Brevet FR3107727A1 — publié le 20210903

Ligne d’échappement L’invention concerne une ligne (1) d’échappement apte à transporter des gaz d’échappement depuis une entrée (2) connectable à un moteur à explosion jusqu’à une sortie (3) débouchant à l’air libre, comprenant au moins un premier organe de purification (4) disposé à proximité de l’entrée (2), un premier silencieux (7) placé en aval dudit au moins un premier organe de purification (5) et au moins un deuxième organe de purification (5) équipé d’un élément chauffant (6), disposé plus en aval. Figure pour l'abrégé: Figure 1 Ligne d’échappement L’invention concerne le domaine des lignes d’échappement pour moteur à combustion interne et plus particulièrement leurs équipements employés pour filtrer/dépolluer les gaz d’échappement. Il est connu, pour réduire les concentrations d’oxydes d’azote NOx dans des gaz d’échappement, d’équiper la ligne d’échappement d’un organe de purification, par exemple un catalyseur. Un tel catalyseur transforme les NOx en composés non nocifs: N 2 , CO 2 , qui peuvent être relâchés dans l’atmosphère. Pour fonctionner correctement un tel catalyseur doit présenter une température élevée, au moins égale à une température de fonctionnement préférentiellement supérieure à 350 °C. Pour atteindre cette température, un chauffage peut être assuré par les gaz d’échappement eux-mêmes. Aussi pour profiter au mieux de ce chauffage, le catalyseur est placé au plus près du moteur en entrée de la ligne d’échappement. Cependant, au démarrage, les gaz d’échappement ne sont chauds qu’après une phase initiale de chauffe du moteur. Il est connu d’associer le catalyseur à un élément chauffant permettant de chauffer le catalyseur et/ou les gaz d’échappement. Cependant un tel arrangement nécessite d’attendre que le catalyseur soit chaud avant de démarrer le moteur et de plus nécessite un élément chauffant particulier: un élément chauffant statique à induction ou un souffleur. Le temps de chauffage, typiquement de 10 secondes retarde d’autant le démarrage du moteur, et ainsi contribue à dégrader l’expérience utilisateur. Aussi, il est recherché un moyen de réduire ce temps de chauffage. Afin de résoudre ce problème, l’idée de l’invention est de mettre à profit le volume de la ligne d’échappement pour gagner du temps et réduire d’autant le retard au démarrage du moteur. Pour cela, l’invention a pour objet une ligne d’échappement apte à transporter des gaz d’échappement depuis une entrée, connectable à un moteur à explosion, jusqu’à une sortie débouchant à l’air libre, comprenant au moins un premier organe de purifications disposé à proximité de l’entrée, un premier silencieux placé en aval dudit au moins un premier organe de purification et au moins un deuxième organe de purification équipé d’un élément chauffant, disposé plus en aval, préférentiellement à proximité de la sortie Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont: - le deuxième organe de purification est un catalyseur, préférentiellement un catalyseur trois voies, - l’élément chauffant est du type apte à réchauffer les gaz d’échappement et est disposé à l’amont immédiat du deuxième organe de purification, - l’élément chauffant comprend une mousse ou une grille, - le deuxième organe de purification et l’élément chauffant sont intégrés avec le premier silencieux dans une même première enveloppe disposée à proximité de la sortie, - le deuxième organe de purification et l’élément chauffant sont intégrés séparément d’un premier silencieux disposé à proximité de la sortie, préférentiellement à l’aval du premier silencieux, - le deuxième organe de purification est thermiquement isolé, - le premier organe de purification est intégré avec un deuxième silencieux dans une même deuxième enveloppe, - le premier organe de purification est intégré avec ou est remplacé par un premier filtre à particules dans une même deuxième enveloppe, - la ligne comprend encore un troisième silencieux dans une troisième enveloppe disposée en position intermédiaire entre l’entrée et la sortie, - la ligne comprend encore un troisième organe de purification et/ou un deuxième filtre à particules, intégré(s) dans la troisième enveloppe, - le premier organe de purification et/ou le troisième organe de purification est/sont un catalyseur, préférentiellement un catalyseur trois voies et le premier filtre à particules et/ou le deuxième filtre à particules est/sont un filtre à particules essence. Dans un deuxième aspect de l’invention, un véhicule comprend une telle ligne d’échappement. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles : montre un synoptique d’un premier mode de réalisation de l’invention, à [Fig.7] montrent des synoptiques d’autres modes de réalisation de l’invention. En référence à la figure 1, une ligne 1 d’échappement est apte à transporter des gaz d’échappement. Pour cela elle comprend une canalisation reliant une entrée 2, connectable à un moteur à explosion sur sa sortie échappement, à une sortie 3 débouchant à l’air libre. Une telle ligne 1 d’échappement comprend un premier organe de purification 4, tel un catalyseur. Ce premier organe de purification 4 est préférentiellement disposé au plus près de l’entrée 2, afin d’être le plus près du moteur et ainsi profiter de sa chaleur pour atteindre ou dépasser au plus vite sa température de fonctionnement, soit typiquement 350 °C. Afin de pouvoir démarrer le moteur, alors même que le premier organe de purification 4 n’est pas encore chaud, tout en assurant le traitement des NOx dans une optique zéro émission, il est, selon l’invention, tel qu’illustré à la figure 1, ajouté un deuxième organe de purification 5. Ce deuxième organe de purification5 n’étant pas chaud au démarrage est équipé d’un élément chauffant 6. Selon un mode de réalisation, l’élément chauffant 6 est en un matériau électriquement conducteur et perméable au gaz d’échappement. L’élément chauffant 6 peut être sensiblement plat et peu épais. Avantageusement, l’élément chauffant 6 peut présenter la forme d’une plaque. Par «peu épais», on entend que l’épaisseur est comprise entre0,3 mm et 30 mm. Selon un premier mode de réalisation, l’élément chauffant 6 comprend une grille. Son épaisseur est comprise entre 0,3 mm et 10 mm, et préférentiellement entre 0,5 et 2 mm. Selon un deuxième mode de réalisation, l’élément chauffant 6 comprend une mousse ou un nid d’abeille. Son épaisseur est comprise entre 5 mm et 30 mm, et préférentiellement entre 10 mm et 20 mm. L’élément chauffant 6 s’étend typiquement dans un plan sensiblement perpendiculaire à la canalisation formant la ligne d’échappement 1. L’élément chauffant 6 chauffe typiquement par effet Joule. Il comprend un réseau de passages pour les gaz d’échappement, produisant un écoulement turbulent des gaz d’échappement au travers de l’élément chauffant 6. Le matériau constituant l’élément chauffant 6 est typiquement un métal, tel que l’acier inoxydable, un alliage métallique ou une céramique. Par exemple, ce matériau est un alliage de fer, tel que du FeCrAl. Selon une variante, ce matériau est un alliage de nickel ou de cuivre, tel que le NiCr. Selon une autre variante, ce matériau est une céramique en carbure de silicium SiC. L’élément chauffant 6 comprend typiquement une mousse, avec des pores ouverts organisés de manière aléatoire ou régulière. Selon une alternative, l’élément chauffant 6 comprend un treillis de fils métalliques ou une grille, ou un matériau en nid d’abeille. La densité de pores est typiquement comprise entre 5 et 40 ppi (en anglais «pore per inch», soit pores par pouce), soit une densité sensiblement comprise entre 2 et 16 pores par cm. Le matériau présente typiquement une surface développée comprise entre 500 et 5000 m2/m3, préférentiellement comprise entre 1000 et 3000 m2/m3, et encore préférentiellement comprise entre 1500 et 2500 m2/m3. Avantageusement, l’élément chauffant 6 est revêtu d’au moins un revêtement à fonction catalytique permettant de contribuer à la purification des gaz d’échappement. Ce revêtement est prévu pour l’oxydation et/ou la réduction des composés polluants des gaz d’échappement. Il peut être par exemple du même type que ceux utilisés dans les TWC (Three-way Catalyst), DOC (Diesel Oxydation Catalysis), PNA (Passive NOx Absorber), LNT (Lean NOx Trap), SCR (Selective Catalytic Reduction) ou encore pour l’hydrolyse d’un agent réducteur utilisé pour la réduction des oxydes d’azote. Alternativement ou complémentairement, ce revêtement est conçu pour augmenter la rugosité de la surface du matériau, afin de favoriser les turbulences et augmenter les échanges thermiques. Du fait de sa porosité, l’élément chauffant 6 réalise également une fonction de filtre à particules. L’élément chauffant 6 est régénéré à chaque chauffage, les particules de suie piégées étant éliminées par combustion. Avantageusement, l’élément chauffant 6 est réalisé de matière: il est d’une pièce, dans le même matériau. Typiquement, l’élément chauffant 6 est obtenu par découpe d’une plaque d’une seule pièce du matériau électriquement conducteur. Alternativement, l’élément chauffant 6 est obtenu par fonderie, extrusion, frittage, fabrication additive (impression 3D), etc. L’élément chauffant 6 présente une épaisseur comprise entre 2 et 50 mm, préférentiellement comprise entre 5 et 30 mm, et encore préférentiellement comprise entre 10 et 20 mm. En d’autres termes, l’élément chauffant 6 se présente sous la forme d’une tranche de matériau électriquement conducteur, découpée directement à la forme recherchée. Il convient de noter que les gaz d’échappement présents au démarrage dans la ligne d’échappement 1 en aval du premier organe de purification 4 sont «propres» en ce qu’ils ont été traités par le premier organe de purification 4 avant le précédent arrêt du moteur. Aussi, le volume de gaz d’échappement compris entre l’aval du premier organe de purification 4 et l’amont du deuxième organe de purification 5, que l’on convient de nommer volume tampon, est mis à profit pour donner au deuxième organe de purification 5 le temps d’atteindre sa température de fonctionnement. Ainsi, le temps d’expulsion, mis par le moteur pour expulser le volume tampon au-delà du deuxième organe de purification 5 vient en déduction du temps de chauffage nécessaire au deuxième organe de purification 5 pour atteindre sa température de fonctionnement. Le retard au démarrage du moteur devient ainsi égal au temps de chauffage ôté du temps d’expulsion. Pour un moteur présentant une cylindrée d’un litre, en supposant un volume tampon typique de 30 litres, l’expulsion du volume tampon est réalisée en 60 cycles moteur, soit au régime moyen de démarrage, en un temps d’expulsion de 5 secondes. Si le temps de chauffage est suffisamment court ou si le temps d’expulsion est suffisamment long, le retard au démarrage peut avantageusement s’annuler, permettant un démarrage immédiat, dès que le conducteur le demande. Afin de maximiser le volume tampon et donc le temps d’expulsion, de manière à minimiser le retard au démarrage, le deuxième organe de purification 5 est avantageusement disposé à l’aval du premier organe de purification 4 et préférentiellement le plus loin possible du premier organe de purification 4, soit à proximité de la sortie 3. L’élément chauffant 6 est préférentiellement disposé au plus près du deuxième organe de purification 5 afin d’optimiser le chauffage et limiter les pertes thermiques. Selon une autre caractéristique le deuxième organe de purification 5 est un catalyseur, préférentiellement un catalyseur trois voies soit en anglais un «three way catalyst», classiquement abrévié TWC. L’élément chauffant 6 peut être de tout type. Il peut agir en chauffant directement le deuxième organe de purification 5, par tout moyen de chauffage. Il peut encore agir en chauffant les gaz d’échappement avant leur introduction dans le deuxième organe de purification 5. Dans ce cas l’élément chauffant est avantageusement disposé à l’amont du deuxième organe de purification5. Afin de limiter les pertes thermiques, cet amont est préférentiellement immédiat. L’élément chauffant 6 peut être un catalyseur chauffé électriquement, soit en anglais un «electrically heated catalyst», classiquement abrévié EHC. Au démarrage, dans une première phase, les gaz d’échappement nouvellement produits par le moteur poussent les anciens gaz d’échappement «propres» contenus dans le volume tampon. Le chauffage par l’élément chauffant 6 du deuxième organe de purification 5 est débuté de telle manière à ce que le deuxième organe de purification 5 atteigne sa température de fonctionnement au plus tard à la fin de l’expulsion des anciens gaz d’échappement du volume tampon. Dans une deuxième phase, débutant lorsque le deuxième organe de purification 5 atteint sa température de fonctionnement, le deuxième organe de purification 5 traite les nouveaux gaz d’échappement qui font suite au volume tampon. A cet instant, le premier organe de purification 4 n’a vraisemblablement pas atteint sa température de fonctionnement. Le deuxième organe de purification 5 est ainsi le premier organe de purification opérationnel pour traiter les gaz d’échappement. Durant les deux premières phases, les nouveaux gaz d’échappement chauffent le premier organe de purification 4. Une troisième phase débute lorsque le premier organe de purification 4 atteint sa température de fonctionnement et assure alors en principal le traitement des gaz d’échappement. Le rôle du deuxième organe de purification 5 devient alors secondaire, en ce qu’il reçoit des gaz d’échappement déjà traités. Le deuxième organe de purification 5 reste avantageux en ce qu’il permet de traiter des gaz d’échappement excédentaires par rapport à la capacité de traitement du premier organe de purification 4. Ceci peut se produire en cas de très forte charge moteur. La capacité de traitement du deuxième organe de purification 5 peut être utilisée en secours, en cas de défaillance ou de surplus au niveau du premier organe de purification 4. Alternativement cette capacité peut être mise à profit pour réduire la capacité et donc les dimensions du premier organe de purification 4. Une ligne d’échappement 1 est typiquement terminée par un premier silencieux 7, disposé dans une première enveloppe 8, cette première enveloppe 8 étant disposée à proximité de la sortie 3. Aussi, selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la figure 2, cette localisation avantageuse peut être réutilisée en intégrant le deuxième organe de purification 5 et l’élément chauffant 6 avec ce premier silencieux 7, et ce avantageusement au sein de la même première enveloppe 8. Une telle intégration peut être impossible ou difficile du fait de contraintes d’intégration. Aussi, selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la figure 3, le deuxième organe de purification 5 et l’élément chauffant 6 peuvent être intégrés séparément du premier silencieux 7 et au contraire être reliés au premier silencieux 7 par une canalisation. La disposition de l’ensemble deuxième organe de purification 5 et élément chauffant 6 relativement au premier silencieux 7 peut être quelconque. Cependant, afin de maximiser le volume tampon, l’ensemble deuxième organe de purification 5 et élément chauffant 6 est préférentiellement disposé à l’aval du premier silencieux 7. Selon une autre caractéristique, afin de rester toujours prêt à traiter les gaz d’échappement, le deuxième organe de purification 5 est avantageusement thermiquement isolé. Pour des raisons acoustiques, il est avantageux qu’une ligne d’échappement 1 comprenne un silencieux réparti en au moins deux parties distinctes, une partie avantageusement à proximité de la sortie 3 et une partie préférentiellement en position intermédiaire, sensiblement médiane, entre l’entrée 2 et la sortie 3. Aussi, selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée aux figures 4-7, un deuxième silencieux 9 et/ou un troisième silencieux 12 est/sont avantageusement ajouté(s) à la ligne d’échappement 1. Selon un premier mode de réalisation, plus particulièrement illustré à la figure 4, le deuxième silencieux 9 est avantageusement associé au premier organe de purification 4 et donc disposé à proximité de l’entrée 2. Avantageusement, le deuxième silencieux 9 est intégré avec le premier organe de purification 4 dans une même deuxième enveloppe 10. Selon une autre caractéristique, le premier organe de purification 4 peut comprendre un premier filtre à particules 11, tel qu’illustré à la figure 5. Selon une autre caractéristique, le premier organe de purification 4 peut encore comprendre un catalyseur. Selon une autre caractéristique, dans les deux cas précédents, le premier organe de purification 4, comprenant éventuellement le premier filtre à particules 11, et le deuxième silencieux 9 sont avantageusement intégrés dans la même deuxième enveloppe 10. Selon un autre mode de réalisation, alternatif ou complémentaire, respectant plus la condition de présence d’un silencieux en position intermédiaire, la ligne d’échappement 1 comprend encore un troisième silencieux 12, disposé en position intermédiaire, sensiblement médiane, entre l’entrée 2 et la sortie 3, tel qu’illustré à la figure 6. Selon une autre caractéristique, le troisième silencieux 12 est avantageusement disposé dans une troisième enveloppe 13. Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la figure 7, la ligne d’échappement 1 comprend encore un troisième organe de purification 14 et/ou un deuxième filtre à particules 15, disposés en position intermédiaire. Avantageusement ce ou ces composant(s) est/sont intégré(s) dans la troisième enveloppe 13. Selon une autre caractéristique, le premier organe de purification 4 et/ou le troisième organe de purification 14 est/sont un catalyseur, préférentiellement un catalyseur trois voies soit en anglais un «three way catalyst», classiquement abrévié TWC. Selon une autre caractéristique, le premier filtre à particules 11 et/ou le deuxième filtre à particules 14 est/sont un filtre à particules essence soit en anglais un «gazoline particule filter» classiquement abrévié GPF. L’invention concerne encore un véhicule comprenant une telle ligne d’échappement 1 selon l’un quelconque des modes de réalisation précédemment décrits. L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles. 1: ligne d’échappement, 2: entrée, 3: sortie, 4: premier organe de purification, 5: deuxième organe de purification, 6: élément chauffant, 7: premier silencieux, 8: première enveloppe, 9: deuxième silencieux, 10: deuxième enveloppe, 11: premier filtre à particules, 12: troisième silencieux, 13: troisième enveloppe, 14: troisième organe de purification, 15: deuxième filtre à particules Ligne (1) d’échappement apte à transporter des gaz d’échappement depuis une entrée (2), connectable à un moteur à explosion, jusqu’à une sortie (3) débouchant à l’air libre, comprenant au moins un premier organe de purification (4) disposé à proximité de l’entrée (2), caractérisé en ce qu’il comprend encore un premier silencieux (7) placé en aval dudit au moins un premier organe de purification (4) et au moins un deuxième organe de purification (5) équipé d’un élément chauffant (6), disposé plus en aval, préférentiellement à proximité de la sortie (3). Ligne (1) selon la revendication précédente, où le deuxième organe de purification (5) est un catalyseur, préférentiellement un catalyseur trois voies. Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’élément chauffant (6) est du type apte à réchauffer le gaz d’échappement et est disposé à l’amont immédiat du deuxième organe de purification (5). Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’élément chauffant comprend une mousse ou une grille. Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le deuxième organe de purification (5) et l’élément chauffant (6) sont intégrés avec le premier silencieux (7), dans une même première enveloppe (8) disposée à proximité de la sortie (3). Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, où le deuxième organe de purification (5) et l’élément chauffant (6) sont intégrés séparément d’un premier silencieux (7) disposé à proximité de la sortie (3), préférentiellement à l’aval du premier silencieux (7). Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le deuxième organe de purification (5) est thermiquement isolé. Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le premier organe de purification (4) est intégré avec un deuxième silencieux (9) dans une même deuxième enveloppe (10). Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le premier organe de purification (4) est intégré avec ou est remplacé par un premier filtre à particules (11) dans une même deuxième enveloppe (10), le premier filtre à particules (11) étant de préférence un filtre à particules essence. Ligne (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un troisième silencieux (12) dans une troisième enveloppe (13) disposée en position intermédiaire entre l’entrée (2) et la sortie (3). Ligne (1) selon la revendication précédente, comprenant encore un troisième organe de purification (14) et/ou un deuxième filtre à particules (15), intégré(s) dans la troisième enveloppe (13). Ligne (1) selon la revendication 11, où le premier organe de purification (4) et/ou le troisième organe de purification (14) est/sont un catalyseur, préférentiellement un catalyseur trois voies, et le deuxième filtre à particules (15) est un filtre à particules essence. Véhicule caractérisé en ce qu’il comprend une ligne d’échappement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.