FR2914946A1 - Systeme de traitement des gaz d'echappement pour moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système de traitement 1 des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne 100, comprenant un piège à NOx 10 placé en amont d'un filtre à particules 20.L'invention est remarquable en ce que le piège à NOx 10 est apte à déstocker des oxydes d'azote sous forme de NO2 à partir d'une température de gaz d'échappement supérieure ou égale à 250 degres C, et en ce que le filtre à particules 20 est imprégné d'une composition catalytique de type piège à NOx.

Description

-1- SYSTÈME DE TRAITEMENT DES GAZ D'ÉCHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION
INTERNE
La présente invention concerne un système de dépollution permettant de traiter à la fois les oxydes d'azote et les particules qui sont contenus dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs à combustion en mélange pauvre. 10 Aujourd'hui, des normes antipollution de plus en plus contraignantes imposent l'incorporation de systèmes de post-traitement toujours plus complexes dans les lignes d'échappement des véhicules automobiles. L'objectif est de réduire les émissions des principaux polluants présents dans les gaz de combustion, 15 notamment les oxydes d'azote NO, et les particules.
Dans le cas spécifique des moteurs à combustion diesel, on utilise généralement un piège à NO, pour traiter les émissions d'oxydes d'azote, ainsi qu'un filtre à particules pour éliminer les suies produites lors de la combustion. 20 Dans une telle configuration, l'agencement préféré est d'avoir le filtre à particules positionné en aval du piège à NON.
De par son principe même, le fonctionnement d'un moteur de ce type génère des suies qui s'accumulent dans le filtre à particules. Ce dernier doit par 25 conséquent être nettoyé régulièrement pour éviter un colmatage progressif de nature à dégrader la consommation et les performances du moteur. Classiquement, cette opération s'effectue en initiant la combustion des particules piégées, par une élévation de la température des gaz d'échappement.
30 Ce type de technique de nettoyage présente toutefois l'inconvénient de nécessiter une température de l'ordre de 600 C dans la ligne d'échappement, ce qui a un impact négatif à la fois sur la consommation du moteur, et sur la durabilité de tout le système catalytique équipant la ligne d'échappement. -2- La montée en température des gaz d'échappement s'avère par ailleurs particulièrement compliquée à mettre en oeuvre, en raison essentiellement de son ampleur et de la précision requise. Cette opération doit en effet s'effectuer en appliquant des stratégies de contrôle moteur spécifiques relativement pointues. On parle alors de régénération active.
Il est possible de remédier à l'ensemble de ces difficultés, en utilisant du dioxyde d'azote NO2 comme agent oxydant. Il est en effet connu que l'oxydation des suies par le NO2 s'opère à des températures beaucoup plus basses qu'avec l'oxygène, à savoir entre 250 et 500 C. Or une telle gamme de températures correspond à peu de chose près à celle des gaz d'échappement en utilisation normale. Cela permet par conséquent de n'avoir recours à aucune stratégie moteur spécifique.
On sait par ailleurs que l'efficacité de conversion d'un piège à NON n'est jamais totale, de sorte qu'une partie du dioxyde d'azote présent dans les gaz d'échappement va naturellement se retrouver à la sortie de cet organe adsorption. Aussi, dès lors qu'un filtre à particules est placé en aval d'un piège à NON, le dioxyde d'azote non adsorbé va participer à l'oxydation des particules piégées dans ledit filtre à particules, et ce d'autant plus que les gaz d'échappement qui les véhiculent seront alors à une température adéquate pour ce type de réaction. Malheureusement dans la pratique, les quantités de dioxyde d'azote naturellement disponibles via ce phénomène, s'avèrent tout à fait insuffisantes pour assurer une régénération complète du filtre à particules.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention, est de proposer un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant un piège à NON placé en amont d'un filtre à particules, système de traitement qui permettrait d'éviter les problèmes de l'état de la technique en garantissant une régénération aisée et efficace du filtre à particules.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que le piège à NON est apte à déstocker des oxydes d'azote sous -3- forme de dioxyde d'azote NO2 à partir d'une température de gaz d'échappement supérieure ou égale à 250 C, et en ce que le filtre à particules est imprégné d'une composition catalytique de type piège à NON.
Il est important de préciser que le piège à NO, utilisé dans le cadre de l'invention n'a rien de conventionnel. Tout d'abord, il n'est capable de stocker efficacement les NOx qu'à basse température, c'est-à-dire sous les 250 C. Ensuite, en cas de déstockage à plus haute température, le piège à NO, n'est pas en mesure de réduire le NO2 en azote N2. Les NO, vont par conséquent être relargués essentiellement sous forme de NO2, c'est-à-dire un composé avantageusement utilisable dans le filtre à particules positionné en aval.
La locution "composition catalytique de type piège à NON" signifie que le filtre à particules est imprégné d'un revêtement actif possédant toutes les propriétés d'un piège à NO, classique. Cela implique au final que dans une gamme de température donnée, le filtre à particules est parfaitement capable d'oxyder le monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2, d'adsorber et de stocker le NO2 sous forme de nitrates, de déstocker les NO, à plus haute température, et enfin de réduire les NO, en azote N2.
Ainsi donc, l'invention consiste à combiner un piège à NO, non conventionnel, avec un filtre à particules très particulier en ce sens qu'il est imprégné de manière à pouvoir traiter les oxydes d'azote comme un classique piège à NO, de l'état de la technique.
Dans le détail, le piège à NO, permet ici d'apporter de manière sensiblement continue de grandes quantités de NO2 dans le filtre à particules. Il est ainsi possible de faire réagir les suies avec un agent oxydant qui, contrairement à l'oxygène, est opérationnel à des températures de gaz d'échappement correspondant à un fonctionnement normal du moteur, à savoir entre 250 et 500 C.
En ce qui concerne cette fois la composition catalytique, une de ses fonctions est de traiter tout excès de dioxyde d'azote dans le filtre à particules, en -4- d'autres termes tout ce qui n'aura pas été consommé lors de l'oxydation des suies. Un second rôle de l'imprégnation est de pouvoir adsorber le monoxyde d'azote NO qui va se former lors de l'oxydation des suies par le NO2. Il est en effet important de stocker le NO jusqu'à l'application d'une stratégie de purge des NON, afin d'éviter que ce polluant ne soit rejeté par l'échappement.
Il est à noter enfin que l'invention ne dispense pas pour autant de purger régulièrement aussi bien le piège à NON que le filtre à particules, afin de garantir l'élimination sous forme d'azote des derniers oxydes d'azote adsorbés.
Quoi qu'il en soit, l'invention telle qu'ainsi définie présente l'avantage de permettre une régénération passive du filtre à particules, puisqu'elle ne requiert pas l'intervention du contrôle moteur. Le NO2 est relâché automatiquement au niveau du piège à NON dès lors que le moteur est dans des conditions normales du fonctionnement, puis acheminé en quantité et de manière continue au niveau du filtre à particules afin qu'il puise y jouer pleinement son rôle d'agent oxydant.
Il n'est ainsi pas nécessaire d'élever artificiellement la température des gaz d'échappement pour éliminer les suies piégées dans le filtre à particules, ce qui permet de préserver la consommation du moteur ainsi que l'intégrité de tous les dispositifs de dépollution présents dans la ligne d'échappement. Mais cela permet également de se dispenser de la mise en oeuvre toujours complexe de stratégies de contrôle moteur spécifiques.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre, et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniques possibles.
Cette description, donnée à titre d'exemple non limitatif, est destinée à mieux faire comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Elle est par ailleurs donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels: -5- La figure 1 illustre un moteur diesel de véhicule automobile, qui est équipé d'une ligne d'échappement dans laquelle est intégré un système de traitement des gaz d'échappement conforme à l'invention.
La figure 2 est un schéma montrant l'influence de la concentration en dioxyde d'azote sur la vitesse de combustion de la suie, pour différentes températures de gaz d'échappement.
Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés, et ceci sans respect de l'échelle et de manière schématique.
La figure 1 représente donc un moteur à combustion interne 100 de véhicule automobile. Dans ce mode particulier de réalisation, choisi uniquement à titre d'exemple, il s'agit plus précisément d'un moteur diesel.
Ainsi qu'on peut le voir sur cette première vue schématique, le moteur 100 est principalement constitué d'un bloc moteur 110 à quatre cylindres et d'une ligne d'échappement 120 qui sont couplés ensemble par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement 121.
On observe également la présence d'un système de traitement 1 des gaz d'échappement, qui est directement intégré à la ligne d'échappement 120 et qui se compose classiquement d'un piège à NO110 placé en amont d'un filtre à particules 20. Conformément à l'objet de la présente invention, le piège à NO110 est en mesure de déstocker des oxydes d'azote sous forme de NO2 à partir d'une température de gaz d'échappement de sensiblement 250 C. Par ailleurs, le filtre à particules 20 est imprégné d'une composition catalytique de type piège à NON.
Selon une particularité de l'invention, le piège à NO110 est doté d'un revêtement catalytique contenant du platine et/ou du palladium, du rhodium, et au moins un composé choisi parmi les alcalins et/ou les alcalinoterreux. -6- Il est très important de souligner que le revêtement catalytique bénéficie d'un typage basse température, afin que le piège à NO, soit effectivement en mesure de relarguer du NO2 à partir d'environ 250 C. Ce type de traitement étant parfaitement connu de l'homme du métier, il ne sera pas décrit davantage ici.
De manière classique, la fonction du platine et/ou du palladium est de catalyser l'oxydation des hydrocarbures HC, du monoxyde de carbone CO et du monoxyde d'azote NO. Le rhodium est quant à lui destiné à catalyser la réaction de réduction des NO, en azote N2. Enfin, le rôle de chaque composé alcalin et/ou alcalinoterreux est d'adsorber les NO, sous forme de nitrates.
Dans la pratique, le composé alcalin peut être du potassium, tandis que le composé alcalinoterreux peut être du baryum. Par ailleurs, et bien que leur fonction soit sans objet dans le cadre de l'invention, le revêtement catalytique comprendra en outre généralement une ou plusieurs terres rares.
Selon une autre particularité de l'invention, la composition catalytique imprégnée sur le filtre à particules 20 est à même de stocker des oxydes d'azote sous forme de NO2 jusqu'à une température de gaz d'échappement de sensiblement 450 C.
Cette caractéristique indique tout simplement que le filtre à particules 20 dispose d'un comportement de piège à NO, standard.
De manière particulièrement avantageuse, la composition catalytique comporte du platine et/ou du palladium, du rhodium, et au moins un composé choisi parmi les alcalins et/ou les alcalinoterreux.
On observe que cette formulation est complètement identique à celle du 30 piège à NO, précédemment décrit, à la différence fondamentale prés que celle-ci bénéficie d'un classique typage haute température. -7- Selon une variante de réalisation de l'invention, le système de traitement 1 peut en outre comprendre des moyens d'apport 30 en mesure de fournir des hydrocarbures supplémentaires en amont du piège à NO110.
Dans certaines conditions de fonctionnement moteur, il peut en effet arriver qu'il n'y ait pas assez d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement pour assurer la réduction des oxydes d'azote, que ce soit au niveau du piège à NO,, 10, ou au niveau du filtre à particules 20. Un apport supplémentaire d'hydrocarbures en amont de ces deux dispositifs permet de remédier avantageusement à cette difficulté. Il faudra simplement veiller à parfaitement maîtriser cet ajout afin notamment de minimiser la surconsommation.
Conformément à un premier mode de réalisation de cette variante de l'invention, on peut choisir des moyens d'apport 30 qui sont à même de modifier la stratégie de contrôle moteur pour générer un excès d'hydrocarbures imbrûlés. Concrètement, cela pourra s'opérer par exemple en commandant des post-injections tardives.
Mais selon un second mode de réalisation de la variante, par ailleurs utilisable comme alternative ou en combinaison avec le premier, les moyens d'apport 30 pourront comporter au moins un injecteur 31 apte à pulvériser au moins un hydrocarbure spécifique en amont du piège à NO110. Dans l'exemple de réalisation visible à la figure 1, on trouve un injecteur 31 qui est implanté au niveau collecteur d'échappement 121, afin que son action puisse également bénéficier à la fois au piège à NO110 et au filtre à particules 20.
Dans la pratique, il n'est pas indispensable que l'hydrocarbure spécifique soit identique à celui avec lequel fonctionne le moteur 100. Ainsi donc, chaque hydrocarbure spécifique pourra être choisi indifféremment parmi le gazole, l'essence, le gaz naturel pour véhicule GNV, le gaz de pétrole liquéfié GPL, les alcanes, les alcènes, et les composés oxygénés de type alcools, cétones, aldéhydes. -8- La figure 2 montre l'évolution de la vitesse de combustion de la suie en fonction de la concentration en dioxyde d'azote, le tout pour différentes températures de gaz d'échappement.
On observe tout d'abord que plus on monte en température, plus on va favoriser la réaction d'oxydation des particules par le NO2. On remarque ensuite que plus on accroît la quantité de NO2 dans le flux, plus on augmente la vitesse de combustion de la suie. On voit enfin qu'il existe des plafonds, et que la réaction d'oxydation s'avère notamment peu active en dessous de 350 C.
Bien entendu, l'invention concerne également toute ligne d'échappement 120 pour moteur à combustion interne 100 notamment de véhicule automobile, dans laquelle est intégré un système de traitement 1 des gaz d'échappement tel que précédemment décrit. Mais plus généralement encore, l'invention est en outre relative à tout véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne 100 disposant d'un système de traitement 1 des gaz d'échappement tel que précédemment décrit.15

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Système de traitement (1) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (100), comprenant un piège à NO, (10) placé en amont d'un filtre à particules (20), caractérisé en ce que le piège à NO, (10) est apte à déstocker des oxydes d'azote sous forme de NO2 à partir d'une température de gaz d'échappement supérieure ou égale à 250 C, et en ce que le filtre à particules (20) est imprégné d'une composition catalytique de type piège à NON.
2. Système de traitement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piège à NO, (10) comporte un revêtement catalytique contenant du platine et/ou du palladium, du rhodium, et au moins un composé choisi parmi les alcalins et/ou les alcalinoterreux.
3. Système de traitement (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la composition catalytique est apte à stocker des oxydes d'azote sous forme de NO2 jusqu'à une température de gaz d'échappement voisine de 450 C.
4. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la composition catalytique comporte du platine et/ou du palladium, du rhodium, et au moins un composé choisi parmi les alcalins et/ou les alcalinoterreux.
5. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'apport (30) d'hydrocarbures supplémentaires en amont du piège à NO, (10).
6. Système de traitement (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'apport (30) sont aptes à modifier la stratégie de fonctionnement du 30 moteur (100) pour générer un excès d'hydrocarbures imbrûlés.
7. Système de traitement (1) selon l'une des revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens d'apport (30) comportent au moins un injecteur (31) apte à pulvériser au moins un hydrocarbure spécifique en amont du piège à NO, (10).-10-
8. Ligne d'échappement (120) pour moteur à combustion interne (100) notamment de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de traitement (1) des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes.
9. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne (100), caractérisé en ce qu'il comporte un système de traitement (1) des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.10
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