FR2941264A1 - Systeme de traitement des nox contenus dans des gaz d'echappement. - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement émis par un véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement avec un premier piège à NO 9 présentant un maximum d'efficacité à une première température T1, un filtre à particules 10 monté en aval du premier piège à NO , et un deuxième piège à NO 11 monté en aval du filtre à particules 10, présentant un maximum d'efficacité à une deuxième température T2. En particulier, la deuxième température T2 est inférieure ou égale à la première température T1.

Description

B08/2476FR / GBO 9286-IA/CL Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de traitement des NOX contenus dans des gaz d'échappement Invention de : Christophe TUNETIER Bernard ROLLET Système de traitement des NOx contenus dans des gaz d'échappement
La présente invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement rejetés par un moteur à combustion interne. En particulier, la présente invention concerne un système de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement. Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement. Ces systèmes de post-traitement permettent de réduire notamment les émissions d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Une solution possible au traitement des NOx en milieu oxydant est l'utilisation de pièges à oxydes d'azote (piège à NOx). En présence d'un excès d'oxygène (conditions pauvres, c'est-à-dire richesse inférieure à 1), ce type de système piège les NOx sous forme de nitrites ou de nitrates sur des éléments chimiques de stockage, le plus souvent des oxydes de baryum. La diminution du nombre de sites de stockage disponibles inhérente à cette phase de chargement entraîne une diminution de l'efficacité de piégeage des NOx. Afin de maintenir des efficacités de stockage élevées, il est donc nécessaire de purger périodiquement le piège à NOx. Cette purge s'effectue dans des conditions riches (c'est-à-dire richesse supérieure à 1), c'est-à-dire en présence d'un excès de réducteurs. Au cours de cette purge, les espèces nitrées adsorbées sur le piège à NOx désorbent, puis sont réduites en azote par l'excès de réducteurs. Les pièges à NOx présentent une efficacité qui dépend de la température. Ainsi, selon la composition imprégnant le piège, les NOx contenus dans les gaz d'échappement seront plus ou moins piégés en fonction de la température de piège à NOx, et plus généralement en fonction de la température des gaz d'échappement qui transmettent l'énergie thermique au piège à NOx.
Le document EP 1 256 704 décrit un dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant deux compositions capables de piéger les NOx respectivement à basse et haute température. Les deux compositions sont montées soit dans un même piège à NOx, soit dans deux pièges à NOx distincts, montés en série. Le document FR 2 819 549 décrit un dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant successivement un catalyseur d'oxydation 45, un filtre à particules 20 et un piège à NOx 30. Le document EP 1 606 498 décrit un dispositif de traitement des gaz d'échappement comprenant successivement un piège à NOx capable de libérer les NOx stockés pendant une phase à riche à 300°C, un filtre à particules et un piège à NOx capable de stocker les NOx pendant une phase pauvre (avec lambda > 1), entre 300°C et 550°C. Un but de l'invention est d'améliorer le traitement des gaz d'échappement. En particulier, un but de l'invention est d'améliorer le stockage des NOx émis par le véhicule. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de traitement des gaz d'échappement émis par un véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement avec un premier piège à NOx présentant un maximum d'efficacité à une première température Tl, un filtre à particules monté en aval du premier piège à NOx, et un deuxième piège à NOx monté en aval du filtre à particules, présentant un maximum d'efficacité à une deuxième température T2. En particulier, la deuxième température T2 est inférieure ou égale à la première température Tl. Le dispositif permet notamment d'augmenter la gamme de température sur laquelle les NOx sont stockés dans la ligne de traitement. Plus particulièrement, les pièges à NOx sont choisis de manière à ce que les NOx qui ne sont pas piégés par le premier piège, le soient par le deuxième. Préférentiellement, la première température Tl est comprise entre 120°C et 300°C. En particulier, la première température Tl est choisie de manière à ce que le premier piège à NOx soit capable de piéger les NOx émis lors du démarrage du véhicule automobile.
Préférentiellement, la deuxième température T2 est comprise entre 120°C et 250°C. La deuxième température T2 peut être déterminée en fonction de la distance séparant le premier piège à NOx et le deuxième piège à NOx, ainsi que de l'inertie thermique du filtre à particules qui sépare les pièges à NOx. La deuxième température T2 peut aussi être déterminée de manière à ce que les gammes de températures du premier piège à NOx et du deuxième piège à NOx assurent, en complémentarité, une efficacité voulue supérieure à 50% pour le traitement des NOx. Selon un mode de réalisation, la ligne d'échappement comprend également un injecteur de carburant disposé en amont du premier piège à NOx. Selon un autre mode de réalisation, la ligne d'échappement comprend également un injecteur de carburant disposé en amont du deuxième piège à NOx et en aval du filtre à particule. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre, en coupe, un exemple de dispositif de post-traitement de gaz d'échappement ; - la figure 2 est un schéma des courbes d'efficacité de stockage des pièges à NOx, pris individuellement, en fonction de la température ; - la figure 3 est un schéma des courbes d'efficacité de stockage des pièges à NOx, dans la ligne de traitement, en fonction de la température des gaz d'échappement en entrée de la ligne de traitement. Sur la figure 1, on a représenté, de manière très schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne 1 et d'un système de post-traitement des gaz d'échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 comprend, par exemple, au moins un cylindre 3, un collecteur d'admission 4, un collecteur d'échappement 5, un circuit de re-circulation des gaz d'échappement 6 muni d'une vanne de re- circulation des gaz d'échappement 7, et un système de turbo compression 8. Le système de post-traitement des gaz d'échappement 2 comprend, par exemple, un premier piège à NOx 9, un filtre à particules 10 monté en aval du premier piège à NOx 9, et un deuxième piège à NOx 11 monté en aval du filtre à particules 10. Autrement dit, les deux pièges à NOx 9, 11 sont montés en série sur la ligne d'échappement, avec un filtre à particules 10 monté entre les deux. La ligne d'échappement 2 peut comprendre également un premier injecteur de carburant 12 monté en amont du premier piège à NOx 9, et/ou un deuxième injecteur de carburant 13 monté en aval du filtre à particules 10 et en amont du deuxième piège à NOx 11. Les injecteurs de carburants 12, 13 permettent d'introduire dans les gaz d'échappement, en amont des pièges à NOx, une quantité supplémentaire déterminée de carburant, afin d'adapter la composition des gaz d'échappement, et notamment leur richesse, indépendamment. Ainsi, le deuxième injecteur de carburant 13 peut permettre de contrôler la température du deuxième piège à NOx 11. Par exemple, lors d'une phase de désulfuration du premier piège 9, le deuxième injecteur de carburant 13 peut permettre d'augmenter la température du deuxième piège 11 de façon à ce que le soufre libéré par le premier piège 9 ne soit pas ou peu piégé par le deuxième piège 11. Par ailleurs, le deuxième injecteur de carburant 13 permet aussi de contrôler les phases de stockage et de purge du deuxième piège 11, alors que les phases de stockage et de purge du premier piège 9 peuvent être contrôlées par le fonctionnement du moteur, notamment les phases riches et pauvres. On pourra alors par exemple réaliser des phases de purge des premier et deuxième pièges 9, 11 en même temps. Les pièges à NOx 9, 11 stockent les NOx en les réduisant en eau H2O et en azote N2 principalement. Les pièges à NOx 9, 11 permettent de stocker les NOx en mélange pauvre, puis les réduisent en mélange riche. Le premier piège à NOx 9 est conçu pour stocker efficacement les NOx à faible température, c'est-à-dire à des températures comprises entre 100°C et 400°C, préférentiellement entre 120°C et 300°C. La gamme de températures sur laquelle le piège à NOx 9 est efficace correspond sensiblement aux températures des gaz d'échappement, lors du démarrage du véhicule. Ainsi, le traitement des NOx émis par le véhicule, lors du démarrage, sera effectué par le premier piège à NOx 9. La courbe d'efficacité 14 du premier piège à NOx 9 est représentée sur la figure 2. Elle est représentée en fonction de la température des gaz d'échappement en entrée du piège à NOx 9. En particulier, la première température Tl représente la température pour laquelle est atteint le maximum d'efficacité de stockage du piège à NOx 9, et dTl représente la gamme de température sur laquelle l'efficacité du piège à NOx 9 est supérieure à la moitié du maximum d'efficacité, i.e. est supérieure à la moitié de l'efficacité du piège à NOx 9 à la première température Tl.
Le deuxième piège à NOx 11 est conçu pour stocker efficacement les NOx à faible température, voire à très faible température, c'est-à-dire à des températures comprises entre 100°C et 300°C, préférentiellement entre 120°C et 250°C. La gamme de températures sur laquelle le piège à NOx 11 est efficace correspond sensiblement aux températures des gaz d'échappement au niveau du deuxième piège à NOx 1l, lors du fonctionnement normal du véhicule. En particulier, lors du fonctionnement normal du véhicule, la température des gaz d'échappement au niveau du premier piège à NOx 9 est supérieure à la gamme de températures sur laquelle le premier piège à NOx 9 peut stocker efficacement les NOx. Ainsi, le traitement des NOx émis par le véhicule, lors du fonctionnement normal, sera effectué par le deuxième piège à NOx 11. La courbe d'efficacité 15 du deuxième piège à NOx 11 est représentée sur la figure 2. Elle s'apparente à une courbe gaussienne et est représentée en fonction de la température des gaz d'échappement en entrée du piège à NOx 11. En particulier, la deuxième température T2 représente la température pour laquelle est atteint le maximum d'efficacité de stockage du piège à NOx 11, et dT2 représente la gamme de température sur laquelle l'efficacité du piège à NOx 11 est supérieure à la moitié du maximum d'efficacité, i.e. est supérieure à la moitié de l'efficacité du piège à NOx 1l à la deuxième température T2. Sur la figure 3 sont représentées les courbes d'efficacité des pièges à NOx 9, 11, en fonction de la température des gaz d'échappement à l'entrée du premier piège à NOx 9. Ainsi, la courbe 14 d'efficacité de stockage du premier piège à NOx 9 reste inchangée par rapport à la courbe représentée sur la figure 2. Par contre, la courbe 16 d'efficacité de deuxième piège à NOx 11 a été modifiée par rapport à la courbe 15 représentée sur la figure 2. En effet, en raison de l'éloignement du deuxième piège à NOx 11 sur la ligne d'échappement, et en raison de la présence du filtre à particules 10 entre les deux pièges à NOx, la température des gaz d'échappement diminue entre leur entrée dans le premier piège à NOx 9 et leur entrée dans le deuxième piège à NOx 11. La figure 3 tient compte de cette diminution de température, et permet de constater que l'association des deux pièges à NOx 9, 11 tels que définis précédemment permet d'obtenir un traitement des NOx sur une gamme de température plus large, allant d'environ 120°C à environ 450°C, c'est-à-dire permet d'obtenir un certain recouvrement des courbes de stockage 14 et 16.
En fonctionnement, le premier piège à NOx 9 va permettre de stocker les NOx pendant les phases de démarrage durant lesquelles les gaz d'échappement présentent une température plus faible, par exemple inférieure à 250°C, qu'en fonctionnement normal du moteur, et durant lesquelles la température du deuxième piège à NOx 11 n'est pas encore suffisamment élevée pour permettre un stockage efficace des NOx. Puis, lorsque la température des gaz augmente, par exemple au-delà de 250°C, le premier piège à NOx 9 libère le NOx, en raison de la diminution de l'efficacité de stockage du piège 9, et le deuxième piège à NOx 11 stocke les NOx grâce à son augmentation de température durant la phase de démarrage. En fonctionnement continu, les NOx traversent en parti le premier piège à NOx 9 qui n'est efficace qu'à basse température, et sont piégés, après avoir diminué de température, par le deuxième piège à NOx 11.
Plus particulièrement, la deuxième température T2 et la gamme dT2 peuvent être déterminées par la formule : T2-dT2/2 < Tg û dT < T2+dT2/2, où Tg est la température des gaz d'échappement, en fonctionnement normal, à l'entrée du premier piège à NOx 9, et dT est la variation de température, en fonctionnement normal, des gaz d'échappement entre le premier piège 9 et le deuxième piège 11. De plus, la première température Tl peut être déterminée par la formule : Tl < T2 û (dTl+dT2)/2 + dT. On peut alors obtenir un recouvrement adéquat des courbes d'efficacité de stockage des deux pièges à NOx. Le système décrit précédemment permet donc d'augmenter la gamme de température sur laquelle la ligne d'échappement permet de stocker les NOx. En particulier, le système décrit permet de stocker à la fois les NOx à basse température, lors du démarrage du véhicule, et les NOx à haute température, lors du fonctionnement normal du véhicule. Par ailleurs, grâce à la disposition des deux pièges à NOx, il est possible d'utiliser la même composition pour imprégner les deux pièges, et donc de réduire les coûts en ne produisant qu'un seul type de piège à NOx, utilisé différemment selon sa position dans la ligne d'échappement.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement des gaz d'échappement émis par un véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement avec un premier piège à NOx (9) présentant un maximum d'efficacité à une première température (T 1), un filtre à particules (10) monté en aval du premier piège à NOx, et un deuxième piège à NOx (11) monté en aval du filtre à particules, présentant un maximum d'efficacité à une deuxième température (T2), caractérisé en ce que la deuxième température (T2) est inférieure ou égale à la première température (T 1).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la première température (Ti) est comprise entre 120°C et 300°C.
  3. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième température (T2) est comprise entre 120°C et 250°C.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première température (Tl) est choisie de manière à ce que le premier piège à NOx (9) soit capable de piéger les NOx émis lors du démarrage du véhicule automobile.
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième température (T2) est déterminée en fonction de la distance séparant le premier piège à NOx (9) et le deuxième piège à NOx (Il).
  6. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième température (T2) est déterminée en fonction des gammes de températures (dT1, dT2) sur lesquelles le premier piège à NOx (9) et le deuxième piège à NOx (11) présentent une efficacité supérieure à 50%.
  7. 7 Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la ligne d'échappement comprend également un injecteur de carburant (12) disposé en amont du premier piège à NOx (9).8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la ligne d'échappement comprend également un injecteur de carburant (13) disposé en amont du deuxième piège à NOx et en aval du filtre à particule (10).5
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