FR2971005A1 - Ligne d'echappement pour moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une ligne d'échappement pour moteur (1) à combustion interne comportant, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement : un système d'acquisition d'une température (6) des gaz d'échappement en aval du moteur, un système d'injection (8) d'un additif destiné à réagir avec des polluants contenus dans les gaz d'échappement, un turbocompresseur (3), un système d'acquisition (10) d'une information relative auxdits polluants, un filtre à particules (13) muni de d'un monolithe pour la filtration des particules, et un catalyseur d'oxydation (4), ainsi qu'un procédé de traitement des gaz d'échappement. L'invention se caractérise en ce que, au moins une portion du monolithe du filtre à particules (13) comprend un catalyseur pour réaliser une réduction catalytique sélective. L'invention s'applique, en particulier, à des véhicules à moteur utilisant le diesel comme carburant.

Description

LIGNE D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE DOMAINE DE L'INVENTION [0001 La présente invention concerne une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne et, notamment, pour moteur diesel ou essence à mélange pauvre. La ligne d'échappement selon la présente invention comporte, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, un système d'acquisition d'une température des gaz d'échappement en aval du moteur, un système d'injection d'un additif destiné à réagir avec des polluants contenus dans les gaz d'échappement, un turbocompresseur, un système d'acquisition d'une information relative auxdits polluants, un filtre à particules muni d'un monolithe pour la filtration desdites particules, et un catalyseur d'oxydation. En outre, l'invention concerne un procédé de traitement des gaz d'échappement au moyen d'une ligne d'échappement telle que définie ci-avant. ART ANTERIEUR [0002 Au cours des trois dernières décennies, le nombre de véhicules à moteur Diesel en circulation a fortement augmenté. Parallèlement à cette augmentation, les normes relatives aux émissions polluantes sont devenues de plus en plus strictes. Il s'agit, par exemple, des normes Euro 5 et Euro 6. [0003] Bien que la connaissance et l'expérience acquises dans le domaine des moteurs à combustion interne ne cessent de croitre, ces normes ne pourront sans doute pas être satisfaites sans l'utilisation extensive de systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. [0004] Ces systèmes de post-traitement constituent des blocs. Ces blocs, raccordés successivement, forment une ligne d'échappement. [0005i Une ligne d'échappement selon l'art antérieur est notamment illustrée par la figure 1A. On distingue, sur cette figure, un moteur 1, une tubulure d'échappement comprenant une pluralité de tubes 2, un turbocompresseur 3, un catalyseur d'oxydation 4, un calculateur 5, un système d'acquisition d'une température 6, un réservoir d'additif 7, un système d'injection de l'additif 8, un mélangeur 9, un système d'acquisition 10 d'une information relative aux gaz d'échappement, un système de réduction catalytique sélective 11, un système d'acquisition 12 d'une information relative aux gaz d'échappement, et un filtre à particules 13. [0006] Le moteur 1 est typiquement un moteur Diesel. Son fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole. Sitôt le carburant injecté, il s'enflamme sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. L'inflammation du carburant produit notamment une énergie thermique et des gaz d'échappement. [0007] On pourra noter que le moteur ne fait pas partie de la ligne d'échappement à proprement parler. [0008] Quatre polluants contenus dans les gaz d'échappement sont actuellement réglementés : les hydrocarbures (HC), les oxydes de carbone (COX : CO et CO2), les oxydes d'azote (NOX : NO et NO2), et les particules de suie (PM : Particulate Matter). Ces quatre polluants sont traités successivement dans la ligne d'échappement. [0009] Les tubes 2 assurent la liaison aéraulique entre le moteur, les différents éléments de la ligne d'échappement et l'extérieur. [oolo] Le turbocompresseur 3 est destiné à augmenter la pression d'admission dans le moteur 1. Ce compresseur est typiquement placé en aval du moteur. Cette position permet, à l'aide d'une turbine, de récupérer une partie de l'énergie cinétique des gaz d'échappement. [0011] Typiquement, le catalyseur d'oxydation 4 convertit les hydrocarbures et les monoxydes de carbone en dioxyde de carbone et en eau. [0012] Le calculateur 5 est destiné à récupérer, traiter et transmettre les informations relatives à l'ensemble du véhicule. En particulier, il régule l'injection de l'additif contenu dans le réservoir 7, au travers du système d'injection 8 en fonction des informations issues du moteur 1 et du système d'acquisition de température 6. [0013] Le mélangeur 9 est typiquement destiné à mélanger les gaz d'échappement en aval du système d'injection 8 avec ledit additif. [0014] L'additif injecté est un additif à l'état liquide, par exemple un mélange d'eau et d'urée. En effet, l'urée est un précurseur d'ammoniac, et c'est l'ammoniac qui est utilisé comme agent réducteur sélectif dans un système de réduction catalytique sélective 11. La réaction chimique entre l'ammoniac et les oxydes d'azote a typiquement pour produits de l'eau et du di-azote. [0015] Le système d'acquisition 10 et/ou 12 permet, en particulier, une mesure de concentration en ammoniac et/ou NOX. [0016] Le lien pourtant implicite entre les systèmes d'acquisition 10 et 12 n'est pas représenté à la figure 1A. Plus particulièrement, le système d'acquisition 12, en aval du système de réduction catalytique sélective, assure la vérification de la conformité des gaz d'échappement en NOX. [0017] Ainsi, pour traiter le dernier des quatre polluants précités contenus dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire les particules de suie, on utilise typiquement un filtre à particules. Ce filtre retient une forte proportion des particules de suie. Cependant, il devient de moins en moins efficace au fur et à mesure que les particules s'y accumulent, car elles l'obturent progressivement. Ceci implique une perte de charge qui augmente dans le filtre, ce qui peut, à terme, diminuer certaines performances du moteur. [0018] Dans d'autres architectures de lignes d'échappement, la disposition des blocs de post-traitement des gaz d'échappement peut être différente. [0019] Une telle architecture est par exemple divulguée dans le document WO 2009/156134. Elle est illustrée à la figure I B. Une particularité de cette architecture réside dans le positionnement du système d'injection de l'additif 8, à savoir en amont du turbocompresseur 3. Ce positionnement autorise la suppression du mélangeur 9. La turbine du turbocompresseur 3, de part sa structure aérodynamique, remplace alors fonctionnellement le mélangeur 9. [0020] Un avantage du positionnement de l'injecteur d'additif en amont du turbocompresseur est une réduction de la distance de décomposition de l'urée en ammoniac. En effet, la transformation de l'urée en ammoniac nécessite de forte température. Plus l'injection est proche du moteur, plus la température de gaz d'échappement est élevée, et plus la transformation de l'urée en ammoniac est efficace. Un autre avantage est une diminution de poids et/ou du volume et/ou des coûts de la ligne d'échappement. [0021] Toutefois, cette réduction de volume/poids, ainsi que la réduction des coûts de la ligne d'échappement reste encore marginale. De surcroit, l'architecture présentée ci-dessus ne résout pas le problème de la régénération du filtre à particules. RESUME DE L'INVENTION [0022] Compte tenu de ce qui précède, un problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser une ligne d'échappement qui permette, en particulier, à moindre coût, de réduire le volume de la ligne d'échappement tout en gardant la caractéristique de conformité aux normes en vigueurs relatives, en particulier, au traitement des gaz d'échappement. [0023] Considérant le problème posé ci-dessus, la solution de l'invention est, selon un premier aspect, une ligne d'échappement pour moteur à combustion interne comportant, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement : un système d'acquisition d'une température des gaz d'échappement en aval du moteur, un système d'injection d'un additif destiné à réagir avec des polluants contenus dans les gaz d'échappement, un turbocompresseur, un système d'acquisition d'une information relative auxdits polluants, un filtre à particules muni d'un monolithe pour la filtration des particules, et un catalyseur d'oxydation, caractérisée en ce que au moins une portion du monolithe du filtre à particules comprend un catalyseur pour réaliser une réduction catalytique sélective. [0024] Selon un second aspect, la solution de l'invention est un procédé de traitement des gaz d'échappement pour moteur à combustion interne au travers d'une ligne d'échappement telle que ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réduction catalytique sélective des NOX contenus dans les gaz d'échappement au moyen d'un catalyseur contenu dans au moins une portion du monolithe du filtre à particules. [0025] L'architecture de la ligne d'échappement, ainsi proposée, permet d'une part, de diminuer le nombre de blocs de post-traitement de la ligne d'échappement et, d'autre part, de supprimer le mélangeur. [0026] De manière avantageuse, - le catalyseur recouvre au moins une portion des parois du filtre à particules ; - le monolithe du filtre à particules est imprégné du catalyseur ; - un additif est injecté en amont du filtre à particules pour la régénération du filtre à particules ; - le catalyseur comprend un métal de transition et un élément chimique du groupe des lanthanides, et/ou un élément chimique du groupe des actinites, et/ou un zéolithe, et/ou un métal alcalin, et/ou un métal alcalino-terreux ; - la ligne d'échappement comporte en outre un système de contrôle d'activité du catalyseur relativement à la réduction catalytique sélective ; - le filtre à particules comporte en outre un système d'activation énergétique du catalyseur ; - un monolithe de réduction sélective catalytique est placé en amont et/ou en aval du filtre à particules ; - la ligne d'échappement comporte en outre un système d'épuration en NH3 en aval du filtre à particules. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0027] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui suit, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1A et 1B illustrent des lignes d'échappement selon l'art antérieur ; et ^ la figure 2 illustre une ligne d'échappement selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION [0028] La ligne d'échappement selon l'invention, telle qu'illustrée sur la figure 2, est destinée aux moteurs 1 à combustion interne. De manière non limitative, ces moteurs sont des moteurs à pétrole ou à diesel. Il est également possible que ces moteurs soient à essence, par exemple, pour des véhicules hybrides. [0029] La ligne d'échappement selon l'invention comporte, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement : un système d'acquisition 6 d'une température en aval du moteur, un système d'injection 8 d'un additif destiné à réagir avec des polluants contenus dans les gaz d'échappement, un turbocompresseur 3, un système d'acquisition 10 d'une information relative auxdits polluants contenus dans les gaz d'échappement, un filtre à particules 13 muni de parois pour la filtration desdites particules, et un catalyseur d'oxydation 4. [0030] Une tubulure comportant une pluralité de tubes 2 assure une liaison aéraulique entre le moteur, les différents blocs de la ligne d'échappement et l'extérieur. [0031] Typiquement, le système d'acquisition 6 de température permet de connaître, notamment à l'aide du calculateur 5, la température des gaz d'échappement dès leur sortie du moteur 1. [0032] Le système d'injection 8 est avantageusement placé en amont du turbocompresseur. Cette position autorise alors la suppression du mélangeur 9, les turbulences créées par la turbine du turbocompresseur remplaçant l'effet dudit mélangeur 9. L'additif est, par exemple, injecté à forte ou à faible pression. Il est injecté directement en aval du moteur, et bénéficie des plus hautes températures des gaz d'échappement à la sortie de celui-ci. L'additif est typiquement un précurseur de l'ammoniac tel que, par exemple, un mélange d'eau et d'urée. Il peut toutefois s'agir, par exemple, d'hydrocarbures, d'alcools, de guanidine, d'une solution aqueuse d'ions ammonium, d'ammoniaque, ou encore, de di-hydrogène. [0033] Le système d'acquisition 12 est notamment un capteur de présence de NOX ou d'ammoniac. Dans un mode préférentiel de réalisation selon l'invention un système d'acquisition 10 additionnel est disposé en amont du filtre à particules 13. [0034] Le filtre à particules 13 est par exemple composé d'un support monolithe de filtration. Ce support est métallique ou non. Il peut s'agir d'un support de cordiérite, et/ou de titanate d'aluminium, et/ou carbure de silicium. [0035] L'efficacité du filtre à particules peut diminuer au cours de son utilisation, avec l'obturation progressive dudit filtre par les particules de suie qui s'y accumulent. Il est important d'éviter cette perte de charge potentielle du filtre à particules, car elle peut conduire à une obstruction progressive de la ligne d'échappement. Ceci peut avoir pour conséquence, à terme, une diminution de certaines performances du moteur 1. [0036] C'est la raison pour laquelle, conformément à un mode préférentiel de réalisation selon l'invention, on injecte, en amont du filtre à particules 13, un additif pour sa régénération. [0037] Enfin, le ou les supports monolithe du catalyseur d'oxydation 4 sont par exemple de type métallique, et/ou de type cordiérite, et/ou de type titanate d'aluminium, et/ou de type carbure de silicium. [0038] Un avantage de la présente invention réside dans la suppression du bloc de réduction catalytique sélective. Au moins une portion du support monolithe du filtre à particules comprend un catalyseur pour réaliser cette réduction catalytique sélective. [0039] Par exemple, le catalyseur, pour réaliser la réduction catalytique sélective, recouvre au moins une portion du monolithe du filtre à particules 13. Ce recouvrement peut être effectué par dépôt d'une couche d'enduction de catalyseur. [oo4o] De manière préférentielle, le monolithe du filtre à particules 13 peut être imprégné du catalyseur pour réaliser cette réduction catalytique sélective. [0041] Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le catalyseur est au moins composé d'un métal de transition et d'une combinaison de : un élément chimique du groupe des lanthanides, et/ou un élément chimique du groupe des actinites, et/ou un zéolithe, et/ou un métal alcalin, et/ou un métal alcalino-terreux. [0042] Selon la présente invention, le fait de remplacer, de manière non évidente, un filtre à particules 13 et un système de réduction catalytique sélective 11 par un filtre à particules 13 dont le monolithe comprend un catalyseur pour réaliser la réduction catalytique sélective peut requérir l'emploi d'un système de contrôle d'activité du catalyseur. [0043] Au-delà du système de contrôle d'activité du catalyseur, le filtre à particules 13 selon la présente invention peut également comporter un système d'activation énergétique du catalyseur. Par exemple, une lumière de faible intensité à l'entrée du filtre à particules 13 et une lumière de forte intensité à sa sortie. [0044] Pour parfaire le filtre à particules 13 muni d'un catalyseur pour une réduction catalytique sélective, un monolithe de réduction catalytique sélective 11 est avantageusement placé en amont et/ou en aval du filtre à particules 13. Il est éventuellement suivi d'un système d'épuration en NH3. [0045] En pratique, le traitement des gaz d'échappement au travers d'une ligne d'échappement selon l'invention est effectué selon les étapes suivantes de : filtration des gaz d'échappement à l'aide dudit filtre à particules 13, réaction entre les gaz d'échappement et l'additif destiné à réagir avec les polluants à l'aide d'un catalyseur pour réaliser une réduction catalytique sélective, et oxydation des gaz d'échappement au travers d'un catalyseur d'oxydation 4. Ainsi, les quatre polluants, PM, HC, COX et NOX sont traités. D'une part, le filtre à particule filtre les particules de suie PM. D'autre part, il permet la catalyse des oxydes d'azote NOX. Enfin le catalyseur d'oxydation catalyse les hydrocarbures HC et les oxyde de carbone COX. [0046] Ainsi, l'invention permet de réduire les coûts inhérents aux lignes d'échappement actuelles, de réduire le volume global des systèmes de dépollution de la ligne, d'éliminer le besoin d'un mélangeur, de réduire la distance de décomposition des fluides de pour la réduction des NOx, et d'éliminer toutes problématiques de colmatage de la ligne d'échappement en particulier à froid. Enfin, l'invention permet de réduire la quantité d'additif pour la régénération de la suie grâce à l'action catalytique du revêtement SCR qui aidera avec sa régénération.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement pour moteur (1) à combustion interne comportant, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement : un système d'acquisition (6) d'une température des gaz d'échappement en aval du moteur, un système d'injection (8) d'un additif destiné à réagir avec des polluants contenus dans les gaz d'échappement, un turbocompresseur (3), un système d'acquisition (10) d'une information relative auxdits polluants, un filtre à particules (13) muni d'un monolithe pour la filtration desdites particules, et un catalyseur d'oxydation (4), caractérisée en ce que au moins une portion du monolithe du filtre à particules (13) comprend un catalyseur pour réaliser une réduction catalytique sélective.
  2. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le catalyseur recouvre au moins une portion du monolithe du filtre à particules (13).
  3. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le monolithe du filtre à particules (13) est imprégné du catalyseur.
  4. 4. Ligne d'échappement selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce qu'un additif est injecté en amont dudit filtre à particules (13) pour sa régénération.
  5. 5. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le catalyseur comprend un métal de transition et un élément chimique du groupe des lanthanides, et/ou un élément chimique du groupe des actinites, et/ou un zéolithe, et/ou un métal alcalin, et/ou un métal alcalino-terreux.
  6. 6. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un système de contrôle d'activité du catalyseur relativement à la réduction catalytique sélective.
  7. 7. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le filtre à particules (13) comporte en outre un système d'activation énergétique du catalyseur.
  8. 8. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un monolithe de réduction sélective catalytique est disposé en amont et/ou en aval du filtre à particules (13).
  9. 9. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un système d'épuration en NH3 en aval du filtre à particules (13).
  10. 10. Procédé de traitement des gaz d'échappement pour moteur (1) à combustion interne au travers d'une ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réduction catalytique sélective des NO, contenus dans les gaz d'échappement au moyen d'un catalyseur contenu dans au moins une portion du monolithe du filtre à particules (13).
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