FR2956039A1 - Procede de traitement des gaz d'echappement contenant des oxydes d'azote - Google Patents

Procede de traitement des gaz d'echappement contenant des oxydes d'azote Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de traitement des gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote appliqué à une ligne de traitement des gaz d'échappement, la ligne (12) d'échappement comprenant un filtre (14) à particules et un catalyseur (16) d'un système de dénitrification réduisant les oxydes d'azote à l'aide d'un réducteur injecté dans la ligne d'échappement des gaz, caractérisé en ce que le procédé comprend des phases d'injection de quantités variables de réducteur. L'invention permet d'assurer une bonne réduction des NOx tout en laissant du dioxyde d'azote NO2 parvenir au filtre à particules pour y brûler les suies.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT CONTENANT DES OXYDES D'AZOTE [0001 Cette invention concerne un procédé de traitement des gaz d'échappement. Elle s'inscrit dans le domaine de la dépollution NOx des moteurs, en particulier des moteurs Diesel par un système de post-traitement avec injection de réducteur situé dans la ligne d'échappement et de la dépollution des particules par un Filtre à particules. [0002] Les systèmes de dépollution des NOx pour les moteurs Diesel sont très employés sur les poids lourds. Par exemple, une solution ayant fait la preuve de son efficacité est l'utilisation d'une source d'ammoniac (NH3), telle que l'urée aqueuse, qui est introduite dans les gaz d'échappement et qui réagit avec les NOx sur un catalyseur dans un système de dénitrification (DeNox) pour former de l'azote N2 inerte et de l'eau H2O. Cette solution est le principe de la SCR ou « Selective Catalytic Reduction » en anglais. Pour les véhicules particuliers, le piège à NOx (qui permet de stocker les NOx sur un catalyseur puis de les réduire lors du passage en combustion riche) et le système SCR sont deux systèmes pouvant être employés pour l'atteinte des normes sévères d'homologation. Les premiers véhicules piège à NOx Diesel circulent déjà aux Etats-Unis et les systèmes SCR sont en cours d'introduction (le véhicule de marque Mercedes ML350 BlueTech déjà en vente). Les systèmes de filtre à particules sont déjà très développés sur les applications de véhicules particuliers (obligatoire pour les moteurs Diesel Euro5) et en cours de mise au point sur les poids lourds en vu de la norme Euro6. [0003] Le document US-A-4 902 487 décrit la mise en contact de particules emprisonnées sur un filtre avec du dioxyde d'azote NO2 de sorte à provoquer la combustion des particules. Le NO2 est généré par catalyse des gaz d'échappement avant que ceux-ci circulent sur le filtre. [0004 Pour les systèmes piège à NOx, le coût (lié à l'utilisation de métaux précieux dans le piège) ainsi que la surconsommation engendrée par les purges sont des inconvénients de ce système. En ce qui concerne le système SCR, les inconvénients sont également le coût du système et également son intégration dans les bases véhicule. En ce qui concerne le filtre à particules l'inconvénient réside dans sa manière séquentielle de brûler les suies. Cette régénération entraîne une pénalité en consommation de carburant qu'il faut maîtriser. [0005] Il y a un besoin pour traiter de manière plus optimisée les oxydes d'azote dans la ligne d'échappement. [0006] Pour cela, l'invention propose un procédé de traitement des gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote appliqué à une ligne de traitement des gaz d'échappement, la ligne d'échappement comprenant un filtre à particules et un catalyseur d'un système de dénitrification réduisant les oxydes d'azote à l'aide d'un réducteur injecté dans la ligne d'échappement des gaz, caractérisé en ce que le procédé comprend des phases d'injection de quantités variables de réducteur. [0007] Dans une variante l'injection de réducteur comprend en alternance une phase d'injection de quantité plus importante de réducteur et une phase d'injection de quantité moins importante de réducteur. [0008] Dans une variante le procédé comprend en outre l'injection de carburant en amont du filtre à particules. [0009] Dans une variante le procédé est caractérisé en ce que le réducteur est de l'urée. [0010 Dans une variante le procédé est caractérisé en ce que la ligne d'échappement comporte en outre un catalyseur d'oxydation en amont du catalyseur du système de dénitrification et du filtre à particules, le procédé comportant une étape de production de dioxyde d'azote par le catalyseur d'oxydation et une étape de transformation du dioxyde d'azote par le catalyseur et le filtre à particules. [0011] L'invention propose, en outre, une ligne de traitement des gaz d'échappement d'un moteur pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini précédemment comprenant un filtre à particules, un injecteur de réducteur, un catalyseur d'un système de dénitrification réduisant les oxydes d'azote à l'aide du réducteur injecté dans la ligne d'échappement des gaz, un calculateur contrôlant la variation de la quantité de réducteur injecté. [0012] Dans une variante la ligne comprend en outre un catalyseur d'oxydation en amont du catalyseur du système de dénitrification et du filtre à particules. [0013] Dans une variante la ligne est caractérisée en ce que le catalyseur du système de dénitrification est en amont du filtre à particules. [0014] Dans une variante la ligne est caractérisée en ce que le catalyseur du système de dénitrification est sur le filtre à particules. [0015] Dans une variante la ligne est caractérisée en ce que le filtre à particules est additivé ou non. [0016] L'invention propose, en outre, un véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un moteur et, en sortie du moteur, une ligne d'échappement telle que définie précédemment. [0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : • figures 1 et 2, des représentations schématiques d'un moteur et de la ligne d'échappement ; figures 3 et 4, des graphes de comparaison d'injection d'agent réducteur. [ools] L'invention se rapporte à un procédé de traitement des gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote appliqué à une ligne de traitement des gaz d'échappement comprenant un filtre à particules et un catalyseur d'un système de dénitrification réduisant les oxydes d'azote à l'aide d'un réducteur injecté dans la ligne d'échappement des gaz. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend des phases d'injection de quantités variables de réducteur. Ainsi, le pilotage de l'injection de réducteur dans la ligne d'échappement permet d'assurer une bonne réduction des NOx tout en laissant du dioxyde d'azote NO2 parvenir au filtre à particules pour y brûler les suies. Ceci permet d'optimiser la réduction des NOx, de traiter les particules et de limiter la consommation de carburant. [0019] Les figures 1 et 2 montrent un moteur 10 de véhicule comportant en sortie une ligne d'échappement 12. Le moteur est en particulier du type Diesel. La ligne d'échappement 12 comporte un filtre à particules 14 (ou « FAP » ou « DPF » pour Diesel particulate filteren anglais) et un catalyseur 16 d'un système de dénitrification de type SCR. Un injecteur 17 permet d'injecter un réducteur dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur 16. La ligne d'échappement 12 peut comporter un catalyseur 18 d'oxydation Diesel (ou « DOC »). Il est envisageable de prévoir un injecteur 20 de carburant (en particulier de gazole) à l'échappement. L'injecteur 20 peut être monté en amont du DOC 18 (en particulier dans le cas d'un filtre à particules 14 non additivé). [0020] Le filtre 14 permet d'éliminer les particules issues de la combustion dans le moteur. Le filtre 12 peut être de technologie aditivée ou non. Le filtre 12 peut être catalysé. Le filtre 14 bloque les particules et peut également les détruire avec du gaz NO2 ou lors des phases de régénération. Pour cela, il faut chauffer les gaz d'échappement en injectant du carburant pendant la phase d'échappement, ce qui créé une post-combustion qui augmente la température du gaz d'échappement. Le carburant de post injection brûle ce qui chauffe encore plus les gaz qui atteignent ainsi la température souhaitée. Les particules bloquées sont donc détruites. [0021] Dans le système SCR, l'ammoniac est par exemple utilisé comme agent réducteur, en présence d'un excès d'oxygène, pour réduire les NOx en azote et en eau. Différents précurseurs d'ammoniac peuvent être utilisés. Par exemple, une solution aqueuse d'urée (telle que l'AdBlue û marque déposée) dosée depuis un réservoir séparé et vaporisée dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur 16, où elle est hydrolysée en ammoniac. [0022] Le DOC 18 permet de transformer l'oxyde de carbone CO et les hydrocarbures HC en CO2 et en eau. En outre, le DOC 18 est en mesure de produire du dioxyde d'azote, en plus du dioxyde d'azote des gaz d'échappement, mais qui est ensuite utilisé et transformé par le système SCR et le filtre 14. [0023] Selon les figures 1 et 2, le filtre 14 est, au plus haut dans la ligne, au niveau du catalyseur 16 dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Selon la figure 1, l'architecture de la ligne 12 d'échappement est telle que le filtre à particules 14 est en aval du catalyseur 16. Le DOC 18 est en amont du filtre 14. Il s'agit d'une architecture DOC SCR-FAP. La figure 2 montre une variante selon laquelle le catalyseur 16 est imprégné sur le filtre 14. Le DOC 18 est en amont du filtre 14. Il s'agit d'une architecture DOC avec SCR imprégné sur le FAP. [0024] Dans une telle configuration, les NOx sont d'abord réduits en N2 et en eau puis les particules sont stockées dans le filtre à particules 14 (FAP).
La réaction de combustion des suies avec le dioxyde d'azote NO2 ne peut alors avoir lieu puisque le SCR et le catalyseur 16 en éliminent une grande partie. Par une régulation de l'injection de réducteur par un calculateur, le procédé permet au NO2 d'atteindre les suies du filtre à particules 14 dans certaines phases de vie du véhicule. La réaction de combustion des suies peut alors avoir lieu. Ceci permet d'optimiser au mieux le fonctionnement des deux systèmes de post-traitement SCR et FAP. Le NO2 produit par le DOC 18 est utilisé par le système SCR et par le filtre 14 pour brûler les suies bloquées sur le filtre 14. [0025] Les figures 3 et 4 montrent une comparaison de l'injection de réducteur. La figure 3 montre une injection constante de réducteur. La figure 4 montre une régulation de l'injection de réducteur selon l'invention. [0026] Selon la figue 3, l'injection de réducteur 22 est « classique » pour un point de fonctionnement donné, comme par exemple un régime stabilisé à 130 Km/h sur une autoroute plate. Une telle injection 22 permet d'atteindre un niveau 24 de NOx en sortie SCR qui est constant. [0027] Selon la figure 4, l'injection de réducteur 26 (en pointillés) est « optimisée » et consiste à injecter du réducteur de manière séquentielle. La quantité de réducteur injecté est variable au cours du temps. Ceci permet de favoriser pendant quelques instants le niveau en sortie des NOx et donc des NO2 du SCR. Ces NO2 peuvent ainsi oxyder les suies sur le filtre à particules 14. La quantité 28 de NOx réduit par le réducteur varie en conséquence. La combustion des suies par le NO2 est aussi appelée effet CRT, la réaction chimique étant la suivante : 2NO2+C-*2N0+CO2 [0028] Plus spécifiquement, la figure 4 montre un exemple de séquence selon laquelle le réducteur est injecté. La séquence comprend des phases au cours desquelles la quantité de réducteur varie. L'injection comprend en alternance une phase 30 au cours de laquelle la quantité de réducteur injecté est plus importante que la quantité de réducteur injecté durant de la phase 32. Au cours des phases 32, seule une partie des oxydes d'azote est réduite par le catalyseur 16 avec le réducteur ; la partie 31 des dioxydes d'azote est réduite en oxyde d'azote par le filtre à particules 14. La sous injection de réducteur permet à une partie des dioxydes d'azote de parvenir au FAP. Au cours des phases 30, une partie plus importante d'oxyde d'azote est réduite à l'aide du réducteur. Une partie 29 moins importante d'oxyde d'azote n'est pas traitée. La sur injection de réducteur permet de limiter la quantité d'oxyde d'azote non traitée par le SCR. La performance de réduction des NOx avec ce procédé n'est en rien altérée puisque la sous injection est compensée par une sur injection. La surface sous la courbe 22 en trait plein, respectivement 24, est exactement identique à celle de la courbe en pointillés 26, respectivement 28. [0029] Pour que les suies soient oxydées par les NO2, il faut que la température au niveau du filtre à particules 14 soit de l'ordre de 250 à 400°C. Cela est particulièrement le cas lorsque le véhicule roule sur des zones stabilisées, sur route ou autoroute (90Km/h, 130Km/h). [0030] L'intérêt du procédé par la maîtrise au mieux des émissions est de limiter la surconsommation de carburant, et donc les émissions de CO2, liée au filtre à particules 14, puisqu'une partie des suies brûle naturellement. Egalement, l'intérêt est de limiter les cas de surcharge du filtre à particules en suies pouvant provoquer sa fissuration et donc une partie d'efficacité.
Egalement, le procédé permet de ne pas provoquer de surcoût puisqu'il est entièrement basé sur des stratégies de contrôle des émissions sans actuateurs ou capteurs supplémentaires.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Un procédé de traitement des gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote appliqué à une ligne de traitement des gaz d'échappement, la ligne (12) d'échappement comprenant un filtre (14) à particules et un catalyseur (16) d'un système de dénitrification réduisant les oxydes d'azote à l'aide d'un réducteur injecté dans la ligne d'échappement des gaz, caractérisé en ce que le procédé comprend des phases d'injection de quantités variables de réducteur.
  2. 2. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de réducteur comprend en alternance une phase d'injection de quantité plus importante de réducteur et une phase d'injection de quantité moins importante de réducteur.
  3. 3. Le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'injection de carburant en amont du filtre à particules.
  4. 4. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réducteur est de l'urée.
  5. 5. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la ligne d'échappement comporte en outre un catalyseur d'oxydation (18) en amont du catalyseur du système de dénitrification et du filtre à particules, le procédé comportant une étape de production de dioxyde d'azote par le catalyseur d'oxydation (18) et une étape de transformation du dioxyde d'azote par le catalyseur (16) et le filtre à particules (14).
  6. 6. Une ligne (12) de traitement des gaz d'échappement d'un moteur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la ligne (12) comprenant un filtre à particules (14), un injecteur (17) de réducteur, un catalyseur (16) d'un système de dénitrification réduisant les oxydes d'azote à l'aide du réducteur injecté dans la ligne d'échappement des gaz, un calculateur contrôlant la variation de la quantité de réducteur injecté
  7. 7. La ligne selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un catalyseur d'oxydation (18) en amont du catalyseur du système de dénitrification et du filtre à particules.
  8. 8. La ligne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le catalyseur (16) du système de dénitrification est en amont du filtre à particules (14).
  9. 9. La ligne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le catalyseur (16) du système de dénitrification est sur le filtre à particules (14).
  10. 10. La ligne selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que le filtre à particules (14) est additivé ou non.
  11. 11. Un véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un moteur et, en sortie du moteur, une ligne d'échappement (12) selon l'une des revendications 6 à 10.
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