FR3065921A1 - Vehicule equipe d’un systeme de depollution des gaz d’echappement - Google Patents

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Abstract

Dans le véhicule, le système de dépollution des gaz d'échappement (GE) du moteur thermique (MT) comprend des premier (2b) et deuxième (3b) dispositifs de traitement de gaz d'échappement montés dans une ligne d'échappement (6) du moteur thermique (MT), le premier dispositif de traitement de gaz d'échappement comprenant un filtre à particules (GPF2) qui est monté au niveau d'une sortie une sortie de gaz d'échappement (4) du moteur thermique et le deuxième dispositif de traitement de gaz d'échappement étant situé en aval du premier dispositif de traitement de gaz d'échappement, selon le sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. Conformément à l'invention, le deuxième dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend un catalyseur d'oxydation chauffé électriquement (EH-TWC2) et est monté dans la ligne d'échappement, à distance du moteur thermique de manière à être localisé sous un plancher (5) du véhicule.

Description

Titulaire(s) : PEUGEOT CITROËN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
O Demande(s) d’extension :
® Mandataire(s) : PEUGEOT CITROËN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
(54) VEHICULE EQUIPE D'UN SYSTEME DE DEPOLLUTION DES GAZ D'ECHAPPEMENT.
FR 3 065 921 - A1 (57) Dans le véhicule, le système de dépollution des gaz d’échappement (GE) du moteur thermique (MT) comprend des premier (2b) et deuxième (3b) dispositifs de traitement de gaz d'échappement montés dans une ligne d'échappement (6) du moteur thermique (MT), le premier dispositif de traitement de gaz d'échappement comprenant un filtre à particules (GPF?) qui est monté au niveau d'une sortie une sortie de gaz d'echappement (4) du moteur thermique et le deuxième dispositif de traitement de gaz d'échappement étant situé en aval du premier dispositif de traitement de gaz d'échappement, selon le sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. Conformément à l'invention, le deuxième dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend un catalyseur d'oxydation chauffé électriquement (EH-TWC2) et est monté dans la ligne d'échappement, à distance du moteur thermique de manière à être localisé sous un plancher (5) du véhicule.
Figure FR3065921A1_D0001
Figure FR3065921A1_D0002
VÉHICULE ÉQUIPÉ D’UN SYSTÈME DE DÉPOLLUTION DES GAZ D’ÉCHAPPEMENT [001] L’invention se rapporte de manière générale à la dépollution des moteurs thermiques. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un véhicule équipé d’un système de dépollution des gaz d’échappement de son moteur thermique.
[002] Les catalyseurs d’oxydation forment la base des systèmes de dépollution des gaz d’échappement des véhicules, aussi bien pour ceux équipés d’une motorisation à essence que pour ceux équipés d’une motorisation de type Diesel.
[003] Ainsi, pour les motorisations à essence à injection directe, le système de dépollution des gaz d’échappement comporte typiquement au moins un catalyseur d’oxydation à trois-voies dit « TWC » (de « Three Way Catalyst » en anglais) suivi d’un filtre à particules essence dit « GPF » de (« Gasoline Particulate Filter » en anglais). Pour les motorisations Diesel, le système de dépollution des gaz d’échappement comporte typiquement un catalyseur d’oxydation Diesel dit « DOC » (de « Diesel Oxydation Catalyst » en anglais) qui est suivi d’un catalyseur de réduction sélective dit « SCR » (de « Sélective Catalytic Réduction » en anglais) et d’un filtre à particules dit « FAP » ou « DPF » (de « Diesel Particulate Filter » en anglais).
[004] Les règlementations visant à réduire les émissions de polluants des moteurs thermiques se sévérisent d’année en année. La prochaine entrée en vigueur de la norme européenne dite « Euro 6d-temp » va conduire à une quasi-généralisation du filtre à particules notamment dans les motorisations à injection directe d’essence. Par ailleurs, l’exigence de réduction des temps d'amorçage des catalyseurs d’oxydation amène les constructeurs automobiles à adopter des catalyseurs d’oxydation à assistance électrique pour leurs systèmes de dépollution des gaz d’échappement.
[005] Les catalyseurs requièrent une température élevée pour pouvoir fonctionner. La montée en température générée par les gaz d’échappement chauds peut s’avérer insuffisante pour satisfaire à la contrainte réglementaire de temps d'amorçage, notamment lors d’un démarrage à froid. De plus, dans les véhicules hybrides, la fréquence accrue des phases de montée en température, après les phases de roulage en mode électrique, peuvent impacter les performances du système de dépollution des gaz. Les catalyseurs chauffés électriquement dit « EHC » (de « Electrically Heated Catalyst » en anglais), dans lesquels les gaz d’échappement entrants ou le substrat catalytique sont chauffés par des moyens de chauffage électrique, apparaissent donc comme une solution pour réduire le temps d'amorçage.
[006] Cependant, du fait de leur position, en couplage direct avec la sortie des gaz d’échappement du moteur thermique, les catalyseurs EHC sont très sollicités thermiquement et exposés à un risque de vieillissement rapide. Or, la durabilité des catalyseurs d’oxydation fait l’objet d’une contrainte réglementaire que les constructeurs se doivent de respecter.
[007] Par FR2963639A1, il est connu une ligne d’échappement des gaz de combustion d’un moteur thermique dans laquelle un catalyseur TWC conventionnel est placé en aval d’un filtre à particules. Ce document traite de la surveillance et de régulation de la régénération du filtre à particules et ne s’intéresse pas à la problématique exposée plus haut du vieillissement des catalyseurs EHC.
[008] II est donc souhaitable d’équiper les véhicules conventionnels ou hybrides, notamment ceux avec une motorisation essence, d’un système de dépollution des gaz d’échappement à catalyseur EHC ayant une architecture qui soit conçue pour s’opposer au vieillissement thermique du catalyseur EHC.
[009] Selon un premier aspect, l’invention concerne un véhicule équipé d’un système de dépollution des gaz d’échappement du moteur thermique, le système comprenant des premier et deuxième dispositifs de traitement de gaz d’échappement montés dans une ligne d’échappement du moteur thermique, le premier dispositif de traitement de gaz d’échappement comprenant un filtre à particules qui est monté au niveau d’une sortie de gaz d’échappement du moteur thermique et le deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement étant situé en aval du premier dispositif de traitement de gaz d’échappement, selon le sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne d’échappement.
[0010] Conformément à l’invention, le deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement comprend un catalyseur d’oxydation chauffé électriquement et est monté dans la ligne d’échappement à distance du moteur thermique de manière à être localisé sous un plancher du véhicule.
[0011] Le montage du catalyseur d’oxydation chauffé électriquement sous le plancher du véhicule, c’est-à-dire, à distance du moteur thermique, permet de maintenir celui-ci à des températures inférieures à 1000°C, de façon à limiter son vieillissement qui intervient généralement à des températures supérieures à 1000°C.
[0012] Selon une forme de réalisation particulière, le premier dispositif de traitement de gaz d’échappement comprend également un catalyseur d’oxydation disposé en aval du filtre à particules, selon le sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne d’échappement.
[0013] Selon une caractéristique particulière, le filtre à particules et le catalyseur d’oxydation sont contenus dans une même enveloppe du premier dispositif de traitement de gaz d’échappement.
[0014] Selon une autre forme de réalisation particulière, le deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement comprend également un catalyseur d’oxydation disposé en aval du catalyseur d’oxydation chauffé électriquement, selon le sens de circulation des gaz d'échappement dans la ligne d’échappement.
[0015] Selon une caractéristique particulière, le catalyseur d’oxydation chauffé électriquement et le catalyseur d’oxydation sont contenus dans une même enveloppe du deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement.
[0016] Selon une caractéristique particulière, le filtre à particules est de type à couche catalytique.
[0017] Selon une autre caractéristique particulière, la couche catalytique du filtre à particules est réalisée par une enduction d’un matériau catalytique de type trois-voies ayant une capacité de stockage d’oxygène.
[0018] Selon une forme de réalisation particulière, le moteur thermique du véhicule est de type essence. Selon une autre forme de réalisation, le moteur thermique est de type diesel.
[0019] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la Fig.1 est une vue simplifiée montrant une première architecture d’un système de dépollution de gaz d’échappement inclus dans un véhicule selon l’invention ;
- la Fig.2 est une vue simplifiée montrant une deuxième architecture d’un système de dépollution de gaz d’échappement inclus dans un véhicule selon l’invention ; et
- la Fig.3 est une vue simplifiée montrant une troisième architecture d’un système de dépollution de gaz d’échappement inclus dans véhicule selon l’invention.
[0020] En référence aux Figs.1 à 3, est maintenant décrit ci-dessous trois architectures particulières 1A à 1B du système de dépollution de gaz d’échappement équipant un véhicule à moteur thermique de type essence MT. Dans chacune de ces architectures, il peut être prévu un filtre à particules dit « nu >> ou un filtre à particules de type à couche catalytique.
[0021] Dans les systèmes de dépollution de gaz d’échappement prévus dans l’invention, le catalyseur à trois-voies conventionnel TWC qui, dans l’architecture classique, est placé dans la ligne d’échappement au niveau de la sortie des gaz d’échappement du moteur thermique à essence, c’est-à-dire en position de couplage direct avec la sortie des gaz d’échappement, est remplacé par un catalyseur à trois-voies, chauffé électriquement, désigné ci-après « EH-TWC >>, qui est éloigné du moteur thermique et monté en position sous-plancher.
[0022] Dans l’invention, la position sous-plancher du catalyseur EH-TWC permet d’éloigner celui-ci le plus possible du moteur thermique MT. Le catalyseur EH-TWC est ainsi davantage protégé du vieillissement thermique. Cette architecture selon l’invention permet de traiter les polluants dès le démarrage du moteur thermique, grâce au chauffage électrique du catalyseur EH-TWC, et de respecter les normes d’émission de polluants les plus sévères, à froid et à chaud, avec la durabilité réglementaire exigée pour le catalyseur EH-TWC.
[0023] Par ailleurs, grâce à l’éloignement sous le plancher du catalyseur EH-TWC, l’invention autorise un montage du filtre à particules GPF en position de couplage direct avec la sortie des gaz d’échappement du moteur thermique MT. Il est ainsi possible de monter un filtre à particules GPF en première position dans le traitement des gaz d’échappement, ce qui améliore son fonctionnement. En effet, l’efficacité du filtrage des particules par le filtre GPF bénéficie de suies plus grasses en sortie du moteur thermique, car non séchées par le catalyseur TWC comme dans l’architecture classique. De plus, la régénération du filtre GPF est facilitée par la température plus élevée des gaz en sortie du moteur thermique et par une disponibilité en oxygène (O2) plus importante lors des levées de pied de l’accélérateur.
[0024] La première architecture 1A montrée à la Fig.1 du système de dépollution de gaz d’échappement comprend des premier et deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement 2a et 3a. Le deuxième dispositif 3a est monté en aval du premier dispositif 2a, selon le sens de circulation des gaz d’échappement GE dans la ligne d’échappement
6.
[0025] Le premier dispositif de traitement de gaz d’échappement 2a est monté en position de couplage direct, au plus près du collecteur de gaz d’échappement 4 du moteur thermique MT. Comme montré à la Fig.lA, le dispositif de traitement de gaz d’échappement 2a comprend un filtre à particules GPFt et un catalyseur conventionnel TWCt qui est monté en aval du filtre GPFt. Le filtre à particules GPFt et le catalyseur TWCt sont donc ici en position de couplage direct.
[0026] Le deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement 3a est, conformément à l’invention, un catalyseur à trois-voies, chauffé électriquement, EH-TWCt, qui est monté à distance du moteur thermique MT, sous le plancher 5 du véhicule.
[0027] On notera que le dispositif de traitement de gaz d’échappement 2a pourra être formé du filtre à particules GPFt et du catalyseur TWCi contenus ensemble dans une même enveloppe formant boîtier ou contenus dans des enveloppes différentes.
[0028] Cette architecture 1A présente l’avantage de disposer d’un catalyseur TWC derrière le filtre à particules GPF en position de couplage direct, ce qui accroît l’efficacité globale à froid, mais aussi à chaud, de la conversion catalytique à trois-voies par le système de dépollution de gaz d’échappement.
[0029] La deuxième architecture 1B montrée à la Fig.2 du système de dépollution de gaz d’échappement comprend des premier et deuxième dispositifs de traitement de gaz d’échappement 2b et 3b.
[0030] L’architecture 1B diffère de l’architecture 1A, en ce que le premier dispositif de traitement de gaz d’échappement 2b, en position de couplage direct, comprend uniquement un filtre à particules GPF2. Le deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement 3b est analogue au dispositif de traitement de gaz d’échappement 2b de l’architecture 3a et est un catalyseur à trois-voies, chauffé électriquement, EH-TWC2, qui est monté à distance du moteur thermique MT, sous le plancher 5 du véhicule.
[0031] L’architecture 1B peut s’avérer moins efficace que l’architecture 1A mais présente l’avantage d’être moins chère et plus simple.
[0032] La troisième architecture 1C montrée à la Fig.3 du système de dépollution de gaz d’échappement est une architecture intermédiaire entre les deux architectures précédentes 1A et 1 B. Elle diffère de l’architecture 1B en ce que le deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement 3c comprend un catalyseur à trois-voies, chauffé électriquement, EH-TWC3 et un catalyseur à trois-voies conventionnel TWC3. Le premier dispositif de traitement de gaz d’échappement 2c, en position de couplage direct, comprend uniquement un filtre à particules GPF3, de même que dans l’architecture 1 B.
[0033] On notera que le dispositif de traitement de gaz d’échappement 3c pourra être formé des catalyseurs EH-TWC3 et TWC3 contenus ensemble dans une même enveloppe formant boîtier ou contenus dans des enveloppes différentes.
[0034] Avec cette architecture 1 C, il est possible de réduire le volume du catalyseur EHTWC afin de limiter sa consommation énergétique. L’efficacité de cette architecture pourra cependant être supérieure, car le catalyseur EH-TWC3 aidera la montée en température du catalyseur TWC3 situé en aval, via le chauffage des gaz dans le catalyseur EH-TWC3 mais aussi via des composés exothermes créés par des réactions de post-traitement dans le catalyseur EH-TWC3.
[0035] De plus, il pourra être intéressant de dimensionner le volume du catalyseur EHTWC3 en fonction des besoins de dépollution, notamment pour les fortes charges du moteur thermique MT, sachant que dans sa position sous plancher les contraintes d’implantation sont moins importantes qu’en position de couplage direct sous le capot moteur du véhicule.
[0036] Lorsque le filtre à particules GPFt, GPF2 ou GPF3, est un filtre à particules de type à couche catalytique, le système de dépollution de gaz d’échappement, quelle que soit l’architecture 1A, 1B ou 1C considérée, aura des performances supérieures en dépollution. En effet, le filtre GPFt, GPF2 ou GPF3 comprend dans ce cas une couche catalytique réalisée par enduction, cette couche catalytique permettant de réaliser une conversion des polluants en sus du filtrage des suies. La conversion des hydrocarbures (HC), du monoxyde de carbone (CO) et des oxydes d'azote (NOx) sera ainsi réalisée en partie dans le filtre à couche catalytique GPF15 GPF2 ou GPF3 et l’efficacité du filtrage des suies pourra être ajustée. Dans le filtre à couche catalytique GPF15 GPF2 ou GPF3, on notera qu’une couche catalytique réalisée par enduction d’un matériau catalytique de type « trois-voies » ayant une capacité de stockage d’oxygène (matériau catalytique dit OSC de « Oxygen Storage Capacity » en anglais) facilitera la régénération du filtre par la mise à disposition d’oxygène actif pour la combustion des suies.
[0037] On notera que le système de dépollution de gaz d’échappement décrit ci-dessus est particulièrement bien adapté pour des véhicules hybrides avec une motorisation thermique à essence. Ainsi, par exemple, une telle application comprendra un filtre à particules GPF en position de couplage direct suivi d’un ou de deux catalyseurs à troisvoies dont l’un d’eux sera du type chauffé électriquement, EH-TWC, et monté sous plancher. Le chauffage électrique du catalyseur EH-TWC est activé avant le démarrage du moteur thermique, jusqu’à une température supérieure à 400°C, pour traiter les émissions polluantes dès le démarrage du moteur thermique. Un tel mode de fonctionnement est particulièrement aisé à mettre en oeuvre dans un véhicule hybride, compte-tenu que celuici dispose d’une puissance électrique nettement supérieure à celle d’un véhicule thermique conventionnel. Une fois que le moteur thermique a démarré et que les gaz d’échappement ont une température suffisamment élevée, la chauffe électrique du catalyseur EH-TWC peut être arrêtée ou réservée à des zones de fonctionnement du moteur présentant une thermique insuffisante, de manière à garantir une bonne efficacité de conversion des polluants. II est ainsi possible de traiter les émissions polluantes à froid et à chaud tout en limitant le vieillissement du catalyseur EH-TWC.
[0038] Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Véhicule équipé d’un système de dépollution des gaz d’échappement (GE) du moteur thermique (MT), ledit système comprenant des premier (2a, 2b, 2c) et deuxième (3a, 3b, 3c) dispositifs de traitement de gaz d’échappement montés dans une ligne d’échappement (6) dudit moteur thermique (MT), ledit premier dispositif de traitement de gaz d’échappement (2a, 2b, 2c) comprenant un filtre à particules (GPF15 GPF2, GPF3) qui est monté au niveau d’une sortie de gaz d’échappement (4) dudit moteur thermique (MT) et ledit deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement (3a, 3b, 3c) étant situé en aval dudit premier dispositif de traitement de gaz d’échappement (2a, 2b, 2c), selon le sens de circulation des gaz d'échappement (GE) dans ladite ligne d’échappement (6), caractérisé en ce que ledit deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement (3a, 3b, 3c) comprend un catalyseur d’oxydation chauffé électriquement (EH-TWCi, EH-TWC2, EH-TWC3) et est monté dans ladite ligne d’échappement (6) à distance dudit moteur thermique (MT) de manière à être localisé sous un plancher (5) dudit véhicule.
  2. 2. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier dispositif de traitement de gaz d’échappement (2a) comprend également un catalyseur d’oxydation (TWCh) disposé en aval dudit filtre à particules (GPF,), selon le sens de circulation des gaz d'échappement (GE) dans ladite ligne d’échappement (6).
  3. 3. Véhicule selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit filtre à particules (GPFt) et ledit catalyseur d’oxydation (TWCh) sont contenus dans une même enveloppe dudit premier dispositif de traitement de gaz d’échappement (2a).
  4. 4. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement (3a) comprend également un catalyseur d’oxydation (TWC3) disposé en aval dudit catalyseur d’oxydation chauffé électriquement (EH-TWC3), selon le sens de circulation des gaz d'échappement (GE) dans ladite ligne d’échappement (6).
  5. 5. Véhicule selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit catalyseur d’oxydation chauffé électriquement (EH-TWC3) et ledit catalyseur d’oxydation (TWC3) sont contenus dans une même enveloppe dudit deuxième dispositif de traitement de gaz d’échappement (3a).
    5
  6. 6. Véhicule selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit filtre à particules (GPF15 GPF2, GPF3) est de type à couche catalytique.
  7. 7. Véhicule selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche catalytique du filtre à particules (GPF15 GPF2, GPF3) est réalisée par une enduction d’un matériau catalyseur de type trois-voies ayant une capacité de stockage d’oxygène
    10 (OSC).
  8. 8. Véhicule selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que son moteur thermique (MT) est de type essence.
  9. 9. Véhicule selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que son moteur thermique (MT) est de type diesel.
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