FR2838770A1

FR2838770A1 - Systeme de depollution de gaz d'echappement d'un moteur diesel et procede de mise en oeuvre

Info

Publication number: FR2838770A1
Application number: FR0204769A
Authority: FR
Inventors: Aurelien Baudel; Cattin Frederic Novel
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-10-24
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: FR2838770B1

Abstract

Système de dépollution des gaz d'échappement issus d'un moteur Diesel, du type comprenant un dispositif catalyseur adapté pour piéger les oxydes d'azote et des moyens de régénération périodique du catalyseur par traitement thermique capables d'éliminer, au moins en partie, les gaz adsorbés par le catalyseur, tels que les sulfates présents dans les gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (8) d'injection d'hydrogène en amont du dispositif catalyseur (6), pendant la phase de régénération du catalyseur et des moyens de commande de la quantité d'hydrogène injecté de façon que la quantité d'hydrogène injecté soit suffisante pour élever la température par une réaction exothermique de l'hydrogène en présence d'oxygène à une valeur suffisante pour régénérer le catalyseur.

Description

conventionnels.

: - - - - - - -

Systeme de depollution de gaz d'echappement d'un moteur

Diesel et procede de mise en aeuvre.

La presente invention a pour objet un systeme de depollution des gaz d'echappement issus d'un moteur Diesel notamment d'un moteur Diesel de vehicule automobile, ainsi qu'un procede de mise en

ccuvre d'un tel systeme.

On utilise a l'heure actuelle des dispositifs catalytiques capables de pieger les oxydes d'azote NOx afin de diminuer le taux d'oxyde d'azote dans les gaz d'echappement issus des vehicules. On constate cependant que la duree de vie d'un tel dispositif catalytique est reduite. En effet, les sulfates presents dans les gaz d'echappement issus du carburant (gazole) ou de lthuile lubrifiant le moteur, se trouvent adsorbes de maniere preferentielle sur les sites catalytiques des oxydes d'azote, bloquant ainsi de maniere quasi-irreversible le

fonctionnement du catalyseur.

I1 est done necessaire de proceder periodiquement a une;

regeneration du dispositif catalytique piegeant les oxydes d'azote.

Cette regeneration consiste a clever la temperature du dispositif de piegeage d'oxydes d'azote au-dela de 650 C pendant une dizaine de minutes, en commandant ie fonctionnement du moteur de fa,con a augmenter la richesse du melange injecte, par exemple en decalant ['injection dans les cylindres. Il en resulte, dans le gaz d'echappement, un apport plus important de gaz reducteurs constitues par exemple par des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone. La demande de brevet WO 99/00588 decrit un exemple d'une telle regeneration consistent a clever la temperature d'un catalyseur d'oxydation en faisant fonctionner le moteur avec un melange plus riche qu'en fonctionnement normal. Une telle strategic de postinjection de reducteurs presente cependant des inconvenients. Wile augmente en effet de maniere notable la consommation du carburant. Wile a un impact sur l'agrement de conduite du vehicule en particulier lorsque l'ordinateur de bord commande automatiquement une phase de regeneration entranant une modification du fonctionnement du moteur. Cette strategic peut egalement entraner une dilution d'huile

nef aste.

Ces operations de regeneration dolvent neanmoins etre pratiquees assez frequemment. A titre d'exemple, si on utilise un carburant contenant 10 ppm de Soufre, la premiere regeneration du piege a oxyde d'azote doit intervenir apres un equivalent d' environ 15.000 km. La regeneration n'etant pas totale, la frequence de ces operations doit stintensifier au cours de la vie du vehicule et on peut estimer la duree de vie totale d'un piege a oxydes d'azote a moins de

50.000 km.

Par ailleurs, independamment du traitement catalytique des oxydes d'azote, on utilise maintenant sur la sortie des gaz d'echappement des moteurs Diesel, des filtres a particules de carbone capables de pieger les suies issues de la combustion. I1 est egalement necessaire de regenerer un tel filtre a particule au cours du roulage du vehicule. En effet, pendant les phases de chargement, le filtre a particules collecte les particules de suies emises par le moteur Diesel du vehicule. Le filtre se charge en suies ce qui entrane une augmentation de la pression en amont de la ligne d'echappement

susceptible d'entraner une surconsommation importante du moteur.

On peut envisager, pour regenerer le filtre a particules, de proceder 'a une combustion des suies piegees en continu grace a un revetement catalytique dispose dans le filtre a particules. Une telle procedure de regeneration ne suffit pas cependant a eliminer totalement les suies qui st accumulent dans le filtre a particules de sorte qu'il est necessaire de proceder a une regeneration plus importante lorsque la contre-pression engendree devient trop importante. Une telle regeneration ponctuelle n'est cependant possible qu'a des temperatures de l'ordre de 600 C qui doivent etre obtenues, comme precedemment, par une strategic de commande du moteur adaptee, entranant a nouveau une modification de la richesse du

melange ou un decalage de ['injection de carburant.

On comprend que ces differentes strategies de regeneration engendrent une augmentation de la consommation en carburant relativement importante. I1 a en effet ete constate que cette augmentation de consommation pouvait atteindre 5%. En outre, la modification de la richesse du melange air/carburant necessite des phases de reglage tres delicates a contr81er, en particulier lors des phases de transition entre les phases de fonctionnement normales et les

phases de fonctionnement avec un melange enrich).

I1 a deja ete propose dans le brevet US 5 599 758 de regenerer un catalyseur devitalise, utilise en particulier sur la ligne d' echappement d' une centrale thermique, au moyen de gaz contenant un exces de reducteurs tel qu'un melange d'oxyde de carbone et d'hydrogene. La presente invention a pour objet un systeme de depollution qui permet la regeneration d'un dispositif catalyseur et, s'il y a lieu d'un filtre a particules associe, tout en reduisant la surconsommation

de carburant constatee dans les dispositifs de l' art anterieur.

La presente invention a egalement pour objet d'ameliorer la regeneration des filtres a particules places dans la ligne

d'echappement d'un moteur Diesel de vehicule automobile.

Enfin, l' invention a egalement pour objet un systeme et un procede de depollution assurant une meilleure desulfatation d'un piece

a oxydes d'azote.

Le systeme de ['invention permettant la depollution des gaz d'echappement issus d'un moteur Diesel, comprend un dispositif catalyseur adapte pour pieger les oxydes d'azote et des moyens de regeneration periodique du catalyseur par traitement thermique, capables d'eliminer, au moins en partie, les gaz adsorbes par le

catalyseur, tels que les sulfates presents dans les gaz d'echappement.

Des moyens d' injection dthydrogene vent prevus en amont du

dispositif catalyseur, pendant la phase de regeneration du catalyseur.

Des moyens de commande de la quantite d'hydrogene injecte vent egalement prevus de fa,con que la quantite d'hydrogene injecte soit suffisante pour clever la temperature par une reaction exothermique de l'hydrogene en presence d'oxygene a une valeur suffisante pour regenerer le catalyseur. La reduction des oxydes d'azote adsorbes par le catalyseur est obtenue par reaction avec les gaz reducteurs supplementaires resultant d'une post- inj ection de carburant. La quantite de ces reducteurs est choisie de fa, con juste suffisante pour

realiser la reduction recherchee.

On peut ainsi regenerer le catalyseur, en particulier par desulfatati on, tout en dimi nuant la quantite de reducteur s intro duits pour le traitement des oxydes d'azote, limitant ainsi la

: 10 surconsommation de carburant.

Dans un mode de realisation prefere, le systeme de depollution de ['invention comprend en outre un filtre a particules monte en serie du dispositif catalyseur, la quantite d'hydrogene injecte en amont etant regulee de fa,con a etre suffisante pour clever la temperature par une : 15 reaction exothermique de l'hydrogene en presence d' oxygene a une

valeur suffisante pour regenerer le filtre a particules.

On obtient ainsi a la fois la regeneration du catalyseur et celle

du filtre a particules.

Le filtre a particules est de preference monte en aval du

dispositif catalyseur.

Avantageusement, le systeme comprend en outre de-s moyens pour controler le moteur pendant la phase de regeneration du catalyseur, de fa,con a decaler ['injection de carburant par rapport a un fonctionnement normal et augmenter ainsi la quantite de gaz reducteurs dans les gaz d'echappement. Comme indique precedemment, la quantite de gaz reducteurs qu'il convient d'introduire peut etre diminuee du fait que ['elevation de temperature

est assuree par 1'inj ection d'hydrogene.

Dans un mode de realisation prefere, le dispositif catalyseur comprend au moins deux conduites en parallele, reliees a la sortie du moteur par une vanne de commande motorisee capable de reduire le debit des gaz d'echappement, pendant la phase de regeneration du -- catalyseur, soit dans l'une des conduites soit dans l'autre, chacune desdites conduites renfermant un filtre catalytique. Les moyens s dtinjection d' hydrogene vent capables d' injecter l' hydrogene, en quantite contr81ee alternativement dans l'une ou l'autre desdites

conduites en fonction de la position de la vanne de commande.

Dans ce mode de realisation, l'hydrogene est done injecte uniquement sur le dispositif catalyseur qui ntest traverse que par debit reduit en gaz d'echappement, ce qui permet d'effectuer la depollution recherchee sans apport de reducteurs supplementaires mais uniquement a 1' aide de 1'hydrogene inj ecte avec un debit reduit. L'hydrogene injecte joue alors un double r81e; augmentant la temperature jusqu'a la valeur necessaire pour la regeneration, par reaction exothermique avec

l'oxygene present et reduisant les oxydes d'azote.

Pour as surer le fonctionnement convenab le, on peut prevoir un debit de fuite approprie a travers la vanne motorisee dans la conduite ou se fait la regeneration. Ce debit de fuite est juste suffisant pour entraner l'hydrogene a travers le dispositif catalyseur et pour amener

l'oxygene supplementaire necessaire a la reaction avec l'hydrogene.

En variante, on peut remplacer ce debit de fuite par une injection supplementaire d'un gaz neutre d'entranement eventuellement additionne d'oxygene en quantite suffisante pour assurer la montee en temperature desiree par reaction exothermique

avec l'hydrogene.

Un filtre a particules peut etre monte en aval de chaque filtre catalytique. Les moyens d'injection d'hydrogene comprennent avantageusement un dispositif d'injection associe a une vanne pilotee

reliee par des canalisations aux deux conduites precitees.

Le procede de depollution selon ['invention repose sur la regeneration periodique d'un catalyseur place sur le trajet des gaz d'echappement issus d'un moteur Diesel, au moyen d'un traitement thermique capable d'eliminer, au moins en partie, les gaz adsorbes par le catalyseur, tels que les sulfates presents dans les gaz d'echappement. On injecte de lthydrogene en amont du dispositif catalyseur, pendant la phase de regeneration du catalyseur, la quantite d'hydrogene injecte etant commandee de fa,con a clever la temperature :- ' ::

par une reaction exothermique de l'hydrogene en presence d'oxygene.

- On modifie la richesse du melange carburant injecte dans le moteur pour augmenter les gaz reducteurs dans les gaz d'echappement de

fa,con a reduire les oxydes d'azote adsorbes par le catalyseur.

En variante, on by-passe une partie de l'ecoulement des gaz d'echappement pendant la phase de regeneration du catalyseur et on injecte l'hydrogene uniquement dans la partie isolee du catalyseur en une quantite suffisante pour d'une part, clever la temperature par reaction avec l'oxygene et d'autre part, reduire les oxydes d'azote. La

richesse du melange injecte n'est pas modifiee.

- Dans tous les cas, on comprendra qu'il convient de regler avec precision les quantites d'hydrogene injecte et eventuellement d'oxygene provenant de la post-injection dans le moteur de fa,con a -- eviter d'atteindre des quantites qui conduiraient a la formation d'un melange en quantites stoechiometriques qui pourrait donner lieu a une explosion.

L'invention sera mieux comprise a ['etude de la description

- detaillee de deux modes de realisation pris a titre d'exemples

nullement limitatifs illustres par les dessins annexes sur lesquels: ; 20 la figure 1 illustre schematiquement un premier mode de realisation de ['invention et la figure 2 illustre schematiquement un

- deuxieme mode-de realisation de ['invention.

Tel qu'il est illustre sur la figure 1 selon le premier mode de realisation de ['invention, le systeme de depollution est associe a un 25 moteur Diesel represente schematiquement en 1 et comportant a titre d'exemple quatre cylindres 2 associes a un dispositif d'injection reference 3 dans son ensemble. Les gaz d'echappement issus de la combustion du carburant injecte s'echappent par la conduite d', echappement 4 a l'interieur de laquelle se trouve monte un dispositif catalytique S qui comprend en aval un piege a oxydes d'azote 6 et en

amont un filtre a particules 7.

Un dispositif d' injection 8 est place dans la conduite d'echappement 4 en amont du dispositif catalytique S. Un reservoir d'hydrogene 9 est relic au dispositif dtinjection 8. La commande de : fonctionnement du dispositif d'injection 8 est pilotee par l'ordinateur de commande 10 qui pilote egalement le fonctionnement du moteur 1 et agit en particulier par la connexion 11 sur les dispositifs dtinjection 3. La commande du dispositif d'injection 8 se fait par l'intermediaire de la connexion 12. On salt qu'en presence d'oxygene et d'une phase catalytique aux proprietes oxydantes, l'hydrogene reagit a temperature relativement basse, inferieure a 100 C selon la reaction: H2 + 2 O2 H2O avec un degagement de chaleur dont la valeur est

AH = 120 kJ/g d H2.

Lorsque l'ordinateur de commande 10 detecte qu'une operation de regeneration du dispositif catalytique 5 doit etre effectuee, ctest-a dire apres que le vehicule ait parcouru un certain nombre de kilometres, l' ordinateur 10 commande le dispositif d' injection 8 de fa,con a injecter de l'hydrogene dans la canalisation d'echappement 4 en amont du dispositif catalytique 5. Cette operation se fait alors que le vehicule continue de rouler et en cours de fonctionnement du moteur. Simultanement, le dispositif d' injection 3 est commande de fa,con a augmenter la richesse du melange, ce qui entrane une injection supplementaire de gaz reducteurs 13 dans les gaz

d'echappement 4.

L'injection d' hydrogene par le dispositif d' injection 8 en amont du dispositif catalytique 5 est tres precisement calibree de facon a atteindre une temperature suffisante pour un traitement thermique de desulfatation du piege a oxydes d'azote 6. L'oxygene necessaire a la reaction est present sur le catalyseur et en partie amene par les gaz reducteurs dont la quantite est reglee avec precision par lt ordinateur de commande 10. Il est ainsi possible de maintenir la surconsommation a une valeur minimale en diminuant considerablement la quantite des gaz reducteurs supplementaires 13

puisque ['elevation de temperature est obtenue par l'hydrogene injecte.

On peut envisager en variant le procede a la desulfatation par elevation thermique uniquement par injection d'hydrogene sans

modifier la richesse du melange injecte.

Dans lt exemple illustre sur la figure 1 ou le dispositif catalytique comporte en outre un filtre a particules 7, place ici en aval du piege a oxyde d'azote 6, ['injection dthydrogene par le dispositif d'injection 8 permet en outre d'atteindre des temperatures de l'ordre de 600 C dans le filtre a particules, temperature suffisante pour entralner la combustion des suies. Cette temperature peut etre obtenue soit par la seule injection de l'hydrogene soit en utilisant un compromis entre ['injection d'hydrogene et la post-injection de reducteurs supplementaires 13 au moyen d'une action sur la richesse

du melange injecte.

Selon les applications, on pourra utiliser des quantites d'hydrogene comprises entre 0,5 et 22 g pour chaque operation de ... regeneraton. L'hydrogene ainsi injecte dans le dispositif illustre sur la figure 1 sert d'une part, a clever la temperature du piege a oxydes d'azote et d'autre part a rendre le milieu plus reducteur par le nettoyage de l'oxygene present sur le piege a oxydes d'azote. La desulfatation du piege a oxydes d'azote est ainsi facilitee comme l'etape de desorption des oxydes d'azote en azote lors de la phase de regeneration. Enfin, ['elevation de temperature generee par la combustion de l'hydrogene permet simultanement la regeneration du filtre a particules si celui-ci est present. On comprend que la depollution du piege a oxydes d'azote et eventuellement du filtre a particules associe se fait ainsi, selon ['invention, par la combinaison de ['injection dthydrogene en quantite precise et de la post-injection de carburant augmentant la quantite de gaz reducteurs dans les gaz d'echappement. Le mode de realisation illustre sur la figure 2 sur laquelle les elements identiques portent les memes references, presente deux conduits 13, 14 montes en parallele sur la conduite d'echappement 4, relies a celle-ci par un embranchement muni d'une vanne de commande motorisee 15 capable de diriger les gaz d'echappement pendant la phase de regeneration du catalyseur soit dans la conduite 13 soit dans la conduite 14 en by-passant l'autre conduite. Chacune des conduites 13, 14 renferme un dispositif catalytique 5 constitue comme dans l'exemple precedent d'un piege a oxydes d'azote 6 et d'un filtre a particules 7 place en aval. A la sortie des deux dispositifs catalytiques, les conduites 13 et 14 se rej oignent en direction de la sortie d'echappement 4a. Un dispositif d' injection unique 8 relic a un reservoir d'hydrogene 9 est place entre les deux conduites 13 et 14 avec interposition de deux vannes 16, 17, chacune pilotee par l'intermediaire d'une liaison 18 par un dispositif de commande 19. Le dispositif de commande 19 est egalement capable d'agir par la liaison

sur la position de la vanne motorisee 15.

Le dispositif de commande 1 9 ainsi que le dispositif d' injection 8 vent pilotes par l'intermediaire des liaisons 21 et 22 respectivement par l'ordinateur de commande 10 du vehicule qui gere egalement le

fonctionnement du dispositif d'injection 3 du moteur 1.

Lorsqu'il convient de proceder a la regeneration des deux dispositifs catalytiques 5 respectivement montes dans les conduites 13 et 14, ltordinateur de commande 10 agit sur la vanne motorisee 15 de fac,on a isoler l'une des conduites, par exemple la conduite 14. Dans ce cas, un faible debit de fuite des gaz d'echappement traverse le dispositif catalytique 5 se trouvant dans la conduite 14. La quasi totalite du debit traverse uniquement le dispositif catalytique 5 se trouvant dans la conduite 13. Simultanement, la vanne 17 est commandee de fac, on a s'ouvrir et le dispositif d'injection 8 est commande a fa,con a injecter une quantite precise d'hydrogene a travers la vanne 17 dans la conduite 14 en amont du dispositif

catalytique 5.

L'hydrogene injecte agit comme precedemment, en augmentant la temperature dans le dispositif catalytique 5 par reaction avec l'oxygene piege dans le piege a oxydes d'azote 6. De la meme maniere, l'hydrogene agit egalement pour reduire les oxydes d'azote en azote. Enfin, ['elevation de temperature est egalement suffisante pour proceder a la regeneration du filtre a particules 7. Grace a ['existence de la vanne 15, il est possible de proceder a la regeneration au moyen d'une injection reduite d'hydrogene. La quantite d'hydrogene injectee peut etre tres exactement asservie au fonctionnement du moteur par ltordinateur 10. Le by-pass du debit des gaz d'echappement permet d'operer avec un exces dthydrogene pour la depollution recherchee, de fa,con a ainsi obtenir la desulfatation du piege a oxydes d'azote et la regeneration du filtre a particules sans qut il y ait lieu de proceder a une quelconque post- injection de carburant generant une augmentation de gaz reducteusr, c'est- a-dire sans qu'il y ait lieu d'agir sur la richesse du melange injecte dans le

moteur pendant la phase de regeneration.

Le debit de faite autorise par la vanne 15 doit etre juste suffisant pour entraner lthydrogene injecte a travers le dispositif

catalytique 5.

Apres cette premiere phase de regeneration du dispositif catalytique 5 se trouvant dans la conduite 14, il suffit d'inverser la position de la vanne motorisee 15 et de commander ltouverture de la vanne 16 pour proceder de la meme maniere a la depollution du

dispositif catalytique 5 se trouvant dans la conduite 13.

Une telle regeneration alternative dans l'une puis l'autre des conduites permet ainsi de travailler avec des quantites d'hydrogene plus faibles et d'eviter la surconsommation resultant de l' augmentation

de la richesse du melange injecte.

: ::

, 2838770

Claims

REVENDICATIONS

::: :' 1. Systeme de depollution des gaz d'echappement issus d'un moteur Diesel, du type comprenant un dispositif catalyseur adapte pour pieger les oxydes d'azote et des moyens de regeneration periodique du catalyseur par traitement thermique capables d'eliminer, au moins en partie, les gaz adsorbes par le catalyseur, tels que les sulfates presents dans les gaz d'echappement, caracterise par le fait qu'il comprend des moyens (8) d'injection d'hydrogene en amont du dispositif catalyseur (6), pendant la phase de regeneration du catalyseur et des moyens de commande de la quantite d'hydrogene injecte de fa,con que la quantite d'hydrogene injecte soit suffisante - pour clever la temperature par une reaction exothermique de l'hydrogene en presence d'oxygene a une valeur suffisante pour

regenerer le catalyseur.
2. Systeme de depollution selon la revendication 1 caracterise - par le fait qu'il comprend en outre un filtre a particules (7) monte en i serie du dispositif catalyseur (6), la quantite d'hydrogene injecte en amont etant suffisante pour clever la temperature par une reaction =Yexothermique de l'hydrogene en presence d'oxygene en vue de

regenerer le filtre a particules.
3. Systeme de depollution selon la revendication 2 caracterise : par le fait que le filtre a particules (7) est monte en aval du dispositif

- catalyseur (6).
4. Systeme de depollution selon l'une quelconque des

: revendications 1 a 3 caracterise par le fait qu'il comprend en outre des

moyens (10) pour controler le moteur pendant la phase de regeneration du catalyseur (6), de fac,on a decaler ['injection de carburant par rapport a un fonctionnement normal et augmenter ainsi la quantite de - 30 gaz reducteurs dans les gaz d'echappement pour reduire les oxydes

d'azote adsorbes par le catalyseur (6).
5. Systeme de depollution selon l'une quelconque des

revendications 1 a 3 caracterise par le fait que le dispositif catalyseur

: :: ic comprend au moins deux conduites en parallele (137 14), reliees a la sortie du moteur par une vanne de commande motorisee (15) capable de reduire le debit des gaz d'echappement, pendant la phase de regeneration du catalyseur, soit dans l'une des conduites soit dans l'autre, chacune desdites conduites renfermant un filtre catalytique (5) et que les moyens (8) d' inj ection d' hydrogene vent capables d' injecter l'hydrogene en quantite controlee alternativement dans l'une ou l'autre desdites conduites en fonction de la position de la vanne de

c ommande.
6. Systeme de depollution selon la revendication 5 caracterise par le fait qu'un filtre a particules (7) est monte en aval de chaque

filtre catalytique (6).
7. Systeme de depollution selon la revendication 5 ou 6 caracterise par le fait que les moyens d'injection d'hydrogene comprennent un dispositif d'injection associe a une vanne (16, 17)

pilotee reliee par des canalisations aux deux conduites precitees.
8. Procede de depollution par regeneration periodique d'un catalyseur place sur le trajet des gaz d'echappement issus d'un moteur Diesel (1), au moyen d'un traitement thermique capable d'eliminer, au moins en partie, les gaz adsorbes par le catalyseur, tels que les sulfates presents dans les gaz d'echappement,: caracterise par le fait qu'on injecte de l'hydrogene en amont du dispositif catalyseur (6), pendant la phase de regeneration du catalyseur, la quantite d'hydrogene injecte etant commandee de fa,con a clever la temperature par une reaction exothermique de l'hydrogene en presence d'oxygene et on modifie la richesse du melange dans le moteur pour augmenter les gaz reducteurs dans les gaz d'echappement de fa,con a reduire les

oxydes d'azote adsorbes par le catalyseur.
9. Procede de depollution par regeneration periodique d'un - 30 catalyseur place sur le trajet des gaz d'echappement issus d'un moteur Diesel (1), au moyen d'un traitement thermique capable d'eliminer, au moins en partie, les gaz adsorbes par le catalyseur, tels que les sulfates presents dans les gaz d'echappement caracterise par le fait qu'on by-passe une partie de l'ecoulement des gaz d'echappement pendant la phase de regeneration du catalyseur et qu'on injecte de l'hydrogene, uniquement dans la partie isolee du catalyseur, en amont du dispositif catalyseur, la quantity d'hydrogene injecte etant commander de falcon a clever la temperature par une reaction exothermique de l'hydrogene en presence d'oxygene et d'autre part a