FR2893261A1 - Procede et dispositif de chauffage d'un systeme de generation d'agent reducteur pour une installation de post- traitement de gaz d'echappement. - Google Patents

Abstract

Procédé de chauffage d'un système de génération d'agent réducteur (1) d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (50) par combustion de carburant selon lequel on génère l'agent réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (50) par un système de génération d'agent réducteur (1) fonctionnant de manière discontinue, le système de génération d'agent réducteur (1) se composant d'un brûleur à plasma (10), d'une chambre de formation de mélange (41, 42) en amont ou en aval, d'une unité de réformage/oxydation (60) ainsi que d'une unité combinée accumulatrice d'oxydes d'azote/générateur d'ammoniac (61), et on génère les oxydes d'azote dans le plasma (30) d'un brûleur à plasma (10).On déclenche la combustion du carburant par le plasma (30).

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de

chauffage d'un système de génération d'agent réducteur d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne par combustion de carburant. Selon ce procédé on génère l'agent réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion in-terne par un système de génération d'agent réducteur fonctionnant de manière discontinue, le système de génération d'agent réducteur se composant d'un brûleur à plasma, d'une chambre de formation de mélange en amont ou en aval, d'une unité de réformage/oxydation ainsi que d'une unité combinée d'accumulation d'oxyde d'azote/génération d'ammoniac, et ainsi on génère les oxydes d'azote dans le plasma du brûleur à plasma.

L'invention concerne également un dispositif de chauffage d'un système de génération d'agent réducteur d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion in-terne par combustion de carburant dosé par une installation de dosage de carburant ; le système de régénération d'agent réducteur se compose d'un brûleur à plasma, d'une chambre de formation de mélange en amont ou en aval, d'une unité de réformage/oxydation ainsi que d'une unité combinée accumulateur d'oxydes d'azote/génération d'ammoniac pour générer de manière discontinue de l'ammoniac à partir de carburant et d'air et/ ou de gaz d'échappement pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Etat de la technique Dans le cadre de la future réglementation concernant les rejets d'oxydes d'azote par les véhicules automobiles, il faut prévoir un traitement aval ou post-traitement des gaz d'échappement. La réduction catalytique sélective SCR peut s'utiliser pour réduire les rejets d'oxydes d'azote (dénitrification) des moteurs à combustion en particulier des moteurs diesel fonctionnant avec un mélange principalement maigre c'est-à-dire générant des gaz d'échappement riches en oxygène. Pour cela on ajoute aux gaz d'échappement une quantité définie d'un agent réducteur à effet sélectif. Cet agent peut se présenter par exemple sous la forme d'ammoniac, dosé directement à l'état gazeux ou également d'une matière première sous la forme d'urée ou d'une solution aqueuse d'urée (solution HWL).

Le document DE-199 22 961-C2 décrit une installation de nettoyage des gaz d'échappement d'une source de combustion notamment d'un moteur à combustion d'un véhicule automobile pour en éliminer les oxydes d'azote à l'aide d'un catalyseur générant de l'ammoniac qui utilise comme composant au moins en partie les gaz d'échappement dégagés par la source de combustion pendant les phases de fonctionnement avec génération d'ammoniac et un catalyseur réducteur d'oxydes d'azote en aval du catalyseur générant de l'ammoniac pour réduire de manière sélective les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement de la source de combustion en utilisant l'ammoniac généré comme agent réducteur. Il est prévu une unité de génération d'oxydes d'azote externe à la source de combustion pour enrichir les gaz d'échappement fournis au catalyseur générateur d'ammoniac avec les oxydes d'azote ainsi formés pendant la phase de fonctionnement de génération d'ammoniac. Comme unité générant des oxydes d'azote, on a par exemple un générateur à plasma pour oxyder par un procédé au plasma, la veine de gaz fournie, contenant de l'azote, pour former des oxydes d'azote. L'hydrogène nécessaire à la formation d'ammoniac est obtenu pendant la phase de fonctionnement avec génération d'ammoniac en faisant fonctionner la source de combustion avec un mélange riche, c'est-à-dire un mélange air/carburant enrichi en carburant. Un procédé de chimie au plasma pour générer un mélange de gaz riche en oxygène est décrit dans le document WO 01/14702-Al. Selon ce document on traite dans un arc électrique, un mélange carburant/air de préférence dans les conditions POx. Pour éviter d'avoir à transporter un autre agent de fonctionnement, on a proposé entre-temps, dans un document non publié antérieurement de la demanderesse, un procédé au plasma pour générer de façon embarquée, les agents réducteurs. L'ammoniac nécessaire à la réduction des oxydes d'azote est obtenu à partir de substances non dangereuses, à la demande dans le véhicule, pour alimenter finalement le procédé SCR. Une solution convenable pour la consommation de carburant est celle d'un fonctionnement discontinu pour générer de l'ammoniac comme cela a également été proposé dans ce document. Ce procédé est appelé ci-après procédé RGS (Système Générateur d'Agent réducteur) ou système générant un agent réducteur. L'inconvénient de ce procédé est que notamment au cours de la phase de démarrage, le système de génération d'agent réducteur RGS n'atteint que très lentement une température de fonctionnement suffisamment élevée, garantissant un fonctionnement optimum. Jusqu'alors la stratégie prévoit une fonctionnalité de brûleur permet-tant au système, notamment aux composants catalytiques, d'assurer une oxydation partielle à environ 500 C et de faire fonctionner l'unité de génération d'ammoniac à environ 250 C. Pour cela il faut brûler du ga- 15 zole dans une flamme, avec éventuellement une combustion catalytique dans les composants catalytiques. L'inconvénient de cette solution est qu'il faut une installation supplémentaire pour chauffer le système de génération d'agent réducteur RGS jusqu'à la température nécessaire au fonctionnement. 20 But de l'invention La présente invention a ainsi pour but de développer un procédé permettant d'une part d'atteindre rapidement une température de fonctionnement optimale pour l'unité RGS et d'autre part de minimiser les moyens et installations supplémentaires mis en oeuvre. 25 L'invention a également pour but de développer un dispositif approprié. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on déclenche la combustion du carburant par le plasma. 30 Si le carburant est fourni à une chambre à plasma qui précède une chambre de formation de mélange, on garantit à l'allumage garanti du carburant pendant le temps de fonctionnement en utilisant toute la longueur du plasma. En outre le mélange air/ carburant traverse en phase de génération d'eau, l'ensemble de la zone préalablement 35 chauffée par le plasma ce qui fait évaporer le carburant en sécurité.

Selon un mode de réalisation, le carburant est fourni à une chambre de formation de mélange en aval de la chambre à plasma et le plasma est introduit dans cette chambre de formation de mélange en aval. Cela permet d'une part, de chauffer la chambre de mélange en aval pour garantir l'évaporation du carburant dans la phase de génération d'hydrogène et d'autre part, d'allumer le carburant pour chauffer les composants catalytiques. Dans la phase de génération des oxydes d'azote, la plage longue de plasma donne un rendement élevé en oxydes d'azote.

Si dans une phase de génération d'oxydes d'azote on génère des oxydes d'azote dans le plasma du brûleur à plasma et si dans la phase d'allumage suivante on introduit du carburant dans la chambre de formation de mélange 41, 42 en aval ou en amont et si on l'allume avec le plasma 30 et si dans la phase de chauffage consécutive on coupe le plasma, en introduisant du carburant dosé dans la chambre de formation de mélange en amont et en aval et en le brûlant et si dans la phase consécutive de génération d'hydrogène on termine la combustion de carburant et on évapore le carburant dans la chambre de formation de mélange en amont ou en aval, on peut à la fois réaliser la fonction de combustion nécessaire au chauffage du système de génération de l'agent réducteur et aussi la génération des oxydes d'azote et de l'hydrogène pour produire l'agent réducteur dans un système simple et économique. On garantit l'allumage du mélange carburant/air pour le fonctionnement du brûleur en laissant fonctionner le plasma pendant une durée choisie de préférence une durée comprise entre 1 et 5 s après le début de l'introduction dosée du carburant. Si le carburant est évaporé avant sa combustion sur la surface chaude chauffée pendant la phase de génération des oxydes d'azote de la chambre de formation de mélange en amont ou en aval, on peut pulvériser du carburant à une pression maximale de 4 bars, comme cela est le cas dans les systèmes utilisés habituellement. Sans chauffage supplémentaire, il faudrait une pression de carburant caractéristique de 10 bars ce qui nécessiterait des appareillages supplémen- taires.

On améliore l'évaporation du carburant en chauffant le carburant et/ ou l'air fourni à contre-courant sur la paroi extérieure du brûleur à plasma. Le problème de l'invention concernant le dispositif est ré- solu par le plasma du brûleur à plasma pour allumer le carburant. Ainsi il est inutile d'utiliser une installation d'allumage distincte, telle qu'une bougie ou un autre brûleur, pour chauffer les composants catalytiques du système de génération d'agent réducteur. Si le plasma du brûleur à plasma est développé dans une io ou plusieurs zones de jets de plasma, le mélange carburant/air pour le fonctionnement du brûleur sera allumé avec certitude notamment dans le cas d'une réalisation à plusieurs zones à jets de plasma. Si le boîtier du brûleur à plasma comporte une zone intérieure rétrécie en aval de la chambre à plasma, dans la direction de 15 passage des gaz, on peut coopérer avec le flux de gaz du fait que le plasma s'étend sur une plage particulièrement longue et se développe avec un jet de plasma sortant du boîtier. Si les zones de jets de plasma sont dirigées tangentielle-ment ou linéairement le long d'une zone d'allumage, on peut induire 20 une composante de rotation au mélange carburant/air qui garantit un mélange particulièrement poussé ou dans une zone d'allumage plus longue qui améliore également la combustion. Si entre l'installation de dosage de carburant et la zone d'allumage un accroche flamme, permet à la flamme de brûler de façon 25 plus stable ce qui évitera son extinction. Si pour l'alimentation en carburant pendant le chauffage et si pour l'alimentation en carburant pendant la phase générant H2/CO, il y a deux installations de dosage de carburant, on peut prévoir pour les deux modes de fonctionnement un dispositif avantageux et 30 avec une installation connue de dosage de carburant, le dispositif est particulièrement économique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les 35 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec un système générant un agent réducteur - la figure 2 montre un brûleur à plasma pour le système de généra- tion d'agent réducteur ; - la figure 3 montre une variante de réalisation du brûleur à plasma. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement l'environnement technique dans le cas de l'exemple d'un moteur diesel appliquant le procédé de l'invention. La figure montre un moteur à combustion in-terne 50 équipé d'un canal de gaz d'échappement 53, d'un catalyseur SCR 54 pour la réduction catalytique sélective SCR des gaz d'échappement du moteur à combustion interne 50, la sortie de gaz d'échappement 55 reliée au catalyseur SCR 54 et un générateur d'agent réducteur 1. Le générateur d'agent réducteur 1 génère de l'ammoniac stocké dans le catalyseur SCR 54 et avec les oxydes d'azote il convertit les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 50 en eau et en azote. Le générateur d'agent réducteur 1 se compose d'un brûleur à plasma 10, d'une unité de réformage ou oxydation 60 reliée au brûleur et d'une unité accumulatrice d'oxydes d'azote/générateur d'ammoniac 61, de l'alimentation en agent réducteur 62 qui introduit l'ammoniac dans le canal des gaz d'échappement 53 en amont du catalyseur SCR 54. Le brûleur à plasma 10 reçoit au moins périodiquement de l'air par une première alimentation en air 13 et/ou les gaz d'échappement et du carburant par une installation de dosage de carburant 40 comme matière première pour générer de l'ammoniac. On génère de l'ammoniac dans le générateur d'agent réducteur 1 en générant du monoxyde d'azote NO en phase maigre (X > 1) dans un brûleur à plasma 10 avec un plasma 30 non représenté, à par- tir de l'air et/ou des gaz d'échappement. Les oxydes d'azote traversent l'unité de reformage/oxydation 60 suivante pour alimenter ensuite dans l'exemple présenté, une unité combinée, accumulateur d'oxydes d'azote/générateur d'ammoniac 61 pour être stocké. Dans une seconde phase de fonctionnement à la suite de la phase maigre, c'est-à-dire la phase riche (0,33 < ~, < 1) on dose un carburant liquide dans le brûleur à plasma 10, on le vaporise et on le convertit dans l'unité de réformage/oxydation 60 en un mélange gazeux contenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone ; ce mélange gazeux est introduit ensuite dans l'unité d'accumulateur d'oxydes d'azote/générateur d'ammoniac 61 qui convertit les oxydes d'azote introduits au préalable, pour donner de l'ammoniac. L'ammoniac gazeux ainsi formé est ensuite dosé dans la veine de gaz d'échappement de canal de gaz d'échappement 53 en amont du catalyseur SCR 54. Comme le catalyseur SCR 54 a une capacité de stockage d'ammoniac, un procédé discontinu de génération d'ammoniac permet de réduire en continu les oxydes d'azote par le procédé SCR dans la veine des gaz d'échappement. Ainsi dans la plage de températures comprises entre 150 C et 450 C, les catalyseurs réalisés par exemple en dioxyde de titane (TiO2) et en pentoxyde de vanadium (V2O5) transfor- ment les oxydes d'azote avec l'ammoniac dégagé et cela selon un taux de conversion élevé. Pour chauffer rapidement les composants du système de génération d'agent réducteur 1 en phase de démarrage, notamment de l'unité de réformage/oxydation 60 et de l'unité accumulateur d'oxydes d'azote/ générateur d'ammoniac 61, le brûleur à plasma 10 permet de brûler le carburant comme cela sera décrit dans la suite. Cette fonctionnalité de brûleur permet au générateur d'agent réducteur 1 d'attendre rapidement son état de fonctionnement et d'obtenir très rapidement un taux élevé de conversion d'ammoniac.

La figure 2 montre le brûleur à plasma 10 et son boîtier 20 logeant une électrode 14 fixée à un isolateur 15 qui la sépare électriquement du boîtier 20 par le support d'électrode 12. Entre l'électrode 14 et le boîtier 20, on allume le plasma 30 dans la chambre à plasma 31 et on le maintient en appliquant une haute tension entre une première borne de haute tension 11 du porte électrode 12 et une seconde borne de haute tension 18 du boîtier, par une source de haute tension 17. La haute tension peut être une tension continue ou une tension à haute fréquence. La chambre à plasma 31 reçoit l'air par la première alimentation en air 13 ou par exemple par une seconde alimentation en air 16.

Le boîtier 20 présente une zone intérieure rétrécie 21 en aval de la chambre à plasma 31 de façon que le plasma forme un jet de plasma qui dépasse du boîtier 20 et forme un jet de plasma 32 sortant. Suivant la forme donnée à la zone intérieure rétrécie 21 et la veine de gaz, le plasma 30 peut être sans courant ou en partie conducteur électrique dans la zone intérieure rétrécie 21, sachant qu'un plasma conducteur de courant est à une température plus élevée. L'installation de dosage de carburant 40 se trouve au niveau du jet de plasma sortant 32. cette installation de dosage de carburant introduit le carburant dans la chambre de formation de mélange 41 en aval. io Selon un premier mode de fonctionnement du brûleur à plasma 10, l'air est fourni par une première alimentation en air 13 et par une seconde alimentation en air 16, à l'électrode 14, en passant dans la chambre à plasma 31. Le plasma 31 prévu à cet endroit et dans la zone suivante, génère des oxydes d'azote utilisés dans les autres 15 composants non représentés ici, du système de génération d'agent réducteur 1 pour produire de l'ammoniac. Selon un second mode de fonctionnement du brûleur à plasma 10, on génère le plasma 30 et on dose le carburant par l'installation de dosage de carburant 40 dans la chambre en aval de 20 formation de mélange 41. Le carburant s'évapore sur les parois chaudes de la chambre de mélange 41 en aval pour être allumé dans le jet de plasma 32 sortant du plasma 30 pour former une flamme de brûleur. Lorsque le carburant est allumé de façon certaine, on peut couper la source de haute tension 17 et le carburant qui continue d'être introduit 25 sera allumé sur la flamme de brûleur établie. Pour stabiliser le fonctionnement on peut prévoir un accroche flamme. Ce mode de fonctionnement permet de chauffer les composants catalytiques du système de génération d'agent réducteur 1. Le second mode de fonctionnement se terminera par la coupure de l'alimentation en carburant et l'extinction 30 de la flamme du brûleur. Selon un troisième mode de fonctionnement, lorsque le plasma 30 est coupé, le carburant est dosé dans la chambre de formation de mélange 41 chaude, en aval. Le carburant s'évapore et peut être transformé en hydrogène dans l'unité de reformage/oxydation 60 non 35 représentée ; l'hydrogène sert à produire de l'ammoniac. On aura éga- lement des produits de réaction tels que du monoxyde de carbone et des hydrocarbures. Dans une variante de réalisation du brûleur à plasma 10 représenté à la figure 3, l'installation de dosage de carburant 40 se trouve en amont de la chambre à plasma 31 selon le sens de passage des gaz. Dans le second mode de fonctionnement du brûleur à plasma 10, le carburant est introduit de manière dosée par l'installation de do-sage de carburant 40 dans une chambre de formation de mélange 42 en amont ; il y est évaporé sur les parois chauffées au cours de la première phase de fonctionnement précédente pour être allumé dans le plasma 30 en aval selon le sens de passage des fluides. On améliore l'évaporation en chauffant l'air d'alimentation et/ou le carburant selon un échange à contre courant au niveau du boîtier 20. De façon avantageuse dans ce dispositif, le carburant traverse une longue zone à plas- ma ce qui garantit l'allumage. Lorsque le carburant est allumé de manière certaine, on peut couper la source de haute tension 17 et le carburant qui continue d'être introduit de manière dosée s'allume sur la flamme du brûleur. Pour stabiliser le fonctionnement, on peut prévoir un accroche flamme. Ce mode de fonctionnement sert à chauffer les composants catalytiques du générateur d'agent réducteur 1. Le second mode de fonctionnement se terminera par l'arrêt de l'alimentation en carburant et l'extinction consécutive de la flamme du brûleur. Dans le troisième mode de fonctionnement, on dose le carburant dans la chambre de formation de mélange 42 en amont lors- que le plasma 30 est coupé. Le carburant s'évapore dans cette chambre et est allumé dans la chambre à plasma 31 chauffée par le plasma 30 et dans la zone intérieure rétrécie 21 du boîtier 20. Les variantes de procédé décrites ci-dessus correspondant au second mode de fonctionnement du brûleur à plasma 10 sont exécutées avec les dispositifs réalisés comme décrit ci-dessus notamment pour le démarrage à froid et/ou pour le redémarrage de l'installation de post-traitement des gaz d'échappement. Cela permet de chauffer rapidement le système de génération d'agent réducteur 1 avec ses composants d'accélérer le développement de l'ammoniac comme agent réducteur assurant un démarrage plus rapide de l'installation de post-traitement des gaz d'échappement. En principe, le dispositif et le procédé peuvent s'appliquer à tous les véhicules équipés de moteurs diesel ou autres moteurs mai- gres fonctionnant avec d'autres carburants utilisant un système de génération d'agent réducteur 1. 15

Claims (13)

REVENDICATIONS

1 ) Procédé de chauffage d'un système de génération d'agent réducteur (1) d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (50) par combustion de carburant selon lequel on génère l'agent réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (50) par un système de génération d'agent réducteur (1) fonctionnant de manière discontinue, le système de génération d'agent réducteur (1) se composant d'un brû- leur à plasma (10), d'une chambre de formation de mélange (41, 42) en amont ou en aval, d'une unité de réformage/oxydation (60) ainsi que d'une unité combinée d'accumulation d'oxyde d'azote/génération d'ammoniac (61), et on génère les oxydes d'azote dans le plasma (30) du brûleur à plasma (10), caractérisé en ce que on déclenche la combustion du carburant par le plasma (30).

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on introduit le carburant dans une chambre de mélange de carburant (42) en amont d'une chambre à plasma (31).

3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fournit le carburant à une chambre de formation de mélange (41) en aval de la chambre à plasma (31) et on conduit le plasma (30) dans la chambre de formation de mélange (41) en aval.

4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une phase de génération d'oxyde d'azote, on génère les oxydes d'azote dans le plasma (30) du brûleur à plasma (10), dans la phase d'allumage suivante on dose le carburant dans la cham- bre de formation de mélange (41, 42) en aval ou en amont, eton allume le carburant par le plasma (30), et dans la phase de chauffage suivante, on coupe le plasma (30), le carburant continuant d'être dosé dans la chambre de formation de mélange (41, 42) en amont ou en aval et d'être brûlé, et dans une phase de génération d'hydrogène consécutive, on termine la combustion du carburant et on évapore le carburant dans la chambre de formation de mélange (41, 42) en amont ou en aval.

5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on continue de faire fonctionner le plasma (30) pendant une durée sélectionnée, de préférence pendant une durée comprise entre 1 et 5 s après le début du dosage du carburant.

6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' avant la combustion, on évapore le carburant sur la surface chaude, chauffée pendant la phase de génération d'oxyde d'azote, de la chambre de formation de mélange (41, 42) en amont ou en aval, avant de brûler le carburant.

7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on chauffe le carburant fourni et/ ou l'air fourni à contre courant sur la paroi extérieure du brûleur à plasma (10).

8 ) Dispositif de chauffage d'un système de génération d'agent réducteur (10) d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (50) par combustion de carburant dosé par une installation de dosage de carburant (40), le système de régénération d'agent réducteur (1) se composant d'un brûleur à plasma (10), d'une chambre de formation de mélange (41, 42) en amont ou en aval, d'une unité de réformage/oxydation (60) ainsi que d'une unité combinée accumulateur d'oxydes d'azote/génération d'ammoniac (61) pour générer de manière discontinue de l'ammoniac àpartir de carburant et d'air et/ ou de gaz d'échappement pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne (50), caractérisé en ce que le plasma (30) du brûleur à plasma (10) allume le carburant.

9 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le plasma (30) du brûleur à plasma (10) a une ou plusieurs zones de jets de plasma.

10 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' un boîtier (20) du brûleur à plasma (10) comporte une zone intérieure rétrécie (21) dans la zone qui suit la chambre à plasma (31) dans la di-rection de passage du gaz.

11 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les zones de jets de plasma sortent tangentiellement ou linéairement d'une zone d'allumage.

12 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par un accroche flamme entre l'installation de dosage de carburant (40) et la zone d'allumage.

13 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par deux installations de dosage de carburant (40) ou une installation de dosage de carburant (40) commune pour fournir le carburant pendant le chauffage et pour fournir le carburant pendant une phase de génération de H2/CO.35