FR2986826A1 - Dispositif de traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion et vehicule automobile associe - Google Patents

Dispositif de traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion et vehicule automobile associe Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un dispositif de traitement (1) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, comportant successivement dans une même enveloppe métallique : a) un ensemble de dépollution (3) comportant : . un mélangeur apte à homogénéiser les gaz d'échappement; . un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ; . un filtre à particules ; b) un silencieux (4). L'invention porte également sur un véhicule automobile comportant un tel dispositif de traitement (1).

Description

DISPOSITIF DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION ET VEHICULE AUTOMOBILE ASSOCIE [0001] L'invention porte sur l'architecture d'un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion, et en particulier sur l'architecture de la ligne d'échappement dudit moteur. [0002] Les véhicules automobiles sont dans leur grande majorité équipés d'un moteur à combustion. Les moteurs à combustion sont classiquement équipés d'une ligne d'échappement qui a deux fonctions principales, à savoir de traiter les polluants contenus dans les gaz d'échappement et de réduire le bruit à l'échappement du moteur. [0003] Concernant la fonction de réduction du bruit, elle est obtenue à l'aide d'un ou plusieurs dispositifs appelés silencieux, ou sourdine, qui consistent généralement en une enveloppe métallique dans laquelle est ménagée une ou plusieurs chambres creuses, ainsi que des dispositifs faisant résonateurs ou générant des ruptures d'impédances dans ladite enveloppe. La constitution et l'optimisation des silencieux sont connues dans l'état de la technique. Ces dispositifs sont d'une manière générale relativement volumineux, et sont communément implanté sous le plancher des véhicules, en partie arrière. [0004] Dans l'ensemble du présent document, les notions d'avant et d'arrière sont considérées selon l'acception commune de ces termes pour un véhicule automobile. En d'autres termes, le véhicule est conçu pour rouler majoritairement vers l'avant. [0005] Concernant la fonction de traitement des polluants, les émissions polluantes des moteurs à combustion équipant les véhicules automobiles sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Les polluants réglementés sont, selon la technologie de moteur à combustion considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azotes (N0x), et les particules. [0006] Il est connu d'employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion pour en limiter les émissions de polluants réglementés. Un catalyseur d'oxydation permet le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d'azotes ; un filtre à particules peut être employé pour le traitement des particules de suie. [0007] On désigne de manière générale ces dispositifs par le terme de moyens de « post-traitement » des gaz d'échappement. [0008] Par exemple, pour satisfaire aux normes anti-pollution sur les émissions d'oxydes d'azote (N0x), un système spécifique de post-traitement peut être introduit dans la ligne d'échappement des véhicules, notamment des véhicules équipés de moteurs à mélange pauvre, c'est-à-dire du type diesel ou à allumage commandé fonctionnant avec un mélange stratifié (mélange carburé non-homogène présentant un taux de carburant inférieur à la stoechiométrie). Pour le traitement des oxydes d'azote (N0x), on connaît des technologies de réduction catalytique sélective, ou « SCR » pour « selective catalytic reduction », qui consistent à réduire les NOx par introduction d'un agent réducteur (ou d'un précurseur d'un tel agent réducteur) dans les gaz d'échappement. Il peut par exemple s'agir d'une solution d'urée, dont la décomposition va permettre l'obtention d'ammoniac qui servira d'agent réducteur, mais également d'un réducteur ou d'un précurseur d'un tel réducteur sous forme gazeuse. On parlera dans la suite du présent document d'une manière générale de « réducteur » pour désigner un agent réducteur ou un précurseur d'agent réducteur. [0009] Il est connu de la demande de brevet français déposée au nom de la demanderesse et publiée sous le numéro FR2955612 un système compact de traitement complet des gaz d'échappement destiné à un moteur Diesel, regroupant dans une enveloppe unique un catalyseur d'oxydation, un système SCR et un filtre à particules. Un tel dispositif est destiné à être totalement implanté en sous-capot moteur. [0010] L'adoption d'un tel dispositif de post-traitement offre, outre des avantages en termes de performances des moyens de post-traitement, des avantages en termes d'implantation des systèmes dans le véhicule. [0011] Néanmoins, par exemple dans le cadre de la conception d'un véhicule de taille réduite ou d'architecture générale optimisée, de nombreuses contraintes liées à l'implantation des moyens de traitement acoustique et de dépollution des gaz d'échappement peuvent se poser. De manière générale, l'espace disponible sous le plancher d'un véhicule automobile en particulier en partie arrière du véhicule est très contraint du fait de la nécessaire implantation de nombreux systèmes, parmi lesquels on peut citer : le réservoir de carburant, le réservoir d'additif pour filtre à particules additivé, la roue de secours, le réservoir de réducteur SCR, les trains roulant du véhicule, des artifices aérodynamiques, des batteries, de machines électriques d'un véhicule hybride, etc. Le volume sous capot moteur (généralement situé à l'avant du véhicule) peut également être trop contraint pour accueillir tout ou partie des moyens de dépollution des gaz d'échappement, et ce pour de multiples raisons : volonté d'implanter de nombreux types de moteur sur un même véhicule, optimisation de l'espace disponible dans l'habitacle du véhicule, réduction du porte à faux avant du véhicule, etc. [0012] L'invention vise donc à proposer un dispositif optimisé permettant d'assurer les fonctions de limitation acoustique et de traitement de la pollution pour un moteur à combustion, particulièrement adapté à un emploi sur un véhicule automobile dont les contraintes d'implantation sont importantes tant en sous capot moteur (avant) que dans la zone sous plancher arrière. [0013] Plus précisément, un premier objet de l'invention porte donc sur un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, comportant successivement dans une même enveloppe métallique : a) un ensemble de dépollution comportant : - un mélangeur apte à homogénéiser les gaz d'échappement - un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ; - un filtre à particules ; b) un silencieux. [0014] Dans une première variante de l'invention, l'ensemble de dépollution comporte successivement : - le mélangeur ; - le catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ; - le filtre à particules ; [0015] Dans une deuxième variante de l'invention l'ensemble de dépollution comporte successivement : - le filtre à particules ; - le mélangeur ; - le catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ; [0016] Dans une troisième variante de l'invention, le catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote et le filtre à particules sont constitués d'un unique monolithe filtrant enduit d'une imprégnation catalytique adaptée à la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. [0017] Dans une variante de l'invention, le dispositif comporte en outre l'embouchure d'un moyen d'introduction de réducteur, en amont du mélangeur. [0018] Dans une variante de l'invention, le dispositif comporte en outre l'embouchure d'un moyen d'introduction de réducteur, directement dans le mélangeur. [0019] Dans une variante, le dispositif comporte en outre un catalyseur d'oxydation. Le catalyseur d'oxydation est préférentiellement le premier élément de traitement du dispositif. [0020] De préférence, le mélangeur est du type présentant une face d'entrée des gaz d'échappement et un face de sortie des gaz d'échappement, et dans lequel la distance moyenne parcourue par les gaz dans le mélangeur est au moins trois fois supérieure à la distance entre la face d'entrée et la face de sorte du mélangeur. [0021] De préférence, selon une variante dans laquelle le mélangeur présente une forme sensiblement cylindrique, la longueur du cylindre est comprise entre 50mm et 100mm, et de préférence de l'ordre de 70mm et la distance moyenne parcourue par les gaz dans le mélangeur est comprise entre 200mm et 400mm. [0022] De préférence, l'enveloppe est sensiblement prismatique droite, ou cylindrique droite. [0023] De préférence, l'ensemble de dépollution et le silencieux, sont disposés coaxialement, l'un à la suite de l'autre. De préférence, les éléments constituant l'ensemble de dépollution, à savoir le mélangeur, le catalyseur SCR et le filtre à particules (que ces deux derniers éléments soient des monolithes séparés ou formés d'un seul monolithe) sont également disposés coaxialement, l'un à la suite de l'autre. [0024] De préférence, l'enveloppe présente, entre l'ensemble de dépollution et le silencieux, un système permettant son ouverture non destructive puis sa refermeture de sorte à permettre un remplacement de l'un des éléments internes à l'enveloppe. [0025] L'invention a pour second objet sur un véhicule automobile comportant un moteur à combustion équipé d'une ligne d'échappement comportant un dispositif de traitement conforme au premier objet de l'invention. [0026] De préférence, le moteur étant disposé dans un espace sous capot avant du véhicule, le véhicule présentant en outre un plancher, le dispositif de traitement conforme au premier objet de l'invention est intégralement disposé sous le plancher du véhicule. [0027] Dans une variante, la ligne d'échappement comporte en outre un catalyseur d'oxydation, disposé dans l'espace sous capot. [0028] De préférence, le véhicule présentant un train avant et un train arrière, a ligne d'échappement ne comporte aucun silencieux en arrière du train arrière. Autrement dit, tous les silencieux de la ligne d'échappement sont positionnés en avant du train arrière du véhicule. [0029] De préférence, la ligne d'échappement présente alors une embouchure de sortie des gaz d'échappement (7) en avant du train arrière. [0030] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel, dans l'environnement de son application préférentielle. [0031] La figure 1 présente une portion de ligne d'échappement comportant un dispositif conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0032] La figure 2 présente une partie de l'espace sous plancher d'un véhicule automobile, entre le train avant et le train arrière dudit véhicule, partie dans laquelle est implanté un dispositif conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0033] Un dispositif de traitement 1 des gaz d'échappement conforme à une variante préférentielle de l'invention est implantée dans un tunnel central longitudinal de l'espace sous plancher. Un tel tunnel est communément ménagé pour accueillir la ligne d'échappement des véhicules. [0034] Le dispositif de traitement 1 des gaz d'échappement selon l'invention comporte successivement : a) un ensemble de dépollution 3 comportant : - un mélangeur 2 ; - un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ; - un filtre à particules ; b) un silencieux 4. [0035] Dans la variante de l'invention ici représentée, l'ensemble de dépollution 3 comporte un monolithe filtrant, recouvert d'une imprégnation catalytique adaptée à la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. Le monolithe unique forme ainsi tout à la fois un filtre à particules et un catalyseur SCR. [0036] L'enveloppe peut être constitutive de la paroi extérieure du silencieux 4. [0037] Le mélangeur 2 est destiné à obtenir une homogénéité suffisante des gaz d'échappement, c'est-à-dire un mélange suffisamment homogène d'un réducteur dans les gaz d'échappement en entrée du catalyseur SCR pour lui permettre d'assurer une bonne conversion des oxydes d'azote. Deux phénomènes principaux peuvent concourir à un l'obtention d'un bon mélange grâce au mélangeur : la génération d'un écoulement turbulent des gaz d'échappement, et l'allongement de la distance parcourue par les gaz, qui va de pair avec un allongement de la durée du transport des gaz dans la ligne d'échappement. [0038] Le mélangeur 2 peut mettre en oeuvre l'un et/ou l'autre de ces phénomènes. [0039] Le mélangeur 2 peut avantageusement être du type présentant une face d'entrée des gaz d'échappement et une face de sortie des gaz d'échappement, et dans lequel la distance moyenne parcourue par les gaz dans le mélangeur est au moins trois fois supérieure à la distance entre la face d'entrée et la face de sorte du mélangeur. Typiquement, le mélangeur peut présenter une forme cylindrique avec une hauteur externe de 70mm environ tout en offrant une distance de mélange de 250 à 300mm. [0040] Le mélangeur 2 peut avantageusement être d'un type connu au travers du document FR2947003 A1. [0041] L'enveloppe peut accueillir l'embouchure de moyens d'introduction de réducteur 5 SCR, en amont du mélangeur ou au niveau de ce dernier (c'est-à-dire permettant l'introduction de réducteur directement dans ce dernier). [0042] Le silencieux est constitué de manière connue, et comporter plusieurs chambres et résonateurs. [0043] Sur la figure 2, la partie avant AV du véhicule correspond à la partie droite de la figure, la partie arrière AR du véhicule correspond à la partie gauche de la figure. [0044] La canule 6 de la ligne d'échappement peut présenter une embouchure de sortie des gaz d'échappement 7 en partie arrière du véhicule, tel que dans une architecture automobile classique, ou bien déboucher dans une variante de l'invention, en avant du train arrière du véhicule. En effet, le traitement des gaz d'échappement tant en termes acoustiques que de dépollution est achevé en sortie du dispositif de traitement 1, de sorte que les gaz d'échappement peuvent être relâchés dans l'atmosphère immédiatement après ledit dispositif de traitement 1. Cela permet de s'affranchir de prévoir le cheminement de la canule 6 en arrière du train arrière du véhicule, dans une zone regroupant déjà de nombreuses fonctionnalités (réservoir de carburant, réservoir de réducteur, roue de secours, coffre à bagages, etc.). [0045] Dans une variante avantageuse de l'invention, les éléments internes à l'enveloppe (ensemble de dépollution 3 et ses sous-éléments, silencieux 4) sont disposés coaxialement l'un après l'autre. Si le filtre à particules et le catalyseur SCR sont constitués de plusieurs monolithes, ils sont également disposés selon la même coaxialité. [0046] Cela permet de loger dans un environnement sous caisse à la fois contraignant dans l'axe latéral et dans l'axe longitudinal, tel que présenté en figure 2, tout en libérant de l'espace à l'arrière du véhicule (utilisé partiellement par le silencieux habituellement) pour implanter par exemple des volumes plus importants d'adblue ou cartouches NH3. [0047] Le volume du silencieux peut typiquement être compris entre 8L et 15L. [0048] L'enveloppe peut comporter, selon la variante de l'invention considérée, un divergent d'entrée favorisant la répartition voir l'homogénéité des gaz d'échappement, et un convergent de sortie adapté à réduire les pertes de charge engendrées par la réduction de section entre l'enveloppe et la canule 6. [0049] Dans une variante de l'invention, on prévoit des moyens d'ouverture non destructrice de l'enveloppe, de préférence entre l'ensemble de dépollution 3 et le silencieux 4, afin de pouvoir remplacer un élément défectueux dans l'enveloppe (mélangeur, catalyseur SCR et/ou filtre à particules, silencieux). Les moyens d'ouverture peuvent comporter une bride ou un collier. [0050] L'invention ainsi développée présente de nombreux avantages parmi lesquels : - Un gain en termes de simplicité architecturale du véhicule équipé d'un dispositif selon l'invention ; - Un gain de masse et de coût de fabrication par une intégration des diverses fonctions dans un dispositif unique (on limite la multiplication des convergents, divergents, les longueurs de canules, etc.)15

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement (1) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, comportant successivement dans une même enveloppe métallique : a) un ensemble de dépollution (3) comportant : - un mélangeur apte à homogénéiser les gaz d'échappement ; - un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ; - un filtre à particules ; b) un silencieux (4).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote et le filtre à particules sont constitués d'un unique monolithe filtrant enduit d'une imprégnation catalytique adaptée à la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, comportant en outre l'embouchure d'un moyen d'introduction de réducteur (5), en amont du mélangeur (2).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, comportant en outre l'embouchure d'un moyen d'introduction de réducteur (5) directement dans le mélangeur (2).
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un catalyseur d'oxydation.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélangeur (2) est du type présentant une face d'entrée des gaz d'échappement et un face de sortie des gaz d'échappement, et dans lequel la distance moyenne parcourue par les gaz dans le mélangeur est au moins trois fois supérieure à la distance entre la face d'entrée et la face de sortie du mélangeur.
  7. 7. Dispositif selon la revendication 6, le mélangeur (2) présentant une forme sensiblement cylindrique, dans lequel la longueur du cylindre est comprise entre 50mmet 100mm et la distance moyenne parcourue par les gaz dans le mélangeur est comprise entre 200mm et 400mm.
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe est sensiblement prismatique droite, ou cylindrique droite.
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble de dépollution (3), et le silencieux (4), sont disposés coaxialement, l'un à la suite de l'autre.
  10. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe présente, entre l'ensemble de dépollution (3) et le silencieux (4), un système permettant son ouverture non destructive puis sa refermeture de sorte à permettre un remplacement de l'un des éléments internes à l'enveloppe.
  11. 11. Véhicule automobile comportant un moteur à combustion équipé d'une ligne d'échappement comportant un dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes.
  12. 12. Véhicule selon la revendication 11, le moteur étant disposé dans un espace sous capot avant du véhicule, le véhicule présentant en outre un plancher, caractérisé en ce que le dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 est intégralement disposé sous le plancher du véhicule.
  13. 13. Véhicule selon la revendication 12, dans lequel la ligne d'échappement comporte en outre un catalyseur d'oxydation, disposé dans l'espace sous capot.
  14. 14. Véhicule selon l'une des revendications 11 à 13, le véhicule présentant un train avant et un train arrière, dans lequel la ligne d'échappement ne comporte aucun silencieux en arrière du train arrière.
  15. 15. Véhicule selon la revendication 14, dans lequel la ligne d'échappement présente une embouchure de sortie des gaz d'échappement (7) en avant du train arrière.
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EP2299078A1 (fr) * 2009-09-02 2011-03-23 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Appareil de purification des gaz d'échappement

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