FR3030304A1 - Systeme de post-traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

Système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10), ayant au moins un catalyseur d'oxydation de méthane (13), et en outre au moins une installation d'adsorption de souffre (12).

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un système de post- traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qui brûle notamment en partie des gaz contenant du méthane ainsi qu'un procédé de gestion d'un tel système de post-traitement des gaz d'échappement. Etat de la technique On connaît des moteurs à combustion interne ou mo- teurs thermiques qui fonctionnent à la fois avec un gaz contenant du méthane, par exemple du gaz de décomposition ou du méthane, mais également un mélange d'un gaz et d'un autre carburant tel que par exemple du gazole (double combustible). Les moteurs à gaz pur dérivent souvent des moteurs à essence ou à gazole et en général l'allumage du mélange gaz-air se fait par un allumage allogène à l'aide de bougies d'allumage. Les moteurs à gaz/gazole, dérivent en principe d'un moteur diesel qui permet à la fois un fonctionnement avec uniquement du gazole ou un fonctionnement mixte avec du gazole et du gaz. Une partie du pouvoir calorifique du gazole est alors remplacée par celui du gaz. L'allumage du carburant, c'est-à-dire du mélange air/gaz-gazole se fait par la partie gazole. Les taux de substitution du gazole par du gaz vont jusqu'à 70%. Toutes ces propositions qui utilisent au moins en partie la combustion de mélanges de gaz contenant du méthane ont l'inconvénient de fortes émissions de méthane provenant du moteur.
Avant tout, pour des raisons d'environnement, il faut réduire les émis- sions de méthane dans le cadre du post-traitement des gaz d'échappement. On connait également des catalyseurs d'oxydation de méthane (connus sous la dénomination MOC) qui sont fondés sur des formulations riches en platine pour oxyder le méthane contenu dans les gaz d'échappement. Pour cela on peut utiliser des formulations avec un rapport pondéral de Palladium (Pd) et de Platine (Pt) allant jusqu'à par exemple 7/1 voire plus. D'autres catalyseurs d'oxydation de méthane reposent la formulation dite de « Palladium seul », tels que par exemple oxyde d'aluminium / Pd. De façon générale, pour de telles formulations, ce n'est qu'au-dessus de 400°C que l'on observe une certaine conver- sion du méthane. Pour l'oxydation totale il faut en général des températures dépassant largement 500°C. De telles températures ne se produisent que rarement dans le cas du mode de fonctionnement en régime maigre de moteurs à gaz, qui sont efficaces du point de vue du rende- ment énergétique. Le document EP 1 536 111 Al décrit un dispositif et un procédé d'élimination des sous-produits des gaz de combustion d'un moteur à combustion selon lequel le dispositif comporte un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOx suivi d'un catalyseur de réduction du méthane ; ce catalyseur en aval est un catalyseur de Palladium. Le document DE 10 2011 005 258 Al concerne un système de traitement des gaz d'échappement avec à la fois un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOx et un filtre catalytique de noir de fumée. Le filtre de noir de fumée constitue un catalyseur d'oxydation fondé sur un rap- port pondéral riche en Palladium et en Platine. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un système de post- traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce système de post-traitement ayant au moins un catalyseur d'oxydation de méthane étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une installation d'adsorption de souffre. En d'autres termes, le système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne notamment destiné à brûler au moins en partie un gaz contenant du méthane, est équipé d'au moins un catalyseur d'oxydation de méthane. Ce système de post- traitement des gaz d'échappement a en outre une installation d'adsorption de souffre. Cette installation ou dispositif d'adsorption de souffre peut être par exemple en amont du catalyseur d'oxydation du méthane. En outre, cette installation d'adsorption de souffre peut être intégrée dans le catalyseur d'oxydation du méthane. Ce système de post-traitement des gaz d'échappement constitue un système très robuste et puissant pour une oxydation durable et poussée du méthane des gaz d'échappement de moteurs à gaz brulant au moins en partie du méthane ou encore de moteurs gazole/gaz. Les avantages du système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention apparaissent surtout pour des gaz d'échappement principalement maigres, car les températures que l'on atteint en mode maigre dans la conduite des gaz d'échappement ne suf- fisent souvent pas pour avoir une oxydation méthanique satisfaisante avec les usuels catalyseurs d'oxydation du méthane. Grâce à l'instAllation d'adsorption du souffre dans le système de post-traitement des gaz d'échappement avec le catalyseur d'oxydation du méthane, on augmente significativement l'efficacité de l'oxydation du méthane. En particulier, le système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention résout le problème de la sensibilité des catalyseurs d'oxydation du méthane vis-à-vis du souffre. L'effet d'oxydation des usuels catalyseurs d'oxydation du méthane qui ont, par exemple, une composition riche en Palladium, est détérioré de manière dramatique, très rapidement par les gaz contenant du souffre et/ou du gazole. Or, l'installation d'adsorption du souffre selon l'invention dans le système de post-traitement des gaz d'échappement constitue en quelque sorte un piège à souffre dans le système du catalyseur d'oxydation du méthane. Cela permet d'augmenter l'efficacité de tels catalyseurs d'oxydation du méthane.
Selon un développement préférentiel, par l'intégration de l'installation d'adsorption du souffre dans le catalyseur d'oxydation du méthane, on combine la fonction de piège à souffre et celle de catalyseur d'oxydation du méthane, ce qui n'augmente pas le nombre de composants formant le système de post-traitement des gaz d'échappement. Selon un développement préférentiel du système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention, l'installation d'adsorption du souffre est une installation d'accumulation d'oxydes SOx (SOx = oxydes de souffre). Le matériau pour l'installation d'accumulation d'oxydes SOx est par exemple un matériau tel que celui décrit dans le document EP 0 945 165 A2 auquel il est fait référence ici. Le matériau pour l'installation d'accumulation d'oxydes SOx comporte par exemple un spinelle magnésium-aluminate, l'oxyde de magnésium étant de préférence présent en excédant stoechiométrique. Le rapport moléculaire d'oxyde de magnésium par rapport à l'oxyde d'aluminium se place notamment dans une plage supérieure à 1,1/1. Selon un développement préférentiel, l'installation d'accumulation d'oxydes SOx a une teneur massique dominante de pal- s ladium. De façon préférentielle, la formulation de l'installation d'adsorption de souffre selon l'invention a en outre une teneur massique inférieure de platine et/ou de rhodium. Dans ce développement de l'installation d'adsorption de souffre, le palladium représente la plus 10 grande fraction massique par comparaison à celle du platine et/ou du rhodium. En variante, on peut également avoir le palladium comme seul métal noble de l'installation d'adsorption de souffre. La formulation de l'installation d'adsorption de souffre peut en outre être fondée, par exemple sur un catalyseur accumulateur 15 d'oxydes d'azote NOx, usuel (encore appelé catalyseur NSC) qui, grâce à son matériau accumulateur, qui, par exemple, grâce au carbonate de baryum et à l'oxyde de cérium et à sa composition de métaux nobles, par exemple, le platine/palladium/rhodium, convient également pour recevoir de manière quantitative des oxydes de souffre, notamment con- 20 tenant des oxydes NOx, dans des gaz d'échappement maigres. Partant d'une telle formulation pour le catalyseur accumulateur d'oxydes NOx, l'installation d'adsorption de souffre selon l'invention aura une formulation avec notamment une partie massique dominante de palladium et le cas échéant une partie subordonnée de 25 platine et/ou de rhodium. D'autre part, pour l'installation d'adsorption de souffre, il est possible de choisir un matériau qui convient pour accumuler des oxydes de souffre SOx mais non pour accumuler des oxydes d'azote NOx. Un matériau qui convient pour cela est par exemple celui décrit dans le document EP 0 945 165 A2. Il est en outre possible 30 de réaliser la fonction d'accumulation d'oxyde SOx de l'installation d'adsorption de souffre par une gestion appropriée consistant par exemple à utiliser un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOx, saturé en oxydes d'azote NOx et qui n'a plus de capacité pour recevoir des oxydes NOx mais permet d'accumuler des oxydes de souffre SOx.
Des formulations appropriées pour l'installation d'adsorption de souffre reposent par exemple sur des matériaux accumulateur d'oxydes SOx à base de carbonate de baryum et d'oxyde de cérium. D'autres exemples de formulation d'adsorbeurs de SOx sont notamment des matériaux à base d'oxyde d'aluminium / magnésium et à teneur principale en palladium, mais également en platine. Pour une régénération réductrice préférentielle de l'installation d'adsorption de souffre, il faut en général des températures élevées comprises par exemple entre environ 600°C jusqu'à 750°C. Ces températures élevées évitent que du souffre de désorption ne se dépose par exemple sous la forme d'oxydes de souffre ou encore d'hydrogène sulfuré sur les composants du catalyseur d'oxydation de méthane ou autres installations en aval dans le système de post-traitement des gaz d'échappement. Cela concerne également la solution technique intégrée consistant à intégrer l'installation d'adsorption de souffre dans le cata- lyseur d'oxydation du méthane. Si le moteur à combustion interne fonctionne dans un mode légèrement riche (À<1 tout en étant proche de 1) ou en mode À=1, l'installation d'adsorption de souffre contenant du rhodium assure prin- cipalement la fonction d'un catalyseur à trois voies, notamment en mode dynamique ce qui permet de traiter en même temps du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlées et des oxydes d'azote pour donner de l'azote, du dioxyde de carbone et de l'eau. L'utilisation d'une installation d'adsorption de souffre avec une certaine teneur massique en rhodium a ainsi l'avantage que le cas échéant il n'est pas nécessaire d'avoir un catalyseur à trois voies, distinct. La teneur massique élevée en palladium de l'installation d'adsorption de souffre selon l'invention a également l'avantage qu'au moins en mode stationnaire cette installation assure la fonction d'un catalyseur à trois voies.
Selon un développement préférentiel du système de post- traitement des gaz d'échappement, ce système comporte en outre un catalyseur NOx - SCR (Réduction Catalytique Sélective). Ce développement a l'avantage de toujours réduire de manière sélective les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement.
Le système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention a en outre de préférence une autre installation de catalyseur ayant une teneur massique en platine plus élevée que celle du catalyseur d'oxydation du méthane. Cette autre installation de cataly- seur enrichie en platine fait ainsi que le monoxyde d'azote qui existe pratiquement exclusivement en aval du catalyseur d'oxydation méthanique riche en palladium, sera de nouveau oxydé au moins en partie en dioxyde d'azote. On augmente ainsi significativement le rendement du catalyseur NOx - SCR avant tout à des températures inférieures à 300°C. L'installation de catalyseur enrichi en platine peut être intégrée dans le catalyseur d'oxydation du méthane. Selon un autre développement, cette installation de catalyseur fait partie d'un revêtement de filtre catalytique existant le cas échéant déjà. Par exemple, en amont de l'éventuel catalyseur SCR, un filtre à particules avec un revêtement contenant du platine, est une adaptation de la formulation de revêtement permettant de réaliser une autre installation de catalyseur. L'invention a également pour objet une installation d'absorption de souffre, installée dans un système de post-traitement des gaz d'échappement comportant un catalyseur d'oxydation de mé- thane. L'installation d'adsorption de souffre fonctionne comme piège à souffre améliorant l'efficacité du catalyseur d'oxydation du méthane. L'installation d'adsorption de souffre peut être installée en amont du catalyseur d'oxydation du méthane. En variante ou en plus, l'installation d'adsorption du souffre est intégrée dans le catalyseur d'oxydation du méthane. L'installation d'adsorption du souffre est fondée de préférence sur une formulation optimisée pour accumuler des oxydes SOx. Des formulations appropriées sont par exemple celles données dans le document EP 0 945 165 A2. La formulation de l'installation d'adsorption de souffre est par exemple déduite de la for- mulation usuelle d'un catalyseur accumulateur d'oxydes NOx. De façon préférentielle, on prévoit une teneur massique dominante de palladium et cette formulation peut notamment avoir une teneur massique subordonnée de platine et/ou de rhodium.
L'invention a également pour objet un procédé de gestion du système de post-traitement des gaz d'échappement décrits ci-dessus ; selon ce procédé lorsqu'on atteint un seuil de charge prédéfini dans l'installation d'adsorption de souffre, on procède à une élimination du souffre par exemple une élimination périodique du souffre de l'installation d'adsorption de souffre. Pour éliminer le souffre, on fait fonctionner le moteur à combustion interne pendant une durée limitée pour que l'installation d'adsorption de souffre reçoive un gaz d'échappement réducteur. Pour cela, on fait fonctionner le moteur à gaz ou le moteur diesel/gaz pendant une certaine durée ou une durée limi- tée avec un mélange sous-stoechiométrique, c'est-à-dire un mélange riche. Le coefficient À pour le rapport d'air comburant est alors inférieur à 1. Il est en outre possible d'arriver à un mélange nettement sous-stoechiométrique par exemple en utilisant des post-injections dans le moteur. Dans ces conditions, les combinaisons de souffre, accumulées sont éliminées principalement à l'état de SO2 et de traces d'hydrogène sulfuré. L'évacuation du souffre de l'installation d'adsorption de souffre peut se faire à des instants donnés ou après des périodes données ou lorsque cela est nécessaire.
L'invention a également pour objet un programme d'ordinateur pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. L'invention a également pour objet un support de mémoire lisible par une machine et contenant le programme d'ordinateur ainsi qu'un appareil de commande électronique pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention et l'installation d'adsorption de souffre selon l'invention s'appliquent avec un avantage tout particulier à des moteurs à gaz et/ou des moteurs diesel/gaz fonctionnant en mode maigre. En prin- cipe, il est également possible d'appliquer le système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention et l'installation d'adsorption du souffre selon l'invention à d'autres moteurs à combustion interne, par exemple aux moteurs diesel habituels pour assurer le post-traitement des gaz d'échappement. De façon générale, l'installation d'adsorption de souffre selon l'invention et le système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention conviennent avant tout pour le post-traitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne qui fonctionnent au moins de temps en temps avec un excédent d'air, c'est-à-dire avec un coefficient À> 1.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation de l'installation et du procédé représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma des composants d'un système de post- traitement des gaz d'échappement selon l'invention appliqué à un moteur à combustion interne, la figure 2 est un schéma des composants d'un autre mode de réalisation d'un système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention, la figure 3 est un schéma des composants d'un autre mode de réa- lisation d'un système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention, et la figure 4 est un schéma des composants d'un autre mode de réalisation d'un système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre très schématiquement la disposition des composants d'un système de post-traitement des gaz d'échappement dans une conduite de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne 10. Le moteur à combustion interne 10 est notam- ment un moteur à gaz ou un moteur diesel/gaz fonctionnant en mode maigre avec un mélange de gaz et de gazole. Pour augmenter sa puissance, le moteur 10 est équipé d'un turbocompresseur 11. Les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10 arrivent dans la conduite des gaz d'échappement, tout d'abord à une installation d'adsorption de souffre 12. Cette fonction, est, dans une certaine mesure, celle d'un piège à souffre pour adsorber les composants contenant du souffre, notamment les oxydes de souffre des gaz d'échappement. En aval de l'installation d'adsorption de souffre 12, il y a un catalyseur d'oxydation du méthane 13. Le catalyseur 13 oxyde le méthane contenu dans les gaz d'échappement. Grâce à l'installation d'adsorption de souffre 12 en amont, l'oxydation du méthane n'est pas perturbée par des composants contenant du souffre. L'installation d'adsorption du souffre 12 est notamment une installation d'accumulation d'oxydes SOx qui a par exemple une teneur massique dominante de palladium. La formulation de l'installation d'accumulation des oxydes SOx peut avoir une teneur massique subordonnée de platine et/ou de rhodium. Dans la réalisation du système de post-traitement des gaz d'échappement de la figure 1, le système comporte en outre un catalyseur SCR 16 pour réduire la teneur massique en oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement. L'agent réducteur nécessaire à la réaction catalytique dans le catalyseur SCR 16 est par exemple une solution aqueuse d'urée injectée à un point de dosage 15 dans la conduite des gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR 16. Cet exemple de sys- tème de post-traitement des gaz d'échappement comporte en outre un filtre catalytique à particules 14 en amont du catalyseur SCR 16. La figure 2 montre très schématiquement un système analogue à celui de la figure 1; dans cette réalisation, l'installation d'adsorption de souffre est intégrée dans le catalyseur d'oxydation de méthane 23. Un turbocompresseur 21 est associé au moteur à combus- tion interne 20. Les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 20 sont fournis à une installation de catalyseur 23 dans la conduite des gaz d'échappement. Cette installation de catalyseur 23 constitue un catalyseur d'oxydation du méthane intégrant une installation d'adsorption du souffre. Le catalyseur d'oxydation du méthane 23 comporte dans une certaine mesure un piège à souffre. Après l'oxydation du méthane, les gaz d'échappement traversent un filtre à particules 24, catalytique, avant d'arriver dans le catalyseur SCR 26. En amont du catalyseur SCR 26, il y a un point de dosage 25 pour la solution de réactif nécessaire au processus catalytique dans le catalyseur SCR 26. Selon un autre développement du système de post-traitement des gaz d'échappement, on combine un filtre à particules stratifié et un catalyseur SCR dans un composant sous la forme d'un catalyseur SCR sur filtre, c'est-à-dire en abrégé SCRoF. De telles réali- sations sont présentées aux figures 3 et 4. La figure 3 montre un sys- tème avec un catalyseur d'oxydation de méthane 33 précédé d'une installation d'adsorption de souffre 32. La figure 4 montre un système dans lequel l'installation d'adsorption de souffre est intégrée dans le catalyseur d'oxydation de méthane 43. De façon comparable avec les systèmes de la figure 1 et de la figure 2, le moteur à combustion interne 30 ou 40 est associé à un moteur à gaz fonctionnant en mode maigre ou à un moteur diesel/gaz, fonctionnant en mode maigre et comportant un turbocompresseur 31, 41. En référence à la figure 3, les gaz d'échappement du moteur à com- bustion interne 30 traversent l'installation d'adsorption de souffre 32 avant d'arriver dans le catalyseur d'oxydation de méthane 33. En aval du catalyseur d'oxydation de méthane 33, le composant (SCR sur filtre) 36 intègre un catalyseur SCR dans un filtre. En amont du composant « SCR sur filtre » 36 il y a un point de dosage 35 pour l'agent réactif li- guide, nécessaire à la réaction catalytique dans le composant « SCR sur filtre » 36. En référence à la figure 4, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 40 traversent le catalyseur d'oxydation de méthane 43 intégrant l'installation d'adsorption de souffre. Ensuite, les gaz d'échappement traversent le composant « SCR sur filtre » 46 avec en amont de ce composant 46, un point de dosage 45 pour l'agent réactif liquide, nécessaire à la réaction catalytique dans le composant « SCR sur filtre » 46. Dans un moteur diesel/gaz, même une installation d'adsorption de souffre selon l'invention, partiellement encombrée de souffre offre une participation considérable et le cas échéant quantita- tive à l'oxydation des hydrocarbures provenant du carburant et qui ne sont pas du méthane. Ainsi, les composants d'oxydation du souffre de l'installation d'adsorption de souffre selon l'invention sont conçus complètement pour leur effet d'oxydation du méthane.30
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