FR3055220A1 - Installation pour la depollution des gaz d'echappement, notamment de moteur a combustion interne, et procede pour l'utilisation d'une telle installation - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une installation pour la dépollution des gaz d'échappement circulant dans une ligne d'échappement (10), notamment d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins un moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (NOx), au moins un moyen d'élimination de particules, un réservoir principal (26) comprenant au moins un agent réducteur des particules, et des moyens d'introduction (20) de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement. Selon l'invention, l'installation comprend des moyens d'additivation (30) de l'agent réducteur. Figure de l'abrégé : Figure unique

Description

© N° de publication : 3 055 220 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 57969 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : B 01 D 53/90 (2017.01), B 01 D 53/94, F 01 N 3/20
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 26.08.16. © Demandeur(s) : IFP ENERGIES NOUVELLES Etablis-
(30) Priorité : sement public — FR.
@ Inventeur(s) : ZINOLA STEPHANE, LECOMPTE
MATTHIEU et RAUX STEPHANE.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 02.03.18 Bulletin 18/09.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ® Titulaire(s) : IFP ENERGIES NOUVELLES Etablisse-
apparentés : ment public.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : IFP ENERGIES NOUVELLES.
PA INSTALLATION POUR LA DEPOLLUTION DES GAZ D'ECHAPPEMENT, NOTAMMENT DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE, ET PROCEDE POUR L'UTILISATION D'UNE TELLE INSTALLATION.
FR 3 055 220 - A1 _ La présente invention concerne une installation pour la dépollution des gaz d'échappement circulant dans une ligne d'échappement (10), notamment d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins un moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (NOx), au moins un moyen d'élimination de particules, un réservoir principal (26) comprenant au moins un agent réducteur des particules, et des moyens d'introduction (20) de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement.
Selon l'invention, l'installation comprend des moyens d'additivation (30) de l'agent réducteur.
Figure de l'abrégé: Figure unique
Figure FR3055220A1_D0001
Figure FR3055220A1_D0002
Figure FR3055220A1_D0003
La présente invention se rapporte à une installation pour la dépollution des gaz d'échappement, notamment de moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile et à un procédé pour utiliser cette installation.
Elle vise plus particulièrement un procédé pour traiter les polluants contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de type Diesel, notamment pour véhicule automobile, mais n'écarte en aucune manière un tel procédé pour les moteurs à allumage commandé, tels que ceux fonctionnant avec un carburant gazeux ou avec de l'essence, et en particulier en mélange pauvre.
Comme cela est connu, les gaz d'échappement de ces moteurs contiennent de nombreux polluants, tels que des hydrocarbures imbrûlés (HC), du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote (NO et NO2) plus communément baptisés sous le terme de NOx, et en sus des particules.
Il est communément admis que les NOx sont un produit issu de la combustion qui se déroule à des températures élevées et en présence d’oxygène. Ces conditions sont généralement rencontrées lors de tous types de combustions, quel que soit le carburant utilisé.
Plus particulièrement, les moteurs à combustion interne fonctionnant avec un mélange pauvre produisent des NOx qui sont difficiles à traiter du fait de la présence d’oxygène dans la composition des gaz d’échappement.
Or, les NOx présentent un inconvénient majeur car ils ont un impact néfaste directement sur la santé de l'être humain, particulièrement le NO2, et indirectement par la formation secondaire d'ozone troposphérique.
Afin de respecter les normes d'émissions de polluants et de préserver l'environnement et la santé humaine, il est devenu nécessaire de traiter ces polluants avant de rejeter les gaz d'échappement dans l'atmosphère.
Comme cela est généralement connu, ceci est réalisé grâce à un traitement en dépollution des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement du moteur.
Ainsi, pour traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone pour des moteurs fonctionnant en mélange pauvre, des moyens de catalyse, tels qu'un catalyseur d'oxydation, sont placés sur la ligne d'échappement.
En ce qui concerne les gaz d'échappement, en particulier d'un moteur Diesel, un filtre à particules est avantageusement placé sur cette ligne de manière à capter puis à éliminer les particules présentes dans les gaz d'échappement et éviter ainsi qu'elles soient rejetées dans l'atmosphère.
Ce filtre doit être régénéré périodiquement afin d’éviter son colmatage en réalisant une combustion des particules retenues dans ce filtre. Ces opérations de régénération consistent principalement en une augmentation de la température du filtre, qui peuvent soit se produire spontanément lors d’une utilisation du moteur à forte charge, soit être générées au moyen d'une oxydation exothermique sur un catalyseur placé en amont du filtre d'espèces chimiques réductrices issues de la combustion ou d'une injection directement à l'échappement déclenchées par le contrôle moteur.
Un additif de régénération peut être utilisé pour faciliter la phase de régénération. Par additif pour la régénération du filtre à particules (FAP), il est entendu tout additif permettant soit de favoriser le phénomène de régénération en continue du filtre à particules et d’espacer ainsi les périodes de régénération actives du FAP, soit d’accélérer la combustion de la suie lors des phases de régénération actives du FAP, permettant de limiter la consommation de carburant relative à cette phase et/ou de maximiser les chances de brûler une masse de suie importante lorsque les conditions de températures et de composition gazeuse à l’échappement sont favorables à cette régénération active, soit une combinaison de ces deux avantages.
Pour des raisons de simplifications, nous parlerons ensuite simplement de facilitation de la phase de régénération sans que cela ne limite la portée de l’invention.
En ce qui concerne les NOx, les gaz d'échappement traversent également d'autres moyens de catalyse, notamment des catalyseurs du type catalyseur RCS (pour Réduction Catalytique Sélective). Ce catalyseur RCS permet de réduire sélectivement les NOx en azote grâce à l'action d'un agent réducteur.
Cet agent réducteur, qui est généralement injecté en amont du catalyseur RCS, peut être de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition, comme de l'urée, ou être un hydrocarbure oxygéné ou non, tel que de l'éthanol.
Actuellement, une des techniques les plus répandues pour la dépollution des NOx est la catalyse RCS par l'ammoniac.
Cet ammoniac est obtenu indirectement par décomposition d'un précurseur injecté sous forme liquide, généralement de l'urée en solution aqueuse à 32,5 % m/m plus connu en Europe sous la dénomination commerciale nommée AdBlue.
Ainsi, la solution d'urée est injectée dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur RCS. L'eau contenue dans cette solution est rapidement vaporisée sous l'effet de la température des gaz d'échappement, puis chaque molécule d'urée se décompose suivant deux étapes en deux molécules d'ammoniac.
Comme cela est mieux décrit dans le document FR 3 029 800, le système pour dépolluer des gaz d'échappement comprend une ligne d'échappement comportant un moyen de dépollution associant un filtre à particules et un catalyseur avec réduction catalytique sélective (RCS), éventuellement regroupés dans un élément unique dénommé filtre catalysé RCS ou filtre FRCS, un réservoir unique contenant un mélange d'un additif pour la régénération du filtre à particules et d'un réducteur pour l'élimination des NOx présents dans ce moyen de dépollution et un injecteur pour introduire ce mélange en amont du catalyseur RCS ou du filtre FRCS.
Ce système bien que donnant satisfaction présente néanmoins des inconvénients non négligeables.
En effet, le système décrit dans le document précité se limite à utiliser un réservoir unique contenant un mélange d'un additif pour la régénération du filtre à particules et d'un réducteur pour l'élimination des NOx, mélange qui est réalisé en dehors du véhicule pour être ensuite introduit dans le réservoir.
De ce fait, l’utilisateur du véhicule ou la personne en charge de son entretien doit remplir ou re-remplir ce réservoir avec un fluide contenant à la fois le réducteur pour l’élimination des NOx et l’additif pour la régénération du filtre à particules, ou bien réaliser lui-même le mélange dans les bonnes proportions entre ces deux produits. Ce mélange combinant les deux fonctions, ainsi que l’additif pour la régénération du filtre à particules soluble en milieu aqueux, sont des produits dont la disponibilité sur le marché peut être limitée du fait de la faiblesse actuelle du réseau de distribution.
Au contraire, le réseau de distribution de réducteur pour catalyse RCS, notamment l’Adblue, est d’ores et déjà développé et il est prévu que celui-ci se renforce encore significativement au cours des cinq prochaines années.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés grâce à un procédé qui permettent d’introduire un additif à l'agent réducteur non plus à l’extérieur du véhicule mais directement à bord de ce véhicule.
Ceci a pour avantage de permettre le remplissage initial du réservoir avec un agent réducteur pour l'élimination des NOx qui est largement distribué, en évitant ainsi de recourir à un réseau de distribution parallèle difficile à mettre en place.
A cet effet, la présente invention concerne une installation pour la dépollution des gaz d'échappement circulant dans une ligne d'échappement, notamment d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins un moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, au moins un moyen d'élimination des particules, un réservoir principal comprenant au moins un agent réducteur, et un ou plusieurs moyens d'introduction de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement, caractérisée en ce que l'installation comprend des moyens d'additivation de l'agent réducteur.
Les moyens d'additivation peuvent comprendre un circuit d'additivation.
Le circuit d'additivation peut comprendre au moins un réservoir d'additivation raccordé au réservoir principal.
Le réservoir d'additivation peut contenir au moins un additif.
Le circuit d'additivation peut comprendre au moins un moyen de pompage et de dosage d'additif.
L'additif peut être un produit qui facilite la phase de régénération du moyen d'élimination de particules, ou un produit destiné à améliorer la pulvérisation de l'agent réducteur, ou un produit permettant de limiter ou de supprimer la formation de dépôt issus de sous-produits de décomposition de l’agent réducteur dans la ligne d’échappement, ou un produit destiné à abaisser le point de gel de l'agent réducteur, ou un produit destiné à masquer l'odeur de l'agent réducteur, ou une combinaison d'au moins deux de ces produits.
L'agent réducteur peut être un agent réducteur contenant de l'ammoniac ou un composé précurseur d'ammoniac.
L'agent réducteur peut être un hydrocarbure oxygéné ou non.
L'invention concerne également un procédé pour utiliser l'installation pour la dépollution des gaz d'échappent ci-dessus, caractérisé en ce que :
- on remplit le réservoir principal avec l'agent réducteur puis
- on additive l'agent réducteur contenu dans le réservoir principal.
On peut additiver l'agent réducteur avec au moins un additif contenu dans au moins un réservoir d'additivation.
On peut additiver l'agent réducteur avec au moins un additif sous forme solide introduit directement dans le réservoir principal.
On peut additiver l'agent réducteur avec au moins un additif sous forme liquide introduit directement dans le réservoir principal, plus particulièrement au travers du goulot de ce réservoir.
On peut additiver l'agent réducteur avec au moins un additif contenu dans une capsule à perforer au préalable de son introduction dans le réservoir.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée la figure unique qui montre une installation utilisant le procédé selon l'invention.
Cette installation de traitement en dépollution des gaz d'échappement comprend une ligne d'échappement 10 véhiculant les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne 12, par exemple pour véhicule automobile.
Par moteur à combustion interne, il est entendu un moteur Diesel, mais cela n'écarte en aucune manière tous les autres moteurs à combustion interne, comme les moteurs fonctionnant à l'essence, avec un gaz ou avec tout autre carburant.
Comme mieux visible sur la figure unique, la ligne d'échappement 10 comprend, dans le sens de circulation des gaz d'échappement allant du moteur 12 vers la sortie 14 à l'air libre de cette ligne, au moins un moyen de captation et d'élimination des particules présentes dans les gaz d'échappement ainsi qu'au moins un moyen de réduction des NOx contenus également dans ces gaz.
Avantageusement mais non obligatoirement et uniquement à titre d'exemple comme illustré sur la figure, ces moyens sont combinés en un seul élément qui est plus connu sous le terme de filtre catalysé RCS ou filtre FRCS 16.
De manière préférentielle, ce filtre FRCS est placé en aval d'un catalyseur d'oxydation 18 qui a pour fonction de traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone contenus dans les gaz d'échappement avant que ces derniers ne traversent le filtre catalysé.
Ce dernier a également pour rôle d’ajuster le rapport entre le monoxyde d’azote et le dioxyde d’azote contenu dans les gaz d’échappement afin de maximiser l’efficacité de conversion de la catalyse RCS.
La ligne d'échappement comprend un moyen d'introduction d'un mélange d'un agent réducteur pour l'élimination des NOx et d'un additif pour la régénération des particules.
Ce moyen d’introduction peut se présenter par exemple sous la forme d'un injecteur 20 qui est placé en amont du filtre FRCS.
De façon préférée, un dispositif d’homogénéisation 21 de l’agent réducteur avec les gaz d'échappement est positionné entre l’injecteur et le filtre FRCS.
Comme cela est généralement connu, la ligne d'échappement comporte également un moyen de détermination de pression différentielle 22 entre l'entrée du filtre FRCS et sa sortie.
Ceci permet de connaître le taux de colmatage par les particules du filtre FRCS.
De manière également connue en soi, la ligne d'échappement porte un capteur de température (non représenté) placé sur la ligne d'échappement, et plus particulièrement à l'entrée du filtre catalysé, pour connaître à tout moment la température des gaz d'échappement qui circulent dans cette ligne.
Alternativement, il peut être prévu d'utiliser des moyens logiques et/ou informatiques qui permettent d'estimer à tout moment la température des gaz d'échappement qui circulent dans la ligne.
Cette ligne peut également porter un capteur de NOx (non représenté) placé à la sortie du filtre catalysé pour connaître à tout moment la quantité des NOx qui sort de ce filtre.
Cette ligne peut également porter un capteur de NOx (non représenté) placé à l’entrée du filtre catalysé pour connaître à tout moment la quantité des NOx qui entre dans ce filtre.
De même, il peut être également prévu d'utiliser des moyens logiques et/ou informatiques qui permettent d'estimer à tout moment ces quantités de NOx.
Le mélange introduit dans la ligne d'échappement par l’injecteur 20 est amené par un conduit 24 raccordant cet injecteur à un réservoir principal 26 contenant ce mélange. Ce mélange est amené à circuler entre le réservoir principal et l’injecteur sous l'effet d'un moyen de pompage, comme une pompe 28.
Ce réservoir principal contient initialement un agent réducteur, qui est de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition, comme de l'urée.
A titre d'exemple non limitatif, cet ammoniac est obtenu indirectement par décomposition d'un précurseur injecté sous forme liquide dans la ligne d’échappement, généralement de l'urée en solution aqueuse à 32,5 % m/m plus connu en Europe sous la dénomination commerciale nommée AdBlue.
Pour des raisons de simplification dans la suite de la description, il sera utilisé le terme générique agent réducteur qui couvre aussi bien l'agent réducteur ou un précurseur de cet agent réducteur.
Le contenu de ce réservoir principal est complété, après chaque remplissage d'agent réducteur, par des moyens d'additivation de l'agent réducteur.
Cet additif peut être un produit qui facilite la régénération du filtre à particules, un produit destiné à améliorer la pulvérisation de l'agent réducteur, un produit permettant de limiter ou de supprimer la formation de dépôts issus de sous-produits de décomposition de l’agent réducteur, un produit destiné à abaisser le point de gel de l'agent réducteur, un produit destiné à masquer l'odeur de l'agent réducteur ou une combinaison d'au moins deux de ces produits.
A titre d'exemple illustré à la figure unique, le réservoir 26 est raccordé à des moyens d'additivation comprenant un circuit d'additivation 30.
Ce circuit comprend au moins un réservoir d'additivation 32 qui est relié au réservoir principal par un conduit d'additivation 34. De même, un moyen de pompage et de dosage d'additif 36, comme une pompe doseuse, est placée sur ce conduit pour amener l'additif de ce réservoir d'additivation vers le réservoir.
Le circuit d'additivation peut comprendre un réservoir d'additivation avec un ou plusieurs additifs énumérés ci-dessus ou plusieurs réservoirs d'additivation contenant chacun un additif différent.
Bien entendu, le terme réservoir couvre tout contenant d'un fluide, tels que des contenants rigides ou des poches souples, en particulier en des matériaux intégrant des polymères synthétiques ou naturels.
Ainsi, après le remplissage du réservoir principal 26 avec l'agent réducteur, la pompe doseuse d'additivation 36 est actionnée pour introduire, via le conduit d'additivation 34, la quantité souhaitée d'additif(s) dans le réservoir principal en réalisant ainsi le mélange qui sera introduit dans la ligne d'échappement par l'injecteur. La quantité d’additif(s) à ajouter dans le réservoir principal est déterminée par la concentration en additif(s) cible qui permet d’obtenir l’effet souhaité en minimisant la quantité d’additif(s) introduite, tant pour des raisons économique que pour limiter un encrassement ou un empoisonnement éventuel du système de dépollution.
Bien entendu, il est à la portée de l'homme du métier de disposer sur le réservoir principal tous moyens, comme des capteurs, pour connaître, d'une part le niveau de remplissage par l'agent réducteur et, d'autre part, le niveau de remplissage par le ou les additifs.
Cette solution permet ainsi d’utiliser un réservoir spécifique pour l’additif de régénération du filtre à particules qui serait rempli en usine.
En outre, du fait d’une consommation limitée de cet additif, en comparaison avec l’agent réducteur, ce réservoir requiert un remplissage bien moins fréquent.
De plus, cette solution a l'avantage de disposer d'une installation beaucoup plus fiable puisque l'additivation se fait d'une manière quasiment automatique sans l'intervention d'un opérateur.
Dans une variante non illustrée, les moyens d'additivation comprennent un ou plusieurs additifs sous forme liquide ou solide directement introduits dans le réservoir principal plus particulièrement au travers du goulot de ce réservoir.
Dans une autre variante également non illustrée, l'additivation s'effectuera par perforation d’une capsule contenant un ou plusieurs additifs (solide ou liquide) de façon à venir déverser cet ou ces additifs dans le réservoir principal contenant l’agent réducteur et plus particulièrement au travers du goulot de ce réservoir.
La présente invention n'est pas limité à l'exemple décrit ci-dessus mais englobe toutes autres réalisations de moyen de captation et d'élimination des particules et de moyen de réduction des NOx.
Notamment, le filtre FRCS de la figure unique, qui est en un seul élément, 5 peut être remplacé par au moins deux moyens de traitement des gaz d'échappement avec un catalyseur RCS suivi par un filtre à particules. Dans cette configuration, l'injecteur 20 est placé en amont du catalyseur RCS.
A l'inverse, l'un des moyens peut être un filtre à particules qui est suivi par un 10 catalyseur avec le placement de l'injecteur en amont du filtre à particules.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement circulant dans une ligne d'échappement (10), notamment d'un moteur à combustion interne, comprenant au moins un moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (NOx), au moins un moyen d'élimination des particules, un réservoir principal (26) comprenant au moins un agent réducteur, et un ou plusieurs moyens d'introduction (20) de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement, caractérisée en ce que l'installation comprend des moyens d'additivation (30) de l'agent réducteur.
  2. 2) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'additivation comprennent un circuit d'additivation (30).
  3. 3) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit d'additivation (30) comprend au moins un réservoir d'additivation (32) raccordé au réservoir principal (26).
  4. 4) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le réservoir d'additivation (32) contient au moins un additif.
  5. 5) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit d'additivation (30) comprend au moins un moyen de pompage et de dosage d'additif (36).
  6. 6) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'additif est un produit qui facilite la phase de régénération du moyen d'élimination de particules, ou un produit destiné à améliorer la pulvérisation de l'agent réducteur, ou un produit permettant de limiter ou de supprimer la formation de dépôt issus de sous-produits de décomposition de l’agent réducteur dans la ligne d’échappement, ou un produit destiné à abaisser le point de gel de l'agent réducteur, ou un produit destiné à masquer l'odeur de l'agent réducteur, ou une combinaison d'au moins deux de ces produits.
  7. 7) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'agent réducteur est un agent réducteur contenant de l'ammoniac ou un composé précurseur d'ammoniac.
  8. 8) Installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'agent réducteur est un hydrocarbure oxygéné ou non.
  9. 9) Procédé pour utiliser l'installation pour la dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
    - on remplit le réservoir principal (26) avec l'agent réducteur puis
    - on additive l'agent réducteur contenu dans le réservoir principal (26).
  10. 10) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on additive l'agent réducteur avec au moins un additif contenu dans au moins un réservoir d'additivation (32).
  11. 11) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on additive l'agent réducteur avec au moins un additif sous forme solide introduit directement dans le réservoir principal.
  12. 12) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on additive l'agent réducteur avec au moins un additif sous forme liquide introduit directement dans le réservoir principal (26).
  13. 13) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on additive l'agent réducteur avec au moins un additif contenu dans une capsule à perforer au préalable de son introduction dans le réservoir (26).
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