FR3120094A1 - Ligne d’echappement de moteur thermique comprenant des elements de chauffage - Google Patents

Ligne d’echappement de moteur thermique comprenant des elements de chauffage Download PDF

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Abstract

L’invention concerne une ligne (6) d'échappement des gaz issus d'une combustion dans un moteur (4) thermique, , la ligne (6) comprenant, un premier élément de chauffage (8) des gaz et des éléments de dépollution (5, 3, 1, 2, 7) d'un polluant présent dans les gaz traversant la ligne (6) d'échappement répartis en :- un premier ensemble d’élément de dépollution (5, 3, 1, 2, 7) comportant un catalyseur d'oxydation (5), - un deuxième ensemble d’élément de dépollution (3, 1, 2) comportant, , une boîte de mélange (3) d'un agent réducteur avec les gaz d'échappement, un premier catalyseur de réduction catalytique sélective (1) et un filtre à particules (2), où la ligne (6) d’échappement comprend encore un deuxième élément de chauffage (9) des gaz traversant la ligne (6) d'échappement, disposé entre le premier ensemble d’élément de dépollution (5) et le deuxième ensemble d’élément de dépollution (3, 1, 2). Figure 1

Description

LIGNE D’ECHAPPEMENT DE MOTEUR THERMIQUE COMPRENANT DES ELEMENTS DE CHAUFFAGE
La présente invention concerne une ligne d'échappement de moteur thermique.
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 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.
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 anglo-saxonne 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Un premier problème 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.
Pour atteindre cet objectif, il est connu de FR 3081921 une ligne d'échappement des gaz issus d'une combustion dans un moteur thermique intégrant un premier élément de chauffage des gaz disposé en amont de la ligne d’échappement, soit en amont de tout élément de dépollution, ou intégré dans une portion amont de l’élément de dépollution le plus amont. Un tel élément de chauffage, avantageusement électrique, en amont de l'élément de dépollution le plus en amont dans la ligne d'échappement permet de 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.
Un élément de chauffage en amont du ou des éléments de dépollution améliore 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.
Les intérêts techniques de l’ajout d’un premier élément de chauffage 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 ».
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 caractéristique permet de répondre aux exigences des normes actuelles et notamment Euro 6, 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.
Elle procure un gain en consommation de carburant. Une telle caractéristique 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.
Bien que très intéressante, cette caractéristique s’avère insuffisante pour réchauffer assez rapidement une ligne d’échappement, principalement lors d’un démarrage à froid, au regard des exigences de la nouvelle norme Euro 7, plus contraignante.
Aussi, il convient d’améliorer le dispositif de FR 3081921.
Pour cela, l’invention a pour objet 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 comprenant de l’amont à l’aval, un premier élément de chauffage des gaz traversant la ligne d'échappement et des éléments de dépollution d'un polluant présent dans les gaz traversant la ligne d'échappement répartis en :
- un premier ensemble d’élément de dépollution comportant un élément sélectionné parmi les éléments suivants : un catalyseur d'oxydation, un catalyseur trois voies, un piège à oxydes d'azotes actif ou un piège à oxydes d'azotes passif,
- un deuxième ensemble d’élément de dépollution comportant, de l’amont à l’aval, une boîte de mélange d'un agent réducteur avec les gaz d'échappement, suivi, un premier catalyseur de réduction catalytique sélective et un filtre à particules,
la ligne d’échappement comprenant encore un deuxième élément de chauffage des gaz traversant la ligne d'échappement disposé entre le premier ensemble d’élément de dépollution et le deuxième ensemble d’élément de dépollution.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- la ligne d'échappement comprend encore un troisième ensemble d’élément de dépollution comportant un catalyseur de conversion de rejets d'ammoniac dans la ligne d'échappement et un troisième élément de chauffage disposé entre le deuxième ensemble d’élément de dépollution et le troisième ensemble d’élément de dépollution,
- le troisième élément de chauffage comprend encore à son immédiat amont, un deuxième catalyseur de réduction catalytique sélective,
- un élément de chauffage est un élément de chauffage électrique,
- le piège à oxydes d'azotes actif et/ou le piège à oxydes d'azotes passif sont intégrés dans le catalyseur d'oxydation.
Dans un deuxième aspect de l’invention, un ensemble comprenant un moteur thermique et une telle ligne d'échappement, l’extrémité amont de la ligne d'échappement étant raccordée à un collecteur d'échappement en sortie du moteur thermique.
Dans un troisième aspect de l’invention, un véhicule automobile comprenant un plancher de caisse et un tel ensemble, où la ligne d’échappement est séparée entre une partie amont disposée au-dessus du plancher de caisse et une partie avale disposée en dessous du plancher de caisse et en ce que la séparation est située entre le deuxième élément chauffant et le deuxième ensemble.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- la séparation est située entre le deuxième ensemble et le troisième élément chauffant,
- le premier catalyseur de réduction catalytique sélective est séparé en une première partie de catalyseur de réduction catalytique sélective et une deuxième partie de catalyseur de réduction catalytique sélective et en ce que la séparation est située entre la première partie et la deuxième partie.
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 :
montre un synoptique d’une première architecture de ligne d’échappement, comprenant deux éléments de chauffage, et séparée à l’immédiat aval du deuxième élément de chauffage,
montre un synoptique d’une autre architecture de ligne d’échappement, comprenant deux éléments de chauffage, et séparée au travers du premier catalyseur de réduction catalytique sélective,
montre un synoptique d’une autre architecture de ligne d’échappement, comprenant deux éléments de chauffage, et séparée à l’immédiat amont du catalyseur de conversion,
montre un synoptique d’une architecture de ligne d’échappement, variante de celle de la , comprenant encore un troisième élément de chauffage,
montre un synoptique d’une architecture de ligne d’échappement, variante de celle de la , comprenant encore un troisième élément de chauffage,
montre un synoptique d’une architecture de ligne d’échappement, variante de celle de la , comprenant encore un troisième élément de chauffage.
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.
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.
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.
En se référant aux figures 1 à 6 qui montrent six 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, à gauche des figures, et une extrémité aval débouchant à l'air ambiant, à droite des figures. Le moteur 4 thermique peut être incorporé dans un véhicule automobile mais ceci n'est pas limitatif.
La ligne 6 d'échappement des gaz issus d'une combustion comprend de l’amont à l’aval, un premier élément de chauffage 8 des gaz traversant la ligne 6 d'échappement, situé tout à l’amont de la ligne 6 d’échappement et des éléments de dépollution 5, 3, 1, 2, 11, 7 d'un polluant présent dans les gaz traversant la ligne 6 d'échappement. Ces éléments de dépollution sont, pour les besoins de la description, répartis en trois ensembles.
Un premier ensemble d’élément de dépollution 5 comporte typiquement un unique élément. Cet élément est sélectionné parmi les éléments suivants : un catalyseur d'oxydation 5, encore désigné DOC (de l’anglais « Diesel Oxydation Catalyst »), un catalyseur trois voies, encore désigné TWC (de l’anglais Two Ways Catalyst), un piège à oxydes d'azotes actif, encore désigné LNT (de l’anglais « Lean NOx Trap » ) ou un piège à oxydes d'azotes passif, encore désigné PNA ( de l’anglais « Passive NOx Absorber »).
Un DOC vaut principalement pour un moteur 4 thermique par allumage par compression. Pour un moteur 4 thermique à allumage commandé, il peut être prévu un catalyseur trois voies TWC 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 anglo-saxon GPF pour filtre à particules essence, un système RCS n'étant pas habituellement présent sur une telle motorisation à allumage commandé.
Un deuxième ensemble d’élément de dépollution 3, 1, 2 comporte typiquement, de l’amont à l’aval, une boîte de mélange 3 d'un agent réducteur avec les gaz d'échappement, un premier catalyseur de réduction catalytique sélective 1 et un filtre à particules 2.
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.
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®.
Un système RCS présente typiquement un réservoir contenant une quantité d'agent réducteur liquide, une pompe pour l'alimentation en agent réducteur 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.
Un troisième ensemble d’élément de dépollution 7 comporte typiquement un catalyseur de conversion 7 de rejets d'ammoniac dans la ligne 6 d'échappement. Un catalyseur de conversion 7 de rejets d’ammoniac, encore dénommé ASC (de l’anglais « Ammonia Slip Catalyst »), a pour fonction de neutraliser l’ammoniac NH3 provenant principalement d’un excès d’urée injecté par la boîte de mélange 3 et non totalement utilisé par les catalyseurs de réduction catalytique sélective 1, 11.
Le premier élément de chauffage 8 des gaz traversant la ligne 6 d'échappement, en ce qu’il est disposé à l’amont de la ligne 6 d’échappement permet avantageusement de chauffer les gaz et via ces gaz, de chauffer tous les éléments de dépollution 5, 3, 2, 1, 11, 7 situés à l’aval. Ceci permet à ces éléments de dépollution de se réchauffer plus rapidement et ainsi d’atteindre plus rapidement leur plage de fonctionnement et ainsi de commencer à dépolluer plus tôt, particulièrement en cas de démarrage à froid.
Cependant, il est apparu, au vu des exigences plus drastiques de la norme Euro 7 que ce chauffage n’est pas suffisant ou pas suffisamment rapide pour chauffer certains des éléments de dépollution 5, 3, 1, 2, 11, 7, et ce d’autant plus que ces éléments de dépollution sont éloignés du premier élément de chauffage 8.
Ceci est tout particulièrement le cas de la boîte de mélange 3. En effet, si la température dans la boîte de mélange 3 est inférieure à une certaine valeur seuil, la solution aqueuse d’urée pulvérisée dans ladite boîte de mélange 3, au lieu de se mélanger au gaz d’échappement, provoque un encrassement préjudiciable. Aussi, il convient de chauffer la boîte de mélange 3 pour qu’elle dépasse rapidement ce seuil d’encrassement et puisse pulvériser au plus tôt la solution d’urée afin de permettre l’amorçage du ou des catalyseurs de réduction catalytique sélective 1, 11, présents à l’aval. Ceci contribue à améliorer la dépollution des NOx principalement pendant la phase de montée en température initiale du moteur 4, immédiatement après le démarrage moteur.
Aussi, selon une caractéristique, la ligne 6 d’échappement comprend encore un deuxième élément de chauffage 9 des gaz traversant la ligne 6 d'échappement. Ce deuxième élément de chauffage 9 est avantageusement disposé à l’immédiat amont de la boîte de mélange 3, soit entre le premier ensemble d’élément de dépollution 5 et le deuxième ensemble d’élément de dépollution 3, 1, 2. Ceci est illustré aux figures 1-6.
De manière optionnelle, un autre élément qui bénéficie encore, particulièrement pour des cas d’usage ou des applications particulièrement froids, d’un chauffage rapide, est le catalyseur de conversion 7 de rejets d'ammoniac. Cet élément de dépollution est typiquement situé à l’aval de la ligne 6 d'échappement, et au moins à l’aval des catalyseurs de réduction catalytique sélective 1, 11, afin de traiter l’ammoniac éventuellement en excès. Ce catalyseur de conversion 7 ne s’active qu’à partir d’une température seuil. Aussi, plus vite cette température est atteinte, plus vite le catalyseur de conversion 7 devient opérationnel.
Aussi, selon une autre caractéristique, la ligne 6 d’échappement comprend avantageusement un troisième élément de chauffage 10. Ce troisième élément de chauffage 10 est disposé à l’immédiat amont du catalyseur de conversion 7, soit entre le deuxième ensemble d’élément de dépollution 3, 1, 2 et le troisième ensemble d’élément de dépollution 7. Cette caractéristique est plus particulièrement illustrée aux figures 4-6. La illustre une architecture similaire à celle de la , complétée par un troisième élément de chauffage 10. La illustre une architecture similaire à celle de la , complétée par un troisième élément de chauffage 10. La illustre une architecture similaire à celle de la , complétée par un troisième élément de chauffage 10.
Selon une autre caractéristique, l’ajout d’un tel troisième élément de chauffage 10, est avantageusement accompagnée de l’ajout, à son immédiat amont, d’un deuxième catalyseur de réduction catalytique sélective 11. Cette caractéristique est plus particulièrement illustrée aux figures 4-6.
Selon une autre caractéristique un élément de chauffage 8-10 est avantageusement un élément de chauffage électrique. Ceci 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. Ce chauffage peut encore être mise en œuvre avant même la mise en route du moteur 4, pour avantageusement réaliser un préchauffage.
Pour dépolluer les oxydes d'azote, il est possible d’utiliser, comme dans le premier ensemble, 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.
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.
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 HO 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.
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.
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 HO. Un piège à NOx à absorption présente un faible encombrement et une masse réduite ainsi qu'un moindre coût.
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.
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.
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.
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 sélective 1, 11 est logé dans la ligne 6 d'échappement. En effet il peut y avoir un surplus de NH3 non utilisé lors de la catalyse qu'il convient de traiter afin que du NH3 ne soit pas rejeté dans l'atmosphère en sortie de la ligne 6 d'échappement.
Un catalyseur de réduction catalytique sélective RCS, associé ou non avec un autre catalyseur RCS sous forme de tranche, 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.
Selon une autre caractéristique, le piège à oxydes d'azotes actif et/ou le piège à oxydes d'azotes passif peut être intégrés dans le catalyseur d'oxydation 5 du premier ensemble ou un catalyseur trois voies selon la motorisation à allumage par compression ou à allumage commandé.
Il peut y avoir un élément de mesure des NOx telle qu'une sonde à oxygène ou équivalent technique en sortie du moteur 4, ceci en amont ou en aval du premier 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.
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.
Enfin, il est possible de mettre en œuvre une configuration plus coûteuse encore avec un troisième capteur NOx positionné en aval du catalyseur de conversion 7 pour bien vérifier, en fin de ligne 6 d’échappement, que tous les rejets de NH3 ont été traités.
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.
Quand le moteur 4 thermique est un moteur turbocompressé et est présent dans un véhicule automobile, la ligne 6 d'échappement comprend alors une turbine. Cette turbine peut conditionner plusieurs modes de réalisation. Dans six modes de réalisation, illustrés respectivement par les figures 1-6, EsT désigne un espace associé à la turbine et EsC un espace sous châssis bien en aval de la turbine.
L’invention concerne encore un véhicule automobile comprenant un moteur 4 thermique, une ligne 6 d’échappement telle que précédemment décrite et un châssis. La ligne 6 d’échappement se sépare en une partie amont disposée au-dessus du châssis Est et une partie avale disposée en dessous du châssis EsC.
Plusieurs architectures de ligne 6 d’échappement se déclinent en fonction de la disposition de la séparation.
Selon une première caractéristique, illustrée aux figures 1 et 4, la séparation est située entre le deuxième élément chauffant 9 et le deuxième ensemble 3, 1, 2.
Selon une autre caractéristique, illustrée aux figures 2 et 5, la séparation est située entre le deuxième ensemble 3, 1, 2 et le troisième élément chauffant 10.
Selon une autre caractéristique, illustrée aux figures 3 et 6, la séparation passe au travers du premier catalyseur de réduction catalytique sélective 1. Pour cela, le catalyseur de réduction catalytique sélective 1 est parti en une première partie 1a disposée au-dessus du châssis et une deuxième partie 1b disposée en dessous du châssis.
Les polluants à savoir le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures imbrûlés HO, 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.
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 HO sont oxydés en eau H20 et en dioxyde de carbone CO2 comme cela sera décrit ultérieurement.
Sortent de cette première brique du catalyseur d'oxydation 5, les produits de l'oxydation du CO et des HO à savoir H20 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.
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 ou non 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.
L'excès de NH3 provenant de l'encrassement de la ligne 6 d’échappement 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.
Ainsi, la première brique est le catalyseur d'oxydation 5 pour oxyder le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HO. 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 H20 pour la réaction d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés.
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 traitent les oxydes d'azote.
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 :
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)2C0 NH3 + HNCO puis l'hydrolyse de l'acide isocyanique selon la réaction chimique suivante : HNCO + H20 NH3 + CO2
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°C d'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.
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.
L'architecture de la ligne 6 d'échappement 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.
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 : 4 NO + 02 + 4 NH3 4 N2 6 H2O en tant que réaction standard, NO + NO2 + 2 NH3 2 N2 + 3 H20 en tant que réaction à cinétique rapide, 6 NO2 + 8 NH3 7 N2 + 12 H20 en tant que réaction à haute température.
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 basse température, par exemple inférieure à 250°C. Or, la combustion du carburant produit en large excès du monoxyde d'azote par rapport au dioxyde d'azote.
II 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 Niobium, du Tungstène et du Titane.
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 Niobium, du Tungstène et du Titane.
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/N0x. 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.
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.
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 contient deux briques de dépollution en NOx. Une brique est la brique 1 de la ligne 6 d'échappement et contient un catalyseur RCS en tranche et une autre brique est le filtre à particules 2 imprégné par une phase active RCS.
La brique 1 fonctionne comme cela a été décrit précédemment tandis que la 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 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.
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.
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.
De plus, la combustion des suies par NO2 à des températures proches de 350°C tend à réduire le ratio NO2/N0x. Or, les phases actives à base de zéolithes échangées au fer sont plus sensibles à ce ratio NO2/N0x. Les phases actives à base de zéolithes échangées au cuivre paraissent donc plus adaptées.
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 le 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.
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 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.
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 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.
Cette phase d'accumulation qui dure de 300 à 1.000 km 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 particules ultrafines sont retenues. Cependant, la contre-pression augmente de manière continue au cours de cette phase pendant laquelle la 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 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-injection 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.
Une fois la température de combustion des suies atteinte dans le filtre à particules 2 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 brique 2 est nettoyée de ses suies et un nouveau cycle d'accumulation peut démarrer.
L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.
1 : premier catalyseur de réduction catalytique sélective,
2 : filtre à particule,
3 : boîte de mélange,
4 : moteur,
5 : catalyseur d’oxydation,
6 : ligne d’échappement,
7 : catalyseur de conversion de rejets d'ammoniac,
8 : premier élément chauffant,
9 : deuxième élément chauffant,
10 : troisième élément chauffant,
11 : deuxième catalyseur de réduction catalytique sélective.

Claims (9)

  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) comprenant de l’amont à l’aval, un premier élément de chauffage (8) des gaz traversant la ligne (6) d'échappement et des éléments de dépollution (5, 3, 1, 2, 11, 7) d'un polluant présent dans les gaz traversant la ligne (6) d'échappement répartis en :
    - un premier ensemble d’élément de dépollution (5, 3, 1, 2, 11, 7) comportant un élément sélectionné parmi les éléments suivants : un catalyseur d'oxydation (5), un catalyseur trois voies, un piège à oxydes d'azotes actif ou un piège à oxydes d'azotes passif,
    - un deuxième ensemble d’élément de dépollution (3, 1, 2) comportant, de l’amont à l’aval, une boîte de mélange (3) d'un agent réducteur avec les gaz d'échappement, un premier catalyseur de réduction catalytique sélective (1) et un filtre à particules (2), caractérisée en ce qu ’ e lle comprend encore un deuxième élément de chauffage (9) des gaz traversant la ligne (6) d'échappement, disposé entre le premier ensemble d’élément de dépollution (5) et le deuxième ensemble d’élément de dépollution (3, 1, 2).
  2. Ligne (6) d'échappement selon la revendication 1, comprenant encore un troisième ensemble d’élément de dépollution (7) comportant un catalyseur de conversion (7) de rejets d'ammoniac dans la ligne (6) d'échappement et un troisième élément de chauffage (10) disposé entre le deuxième ensemble d’élément de dépollution (3, 1, 2) et le troisième ensemble d’élément de dépollution (7).
  3. Ligne (6) d'échappement selon la revendication 2, où le troisième élément de chauffage (10) comprend encore à son immédiat amont, un deuxième catalyseur de réduction catalytique sélective (11).
  4. Ligne (6) d'échappement selon l’une quelconque des revendications 2 à 3, où un élément de chauffage (8, 9, 10) est un élément de chauffage électrique.
  5. Ligne (6) d'échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, où le piège à oxydes d'azotes actif et/ou le piège à oxydes d'azotes passif sont intégrés dans le catalyseur d'oxydation (5).
  6. Ensemble comprenant un moteur (4) thermique et une ligne (6) d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, l’extrémité amont de la ligne (6) d'échappement étant raccordée à un collecteur d'échappement en sortie du moteur (4) thermique.
  7. Véhicule automobile comprenant un châssis et un ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce qu e la ligne (6) d’échappement est séparée entre une partie amont disposée au-dessus du châssis et une partie avale disposée en dessous du châssis et en ce que la séparation est située entre le deuxième élément chauffant (9) et le deuxième ensemble (3, 1, 2).
  8. Véhicule automobile selon la revendication 7, où la séparation est située entre le deuxième ensemble (3, 1, 2) et le troisième élément chauffant (10).
  9. Véhicule automobile selon la revendication 7, où le premier catalyseur de réduction catalytique sélective (1) est séparé en une première partie (1a) de catalyseur de réduction catalytique sélective et une deuxième partie (1b) de catalyseur de réduction catalytique sélective et en ce que la séparation est située entre la première partie (1a) et la deuxième partie (1b).
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012080608A1 (fr) 2010-12-14 2012-06-21 Peugeot Citroen Automobiles Sa Ligne d'echappement pour vehicule automobile et methode d'epuration de gaz d'echappement produits par un moteur thermique equipant ce vehicule
DE102015200023A1 (de) * 2014-01-13 2015-07-16 Ford Global Technologies, Llc Verwendung einer stromaufwärts eines Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten elektrischen Heizvorrichtung
FR3021695A1 (fr) 2014-05-27 2015-12-04 Peugeot Citroen Automobiles Sa Dispositif de post-traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion
DE102018101929A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors
US20190368402A1 (en) * 2018-05-31 2019-12-05 GM Global Technology Operations LLC Aftertreatment architecture for internal combustion engine
FR3081921A1 (fr) 2018-05-29 2019-12-06 Psa Automobiles Sa Ligne d’echappement de moteur thermique comprenant un element de chauffage amont

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012080608A1 (fr) 2010-12-14 2012-06-21 Peugeot Citroen Automobiles Sa Ligne d'echappement pour vehicule automobile et methode d'epuration de gaz d'echappement produits par un moteur thermique equipant ce vehicule
DE102015200023A1 (de) * 2014-01-13 2015-07-16 Ford Global Technologies, Llc Verwendung einer stromaufwärts eines Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten elektrischen Heizvorrichtung
FR3021695A1 (fr) 2014-05-27 2015-12-04 Peugeot Citroen Automobiles Sa Dispositif de post-traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion
DE102018101929A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors
FR3081921A1 (fr) 2018-05-29 2019-12-06 Psa Automobiles Sa Ligne d’echappement de moteur thermique comprenant un element de chauffage amont
US20190368402A1 (en) * 2018-05-31 2019-12-05 GM Global Technology Operations LLC Aftertreatment architecture for internal combustion engine

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