WO2011095734A1 - Ligne d'echappement pour un moteur a combustion interne - Google Patents

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WO2011095734A1
WO2011095734A1 PCT/FR2011/050192 FR2011050192W WO2011095734A1 WO 2011095734 A1 WO2011095734 A1 WO 2011095734A1 FR 2011050192 W FR2011050192 W FR 2011050192W WO 2011095734 A1 WO2011095734 A1 WO 2011095734A1
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exhaust line
ceramic foam
exhaust
catalyst
internal combustion
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PCT/FR2011/050192
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Grégory BLOKKEEL
Gilbert Blanchard
Ludovic Thobois
Sylvie Honnet
Karine Pajot
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Peugeot Citroën Automobiles SA
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to the field of exhaust devices of an internal combustion engine and more particularly to the depollution by catalytic system.
  • nitrogen oxides mainly NO monoxide and nitrogen dioxide N0 2 , designated together under the abbreviation NO x . It should be noted that the production of nitrogen oxides is greater for diesel engines than for gasoline engines because of their higher combustion temperature.
  • a solution currently used is to place on the exhaust system of the vehicle an NO x treatment system, called SCR system (Selective Catalytic Reduction), having as a function of chemically reducing nitrogen oxides to di-nitrogen molecules and water vapor by means of a reducing agent.
  • SCR system Selective Catalytic Reduction
  • the reducing agent is introduced into the exhaust line upstream of a specific catalyst SCR in which the reduction reaction occurs.
  • the other route explored is SCR with ammonia, NH 3 gas.
  • the NH 3 is injected as a gas directly into the exhaust gas where it must then mix.
  • document WO2009 / 085641 discloses an exhaust device for an internal combustion engine comprising a main duct bringing the flue gases produced by the internal combustion engine to a selective reduction catalyst for nitrogen oxides comprising a catalytic bread. (Also called brick or monolith and serving as a support for a catalytic coating), an injector for injecting an aqueous solution of urea and disposed, in the direction of flow of the exhaust gas, upstream of the selective reduction catalyst.
  • the device comprises a static mixer, in other words without moving element, arranged between the injector and the selective reduction catalyst.
  • the static mixer is based on a mesh of entangled and crimped metal wires.
  • an exhaust device does not make it possible to obtain a diffusion of gaseous ammonia in the exhaust gases so as to obtain a homogeneous mixture of ammonia and exhaust gas at the inlet of the catalytic bread on the most much of its inlet section, this with a short distance between the injection point of the reducing agent in the exhaust gas and the inlet section of the catalytic bread.
  • the device of the prior art is not compact. Such an arrangement is not suitable when the available space of an exhaust line of a motor vehicle is more and more constrained.
  • the aim of the invention is to overcome the drawback of the prior art by proposing a new exhaust line making it possible to obtain a homogeneous mixture between a reducing agent and exhaust gases over substantially the entire section of the engine. catalytic bread inlet, this with a short distance between the injection point of the reducing agent in the exhaust gas and the inlet section of the catalytic bread.
  • the ceramic foam comprises an exhaust outlet face and the selective reduction catalyst comprises an inlet face of the exhaust gas so that said faces are spaced relative to the longitudinal axis of the exhaust gas.
  • main duct first distance between 0.5 cm and 5 cm and more preferably between 0.5 cm and 2 cm, in order to have an even more compact package.
  • Figure 1 shows an exhaust line portion of burnt gases produced by an internal combustion engine, not shown here.
  • the exhaust line comprises a main duct 1, extending along a longitudinal axis XX, in which circulates a stream 2 of flue gas, said main gas stream and connected to a selective reduction catalyst 3 (or SCR), for the reduction nitrogen oxides NOx present in the exhaust gas, by selective catalytic reaction between the NOx and a reducing agent.
  • reducing agent is meant an agent that can react chemically with pollutants to transform them into less polluting products.
  • the reducing agent is a gaseous reducing agent. More preferably the gaseous reducing agent is ammonia.
  • the catalyst 3 is provided with an inlet face 4 of the exhaust gas substantially perpendicular to the longitudinal axis XX.
  • a ceramic foam 8 acting as a static mixer.
  • This ceramic foam 8 may have the shape of a cylindrical slice in the direction of the longitudinal axis XX and occupies the entire section of passage of the exhaust gas in the main conduit 1.
  • the invention is particularly suitable with a gaseous reducing agent such as ammonia.
  • a gaseous reducing agent such as ammonia. This choice makes it possible to contribute to the overall efficiency of the invention from the point of view of compactness because the overall distance required between the injection means and the catalyst is simply the distance necessary to obtain a homogeneous mixture in the main duct 1 between the exhaust gas and the ammonia.
  • V early with V tot , the total volume of a ceramic foam sample 8 and V mc the volume of ceramic material contained in said sample.
  • the invention advantageously makes it possible to obtain a rigid static mixer, of high thermal resistance, chemically inert with respect to the exhaust gases, of homogeneous porosity in a radial direction with respect to the longitudinal axis XX. It allows in combination with the use of ammonia as a reducing agent to make the whole more compact.
  • the device of the invention may comprise several supply ducts 5 opening into the duct 1 main by at least one ammonia injection port, to promote the initial distribution of ammonia in the exhaust gas passage section and further reduce the mixing length and thus the overall distance between the points injection of ammonia and the inlet face 4 of the catalyst 3 SCR.
  • the ceramic foam wafer 8 comprises a catalytic coating for selective reduction of nitrogen oxides by ammonia based on one or more zeolites partially exchanged with either iron or copper or iron and deposited copper. in the porosity of the ceramic foam.
  • the catalytic coating of selective reduction of nitrogen oxides can be deposited in the porosity of the ceramic foam by the deposition methods well known to those skilled in the art, such as the suction coating of the suspension or the dip coating.
  • the ceramic foam 8 acts not only as a mixer between the ammonia and the exhaust gas, as well as the radial diffuser of the current mixture, but also the pre-catalyst for the selective reduction of the oxides of nitrogen.

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Abstract

L'invention concerne une ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit (1 ) principal s'étendant selon un axe longitudinal (XX) et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur (3) de réduction sélective des oxydes d'azote, des moyens d'injection d'un agent réducteur dans le conduit (1) principal disposés, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur (3), un mélangeur statique disposé entre les moyens d'injection et le catalyseur (3), caractérisée en ce que le mélangeur statique comprend une mousse céramique (8) disposée dans le conduit (1) principal entre les moyens d'injection et le catalyseur (3) de réduction sélective. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comprenant une ligne d'échappement de l'invention.

Description

Ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs d'échappement de moteur à combustion interne et plus particulièrement à la dépollution par système catalytique.
Arrière-plan technologique
Depuis de nombreuses années, les constructeurs de véhicules automobiles à moteur thermique font beaucoup d'efforts pour réduire l'émission dans l'atmosphère de composés chimiques nuisibles à l'environnement produits par les moteurs thermiques lors de la combustion du carburant.
Parmi ces composés, on trouve notamment le dioxyde de carbone C02 ainsi que les oxydes d'azote, principalement le monoxyde NO et le dioxyde N02 d'azote, désignés ensemble sous l'abréviation NOx. Notons que la production d'oxydes d'azote est plus importante pour les moteurs Diesel que pour les moteurs à essence du fait de leur température de combustion plus élevée.
Pour limiter l'émission des oxydes d'azote dans l'atmosphère, une solution actuellement utilisée consiste à placer sur la ligne d'échappement du véhicule un système de traitement des NOx, appelé système SCR (« Sélective Catalytic Réduction »), ayant pour fonction de réduire chimiquement les oxydes d'azote en molécules de di-azote et en vapeur d'eau au moyen d'un agent réducteur. En pratique, l'agent réducteur est introduit dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur spécifique SCR dans lequel se produit la réaction de réduction.
On distingue deux voies SCR, l'une avec la solution aqueuse d'urée et l'autre avec de l'ammoniac, NH3, gazeux. La SCR avec urée a été préalablement favorisée pour des raisons d'implantation véhicule. La solution aqueuse d'urée nécessitant un réservoir, le circuit d'alimentation du liquide est relativement simple. Cette voie a par contre l'inconvénient de nécessiter un ensemble de processus physico-chimiques séquentiels longs : l'injection de la solution aqueuse d'urée, l'atomisation du spray d'urée en gouttes puis gouttelettes, l'évaporation et la décomposition chimique de ces gouttelettes en NH3 et enfin le mélange du NH3 avec les gaz d'échappement. Par ailleurs, étant donné l'espace disponible dans la ligne d'échappement pour les phénomènes injection/mélange, la solution SCR avec la solution aqueuse d'urée complique fortement l'homogénéisation de réducteur avec l'oxydant.
L'autre voie explorée est la SCR avec de l'ammoniac, NH3 gazeux. Dans ce cas, le NH3 est injecté sous forme de gaz directement dans les gaz d'échappement où il doit ensuite s'y mélanger.
Il est connu de laisser une distance adéquate entre l'injecteur d'agent réducteur et le catalyseur SCR pour permettre l'obtention d'un mélange homogène le plus achevé possible entre les gaz d'échappement et l'agent réducteur.
Afin d'améliorer l'homogénéité de ce mélange et de raccourcir la distance nécessaire à l'homogénéisation, il est connu d'avoir recours à un mélangeur dit statique, c'est-à-dire sans pièce mobile, positionné à l'intérieur du conduit d'échappement, entre le point d'injection d'agent réducteur dans les gaz d'échappement et l'entrée du catalyseur SCR.
On connaît par exemple du document WO2009/085641 un dispositif d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit principal amenant les gaz brûlés produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote comprenant un pain catalytique (encore nommé brique ou monolithe et servant de support à un revêtement catalytique), un injecteur pour injecter une solution aqueuse d'urée et disposé, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur de réduction sélective. En outre, le dispositif comprend un mélangeur statique, autrement dit sans élément mobile, disposé entre l'injecteur et le catalyseur de réduction sélective. Dans le document WO2009/085641 , le mélangeur statique est à base d'un grillage de fils métalliques emmêlés et sertis.
Cependant, un tel dispositif d'échappement ne permet pas d'obtenir une diffusion d'ammoniac gazeux dans les gaz d'échappement de manière à obtenir un mélange homogène d'ammoniac et de gaz d'échappement en entrée du pain catalytique sur la plus grande partie de sa section d'entrée, ceci avec une courte distance entre le point d'injection de l'agent réducteur dans les gaz d'échappement et la section d'entrée du pain catalytique. Le dispositif de l'art antérieur n'est donc pas compact. Une telle disposition ne convient pas quand l'espace disponible d'une ligne d'échappement d'un véhicule automobile est de plus en plus contraint. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant une nouvelle ligne d'échappement permettant l'obtention d'un mélange homogène entre un agent réducteur et des gaz d'échappement sur sensiblement toute la section d'entrée du pain catalytique, ceci avec une courte distance entre le point d'injection de l'agent réducteur dans les gaz d'échappement et la section d'entrée du pain catalytique.
L'invention concerne donc une ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit principal s'étendant selon un axe longitudinal et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote, des moyens d'injection d'un agent réducteur dans le conduit principal disposés, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur, un mélangeur statique disposé entre les moyens d'injection et le catalyseur, caractérisée en ce que le mélangeur statique comprend une mousse céramique disposée dans le conduit principal entre les moyens d'injection et le catalyseur de réduction sélective.
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De préférence, la mousse céramique est à base de titane, d'alumine, de zircone ou en carbure de silicium, afin d'utiliser une mousse céramique courante.
De préférence, la mousse céramique présente une porosité comprise entre 20% et 80% et de préférence encore au sein de cet intervalle supérieure à 60%, afin de bénéficier d'un bon compromis entre des pertes de charge limitée et un brassage efficace des gaz.
Dans une variante, la mousse céramique comprend un revêtement catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote par l'ammoniac. D'un point de vue dimensionnel, de préférence, la mousse céramique présente, relativement à l'axe longitudinal du conduit principal, une épaisseur comprise entre 1 cm et 5 cm.
De préférence aussi, la mousse céramique comprend une face de sortie des gaz d'échappement et le catalyseur de réduction sélective comprend une face d'entrée des gaz d'échappement de sorte que les dites faces sont espacées, relativement à l'axe longitudinal du conduit principal, d'une première distance comprise entre 0,5 cm et 5 cm et de préférence encore entre 0,5 cm et 2 cm, afin d'avoir un ensemble encore plus compact.
Dans une variante, les moyens d'injection d'agent réducteur comportent au moins un conduit d'amenée débouchant dans le conduit principal par au moins un orifice d'injection d'agent réducteur, ce qui permet d'améliorer la distribution initiale de l'agent réducteur dans les gaz d'échappement, ce qui contribue à réduire la distance de mélange et de diffusion de l'agent réducteur. De préférence, la mousse céramique comprend une face d'entrée des gaz d'échappement de sorte que l'orifice d'injection est espacé de ladite face d'entrée de la mousse céramique, relativement à l'axe longitudinal du conduit principal, d'une seconde distance comprise entre 1 cm et 5 cm. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement de l'invention des gaz de combustion produits par ledit moteur.
Brève description des dessins
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence à la figure unique dans laquelle : - La figure 1 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement de l'invention.
Description détaillée
La figure 1 présente une portion de ligne d'échappement de gaz brûlés produits par un moteur à combustion interne, non représenté ici. La ligne d'échappement comprend un conduit 1 principal, s'étendant selon un axe longitudinal XX, dans lequel circule un flux 2 de gaz brûlés dit flux gazeux principal et raccordé à un catalyseur 3 de réduction sélective (ou SCR), pour la réduction des oxydes d'azote NOx présents dans les gaz d'échappement, par réaction catalytique sélective entre les NOx et un agent réducteur. Par agent réducteur, il convient d'entendre un agent pouvant réagir chimiquement avec des polluants pour les transformer en des produits moins polluants. De préférence, l'agent réducteur est un agent réducteur gazeux. De préférence encore l'agent réducteur gazeux est de l'ammoniac. Le catalyseur 3 est doté d'une face d'entrée 4 des gaz d'échappement sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal XX.
En amont du catalyseur 3 SCR, relativement au sens d'écoulement des gaz d'échappement, sont disposés des moyens d'injection de l'agent réducteur comprenant un conduit 5 d'amenée d'un flux 6 d'agent réducteur. Le conduit d'amenée 5 traverse le conduit 1 principal pour déboucher dans ce dernier et permettre l'injection d'agent réducteur par un orifice d'injection 7.
Conformément à l'invention, il est prévu de disposer dans le conduit principal 1 entre les moyens d'injection et le catalyseur 3 de réduction sélective, une mousse céramique 8, faisant office de mélangeur statique.
Cette mousse céramique 8 peut avoir la forme d'une tranche cylindrique dans le sens de l'axe longitudinal XX et vient occuper l'intégralité de la section de passage des gaz d'échappement dans le conduit 1 principal.
L'invention est particulièrement adaptée avec un agent réducteur gazeux comme l'ammoniac. Ce choix permet en effet de contribuer à l'efficacité globale de l'invention du point de vue de la compacité car la distance globale nécessaire entre les moyens d'injection et le catalyseur est tout simplement la distance nécessaire à l'obtention d'un mélange homogène dans le conduit 1 principal entre les gaz d'échappement et l'ammoniac.
La tranche de mousse céramique 8 présente une face 9 d'entrée des gaz d'échappement et une face 10 de sortie des gaz d'échappement et a de préférence une épaisseur ep, prise entre ces deux faces 9, 10, selon une cote prise parallèlement à l'axe longitudinal XX, comprise entre 1 cm et 5 cm.
Afin d'utiliser une mousse céramique 8 courante et économique, de préférence, la mousse céramique 8 est à base de titane, d'alumine, de zircone ou en carbure de silicium. La face 10 de sortie de la mousse céramique 8 est disposée à une première distance Di de la face 4 d'entrée des gaz d'échappement dans le catalyseur 3 SCR, selon une cote prise parallèlement à l'axe longitudinal XX, pouvant être comprise entre 0,5 cm et 5 cm et de préférence entre 0,5 cm et 2 cm pour encore plus de compacité.
De préférence, l'orifice d'injection 7 de l'ammoniac est disposé à une seconde distance D2 de la face 9 d'entrée de la tranche de mousse céramique 8, selon une cote prise parallèlement à l'axe longitudinal XX, comprise entre 1 et 5 cm. De préférence encore, le pain 8 de mousse céramique présente une porosité P comprise entre 20% et 80% et de préférence encore comprise entre 60% et 80%, afin d'obtenir un bon compromis entre les pertes de charge et la performance de mélange gaz d'échappement/ ammoniac de la mousse céramique 8. Par porosité P, on entend une grandeur exprimée ici en % et définie par la relation suivante :
V - V
vtot Vm^ . 1 00
V tôt , avec Vtot, le volume total d'un échantillon de mousse céramique 8 et Vmc le volume de matière céramique contenu dans ledit échantillon.
En raison de sa porosité P, la structure interne de la mousse céramique oppose à la circulation des gaz d'échappement et de l'ammoniac une multitude d'obstacle qui favorise non seulement l'homogénéisation de l'ammoniac avec les gaz d'échappement mais aussi la diffusion du mélange en cours dans une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal XX.
L'invention permet avantageusement d'obtenir un mélangeur statique rigide, de grande résistance thermique, inerte chimiquement face aux gaz d'échappement, de porosité homogène dans une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal XX. Elle permet en combinaison avec l'usage d'ammoniac comme agent réducteur de rendre l'ensemble plus compact.
Le mode de réalisation décrit en figure 1 n'est pas limitatif. Selon une variante, le dispositif de l'invention peut comprendre plusieurs conduit 5 d'amenée débouchant dans le conduit 1 principal par au moins un orifice d'injection d'ammoniac, afin de favoriser la répartition initiale de l'ammoniac dans la section de passage des gaz d'échappement et de réduire encore la longueur de mélange et donc la distance globale entre les points d'injection de l'ammoniac et la face 4 d'entrée du catalyseur 3 SCR.
Dans une variante, la tranche de mousse céramique 8 comprend un revêtement catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote par l'ammoniac à base d'une ou plusieurs zéolithes échangées partiellement par soit du fer soit du cuivre soit du fer et du cuivre déposé dans la porosité de la mousse céramique. Le revêtement catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote peut être déposé dans la porosité de la mousse céramique par les méthodes de dépôt bien connues de l'homme de l'art, telles que l'enduction par aspiration de la suspension ou l'enduction par trempage. Ainsi, dans cette variante, la mousse céramique 8 fait non seulement office de mélangeur entre l'ammoniac et les gaz d'échappement, ainsi que de diffuseur radial du mélange en cours, mais aussi de pré-catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote.

Claims

Revendications
1 . Ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit (1 ) principal s'étendant selon un axe longitudinal (XX) et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur (3) de réduction sélective des oxydes d'azote, des moyens d'injection d'un agent réducteur dans le conduit (1 ) principal disposés, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur (3), un mélangeur statique disposé entre les moyens d'injection et le catalyseur (3), caractérisée en ce que le mélangeur statique comprend une mousse céramique (8) disposée dans le conduit (1 ) principal entre les moyens d'injection et le catalyseur (3) de réduction sélective.
2. Ligne d'échappement selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la mousse céramique (8) est à base de titane, d'alumine, de zircone ou en carbure de silicium.
3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) présente une porosité comprise entre 20% et 80%.
4. Ligne d'échappement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) présente une porosité supérieure à 60%.
5. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) comprend un revêtement catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote par l'ammoniac.
6. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mousse céramique (8) présente, relativement à l'axe longitudinal (XX) du conduit (1 ) principal, une épaisseur (ep) comprise entre 1 cm et 5 cm.
7. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) comprend une face (10) de sortie des gaz d'échappement et le catalyseur (3) de réduction sélective comprend une face (4) d'entrée des gaz d'échappement de sorte que les dites faces (10, 4) sont espacées, relativement à l'axe longitudinal (XX) du conduit (1 ) principal, d'une première distance (D^ comprise entre 0,5 cm et 5 cm et de préférence entre 0,5 cm et 2 cm.
8. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'injection d'agent réducteur comportent au moins un conduit d'amenée (5) débouchant dans le conduit (1 ) principal par au moins un orifice (7) d'injection d'agent réducteur.
9. Ligne d'échappement selon la revendication 8, caractérisée en ce que en ce que la mousse céramique (8) comprend une face (9) d'entrée des gaz d'échappement de sorte que l'orifice (7) d'injection est espacé de ladite face (9) d'entrée de la mousse céramique (8), relativement à l'axe longitudinal (XX) du conduit (1 ) principal, d'une seconde distance (D2) comprise entre 1 cm et 5 cm.
10. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement des gaz de combustion produits par ledit moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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