FR2971007A1

FR2971007A1 - Procede et dispositif d'injection d'un agent reducteur gazeux dans la ligne d'echappement des gaz brules d'un moteur thermique

Info

Publication number: FR2971007A1
Application number: FR1150813A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Ferrand
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-03
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: FR2971007B1

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif d'injection d'un agent réducteur gazeux en amont d'un catalyseur à réduction catalytique sélective placé dans la ligne d'échappement des gaz brulés d'un moteur thermique à combustion interne. Selon le procédé, l'agent réducteur (par exemple de l'ammoniac gazeux) est injecté en au moins deux points d'injection distincts dans ladite ligne d'échappement. Le débit d'agent réducteur injecté est contrôlé en chacun desdits points, de préférence en utilisant un col sonique (36, 37,38, 39) en chacun desdits points et en imposant un débit sonique à l'agent réducteur qui traverse ledit col. Le dispositif comporte au moins deux injecteurs (36 à 39) d'ammoniac gazeux placés en des points d'injection distincts ( 40 à 43) dans la ligne d'échappement , les injecteurs comprenant des cols soniques permettant le contrôle du débit de gaz injecté quelque soit les conditions de pression locale au différents points d'injection.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D'INJECTION D'UN AGENT REDUCTEUR GAZEUX DANS LA LIGNE D'ECHAPPEMENT DES GAZ BRULES D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001 La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'injection d'un agent réducteur gazeux, notamment de l'ammoniac, en amont d'un catalyseur à réduction catalytique sélective placé dans la ligne d'échappement des gaz brulés d'un moteur thermique à combustion interne. [0002 Différentes techniques ont déjà été proposées, ou sont déjà utilisées, pour réduire les émissions d'éléments polluants rejetés dans l'atmosphère avec les gaz d'échappement des véhicules automobiles munis d'un moteur thermique. C'est notamment le cas des émissions d'oxydes d'azote NOX qui sont traitées par réduction catalytique. A cette fin, une technique consiste à mélanger un agent réducteur, notamment de l'ammoniac gazeux, avec les gaz d'échappement et de faire passer le mélange dans ou sur un catalyseur placé dans la ligne d'échappement .Cette technique est connue sous l'abréviation RCS (pour Réduction Catalytique Sélective) ou l'abréviation anglaise SCR (pour Selective Catalytic Reduction). Il faut donc disposer dans la ligne d'échappement un injecteur d'ammoniac gazeux et un catalyseur. Le catalyseur peut avoir été déposé, par imprégnation par exemple, sur les parois des canaux d'un bloc de céramique composé d'une multitude de canaux sensiblement parallèles à la direction d'écoulement des gaz d'échappement. L'agent réducteur transforme les oxydes d'azote en azote et en eau. Lorsque l'agent réducteur est de l'ammoniac NH3 la réaction est la suivante: 4 NO + 4 NH3 + 02 -^ 4 N2+ 6H2O [0003] Par souci de clarté, on ne mentionnera par la suite que l'ammoniac, sachant toutefois qu'un autre agent réducteur pourrait être utilisé. [0004] Selon une autre forme de mise en oeuvre de cette technique, on 30 injecte une solution d'urée (et donc un liquide), laquelle est transformée en ammoniac sous l'effet de la chaleur des gaz d'échappement. La solution d'urée est injectée dans la ligne d'échappement à une pression relativement élevée (environ 5 bars) et, la solution étant un liquide donc incompressible, le débit d'urée injectée est relativement peu sensible aux fluctuations de la pression des gaz d'échappement. En d'autres termes, le débit d'urée injectée est pratiquement indépendant de la pression régnant dans la ligne d'échappement. Cependant ce n'est pas le cas lorsque le réducteur injecté est sous la forme d'un gaz, tel que de l'ammoniac gazeux, car d'une part, les pressions du gaz injecté sont inférieures (elles sont typiquement de l'ordre de 1 à 3 bars absolus) et, d'autre part, le gaz étant compressible, il en résulte des variations de pression, et donc de débit, du gaz injecté. Le catalyseur peut alors recevoir une quantité d'ammoniac qui n'est pas dans les proportions stoechiométriques pour la réaction d'oxydation. Il est donc important de maitriser l'injection d'ammoniac de façon à obtenir un débit d'ammoniac correspondant sensiblement aux proportions stoechiométriques. [0005i Un autre problème associé à l'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement provient de l'encombrement de plus en plus important dans la ligne au fur et à mesure qu'on y ajoute des éléments (catalyseurs, filtre, injecteur, capteurs, etc.): il est donc intéressant de réduire autant que possible la distance entre le point d'injection d'ammoniac et le catalyseur. [0006] La présente invention permet de résoudre au moins l'un des problèmes énoncés ci-dessus pour l'injection d'ammoniac sous forme d'un gaz. [0007] De façon plus précise l'invention concerne un procédé d'injection d'un agent réducteur gazeux en amont d'un catalyseur à réduction catalytique sélective placé dans la ligne d'échappement des gaz brulés d'un moteur thermique à combustion interne. Selon l'invention, ledit agent réducteur, de préférence de l'ammoniac gazeux, est injecté en au moins deux points d'injection distincts dans ladite ligne d'échappement et le débit d'agent réducteur injecté est contrôlé en chacun desdits points. [0008] De préférence: - ledit débit est contrôlé en utilisant un col sonique en chacun desdits points et en imposant un débit sonique à l'agent réducteur qui traverse ledit col. les débits d'agent réducteur injecté auxdits points sont sensiblement identiques. [0009] L'invention concerne aussi un dispositif d'injection d'un agent réducteur gazeux dans la ligne d'échappement des gaz brulés d'un moteur thermique à combustion interne, ledit agent réducteur étant destiné à passer dans un catalyseur placé dans ladite ligne d'échappement. Selon l'invention, le dispositif comporte au moins deux injecteurs d'agent réducteur, de préférence de l'ammoniac gazeux, placés en des points d'injection distincts dans la ligne d'échappement et des moyens pour contrôler le débit d'agent réducteur en chacun desdits points d'injection. [oo1 o] Avantageusement: - chacun desdits injecteurs comporte un col sonique; - lesdits injecteurs peuvent être sensiblement identiques de façon à obtenir des débits injectés sensiblement identiques; [0011] Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comporte une réserve de gaz réducteur sous pression envoyant dudit gaz sous pression à un distributeur dudit gaz, multivoies, à répartition de débit massique, le distributeur comportant au moins deux sorties qui communiquent avec ladite ligne d'échappement pour injecter ledit gaz en au moins deux points distincts de la ligne d'échappement et des moyens pour contrôler le débit d'agent réducteur injecté en chacun desdits points. [0012] Le distributeur multivoies peut comporter un distributeur de gaz monovoie munie d'une vanne, laquelle est reliée à une canalisation qui 3 comporte au moins deux cols soniques dont les sorties sont connectées en des points distincts de la ligne d'échappement. Ladite vanne peut être une électrovanne commandée par un calculateur régissant le fonctionnement dudit moteur thermique [0013] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - les figures 1 a, 1 b, 1c et 1d montrent différentes architectures d'une 10 ligne d'échappement munie d'un catalyseur et d'un injecteur d'ammoniac; - la figure 2 illustre schématiquement le procédé de l'invention, et - la figure 3 représente schématiquement un distributeur de gaz multivoies à répartition de débit massique, conforme à la présente 15 invention. [0014] Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. [0015] Sur la figure 1 a, l'architecture représentée correspond à la ligne d'échappement 10 d'un moteur Diesel 11. La ligne d'échappement comporte 20 successivement, dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement représenté par la flèche 12, un catalyseur à oxydation 13(désigné habituellement par l'abréviation DOC), un injecteur 14 d'agent réducteur (qui dans le cas de la présente invention est un gaz), un mélangeur 15 pour réaliser un mélange homogène de l'agent réducteur avec les gaz 25 d'échappement, un catalyseur 16 de type Réduction Catalytique Sélective (RCS ou SCR) suivi d'un filtre à particules (FAP) 17 et enfin un pot d'échappement ou silencieux 18. L'injecteur 14 est bien entendu placé en amont du catalyseur 16 et le mélangeur 15 est placé entre l'injecteur 14 et le catalyseur 16. De plus, la ligne d'échappement comporte différents capteurs (non représentés), par exemple un capteur de pression différentielle entre l'entrée et la sortie du filtre à particules pour contrôler le fonctionnement du filtre et/ou un détecteur d'oxydes d'azote pour vérifier l'efficacité du catalyseur à réduction catalytique. [0016] Les éléments contenus dans la partie encadrée 19a sont situés dans le compartiment moteur, souvent à l'avant du véhicule, alors que les éléments compris dans le cadre 19b sont localisés sous la caisse du véhicule. [001 n Sur les figures suivantes lb, l c et Id les mêmes éléments que ceux représentés sur la figure 1 a sont représentés par les mêmes références. Ainsi sur la figure 1 a, on retrouve le moteur 11, le catalyseur à oxydation (DOC) 13, l'injecteur 14 et le mélangeur 15. Ce dernier est suivi d'un ensemble 50 composé d'un catalyseur de type Réduction Catalytique Sélective (SCR) imprégnant un filtre à particules (FAP). Tous ces éléments sont placés dans un même environnement 51 sous le capot moteur. [0018] La figure l c représente schématiquement une variante d'architecture avec le filtre à particules 17 situé après le catalyseur de type SCR, tous les éléments étant dans un ensemble 52 situé sous le capot moteur. [0019] L'architecture représentée sur la figure 1d comporte une partie 54 (comportant le catalyseur à oxydation 13 et le filtre à particules 17) située sous le capot moteur et une partie 55 située sous la caisse du véhicule et qui comprends le catalyseur de type SCR et un silencieux 53 [0020] Il est intéressant, d'une part, pour des raisons d'encombrement de réduire la distance séparant l'injecteur 14 du catalyseur 16 et, d'autre part, d'obtenir un mélange agent réducteur + gaz d'échappement relativement homogène afin de faire travailler le catalyseur 16 dans de bonnes conditions. [0021] Selon la présente invention, l'injection d'ammoniac gazeux est effectuée en au moins deux points dans la ligne d'échappement. La figure 2 illustre le procédé de l'invention. Sur cette figure, le bloc 20 représente une réserve d'ammoniac gazeux sous pression (par exemple entre 2 et 5 bars).

Le gaz est envoyé dans des moyens pour contrôler le débit d'agent réducteur en chaque point d'injection. Ces moyens prennent la forme d'un distributeur de gaz multivoies 21 à répartition de débit massique. Ce répartiteur comporte plusieurs sorties (quatre dans le cas illustré) 22, 23, 24 et 25 qui débouchent dans la ligne des gaz d'échappement 26 en des points distincts, de façon à injecter l'ammoniac en plusieurs points distincts de la ligne d'échappement et à contrôler le débit en chaque point. La pression des gaz d'échappement dans la ligne 26 fluctue localement. [0022] La figure 3 représente schématiquement le distributeur de gaz multivoies 21 de la figure 2. Le gaz 30 provenant de la réserve 20 pénètre dans un distributeur de gaz monovoie on/off 31 muni à sa sortie d'une vanne 32 (de préférence une électrovanne) dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un signal 33 émis par un contrôleur (non représenté) qui gère le fonctionnement du moteur thermique. La vanne 32 permet de réguler le débit total d'ammoniac injecté dans la ligne d'échappement. [0023] En sortant du distributeur 31, le flux d'ammoniac est divisé en plusieurs flux dont on contrôle individuellement le débit. A cette fin, le gaz pénètre dans une conduite 34, puis dans une canalisation 35 qui comporte quatre cols (ou buses) 36, 37, 38 et 39 qui correspondent chacun à un point d'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement. Un "col sonique" est une buse dont l'orifice est calibré pour que la vitesse maximale d'écoulement du gaz, atteigne sa vitesse sonique, au droit de la section de passage minimum du col. Ce régime peut être atteint lorsque le rapport des pressions à l'entrée et à la sortie du col est supérieur ou égal à 2. [0024] Afin d'obtenir une bonne homogénéité d'injection d'ammoniac, le débit injecté à chaque point est contrôlé. De préférence, les débits d'injection sont sensiblement égaux entre les différents points d'injection. [0025] De préférence, les débits d'ammoniac à travers les cols 36 à 39 sont en régime sonique. L'avantage de fonctionner en régime sonique provient du fait que le débit-masse traversant le col en débit sonique n'est pas influencé par la pression en sortie du col. En d'autres termes, l'utilisation d'un col sonique permet de s'assurer du débit massique passant à travers le col quelque soit le différentiel de pression entre l'amont et l'aval du col sonique.

Cette caractéristique est particulièrement intéressante puisque la pression locale dans la ligne d'échappement (i.e. la pression en aval du col) évolue en fonction du débit et de la température des gaz d'échappement et des turbulences. [0026] De façon à obtenir des débits d'ammoniac sensiblement identiques 15 en chacun des points d'injection, on utilise de préférence des cols sensiblement identiques. [0027] Si le dispositif de mélange nécessite des débits différents en chacun des points d'injection pour compenser des difficultés d'homogénéisation de l'ammoniac avec les gaz à traiter, chacun des cols soniques pourra être 20 dimensionné pour répondre à ces besoins spécifiques. [0028] Les sorties 40, 41, 42 et 43 des cols 36, 37, 38 et 39, qui correspondent aux sorties 22, 23, 24 et 25 de la figure 2, sont connectées en des points distincts de la ligne d'échappement. [0029] Selon un autre mode de réalisation (non représenté), au lieu d'utiliser 25 une seule vanne 32, on associe une vanne à chaque col, l'ammoniac passant d'abord à travers la vanne puis à travers le col associé à la vanne considérée. [0030] La présente invention permet donc de maitriser l'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement en faisant de l'injection multipoints et, de préférence, en contrôlant le débit en chacun des points, le débit restant constant en sortie des cols lorsque le débit sonique est atteint. Les débits traversant les cols sont avantageusement égaux ou à proportion constante dans le cas d'ajustement des cols spécifiques. [0031] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'injection d'un agent réducteur gazeux en amont d'un catalyseur à réduction catalytique (16) sélective placé dans la ligne d'échappement (10) des gaz brulés d'un moteur thermique (11) à combustion interne, ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit agent réducteur est injecté en au moins deux points d'injection distincts dans ladite ligne d'échappement et en ce que le débit d'agent réducteur est contrôlé en chacun desdits points d'injection.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit agent réducteur est de l'ammoniac gazeux.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit débit est contrôlé en utilisant un col sonique (36, 37,38, 39) en chacun desdits points et en imposant un débit sonique à l'agent réducteur qui traverse ledit col.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les débits d'agent réducteur injecté auxdits points sont sensiblement identiques ou a proportion constante.
5. Dispositif d'injection d'un agent réducteur gazeux dans la ligne d'échappement (10) des gaz brulés d'un moteur thermique à combustion interne (11), ledit agent réducteur étant destiné à passer dans un catalyseur (16) placé dans ladite ligne d'échappement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux injecteurs (36 à 39) d'agent réducteur placés en des points d'injection distincts ( 40 à 43) dans la ligne d'échappement et en ce qu'il comporte des moyens pour contrôler le débit d'agent réducteur en chacun desdits points d'injection.
6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit agent réducteur est de l'ammoniac gazeux.
7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que chacun desdits injecteurs comporte un col sonique (36 à 39).
8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que lesdits injecteurs sont sensiblement identiques de façon à obtenir des débits injectés sensiblement identiques.
9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte une réserve de gaz réducteur sous pression (20) envoyant dudit gaz sous pression à un distributeur dudit gaz (21), multivoies, à répartition de débit massique, le distributeur comportant au moins deux sorties (22 à 25) qui communiquent avec ladite ligne d'échappement (10) pour injecter ledit gaz en au moins deux points distincts de la ligne d'échappement.
10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit distributeur multivoies (21) comporte un distributeur de gaz monovoie (31) munie d'une vanne (32), laquelle est reliée à une canalisation (35) qui comporte au moins deux cols soniques (36 à 39) dont les sorties (40 à 43) sont connectées en des points distincts de la ligne d'échappement.
11. Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que ladite vanne est une électrovanne (32) commandée par un calculateur régissant le fonctionnement dudit moteur thermique (11).