FR2944316A3 - Procede de diminution du protoxyde d'azote des gaz d'echappement de vehicule automobile - Google Patents

Procede de diminution du protoxyde d'azote des gaz d'echappement de vehicule automobile Download PDF

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Abstract

Groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne (1 ; 1'), une voie d'échappement (3 ; 3'), un dispositif de post traitement des oxydes d'azote (NOx) (4 ; 4') des gaz d'échappement destiné à réduire la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère, et un dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N O) (7 ; 7') des gaz d'échappement destiné à réduire la quantité de protoxyde d'azote rejetée dans l'atmosphère, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N O) (7 ; 7') est disposé en aval du dispositif de post traitement des oxydes d'azote (NOx) (4 ; 4') sur la voie d'échappement (3 ; 3').

Description

L'invention concerne un groupe motopropulseur pour véhicule automobile comprenant un dispositif de réduction des émissions polluantes émises par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, incluant la réduction particulière de l'émission dans l'environnement du protoxyde d'azote (N2O). Elle concerne aussi un véhicule automobile en tant que tel équipé d'un tel dispositif de réduction des émissions polluantes. Elle concerne aussi un procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile.
La réaction de combustion d'un hydrocarbure avec de l'air, soit un mélange d'oxygène et d'azote, dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, génère principalement la formation d'oxydes d'azote (NOx, principalement NO et NO2), de monoxyde de carbone (CO), d'hydrocarbures (HC) et de particules. Dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, la combustion génère aussi du protoxyde d'azote (N2O). Il est connu de l'état de la technique d'équiper la ligne d'échappement d'un véhicule automobile par un ou plusieurs dispositif(s) de post-traitement des gaz d'échappement destiné(s) à diminuer la quantité de composants polluants présents dans les gaz d'échappement et diminuer les émissions polluantes dans l'atmosphère. Les dispositifs couramment utilisé pour les motorisations essence et diesel sont des dispositifs destinés à réduire entre-autre les émissions dans l'environnement des oxydes d'azotes NOx résultant du fonctionnement normal du moteur.
Le protoxyde d'azote (N2O) participe fortement au réchauffement climatique par ses propriétés de gaz à effet de serre. Il est donc intéressant de réduire aussi ses émissions par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Pourtant, il existe peu de solutions de post-traitement des gaz d'échappement qui vont dans ce sens.
Le document AU200133688 décrit une telle solution qui repose sur un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement qui traite de manière combinée le protoxyde d'azote et les oxydes d'azote NOx par l'intermédiaire d'une première zone traitant d'abord le protoxyde d'azote puis par une seconde zone de réduction des oxydes d'azote, après injection d'ammoniac. Une telle solution présente une efficacité insuffisante et il existe un besoin d'une solution améliorée de réduction du protoxyde d'azote des gaz d'échappement car il est possible de former du protoxyde d'azote lors de la phase de réduction des oxydes d'azote.
L'objet général de l'invention est donc de proposer une solution 15 performante de réduction du protoxyde d'azote des gaz d'échappement d'un véhicule automobile.
Un second objet de l'invention est de proposer une solution de réduction du protoxyde d'azote qui n'augmente pas les autres composants polluants 20 dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire une réduction ou une décomposition sélective du protoxyde d'azote (N2O) en azote (N2).
A cet effet, l'invention repose sur l'introduction d'un nouveau catalyseur en aval des systèmes de post-traitement des oxydes d'azote d'un catalyseur 25 permettant de réduire la quantité de protoxyde d'azote en aval.
Plus précisément, l'invention repose sur un groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne, une voie d'échappement, un dispositif de post traitement des oxydes d'azote 30 (NOx) des gaz d'échappement destiné à réduire la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère, et un dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) des gaz d'échappement destiné à réduire la quantité de protoxyde d'azote rejetée dans l'atmosphère, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) est disposé en aval du dispositif de post traitement des oxydes d'azote (NOx) sur la voie d'échappement.
Le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) peut mettre en oeuvre l'élimination du protoxyde d'azote (N2O) par décomposition 10 thermique.
Le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) peut comprendre un catalyseur, à base de métaux supportés sur zéolithe de structure mordenite, ZSM5 ou faujasite.
Le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) peut mettre en oeuvre la décomposition catalytique du protoxyde d'azote (N2O) sur au moins une structure spinelle de composition AB2O4 (A = Mg, Ca, Mn, Co, Ni, Cu, Cr, Fe, Zn et B = Cr, Fe, Co).
Le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) peut mettre en oeuvre une réduction catalytique du protoxyde d'azote (N2O) via l'ajout d'un agent réducteur, comme l'ammoniac (NH3), et/ou des hydrocarbures (HC), et/ou de l'hydrogène (H2) et/ou du monoxyde de carbone (CO).
Le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) peut comprendre un catalyseur à base de fer ou de cuivre déposé sur une zéolithe ou sur une alumine. 15 20 25 Le dispositif de post-traitement du protoxyde d'azote peut consister en un volume catalytique supplémentaire disposé en aval du dispositif de post-traitement des oxydes d'azote ou peut être mis en oeuvre directement sur l'un des catalyseurs déjà présents sur la voie d'échappement.
Le groupe motopropulseur peut comprendre plusieurs dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement sur la voie d'échappement, de l'amont vers l'aval : un dispositif de traitement des NOx, un filtre à particules, un dispositif de traitement du protoxyde d'azote, ou un dispositif de traitement des oxydes d'azote, un dispositif de traitement du protoxyde d'azote, un filtre à particules.
L'invention porte aussi sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un groupe motopropulseur tel que décrit précédemment. 15 L'invention porte aussi sur un procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les deux étapes suivantes de traitement des gaz d'échappement sur la voie d'échappement : 20 -traitement des oxydes d'azote (NOx) de sorte de réduire la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère par les gaz d'échappement ; puis -traitement du protoxyde d'azote (N2O) de sorte de réduire la quantité de protoxyde d'azote rejetée dans l'atmosphère par les gaz 25 d'échappement.
Le procédé de dépollution des gaz d'échappement peut comprendre une étape d'augmentation de la température des gaz d'échappements sur les points de fonctionnement du moteur les plus pénalisants en terme 30 d'émission du protoxyde d'azote (N2O) afin d'obtenir dans ces phases une conversion maximale du protoxyde d'azote lors de l'étape de traitement du protoxyde d'azote (N20).
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 représente schématiquement un groupe motopropulseur selon 10 l'invention.
La figure 2 représente schématiquement un groupe motopropulseur selon l'invention. 15 Il existe sur une voie d'échappement d'un groupe motopropulseur de véhicule automobile un premier dispositif classiquement appelé piège à oxydes d'azote, ou encore appelé par sa dénomination anglo-saxonne "NOx trap", composé par exemple de baryum destiné à absorber les oxydes d'azotes NOx. Dans les phases de régénération du NOx trap, qui 20 consistent à purger le NOx-Trap, c'est-à-dire à éliminer les oxydes d'azote NOx et les oxydes de soufre SOx qu'il a stockés durant le premier mode de fonctionnement normal, il arrive que du protoxyde d'azote N20 soit formé par réduction des oxydes d'azote NOx par les hydrocarbures HC par exemple sur les sites platine. En effet, le mode de régénération est 25 obtenu en basculant momentanément le fonctionnement du moteur d'une injection de mélange pauvre vers une injection d'un mélange riche pour produire en sortie de combustion des réducteurs, comme par exemple les éléments HC et CO, destinés ensuite à réduire les oxydes d'azote NOx de leur piège au sein du NOx-Trap lors de leur passage dans ce dispositif. 30 Un second dispositif pour réduire les oxydes d'azote consiste à utiliser une solution capable de les transformer en ammoniac NH3, par exemple à l'aide d'un catalyseur à base de Fe/zéolithe ou oxydes mixtes ou Cu/zéolithe... Toutefois, un tel dispositif risque aussi de générer du protoxyde d'azote en présence d'un excès d'oxydes d'azote. De plus, à haute température, l'ammoniac risque de s'oxyder en formant également du protoxyde d'azote selon les deux réactions suivantes : 2 NO2+2 NH3ù N2O+N2+3 H2O ou 4 NH3 + 2 NO2 + 5/202 --> 2 N2O + 6 H2O Enfin, dans le cas de la réduction des oxydes d'azote par des hydrocarbures sur un catalyseur contenant du platine, comme il est parfois observé avec les catalyseurs d'oxydation ou un catalyseur 3 voies, il est possible d'obtenir du protoxyde d'azote au lieu de l'azote recherché selon les réactions suivantes : NOads - Nads +Oads 2 Nads - N2 Nads + NOads -) N2O Suite à l'analyse précédente, l'invention repose sur le positionnement d'un nouveau dispositif de post-traitement du protoxyde d'azote N2O disposé sur la voie d'échappement du groupe motopropulseur en aval du dispositif de post-traitement des oxydes d'azote NOx.
Ainsi, la figure 1 illustre schématiquement un groupe motopropulseur selon un premier mode d'exécution de l'invention. Ce dispositif comprend un moteur diesel 1, alimenté en air arrivant par une conduite d'admission 2 et en carburant par un système d'injection 6. En sortie du moteur, les gaz d'échappement sont conduits par une conduite d'échappement 3 et traversent successivement un NOx-Trap 4, un filtre à particules 5, puis un dispositif de traitement du protoxyde d'azote 7.
Le dispositif comprend de plus une unité de commande électronique (ECU) 10, composée d'éléments matériel (hardware) et/ou logiciel (software), qui se présente généralement sous la forme d'un ordinateur de bord. Cette unité ECU reçoit des données de différents capteurs, non représentés, comme par exemple un capteur de température pour mesurer la température des gaz d'échappement, une sonde à oxygène qui mesure la quantité d'oxygène dans les gaz d'échappement, un capteur de température disposé en entrée du filtre à particules de sorte de mesurer la température des gaz d'échappement au niveau de ce filtre, un capteur de pression différentielle monté aux bornes du filtre à particules. A partir de ces données et/ou de modèles mémorisés, l'unité ECU met en oeuvre un procédé de gestion du groupe motopropulseur et plus précisément de dépollution des gaz d'échappement, qui sera détaillé par la suite.
Plusieurs variantes d'exécution du dispositif de post-traitement 7 du protoxyde d'azote N2O vont maintenant être décrites.
Selon une première exécution possible, ce dispositif peut permettre l'élimination du protoxyde d'azote N2O par décomposition thermique, en atteignant une température supérieure à 900 °C. Avec l'assistance d'un catalyseur, par exemple à base de métaux supportés sur zéolithe de structure mordenite, ZZSM5 ou faujasite, cette température est réduite aux environs de 600 °C.
Selon une seconde exécution possible, la décomposition catalytique du protoxyde d'azote N2O est également possible sur des structures spinelles de composition AB2O4 (A = Mg, Ca, Mn, Co, Ni, Cu, Cr, Fe, Zn et B = Cr, Fe, Co). Ces structures permettent d'abaisser la température de décomposition du protoxyde d'azote vers 400-500°C, soit à des températures compatibles avec les températures rencontrées à l'échappement.
Selon une troisième exécution possible, une réduction catalytique du protoxyde d'azote via l'ajout d'un agent réducteur tel que l'ammoniac NH3, des hydrocarbures, de l'hydrogène H2 ou du monoxyde de carbone CO est mise en oeuvre. Dans ce cas, le catalyseur sera le plus souvent à ,base de fer ou cuivre déposé sur zéolithe ou sur une alumine. Selon la nature de l'hydrocarbure utilisé et la nature du catalyseur, il est possible d'obtenir une conversion du protoxyde d'azote pour des températures supérieures à 300°C.
Selon l'espace disponible sur la voie d'échappement, le dispositif de post-traitement du protoxyde d'azote 7 peut consister en un volume catalytique supplémentaire disposé en aval du dispositif de post-traitement des oxydes d'azote 4.
En variante, le dispositif de post-traitement du protoxyde d'azote peut être mis en oeuvre directement sur l'un des catalyseurs déjà présents sur la voie d'échappement. Dans une telle variante, on pourra favoriser le dépôt de cette phase catalytique sur les premières tranches du filtre 5 de façon à la protéger des exothermes trop importants provoqués lors des phases de régénération. Une phase catalytique à base de zéolithe sera avantageuse, qui outre la fonction de traitement du protoxyde d'azote N2O par décomposition, peut également permettre le stockage des hydrocarbures HC émis et non traités par le système catalytique en amont à cause des thermiques trop faibles.30 La figure 2 illustre une variante de réalisation du groupe motopropulseur selon l'invention dans laquelle, les mêmes composants sont représentés, qui diffère de la réalisation représentée en figure 1 en ce que l'ordre des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement sur la voie d'échappement 3' est modifié, pour comprendre de l'amont vers l'aval : un catalyseur d'oxydation ou un catalyseur 3 voies, un dispositif de piège des NOx 4', un dispositif de traitement du protoxyde d'azote 7', suivi éventuellement d'un dispositif de traitement des fumées 5', qui peut consister en un filtre à particules et/ou tout autre dispositif de post- traitement des gaz d'échappement.
Dans une autre configuration, le dispositif de traitement du protoxyde d'azote 7' sera placé en aval d'un système de traitement des NOx par l'ammoniac.
Selon la nature du catalyseur utilisé dans le dispositif de post-traitement du protoxyde d'azote et son principe de fonctionnement (décomposition ou réduction du protoxyde d'azote N2O), une thermique particulière des gaz d'échappement pourra être mise en oeuvre pour atteindre la température optimale de fonctionnement de ce dispositif de post-traitement. Cette thermique particulière pourra être obtenue par tous moyens, comme par exemple via des stratégies de post-injection, d'injection tardive de carburant, permettant d'augmenter la température des gaz d'échappements sur les points de fonctionnement moteur les plus pénalisants en terme d'émission du protoxyde d'azote N2O afin d'obtenir dans ces phases une conversion maximale du protoxyde d'azote.
L'invention porte aussi sur le procédé de dépollution des gaz d'échappement, qui comprend les deux étapes essentielles suivantes : -traitement des oxydes d'azote (NOx) de sorte de réduire la quantité d'oxydes d'azote rejeté dans l'atmosphère par les gaz d'échappement ; puis -traitement du protoxyde d'azote N2O de sorte de réduire la quantité 5 de protoxyde d'azote rejeté dans l'atmosphère par les gaz d'échappement.

Claims (11)

  1. Revendications1. Groupe motopropulseur de véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne (1 ; 1'), une voie d'échappement (3 ; 3'), un dispositif de post traitement des oxydes d'azote (NOx) (4 ; 4') des gaz d'échappement destiné à réduire la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère, et un dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N20) (7 ; 7') des gaz d'échappement destiné à réduire la quantité de protoxyde d'azote rejetée dans l'atmosphère, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N20) (7 ; 7') est disposé en aval du dispositif dé post traitement des oxydes d'azote (NOx) (4 ; 4') sur la voie d'échappement (3 ; 3').
  2. 2. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N20) (7 ; 7') met en oeuvre l'élimination du protoxyde d'azote (N20) par décomposition thermique.
  3. 3. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N20) (7 ; 7') comprend un catalyseur, à base de métaux supportés sur zéolithe de structure mordenite, ZSM5 ou faujasite.
  4. 4. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N20) (7 ; 7') met en oeuvre la décomposition catalytique du protoxyde d'azote (N20) (7 ; 7') sur au moins une structure spinelle de composition AB204 (A = Mg, Ca, Mn, Co, Ni, Cu, Cr, Fe, Zn et B = Cr, Fe, Co).30
  5. 5. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) (7 ; 7') met en oeuvre une réduction catalytique du protoxyde d'azote (N2O) via l'ajout d'un agent réducteur, comme l'ammoniac (NH3), et/ou des hydrocarbures (HC), et/ou de l'hydrogène (H2) et/ou du monoxyde de carbone (CO).
  6. 6. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de post traitement du protoxyde d'azote (N2O) (7 ; 7') comprend un catalyseur à base de fer ou de cuivre déposé sur une zéolithe ou sur une alumine.
  7. 7. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de post- traitement du protoxyde d'azote (7) consiste en un volume catalytique supplémentaire disposé en aval du dispositif de post-traitement des oxydes d'azote (4) ou en ce que le dispositif de post-traitement du protoxyde d'azote (7') est mis en oeuvre directement sur l'un des catalyseurs (4') déjà présents sur la voie d'échappement.
  8. 8. Groupe motopropulseur de véhicule automobile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement sur la voie d'échappement (3 ; 3'), de l'amont vers l'aval : un dispositif de traitement des oxydes d'azote (4), un filtre à particules (5), un dispositif de traitement du protoxyde d'azote (7), ou un dispositif de traitement des NOx (4'), un dispositif de traitement du protoxyde d'azote (7'), un filtre à particules (5').
  9. 9. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un groupe 30 motopropulseur selon l'une des revendications précédentes.
  10. 10. Procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les deux étapes suivantes de traitement des gaz d'échappement sur la voie d'échappement (3 ; 3') : -traitement des oxydes d'azote (NOx) de sorte de réduire la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère par les gaz d'échappement ; puis -traitement du protoxyde d'azote (N2O) de sorte de réduire la quantité de protoxyde d'azote rejetée dans l'atmosphère par les gaz 10 d'échappement.
  11. 11. Procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'augmentation de la température des gaz 15 d'échappements sur les points de fonctionnement du moteur les plus pénalisants en terme d'émission du protoxyde d'azote (N2O) afin d'obtenir dans ces phases une conversion maximale du protoxyde d'azote lors de l'étape de traitement du protoxyde d'azote (N2O). 20
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