FR2961254A3 - Dispositif de controle des emissions polluantes d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

Dispositif de contrôle des émissions polluantes d'un moteur à combustion interne turbocompressé équipé à l'échappement d'un catalyseur SCR (11) réduisant en son sein des oxydes d'azote NOx sous l'action de gaz d'ammoniac provenant de la sublimation d'ammoniac solide, caractérisé en ce qu'il comporte un sublimateur (19) contenant un échangeur thermique dont le fluide calorifère constitué de gaz prélevés sur le moteur par un conduit d'entrée (20), est renvoyé, par un conduit de sortie (21), à l'admission du moteur.

Description

DISPOSITIF DE CONTRÔLE DES EMISSIONS POLLUANTES D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention se rapporte à la dépollution des gaz brûlés qui circulent dans une ligne d'échappement de moteur à combustion interne, sur le trajet desquels sont prévus des moyens d'introduction de gaz d'ammoniac réducteurs d'oxydes d'azote (NOx) et un catalyseur de réduction catalytique sélective, dit catalyseur SCR. Elle concerne plus spécifiquement un dispositif permettant de sublimer de Q l'ammoniac solide pour produire ces gaz d'ammoniac. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les moteurs diesel et les moteurs à essence fonctionnant en mélange pauvre (c'est-à-dire avec une richesse inférieure à 1). Les moteurs à combustion interne rejettent dans l'atmosphère divers 15 polluants parmi lesquels on trouve les NOx . Selon l'état de l'art, on sait réduire ces NOx en utilisant de l'ammoniac gazeux, par une réaction chimique qui forme de l'azote et de l'eau. Cette réduction est opérée à l'intérieur d'un catalyseur SCR, en amont duquel les gaz d'ammoniac sont introduits. On connaît diverses méthodes permettant d'obtenir des gaz d'ammoniac à 20 partir d'ammoniac solide ou d'une solution d'urée liquide. Le principe de ces méthodes peut consister à utiliser l'énergie thermique à l'échappement du moteur, de manière à éviter le recours à un système additionnel électrique (par exemple une résistance) qui nécessite un apport d'énergie et augmente la consommation de carburant du moteur. 25 Par exemple, la publication DE 10 2005 045 029 divulgue un turbocompresseur dont le carter de turbine est enveloppé d'un réacteur permettant, grâce à la chaleur émise par la turbine, d'obtenir des gaz d'ammoniac à partir de l'urée présente dans le réacteur sous forme de solution liquide ou de cristaux solides d'ammoniac. Un tel turbocompresseur, en raison de ses formes de 30 fonderie complexes, est délicat à fabriquer et peut présenter des risques de fiabilité. La présente invention remédie à ces problèmes de réalisation et de qualité, en proposant une alternative sous la forme d'un circuit d'air qui permet de ne pas modifier le turbocompresseur du moteur. Ce circuit comprend un sublimateur d'ammoniac contenant une cartouche de stockage d'ammoniac et un échangeur thermique, ainsi qu'un circuit de dérivation à partir du circuit d'air du moteur, la chaleur contenue dans les gaz déviés permettant de sublimer l'ammoniac contenu dans la cartouche de stockage. Selon une caractéristique de l'invention, les gaz chauds sont prélevés soit à partir du circuit d'échappement du moteur, par exemple sur une boucle EGR basse pression ou sur une boucle EGR haute pression, soit en variante à partir du circuit d'admission d'un moteur suralimenté, derrière le compresseur, bans ce dernier cas il ne s'agit pas de gaz d'échappement mais d'air prélevé dans l'atmosphère et chauffé par compression.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les gaz prélevés, qu'il s'agisse de gaz d'échappement ou, selon la variante indiquée précédemment, d'air frais comprimé, sont renvoyés à l'admission du moteur. L'avantage de cet agencement est que les systèmes de refroidissement d'air nécessaires par ailleurs au fonctionnement du moteur (par exemple : le refroidisseur d'admission d'air en amont du turbocompresseur) sont moins sollicités, du fait du prélèvement de calories déjà effectué pour la sublimation de l'ammoniac. Leur taille peut donc être réduite sans perte de performances. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels, - la figure 1 représente un dispositif de contrôle des émissions d'un moteur présentant une dérivation des gaz d'échappement depuis une boucle EGR basse pression, selon l'invention, la figure 2 représente une coupe d'un sublimateur d'ammoniac sur laquelle on voit l'emplacement d'une cartouche d'ammoniac solide et d'un échangeur thermique, - la figure 2A représente une vue de ta cartouche, d'ammoniac, figure 28 représente une vue de dessus de l'échangeur thermique gaz / solide permettant de sublimer de l'ammoniac, - la figure 2C représente une coupe verticale de l'échangeur, - la figure 3 représente un dispositif de contrôle des émissions d'un moteur présentant une dérivation des gaz d'échappement du 10 moteur depuis une boucle EG2 haute pression, selon une variante de l'invention, et - la figure 4 représente un système de contrôle des émissions d'un moteur présentant une dérivation de l'air admis dans le moteur en aval du compresseur du turbocompresseur, selon une autre variante de. 15 l'invention. Selon la figure 1, le système de contrôle des émissions d'un moteur à combustion interne comprend un filtre à air 1 par lequel l'air frais extérieur pénètre dans le moteur. L'air pénètre ensuite dans un compresseur 2 faisant partie du turbocompresseur du moteur, dans lequel il est mis en pression. Sous 20 l'effet de la compression, il s'échauffe. Pour abaisser sa température, il est dirigé grâce au tuyau d'air haute pression 3 vers un refroidisseur d'air 4, par exemple un échangeur air / air dont le fluide réfrigérant est l'air ambiant. L'air frais pénètre ensuite, via une vanne 5, dans 1a base moteur 6, comprenant notamment une culasse où il participe à la combustion de carburant, 25 par exemple du gazole. Les gaz d'échappement produits par la combustion sont évacués de la base moteur 6, par exemple par un collecteur d'échappement, vers la turbine 7 faisant partie du turbocompresseur du moteur, puis vers un premier catalyseur 8, qui peut être par exemple composé d'un catalyseur d'oxydation suivi d'un filtre à particules. Ils passent par une vanne 9 et sont ensuite mélangés à des gaz d'ammoniac provenant du conduit 10, en amont du catalyseur 5CR 11, ou l'ammoniac réduit les NOx contenus dans les gaz. Le circuit d'air principal du moteur qui vient d'être décrit présente deux dérivations qui prélèvent une partie des gaz d'échappement et les réintroduisent à l'admission, c'est-à-dire vers la base moteur 6, au lieu de les rejeter dans l'atmosphère. Cette méthode de recyclage est connu sous le terme d'EGR (de !anglais ; Exhaust Gas Recycling). La première dérivation, dite boucle EGR haute pression, prélève une partie des gaz d'échappement à la sortie de la base moteur 6, par exemple à partir du collecteur d'échappement, en amont de la turbine 7, et réinjecte ces gaz en aval du refroidisseur d'air 4, grâce à un conduit d'EGR haute pression 12 et à une vanne 13. Les deux vannes 5 et 13 permettent de doser le taux d'EGR haute pression, c'est-à-dire les proportions relatives d'air frais compressé et de gaz d'échappement recyclés admis dans le moteur.
La seconde dérivation, dite boucle EGR basse pression, dérive une partie des gaz d'échappement du conduit d'échappement en aval du premier catalyseur 8, au niveau du piquage 14 où prend naissance un tuyau amont 15 d'EGR basse pression. Ce tuyau amont 15 débouche à son autre extrémité dans un refroidisseur EGR 16, où la température des gaz déviés est abaissée. Les gaz sont ensuite réinjectés à l'admission, par l'intermédiaire d'un tuyau aval 17 d'EGR basse pression qui débouche via une vanne 18 dans le conduit d'admission reliant le filtre d'air 1 au compresseur 2, c'est-à-dire en amont du compresseur 2. La vanne 18 permet de doser la quantité de gaz d'échappement recyclés à l'admission. Selon l'invention, la boucle EGR basse pression présente, sur le tuyau amont 15, un circuit dérivé qui permet de dévier une partie des gaz d'échappement chauds circulant dans ce tuyau 15 vers un sublimateur d'ammoniac 19 (qui sera mieux décrit par les figures 2, 2A, 213 et 2C) grâce à un conduit d'entrée 20. Les gaz prélevés servent à sublimer, par échange thermique, l'ammoniac solide qui est stocké dans le sublimateur 19. Les gaz d'échappement prélevés sont ensuite -5 restitués eu tuyau 15, par le conduit de sortie 21. Les gaz d'ammoniac issus du processus de sublimation sont dirigés, par un tuyau de gaz 22, vers le catalyseur 5CR 11 via une vanne 23 et le conduit 10. Les vannes 9 et 23 servent à doser les quantités respectives de gaz d'échappement et d'ammoniac qui permettent de réduire les NOx contenus dans les gaz d'échappement, Les figures 2, 2A et 2B et 2C décrivent un exemple non-limitatif de sublimateur 19 avec ses différents composants, tel qu'il est équipé des conduits 20 et 21 ainsi que du tuyau de gaz 22 de la figure 1. Le sublimateur 19 (figure 2) contient, dans un corps de vaporisateur 24 fermé par un couvercle 25, une cartouche d'ammoniac solide 26 à sa partie supérieure, et un échangeur thermique 27 à sa partie inférieure. Le corps 24 est pourvu de trois orifices sur lesquels débouche une extrémité du conduit d'entrée 20, du conduit de sortie 21 et du tuyau de gaz 22. Le couvercle 25 peut être monté amovible, par exemple vissé, sur le corps 24, pour rendre la cartouche 26 extractible et remplaçable. La partie inférieure de la cartouche 26 repose à sa périphérie sur une collerette 28 solidaire du corps 24, de manière à laisser un volume libre 29 entre la cartouche 26 et l'échangeur 27. La cartouche 26 (figure 2A) contient, dans le corps de cartouche 30 de forme cylindrique, un volume d'ammoniac solide 31 qui se présente sous forme d'un pain sensiblement cylindrique, de diamètre inférieur à celui du corps 30. La face inférieure du corps de la cartouche 26 présente une structure trouée 32, par exemple une forme de grille. Cette grille permet le passage des gaz d'ammoniac issus de la sublimation de l'ammoniac de la cartouche 26 vers le volume libre 29, puis dans le tuyau de gaz 22 (figure 2), L'échangeur thermique 27 (figures 2B et 2C) se présente sous la forme d'un corps extérieur 33 d'enveloppe globalement cylindrique, dont les parois verticales et la face inférieure sont ajustés au corps du vaporisateur 24. Il présente deux orifices circulaires 34 et 35, qui font face respectivement aux conduits d'entrée et de sortie 20 et 21 fixés sur le corps du vaporisateur 24. On peut prévoir une indexation angulaire, par exemple un système de rainure et de clavette (non-représenté), pour orienter convenablement la position angulaire de l'échangeur 27 par rapport au corps du vaporisateur 24. La partie supérieure du corps extérieur 33 est en forme de créneau. Elle délimite, de façon non-limitative, cinq conduits secondaires 36, 37, 38, 39 et 40 par lesquels le flux des gaz entrant par le conduit d'entrée 20 se divise avant de ressortir par le conduit de sortie 21. Entre ces conduits secondaires se trouvent, de façon non limitative, quatre lames d'air 41, 42, 43 et 44. La grande surface de ces lames permet de prélever davantage decalories aux gaz circulant 10 dans l'échangeur. La figure 3 présente une variante de la figure 1, sur laquelle la boucle EGR haute pression présente un circuit dérivé. Cette boucle permet de dévier une partie des gaz d'échappement chauds circulant dans ce conduit 12 vers le sublimateur 19. La description de la figure 1 s'applique mutatis mutandis au conduit 15 d'EGR haute pression 12 à partir du conduit amont 15 d'EGR basse pression. Le circuit constitué par le conduit d'entrée (20), le vaporisateur (19) et le conduit de sortie (21) constitue une dérivation d'un tuyau prélevant des gaz provenant du moteur et les restituant en aval du compresseur (2). La figure 4 décrit une autre variante de l'invention. Contrairement aux 20 figures 1 et 3, il n'y a pas de prélèvement de gaz d'échappement pour sublimer l'ammoniac, mais on utilise à la place l'air admis dans le moteur réchauffé dans le compresseur 2 pour alimenter le sublimateur 19. Pour cela, une dérivation est créée par les conduits 20 et 21 sur le tuyau d'air haute pression 3. La description de la figure 1 s'applique encore ici mutatis mutandis au tuyau d'air haute pression 3 25 à partir du conduit amont 15 d'EGR basse pression. Une vanne 45 permet de doser la quantité de gaz dérivé. Cette autre variante de l'invention peut s'appliquer à tout moteur turbocompressé, même si il ne possède ni boucle EGR haute pression, ni boucle EGR basse pression. En résumé, l'invention propose un dispositif de sublimation d'ammoniac solide en gaz d'ammoniac dans un échangeur prélevant la chaleur de gaz dérivés du circuit d'air du moteur, c'est-à-dire de gaz d'échappement sur une boucle EGR ou de gaz d'admission provenant du compresseur, les gaz étant restitués à l'admission du moteur. Elle est applicable à tous les moteurs â combustion interne turbocompressés, Cette invention présente de nombreux avantages. Le prélèvement de chaleur nécessaire à fa sublimation de l'ammoniac ne nécessite qu'un agencement très simple de conduits, ce qui assure une bonne fiabilité. De plus, les gaz étant prélevés sur une boucle qui débouche à l'admission, les échangeurs thermiques du moteur, par exemple le refroidisseur d'air 4, peuvent être dimensionnés avec des performances plus faibles, ce qui est économique.

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle des émissions polluantes d'un REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle des émissions polluantes d'un moteur à combustion interne turbocompressé équipé à l'échappement d'un catalyseur SCR (il) réduisant en son sein des oxydes d'azote NOx sous l'action de gaz d'ammoniac provenant de la sublimation d'ammoniac solide, caractérisé en ce qu'il comporte un sublimateur (19) contenant un échangeur thermique (27) 10 dont le fluide calorifère constitué de gaz prélevés sur le moteur par un conduit d'entrée (20), est renvoyé, par un conduit de sortie (21), à l'admission du moteur.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit constitué par le conduit d'entrée (20), le vaporisateur (19) et le conduit de sortie (21) 15 constitue une dérivation d'un tuyau amont d'EGR basse pression (15).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit constitué par le conduit d'entrée (20), le vaporisateur (19) et le conduit de sortie (21) constitue une dérivation d'un tuyau prélevant des gaz provenant du moteur et les restituant en aval du compresseur (2). 20 1. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit constitué par le conduit d'entrée (20), le vaporisateur (19) et le conduit de sortie (21) constitue une dérivation d'un tuyau d'air haute pression (3). 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le circuit constitué par le conduit d'entrée (20), le vaporisateur (19) et le conduit de. 25 sortie (21) constitue une dérivation d'un conduit d'EGR haute pression (12). Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le vaporisateur (19) comporte une cartouche d'ammoniac solide (26) extractible dont une face est séparée de l'échangeur (27) par un volume libre (29). 30 7. Dispositif selon la revendication b, caractérisé en ce que la cartouched'ammoniac solide (26) présente, sur sa face en regard de l'échangeur (27), une partie périphérique en appui sur une collerette (28) et une autre partie percée d'une pluralité de trous de passage de gaz de la cartouche d'ammoniac solide (26) vers le volume libre (29).
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