Brevet FR3132326A1 — publié le 20230804

L'invention porte sur un véhicule automobile (10) comportant un moteur thermique (11) et une ligne échappement (12) apte à évacuer et à traiter des gaz d'échappement émis par le moteur thermique (11), ladite ligne d'échappement comportant: - un premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique, et - un deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous un plancher (15) du véhicule, - le deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous le plancher (15) du véhicule ayant une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique (11). Figure 2 SYSTÈME DE FILTRATION DE PARTICULES POUR UN MOTEUR THERMIQUE À EFFICACITÉ AMÉLIORÉE ET CONTRE-PRESSION OPTIMISÉE La présente invention porte sur un système de filtration de particules pour un moteur thermique à efficacité améliorée et contre pression optimisée. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les véhicules thermiques conventionnels ou hybrides équipés d'un moteur thermique à essence. De façon connue en soi, les véhicules équipés d’un moteur thermique de type essence comportent un système de dépollution formé par un catalyseur, dit « trois voies » (ou TWC pour "Three Way catalytic Converter" en anglais) et un filtre à particules (ou GPF pour "Gasoline Particulate Filter" en anglais) permettant de stocker les particules polluantes contenues dans les gaz d'échappement. Un tel filtre à particules peut être réalisé en cordiérite mais aussi en titanate d’alumine ou en carbure de silicium. Le filtre assure une filtration mécanique au travers de parois poreuses. À cet effet, comme cela est illustré par la , le filtre 1 est composé de canaux 2 ouverts en entrée et bouchés en sortie. Inversement, les canaux 3 bouchés en entrée sont ouverts en sortie. Les gaz d’échappement 4 chargés de particules pénètrent donc dans le filtre par les canaux 2 ouverts en entrée, les gaz 4 traversant les parois pour rejoindre les canaux 3 ouverts en sortie. Les particules sont stockées dans les canaux 2 ouverts en entrée car la porosité des parois ne leur permet pas de les traverser. Contrairement aux filtres à particules utilisés avec les moteurs diesel, ce type de filtre 1 est passif dans la mesure où il ne nécessite pas de régénération programmée, sauf en cas de dysfonctionnement. En effet, la régénération des particules stockées se fait naturellement par combustion de ses dernières en présence d’oxygène à haute température, notamment comprise entre 550 et 600°C. Du fait de son principe de fonctionnement et de ses caractéristiques techniques, un filtre à particules induit une contre-pression à l’échappement (CPE) additionnelle non négligeable (d’une cinquantaine à plusieurs centaines de millibars en fonction de la charge en suie du GPF avec un débit 0,1m3/s, par exemple). Cette contre-pression est représentative de la résistance à l'écoulement des gaz d'échappement. Pour améliorer l’efficacité de filtration, il est possible de resserrer la porosité des parois du filtre et la taille moyenne des pores ou de le recouvrir d'une membrane réalisée en alumine pour simuler la création d'un lit de cendres. Quelle que soit la solution retenue, la contre-pression à l’échappement va croître significativement. Or, le fonctionnement du moteur à essence est particulièrement sensible à cette contre-pression à l’échappement. Il existe donc le besoin de pouvoir respecter des nouvelles normes imposant des niveaux de filtration très élevés, sans que cela engendre une augmentation rédhibitoire de la contre-pression à l'échappement impactant le fonctionnement du moteur thermique qu’il s’agisse de ses performances ou de sa consommation de carburant (et donc de ses émissions de CO2). Par exemple, la limite maximum en particules en nombre pourrait être fixée dans le cas de la norme d’émissions Euro7 à 1.10 11 #/km pour des diamètres de particules supérieurs à 10nm au lieu de 6.10 11 #/km actuellement pour des diamètres de particules supérieurs à 23nm. La nouvelle norme pourrait ainsi correspondre à un taux d’élimination des particules de 99,9% en fonction du niveau des émissions en sortie moteur. L'invention vise à combler efficacement ce besoin en proposant un véhicule automobile comportant un moteur thermique et une ligne d’échappement apte à évacuer et à traiter des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique, ladite ligne d'échappement comportant: - un premier filtre à particules disposé en sortie du moteur thermique, et - un deuxième filtre à particules disposé sous un plancher du véhicule, - le deuxième filtre à particules disposé sous le plancher du véhicule ayant une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules disposé en sortie du moteur thermique. L'invention permet ainsi d'améliorer significativement l’efficacité de filtration tout en limitant la contre-pression à l'échappement engendrée par le dispositif de dépollution. En effet, le deuxième filtre à particules se trouve sous le plancher où les températures sont inférieures à celles observables en sortie du moteur thermique, de sorte que la contre-pression à l'échappement sera contenue (car plus la température des gaz est élevée plus la contre pression à l'échappement est importante). Un autre avantage de cet agencement est que les particules qui seront parvenues à traverser le premier filtre à particules dont la porosité est moins resserrée seront, malgré leur diamètre très faible, arrêtées par le deuxième filtre à porosité resserrée. Le compromis entre l'efficacité et la contre-pression à l'échappement est alors optimum. L'invention permet également de limiter les travaux de réduction des particules à la source, c’est-à-dire dans la chambre de combustion du moteur thermique. Selon une réalisation de l'invention, le premier filtre à particules est associé à un catalyseur « trois-voies ». Selon une réalisation de l'invention, le deuxième filtre à particules est associé à un catalyseur « trois-voies ». Selon une réalisation de l'invention, le catalyseur «trois-voies» est disposé en amont du filtre à particules. Selon une réalisation de l'invention, le deuxième filtre à particules est associé à un catalyseur d’élimination d'émissions résiduelles d'ammoniac. Selon une réalisation de l'invention, le deuxième filtre à particules est associé à un catalyseur de réduction sélective. Selon une réalisation de l'invention, la ligne d'échappement comporte en outre un piège à hydrocarbures disposé sous le plancher du véhicule en amont ou en aval du deuxième filtre à particules. Selon une réalisation de l'invention, le premier filtre à particules et/ou le deuxième filtre à particules sont des filtres nus. Selon une réalisation de l'invention, le premier filtre à particules et/ou le deuxième filtre à particules sont des filtres imprégnés. Selon une réalisation de l'invention, le moteur thermique est un moteur à essence. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention. La est une vue en perspective illustrant le fonctionnement d'un filtre à particules; La est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du système de dépollution selon la présente invention; La est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du système de dépollution selon la présente invention; La est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation du système de dépollution selon la présente invention; La montre des représentations graphiques d'un cumul de particules rejetées dans l'atmosphère lors du cycle de fonctionnement WLTC respectivement avec et sans le filtre à particules additionnel disposé sous le plancher du véhicule; La montre des représentations graphiques du nombre de particules par kilomètre émis lors des différentes phases du cycle de fonctionnement WLTC respectivement avec et sans le filtre à particules additionnel disposé sous le plancher du véhicule. Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Par ailleurs, les termes du type "amont" et "aval" sont entendus par référence au sens d'écoulement des gaz d'échappement émis par le moteur thermique. La montre un véhicule automobile 10 comprenant un moteur thermique 11 et une ligne d'échappement 12 des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique 11. La ligne d'échappement 12 est constituée par le conduit évacuant les gaz d'échappement vers l'atmosphère ainsi que par les différents dispositifs de traitement des gaz d'échappement montés le long du conduit. Le moteur thermique 11 comprend une chambre de combustion dans laquelle du carburant et du comburant sont mélangés. Le carburant peut, par exemple, être de l'essence, et être injecté dans la chambre de combustion par un injecteur (non représenté), notamment par un système d'injection directe. Le comburant peut, par exemple, être de l'air. La combustion du mélange dans la chambre de combustion entraîne un piston en translation, ce qui permet de transformer l'énergie thermique de la combustion en énergie mécanique afin d'entraîner l'arbre du moteur en rotation. Lors de la combustion du mélange, des gaz d'échappement sont formés. Ces gaz d'échappement sont évacués et traités par la ligne d'échappement 12. A cet effet, la ligne d'échappement 12 comporte un premier filtre à particules 14.1 disposé en sortie du moteur thermique 11, c’est-à-dire que le premier filtre à particules 14.1 est accouplé au collecteur d'échappement du moteur soit directement soit en aval d'un catalyseur, tel que cela est décrit plus en détails ci-après. Une telle configuration du filtre à particules 14.1 par rapport au moteur thermique est dite configuration "close-coupled" en anglais qui se traduit en français par configuration à "accouplement rapproché". Le premier filtre à particules 14.1 est disposé à l'intérieur du compartiment moteur. Un deuxième filtre à particules 14.2 est disposé sous un plancher 15 du véhicule, c’est-à-dire sous la zone de la caisse du véhicule sur laquelle sont montés les sièges du véhicule. Le deuxième filtre à particules 14.2 est ainsi disposé à distance du moteur thermique 11 dans une zone où les températures des gaz d'échappement sont inférieures à celles observables en sortie du moteur thermique 11 (entre 100 et 200°C de moins). On limite ainsi la contre-pression induite par le filtre à particules 14.2. Le deuxième filtre à particules 14.2 disposé sous le plancher 15 a une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules 14.1 disposé en sortie du moteur thermique 11. L'efficacité de filtration souhaitée est obtenue en adaptant la porosité globale et la taille des pores du filtre à particules. Suivant un exemple de réalisation non limitatif, les pores du deuxième filtre à particules 14.2 sont plus resserrés, c’est-à-dire plus petits, que les pores du premier filtre à particules 14.1. Le deuxième filtre à particules 14.2 pourra par exemple présenter une efficacité de filtration comprise entre 95 et 98%; tandis que le premier filtre à particules 14.1 pourra présenter une efficacité de filtration comprise entre 75 et 85%. Dans le mode de réalisation de la , le premier filtre à particules 14.1 est associé à un catalyseur «trois-voies» 16.1, dit catalyseur TWC pour "Three Way catalytic Converter" en anglais. Le deuxième filtre à particules 14.2 est disposé seul sous le plancher 15 du véhicule automobile 10. Dans le mode de réalisation de la , le deuxième filtre à particules 14.2 est également associé à un catalyseur «trois-voies» 16.2. Chaque ensemble "filtre à particules-catalyseur «trois-voies»" pourra être disposé à l'intérieur d'une enveloppe commune. Chaque ensemble "filtre à particules-catalyseur «trois-voies»" forme ainsi un dispositif monobloc pouvant aisément être intégré à la ligne d'échappement 12. Le catalyseur «trois-voies» 16.1, 16.2 est de préférence disposé en amont du filtre à particules 14.1, 14.2 correspondant. L’agencement en sous-caisse entre le catalyseur «trois-voies» 16.2 et le filtre à particules 14.2 peut être inversé, mais cela est moins efficace pour traiter les polluants gazeux car le catalyseur «trois-voies» 16.2 disposera alors de moins d'énergie thermique pour réaliser les réactions de conversion des polluants qui en nécessitent. Dans le mode de réalisation de la , le deuxième filtre à particules 14.2 est également associé à un catalyseur 17 d’élimination d'émissions résiduelles d'ammoniac dit catalyseur "ASC" pour "Ammonia Slip Catalyst" en anglais. L'ensemble "filtre à particules-catalyseur «trois-voies»-ASC" pourra être disposé à l'intérieur d'une enveloppe commune. Chaque ensemble "filtre à particules - catalyseur «trois-voies»-ASC" forme ainsi un dispositif monobloc pouvant aisément être intégré à la ligne d'échappement 12. En variante, le catalyseur ASC 17 pourra être remplacé par un catalyseur de réduction sélective, dit catalyseur SCR pour "Selective Catalytic Reduction" en anglais. La ligne d'échappement 12 pourra également comporter un piège à hydrocarbures 18 disposé sous le plancher 15 du véhicule en amont ou en aval du deuxième filtre à particules 14.2. Dans tous les modes de réalisation, les filtres à particules 14.1, 14.2 pourront prendre la forme de filtres nus ou de filtres imprégnés. La couche d'imprégnation pourra être réalisée avec des métaux précieux du même type que ceux utilisés pour les catalyseur « trois-voies », à savoir notamment le Platine (Pt), le Palladium (Pd), ou le Rhodium (Rh). Cela permet d’ajouter une fonction supplémentaire d'élimination des polluants gazeux dans le cas d’une architecture de dépollution contrainte dimensionnellement. Le filtre à particules 14.1, 14.2 pourra également être recouvert d'une membrane, notamment réalisée en alumine, pour simuler la création d'un lit de cendres et améliorer la performance du filtre à particules. La montre des représentations graphiques d'un cumul de particules rejetées dans l'atmosphère lors du cycle de fonctionnement WLTC (pour "Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle" en anglais) Ce cycle de fonctionnement présente une phase de roulage P1 à basse vitesse, une phase de roulage P2 à moyenne vitesse, une phase de roulage P3 à haute vitesse, ainsi qu'une phase de roulage P4 à très haute vitesse. La courbe de vitesse du véhicule en fonction du temps est référencée V_veh. La met en évidence que le cumul de particules polluantes obtenu pour une configuration à double filtres à particules 14.1, 14.2 (cf. courbe C_14.1+14.2) est très inférieur au cumul de particules polluantes observable pour une configuration à simple filtre à particules (cf. courbe C_14.1). La montre des représentations graphiques d'un nombre de particules par kilomètre parcourus lors des différentes phases du cycle de fonctionnement WLTC respectivement avec et sans le filtre à particules additionnel 14.2 disposé sous le plancher 15 du véhicule. Cette figure met en évidence que le nombre de particules par kilomètre rejetées lors de la phase de roulage à basse vitesse est très inférieur pour la configuration à double filtres à particules 14.1, 14.2 par rapport à la configuration à simple filtre à particules 14.1. L'invention pourra également être mise en œuvre avec un moteur thermique 11 de type diesel, même si ce dernier est moins sensible à la contre-pression d'échappement. Véhicule automobile (10) comportant un moteur thermique (11) et une ligne d'échappement apte à évacuer et à traiter des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique (11), caractérisé en ce que ladite ligne d'échappement (12) comporte: - un premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique (11), et - un deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous un plancher (15) du véhicule, - le deuxième filtre à particules (14.2) disposé sous le plancher (15) du véhicule ayant une efficacité de filtration plus grande que le premier filtre à particules (14.1) disposé en sortie du moteur thermique (11). Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier filtre à particules (14.1) est associé à un catalyseur «trois-voies» (16.1). Véhicule automobile selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième filtre à particules (14.2) est associé à un catalyseur «trois-voies» (16.2). Véhicule automobile selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le catalyseur «trois-voies» (16.1, 16.2) est disposé en amont du filtre à particules (14.1, 14.2). Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième filtre à particules (14.2) est associé à un catalyseur (17) d’élimination d'émissions résiduelles d'ammoniac. Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième filtre à particules (14.2) est associé à un catalyseur de réduction sélective. Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la ligne d'échappement (12) comporte en outre un piège à hydrocarbures (18) disposé sous le plancher (15) du véhicule en amont ou en aval du deuxième filtre à particules (14.2). Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier filtre à particules (14.1) et/ou le deuxième filtre à particules (14.2) sont des filtres nus. Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le premier filtre à particules (14.1) et/ou le deuxième filtre à particules (14.2) sont des filtres imprégnés. Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le moteur thermique (11) est un moteur à essence.