FR3023874B1 - Systeme de recirculation basse pression des gaz d'echappement pour moteur a turbocompresseur - Google Patents

Systeme de recirculation basse pression des gaz d'echappement pour moteur a turbocompresseur Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système (26) de recirculation basse pression des gaz d'échappement destiné à prélever une partie des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne (1) et à les réinjecter dans un circuit d'admission (2) dudit moteur, ledit système (26) comprenant un circuit (27) pour la circulation desdits gaz d'échappement et étant caractérisé en ce qu'il comprend un piège à ammoniac NH3 (30) apte à piéger l'ammoniac présent dans les gaz d'échappement circulant dans ledit circuit. L'invention concerne également un moteur à combustion interne (1) équipé d'un tel système (26) de recirculation basse pression des gaz d'échappement.

Description

SYSTEME DE RECIRCULATION BASSE PRESSION DES GAZ D’ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A TURBOCOMPRESSEUR
La présente invention concerne le traitement des émissions polluantes dans le domaine des moteurs automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un système de recirculation des gaz d'échappement (EGR : Exhaust Gas Recirculation) pour moteur automobile, système dont l'utilisation s'est imposée afin de réduire les émissions d'oxyde d'azote.
Les systèmes de ce type présentent l'avantage de pouvoir réinjecter, suivant les conditions de fonctionnement du moteur, une partie des gaz d'échappement dans les chambres de combustion du moteur, ce qui a pour effet de réduire en proportion la quantité de gaz comburant et donc d'abaisser la température de combustion. Une vanne pilotée, appelée vanne EGR, ferme ou ouvre une canalisation reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission, et permet ainsi d'injecter à l'admission une quantité déterminée de gaz prélevés à l'échappement suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Dans le cas de moteurs à allumage par compression à turbocompresseur, les gaz re-circulés peuvent être prélevés en aval de la turbine du turbocompresseur, on parle de système de recirculation basse pression. Les gaz présentent alors une pression et une température plus faibles permettant une réduction efficace des émissions d'oxydes.
La proportion des gaz recirculés est adaptée pour chaque moteur et pour chaque point de fonctionnement afin de respecter l'équilibre entre les émissions d'oxydes d'azotes et de particules (suies). La sévérisation des normes de pollution induit un besoin accru de la proportion d'EGR et/ou de systèmes permettant de limiter les oxydes d'azotes, tels que les pièges à NOx, les systèmes de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote (systèmes dits « SCR », Sélective Catalyst Reductor) ou les systèmes permettant de limiter les suies (filtre à particules).
Ainsi, un circuit de refoulement des gaz d’échappement comporte en général : un dispositif de post-traitement contenant un catalyseur d’oxydation diesel qui permet notamment d’éliminer les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO), par oxydation en molécules de dioxyde de carbone (CO2) ; un filtre à particules (FAP) qui permet de brûler les suies ; et, un système SCR. Dans un système SCR, la réduction mise en œuvre transforme les NOX en azote (N2) et en eau. Cette conversion est rendue possible par l'injection d'un agent réducteur, généralement de l’urée. Le système SCR peut être intégré au FAP, par imprégnation du matériau poreux formant le FAP par un catalyseur approprié. Les gaz de recirculation destinés au système de recirculation sont alors captés en aval du FAP. En variante, un deuxième système SCR peut également être disposé en aval du FAP, le prélèvement des gaz de recirculation étant alors en général effectué en aval du FAP et en amont de ce deuxième système SCR.
Malgré la présence d’un système SCR intégré au FAP, il s’avère que les gaz de recirculation peuvent encore contenir de l’ammoniac NH3 en sortie du système SCR intégré au FAP, ce qui peut engendrer une corrosion et une dégradation des parties mécaniques traversées par le gaz de recirculation, notamment le circuit d’admission du moteur. Une solution peut consister à augmenter le volume du système SCR intégré au FAP, ce qui peut poser un problème d’encombrement. Une autre solution peut consister à prélever le gaz de recirculation en aval d’un deuxième système SCR situé en aval du FAP, mais cela rallonge le circuit de recirculation des gaz EGR, ce qui n’est pas souhaitable.
Il existe donc un besoin pour protéger le circuit d’admission d’un moteur en limitant la quantité de NH3 présent dans les gaz de recirculation d’un circuit basse pression. A cet effet, l’invention a pour objet un système de recirculation basse pression des gaz d’échappement destiné à prélever une partie des gaz d’échappement émis par un moteur à combustion interne et à les réinjecter dans un circuit d’admission dudit moteur, ledit système comprenant un circuit pour la circulation desdits gaz d’échappement et étant caractérisé en ce qu’il comprend un piège à ammoniac (gazeux) NH3 apte à piéger l’ammoniac présent dans les gaz d’échappement circulant dans ledit circuit.
Il est ainsi possible d’éliminer de manière simple l’ammoniac des gaz d’échappement avant la réinjection de ceux-ci dans le circuit d’admission d’air du moteur, évitant ainsi une dégradation des éléments mécaniques traversés par les gaz de recirculation.
Avantageusement et de manière non limitative, le piège à ammoniac peut être situé en amont de tout dispositif fonctionnel présent dans ledit circuit par rapport au sens de circulation des gaz d’échappement, tel que par exemple un dispositif de refroidissement et un dispositif de régulation du débit. Notamment, le piège à ammoniac est avantageusement disposé à proximité de l’entrée du circuit de manière à limiter au maximum tout contact entre l’ammoniac et des éléments du circuit et à éviter ainsi des dégradations dues à l’ammoniac.
Avantageusement et de manière non limitative, ledit piège à ammoniac NH3 peut contenir des matériaux permettant d’adsorber les molécules gazeuses d’ammoniac, ce qui permet une réutilisation de l’ammoniac.
De tels matériaux sont par exemple compris dans le groupe comprenant : des charbons actifs, des zéolithes, des alumines activées, des gels de silice, des argiles activées.
Les charbons actifs sont des éléments préparés par pyrolyse d’une matière contenant du carbone, du charbon ou autre matériau végétal. Au cours de cette pyrolyse il y a une création de charbon de bois, qui est ensuite oxydé par la vapeur d’eau dans des conditions contrôlées de manière à obtenir une structure microporeuse. Il existe plusieurs centaines de qualités de charbons actifs, qui diffèrent selon le précurseur, c’est-à-dire la matière initialement utilisée, et les conditions de traitement. Il existe également des charbons actifs dits chimiques, qui sont activés à chaud par la présence d’agents chimiques déshydratants, de l’acide phosphorique ou du chlorure de zinc. Les charbons sont des adsorbants organophiles amorphes, ce qui signifie que leur structure n’est pas régulière, et présente une réparation continue de taille de pores dont l’étalement peut atteindre plusieurs ordres de grandeur.
Les zéolithes sont des alumino-silicates cristallisés microporeux de formule globale (AIO2M, nSiO2), où M représente le plus souvent un métal alcalin ou alcalino-terreux et n >1. Il existe plus de cent espèces de zéolithes, qui diffèrent par la valeur de n et la structure cristallographique. La présence de cations dans les micropores génère des champs électriques de l’ordre de 1010 V.irr1, ce qui fait de ces corps de puissants adsorbants polaires.
Les alumines activées sont des éléments obtenus par thermolyse flash du trihydroxyde d’aluminium Al(0H)3 qui conduit à un produit de composition approximative AI2O3, O.5H2O. Ce produit de composition présente une structure poreuse, résultant du départ de molécules d’eau. La surface des pores est couverte de groupements Al-H, et l’adsorption est préférentiellement effectuée par liaison hydrogène. Les alumines activées sont des adsorbants amorphes, moyennement polaires et hydrophiles.
Les gels de silice sont préparés à partir de Si(OH)4 en phase aqueuse, obtenu par acidification d’un silicate de sodium, ou bien à partir d’un sol de silice, ou encore par hydrolyse d’un alcoxy-silane. La solution fluide ainsi obtenue polymérise rapidement, ce qui permet d’obtenir un gel qui conserve une structure lâche après rinçage et séchage. Les groupements Si-OH conduisent à des liaisons hydrogène. Il existe deux types de gels de silice : les gels microporeux, qui sont relativement hydrophiles, ou les gels macroporeux, qui sont versatiles. Comme leur nom l’indique, ces gels diffèrent les uns des autres par la taille des pores.
Les argiles activées sont des alumino-silicates ayant une formule brute proche des zêolithes, mais dont la structure cristalline est différente.
La quantité de matière chimique, telle que des zêolithes, des charbons actifs ou autre, contenue dans le piège à ammoniac peut être déterminée en fonction de la fréquence des régénérations envisagée et leur consommation par réaction avec les NOX présents dans les gaz de recirculation.
Une des caractéristiques commune à tous les matériaux précités est le fait que l’on observe un phénomène de dêsorption lorsqu’ils sont chauffés, autrement dit, les molécules piégées par les pores, par exemple des molécules d’ammoniac, sont relâchées.
Cette caractéristique peut être utile pour régénérer le piège, c’est-à-dire pour le vider. En effet, pour que le piège conserve son efficacité de stockage, il est préférable d’éliminer régulièrement l’ammoniac et l’eau stockés dans les pores des matériaux adsorbants présents dans le piège. A cet effet, le piège à ammoniac peut être équipé d’un dispositif de chauffage permettant une dêsorption de l’ammoniac par les matériaux présents dans le piège à ammoniac, et donc la régénération du piège par rejet des molécules d’ammoniac via une sortie d’évacuation.
Cette régénération du piège correspond donc à un dégazage de l’ammoniac.
En cas de relâchement des molécules adsorbées, il peut alors être préférable d’équiper le piège à ammoniac d’une sortie fermée par une vanne anti-retour. Ceci peut permettre un relâchement des molécules à l’extérieur du piège tout en évitant l’entrée dans le piège de composants extérieurs, par exemple de l’eau ou des hydrocarbures. En effet, les composants extérieurs peuvent polluer le piège, et ainsi le rendre moins efficace. Par ailleurs, lorsqu’on souhaite pouvoir réutiliser l’ammoniac stocké dans le piège, il peut être préférable que cet ammoniac ne soit pas contaminé par des composants extérieurs.
Au lieu de relâcher l’ammoniac dans l’atmosphère, il peut être préférable de le réutiliser. Notamment, l’ammoniac piégé peut réagir avec les oxydes d’azote NOX contenus dans les gaz d’échappement recyclés, ce qui permet d’éliminer en partie ou en totalité ces NOX tout en réduisant la quantité d’ammoniac adsorbé. Cela évite également une recirculation de ces NOX qui ne sont pas éliminés lors de la combustion. Il peut alors être avantageux de ne pas régénérer le piège trop souvent afin de permettre une consommation de l’ammoniac adsorbé par réaction avec les NOX.
En variante ou en combinaison, on peut souhaiter injecter l’ammoniac relâché lors d’une régénération dans le circuit de refoulement du moteur afin qu’il soit utilisé dans la réduction des oxydes d’azote dans un système SCR. A cet effet, la sortie du piège à ammoniac peut alors être reliée à un circuit de refoulement du véhicule, en amont du système SCR. Ainsi, lors d’une régénération du piège, l’ammoniac peut être aussitôt consommé lors de la réduction des oxydes d’azote. Il peut alors être préférable de prévoir une régénération uniquement lorsque le véhicule se déplace, par exemple à une vitesse supérieure à une vitesse prédéterminée.
Dans une autre variante et de manière non limitative, le piège à NH3 contient un catalyseur d’oxydation de l’ammoniac gazeux NH3, notamment en monoxyde d’azote (NO), en dioxyde d’azote (NO2) et/ou en oxyde nitreux (N2O).
Avantageusement, un tel catalyseur peut être un catalyseur d’oxydation diesel classique, contenant notamment un ou plusieurs métaux choisis parmi le platine (Pt), le rhodium (Rh), le palladium (Pd). Un tel catalyseur n’oxyde pas seulement les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO), mais également l’ammoniac entrant, notamment sous forme de monoxyde et de dioxyde d’azote (NO et NO2) ou encore d’oxyde nitreux (N2O). Ainsi, un tel piège à NH3 ne rejette que des molécules inoffensives pour les composants extérieurs. L’invention concerne également un moteur à combustion interne à turbocompresseur comprenant un compresseur entraîné par une turbine, ledit moteur étant équipé : d’un circuit d’admission pour l’alimentation en air du moteur, comportant ledit compresseur, d’un circuit de refoulement pour l’évacuation des gaz d’échappement comportant, d’amont en aval par rapport au sens de circulation des gaz d’échappement, ladite turbine, un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote et un filtre à particules, d’un système de recirculation basse pression des gaz d’échappement selon l’invention, dont le circuit est raccordé au circuit de refoulement en aval dudit filtre à particules.
Il n’est alors pas nécessaire d’employer des matériaux résistants à une corrosion induite par l’ammoniac pour la réalisation du circuit d’admission, ce qui simplifie ainsi la réalisation de celui-ci, ni de prévoir un surdimensionnement du dispositif de réduction catalytique sélective des NOx (SCR), ni de raccorder le système de recirculation au circuit de refoulement plus en aval, par exemple après un autre dispositif SCR.
Avantageusement, notamment lorsqu’il comprend un dispositif de chauffage en vue de sa régénération, un piège à ammoniac NH3 contenant des matériaux permettant d’adsorber les molécules gazeuses d’ammoniac peut comporter une sortie reliée au circuit de refoulement du moteur, en amont du dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote, ce qui permet de consommer l’ammoniac dégazé dans le dispositif SCR, notamment suite à une régénération du piège.
Avantageusement et de manière non limitative, le dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote peut être intégré au filtre à particules.
Avantageusement et de manière non limitative, le circuit de refoulement peut comprendre en outre, entre la turbine et le dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote, un dispositif de post-traitement comprenant un catalyseur d’oxydation diesel, par exemple du type défini plus haut, par exemple disposé en amont du filtre à particules et du dispositif SCR.
Le circuit de refoulement pourra en outre comporter un autre dispositif SCR en aval du filtre à particules et du raccordement du système de recirculation basse pression.
Enfin, dans un mode de réalisation particulier, le moteur à combustion interne peut être équipé d’un système de recirculation des gaz d’échappement haute pression destiné à prélever une partie des gaz d’échappement émis par le moteur à combustion interne et à les réinjecter dans un circuit d’admission dudit moteur. Un tel système de recirculation comprend un circuit raccordé au circuit de refoulement en amont de la turbine du turbocompresseur et raccordé au circuit d’admission d’air en amont du répartiteur d’air du moteur. L’invention concerne également un véhicule, notamment léger ou poids lourd, comprenant un moteur à combustion interne selon l’invention. L'invention est maintenant décrite en référence au dessin annexé, non limitatif, dans lequel la figure unique représente schématiquement un moteur selon un mode de réalisation de l’invention.
Dans la suite, les termes amont et aval sont utilisés en référence au sens de circulation des fluides dans les circuits lors du fonctionnement du moteur, notamment le sens de circulation des gaz d’échappement ou de l’air d’admission. Ce sens de circulation est symbolisé par les flèches sur la figure.
La figure unique représente un moteur à combustion interne 1 équipé d’un circuit d’admission 2 pour l’alimentation en air du moteur et d’un circuit de refoulement 3 pour l’évacuation des gaz d’échappement.
Le moteur à combustion interne 1 est en outre équipé d’un turbocompresseur 4 comprenant un compresseur 5 entraîné par une turbine 6, le compresseur 5 servant à comprimer l’air du circuit d’admission 2 avant son entrée dans le moteur 1 et la turbine 6 étant entraînée par les gaz d’échappement circulant dans le circuit de refoulement 3.
De manière classique, le circuit d’admission 2 comprend en outre : - un filtre à air 7 et un dispositif de régulation du débit 8 (débitmètre) situés en amont du compresseur 5, et - un dispositif de refroidissement d’air de suralimentation 9 et une vanne ou volet 10 d’amission d’air en amont du répartiteur d’admission (non symbolisé) et en aval du compresseur 5.
Le circuit de refoulement 3 comprend, d’amont en aval : - la turbine 6, - un dispositif de post traitement 11 à catalyseur d’oxydation, apte à oxyder notamment les HC/ CO (encore appelé DOC : « Diesel oxydative catalyst » en terminologie anglo-saxonne, ou catalyseur d’oxydation diesel), - un dispositif de post traitement 12 constitué dans le présent exemple par un filtre à particules intégrant un dispositif SCR, - une vanne ou volet d’échappement 16, et - un deuxième dispositif de SCR 17 (optionnel)
Pour le fonctionnement du dispositif SCR intégré au filtre à particules 12, un réservoir d’urée 18 est prévu, relié au dispositif SCR par une conduite 19 équipée d’une pompe 20 et d’un injecteur 21 pour injecter l’urée dans le dispositif SCR.
Le moteur 1 est en outre équipé d’un système de recirculation des gaz d’échappement haute pression 22 dont le circuit 23 comprend un dispositif de refroidissement 24 et une vanne de régulation 25, ce circuit 23 prélevant les gaz d’échappement en amont de la turbine 6 pour les réinjecter dans le circuit d’admission 2 en aval du compresseur 5, directement dans le répartiteur d’admission du moteur (non symbolisé), autrement dit en aval du volet 10 d’admission d’air.
Le moteur 1 représenté comprend enfin un système de recirculation basse pression des gaz d’échappement 26 comprenant un circuit 27 dans lequel circulent ces gaz d’échappement, ce circuit 27 étant équipé, d’amont en aval, d’un dispositif de refroidissement 28 et d’un dispositif de régulation du débit 29.
Ce circuit 27 est raccordé : - au circuit de refoulement 3 en aval du dispositif de post traitement 12 et en amont du volet d’échappement 16, et - au circuit d’admission 2 en amont du compresseur 5 et en aval du filtre à air 7 et du dispositif de régulation du débit 8.
Selon l’invention, le circuit 27 comprend en outre un piège à ammoniac gazeux NH3 30, disposé en entrée du circuit 27, autrement dit en amont du dispositif de refroidissement 28 et du dispositif de régulation du débit 29.
Dans un premier mode de réalisation, le piège à ammoniac NH3 30 contient des matériaux permettant d’adsorber les molécules gazeuses d’ammoniac. Un tel piège peut également comprendre un dispositif de chauffage (non représenté) permettant sa régénération, et être alors éventuellement relié au dispositif SCR via une sortie, éventuellement équipée d’une vanne anti-retour. Il est alors possible de régénérer le piège à ammoniac par chauffage et d’utiliser l’ammoniac dégazé pour la réduction des oxydes d’azotes dans le dispositif SCR.
Dans un autre mode de réalisation, le piège à ammoniac NH3 30 contient un catalyseur d’oxydation diesel du même type que le catalyseur d’oxydation du dispositif de post-traitement 11, c’est-à-dire, un catalyseur apte à oxyder les molécules qui pénètrent en son sein. Un tel catalyseur oxyde non seulement les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO) en dioxyde d’azote (CO2), mais aussi, il oxyde l’ammoniac (NH3) en espèces inoffensives pour les composants du circuit d’admission vers lesquels les gaz recirculés chargés de ces espèces sont réinjectés. Un tel catalyseur d’oxydation est un piège à ammoniac qui ne stocke pas l’ammoniac sans le transformer, contrairement au premier mode de réalisation décrit plus haut, mais qui le transforme sans le stocker.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système (26) de recirculation basse pression des gaz d’échappement destiné à prélever une partie des gaz d’échappement émis par un moteur à combustion interne (1) et à les réinjecter dans un circuit d’admission (2) dudit moteur, ledit système (26) comprenant un circuit (27) de recirculation desdits gaz d’échappement et étant caractérisé en ce qu’il comprend un piège à ammoniac NH3 (30) apte à piéger l’ammoniac présent dans les gaz d‘échappement circulant dans ledit circuit, ledit piège à ammoniac NH3 (30) étant situé en amont de tout dispositif fonctionnel (28, 29) présent dans ledit circuit (27) par rapport a.u sens de circulation des gaz d’échappement.
  2. 2. Système (26) de recirculation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piège à ammoniac NH3 (30) contient des matériaux permettant d’adsorber les molécules gazeuses d’ammoniac, ces matériaux étant compris dans le groupe comprenant : des charbons actifs, des zêolithes, des alumines activées, des gels de silice, des argiles activées.
  3. 3. Système (26) de recirculation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piège à ammoniac NH3 (30) est équipé d’un dispositif de chauffage permettant une dêsorption de l’ammoniac par les matériaux présents dans le piège à ammoniac et d’une sortie pour l’évacuation de l’ammoniac relâché par dêsorption.
  4. 4. Système (26) de recirculation selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit piège à ammoniac NH3 (30) présente une sortie fermée par une vanne anti-retour.
  5. 5. Système (26) de recirculation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piège à ammoniac gazeux NH3 (30) contient un catalyseur d’oxydation, de l’ammoniac NH3, notamment en monoxyde d’azote (NO), en dioxyde d’azote (NO2) et/ou en oxyde nitreux (N2O).
  6. 6. Moteur à combustion interne (1) à turbocompresseur (4) comprenant un compresseur (5) entraîné par une turbine (6), ledit moteur étant équipé : d’un circuit d’admission (2) pour l’alimentation en air du moteur, comportant le compresseur (5), d’un circuit de refoulement (3) pour l’évacuation des gaz d’échappement comportant, d’amont en aval par rapport au sens de circulation des gaz d’échappement, la turbine (6), un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote et un filtre à particules, caractérisé en ce qu’il est équipé d’un système (26) de recirculation basse pression des gaz d’échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dont le circuit (27) est raccordé au circuit de refoulement (3) en aval dudit filtre à particules.
  7. 7. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 6 lorsqu’elle dépend de l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le piège à ammoniac NH3 (30) dudit système (26) de recirculation basse pression des gaz d’échappement comporte une sortie reliée au circuit de refoulement (3) du moteur en amont du dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote.
  8. 8. Moteur à combustion interne (1) selon Tune quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit dispositif de réduction cataly tique sélective des oxydes d’azote est intégré au filtre à particules, à l’entrée de celui-ci.
  9. 9. Moteur à combustion interne selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le circuit de refoulement (3) comprend en outre, entre la turbine (6) et le dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote, un dispositif de post-traitement (11) comprenant un catalyseur d’oxydation diesel.
  10. 10. Véhicule comprenant un moteur à combustion interne (1) selon l’une quelconque des revendications 6 à 9.
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