FR3102797A1 - Ligne d’echappement pour moteur diesel avec filtre a particules non catalytique - Google Patents

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Abstract

L’invention a trait à une ligne d’échappement (8) pour moteur à combustion (4) à carburant diesel de véhicule automobile (2), comprenant, d’amont en aval, un système d’injection d’urée (14) ; un catalyseur de réduction sélective des NOx (16, 18) et un filtre à particules (20) libre de phase catalytique et apte à se régénérer par ajout d’un additif dans le carburant diesel abaissant la température de combustion de suies. Figure 1

Description

LIGNE D’ECHAPPEMENT POUR MOTEUR DIESEL AVEC FILTRE A PARTICULES NON CATALYTIQUE
L’invention a trait au domaine des moteurs à combustion et plus particulièrement au domaine de la dépollution des gaz d’échappement des moteurs à combustion, en particulier des moteurs à carburant diesel.
Il est connu que les moteurs à combustion à allumage par compression, fonctionnant avec du carburant diesel (gasoil), émettent des particules fines et des NOx(oxydes d’azote), plus particulièrement depuis le développement massif de l’injection directe. Les particules fines posent des problèmes aux voies respiratoires, plus particulièrement lorsque leur taille est faible, et similairement les NOxpénètrent facilement les bronchioles, affectent la respiration et provoquent une hyperréactivité des bronches chez les asthmatiques, ainsi qu'une vulnérabilité accrue des bronches aux microbes. Des techniques telles que les catalyseurs et filtres à particules sont connues pour diminuer la concentration en ces polluants dans les gaz d’échappement.
Le document de brevet publié EP 134 624 B1 divulgue, à la figure 3 de ce document, une ligne d’échappement pour moteurs à combustion à carburant diesel, comprenant deux catalyseurs de réduction sélective des NOx, disposés en série et précédés chacun d’un système d’injection d’urée. Un filtre à particules, pourvu d’une phase catalytique est disposé entre les deux catalyseurs de réduction sélective des NOx, plus précisément en aval du premier catalyseur de réduction sélective des NOxet en amont du système d’injection d’urée précédant le deuxième catalyseur de réduction sélective des NOx. La phase catalytique présente sur le filtre à particules est configurée pour favoriser l’oxydation des suies s’accumulant sur le filtre et, partant, favoriser la régénération du filtre à des températures inférieures à 500°C. Une telle configuration est intéressante en ce qu’elle permet une régénération du filtre à particules à des températures plus basses que la température minimale naturelle d’oxydation des suies, de l’ordre de 500°C. Cependant le dépôt d’une phase catalytique, notamment à base de métaux précieux comme le platine, requiert une plus grande porosité du filtre, ce qui réduit la qualité de filtration, et augmente de manière substantielle le coût de fabrication du filtre.
L’invention a pour objet de pallier au moins un inconvénient de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objet de proposer une solution de dépollution des gaz d’échappement d’un moteur à combustion diesel qui soit performante et économique.
L’invention a pour objet une ligne d’échappement pour moteur à combustion à carburant diesel de véhicule automobile, comprenant, d’amont en aval : un système d’injection d’urée ; un catalyseur de réduction sélective des NOx  ; un filtre à particules ; remarquable en ce que le filtre à particules est libre de phase catalytique et apte à se régénérer par ajout d’un additif dans le carburant diesel abaissant la température de combustion de suies.
L’additif est avantageusement de la cérine.
Selon un mode avantageux de l’invention, la ligne d’échappement comprend, en aval du filtre à particules, un catalyseur de traitement de NH3produit par l’injection d’urée.
Selon un mode avantageux de l’invention, la ligne d’échappement est libre de catalyseur de réduction sélective en aval du filtre à particules.
Selon un mode avantageux de l’invention, la ligne d’échappement comprend, en amont du système d’injection d’urée un catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC avec une fonction de stockage des NOx.
Selon un mode avantageux de l’invention, la ligne d’échappement comprend un dispositif de chauffage des gaz d’échappement, en amont du système d’injection d’urée.
Selon un mode avantageux de l’invention, le dispositif de chauffage des gaz d’échappement est en amont du catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC.
L’invention a également pour objet un véhicule automobile avec moteur à combustion à carburant diesel et avec un turbocompresseur, comprenant une ligne d’échappement, caractérisé en ce que la ligne d’échappement est selon l’invention et le véhicule comprend un dispositif d’ajout automatique de l’additif dans le carburant diesel.
Selon un mode avantageux de l’invention, le système d’injection d’urée, le catalyseur de réduction sélective des NOx, le filtre à particules et, le cas échéant, le catalyseur de traitement de NH3, sont disposés sous la caisse dudit véhicule, alors que, le cas échéant, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC et le dispositif de chauffage sont disposés directement en aval de la turbine du turbocompresseur, adjacents au moteur à combustion.
Selon un mode avantageux de l’invention, le filtre à particules et, le cas échéant, le catalyseur de traitement de NH3, sont disposés sous la caisse dudit véhicule, alors qu’au moins une partie du catalyseur de réduction sélective des NOx, le système d’injection d’urée et, le cas échéant, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC et le dispositif de chauffage sont disposés directement en aval de la turbine du turbocompresseur, adjacents au moteur à combustion.
Selon un mode avantageux de l’invention, le système d’injection d’urée, le catalyseur de réduction sélective des NOx, le filtre à particules et, le cas échéant, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC et le dispositif de chauffage sont disposés directement en aval de la turbine du turbocompresseur, adjacents au moteur à combustion, alors que, le cas échéant, le catalyseur de traitement de NH3est disposé sous la caisse du véhicule.
Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent d’atteindre un niveau élevé de dépollution des gaz d’échappement, notamment en ce qui concerne la filtration de particules, et ce dans diverses conditions de fonctionnement du véhicule, notamment lors de courts trajets où les températures dans la ligne d’échappement manquent d’atteindre 500°C ou plus.
est une représentation schématique d’un véhicule équipé d’une ligne d’échappement selon l’invention, selon un premier agencement sur le véhicule;
est une représentation schématique d’un véhicule équipé d’une ligne d’échappement conforme à la figure 1, selon un deuxième agencement sur le véhicule ;
est une représentation schématique d’un véhicule équipé d’une ligne d’échappement conforme aux figures 1 et 2, selon un troisième agencement sur le véhicule.
Description détaillée
La figure 1 illustre une ligne d’échappement conforme à l’invention et selon un premier agencement sur un véhicule.
Le véhicule 2 comprend dans un compartiment avant, couramment appelé compartiment moteur, un moteur à combustion 4 à carburant du type diesel ou gasoil, dont l’allumage est par compression. Un turbocompresseur 6 est raccordé à un collecteur d’échappement (non représenté) du moteur à combustion 4. Le turbocompresseur 6 comprend classiquement une turbine alimentée avec les gaz d’échappement du moteur à combustion 4, et un compresseur d’air d’admission du moteur à combustion, directement couplé à la turbine. Une ligne d’échappement 8 est connecté la sortie de la turbine du turbocompresseur 6.
La ligne d’échappement 8 comprend, d’amont en aval, un dispositif de chauffage 10, un catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12, un système d’injection d’urée 14, un premier catalyseur de réduction sélective des NOx16, un deuxième catalyseur de réduction sélective des NOx18, un filtre à particules sans phase catalytique 20 et un catalyseur de traitement de NH3produit par l’injection d’urée 22. Ces différents composants sont chacun connus en soi de l’homme de métier, l’originalité résidant dans leur agencement et leur fonctionnalité.
Le dispositif de chauffage 10 est configuré pour réchauffer les gaz d’échappement notamment lors de démarrage à froid. La source de chauffage est avantageusement une ou plusieurs résistances électriques.
Le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12 est couramment désigné par l’acronyme anglo-saxon DOC signifiant « Diesel Oxidation Catalyst », c’est-à-dire catalyseur d’oxydation diesel. Il s’agit d’un catalyseur dit deux voies configuré pour convertir le CO en CO2et les HC en H2O. Il peut par ailleurs comprendre une fonction supplémentaire de stockage des NOxà basse température, couramment désignée par l’acronyme anglo-saxon PNA signifiant « Passive NOxAdsorber », c’est-à-dire adsorbeur passif de NOx. Il peut aussi comprendre une fonction de stockage et d’élimination des NOxcouramment désignée par l’acronyme anglo-saxon LNT signifiant « Lean NOxTrap », c’est-à-dire piège à NOxmaigre. Ce catalyseur est à deux couches. La couche inférieure adsorbe, dans un premier temps, les NOxprésents dans les gaz d'échappement. Le moteur passe ensuite en mélange riche afin que les hydrocarbures se transforment en dihydrogène H2et qu'une réaction chimique produise de l'ammoniac. Ce dernier est stocké dans la couche supérieure. Lorsque le moteur retourne en mode pauvre, la réaction entre l’ammoniac NH3et les NOxdes gaz d'échappement produit du diazote N2.
Le système d’injection d’urée 14 est configuré pour injecter de l’urée, avantageusement diluée avec de l’eau, disponible commercialement sous le nom AdBlue® et aussi désignée AUS 32 (acronyme anglais de « Aqueous Urea Solution »), dans les gaz d’échappement. Après injection dans les gaz d’échappement, l'urée CO(NH2)2se décompose en ammoniac NH3et en acide isocyanique HNCO. Ce dernier s’hydrolyse en dioxyde de carbone CO2et en ammoniac NH3. L'ammoniac libéré réagit avec les oxydes d'azote, suivant plusieurs réactions possibles en fonction des molécules présentes dans les gaz d'échappement ; du diazote N2et de l'eau H2O sont formés.
Les premier et deuxième catalyseurs de réduction sélective des NOx16 et 18 favorisent la réaction de l’ammoniac avec les oxydes d'azote évoqué ci-avant.
Le filtre à particules sans phase catalytique 20 filtre et accumules les suies. Il est régénéré par l’ajout d’un additif dans le carburant diesel abaissant la température de combustion de suies. La température de combustion naturelle des suies est en effet supérieure ou égale à 500°C environ. Or une telle température n’est pas nécessairement atteinte, en particulier lorsque le véhicule est utilisé sur de courts trajets. L’additif ajouté dans le carburant peut être de la cérine, à savoir un mélange de ferrocène et de dioxyde de cérium. L’additif se retrouve alors au cœur des suies au contact direct du carbone, ce qui favorise la baisse de température de combustion et, partant, la régénération du filtre à particules même lors de courts trajets où la température dans le filtre à particules ne peut atteindre 500°C ou plus. Cette solution est particulièrement intéressante car elle permet de prévoir un filtre à particules avec une plus faible porosité. En effet, l’ajout d’une phase catalytique sur un filtre à particules requiert une porosité plus grande, conduisant alors à une moins bonne filtration des particules.
Le réservoir de carburant 24 est connecté de manière fluidique à un réservoir d’additif 26, de plus petite taille, via un système de dosage 28. Ce dernier est contrôlé par une unité de contrôle (non représentée) notamment reliée à une jauge de niveau du réservoir de carburant 24. Il est à noter qu’un tel système d’ajout automatique d’additif au carburant est connu en soi de l’homme de métier, notamment dans la demande de brevet publiée FR 2 667 203 A1.
Le catalyseur de traitement de NH322 permet de transformer l'ammoniac en excès par oxydation en diazote N2et en eau H2O.
L’agencement de la ligne d’échappement 8 qui vient d’être décrite est particulièrement performant en ce qu’il permet d’atteindre une dépollution importante des gaz d’échappement. En particulier, les NOxsont transformés à basse température grâce au dispositif de chauffage 10 et au catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12 notamment lorsqu’il comprend les fonctions supplémentaires PNA et LNT. A haute température, les NOxsont transformés grâce au système d’injection d’urée 14 et aux premier et deuxième catalyseurs de réduction sélective des NOx16 et 18. Les suies, quant à elles, sont filtrées par le filtre à particules sans phase catalytique 20, avec un meilleur taux de filtration grâce à une plus faible porosité du filtre en question.
Dans l’agencement de la ligne d’échappement 8 suivant la figure 1, le dispositif de chauffage 10 et le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12 sont disposés directement sous le turbocompresseur 6, c’est-à-dire dans le compartiment moteur, alors que le reste, c’est-à-dire le système d’injection d’urée 14, le premier catalyseur de réduction sélective des NOx16, le deuxième catalyseur de réduction sélective des NOx18, le filtre à particules sans phase catalytique 20 et le catalyseur de traitement de NH322 sont disposés sous la caisse 30 du véhicule 2.
La figure 2 montre un deuxième agencement de la ligne d’échappement 8 de la figure 1, où non seulement le dispositif de chauffage 10 et le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12 mais également le système d’injection d’urée 14, le premier catalyseur de réduction sélective des NOx16 sont disposés directement sous le turbocompresseur 6, c’est-à-dire dans le compartiment moteur, le reste, à savoir le deuxième catalyseur de réduction sélective des NOx18, le filtre à particules sans phase catalytique 20 et le catalyseur de traitement de NH322 sont disposés sous la caisse 30 du véhicule 102. Les méandres formés par le dispositif de chauffage 10, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12, le système d’injection d’urée 14 et le premier catalyseur de réduction sélective des NOx16 sont exemplatifs, étant entendu que d’autres dispositions sont possibles, notamment une disposition où ces quatre composants sont alignés.
La figure 3 montre un troisième agencement de la ligne d’échappement 8 des figures 1 et 2. Dans cet agencement, seul le catalyseur de traitement de NH322 est disposé sous la caisse 30 du véhicule 202, tous les autres composants en amont de la ligne d’échappement étant disposés sous le turbocompresseur 6, c’est-à-dire dans le compartiment moteur. Les méandres formés par le dispositif de chauffage 10, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC 12, le système d’injection d’urée 14, les premier et deuxième catalyseurs de réduction sélective des NOx16 et 18, et le filtre à particules sans phase catalytique 20 sont exemplatifs, étant entendu que d’autres dispositions sont possibles.
Dans la description détaillée de l’invention qui vient d’être faite, chacun des composants de la ligne d’échappement est représenté par une enveloppe spécifique raccordée par une portion de tuyau au(x) composant(s) adjacent(s) pour des raisons de simplicité et de clarté d’exposé. Il est entendu que certains de ces composants peuvent être regroupés dans une enveloppe commune.

Claims (10)

  1. Ligne d’échappement (8) pour moteur à combustion (4) à carburant diesel de véhicule automobile (2 ; 102 ; 202), comprenant, d’amont en aval :
    - un système d’injection d’urée (14) ;
    - un catalyseur de réduction sélective des NOx(16, 18) ;
    - un filtre à particules (20) ;
    caractérisée en ce que
    le filtre à particules (20) est libre de phase catalytique et apte à se régénérer par ajout d’un additif dans le carburant diesel abaissant la température de combustion de suies.
  2. Ligne d’échappement (8) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite ligne comprend, en aval du filtre à particules (20), un catalyseur de traitement de NH3produit par l’injection d’urée (22).
  3. Ligne d’échappement (8) selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite ligne est libre de catalyseur de réduction sélective en aval du filtre à particules (20).
  4. Ligne d’échappement (8) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite ligne comprend, en amont du système d’injection d’urée (14) un catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC (12) avec une fonction de stockage des NOx.
  5. Ligne d’échappement (8) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite ligne comprend un dispositif de chauffage des gaz d’échappement (10), en amont du système d’injection d’urée (14).
  6. Ligne d’échappement (8) selon les revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le dispositif de chauffage des gaz d’échappement (10) est en amont du catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC (12).
  7. Véhicule automobile (2 ; 102 ; 202) avec moteur à combustion (4) à carburant diesel et avec un turbocompresseur (6), comprenant une ligne d’échappement (8), caractérisé en ce que la ligne d’échappement (8) est selon l’une des revendications 1 à 6 et le véhicule (2 ; 102 ; 202) comprend un dispositif d’ajout automatique de l’additif dans le carburant diesel (26, 28).
  8. Véhicule automobile (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système d’injection d’urée (14), le catalyseur de réduction sélective des NOx(16, 18), le filtre à particules (20) et, le cas échéant, le catalyseur de traitement de NH3(22), sont disposés sous la caisse (30) dudit véhicule, alors que, le cas échéant, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC (12) et le dispositif de chauffage (10) sont disposés directement en aval de la turbine du turbocompresseur (6), adjacents au moteur à combustion (4).
  9. Véhicule automobile (102) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le filtre à particules (20) et, le cas échéant, le catalyseur de traitement de NH3(22), sont disposés sous la caisse (30) dudit véhicule, alors qu’au moins une partie (16) du catalyseur de réduction sélective des NOx(16, 18), le système d’injection d’urée (14) et, le cas échéant, le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC (12) et le dispositif de chauffage (10) sont disposés directement en aval de la turbine du turbocompresseur (6), adjacents au moteur à combustion (4).
  10. Véhicule automobile (202) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système d’injection d’urée (14), le catalyseur de réduction sélective des NOx(16, 18), le filtre à particules (20) et, le cas échéant le catalyseur d’oxydation de CO et/ou HC (12) et le dispositif de chauffage (10) sont disposés directement en aval de la turbine du turbocompresseur (6), adjacents au moteur à combustion (4), alors que, le cas échéant, le catalyseur de traitement de NH3(22) est disposé sous la caisse (30) du véhicule.
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