FR2915766A1 - Systeme de traitement des emissions de nox a l'echappement par regeneration periodique par nh3 - Google Patents

Systeme de traitement des emissions de nox a l'echappement par regeneration periodique par nh3 Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'épuration de gaz d'échappement comportant des NOx, pour une ligne d'échappement (1), de moteur (3) à combustion interne, comportant les étapes suivantes :- stockage des NOx à une température de stockage;- mesure de la température des gaz d'échappement;- détermination de la température d'injection à laquelle du NH3 doit être injecté dans la ligne d'échappement ;- injection du NH3 au sein de la ligne d'échappement en amont du lieu de stockage des NOx afin de déstocker les NOx à la température d'injection; puis- réduction des NOx déstockés par le NH3 injecté dans la ligne d'échappement, ainsi qu'un dispositif d'épuration (11) mettant en oeuvre ledit procédé et une ligne d'échappement (1) comportant ledit dispositif d'épuration.

Description

Système de traitement des émissions de NOx à l'échappement par
régénération périodique par NH3 La présente invention a pour objet un procédé d'épuration de gaz d'échappement comportant des NON, un dispositif d'épuration mettant en oeuvre ledit procédé ainsi qu'une ligne d'échappement comportant ledit dispositif d'épuration. Les polluants issus de la combustion du carburant dans les moteurs diesel ou essence contiennent, entre autres gaz, des oxydes d'azote NOx (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2). Ces composés étant nocifs pour l'environnement, des normes internationales environnementales imposent une maîtrise des émissions de ces gaz. Il est connu de placer un catalyseur spécifique dans la ligne d'échappement pour maîtriser la pollution due à l'émission de ces gaz. En particulier, les catalyseurs de technologie SCR (Selective Catalytic Reduction) par réduction en présence de NH3 présentent une efficacité élevée pour la conversion des NOx. Les produits issus de la réduction des NOx sont le di-azote (N2) et la vapeur d'eau. Le NH3 est le plus souvent généré à partir d'un précurseur tel que l'urée liquide ou un composé solide type urée, tel que le carbamate d'ammonium, stocké à bord du véhicule et introduit dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur de technologie SCR. L'urée est un composé liquide, non toxique mais corrosif et réactif à l'air, ce qui nécessite de prendre des précautions particulières lors de son stockage. L'efficacité de la réduction des NOx est étroitement liée à la précision de la quantité de NH3 présente dans la réaction de catalyse de technologie SCR. La quantité présente doit être en permanence suffisante pour réduire les NOx mais pas trop élevée pour éviter les émissions de NH3. Enfin, la réduction des NOx n'est possible qu'à partir d'une certaine température égale à environ 150 C à 200 C. En dessous de cette température, lorsque la réduction n'a pas lieu, les NOx émis sont, dans ce cas, non traités, et sont donc libérés dans l'atmosphère. Afin d'éviter une telle pollution, dans le document US 2006/0010859, on propose un système de post-traitement de gaz d'échappement comportant plusieurs branches dont l'une contient au moins un catalyseur absorbant les NON. En aval de ce ou ces catalyseur(s), les branches fusionnent en une seule branche comportant un catalyseur de technologie SCR utilisant le NH3 comme réducteur. Lors de la régénération du ou des catalyseurs absorbant les NOx, les NOx sont désorbés et réduits notamment en NH3, utilisé par la suite dans le catalyseur de technologie SCR. Ce système de post-traitement présente les inconvénients d'être complexe et coûteux à mettre en oeuvre. Dans le document EP 0 8878 609, on propose un système de purification de gaz d'échappement faisant réagir sur des NON du NH3 qui est produit à partir de la réduction d'une partie des NOx par un catalyseur trois voies ou catalyseur absorbeurlréducteur. Cependant, l'étape de réduction de NOx en NH3 implique un enrichissement des gaz d'échappement en gaz polluants, tels que des hydrocarbures ou encore du CO. Par enrichissement des gaz d'échappement, on entend un appauvrissement en oxygène et en gaz oxydants dans les gaz d'échappement au profit d'un enrichissement en gaz réducteurs tels que CO, H2 et des hydrocarbures. Un but de la présente invention est donc de fournir un moyen efficace et simple à mettre en oeuvre permettant de traiter les NOx des gaz d'échappement sans enrichir ces derniers. Selon un premier aspect, l'invention fournit un procédé d'épuration de gaz d'échappement comportant des NON, pour une ligne d'échappement, de moteur à combustion interne, comportant les étapes suivantes : - stockage des NOx à une température de stockage; - mesure de la température des gaz d'échappement; - détermination de la température d'injection à laquelle du NH3 doit être injecté dans la ligne d'échappement ; - injection du NH3 au sein de la ligne d'échappement en amont du lieu de stockage des NON afin de déstocker les NOx à la température d'injection; puis - réduction des NOx déstockés par le NH3 injecté dans la ligne d'échappement. Le procédé d'épuration de l'invention ne comporte pas d'étape où des NOx sont réduits en NH3 ni d'étape où des composés réducteurs tels que du CO, du H2 et des hydrocarbures, sont produits. Le procédé de l'invention permet de ne pas enrichir les gaz d'échappement. Les NOx présents dans les gaz d'échappement sont stockés à une température de stockage inférieure ou égale à 150 C ce qui permet d'améliorer l'efficacité globale de conversion des NON. En effet, la capacité de stockage des NOx est plus faible à une température supérieure à 150 C De plus, un stockage à une telle température nécessite des injections de NH3 plus fréquentes dans les gaz d'échappement. Or, chaque injection utilise du carburant ce qui enrichit les gaz d'échappement. La présente invention permet de stocker les NON à une température permettant une capacité de stockage de NOx maximale afin de réduire le nombre d'injection de NH3 et donc l'enrichissement des gaz d'échappement. La température au sein des gaz d'échappement est ensuite mesurée pour déterminer la température d'injection où du NH3 est injecté dans la ligne d'échappement en amont du lieu de stockage des NON. Par NH3 , on entend ici le composé NH3 en tant que tel mais également tout précurseur de NH3 pouvant se transformer en NH3 au contact des gaz présents dans la ligne d'échappement. On cite entre autres l'urée liquide ou un équivalent solide, par exemple le bicarbamate de sodium.
De préférence, l'injection de NH3 s'effectue dans des conditions où la température d'injection est comprise entre 180 C et 500 C. Si la température d'injection est inférieur à 180 C, la cinétique de conversion des NOx est trop lente ce qui réduit la conversion des NOx. En revanche, si la température est supérieure à 500 C, la capacité de stockage devient nulle et impose une injection permanente de NH3 en utilisant une réaction de catalyse de type SCR. La réaction de catalyse de type SCR classique est cependant moins efficace à une température supérieure à 500 C. En effet, cette réaction de catalyse comprend une étape d'oxydation de NO en NO2 pour obtenir un bon rendement. Or à une température supérieure à 500 C, cette étape d'oxydation ne se fait plus.
L'injection de NH3 dans ces conditions optimales permet de s'affranchir de la gestion précise et permanente de l'introduction de NH3 et donc d'éviter une quantité de NH3 introduite excessive qui pourrait conduire à une libération de NH3 dans l'atmosphère. L'injection de NH3 est de préférence est une injection séquentielle permettant d'introduire une quantité suffisante de NH3 pour réduire les NOx présents dans les gaz d'échappement. Le procédé d'épuration selon l'invention présente également les avantages suivants. Tout d'abord, le procédé d'épuration selon l'invention permet d'éviter les principaux inconvénients liés à l'injection de NH3 utilisée dans les technologies classiques des pièges à NOx par passage du moteur en mode de fonctionnement riche, à savoir des problèmes de transition d'un mode de fonctionnement pauvre à un mode de fonctionnement riche , de dilution de carburant dans l'huile et de surconsommation.
La transition d'un mode de fonctionnement pauvre à un mode de fonctionnement riche nécessite de modifier la combustion, par exemple la quantité d'air, la quantité de carburant ou encore le phasage ce qui est difficilement gérable sans variation de couple et changement de bruit.
Concernant la dilution, il s'agit du passage du carburant dans l'huile après l'injection de NH3. Le jet de carburant vient alors toucher les parois du cylindre qui comportent les gaz d'échappement et sont recouvertes d'huile. Le carburant se mélange ainsi à l'huile et diminue progressivement son pouvoir lubrifiant. Une vidange plus régulière est donc nécessaire pour éviter une usure prématurée des composants du moteur. De plus, la combustion optimale de certains moteurs, tels que les moteurs Diesel, est en mode pauvre. Tout passage en mode riche a tendance à dégrader la combustion et engendre une surconsommation. Ensuite, le procédé d'épuration selon l'invention permet d'éviter l'ajout d'un système d'introduction d'hydrocarbures, de CO ou de H2 à l'échappement pour les enrichir . Par ailleurs, le procédé d'épuration selon l'invention permet de réduire le chauffage du catalyseur réduisant les NOx déstockés par le NH3 injecté pour atteindre une forte efficacité.
Le procédé d'épuration selon l'invention permet de s'affranchir de la gestion précise et permanente de l'introduction de NH3, et notamment d'envisager des dispositifs simplifiés d'introduction d'urée avec une précision moindre. Selon un deuxième aspect, l'invention fournit un dispositif d'épuration de gaz d'échappement comportant des NON, pour une ligne d'échappement, de moteur à combustion interne, comportant au moins un composé capable de stocker et de déstocker les NO, en présence de NH3, ledit dispositif d'épuration mettant en oeuvre le procédé de l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'injection de NH3 au sein des gaz d'échappement en amont dudit composé et des moyens de mesure de la température des gaz d'échappement.
Les moyens de mesure de la température comportent plusieurs capteurs de température. Selon un troisième aspect, l'invention fournit une ligne d'échappement de moteur à combustion interne fonctionnant en mode pauvre, comportant un dispositif d'épuration des gaz d'échappement et un catalyseur de technologie SCR placé en aval dudit dispositif d'épuration, caractérisée en ce que ledit dispositif est du type précédent.
L'invention sera davantage comprise à la lumière de la description qui va suivre illustrée par des exemples non limitatifs. La figure 1 est une vue schématique d'une première variante d'une ligne d'échappement selon l'invention. La figure 2 est une vue schématique d'une autre variante de ligne d'échappement selon l'invention.
La figure 3 est un diagramme comparatif du mode de fonctionnement d'une ligne d'échappement comportant ou non le dispositif d'épuration de traitement des NOX selon l'invention. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 1, la ligne d'échappement 1 est en sortie d'un moteur à combustion interne 3 fonctionnant en mode pauvre. La ligne d'échappement 1 comporte notamment un turbocompresseur 5 en amont d'un catalyseur d'oxydation 7, lui-même placé en amont d'un dispositif d'épuration 9 de gaz d'échappement comportant des NOx. Le dispositif d'épuration 9 comporte au moins un composé capable de stocker et de déstocker les NOX en présence de NH3. Il comporte par ailleurs des moyens de mesure de la température (non représentés) des gaz d'échappement ainsi qu'un moyen d'injection de NH3 11 au sein des gaz d'échappement. Le moyen d'injection 11 injecte du NH3 (ou un précurseur du NH3, tel que l'urée liquide ou un équivalent solide, par exemple le bicarbamate de sodium) pour alimenter, de préférence séquentiellement, les gaz d'échappement de la ligne d'échappement 1 en NH3 (ou en un précurseur de NH3). Injecter de manière séquentielle du NH3 permet de s'affranchir de la gestion précise et permanente de l'introduction de NH3 et ainsi d'éviter les émissions de NH3 dans l'atmosphère. Le moyen d'injection Il est, selon un mode de réalisation, relié par un conduit à un réservoir de NH3 (ou de précurseur de NH3).
Le ou les composés capables de stocker et de déstocker les NOX en présence de NH3 et les moyens de mesure de la température sont, de préférence, situés dans un dispositif de stockage des NOX 13 placé en amont d'un catalyseur de technologie SCR 15 pour traiter les gaz d'échappement.
Le ou les composés capables de stocker et de déstocker les NON présent(s) dans le dispositif de stockage 13 comporte(nt) par exemple au moins un hétéropolyacide de formule H3XM12O40.6H2O ou H4XM12O40.nH2O avec M étant W ou Mo, X étant choisi parmi P, Si ou Ge et n étant un entier égal à 12, 14, 15 ou 24. Le ou les hétéropolyacide(s) présente(nt) une structure cristalline de type Cluster de Keggin. Cette structure cristalline est une structure ionique d'anions tridimensionnels XM12O403 ou XM12O404- et de protons. Le dispositif de stockage 13 stocke les NON à une température de stockage. Cette température de stockage est de préférence basse par rapport aux températures usuellement utilisées pour le stockage des NON. Une température de stockage basse )) permet de réduire le chauffage du catalyseur réduisant les NON déstockés par le NH3 injecté pour atteindre une forte efficacité. La température de stockage est ainsi comprise entre 100 C et 500 C, de préférence entre 150 C et 400 C. Pour cela, le dispositif de stockage 13 comporte des moyens de mesure de la température (non représentés) au sein des gaz d'échappement.. De préférence, les moyens de mesure de la température comportent plusieurs capteurs de température. L'avantage d'avoir plusieurs capteurs réside dans le fait que l'on peut connaître la température en plusieurs endroits de la ligne d'échappement 1, ce qui permet de déterminer précisément la température afin d'injecter le NH3 dans la ligne d'échappement. Les capteurs de température sont disposés de préférence avant le dispositif de stockage et de déstockage des NON. Selon un autre mode de réalisation représenté à la figure 2, le dispositif de stockage 13 et le catalyseur de technologie SCR 15 sont réunis sous la même brique catalytique 14. Ainsi, le stockage, le destockage des NON ainsi que la réduction des NON déstockés sont effectués sans avoir à transporter les NON et facilite ainsi le montage de la ligne 1 d'échappement. La ligne d'échappement 1 comporte en outre, selon un autre mode de réalisation, un filtre à particules (non représenté) d'un type connu additivé ou comportant un catalyseur. Dans le cas d'un filtre à particules comportant un catalyseur, ce dernier peut être placé en amont des moyens d'injection 11 du NH3 ou en aval du dispositif d'épuration 9. Lors de son fonctionnement, le moteur à combustion interne 3, par exemple de type Diesel, brûle le carburant en générant entre autres des composés azotés NON. Ces composés sortent du moteur 3 par l'intermédiaire de conduits 17 qui fusionnent dans un collecteur d'échappement et alimentent le turbocompresseur 5. Le turbocompresseur 5 augmente la pression des gaz d'échappement qui pénètrent ensuite dans le catalyseur d'oxydation 7 par l'intermédiaire d'un conduit central 19. Le catalyseur d'oxydation 7 oxyde les hydrocarbures et le CO en CO2 et en eau, mais ne permet pas de traiter les NON. A la sortie du catalyseur d'oxydation 7, le moyen d'injection 11 alimente les gaz d'échappement en NH3 ou en un précurseur du NH3. Le précurseur de NH3 se transforme en NH3 au contact des composés réducteurs présents dans les gaz d'échappement, tels que les hydrocarbures, le CO et le H2.
Les gaz d'échappement subissent le procédé d'épuration conforme à l'invention. Ainsi, les produits issus de la catalyse d'oxydation et le NH3 injecté par le moyen d'injection 11 sont ensuite transportés, via le conduit central 19, dans le dispositif de stockage 13, comportant un composé comprenant par exemple au moins un hétéropolyacide. Des capteurs de température présents dans le dispositif de stockage 13 permettent de mesurer la température des gaz d'échappement. Le dispositif de stockage 11 stocke les NON à une température de stockage. Ensuite, lorsque la température correspond à la température optimale de destockage du NO, stockés, du NH3 est injecté par le moyen d'injection 11 au sein de la ligne d'échappement 1 afin de déstocker les NON. De préférence, l'injection de NH3 ou du ou des précurseur(s) NH3 s'effectue de manière séquentielle. Ainsi, le dispositif de stockage 13 est régénéré et peut stocker de nouveau de nouvelles molécules de NON issues de la combustion de carburant dans le moteur à combustion interne 3. Suite au déstockage des NON, les NON repassent à travers le conduit central 19 vers le catalyseur de technologie SCR 15 utilisant, de préférence, NH3 comme réducteur. Ainsi, avantageusement, le moyen d'injection 11 approvisionne en NH3 soit directement soit par un ou des précurseur(s) qui se transforme(nt) en NH3 dans la ligne d'échappement 1. Ainsi, les NON sont réduits par NH3 en N2 et H2O sur les catalyseurs SCR 15, selon la réaction classique: NON + NH3 - N2 + H2O. Les produits issus de cette réaction ne comportent pas de composés réducteurs tels que du CO, du H2 et des hydrocarbures. La figure 3 montre un exemple d'évolution de la vitesse 20 d'un véhicule équipé du moteur à combustion interne 3 et les émissions de NON cumulées en fonction du temps de sa ligne d'échappement, comportant (courbe 22) ou non (courbe 24) le dispositif d'épuration 9 conforme à l'invention. On a également représenté les instants 26 où l'on effectue une purge de la ligne d'échappement 1 par NH3. On voit que l'émission des NOx augmente très sensiblement, en particulier lors des phases d'accélération, lorsque la ligne d'échappement ne comporte pas le dispositif d'épuration 9 (courbe 24). En revanche, lorsque la ligne d'échappement comporte le dispositif d'épuration 9 (courbe 22), l'émission des NO, augmente très nettement moins et de façon plus régulière. On n'observe en particulier, plus d'augmentation sensible de l'émission des NOx lors des accélérations. A titre d'exemple pour un véhicule sur le cycle d'homologation (MVEG), le débit d'émission des NOx cumulées pour la ligne d'échappement est réduit de 2g (courbe 22) à 0,5g (courbe 24) par adjonction du dispositif d'épuration 9. Le dispositif d'épuration selon l'invention est applicable avantageusement à tous les types de moteur à explosion émetteurs de NOx en mode pauvre, à savoir les moteurs types Diesel et essence fonctionnant en mélange pauvre. Le procédé d'épuration, le dispositif d'épuration et la ligne d'échappement selon l'invention présentent les avantages non exhaustifs suivants : - augmentation de l'efficacité de conversion des NOx à basse température par rapport au piège à NOx et à la catalyse utilisée en technologie SCR ; simplification de la fonction d'introduction de NH3, ou de précurseurs tels que l'urée, par rapport à un système SCR classique engendrant une baisse des coûts. - absence d'enrichissement des gaz d'échappement en composés réducteurs tels que CO, H2 et hydrocarbures.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1.-Procédé d'épuration de gaz d'échappement comportant des NOx, pour une ligne d'échappement (1), de moteur (3) à combustion interne, comportant les étapes suivantes : - stockage des NOx à une température de stockage ; - mesure de la température des gaz d'échappement; - détermination de la température d'injection à laquelle du NH3 doit être injecté dans la ligne d'échappement ; - injection du NH3 au sein de la ligne d'échappement en amont du lieu de stockage des NOx afin de déstocker les NOx à la température d'injection; puis - réduction des NOxdéstockés par le NH3 injecté dans la ligne d'échappement.
2.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température de stockage est inférieure ou égale à 150 C.
3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection de NH3 est une injection séquentielle.
4.- Procédé l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température d'injection est comprise entre 180 C et 500 C.
5.- Dispositif d'épuration de gaz d'échappement comportant des NOx, pour une ligne d'échappement (1), de moteur (3) à combustion interne, comportant au moins un composé capable de stocker et de déstocker les NOx en présence de NH3, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'injection de NH3 au sein des gaz d'échappement en amont dudit composé et des moyens de mesure de la température des gaz d'échappement.
6.- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la température comportent plusieurs capteurs de température.
7.- Ligne d'échappement (1) de moteur à combustion interne (3) fonctionnant en mode pauvre, comportant un dispositif d'épuration des gaz d'échappement (11), et un catalyseur de technologie SCR placé en aval dudit dispositif (11), caractérisée en ce que ledit dispositif (11) est du type selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6.
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WO2015001221A1 (fr) 2013-07-01 2015-01-08 Peugeot Citroen Automobiles Sa Système et procédé de régénération d'un matériau adsorbeur d'oxydes d'azote

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