Brevet FR3107304A1 — publié le 20210820

La présente invention a pour objet un dispositif catalytique (1) pour traitement de gaz d’échappement de moteur à combustion interne (10), ledit dispositif comprenant : - un catalyseur (11) d’axe principal (X) comportant un bloc monolithique (113) et une grille de chauffage (114) disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement du gaz d’échappement (F) ; - un organe d’injection d’air (110) disposé en amont de la grille de chauffage ; et - une pompe à air (12) fournissant de l’air à l’organe d’injection d’air ; Selon l’invention, l’organe d’injection d’air comprend : - un conduit d’alimentation (111) d’axe longitudinal (L) recevant de l’air de la pompe à air ; et - au moins deux buses de distribution (112) d’air communiquant avec le conduit d’alimentation et disposées en éventail autour du conduit d’alimentation. Figure pour l'abrégé: 3 DISPOSITIF CATALYTIQUE POUR TRAITEMENT DES GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un dispositif catalytique, encore appelé pot catalytique, prévu pour traiter des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne. L’invention concerne plus particulièrement un dispositif catalytique comportant une grille de chauffage permettant de maintenir la température de fonctionnement dudit dispositif à un niveau suffisant pour traiter les gaz d’échappement. Arrière-plan technique Dans le cas des véhicules hybrides équipés à la fois un moteur thermique et un moteur électrique, il est difficile de maintenir le système de dépollution du moteur thermique à une température suffisante pour qu’il conserve une efficacité suffisante de conversion de polluants. En effet, pendant les périodes où le véhicule hybride est motorisé avec uniquement le moteur électrique, le moteur thermique est en arrêt. L’injection du carburant dans le moteur thermique est coupée et la vanne d’air d’admission est complètement fermée. Il n’y a donc plus de flux de gaz d’échappement circulant dans le système de dépollution, et en particulier dans le catalyseur où se produit la conversion des polluants en gaz inoffensifs. La température du catalyseur peut descendre en dessous de sa température minimale d’utilisation pour laquelle l’efficacité de traitement des polluants est au plus basse. Par conséquent, lors du démarrage du véhicule ou lorsque le conducteur change le mode de motorisation électrique au mode de motorisation à combustion interne, il y a donc une première phase pendant laquelle on doit remonter la température du catalyseur pour qu’il fonctionne correctement. Pendant cette phase, le système de dépollution ne traite pas ou traite très peu les polluants. Afin d’écourter cette première phase de réchauffement, le document FR2778206 propose de disposer une grille de chauffage électrique en amont d’un bloc monolithique dans le catalyseur. En outre, une pompe à air est installée de manière à pouvoir envoyer de l’air à travers la grille de chauffage pour que la chaleur se répande vers le bloc monolithique. Toutefois, la solution proposée reste encore perfectible. La première phase de réchauffement est certes réduite, mais elle existe toujours. Ainsi, un objectif de l’invention est de proposer une conception permettant de maintenir la température de fonctionnement du catalyseur de sorte à raccourcir davantage la durée de la première phase de réchauffement, voire à la supprimer. L’invention propose un dispositif catalytique pour traitement de gaz d’échappement de moteur à combustion interne, ledit dispositif comprenant : - un catalyseur d’axe principal X comportant un bloc monolithique et une grille de chauffage disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement du gaz d’échappement; - un organe d’injection d’air disposé en amont de la grille de chauffage ; et - une pompe à air fournissant de l’air à l’organe d’injection d’air. Selon l’invention, l’organe d’injection d’air comprend : - un conduit d’alimentation d’axe longitudinal L recevant de l’air de la pompe à air ; et - au moins deux buses de distribution d’air communiquant avec le conduit d’alimentation et disposées en éventail autour du conduit d’alimentation. Ainsi, grâce aux buses de distribution de l’organe d’injection d’air, l’air provenant de la pompe à air est distribué selon au moins deux directions différentes. Ceci permet à la chaleur émanant de la grille de chauffage de se propager dans deux directions différentes vers le bloc monolithique. L’organe d’injection d’air permet donc un bon arrosage de la grille de chauffage. De cette manière, la chaleur est distribuée à une surface plus large du bloc monolithique et se répand de façon plus uniforme dans ce bloc. De cette manière, la température du catalyseur est montée rapidement à la température souhaitée, notamment à la température minimale d’utilisation. Cette température souhaitée est maintenue jusqu’à après le redémarrage du moteur thermique. La première phase de réchauffement où le traitement des polluants est insatisfaisant n’existe plus ou elle apparaît pendant un très court instant. Selon d’autres caractéristiques de l’invention: - le conduit d’alimentation est orienté transversalement à l’axe principal du catalyseur; - le catalyseur présente une section circulaire; le conduit d’alimentation comprend une portion interne située à l’intérieur du catalyseur et dont la longueur est au moins égale ou supérieure au rayon de la section circulaire du catalyseur; - les buses de distribution sont disposées dans un plan principal P contenant l’axe principal du catalyseur; les buses de distribution sont symétriques l’une par rapport à l’autre par rapport à l’axe principal; - l’organe d’injection d’air comprend plus de deux buses de distribution et qui sont en un nombre pair; les buses de distribution sont symétriques deux par deux par rapport à l’axe principal X - la première buse de distribution et la dernière buse de distribution de l’éventail forment un premier angle compris entre 125° et 180°; - selon les deux aléas précédents, l’écart angulaire entre deux buses de distribution adjacentes est calculé selon la formule β = α/ (N-1), avec N étant le nombre total des buses de distribution; - les buses de distribution présentent les mêmes dimensions; - le conduit d’alimentation et les buses de distribution présentent une forme tubulaire; le rapport entre le diamètre du conduit d’alimentation et le diamètre de chaque buse de distribution est égal ou supérieur à 5; - le conduit d’alimentation et les buses de distribution sont réalisés en une seule pièce. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: – la figure 1 est une représentation schématique d’un moteur à combustion interne associé à un circuit d’admission et à un circuit d’échappement ; – la figure 2 est une vue schématique de côté d’un catalyseur faisant partie d’un dispositif catalytique réalisé selon un exemple de l’invention; ce dispositif catalytique étant compris dans le circuit d’échappement illustré à la figure 1; – la figure 3 est unevue schématique de dessus du catalyseur de la figure 2. Description détaillée de l'invention La figure 1 représente un moteur à combustion interne 10, encore appelé moteur thermique, qui comporte ici quatre cylindres en ligne. Précisément, le moteur 10 dans l’exemple est un moteur à essence qui peut fonctionner en régime de suralimentation grâce à un turbocompresseur 40. En outre, le moteur 10 est associé à un circuit d’admission d’air 20 qui comporte d’amont en aval selon le sens de circulation de l’air d’admission illustré par la flèche D sur la figure 1: - un filtre à air 21; - un débitmètre 22 pour mesurer le débit massique d’air entrant dans le moteur ; - le compresseur 41 du turbocompresseur 40 ; - un refroidisseur 23 d’air suralimenté qui refroidit l’air dont la température a augmenté à cause de sa compression dans le compresseur 41; - un boîtier-papillon 24 qui permet de régler le débit d’air entrant dans le moteur; et - un collecteur d’admission 25 ou répartiteur 25, qui répartit l’air dans les cylindres. Le moteur 10 est associé également à un circuit d’échappement 30 qui comporte d’amont en aval selon le sens de circulation des gaz d’échappement F: - un collecteur d’échappement 11 ; - une turbine 42 du turbocompresseur 40, qui est montée sur un axe commun avec le compresseur et qui permet en détendant les gaz d’échappement qui la traversent, de prélever de l’énergie sur ces gaz et de la transmettre au compresseur pour comprimer l’air ; - un catalyseur 11 faisant partie d’un dispositif catalytique 1 réalisé selon un exemple de l’invention; - un pot de détente 31; et - un silencieux 32. Ici, les termes «amont» et «aval» sont définis par rapport au sens de circulation soit de l’air d’admission dans le circuit d’admission soit des gaz d’échappement dans le circuit d’échappement. Ici, la turbine 42 est de type à géométrie fixe et associée à un circuit de décharge 35 à l’échappement avec une vanne de décharge 34 (ou vanne « wastegate » en anglais). La vanne de décharge 34 est configurée de sorte que son degré d’ouverture permette à une proportion des gaz d’échappement de contourner la turbine 42. Ainsi, on peut doser la proportion des gaz qui traversent la turbine 42 et donc l’énergie de détente prélevée et la pression de suralimentation. Dans l’exemple illustré à titre non limitatif, le circuit d’échappement 30 comprend également deux circuits de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission 36 et 37. Ces circuits sont encore appelés circuits « EGR » pour «Exhaust Gas Recycling» en anglais. Le premier circuit EGR 36 est un circuit EGR à haute pression qui prélève une partie des gaz d’échappement en un point du circuit d’échappement situé amont de la turbine 42 et qui les renvoie en un point du circuit d’admission situé en aval du compresseur 41. Le deuxième circuit 37 est un circuit EGR à basse pression, qui prélève des gaz d’échappement en un point du circuit d’échappement situé en aval de la turbine 42 et qui les renvoie en un point du circuit d’admission situé en amont du compresseur 41. L’intérêt de ces circuits EGR est bien connu pour diminuer les oxydes d’azote (NOx) dans le cas d’un moteur Diesel et pour diluer la charge, repousser la limite au cliquetis, et diminuer ainsi la consommation de carburant dans le cas d’un moteur à essence. Le moteur 10 est associé en outre à une machine électrique (non représentée sur les figures). Il peut s’agir d’une architecture en série ou en parallèle, dans laquelle l’entraînement du véhicule peut être assuré par le moteur thermique 10 et/ou par la machine électrique. Ces architectures sont bien connues de l’homme de métier et ne seront pas décrites plus en détail. Selon l’invention et comme dans l’exemple illustré, le circuit d’échappement 30 comprend un dispositif catalytique 1 conçu pour traiter des polluants, par exemple de l’hydrocarbure (HC), du monoxyde de carbone (CO) et des oxydes d’azote (NOx), présents dans les gaz d’échappement. Le dispositif catalytique 1 comprend ici un catalyseur 11 et une pompe à air 12. Cette dernière prélève de l’air d’admission en aval du filtre à air 21 et les envoie dans le catalyseur 11. De cette manière, l’air pompé au catalyseur 11 est filtré et exempt de particules ou de poussières. A part sa fonction de fournisseur d’air au catalyseur 11, la pompe à air 12 peut être également utilisée pour apporter un complément d’oxygène aux gaz d’échappement entrant dans le catalyseur afin d’ajuster la richesse du mélange des gaz d’échappement à une valeur proche de 1, la valeur pour laquelle le traitement des polluants est le plus optimal. Ici, le catalyseur 11 comprend un corps tubulaire 115 d’axe principal X et qui est raccordé à un conduit d’échappement du circuit d’échappement 30. Dans l’exemple illustré, le corps tubulaire 115 comprend un premier tronçon tronconique 115a suivi par un deuxième tronçon cylindrique 115b. Le corps tubulaire 115 abrite un bloc monolithique 113, de préférence de structure alvéolaire et imprégné de matériaux précieux tels que le platine, le palladium, le rhodium. Entre outre, dans le corps tubulaire 115, une grille de chauffage électrique 114 est disposée en amont du bloc monolithique 113 dans le sens de circulation des gaz d’échappement F. Ici, le bloc monolithique 113 et la grille de chauffage 114 sont tous les deux situés dans le deuxième tronçon cylindrique 115b du corps tubulaire 115. Selon l’invention et comme dans l’exemple illustré, le dispositif catalytique 1 comprend un organe d’injection d’air 110 installé en amont de la grille de chauffage 114. Plus précisément, l’organe d’injection d’air 110 est disposé dans le premier tronçon tronconique 115a du corps tubulaire 115. Comme illustré sur les figures 2 et 3, l’organe d’injection d’air 110 comprend un conduit d’alimentation 111 et au moins deux buses d’injection 112. Le conduit d’alimentation 111 reçoit de l’air provenant de la pompe à air 12 et le distribue aux buses d’injection 112. Ici, les buses de distribution 112 sont au nombre de six. Dans les autres modes de réalisation, le nombre de buses de distribution peut être différent de six, mais de préférence en nombre pair et supérieur à deux. Dans l’exemple illustré, le conduit d’alimentation 111 et les buses de distribution 112 sont réalisés en un seul bloc. Alternativement, les buses de distribution 112 peuvent être attachées au conduit d’alimentation 111 par des moyens adaptés tels que par soudage ou par collage. Dans ce cas, des orifices traversants sont pratiqués sur le conduit d’alimentation pour recevoir les buses de distribution 112. Sur la figure 2, on peut observer que le conduit d’alimentation 111 s’étend perpendiculairement à l’axe principal X du corps tubulaire 115. Ici, le conduit d’alimentation 111 s’étend de la paroi latérale du corps tubulaire 115 jusqu’au centre dudit corps. Décrit autrement, le conduit d’alimentation 111 est orienté de façon que son axe longitudinal L soit perpendiculaire à l’axe principal X du conduit tubulaire 115. Ici, la longueur du conduit d’alimentation 111 est légèrement supérieure au rayon du corps tubulaire 115 au niveau du premier tronçon tronconique 115a de sorte qu’une extrémité libre du conduit d’alimentation 111 dépasse légèrement l’axe principal X. Les buses d’injection 112 sont placées perpendiculairement au conduit d’alimentation 111 et se trouvent dans un même plan principal P passant par l’axe principal X. Les buses d’injection 112 sont situées à une distance E de la grille de chauffage 114. De manière optionnelle, le rapport entre la distance E et le diamètre D du corps tubulaire 115 est compris entre 0,4 et 0,6. Dans cet exemple, le conduit d’alimentation 111 et les buses d’injection 112 sont cylindriques. Le conduit d’alimentation 111 présente un diamètre c tandis que les buses d’injection 112 présentent le même diamètre d. A titre d’exemple, le rapport entre le diamètre c du conduit d’alimentation 111 et le diamètre d de chacune des buses d’injection est égal à 5. Egalement à titre d’exemple, le diamètre d de chacune des buses d’injection est compris entre 2 mm et 4 mm. En outre, comme illustré sur la figure 3, les buses d’injection 112 sont disposées en éventail autour du conduit d’alimentation 111 de façon qu’au moins une ouverture de buse d’injection par laquelle l’air s’échappe soit disposée face à la grille de chauffage. En d’autres termes, les buses d’injection 112 convergent toutes vers le centre de la section circulaire du conduit d’alimentation 111. Ici, les buses d’injection 112 sont symétriques deux par deux par rapport à l’axe principal X. Ici, la première buse de distribution 112a et la dernière buse de distribution 112b de la série de buses en éventail forment un premier angle α. A titre d’exemple, le premier angle α est compris entre 125° et 180°. En outre, les buses de distribution 112 sont réparties de façon équiangulaire autour de l’axe longitudinal L du conduit d’alimentation 111. Autrement dit, on a le même écart angulaire entre les buses de distribution adjacentes, et ce dans toute la série de buses. Dans cet exemple, deux buses de distribution adjacentes présentent un écart angulaire β qui est obtenu par la formule: β = α/ (N-1) avec N étant le nombre total des buses de distribution. A titre d’exemple, N est compris entre 3 et 8. Le dispositif catalytique 1 tel que décrit permet, lors de son fonctionnement, d’envoyer de l’air à travers la grille de chauffage 114 pour faire propager de la chaleur de manière plus rapide et uniforme vers le bloc monolithique 113. Ceci permet de garder le bloc monolithique 113 à une température minimale de fonctionnement afin de ne pas avoir de phase pendant laquelle très peu de polluants sont traités, voire aucun polluant n’est traité. Dispositif catalytique (1) pour traitement de gaz d’échappement de moteur à combustion interne (10), ledit dispositif comprenant: - un catalyseur (11) d’axe principal (X) comportant un bloc monolithique (113) et une grille de chauffage (114) disposée en amont du bloc monolithique dans le sens d’écoulement du gaz d’échappement (F); - un organe d’injection d’air (110) disposé en amont de la grille de chauffage; et - une pompe à air (12) fournissant de l’air à l’organe d’injection d’air; le dispositif catalytique étant caractérisé en ce que l’organe d’injection d’air comprend: - un conduit d’alimentation (111) d’axe longitudinal (L) recevant de l’air de la pompe à air; et - au moins deux buses de distribution (112) d’air communiquant avec le conduit d’alimentation et disposées en éventail autour du conduit d’alimentation. Dispositif catalytique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d’alimentation (111) est orienté transversalement à l’axe principal (X) du catalyseur (11). Dispositif catalytique selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisé en ce que le catalyseur (11) présente une section circulaire, et en ce que le conduit d’alimentation (111) comprend une portion interne située à l’intérieur du catalyseur (11) et dont la longueur est au moins égale ou supérieure au rayon de la section circulaire du catalyseur (11). Dispositif catalytique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les buses de distribution (112) sont disposées dans un plan principal (P) contenant l’axe principal X du catalyseur (11), et en ce que les buses de distribution (112) sont symétriques l’une par rapport à l’autre par rapport à l’axe principal (X). Dispositif catalytique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’organe d’injection d’air (11) comprend plus de deux buses de distribution (112) qui sont en un nombre pair, et en ce que les buses de distribution sont symétriques deux par deux par rapport à l’axe principal X. Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première buse de distribution (112a) et la dernière buse de distribution (112b) de l’éventail forment un premier angle (α) compris entre 125° et 180°. Dispositif catalytique (1) selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce que l’écart angulaire (β) entre deux buses de distribution (112) adjacentes est calculé selon la formule β = α/ (N-1), avec N étant le nombre total des buses de distribution. Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les buses de distribution (112) présentent les mêmes dimensions. Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d’alimentation (111) et les buses de distribution (112) présentent une forme tubulaire, et en ce que le rapport entre le diamètre (c) du conduit d’alimentation (111) et le diamètre (d) de chaque buse de distribution (112) est égal ou supérieur à 5. Dispositif catalytique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d’alimentation (111) et les buses de distribution (112) sont réalisés en une seule pièce.