FR3081921A1 - Ligne d’echappement de moteur thermique comprenant un element de chauffage amont - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur une ligne (6) d'échappement des gaz issus d'une combustion dans un moteur (4) thermique, la ligne (6) d'échappement présentant une extrémité amont destinée à être raccordée à un collecteur d'échappement du moteur (4) thermique et une extrémité aval débouchant à l'air ambiant, la ligne (6) portant au moins un élément de dépollution (5, 1, 2, 7) d'un polluant présent dans les gaz traversant la ligne (6) d'échappement, caractérisée en ce que la ligne (6) intègre un élément de chauffage (8) des gaz, l'élément de chauffage (8) étant disposé, d'une part, en aval de l'extrémité amont et, d'autre part, en amont dudit au moins un élément de dépollution (5, 1, 2, 7) ou intégré dans une portion amont dudit au moins un élément de dépollution (5) la plus proche de l'extrémité amont.
Description
[0001] La présente invention concerne une ligne d’échappement de moteur thermique comprenant un élément de chauffage de la ligne disposé en amont d’un élément de dépollution unique ou de l’élément de dépollution parmi les éléments de dépollution le plus en amont dans la ligne d’échappement, l’amont étant pris en référence par rapport au moteur thermique et à l’écoulement des gaz d’échappement dans la ligne.
[0002] Le domaine concerné par la présente invention est le domaine du contrôle des émissions polluantes et plus précisément le contrôle des émissions des moteurs à allumage par compression, notamment un moteur Diesel ou fonctionnant au gazole mais la présente invention peut aussi bien être appliquée à un moteur thermique à allumage commandé, notamment un moteur à carburant essence ou à mélange contenant de l’essence, l’élément ou les éléments de dépollution présents dans la ligne d’échappement pouvant ne pas être les mêmes ou être spécifiquement adaptés à la motorisation.
[0003] De nos jours, les limites d’émissions polluantes autorisées sont de plus en plus sévères. Une procédure d'essai mondiale harmonisée pour les voitures particulières et véhicules utilitaires légers a été mise en place et comprend un ensemble de procédures de test, comportant des cycles de conduite automobile connus sous l’appellation anglosaxonne de WLTC avec de nouvelles procédures de mesure des polluants ainsi que des mesures d’émission en conduite réelle connues sous la dénomination de RDE. Cette nouvelle procédure d’essai exige de la part des constructeurs automobiles de dépolluer les moteurs sur tout le champ moteur.
[0004] Notamment, en prenant l’exemple non limitatif de la dépollution en oxydes d’azote pour illustration, l’abaissement des seuils de rejet d’oxydes d’azote, ci-après dénommés aussi sous leur formule chimique de NOx, en milieu urbain après démarrage à froid impose des solutions de chauffe du système de dépollution en NOx très rapide afin de diminuer le temps de mise en action.
[0005] En particulier, la mise en place progressive de la norme Euro6 pour l’Europe ou de normes équivalentes dans d’autres pays a conduit les constructeurs à choisir entre différentes options.
[0006] La première option est la réduction des NOx à la source via des technologies de type « recyclage des gaz d’échappement dans le moteur >>, notamment un système de recirculation des gaz d’échappement à l’admission du moteur haute et basse pressions connu sous l’acronyme de système RGE. La deuxième option est la réduction des NOx via une technologie de traitement séquentiel appelée « piège-à-NOx >> qui sera ultérieurement détaillée. La troisième option est la réduction des NOx via une technologie de traitement continu appelée « réduction catalytique sélective >> et connue sous l’acronyme de système RCS, spécifiquement dédié à un moteur à allumage par compression. Il est aussi possible de combiner ces trois options.
[0007] Si ces options permettent de satisfaire les normes en vigueur, elles ne sont pas forcément capables de satisfaire une ou des étapes à venir qui s’annoncent encore plus sévères. Ces normes à venir comprendront de plus en plus de cycles en conduite réelle, ce qui est défavorable à la dépollution des gaz d’échappement.
[0008] Pour répondre notamment aux risques d’émissions de NOx dans ces cycles en conduite réelle, différentes solutions technologiques et architectures peuvent être envisagées. Elles ont chacune leurs avantages et leurs inconvénients. Pour un moteur à allumage par compression, il convient de se concentrer sur la technologie de traitement des oxydes d’azote la plus efficace du marché à savoir la réduction catalytique sélective effectuée par un système ci-après dénommé RCS pour réduction catalytique sélective utilisant comme agent réducteur une solution à base d’urée, de formule chimique CO(NH2)2, pour traiter les oxydes d’azote (NOx).
[0009] Le document WO-A-2012/080608 décrit une ligne d'échappement pour l'évacuation et le traitement de gaz d'échappement produits par un moteur thermique équipant notamment un véhicule automobile. La ligne d'échappement comprend un conduit de circulation des gaz d'échappement depuis le moteur thermique vers un débouché de la ligne d'échappement sur l'extérieur du véhicule automobile. Le conduit est équipé d'éléments de dépollution par traitement chimique et/ou physique des gaz d'échappement, dont au moins un filtre à particules et un système de réduction catalytique sélective, dénommé système RCS. Ce système RCS comprend un injecteur d'un agent réducteur et au moins un élément catalyseur. Le système RCS comprend au moins deux éléments RCS distincts, dont un élément RCS amont et un élément RCS aval.
[0010] Ces éléments RCS sont disposés sur le conduit de la ligne d’échappement successivement en série à distance l'un de l'autre, en étant structurellement séparés l'un de l'autre par une zone intermédiaire de la ligne d'échappement à l'intérieur de laquelle circulent les gaz d'échappement entre l'un et l'autre des éléments RCS. L'élément RCS aval est intégré au filtre à particules avec lequel il forme un même élément monobloc avec imprégnation d'un agent catalyseur de réduction des oxydes d'azote sur les parois internes du filtre à particules.
[0011] Si la proposition d’architecture de ligne d’échappement de ce document est très efficace pour traiter les NOx, elle est perfectible pour certains roulages, notamment un roulage urbain pour lequel les normes à venir pourraient imposer de respecter des émissions de NOx de 80mg/km puis de 35 mg/km. En effet, l’architecture de ligne d’échappement de ce document présente une distance importante entre la position du système RCS et un filtre à particules imprégné par une phase active de catalyseur de réduction sous caisse. Or, le filtre à particules imprégné, du fait de l’inertie thermique du substrat, est très lent à monter en température et donc à amorcer son traitement des NOx pourtant nécessaire pour palier le système RCS disposé en amont qui ne peut à lui seul assurer l’ensemble du traitement des NOx.
[0012] Le document FR-A-3 021 695 propose l’utilisation d’un élément de chauffage dans la ligne de dépollution mais en amont d’un système RCS et en aval d’un piège à oxydes d’azote. L’inconvénient de cette proposition est de ne pas bénéficier de cette chauffe électrique pour tous les éléments de dépollution, à savoir dans le cas présent le piège à oxydes d’azote, cet élément de dépollution placé en amont de l’élément de chauffage pouvant jouer un rôle primordial dans l’activation de la dépollution de la ligne.
[0013] Le problème à la base de la présente invention est, pour une ligne d’échappement comprenant au moins un élément de dépollution d’assurer la montée en température de cet élément de dépollution afin qu’il atteigne sa température minimale de fonctionnement permettant une dépollution efficace du polluant spécifique traité.
[0001] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention une ligne d’échappement des gaz issus d’une combustion dans un moteur thermique, la ligne d’échappement présentant une extrémité amont destinée à être raccordée à un collecteur d’échappement du moteur thermique et une extrémité aval débouchant à l’air ambiant, la ligne portant au moins un élément de dépollution d’un polluant présent dans les gaz traversant la ligne d’échappement, caractérisée en ce que la ligne intègre un élément de chauffage des gaz, l’élément de chauffage étant disposé, d’une part, en aval de l’extrémité amont et, d’autre part, en amont dudit au moins un élément de dépollution ou intégré dans une portion amont dudit au moins un élément de dépollution la plus proche de l’extrémité amont.
[0002] L’effet technique est d’utiliser un élément de chauffage, avantageusement électrique, en amont de l’élément de dépollution le plus en amont dans la ligne d’échappement de façon à chauffer cet élément de dépollution et, le cas échéant, les autres éléments de dépollution présents dans la ligne au plus tôt, même lorsque le moteur thermique ne peut pas encore activer le mode de combustion de chauffe spécifique, afin de minimiser le temps d’amorçage de l’élément ou des éléments en milieu froid donc urbain.
[0003] L’état de la technique proposait déjà d’accoler un système RCS avec un filtre à particules imprégné mais sans prévoir un élément supplémentaire de chauffage, perdant ainsi plusieurs secondes d’amorçage du catalyseur RCS.
[0004] La présente invention propose une évolution technique des architectures de ligne d’échappement selon l’état de la technique le plus proche en leur intégrant un élément de chauffage en amont du ou des éléments de dépollution pour améliorer l’efficacité de traitement de dépollution à froid, notamment dans le cas des NOx à froid et le traitement de grandes quantités de particules. Pour les NOx, cela permet de réduire fortement voire supprimer totalement le risque d’émissions d’ammoniac en sortie de la ligne d’échappement dans le cas des véhicules particuliers ou utilitaires dits « lourds >> utilisant un système de traitement des NOx de type RCS.
[0005] Les intérêts techniques de la nouvelle proposition sont essentiellement un gain thermique important dans la ligne d’échappement par rapport à une architecture plus classique, donc un fonctionnement avec une efficacité optimisée sur une plage de température très étendue qui couvre aussi bien un roulage urbain lent qu’une conduite « agressive ».
[0006] Ceci permet d’assurer l’élimination des polluants gazeux dont les NOx, l’élimination des polluants particulaires et d’optimiser la régénération du filtre à particules imprégné en milieu urbain grâce à la chauffe de l’élément de chauffage. Une telle architecture de ligne permettra de répondre aux exigences très sévères des normes à venir en conduite réelle sans risque de surémissions de NOx ni d’émissions de NH3, y compris sur des roulages « grand froid >> en dessous d’une température extérieure de moins 7°C.
[0007] Il est aussi procuré un gain en consommation de carburant. Une telle architecture est efficace pour réduire les NOx et permet contrairement aux autres solutions technologiques de se passer ou de diminuer les modes de combustion spécifiques de chauffe de la ligne d’échappement très coûteux en CO2 ainsi que d’orienter le compromis CO2/NOx vers toujours plus de NOx et donc moins de CO2, la réduction des émissions de
CO2 signifiant une réduction de la consommation en carburant du moteur. Enfin, la présente invention permet de réduire fortement voire supprimer totalement les émissions résiduelles de NH3 en sortie de la ligne d’échappement.
[0008] Avantageusement, l’élément de chauffage est un élément de chauffage électrique.
[0009] Avantageusement, la ligne d’échappement comporte au moins deux éléments de dépollution, l’élément de chauffage étant en amont de ou intégré dans l’élément de dépollution le plus en amont desdits au moins deux éléments de dépollution.
[0010] Avantageusement, lesdits au moins deux éléments de dépollution sont sélectionnés parmi les éléments suivants : un catalyseur d’oxydation ou un catalyseur trois voies, un piège à oxydes d’azotes actif, un piège à oxydes d’azotes passif, un catalyseur de réduction catalytique sélective disposé en aval d’une boîte de mélange d’un agent réducteur avec les gaz d’échappement, un filtre à particules, ces éléments étant présents doublés ou non.
[0011] Avantageusement, la ligne d’échappement comprend un catalyseur de conversion de rejets d’ammoniac dans la ligne d’échappement quand au moins un catalyseur de réduction catalytique est logé dans la ligne d’échappement.
[0012] Avantageusement, un catalyseur de réduction catalytique sélective est intégré dans le filtre à particules sous la forme d’une phase active de réduction catalytique sélective imprégnant des parois internes du filtre à particules et le piège à oxydes d’azotes actif et/ou le piège à oxydes d’azotes passif sont intégrés dans un catalyseur d’oxydation.
[0013] Avantageusement, la ligne d’échappement comprend d’amont en aval un élément de chauffage, un catalyseur d’oxydation intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, une boîte de mélange d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, un catalyseur de réduction catalytique sélective, un filtre à particules imprégné d’une phase active de réduction catalytique et un catalyseur de conversion de rejets d’ammoniac.
[0014] Pour ce mode de réalisation, que le moteur thermique soit turbocompressé ou non et que les éléments de dépollution soient disposés sous la turbine ou sous châssis d’un véhicule automobile, ceci permet d’activer le catalyseur d’oxydation comprenant un piège à oxydes d’azote actif et/ou passif plus tôt pour obtenir le ratio NO2/NOx nécessaire à un bon fonctionnement du système RCS se trouvant en aval, ce qui permet d’injecter et décomposer l’agent réducteur au plus tôt et d’activer le catalyseur RCS et le filtre à particules imprégné avec une phase active RCS au plus tôt.
[0015] Ceci peut être obtenu même lorsque le moteur ne peut pas encore activer le mode de combustion de chauffe spécifique, afin de minimiser le temps d’amorçage du système RCS en milieu froid et urbain.
[0016] L’invention concerne aussi un ensemble d’un moteur thermique et d’une ligne d’échappement, une extrémité amont de la ligne d’échappement étant raccordée à un collecteur d’échappement en sortie du moteur thermique, caractérisé en ce que la ligne d’échappement est telle que précédemment décrite.
[0017] Avantageusement, le moteur thermique étant un moteur turbocompressé, la ligne d’échappement comprenant une turbine, dans lequel :
- l’élément de chauffage, le catalyseur d’oxydation intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif sont disposés dans la ligne d’échappement au niveau de la turbine, la boîte de mélange d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, le catalyseur de réduction catalytique sélective, le filtre à particules imprégné d’une phase active de réduction catalytique et le catalyseur de conversion de rejets d’ammoniac étant disposés dans la ligne d’échappement plus en aval de la turbine, ou
- l’élément de chauffage, le catalyseur d’oxydation intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, la boîte de mélange d’agent réducteur avec les gaz d’échappement et le catalyseur de réduction catalytique sélective sont disposés dans la ligne d’échappement au niveau de la turbine, le filtre à particules imprégné d’une phase active de réduction catalytique et le catalyseur de conversion de rejets d’ammoniac étant disposés dans la ligne d’échappement plus en aval de la turbine, ou
- l’élément de chauffage, le catalyseur d’oxydation intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, la boîte de mélange d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, le catalyseur de réduction catalytique sélective et le filtre à particules imprégné d’une phase active de réduction catalytique sont disposés dans la ligne d’échappement au niveau de la turbine, le catalyseur de conversion de rejets d’ammoniac étant disposé dans la ligne d’échappement plus en aval de la turbine.
[0014] L’invention concerne enfin un véhicule automobile comprenant au moins un moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend une telle ligne d’échappement ou un tel ensemble d’un moteur thermique et d’une ligne d’échappement.
[0015] D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
- les figures 1 à 3 sont des représentations schématiques d’un mode de réalisation respectif d’une ligne d’échappement de moteur thermique selon la présente invention, de telles lignes d’échappement incorporant un élément de chauffage disposé juste en sortie du moteur thermique en étant l’élément le plus en amont de la ligne d’échappement.
[0016] Il est à garder à l’esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions et les formes des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité.
[0017] Les notions amont et aval sont à comprendre au regard du sens d'écoulement des gaz d'échappement le long de la ligne d'échappement, depuis son extrémité amont munie de moyens de mise en communication aéraulique avec le moteur thermique vers son extrémité aval opposée munie d'un débouché du conduit sur l'environnement extérieur du véhicule.
[0018] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées.
[0018] En se référant aux figures 1 à 3 qui montrent trois modes de réalisation d’une ligne 6 d’échappement avec plusieurs éléments de dépollution, une ligne 6 d’échappement des gaz issus d’une combustion dans un moteur 4 thermique selon la présente invention présente une extrémité amont destinée à être raccordée à un collecteur d’échappement du moteur 4 thermique et une extrémité aval débouchant à l’air ambiant. Le moteur 4 thermique peut être incorporé dans un véhicule automobile mais ceci n’est pas limitatif.
[0019] La ligne 6 d’échappement porte au moins un élément de dépollution 5, 1, 2, 7 d’un polluant présent dans les gaz traversant la ligne 6 d’échappement, aux figures plusieurs éléments de dépollution traitant au moins un polluant spécifique, des éléments de dépollution 3 et 2 présents dans la ligne 6 pouvant traiter le même polluant, notamment les oxydes d’azote ou NOX ou un élément de dépollution 5, 2 pouvant traiter deux polluants différents en étant par exemple un filtre à particules 2 retenant les particules de suie tout en étant imprégné d’une phase active de réduction catalytique sélective sur les parois internes du filtre à particules 2 pour traiter les NOx.
[0020] Selon l’invention, la ligne 6 intègre un élément de chauffage 8 de la ligne 6 d’échappement et par conséquent des gaz la traversant. L’élément de chauffage 8 est disposé, d’une part, en aval de l’extrémité amont et, d’autre part, en amont dudit au moins un élément de dépollution 5, 1, 2, 7 ou intégré dans une portion amont dudit au moins un élément de dépollution 5 le plus proche de l’extrémité amont. L’élément de chauffage peut en effet être logé dans l’élément de dépollution 5 le plus proche de l’extrémité amont.
[0021] II s’ensuit que l’élément de chauffage 8 est le premier élément se trouvant en aval du moteur 4 avec aucun autre élément de dépollution 5, 1, 2, 7 se trouvant en amont de cet élément de chauffage 8, contrairement à ce qui avait été décrit dans le document FRA-3 021 695 pour lequel un piège à NOx se trouvait en amont de l’élément de chauffage dans la ligne d’échappement.
[0022] L’élément de chauffage 8 peut être un élément de chauffage électrique, ce qui permet un chauffage d’appoint rapide sans attendre que le moteur 4 ne monte en température. Ce chauffage peut venir en appoint d’un chauffage obtenu par une combustion dégradée dans le moteur 4 thermique afin de faire monter en température les gaz d’échappement tout en étant nettement plus rapide.
[0023] Comme montré aux figures, la ligne 6 d’échappement peut comporter au moins deux éléments de dépollution 5, 1, 2, 7, aux figures quatre éléments de dépollution qui vont être ultérieurement détaillés, le nombre de quatre n’étant pas limitatif.
[0024] Dans tous les modes de réalisation, l’élément de chauffage 8 peut être en amont de ou intégré dans l’élément de dépollution 5 le plus en amont desdits au moins deux éléments de dépollution 5, 1,2, 7.
[0025] Lesdits au moins deux éléments de dépollution 5, 1, 2, 7 peuvent être sélectionnés parmi les éléments suivants : un catalyseur d’oxydation 5, un piège à oxydes d’azotes actif, un piège à oxydes d’azotes passif, un catalyseur de réduction catalytique sélective 1 disposé en aval d’une boîte de mélange 3 d’un agent réducteur avec les gaz d’échappement, un filtre à particules 2, ces éléments étant présents doublés ou non. Ceci vaut principalement pour un moteur 4 thermique par allumage par compression.
[0026] Pour un moteur 4 thermique à allumage commandé, il peut être prévu un catalyseur trois voies avec ou sans piège à oxydes d’azote actif ou passif et un filtre à particules 2 spécifiquement adapté à une telle motorisation, connu sous l’acronyme anglosaxon GPF pour filtre à particules 2 essence, un système RCS n’étant pas habituellement présent sur une telle motorisation.
[0019] Dans un système RCS, il est utilisé un agent réducteur liquide destiné à être introduit en quantités prédéfinies et par injections consécutives dans une ligne 6 d’échappement d’un véhicule automobile et par mélange avec les gaz d’échappement dans une boîte de mélange. L’ajout de cet agent réducteur de dépollution effectue le traitement des NOx présents dans la ligne 6 d’échappement du moteur 4 thermique d’un véhicule automobile.
[0020] Cet agent réducteur RCS est fréquemment de l’ammoniac ou un précurseur de l’ammoniac, par exemple de l’urée ou un dérivé de l’urée, notamment un mélange connu sous la marque Adblue®.
[0021] Un système RCS présente typiquement un réservoir contenant une quantité d’agent réducteur liquide, une pompe pour l’alimentation en agent liquide d’une ligne 6 d’échappement d’un véhicule automobile à partir d’un injecteur débouchant dans la ligne 6 d’échappement. L’agent réducteur liquide se décompose en ammoniac gazeux, pouvant être aussi mentionné ci-après par sa formule chimique NH3. Le NH3 se stocke dans un catalyseur RCS pour réduire les NOx se trouvant dans les gaz évacués par la ligne 6 d’échappement. Ce système RCS avec un catalyseur de réduction sélective non intégré dans un filtre à particules 2 peut être dénommé système RCS sous forme de tranche pour être différencié d’un catalyseur RCS imprégnant un filtre à particules 2.
[0022] Par ailleurs, il existe un second système de dépollution des oxydes d’azote par utilisation d’un piège à NOx, par exemple un système de piège à oxydes d’azote à adsorption à richesse pauvre connu sous l’abréviation de LNT ou un système de piège passif à oxydes d’azote connu sous l’abréviation de PNA. Ces pièges permettent la rétention des NOx dans des conditions de fonctionnement du moteur 4 non favorables de dépollution, ces pièges à NOx pouvant libérer les oxydes d’azote piégés dans d’autres conditions plus favorables à leur destruction. Ces différents types de piège par adsorption de NOx seront regroupés ci-après sous la dénomination de piège à NOx.
[0023] Par exemple, un piège à NOx passif en tant qu’adsorbeur de NOx peut être utilisé en association avec un système RCS. Ceci permet d’augmenter l’efficacité d’élimination des oxydes d’azote par adsorption des oxydes d’azote à température basse et désorption des oxydes une fois que le catalyseur RCS est actif. Le système RCS est fréquemment placé en aval du piège à NOx mais ceci n’est pas obligatoire.
[0024] Pour un autre type de piège à NOx, un piège adsorbeur de NOx à richesse pauvre retient sur des sites prévus en son intérieur les oxydes d’azote par réaction chimique pour des conditions de richesse dites pauvres. Une fois que le piège est rempli d’oxydes d’azote ayant réagi, il peut être procédé par une stratégie d’injection d’un surplus de carburant, donc à l’envoi d’un excès de CO et d’hydrocarbures ou HC à travers la ligne 6 d’échappement d’où une richesse en carburant plus élevée et supérieure à un. Ces hydrocarbures et ces CO réagissent avec les NOx, alors sous forme de NO2 alors libérés et transformés principalement en azote.
[0025] Les deux modes de dépollution en oxydes d’azote que sont le système RCS ou le piège à NOx précédemment mentionnés présentent des avantages et des désavantages spécifiques.
[0001] L’avantage majeur d’un piège à NOx à absorption est de ne pas nécessiter la présence d’un réservoir d’agent réducteur, d’une ligne d’agent réducteur chauffée, d’un injecteur d’agent réducteur etc. Le matériau de piégeage des oxydes d’azote peut être intégré dans un catalyseur d’oxydation 5, par exemple un catalyseur d’oxydation 5 Diesel ou DOC, un tel catalyseur étant principalement utilisé pour la dépollution en monoxyde de carbone ou CO ou en hydrocarbures ou HC. Un piège à NOx à absorption présente un faible encombrement et une masse réduite ainsi qu’un moindre coût.
[0002] Un autre avantage majeur d’un piège à NOx est que le fonctionnement de la dépollution n’est pas affecté par un manque d’agent de dépollution dans un quelconque réservoir. Ce n’est pas le cas pour un système RCS et un adsorbeur passif de NOx en tant que piège à NOx est de ce point de vue très avantageux par rapport à un système RCS pour un conducteur qui n’a pas à se soucier du remplissage d’un réservoir d’agent de dépollution pour le fonctionnement du piège.
[0003] Un piège à NOx du type LNT ou à richesse pauvre présente accessoirement le désavantage d’impliquer une plus grande consommation de carburant et d’augmenter aussi les émissions de CO2 séquentiellement pour l’élimination des NOx.
[0004] Un véhicule automobile peut donc être équipé simultanément d’un système RCS couplé à un piège à NOx, principalement mais pas seulement du type LNT ou à richesse pauvre. Une telle association présente une opportunité de continuer à traiter les NOx par le piège à NOx même quand le réservoir d’agent réducteur du système RCS est vide.
[0005] La ligne 6 d’échappement peut comprendre un catalyseur de conversion 7 de rejets d’ammoniac ou catalyseur NH3 dans la ligne 6 d’échappement quand au moins un catalyseur de réduction catalytique 1 est logé dans la ligne 6 d’échappement. En effet il peut y avoir un surplus de NH3 non utilisé lors de la catalyse et qu’il convient de traiter afin que du NH3 ne soit pas rejeté dans l’atmosphère en sortie de la ligne 6 d’échappement.
[0027] Un catalyseur de réduction catalytique sélective RCS, associé ou non avec un autre catalyseur RCS sous forme de tranche 1, peut être intégré dans le filtre à particules 2 sous la forme d’une phase active de réduction catalytique sélective imprégnant des parois internes du filtre à particules 2 pour échange avec les gaz d’échappement traversant le filtre à particules 2. Cette phase active est dénommée « washcoat >> en langue anglo-saxonne. Un tel catalyseur RCS imprégnant un filtre à particules 2 n’est pas référencé aux figures car intégré au filtre à particules 2.
[0028] Le piège à oxydes d’azotes actif et/ou le piège à oxydes d’azotes passif peuvent être intégrés dans le catalyseur d’oxydation 5 ou un catalyseur trois voies selon la motorisation à allumage par compression ou à allumage commandé.
[0029] Il peut cependant y avoir un élément de mesure telle qu’une sonde à oxygène ou équivalent technique en sortie du moteur 4, ceci en amont ou en aval de l’élément de chauffage 8. Aux figures, aucune sonde ou aucun capteur de pression n’est représenté mais de tels éléments de mesure peuvent être présents dans la ligne 6 d’échappement. De préférence, il est possible de positionner un capteur NOx en amont du piège à oxydes d’azote actif et/ou passif et en aval du filtre à particules 2 imprégné par une phase active RCS.
[0030] Il est aussi possible de disposer de deux capteurs NOx. Un premier capteur peut être positionné en amont du catalyseur d’oxydation 5, en pouvant être remplacé par un modèle logiciel. Un deuxième capteur peut être positionné entre le filtre à particules 2 imprégné et le catalyseur de conversion des rejets de NH3 ou catalyseur NH3 référencé 7 aux figures.
[0031] Enfin, il est possible de mettre en œuvre une configuration plus coûteuse encore avec un troisième capteur NOx positionné en aval du catalyseur NH3 7 pour bien vérifier que tous les rejets de NH3 ont été traités.
[0032] Dans les modes de réalisation des figures 1 à 3 qui ne sont pas limitatifs, la ligne 6 d’échappement peut comprendre d’amont en aval un élément de chauffage 8, un catalyseur d’oxydation 5 intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, le ou les pièges n’étant pas référencés aux figures. La ligne 6 d’échappement peut ensuite comprendre une boîte de mélange 3 d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, un catalyseur de réduction catalytique sélective 1 sous forme de tranche, un filtre à particules 2 imprégné d’une phase active de réduction catalytique et, en sortie de la ligne 6, un catalyseur de conversion 7 de rejets d’ammoniac.
[0033] L’invention concerne aussi un ensemble d’un moteur 4 thermique et d’une ligne 6 d’échappement, une extrémité amont de la ligne 6 d’échappement étant raccordée à un collecteur d’échappement en sortie du moteur 4 thermique, la ligne 6 d’échappement étant telle que précédemment décrite.
[0034] Quand le moteur 4 thermique étant un moteur turbocompressé et est présent dans un véhicule automobile, la ligne 6 d’échappement comprend alors une turbine peut être selon trois formes de réalisation. A ces trois formes de réalisation, EsT désigne l’espace associé à la turbine et EsC l’espace sous châssis bien en aval de la turbine.
[0035] Les polluants à savoir le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures imbrûlés HC, les oxydes d’azote NOx et les particules sont formés lors de la combustion du carburant dans la chambre de combustion puis émis à l’échappement.
[0036] Pour un moteur 4 à allumage par compression, ces polluants gazeux et particulaires sortent du collecteur d’échappement du moteur 4 thermique et pénètrent dans une première « brique >> appelée catalyseur d’oxydation 5. Dans cette première brique, le CO et les HC sont oxydés en eau H2O et en dioxyde de carbone CO2 comme cela sera décrit ultérieurement.
[0037] Sortent de cette première brique du catalyseur d’oxydation 5, les produits de l’oxydation du CO et des HC à savoir H2O et CO2 ainsi que les oxydes d’azote et les particules. Ces composés cheminent ensuite à travers la boîte de mélange 3 d’agent réducteur formant une deuxième brique avec les gaz d’échappement vers le catalyseur RCS 1 en forme de tranche, formant une troisième brique, qui réduit les NOx en azote N2 suivant différentes réactions qui seront détaillées plus loin.
[0038] Restent en sortie du catalyseur RCS 1 en forme de tranche des NOx résiduels et, possiblement, un excès d’ammoniac NH3 provenant du catalyseur RCS 1 ainsi que des particules dans les gaz d’échappement non encore traitées. Ces composés rentrent dans une quatrième brique filtre à particules 2 imprégné qui va terminer la réduction des NOx par du NH3 tout en éliminant les particules en les stockant avant de les brûler lors des régénérations.
[0039] L’excès de NH3 provenant de l’encrassement de la ligne 6 ou de la dispersion de l’injecteur est post-traité par une cinquième brique logeant un catalyseur de conversion 7 des rejets NH3 disposée en aval permettant d’oxyder cet NH3 en azote N2.
[0040] Ainsi, la première brique est le catalyseur d’oxydation 5 pour oxyder le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HC. Les réactions que le catalyseur d’oxydation 5 favorise sont les suivantes :
CO + 1/2 02 -> CO2 pour la réaction d’oxydation du monoxyde de carbone
CxHy + x+Y/4 02 -> x CO2 + y/2 H2O pour la réaction d’oxydation des hydrocarbures imbrûlés.
[0041] La deuxième brique est la boîte de mélange 3. La troisième brique 1 dans le sens du flux est la brique catalyseur RCS 1 sous forme de tranche suivie par la quatrième brique filtre à particules 2 imprégné, les deux briques 1 et 2 traitant les oxydes d’azote.
[0042] Le principe de la réduction des NOx soit par un catalyseur RCS 1 en tranche ou un catalyseur RCS sous forme d’une phase active imprégnant un filtre à particules 2 peut se décomposer en deux grandes étapes :
[0043] La première étape est la formation du réducteur NH3 à partir de l’agent réducteur, fréquemment un produit connu sous le nom d’Adblue ® qui est un mélange d’urée à 32,5% et d’eau. La deuxième étape est la thermolyse de l’urée selon la réaction chimique suivante :
(NH2)2CO NH3 + HNCO puis l’hydrolyse de l’acide isocyanique selon la réaction chimique suivante :
HNCO + H2O NH3 + CO2 [0044] La décomposition de l’urée, injectée par l’injecteur dans la boîte de mélange 3, elle-même implantée entre le catalyseur d’oxydation 5 et le catalyseur RCS 1, se fait en deux étapes : une première appelée « thermolyse » qui forme une molécule de NH3 et une molécule d’acide isocyanique et une seconde qui forme la seconde molécule de NH3 à partir de l’hydrolyse de l’acide isocyanique. Ces deux étapes et surtout la première nécessitent des températures d’au moins 180 - 200°Cd’où l’intérêt d’avoir le système d’injection et la boîte de mélange 3 gaz et agent réducteur liquide en position rapprochée du moteur 4.
[0045] Cette étape qui nécessite de la température permet de former le réducteur indispensable au fonctionnement de la catalyse de réduction sélective RCS. On comprend donc très bien tout l’intérêt d’une architecture compacte contrairement à des architectures avec des boîtes de mélange et des catalyseurs RCS positionnés plus loin dans la ligne 6 voire sous caisse dans le cas d’un véhicule automobile.
[0046] L’architecture de la ligne 6 d’échappement montrée aux figures 1 à 3 est relativement compacte en utilisant une boîte de mélange 3 entre le catalyseur d’oxydation 5 et le catalyseur RCS 1 sous forme de tranche. Cette boîte de mélange 3 alimentée par un injecteur, lui-même alimenté par un module jauge-pompe qui puise de l’urée en solution aqueuse dans un réservoir d’environ 20 litres, assure un mélange entre les gouttes d’urée et les gaz d’échappement suffisant pour que la réaction de thermolyse se fasse totalement et que la réaction d’hydrolyse se fasse en partie avant d’être « terminée >> sur le catalyseur en tranche RCS 1.
[0047] Dans le catalyseur en tranche RCS 1 et la phase active RCS imprégnant l’intérieur du filtre à particules 2 se déroulent les équations suivantes:
NO + O2 + 4 NH3 NO + NO2 + 2 NH3 rapide
NO2 + 8 NH3 température
4 N2 + 6 H2O en tant que réaction standard
2 N2 + 3 H2O en tant que réaction à cinétique
7 N2 + 12 H2O en tant que réaction à haute [0048] Plusieurs réactions peuvent avoir lieu mais la conversion optimale et recherchée des NOx est obtenue grâce à la deuxième réaction à la cinétique la plus rapide mais dont la stœchiométrie impose un ratio NO2/NOx proche de 0,5 surtout à basses températures, par exemple inférieures à 250°C. Or, la combustiondu carburant produit en large excès du monoxyde d’azote par rapport au dioxyde d’azote.
[0049] Il existe deux types de phase active RCS. Le premier type concerne les phases actives à base de zéolithes, β, ferriérite, ZMS5, etc..., échangées au fer ou Fe. Ces phases actives peuvent également contenir des oxydes de Cérium, de Zirconium, ou encore du Nobium, du Tungstène et du Titane.
[0050] Le deuxième type concerne les phases actives à base de zéolithes, chabazite, β, ferrite, ZMS5, etc ..., échangées au cuivre. Ces phases actives peuvent également contenir des oxydes de Cérium, de Zirconium, ou encore du Nobium, du Tungstène et du Titane.
[0051] Les phases actives à base de zéolithes échangées au fer sont connues pour présenter un amorçage à plus basse température que celles à base de zéolithes échangées au cuivre, dès lors que le ratio NO2/NOx est proche de 0,5. Si cette condition est satisfaite, une phase active à base de zéolithes échangées au fer permettra de convertir les NOx dès 150°C. A contrario, les phases actives à base de zéolithes échangées au cuivre sont presque insensibles au ratio NO2/NOx. Ces dernières phases actives présentent néanmoins l’inconvénient de convertir les NOx à une température plus élevée que les phases actives à base de zéolithes échangées au fer.
[0052] Par ailleurs, les phases actives à base de zéolithes échangées au cuivre sont connues pour leur aptitude à stocker plus de NH3 que les phases actives à base de zéolithes échangées au fer.
[0053] Pour le catalyseur RCS, une phase active à base de zéolithes échangées au fer est particulièrement adaptée, et ce pour les raisons exposées ci-dessus. Le système de dépollution en NOx faisant partie de la ligne 6 d’échappement des figures 1 à 3 contient deux briques de dépollution en NOx. Une brique est la troisième brique 1 en partant de l’amont de la ligne 6 d’échappement et contient un catalyseur RCS en tranche et une autre brique contenant le filtre à particules 2 imprégné par une phase active RCS est la quatrième brique.
[0054] La troisième brique 1 fonctionne comme cela a été décrit précédemment tandis que la quatrième brique 2 cumule deux fonctions : une fonction de réduction des NOx par NH3 comme dans le cas du catalyseur RCS et une fonction de filtration des particules. Cette quatrième brique 2 n’est ni plus ni moins qu’un filtre à particules 2 dont on aurait imprégné les parois poreuses d’une phase active RCS.
[0055] Les phases actives utilisées pour des filtres à particules sont identiques à celles d’un catalyseur RCS en tranche. On leur demande néanmoins de présenter une résistance thermique importante afin de résister aux conditions rencontrées lors de la combustion des suies pendant une phase de régénération. Il a été observé une phase active à base de zéolithes échangées au cuivre Cu était particulièrement adaptée pour le filtre à particules 2 imprégné, ceci pour les raisons suivantes.
[0056] Une telle phase active présente une meilleure résistance thermique qu’une phase active à base de zéolithes échangées au fer. Une telle phase active présente une capacité de stockage de NH3 plus élevée qu’une phase active à base de zéolithes échangées au fer.
[0057] De plus, la combustion des suies par NO2 à des températures proches de 350°C tend à réduire le ratio NO2/NOx. Or, les phases actives à base de zéolithes échangées au fer sont plus sensibles à ce ratio NO2/NOx. Les phases actives à base de zéolithes échangées au cuivre paraissent donc plus adaptées.
[0058] Comme évoqué précédemment, une phase active à base de zéolithes échangées au cuivre est plus apte à stocker le NH3 qu’une phase active à base de zéolithes échangées au fer. Un faible volume du catalyseur RCS peut être à l’origine de fuites non négligeables de NH3. Ces dernières seront plus aisément « captées >> dans la quatrième brique filtre à particules 2 imprégné par une phase active à base de zéolithes échangées au cuivre que par une phase active à base de zéolithes échangées au fer.
[0059] Si la fonction de réduction des NOx par NH3 a été décrite précédemment, il convient de rappeler le fonctionnement de la partie filtration de la quatrième brique 2 faisant office de filtre à particules 2 imprégné. Le substrat qui possède des canaux bouchés alternativement en entrée et en sortie et qui offre des caractéristiques précises en termes de porosité permet de laisser passer au travers de ses parois les gaz tout en retenant la phase solide, à savoir les particules de suies.
[0060] En effet, les gaz sortant du catalyseur RCS 1 chargés en particules pénètrent dans ce filtre à particules 2 imprégné par les canaux entrant avant de traverser les parois de ses canaux entrant pour sortir de la quatrième brique par les canaux de sortie, alors bouchés à leur entrée. La porosité des parois est ainsi faite, en étant comprise entre 15 et 25 microns, qu’elle laisse passer les gaz sans générer trop de contre-pression tout en retenant les particules de suies.
[0061] Cette phase d’accumulation qui dure de 300 à 1.000km environ n’est ni dépendante des conditions de fonctionnement du moteur 4, froid, chaud ou pleine charge, etc..., ni dépendante de la taille des particules. Les grosses particules aussi bien que les ultrafines particules sont retenues. Cependant, la contre-pression augmente de manière continue au cours de cette phase pendant laquelle la quatrième brique faisant office de filtre à particules 2 imprégné se remplit de suie et lorsque différents critères physiques sont réunis, comme le taux de chargement en suie du filtre à particules 2 imprégné, la thermique de la ligne 6 d’échappement, etc.., le contrôle moteur 4 lance une phase de régénération. Cette phase consiste globalement en une augmentation de la température de la ligne 6 d’échappement via un réglage spécifique du moteur 4, avec post-injections de carburant et une oxydation des HC en large excès dans le catalyseur d’oxydation 5 avec ou sans piège à NOx générant des exothermes.
[0062] Une fois la température de combustion des suies atteinte dans le filtre à particules imprégné, à savoir entre 550 et 700°C selon le recours ou non à un additif d’aide à la régénération, les particules vont être éliminées et transformées en vapeur d’eau et en CO2. Cette régénération faite, la quatrième brique 2 est nettoyée de ses suies et un nouveau cycle d’accumulation peut démarrer.
[0063] A la figure 1, l’élément de chauffage 8, le catalyseur d’oxydation 5 intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif sont disposés dans la ligne 6 d’échappement au niveau de la turbine donc dans l’espace EsT. La boîte de mélange 3 d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, le catalyseur de réduction catalytique sélective 1, le filtre à particules 2 imprégné d’une phase active de réduction catalytique et le catalyseur de conversion 7 de rejets d’ammoniac sont disposés dans la ligne 6 d’échappement plus en aval de la turbine sous un châssis du véhicule automobile, donc dans l’espace EsC.
[0064] A la figure 2, l’élément de chauffage 8, le catalyseur d’oxydation 5 intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, la boîte de mélange d’agent réducteur avec les gaz d’échappement et le catalyseur de réduction catalytique sélective 1 sont disposés dans la ligne 6 d’échappement au niveau de la turbine, donc dans l’espace EsT. Le filtre à particules 2 imprégné d’une phase active de réduction catalytique et le catalyseur de conversion 7 de rejets d’ammoniac sont disposés dans la ligne 6 d’échappement plus en aval de la turbine, donc dans l’espace EsC.
[0065] A la figure 3, l’élément de chauffage 8, le catalyseur d’oxydation 5 intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, la boîte de mélange 3 d’agent réducteur avec les gaz d’échappement et le catalyseur de réduction catalytique sélective 1 et le filtre à particules 2 imprégné d’une phase active de réduction catalytique sont disposés dans la ligne 6 d’échappement au niveau de la turbine, donc dans l’espace EsT. Tous ces éléments de dépollution 5, 1, 2 deviennent rapidement chauds et le demeurent. Le catalyseur de conversion 7 de rejets d’ammoniac est disposé dans la ligne 6 d’échappement plus en aval de la turbine, donc dans l’espace EsC.
[0001] L’invention concerne donc un véhicule automobile comprenant au moins un moteur 4 thermique comprenant une ligne 6 d’échappement ou un tel ensemble d’un moteur 4 thermique et d’une ligne 6 d’échappement tels que décrit précédemment.
[0006] L’invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui 5 n’ont été donnés qu’à titre d’exemples.
Claims (10)
1. Ligne (6) d’échappement des gaz issus d’une combustion dans un moteur (4) thermique, la ligne (6) d’échappement présentant une extrémité amont destinée à être raccordée à un collecteur d’échappement du moteur (4) thermique et une extrémité aval débouchant à l’air ambiant, la ligne (6) portant au moins un élément de dépollution (5, 1, 2, 7) d’un polluant présent dans les gaz traversant la ligne (6) d’échappement, caractérisée en ce que la ligne (6) intègre un élément de chauffage (8) des gaz, l’élément de chauffage (8) étant disposé, d’une part, en aval de l’extrémité amont et, d’autre part, en amont dudit au moins un élément de dépollution (5, 1, 2, 7) ou intégré dans une portion amont dudit au moins un élément de dépollution (5) la plus proche de l’extrémité amont.
2. Ligne (6) d’échappement selon la revendication 1, dans laquelle l’élément de chauffage (8) est un élément de chauffage électrique.
3. Ligne (6) d’échappement selon la revendication 1 ou 2, laquelle comporte au moins deux éléments de dépollution (5, 1, 2, 7), l’élément de chauffage (8) étant en amont de ou intégré dans l’élément de dépollution (5) le plus en amont desdits au moins deux éléments de dépollution (5, 1,2, 7).
4. Ligne (6) d’échappement selon la revendication précédente, dans laquelle lesdits au moins deux éléments de dépollution (5, 1, 2, 7) sont sélectionnés parmi les éléments suivants : un catalyseur d’oxydation (5) ou un catalyseur trois voies, un piège à oxydes d’azotes actif, un piège à oxydes d’azotes passif, un catalyseur de réduction catalytique sélective (1) disposé en aval d’une boîte de mélange (3) d’un agent réducteur avec les gaz d’échappement, un filtre à particules (2), ces éléments étant présents doublés ou non.
5. Ligne (6) d’échappement selon la revendication précédente, laquelle comprend un catalyseur de conversion (7) de rejets d’ammoniac dans la ligne (6) d’échappement quand au moins un catalyseur de réduction catalytique (1) est logé dans la ligne (6) d’échappement.
6. Ligne (6) d’échappement selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans laquelle un catalyseur de réduction catalytique sélective est intégré dans le filtre à particules (2) sous la forme d’une phase active de réduction catalytique sélective imprégnant des parois internes du filtre à particules (2) et le piège à oxydes d’azotes actif et/ou le piège à oxydes d’azotes passif sont intégrés dans le catalyseur d’oxydation (5).
7. Ligne (6) d’échappement selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, laquelle comprend d’amont en aval un élément de chauffage (8), un catalyseur d’oxydation (5) intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif, une boîte de mélange (3) d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, un catalyseur de réduction catalytique sélective (1), un filtre à particules (2) imprégné d’une phase active de réduction catalytique et un catalyseur de conversion (7) de rejets d’ammoniac.
8. Ensemble d’un moteur (4) thermique et d’une ligne (6) d’échappement, une extrémité amont de la ligne (6) d’échappement étant raccordée à un collecteur d’échappement en sortie du moteur (4) thermique, caractérisé en ce que la ligne (6) d’échappement est selon l’une quelconque des revendications précédentes.
9. Ensemble selon la revendication 8 dont la ligne (6) d’échappement est selon la revendication 7, le moteur (4) thermique étant un moteur (4) turbocompressé, la ligne (6) d’échappement comprenant une turbine, dans lequel l’élément de chauffage (8), le catalyseur d’oxydation (5) intégrant un piège à oxydes d’azotes actif et/ou un piège à oxydes d’azotes passif sont disposés dans la ligne (6) d’échappement au niveau de la turbine, la boîte de mélange (3) d’agent réducteur avec les gaz d’échappement, le catalyseur de réduction catalytique sélective (1), le filtre à particules (2) imprégné d’une phase active de réduction catalytique et le catalyseur de conversion (7) de rejets d’ammoniac étant disposés dans la ligne (6) d’échappement plus en aval de la turbine,
10. Véhicule automobile comprenant au moins un moteur (4) thermique, caractérisé en ce qu’il comprend une ligne (6) d’échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 ou un ensemble d’un moteur (4) thermique et d’une ligne (6) d’échappement selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9.
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