FR2876413A1 - Filtre a particules impregne d'une formulation catalytique pour moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un filtre à particules monté dans la ligne d'échappement 1 d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, comprenant un filtre à particules 2 comprenant des bouchons 6 et un matériau céramique 3 présentant une porosité d'au moins 40 % imprégné d'une formulation catalytique capable de retenir les oxydes d'azotes, ladite formulation comprenant au moins un métal précieux, au moins un oxyde de métal de transition et/ou de terres rares, et au moins un élément alcalin et/ou alcalinoterreux.

Description

Filtre à particules imprégné d'une formulation catalytique pour
moteur à combustion interne.
La présente invention concerne le domaine de la filtration catalytique des gaz d'échappement produits par les moteurs à combustion interne, notamment les moteurs Diesel.
L'invention concerne plus particulièrement un filtre à particules imprégné d'une formulation catalytique capable de retenir les oxydes d'azote contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, notamment un moteur Diesel.
Les moteurs à combustion interne, et plus particulièrement les moteurs de type Diesel, rejettent dans l'atmosphère des particules polluantes dont il convient de diminuer la quantité. Ces particules, qui sont constituées de suies produites lors d'une combustion imparfaite dans le moteur, peuvent être piégées dans les gaz d'échappement par l'implantation d'un filtre à particules dans la ligne d'échappement en aval des chambres de combustion du moteur. Un tel filtre est conçu de façon à pouvoir retenir les particules se trouvant dans les gaz d'échappement qui traversent le filtre. Au fur et à mesure de l'utilisation du moteur, les particules s'accumulent dans le filtre et finissent par entraîner une contrepression importante à l'échappement du moteur, ce qui diminue considérablement ses performances.
Afin de rétablir les performances du moteur, on sait pratiquer une régénération du filtre par combustion des particules qui s'y sont accumulées. Cette opération de combustion est rendue possible par une élévation de la température interne du filtre à particules et d'une teneur en oxygène suffisante pour assurer les réactions de combustion.
On parle alors de régénération active . La régénération active des filtres à particules est pénalisante en termes de consommation de carburant. Elle est limitée à des conditions de fonctionnement spécifiques, et elle nécessite un système de commande permettant de juger précisément l'état de remplissage du filtre. De toutes manières, il est souhaitable de diminuer autant que possible la fréquence des régénérations actives.
Il est connu également que, si la température et la teneur en dioxyde d'azote NO2 des gaz d'échappement sont suffisantes, les suies peuvent réagir avec le NO2, entraînant l'oxydation du carbone des suies en CO2, et la réduction du NO2 en NO. Il est ainsi possible de diminuer la masse des particules contenues dans le filtre. On parle alors de régénération passive . Cette réaction est plus lente que la régénération active. Toutefois, elle contribue à la diminution des suies stockées, et elle permet la diminution de la fréquence des régénérations actives, entraînant donc une baisse de la consommation de carburant.
Les conditions de fonctionnement du véhicule permettant d'obtenir des vitesses de régénération passive significatives sont en général rencontrées lorsque le véhicule se déplace à grande vitesse. Ainsi, l'utilisation du véhicule en ville, c'est-à-dire à faible vitesse, ne permet pas de bénéficier significativement de ce phénomène.
De plus, la régénération passive des filtres à particules est limitée par la disponibilité des oxydes d'azote et par leur état d'oxydation. I1 est donc nécessaire de disposer un catalyseur d' oxydation en amont du filtre. De plus, les normes réglementaires concernant les émissions d'oxydes d'azote obligent à réduire les émissions d'oxydes d'azote, conduisant ainsi à une plus grande difficulté pour obtenir les conditions favorables à une régénération passive.
Une technique, décrite dans les demandes de brevet US 2002/046562, EP0758713A1, ou encore WO 00/34632, consiste à disposer dans la ligne d'échappement, en amont du filtre à particules, un catalyseur permettant de favoriser l'oxydation du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2.
On sait enfin que le traitement simultané des oxydes d'azote et des particules est possible à condition d'utiliser un filtre à particules imprégné d'une formulation catalytique capable de piéger les oxydes d'azote, un système de commande permettant de déclencher des phases de régénération du filtre, et des réglages du moteur permettant d'obtenir une composition des gaz d'échappement favorable à la réduction des oxydes d'azote piégés. Le principe d'un tel système a par exemple été décrit dans la demande de brevet WO O1/61160A1 (TOYOTA).
Toutefois, ces techniques restent limitées à des conditions de fonctionnement du moteur pour lesquelles les émissions totales d'oxyde d'azote NOx (NO et NO2) sont suffisantes.
L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes.
Un objet de la présente invention est de diminuer la fréquence de régénération active des filtres à particules utilisés dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion interne, et donc la surconsommation associée à ces régénérations actives.
La présente invention a également pour objet de favoriser la réaction entre les suies stockées dans le filtre à particules et les oxydes d'azote NOx émis par le moteur, c'est-à-dire la régénération passive.
La présente invention a encore pour objet un filtre à particules capable de favoriser la régénération passive à des températures plus faibles que les systèmes classiques.
Le dispositif de filtre à particules de l'invention est monté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel. Il comprend un matériau céramique de filtrage présentant une porosité d'au moins 40 %, et de préférence entre 50 et 80%, imprégné d'une formulation catalytique capable de retenir les oxydes d'azotes, ladite formulation comprenant au moins un métal précieux, au moins un oxyde de métal de transition et/ou de terres rares, et au moins un élément alcalin et/ou alcalinoterreux.
La présente invention est donc basée sur l'imprégnation d'un matériau poreux avec une formulation catalytique permettant de retenir les oxydes d'azote sous forme de nitrates.
Ainsi, la présente invention permet d'utiliser des réglages du moteur respectant les normes réglementaires sans traitement particulier des oxydes d'azote, simplifiant ainsi le système global de dépollution, mais en bénéficiant malgré tout avantageusement de la réaction entre les oxydes d'azote et la suie, grâce à la fonction de stockage des NOx.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le ou les métaux précieux sont choisis parmi le platine, le palladium et le rhodium.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le ou les oxydes de métal et/ou de terres rares est choisi parmi l'alumine, la cérine, la zircone et/ou leurs oxydes mixtes.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le ou les éléments alcalins et/ou alcalinoterreux sont choisis parmi Li, K, Rb, Cs, Sr et Ba.
Selon une variante, de l'invention, le matériau céramique est choisi parmi le carbure de silicium, la cordiérite ou la mullite.
Selon l'invention, un procédé de filtration catalytique de particules contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, consiste, d'une manière générale, à former tout d'abord des nitrates d'oxydes d'azote à partir des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement. Puis, on retient les nitrates ainsi formés et on fait passer le flux des gaz d'échappement chargés de particules en contact avec les nitrates formés.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 représente schématiquement un filtre à particules selon la présente invention; et -les figures 2 à 4 illustrent les effets techniques obtenus en utilisant un dispositif selon la présente invention.
La figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement 1 d'un moteur à combustion interne, comprenant un filtre à particules 2. Le moteur est, de préférence, un moteur à explosion fonctionnant en mélange pauvre, par exemple un moteur Diesel dont l'air d'admission est comprimé par un turbocompresseur, non représenté sur la figure. Le filtre à particules 2 est avantageusement situé à proximité de la sortie de la turbine du turbocompresseur, afin de bénéficier de la température élevée des gaz d'échappement à cet endroit.
Le filtre à particules 2 comprend un matériau céramique 3 poreux et des bouchons 6 disposés alternativement sur la face d'entrée et sur la face de sortie du filtre à particules 2. Avantageusement, la porosité du matériau 3 est supérieure ou égale à 40 %, et de préférence comprise entre 50 et 80%. On entend ici par porosité, la proportion de cavités ouvertes dans le matériau, ces cavités étant capables de recevoir et de piéger les nitrates 4 formés, comme précisé plus loin. Le matériau céramique 3 utilisé comme filtre à particule peut être par exemple constitué de carbure de silicium (SiC), de cordiérite ou de mullite.
Le matériau céramique 3 est imprégné d'une formulation catalytique ( washcoat en langue anglaise), ladite formulation comprenant au moins un métal précieux, au moins un oxyde de métal de transition et/ou de terres rares, et au moins un élément alcalin et/ou alcalinoterreux.
Le métal précieux est de préférence choisi parmi le platine, le palladium et le rhodium, dans une proportion massique comprise entre 0,01 et 5% par rapport au poids total de la formulation catalytique.
L'oxyde de métal de transition et/ou de terres rares, utilisé comme supports des métaux précieux, est de préférence choisi parmi l'alumine, la cérine, la zircone, et/ou leurs oxydes mixtes et est présent dans une proportion massique comprise entre 75 et 99% par rapport au poids total de la formulation catalytique.
L'élément alcalin et/ou alcalinoterreux est de préférence choisi parmi Li, K; Rb, Cs, Sr, Ba, dans une proportion massique comprise entre 0,5 et 20% par rapport au poids total de la formulation catalytique. Cet élément est employé pour sa capacité à former des nitrates et à piéger les oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement du moteur.
Grâce à cette formulation catalytique et à la porosité du matériau de filtrage, les oxydes d'azotes sont retenus sous forme de nitrates 4 dans le matériau céramique 3 et restent donc en contact avec les suies 5 issues du processus de combustion. Le filtre à particules selon l'invention laisse passer les gaz d'échappement, mais retient les particules issues de la combustion du moteur avec une efficacité d'au moins 85% en poids. Le contact entre les suies 5 et les nitrates 4 piégés par la formulation catalytique dans le matériau poreux 3 permet l'oxydation du carbone contenu dans les suies 5, en dioxyde de carbone CO2 et la réduction du NO2 en NO. La forte porosité du matériau 3 de filtrage amplifie le contact entre la suie 5 et les nitrates stockés 4.
A titre d'exemple, un test d'homologation réglementaire (cycle NMVEG) a été réalisé avec d'une part un filtre à particules conventionnel, sans fonction de stockage des oxydes d'azote (filtre A en cordiérite), et d'autre part avec un filtre à particules selon la présente invention (filtre B en cordiérite), sur un véhicule équipé d'un moteur Diesel d'une cyclindrée de 2.2 L, avec un système d'injection de type rampe commune .
La figure 2 illustre l'efficacité de filtration, en pourcentage en poids, des deux filtres. On constate que cette efficacité de filtration est élevée dans les deux cas, supérieure ou égale à 90 %.
En revanche, la figure 3 montre la masse de suies, déterminée par pesée des filtres, après l'ensemble des tests réglementaires, c'est-à-dire le pré-conditionnement et le cycle NMVEG, répétés deux fois.
Le filtre A (sans formulation) a retenu 5 g de suies, c'est-à-dire qu'il n'a pas rencontré lors des tests les conditions favorables à la régénération passive totale des suies. Le filtre B selon l'invention a accumulé dans les mêmes conditions 0.2 g de suies, c'est-à-dire une quantité négligeable, grâce à sa capacité à retenir les oxydes d'azote sous forme de nitrates, ce qui favorise l'oxydation des suies à des températures modérées, telles que celles rencontrées lors des essais réglementaires d'homologation.
La figure 4 illustre la capacité des filtres A et B à favoriser la régénération passive des suies. Un profil de roulage a été appliqué sur le même moteur que dans l'exemple précédent, dans le but d'accumuler des suies dans le filtre à particules, pour caractériser la contre-pression engendrée par le filtre chargé en suies.
Pour charger 12.5 g de suies dans le filtre à particules B selon l'invention, il est nécessaire d'appliquer 30 minutes de chargement. Pour charger la même masse de suies dans un filtre à particules catalysé, de même volume, ne comportant pas de fonction de piégeage des oxydes d'azote, mais générant une contre-pression analogue (filtre A), 20 minutes de chargement suffisent. Ainsi, l'invention permet de favoriser la régénération passive des suies dans des conditions pour lesquelles la température à l'entrée du filtre ne dépasse pas 350 C.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1-Dispositif de filtre à particules (2) monté dans la ligne d'échappement (1) d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, caractérisé en ce qu'il comprend des bouchons (6) et un matériau céramique de filtrage (3) présentant une porosité d'au moins 40 % et de préférence entre 50 et 80%, imprégné d'une formulation catalytique capable de retenir les oxydes d'azote sous forme de nitrates (4), ladite formulation comprenant: (a) au moins un métal précieux, (b) au moins un oxyde de métal de transition et/ou de terres rares, et (c) au moins un élément alcalin et/ou alcalinoterreux.
2-Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le métal précieux est choisi parmi le platine, le palladium et le rhodium.
3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le métal précieux est présent en une proportion massique comprise entre 0,01 et 5% par rapport au poids total de la formulation catalytique.
4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'oxyde de métal et/ou de terres rares est choisi parmi l'alumine, la cérine, la zircone et/ou leurs oxydes mixtes.
5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'oxyde de métal et/ou de terres rares est présent en une proportion massique comprise entre 75 et 99% par rapport au poids total de la formulation catalytique.
6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément alcalin et/ou alcalinoterreux est choisi parmi Li, K, Rb, Cs, Sr et Ba.
7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément alcalin et/ou alcalinoterreux est présent en une proportion massique comprise entre 0,5 et 20% par rapport au poids total de la formulation catalytique.
8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau céramique est choisi parmi le carbure de silicium, la cordiérite ou la mullite.
9-Procédé de filtration catalytique de particules contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur Diesel, caractérisé par le fait qu'après formation de nitrates d'oxydes d'azote à partir des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement, on retient les nitrates ainsi formés et on fait passer le flux des gaz d'échappement chargés de particules en contact avec les nitrates formés.
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