Brevet FR3106618A1 — publié le 20210730

L’invention concerne une ligne d’échappement des gaz pour un moteur thermique, comportant un système de dépollution (2) présentant de manière successive au moins un catalyseur (22) et un filtre à particules (23), caractérisé en ce qu’elle comporte un système de préchauffage du système de dépollution (2), configuré pour être actionné avant le démarrage du moteur thermique, ledit système comprenant une ligne de dérivation (3) comprenant un piquage de prélèvement (31) des gaz ménagé en aval du système de dépollution (2) et un piquage d’injection (32) ménagé en amont du système de dépollution (2), une pompe à air (4), un clapet (5) ménagé dans la ligne de dérivation (3) ainsi que des moyens de chauffage des gaz circulant dans la ligne de dérivation (3). Figure 1 LIGNE D’ECHAPPEMENT DE MOTEUR THERMIQUE COMPRENANT UN SYSTEME DE DEPOLLUTION ET UN SYSTEME DE PRECHAUFFAGE DUDIT SYSTEME DE DEPOLLUTION La présente invention concerne une ligne d'échappement de moteur thermique, essence ou Diesel, conventionnels ou hybrides, comprenant un système de dépollution présentant notamment un élément de chauffage en amont d’éléments de dépollution, l'amont étant pris en référence par rapport au moteur thermique et à l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne, ainsi qu’un système permettant un préchauffage dudit système de dépollution. Le domaine concerné par la présente invention est le domaine du contrôle des émissions polluantes et plus précisément le contrôle des émissions des moteurs thermiques à essence ou à mélange contenant de l'essence, ou Diesel ou fonctionnant au gazole, les éléments de dépollution présents dans la ligne d'échappement pouvant ne pas être les mêmes et être spécifiquement adaptés à la motorisation. Ainsi, le système de dépollution varie selon la motorisation mais dans tous les cas les catalyseurs sont la base de ces systèmes. Pour les moteurs essence, la dépollution est réalisée par un catalyseur, dit 3 voies connu sous l’acronyme anglo-saxon TWC (Three Way catalytic Converter) et un filtre en particules (FAP) encore connu sous l’acronyme anglo-saxon GPF (Gasoline Particulate Filter). Pour les véhicules diesel, la dépollution est réalisée par une série de catalyseurs, un exemple est un catalyseur d’oxydation connu sous l’acronyme anglais DOC (Diesel Oxidation Catalyst), suivi par un catalyseur de réduction sélective connu sous l’acronyme SCR et par un filtre à particules (FAP). Ces catalyseurs nécessitent d’être à une certaine température pour être efficaces. Cette montée en température, est générée par la température des gaz d’échappement ou par un équipement extérieur tel qu’un chauffage électrique, et est plus ou moins rapide selon la technologie retenue pour le substrat du catalyseur ou les équipements extérieurs. De nos jours, les limites d'émissions polluantes autorisées sont de plus en plus sévères. Une procédure d'essai mondiale harmonisée pour les voitures particulières et véhicules utilitaires légers a été mise en place et comprend un ensemble de procédures de test, comportant des cycles de conduite automobile connus sous l'appellation anglosaxonne de WLTC avec de nouvelles procédures de mesure des polluants ainsi que des mesures d'émission en conduite réelle connues sous la dénomination de RDE. Cette nouvelle procédure d'essai exige de la part des constructeurs automobiles de dépolluer les moteurs sur tout le champ moteur. Ainsi, en prenant l'exemple non limitatif de la dépollution en oxydes d'azote pour illustration, l'abaissement des seuils de rejet d'oxydes d'azote, ci-après dénommés aussi sous leur formule chimique de NOx, en milieu urbain après démarrage à froid impose des solutions de chauffe du système de dépollution en NOx très rapide afin de diminuer le temps de mise en action. On a donc proposé dans FR-A-3081921 une ligne d’échappement dans laquelle un élément de chauffage permet de chauffer les gaz entrant dans la ligne d’échappement en amont du dispositif de dépollution prévu dans ladite ligne. On peut ainsi chauffer les éléments constituant le dispositif de dépollution au plus tôt même lorsque le moteur thermique ne peut pas encore activer le mode de combustion de chauffe spécifique afin de minimiser le temps d’amorçage du dispositif de dépollution en milieu froid donc urbain. Dans FR-A-3028286, on a proposé un dispositif de traitement de gaz d'échappement de véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement, un catalyseur de réduction d'oxydes d'azote disposé sur la ligne d'échappement, puis un catalyseur SCR pour un moteur Diesel et un filtre à particules et une ligne de dérivation d'au moins une partie des gaz d'échappement hors de la ligne d'échappement. Cette ligne de dérivation comprend deux piquages sur la ligne d'échappement dont un piquage de prélèvement de gaz d'échappement en aval du filtre à particules et un piquage de retour de gaz d'échappement en aval du catalyseur de réduction d‘oxydes d’azote et en amont du catalyseur SCR. Cette ligne de dérivation comprend un dispositif de décomposition d'agent réducteur d'oxydes d'azote en ammoniac, les gaz d’échappement prélevés sont mélangés à de l’urée injectée dans le dispositif de décomposition, la température de ces gaz permettant de réchauffer le catalyseur du dispositif de décomposition qui est par ailleurs réchauffer à l’aide d’un réchauffeur électrique permettant de porter rapidement le catalyseur à sa température de fonctionnement au plus vite au démarrage du véhicule. Toutefois, ceci ne vaut que lorsque le moteur a déjà démarré pour améliorer la montée en température du dispositif de dépollution et demande encore un temps de mise en œuvre plus ou moins rapide après démarrage du moteur. De même, dans EP 0460542, on propose une ligne d’échappement présentant deux convertisseurs successifs et une ligne de dérivation permet de faire repasser les gaz dans le premier convertisseur après passage au travers du second tant que celui-ci n’a pas atteint une température de traitement efficace. On évite ainsi que des gaz soient expulsés à l’extérieur alors que le second convertisseur n’est pas suffisamment efficace dans leur traitement. Comme déjà évoqué, les catalyseurs doivent devenir de plus en plus performants pour répondre aux normes d’émissions qui deviennent très sévères. Un objectif principal de l’invention est de proposer une ligne d’échappement dans laquelle on contribue à la diminution des émissions polluantes au démarrage moteur correspondant à la phase de chauffage des éléments du dispositif de dépollution tout en diminuant la consommation du carburant par rapport au système classique de préchauffage avec pompe à air. La présente invention a donc pour but de proposer une ligne d’échappement dans laquelle on réduit encore le temps nécessaire à la montée en température des catalyseurs. A cet effet, l’invention a pour objet une ligne d’échappement des gaz pour un moteur thermique, comportant : un système de dépollution présentant de manière successive -au moins un catalyseur et -un filtre à particules, caractérisé en ce qu’elle comporte en outre un système de préchauffage du système de dépollution, et plus particulièrement du catalyseur, configuré pour être actionné avant le démarrage du moteur thermique, ledit système comprenant une ligne de dérivation comprenant un piquage de prélèvement des gaz ménagé en aval du système de dépollution et un piquage d’injection ménagé en amont du système de dépollution, une pompe à air, un clapet ménagé dans la ligne de dérivation ainsi que des moyens de chauffage des gaz circulant dans la ligne de dérivation. L’invention propose donc une architecture qui permet d’injecter en amont du système de dépollution, des gaz, plus généralement de l’air qui auront été prélevés en aval du système de dépollution et de le recycler pour avoir une augmentation plus rapide de la température du catalyseur du système de dépollution et ce, avant le démarrage du moteur thermique grâce aux moyens de chauffage du système de préchauffage qui sont activés avant le démarrage. Ainsi de manière avantageuse, l’air prélevé dans la ligne d’échappement qui est moins froid que l’air extérieur présente donc une montée en température plus rapide permettant ensuite de chauffer le système de dépollution dans lequel l’air ou les gaz sont réinjectés, ce qui permet de monter également la température du catalyseur, alors même que le moteur thermique n’a pas encore démarré. Le préchauffage du catalyseur permet de réduire significativement les émissions polluantes lors du démarrage du moteur thermique et de l’amorçage du système de dépollution, le catalyseur étant prêt ou presque prêt à fonctionner de manière optimale. Le catalyseur devient ainsi plus performant plus rapidement. Selon une forme de réalisation avantageuse de l’invention, le système de dépollution comporte un élément de chauffage et les moyens de chauffage du système de préchauffage sont constitués dudit l’élément de chauffage de ce système de dépollution. On propose ainsi une ligne d‘échappement permettant un préchauffage du catalyseur efficace et plus économique en utilisant l’élément de chauffage qui est déjà présent dans le système de dépollution. On peut prévoir également des moyens de chauffage présents dans la ligne de dérivation du système de préchauffage. De manière avantageuse, la ligne de dérivation associée au système de dépollution permet de mettre en place une boucle de circulation fermée des gaz, ceux-ci prélevés en aval sont ramenés en amont du système de dépollution et passent au travers de l’élément de chauffage du système de dépollution qui est activé, chauffent et traversent ensuite le catalyseur qu’ils chauffent également. Celui-ci monte en température de sorte que lorsque le moteur démarre le catalyseur peut remplir sa fonction plus rapidement et efficacement, limitant ainsi la pollution. L’invention concerne également un ensemble d’un moteur thermique du type Diesel ou hybride Diesel et d’une ligne d’échappement selon l’invention, dans laquelle le système de dépollution comprend un catalyseur d’oxydation (DOC) et un catalyseur de réduction sélective (SCR) hybride essence, suivis d’un filtre à particules (FAP). L’invention concerne également un ensemble d’un moteur thermique du type Essence ou hybride essence et d’une ligne d’échappement selon l’invention, dans laquelle le système de dépollution comprend un catalyseur dit trois voies (TWC) suivi d’un filtre à particules (FAP). L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement ou un ensemble d’un moteur thermique et d’une ligne d’échappement selon l’invention. La présente invention concerne également un procédé de dépollution des gaz d’échappement d’un moteur thermique, mis en œuvre sur une ligne d’échappement pour un moteur thermique, comportant un système de dépollution présentant de manière successive au moins un catalyseur et un filtre à particules, caractérisé en ce que le procédé de dépollution comprend une étape de préchauffage du système de dépollution, en particulier du catalyseur, consistant avant le démarrage du moteur à prélever des gaz en aval du système de dépollution pour les faire circuler dans une ligne de dérivation qui débouche ensuite en amont dudit système de dépollution pour les injecter, des moyens de chauffage étant actionnés pour chauffer lesdits gaz injectés qui chauffent ensuite le catalyseur. De manière avantageuse, on peut ainsi diminuer considérablement le temps nécessaire à la montée en efficacité du système de dépollution une fois le moteur démarré et donc les risques d’émanation de substances polluantes. Le préchauffage peut intervenir juste avant le démarrage d’un véhicule suite à un arrêt prolongé et/ou encore lors du redémarrage dans le cadre d’un système de mise en veille du moteur communément appelé « Stop and Start ». D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description illustrée par les dessins annexés, dans lesquels les figures représentent : une vue en perspective latérale d’une ligne d’échappement selon un premier mode de réalisation de l’invention ; et une vue en perspective latérale d’une ligne d’échappement selon un second mode de réalisation de l’invention ; A la figure 1 est représenté une ligne d’échappement 1 pour un moteur thermique à essence M qui comprend un dispositif de dépollution 2. Ce dispositif de dépollution 2 présente, de préférence intégré dans un carter, de manière successive de l’amont vers l’aval dans le sens d’échappement des gaz, un élément de chauffage tel qu’une résistance électrique 21 qu’on appelle catalyseur électrique, un catalyseur trois voies 22 et un filtre à particules 23. La ligne d’échappement 1 comprend également une ligne de dérivation 3 des gaz qui présente un piquage de prélèvement des gaz ou de l’air 31 dans la ligne d’échappement 1 et qui est ménagé en aval du dispositif de dépollution 2. La ligne de dérivation 3 est raccordée à la ligne d’échappement 1 par un deuxième piquage 32 permettant l’injection des gaz ou de l’air et ménagé en amont du dispositif de dépollution 2. La ligne de dérivation 3 comporte en outre une pompe à air 4 qui permet de prélever l’air dans la ligne d’échappement 1 et de le réinjecter, imposant une circulation de l’aval du système de dépollution vers l’amont. Un premier clapet 5 est ménagé dans la ligne de dérivation, de préférence, entre la pompe à air 4 et le piquage d’injection 32. On peut également prévoir un second clapet 6 entre la pompe à air 4 et le piquage de prélèvement 31 (voir la figure 2). Cette pompe à air 4 prélève de l’air en aval du dispositif de dépollution 2 et le réinjecte en amont avant le dispositif de dépollution 2. Le système de préchauffage comprend donc cette ligne de dérivation, la pompe à air et les clapets et présente en outre des moyens de chauffage. De préférence, les moyens de chauffage sont constitués de l’élément de chauffage du système de dépollution ou catalyseur électrique 21. Ainsi, avant le démarrage du moteur, la pompe à air 4 est actionnée, par exemple 10 secondes avant pour prélever l’air dans la ligne d’échappement 1 et le réinjecter en amont du dispositif de dépollution 2. Le catalyseur électrique 21 est activé au même moment et chauffe l’air qui passe au travers pour ensuite être acheminé dans le catalyseur 22. Le catalyseur électrique 21 est donc actif, de préférence avec une puissance de chauffe entre 2 et 4 KW pendant ces 10 secondes afin de réchauffer les gaz et l’air prélevé. L’air circule alors en boucle fermée et de cette manière chauffe le catalyseur trois voies 22. La durée dépend de la température cible du catalyseur 3 voies et de son volume, par exemple 300°C. Lors du démarrage du moteur thermique le ou les clapet (s) se ferme (nt) pour forcer les gaz d’échappement à passer à travers le catalyseur trois voies. Le catalyseur électrique peut rester actif encore quelques secondes ou pas. La recirculation d’air permet de faire passer l’air par le catalyseur électrique à plusieurs reprises (boucle fermée) permettant d’augmenter plus rapidement la température du catalyseur trois voies. Le démarrage du système de préchauffage est déclenché par exemple 10 secondes avant le démarrage du moteur thermique, et dépend de l’application visée. Par exemple, pour les applications de moteurs hybrides, le chauffage à l’aide de l’élément chauffant électrique est déclenché en fonction de l’état de charge appelé SOC (state of charge) de la batterie basse tension (48V) ou haute tension (100V). Pour les véhicules conventionnels c’est-à-dire (100% thermiques, la stratégie est similaire à celle du démarrage des véhicules diesel : une fois le contact mis, le système de préchauffage est déclenché et un voyant indique ensuite le moment pour démarrer. Cette invention permet de : - diminuer les émissions polluantes des véhicules essence ; - diminuer la consommation de carburant. Ligne d’échappement des gaz pour un moteur thermique, comportant : - un système de dépollution (2) présentant de manière successive au moins un catalyseur (22) et un filtre à particules (23), caractérisé en ce qu’elle comporte un système de préchauffage du système de dépollution (2), configuré pour être actionné avant le démarrage du moteur thermique, ledit système comprenant une ligne de dérivation (3) comprenant un piquage de prélèvement (31) des gaz ménagé en aval du système de dépollution (2) et un piquage d’injection (32) ménagé en amont du système de dépollution (2), une pompe à air (4), un clapet (5) ménagé dans la ligne de dérivation (3) ainsi que des moyens de chauffage des gaz circulant dans la ligne de dérivation (3). Ligne d’échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de dépollution (2) comprend un élément de chauffage (21) ménagé en amont d’un catalyseur (22), les moyens de chauffage du système de préchauffage étant constitués par ledit élément de chauffage (21) du système de dépollution. Ligne d’échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’élément de chauffage (21) est constitué d’une résistance électrique. Ligne d’échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance électrique (21) présente une puissance de chauffe entre 2 et 4 KW pendant 10 secondes. Ligne selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ligne de dérivation (3) comprend un deuxième clapet (6) entre le piquage de prélèvement et la pompe à air. Ensemble d’un moteur thermique du type Diesel ou hybride Diesel et d’une ligne d’échappement, caractérisé en ce que la ligne d’échappement est une ligne d’échappement selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le système de dépollution comprend un catalyseur d’oxydation (DOC) et un catalyseur de réduction sélective (SCR) hybride essence, suivis d’un filtre à particules (FAP). Ensemble d’un moteur thermique du type Essence ou hybride essence et d’une ligne d’échappement caractérisé en ce que la ligne d’échappement est une ligne d’échappement selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le système de dépollution comprend un catalyseur dit trois voies (TWC) suivi d’un filtre à particules (FAP). Véhicule automobile à moteur thermique comprenant une ligne d’échappement selon l’une des revendications 1 à 5 ou un ensemble selon la revendication 6 ou 7. Procédé de dépollution des gaz d’échappement d’un moteur thermique, mis en œuvre sur une ligne d’échappement pour un moteur thermique, selon l’une des revendications 1 à 5, comportant un système de dépollution présentant de manière successive un élément de chauffage, au moins un catalyseur et un filtre à particules, caractérisé en ce que le procédé de dépollution comprend une étape de préchauffage du système de dépollution, en particulier du catalyseur, consistant avant le démarrage du moteur à prélever des gaz en aval du système de dépollution pour les faire circuler dans une ligne de dérivation qui débouche ensuite en amont dudit système de dépollution pour les injecter, des moyens de chauffage étant actionnés pour chauffer lesdits gaz injectés qui préchauffent ensuite le catalyseur.