilisation d'un substrat 18 annulaire définissant une lumière 16 est particu- lièrement avantageuse puisque le flux magnétique est concentré en périphérie du substrat 18. Ceci assure ainsi des performances accrues du dispositif 8 de purification. L'utilisation de l'organe d'obturation 20 assure par ailleurs la modulation du débit des gaz d'échappement circulant au travers du dispositif 8 de purification et permet ainsi de minimiser les pertes de charge. [0081] Les dimensions du substrat 8 sont particulièrement avantageuses puisqu'elles permettent une purification efficace des gaz d'échappement lorsqu'ils passent au travers du dispositif 8 tout en assurant des pertes de charge minimales lorsque les gaz d'échappement sont libres de passer au travers de la lumière 16. [0082] L'utilisation d'une nappe 24 permet d'assurer l'intégrité structurelle du dispositif 8 tout au long de son utilisation. [0083] La position de l'organe d'obturation 20 obturant l'extrémité amont de la lumière de passage rend possible l'installation du catalyseur aval à proximité de l'extrémité aval 14 sans risque d'interférence. [0084] L'agencement du dispositif 8 en amont du catalyseur aval 6 est particulièrement avantageux puisque le dispositif 8 joue un rôle de pré-catalyseur pour le catalyseur aval 6 et chauffe les gaz d'échappement avant leur entrée dans le catalyseur aval, permettant une purification améliorée. [0085] L'ouverture de l'organe d'obturation lorsque la température du catalyseur aval 6 atteint une consigne de température est particulièrement avantageuse puisqu'elle assure un traitement optimal des gaz d'échappement tout en limitant les pertes de charge. [0086] Sur la figure 2 est montré un second mode de réalisation d'un dispositif de traitement 8 et de la ligne d'échappement 1 qui lui est associée. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation précédemment décrit uniquement par ce qui suit. Les éléments analogues portent les mêmes références. [0087] Le dispositif 1 ne comporte pas de nappe de maintien 4, ni de tube de renfort 28 dans le mode de réalisation présenté en figure 2. [0088] Le dispositif comprend alors dans ce mode de réalisation un manchon rigide 52 placé entre le substrat et le concentrateur 26 et connectant le substrat au concentrateur 26. Le manchon 52 est fixé d'une part au substrat 18 et d'autre part au concentrateur 26. En particulier, le manchon 52 est fixé au concentrateur 26 dans l'entrefer amont 48 et l'entrefer aval 50 et est fixé au substrat par son contour intérieur. Le manchon rigide 52 est avantageusement en céramique. [0089] Ceci simplifie la structure du dispositif 8. [0090] Par ailleurs, dans le mode de réalisation représentée en figure 2, l'organe d'obturation 20 est une valve mobile en rotation autour d'un axe non sécant à l'axe 8 central D-D'. L'axe de rotation de l'organe d'obturation 20 passe avantageusement en périphérie de l'organe d'obturation 20. [0091] Un tel axe de rotation déporté de l'axe central D-D' augmente la section de passage des gaz d'échappement au travers de la lumière 16. [0092] La figure 2 illustre aussi un dispositif dans lequel l'organe d'obturation obture unc extrémité aval 54 de la lumière de passage 16. Ceci est particulièrement avantageux pour l'installation d'organes variés en amont du dispositif 8. 9 [Revendication 1] REVENDICATIONSDispositif (8) de purification des gaz d'échappement d'un véhicule, le dispositif définissant un passage (10) de circulation des gaz d'échappement configuré pour conduire les gaz d'échappement selon un axe central du passage (D-D') dans un sens de circulation depuis une extrémité amont (12) du dispositif (8) vers une extrémité aval (14) du dispositif (8), ledit dispositif (8) comprenant : - une bobine (22) enroulée autour du passage (10) et configurée pour générer un champ électromagnétique ; - un concentrateur de flux magnétique (26), entourant la bobine (22), le concentrateur de flux magnétique (26) étant configuré pour conduire le champ électromagnétique généré par la bobine (22) ; un substrat (18) de purification des gaz d'échappement s'étendant dans le passage (10), le substrat (18) comprenant d'un matériau ferromagnétique et étant adapté pour être chauffé par induction du champ électromagnétique généré par la bobine (22) ; et un organe d'obturation (20) mobile entre une position d'obturation dans laquelle l'organe d'obturation (20) est adapté pour bloquer au moins partiellement la circulation des gaz d'échappement, et une position de circulation des gaz d'échappement, caractérisé en cc que, le substrat (18) est tubulaire et définit intérieurement une lumière (16) de passage des gaz d'échappement. [Revendication 2] Dispositif (8) selon la revendication 1, dans lequel l'organe d'obturation (20) est configuré pour obturer complètement la lumière (16) de passage des gaz d'échappement dans sa position d'obturation. [Revendication 3] Dispositif (8) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le rapport de la section de lumière (32) sur la section de substrat (30) est compris entre 16% et 55%. [Revendication 4] Dispositif (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un manchon rigide (52) placé entre le substrat (18) et le concentrateur de flux magnétique (26) et connectant le substrat (18) au concentrateur de flux magnétique (26), le manchon (52) étant fixé d'une 10 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] part au substrat (18) et d'autre part au concentrateur de flux magnétique (26). Dispositif (8) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une nappe de maintien (24) et un tube de renfort (28), le tuhe de renfort (28) étant fixé dans la nappe de maintien (24), la nappe de maintien (24) et le tube de renfort (28) étant placés entre le substrat (18) et le concentrateur de flux magnétique (26) et connectant le substrat (18) au concentrateur de flux magnétique (26), la nappe de maintien (24) étant fixée au concentratcur de flux magnétique (26) et le tuhe de renfort (28) étant fixé au substrat (18). Dispositif (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe d'obturation (20) obture une extrémité amont (36) de la lumière de passage (16). Dispositif (8) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'organe d'obturation (20) obture une extrémité aval (14) de la lumière de passage (16). Ligne d'échappement (1) d'un véhicule comprenant un dispositif (8) de purification des gaz d'échappement d'un véhicule selon rune quelconque des revendications précédentes. Ligne d'échappement (1) selon la revendication 8, comprenant un catalyseur aval (6) en aval du dispositif (8) de purification des gaz d'échappements, le passage (10) du dispositif (8) de purification des gaz d'échappements débouchant dans le catalyseur aval (6). Véhicule comprenant une ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications 8 ou 9. Procédé de purification des gaz d'échappement d'un véhicule par une ligne d'échappement (1) selon l'une des revendications 8 ou 9, comprenant les étapes suivantes : démarrage d'un moteur générant des gaz d'échappements circulant dans le passage; chauffage du substrat (18) par induction du champ électromagnétique généré par la bobine (22) ; maintien de l'organe d'obturation (20) en position fermée et chauffage des gaz d'échappement au travers du substrat (18) jusqu'à ce que la température du catalyseur aval (6)atteigne une consigne de température ; et lorsque la température du catalyseur aval (6) a atteint la 11 consigne de température, ouverture de l'organe d'obturation (20) puis maintien de l'organe d'obturation (20) en position ouverte et circulation des gaz d'échappement dans la lumière (16). [Revendication 12] Procédé selon la revendication 11, dans lequel la température consigne est comprise entre 300°C et 450°C, la température consigne étant avantageusement autour de 400°C.