Brevet FR3111386A1 — publié le 20211217

L’invention propose un dispositif de chauffage électrique (1) de catalyseur de gaz d’échappement, le dispositif de chauffage électrique comprenant un manchon et une structure alvéolaire chauffante par circulation de courant électrique, contenue dans le manchon, le dispositif de chauffage électrique étant adapté pour être positionné dans un tronçon d’une conduite (91) de gaz d’échappement en amont d’un catalyseur (90), en occupant intégralement une section transversale dudit tronçon de manière à ce que des gaz d’échappement circulant dans la conduite passent au travers de la matrice alvéolaire avant d’atteindre le catalyseur, le dispositif de chauffage électrique étant caractérisé en ce que la structure alvéolaire chauffante est adaptée pour dissiper une puissance thermique inhomogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement, de sorte que la température des gaz d’échappement en sortie de la structure alvéolaire chauffante soit homogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement. Figure 2 Dispositif de chauffage électrique de catalyseur de gaz d’échappement La présente demande concerne un dispositif de chauffage électrique de catalyseur de gaz d’échappement, positionné en amont du catalyseur dans une conduite d’échappement, et adapté pour chauffer les gaz d’échappement pour les amener à une température efficace de catalyse. Un catalyseur trois voies d’un véhicule essence présente une plage de fonctionnement efficace pour des températures supérieures à 400°C, tandis qu’un système de dépollution de véhicule diésel présente un fonctionnement efficace à partir d’environ 180 °C. Un système de dépollution de véhicule diésel comprend typiquement un catalyseur d’oxydation qui traite les hydrocarbures HC, le monoxyde de carbone CO, un catalyseur de réduction sélective qui traite les oxydes d’azote NOx, et un filtre à particules. Lorsque le moteur démarre à froid, la température des gaz d’échappement est initialement basse et un certain temps est nécessaire pour qu’elle augmente jusqu’à atteindre une valeur de fonctionnement efficace du catalyseur. Ceci implique que pendant toute la période où les gaz d’échappement ont une température trop faible, ces gaz ne sont pas correctement filtrés par le catalyseur. La même problématique existe pour des moteurs diésel qui mettent plus de temps à chauffer que les moteurs à essence, de sorte que si le conducteur circule à faible vitesse, avec un véhicule peu chargé, les gaz d’échappement peuvent rester à une température inférieure à une température efficace de catalyse pendant une durée éventuellement longue. Ce problème de température des gaz d’échappement inférieure à la température efficace peut également se poser si, après un roulage extra-urbain, un retour à un roulage urbain à faible charge est effectué. Egalement pour des véhicules hybrides, le moteur thermique se refroidit lorsque le moteur électrique est en opération assez longtemps, et le même problème de température des gaz d’échappement se pose quand le moteur thermique est redémarré. Pour résoudre ce problème, il est connu de positionner un dispositif de chauffage en amont du catalyseur. Ce dispositif de chauffage peut prendre la forme d’un manchon disposé dans une conduite d’échappement du moteur, et contenant une matrice alvéolaire chauffante dans laquelle les gaz passent pour y être chauffés avant d’atteindre le catalyseur. Un problème lié à ce type de dispositif est que la température des gaz d’échappement en entrée de la matrice, dans une section perpendiculaire à la direction d’écoulement des gaz, n’est pas homogène. En référence à la figure 1 on a représenté schématiquement un système de catalyse de l’art antérieur agencé dans une conduite d’échappement et comprenant un catalyseur C et, en amont de celui-ci, un dispositif de chauffage H. Par exemple et comme représenté sur cette figure, les gaz peuvent être moins chauds en périphérie de la conduite qu’au centre, du fait de l’influence de la température ambiante à l’extérieur de la conduite de gaz, de l’inertie thermique des conduites et de la répartition des gaz en sortie du moteur ou du turbocompresseur. D’autres profils peuvent exister en fonction de la configuration du moteur. Il en résulte un profil de température T également inhomogène en aval du dispositif de chauffage, et de ce fait les gaz d’échappement parvenant au catalyseur peuvent, par endroit, présenter une température inférieure à la température efficace de catalyse malgré le chauffage subi. C’est le cas des zones Z1 et Z2 illustrées de part et d’autre de la zone Zok représentant une zone où la température des gaz d’échappement est supérieure ou égale à la température efficace de catalyse. Résumé L’invention a pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur exposés ci-avant. En particulier, un but de l’invention est de proposer un dispositif de chauffage permettant d’augmenter l’efficacité de filtrage d’un catalyseur et de diminuer les émissions nocives d’un véhicule. A cet égard, l’invention propose un dispositif de chauffage électrique de catalyseur de gaz d’échappement, le dispositif de chauffage électrique comprenant un manchon et une structure alvéolaire chauffante par circulation de courant électrique, contenue dans le manchon, le dispositif de chauffage électrique étant adapté pour être positionné dans un tronçon d’une conduite de gaz d’échappement en amont d’un catalyseur, en occupant intégralement une section transversale dudit tronçon de manière à ce que des gaz d’échappement circulant dans la conduite passent au travers de la matrice alvéolaire avant d’atteindre le catalyseur, le dispositif de chauffage électrique étant caractérisé en ce que la structure alvéolaire chauffante est adaptée pour dissiper une puissance thermique inhomogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement, de sorte que la température des gaz d’échappement en sortie de la structure alvéolaire chauffante soit homogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement. Dans un mode de réalisation, la structure alvéolaire comprend une portion périphérique adaptée pour dissiper une première puissance thermique P1, et une portion centrale adaptée pour dissiper une deuxième puissance thermique P2, et dans lequel la première puissance thermique P1 est supérieure à la deuxième puissance thermique P2. Dans un mode de réalisation, la structure alvéolaire chauffante est composée d’au moins deux matériaux présentant des résistivités électriques différentes. Dans un mode de réalisation, la structure alvéolaire est obtenue par enroulement d’un panneau alvéolaire chauffant autour d’un axe correspondant à la direction de circulation des gaz d’échappement quand le dispositif de chauffage est positionné dans la conduite d’échappement, et dans lequel le panneau alvéolaire présente, le long de cet axe, une dimension variable. Dans un mode de réalisation, le panneau alvéolaire chauffant peut présenter au moins une première portion adaptée pour former, une fois la plaque enroulée, une portion périphérique de la structure alvéolaire, et au moins une deuxième portion adaptée pour former, une fois la plaque enroulée, une portion centrale de la structure alvéolaire, et ladite au moins une première portion présente une dimension inférieure, dans la direction de l’axe d’enroulement, à la dimension de la deuxième portion. Dans un mode de réalisation, le dispositif de chauffage comprend en outre un élément de catalyse disposé dans le manchon, en aval de la structure alvéolaire chauffante par rapport à la direction d’écoulement des gaz d’échappement. Dans un mode de réalisation, l’élément de catalyse est de type catalyseur d’oxydation, LNT, ou trois-voies. L’invention a également pour objet un ensemble de catalyse de gaz d’échappement comprenant au moins un catalyseur et un dispositif de chauffage électrique selon la description qui précède, dans lequel le catalyseur est choisi parmi le groupe consistant en : - un catalyseur de type trois voies, - un catalyseur d’oxydation, - un catalyseur de type LNT, - un catalyseur à réduction sélective. L’invention concerne également un véhicule, comprenant un moteur thermique, une conduite d’échappement de gaz d’échappement produits par combustion dans le moteur thermique, un catalyseur disposé dans la conduite d’échappement, et un dispositif de chauffage électrique selon la description qui précède disposé dans la conduite d’échappement, en amont du catalyseur par rapport à la direction de circulation des gaz d’échappement dans la conduite d’échappement. L’invention concerne enfin une méthode de conception d’un dispositif de chauffage selon la description qui précède, comprenant la mesure d’un profil de température de gaz d’échappement dans une section d’une conduite d’échappement en amont d’un catalyseur, la détermination d’un profil de puissance thermique à dissiper dans une section de la conduite d’échappement en amont du catalyseur pour obtenir un profil constant de températures en entrée du catalyseur, et la définition de zones de la matrice alvéolaire chauffante d’un dispositif de chauffage et de puissance thermique pouvant être dissipée par chaque zone, de manière à ce que le chauffage des gaz d’échappement par la matrice alvéolaire chauffante permette d’obtenir un profil de température constant des gaz d’échappement en entrée du catalyseur. L’invention proposée permet de d’obtenir, en entrée de catalyseur, un profil de température des gaz d’échappement homogène, permettant que les gaz d’échappement soient à la température efficace de fonctionnement du catalyseur dans toute la section de la conduite d’échappement, ce qui permet donc d’améliorer l’efficacité de la catalyse. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 , déjà décrite, représente schématiquement un système de catalyse selon l’art antérieur. Fig. 2 représente schématiquement un système de catalyse selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 3 représente un exemple de dispositif de chauffage. Fig. 4a représente schématiquement un exemple de structure d’un dispositif de chauffage Fig. 4b représente schématiquement un autre exemple de dispositif de chauffage. Fig. 5 représente schématiquement les principales étapes de mise en œuvre d’un procédé de conception d’un dispositif de chauffage selon un mode de réalisation de l’invention. En référence à la figure 2, on va maintenant décrire un dispositif de chauffage électrique 1, faisant partie d’un ensemble 9 de catalyse de véhicule comprenant un moteur thermique (non représenté), le moteur thermique étant du type essence ou diesel. L’ensemble de catalyse comprend un catalyseur 90 disposé dans une conduite d’échappement 91 de gaz générés par combustion dans le moteur, et adapté pour filtrer les gaz d’échappement avant leur rejet dans l’atmosphère. En fonction de la nature du moteur, le catalyseur peut être de type catalyseur trois voies (typiquement pour les moteurs à essence), qui réalise une réduction des oxydes d’azote, une oxydation des monoxydes de carbone, et une oxydation des hydrocarbures imbrulés. Il peut s’agir également d’un catalyseur d’oxydation (DOC) de CO et HC, ou d’un catalyseur de type LNT (acronyme anglais pour Lean Nox trap) qui est à la fois un catalyseur d’oxydation et un catalyseur de stockage et de réduction des NOx, ou un catalyseur de réduction sélective, ou un ensemble comprenant un catalyseur d’oxydation suivi d’un catalyseur de réduction sélective, etc. Le dispositif de chauffage électrique 1 est disposé dans la conduite d’échappement 91, en amont du catalyseur 90, c’est-à-dire entre la sortie du moteur et l’entrée du catalyseur. En référence à la figure 3, le dispositif de chauffage électrique 1 comprend un manchon cylindrique 10 et une structure alvéolaire chauffante 20 par circulation de courant électrique contenue dans le manchon. Le diamètre externe du manchon cylindrique 10 peut correspondre au diamètre interne de la conduite d’échappement 91 de sorte que le dispositif de chauffage puisse être positionné dans un tronçon de la conduite de gaz d’échappement 91 en occupant intégralement une section transversale dudit tronçon. Ainsi, les gaz produits par le manchon passent nécessairement au travers de la structure alvéolaire chauffante 20 avant de parvenir au catalyseur. Le dispositif de chauffage comprend également un dispositif de support de la structure alvéolaire chauffante dans le manchon, comprenant par exemple une structure de support 19 logée dans le manchon 10, par exemple en aval de la structure alvéolaire chauffante, et des plots de maintien 24 maintenant la structure alvéolaire chauffante contre la structure de support. Dans un mode de réalisation, et comme illustré par exemple en figure 3, la structure de support 19 peut présenter une fonction supplémentaire d’élément de catalyse, de sorte que le dispositif de chauffage 1 comprenne un élément de catalyse 19 supplémentaire par rapport au catalyse 90 décrit ci-avant. L’élément de catalyse 19 peut être de type catalyseur d’oxydation (DOC) ou LNT, ou encore catalyseur trois-voies. Dans un mode de réalisation, l’élément de catalyse 19 est du même type que le catalyseur 90 afin d’augmenter l’efficacité de ce type de catalyseur. En variante, il est d’un type différent pour assurer un traitement complémentaire des gaz d’échappement par l’élément de catalyse 19 du dispositif de chauffage électrique 1 et par le catalyseur 90. A titre d’exemple non limitatif, l’élément de catalyse peut être de type trois voies tandis que le catalyseur 90 est à réduction sélective. La structure alvéolaire chauffante 20 peut être obtenue par enroulement, autour d’un axe, qui lorsque le dispositif de chauffage est installé, est parallèle à la direction de déplacement des gaz dans la conduite d’échappement (représenté par la flèche F sur la figure 2), d’un panneau alvéolaire chauffant 21. Le panneau 21, dont des exemples sont représentés en figures 4a et 4b, comprend au moins une matrice alvéolaire 23 métallique, pouvant être rapportée sur une couche support 22 également métallique, voire positionnée entre deux couches support 22. Par matrice alvéolaire 23, on comprend une formation comprenant une pluralité de cellules dans lesquelles les gaz d’échappement peuvent passer, les cellules étant délimitées par des parois métalliques chauffantes lors de la circulation d’un courant électrique. La structure alvéolaire 20 chauffante comprend également des connecteurs électriques 30 permettant de faire circuler un courant au travers de la structure alvéolaire pour la faire chauffer. La structure est agencée de telle sorte qu’une première extrémité de la paroi support métallique soit connectée à un premier connecteur électrique et une deuxième extrémité de la paroi support métallique soit connectée à un deuxième connecteur électrique, de sorte que le courant circule dans l’intégralité de la paroi support métallique et de la matrice alvéolaire montée sur la paroi. La circulation du courant dans la paroi support métallique, et dans la matrice alvéolaire, permet de chauffer les gaz d’échappement par effet Joule. Le manchon peut également comprendre des plots de connexion 31 permettant de recevoir les connecteurs électriques 30 de la structure alvéolaire et les maintenir dans une position fixe, pour qu’ils puissent être connectés à un générateur de courant via des connecteurs appropriés. De retour à la figure 2, la structure alvéolaire 20 est adaptée pour dissiper une puissance thermique inhomogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement, de sorte que la température des gaz d’échappement en sortie du dispositif de chauffage électrique soit homogène dans ladite section, et donc homogène en entrée du catalyseur situé en aval. Avantageusement, le profil de puissance thermique à dissiper par le dispositif de chauffage électrique dans la section transversale de la conduite d’échappement 91 est déterminé en fonction du profil de température des gaz d’échappement en entrée de la structure alvéolaire chauffante, de manière à ce que ce profil soit constant en sortie de la matrice. Selon l’exemple non limitatif représenté en figure 2, le profil de température des gaz en entrée de la structure alvéolaire chauffante est tel que les gaz situés au centre de la conduite d’échappement présentent une température plus élevée que ceux situées en périphérie de la conduite, ceci étant lié à l’influence de la température ambiante sur celle des gaz contenus dans la conduite, l’inertie thermique de la conduite et la répartition des gaz en sortie du moteur ou d’un turbocompresseur du moteur. Dans ce cas, la structure alvéolaire 20 est avantageusement adaptée pour présenter une portion périphérique adaptée pour dissiper une puissance thermique P1, et une portion centrale adaptée pour dissiper une puissance thermique P2, avec P1 supérieure à P2 de manière à rendre constante sur toute la section la température des gaz en sortie. On peut obtenir des portions adaptées pour dissiper des puissances thermiques différentes de différentes façons. Selon un premier exemple, la structure alvéolaire 20 peut comprendre des portions formées de deux matériaux différents, présentant des résistivités électriques différentes. Par exemple, on peut choisir un alliage FeCrAl Y, W.N. 1.1767 de résistivité égale à 1.44 ohm mètre à 20 °C et un alliage Ni70Cr30 W.N. 2.4658 de résistivité égale à 1.19 ohm mètre à 20°C. En variante, et en référence à la figure 4a, la variation de la puissance thermique dissipée par la structure alvéolaire peut être obtenue en modifiant la géométrie du panneau 21 qui est enroulé pour obtenir ladite structure. Avantageusement le panneau 21 présente une dimension d, dans la direction d’écoulement des gaz, qui est variable. Comme représenté schématiquement sur la figure 4a, le courant électrique I circule dans le panneau 21 dans une direction perpendiculaire à un axe X-X (Fig. 4b) d’enroulement du panneau, cet axe étant parallèle à la direction de circulation des gaz. De fait, une distance plus courte dans la direction de circulation des gaz réduit la section de circulation du courant électrique et permet d’augmenter la résistance électrique qui est inversement proportionnelle à la section du panneau traversée par le courant électrique. En augmentant la résistance électrique d’une section de la plaque, on augmente la puissance thermique dissipée par la section. Ainsi, à partir d’un profil de puissance à dissiper requis en fonction d’un profil de température en amont du dispositif de chauffage, et du mode d’enroulement du panneau alvéolaire 21 pour obtenir la structure 20, on peut identifier les zones du panneau dont la géométrie doit être modifiée pour impacter la puissance thermique dissipée. Pour reprendre l’exemple exposé en référence à la figure 2, où les gaz d’échappement en entrée de la structure alvéolaire chauffante présentent en périphérie une température plus faible que la température au centre, une configuration possible du panneau alvéolaire 21, représentée en figure 4b, est de présenter deux portions d’extrémités 210, dans la direction de circulation de courant électrique – c’est-à-dire une direction perpendiculaire à la direction d’écoulement des gaz, présentant une dimension d1 dans la direction d’écoulement des gaz d’échappement, réduite par rapport à la dimension d2 d’une portion centrale 211 située entre les portions d’extrémité. De plus, dans ce cas le panneau alvéolaire est avantageusement enroulé autour d’un axe X-X situé à équidistance des deux extrémités de dimension d1 réduite, de sorte que les portions d’extrémités se trouvent à la périphérie de la structure alvéolaire, comme représenté schématiquement sur la figure 2. Ainsi, les portions d’extrémité peuvent dissiper une puissance thermique P1 plus importante, pour un même courant électrique, que la puissance thermique P2 dissipée par la portion centrale, ce qui permet d’obtenir un profil de température T homogène en aval du dispositif de chauffage, qui est supérieure à la température efficace de catalyse du catalyseur pour toute sa section d’entrée (zone Zok). En référence à la figure 5, on a représenté schématiquement les principales étapes d’une méthode de conception d’un dispositif de chauffage décrit ci-avant, qui comprend une première étape 100 de détermination d’un profil de température de gaz d’échappement dans une section transversale de conduite d’échappement, en amont d’un dispositif de chauffage. Cette étape permet de déterminer les écarts de température que le dispositif de chauffage doit compenser pour amener tous les gaz à une température de fonctionnement du catalyseur/ Une deuxième étape 200 comprend la détermination d’un profil de puissance thermique à dissiper, dans une section de la conduite d’échappement en amont du catalyseur, par la structure alvéolaire chauffante du dispositif de chauffage décrit ci-avant, pour obtenir un profil constant de température en aval. Dans un mode de réalisation, cette détermination peut tenir compte du profil de vitesse des gaz d’échappement dans la conduite, des pertes thermiques, etc... Comme ces paramètres peuvent varier en fonction des conditions du moteur, la détermination peut être mise en œuvre pour différentes conditions de fonctionnement du moteur de manière à générer plusieurs profils de puissance thermique pour un même moteur, et plusieurs conceptions de dispositif de chauffage électrique pour un même moteur, ce qui permet par la suite de choisir les conditions du moteur pour lesquelles le profil de puissance thermique et donc le dispositif de chauffage électrique est optimisé. Enfin, une troisième étape 300 comprend la définition de zones de la structure alvéolaire chauffante, la détermination d’une puissance thermique associée à chaque zone, et le dimensionnement de chaque zone ou la sélection d’un matériau approprié pour obtenir la résistance électrique et la puissance thermique voulue, afin de respecter le profil de puissance thermique déterminé à l’étape 200. Dispositif de chauffage électrique (1) de catalyseur de gaz d’échappement, le dispositif de chauffage électrique comprenant un manchon (10) et une structure alvéolaire chauffante (20) par circulation de courant électrique, contenue dans le manchon (10), le dispositif de chauffage électrique (1) étant adapté pour être positionné dans un tronçon d’une conduite (91) de gaz d’échappement en amont d’un catalyseur (90), en occupant intégralement une section transversale dudit tronçon de manière à ce que des gaz d’échappement circulant dans la conduite passent au travers de la matrice alvéolaire avant d’atteindre le catalyseur, le dispositif de chauffage électrique étant caractérisé en ce que la structure alvéolaire chauffante (20) est adaptée pour dissiper une puissance thermique inhomogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement, de sorte que la température des gaz d’échappement en sortie de la structure alvéolaire chauffante soit homogène dans une section perpendiculaire à la direction de circulation des gaz d’échappement. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, dans lequel la structure alvéolaire (20) comprend une portion périphérique adaptée pour dissiper une première puissance thermique P1, et une portion centrale adaptée pour dissiper une deuxième puissance thermique P2, et dans lequel la première puissance thermique P1 est supérieure à la deuxième puissance thermique P2. Dispositif de chauffage selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la structure alvéolaire chauffante (20) est composée d’au moins deux matériaux présentant des résistivités électriques différentes. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure alvéolaire (20) est obtenue par enroulement d’un panneau (21) alvéolaire chauffant autour d’un axe (X-X) correspondant à la direction de circulation des gaz d’échappement quand le dispositif de chauffage est positionné dans la conduite d’échappement, et dans lequel le panneau (21) alvéolaire présente, le long de cet axe, une dimension (d) variable. Dispositif de chauffage selon la revendication précédente, dans lequel le panneau alvéolaire chauffant présente au moins une première portion (210) adaptée pour former, une fois la plaque enroulée, une portion périphérique de la structure alvéolaire, et au moins une deuxième portion (211) adaptée pour former, une fois la plaque enroulée, une portion centrale de la structure alvéolaire, et ladite au moins une première portion (210) présente une dimension inférieure (d1), dans la direction de l’axe d’enroulement, à la dimension (d2) de la deuxième portion (211). Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un élément de catalyse (19) disposé dans le manchon, en aval de la structure alvéolaire chauffante (20) par rapport à la direction d’écoulement des gaz d’échappement. Dispositif de chauffage selon la revendication précédente, dans lequel l’élément de catalyse (19) est de type catalyseur d’oxydation, LNT, ou trois-voies. Ensemble de catalyse (9) de gaz d’échappement comprenant au moins un catalyseur (90) et un dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le catalyseur est choisi parmi le groupe consistant en : - un catalyseur de type trois voies, - un catalyseur d’oxydation, - un catalyseur de type LNT, - un catalyseur à réduction sélective. Véhicule, comprenant un moteur thermique, une conduite d’échappement de gaz d’échappement (91) produits par combustion dans le moteur thermique, un catalyseur (90) disposé dans la conduite d’échappement, et un dispositif de chauffage électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 disposé dans la conduite d’échappement, en amont du catalyseur par rapport à la direction de circulation des gaz d’échappement dans la conduite d’échappement. Méthode de conception d’un dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant la mesure (100) d’un profil de température de gaz d’échappement dans une section d’une conduite d’échappement en amont d’un catalyseur, la détermination (200) d’un profil de puissance thermique à dissiper dans une section de la conduite d’échappement en amont du catalyseur pour obtenir un profil constant de températures en entrée du catalyseur, et la définition (300) de zones de la matrice alvéolaire chauffante d’un dispositif de chauffage et de puissance thermique pouvant être dissipée par chaque zone, de manière à ce que le chauffage des gaz d’échappement par la matrice alvéolaire chauffante permette d’obtenir un profil de température constant des gaz d’échappement en entrée du catalyseur.