FR2888614A1 - Dispositif de traitement catalytique pour gaz d'echappement de vehicule automobile - Google Patents

Dispositif de traitement catalytique pour gaz d'echappement de vehicule automobile Download PDF

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Abstract

Le dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique 1, notamment de véhicule automobile, comprend un pot catalytique 2 et un filtre à particules 3, le pot catalytique comprend un piège à oxydes d'azote (NOx) et un moyen d'oxydation catalytique. Le moyen d'oxydation catalytique est situé en aval du piège à oxydes d'azote (NOx)

Description

2888614 1
Dispositif de traitement catalytique pour gaz d'échappement de véhicule automobile.
L'invention concerne le domaine des dispositifs de traitement catalytique pour gaz d'échappement de moteurs thermiques, notamment de véhicule automobile. L'invention concerne en particulier le domaine des dispositifs de traitement équipés d'un filtre à particules, apte à être régénéré.
De manière connue, des lignes d'échappement de moteur thermiques, comprennent un pot catalytique et un filtre à particules. Le filtre à particules fixe différentes espèces chimiques des gaz d'échappement telles que des espèces solides (suies, cendres), des espèces liquides (hydrocarbures, eau) et gazeuses (espèces soufrées etc). La régénération des filtres à particules consiste à faire brûler, c'est-à-dire oxyder ou à libérer sous formes gazeuse ces espèces chimiques. Il faut pour cela que la température au sein du filtre à particules dépasse un seuil de température dépendant de l'espèce chimique considérée par exemple, 100 C pour l'eau, 150 C à 250 C pour les hydrocarbures et 500 C à 600 C pour les suies.
Le pot catalytique contribue généralement à réduire la quantité des oxydes d'azote rejetés dans l'atmosphère. Il s'agit principalement du monoxyde et du dioxyde d'azote, que nous appellerons NOx dans l'ensemble de la demande. Des constructeurs ont envisagé de piéger les NOx sur un solide dans le pot catalytique, pendant le fonctionnement normal du moteur, puis de les désorber et de les réduire par un passage transitoire de gaz riches en composants réducteurs.
La demande de brevet FR 2 812 690 a décrit un système d'aide à la régénération d'un filtre à particules comprenant un catalyseur d'oxydation et un système d'alimentation à injections multiples apte à injecter du carburant dans les cylindres du moteur pendant leur phase de détente. Une augmentation de la température des gaz d'échappement dans le filtre à particules est provoquée grâce au système d'injections. Durant la phase de régénération du filtre à 2888614 2 particules, les gaz d'échappement contiennent des hydrocarbures imbrûlés. Le catalyseur d'oxydation situé en amont du filtre à particules favorise la réaction d'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone gazeux. Cette réaction est exothermique de sorte que la température des gaz d'échappement augmente jusqu'à brûler les suies dans le filtre à particules.
La demande de brevet FR 2 812 686 a décrit un système d'aide à la régénération d'un filtre à particules intégré dans une ligne d'échappement d'un moteur de type Diesel. Ce système comprend un piège à NOx, situé en amont du filtre à particules, et permet de traiter conjointement les particules et les oxydes d'azote s'échappant d'un véhicule automobile. Ce système comprend trois modes de fonctionnement, tout d'abord le mode de fonctionnement de piège des NOx lorsque les gaz d'échappement sont pauvres en composants réducteurs. Le fonctionnement de purge des NOx a lieu lorsque, de manière transitoire, les gaz d'échappement sont enrichis en hydrocarbures et appauvris en oxygène pour être riche en réducteur. Enfin, ce système participe également à la régénération du filtre à particules en injectant des hydrocarbures avec un excès d'oxygène. Le piège à NOx comprenant des composés catalytiques favorisant l'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone qui contribuent, comme dans la demande de brevet FR 2 812 690, à élever la température suffisante pour que les gaz d'échappement brûlent les suies dans le filtre à particules.
L'inconvénient d'un tel système d'aide à la régénération d'un filtre à particules est que l'élévation de température nécessaire à brûler les suies a lieu dans le piège à NOx. Or, à température élevée, l'imprégnation catalytique du piège à NOx se dégrade et notamment réduit sa capacité de stockage des NOx.
Par ailleurs, la demande de brevet JP-83 38 229 (Toyota) combine, dans un pot d'échappement, un piège à NOx et un catalyseur d'oxydation situés en amont du filtre à particules. L'imprégnation catalytique du piège à NOx est déposée, soit sur le catalyseur d'oxydation, soit sur le filtre à particules. Le mode de régénération du 2888614 3 filtre à particules décrit dans la demande Toyota diffère des modes de régénération rappelés précédemment. Un chauffage électrique est inséré sur la ligne d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation et du filtre à particules de façon qu'à température plus élevée des gaz d'échappement, la proportion de NO2 absorbée par le piège à NOx diminue et que le NO2 non piégé par le piège à NOx oxyde les particules fixées par le filtre à particules. Ce document ne prévoit pas d'imprégner le filtre à particules d'une phase catalytique pour diminuer la température de combustion des suies, de sorte que le pot d'échappement présente l'inconvénient précédent de dégrader le piège à NOx en raison de la température nécessaire pour la régénération du filtre à particules et présente également l'inconvénient de rejeter dans l'atmosphère du dioxyde d'azote durant la phase de régénération du filtre à particules.
Le brevet EP-1 072 763 (Renault) décrit un système de traitement des particules et des oxydes d'azote pour moteur à combustion. Le système décrit combine également un piège à NOx et un catalyseur d'oxydation et évite d'évacuer du dioxyde d'azote en imprégnant le filtre à particules d'un catalyseur favorisant la réduction des NOx libérés par le piège à NOx. Le catalyseur d'oxydation est exclusivement situé en amont du piège à NOx. Le système décrit contribue à réduire la dégradation du piège à NOx par le fait que les dioxydes d'azote, fortement oxydants, favorisent la combustion des particules à une température plus basse. La quantité d'énergie à produire pour augmenter la température est ainsi réduite. Un tel système présente l'inconvénient de nécessiter un traitement catalytique supplémentaire pour réduire les NOx libérés par le piège à NOx et traversant le filtre à particules.
L'invention propose un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile résolvant les problèmes précédents et permettant à la fois de protéger le piège à NOx contre des températures trop élevées sans provoquer d'émanations de dioxyde d'azote durant la phase de 2888614 4 régénération du filtre à particules ni nécessiter de traitement catalytique supplémentaire du filtre à particules.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile comprend un pot catalytique et un filtre à particules. Le pot catalytique comprend un piège à oxydes d'azote (NOx) et un moyen d'oxydation catalytique situé en aval du piège à oxydes d'azote (NOx).
Dans un tel dispositif, lorsque le moyen d'injection rajoute des hydrocarbures non brûlés dans des gaz d'échappement saturés en oxygène, donc pauvres en réducteurs, le piège à NOx permet non seulement d'absorber les oxydes d'azote mais aussi d'oxyder les hydrocarbures et monoxydes de carbone excédentaires. Cette réaction exothermique commence à élever la température des gaz d'échappement. Le moyen d'oxydation catalytique, situé en aval du piège à NOx, poursuit l'augmentation de la température en continuant à favoriser l'oxydation des hydrocarbures et des monoxydes de carbone excédentaires de sorte que la température maximale atteinte à l'entrée du filtre à particules et nécessaire pour brûler les suies, affecte uniquement le catalyseur d'oxydation et non pas le piège à NOx. Durant la phase de régénération du filtre à particules, la température maximale du piège à NOx reste inférieure à celle nécessaire à brûler les suies. Le piège à NOx est donc protégé.
Avantageusement, le piège à oxydes d'azote (NOx) comprend des revêtements catalytiques aptes à favoriser l'oxydation d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone.
Avantageusement, le moyen d'oxydation catalytique comprend un revêtement catalytique comportant, à titre de catalyseur, au moins un métal tel que le platine ou le palladium et un ou plusieurs oxydes de métaux de transition, d'alcalins, d'alcalino-terreux, ou de terres rares.
Selon une variante, les revêtements catalytiques du piège à oxydes d'azote (NOx) et du moyen d'oxydation sont supportés par un même monolithe en céramique ou en corderite.
Selon une autre variante, les revêtements catalytiques du piège à oxydes d'azote (NOx) et du moyen d'oxydation ont chacun un support différent, chacun des supports étant un monolithe en céramique ou en corderite.
Selon un autre mode de réalisation, le véhicule automobile comprend un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, une sonde à oxydes d'azote (NOx) placée en aval du piège à oxydes d'azote (NOx), un moyen d'injection supplémentaire d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, situé en amont du dispositif, un moyen de réduction d'admission apte à réduire la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement et un moyen de contrôle conçu pour provoquer la purge du piège à oxydes d'azote (NOx) en actionnant simultanément lesdits moyens d'injection supplémentaire et de réduction d'admission.
Avantageusement, le véhicule automobile comprend un moyen de recyclage partiel des gaz d'échappement, le moyen de contrôle du dispositif étant apte à augmenter la proportion de recyclage des gaz afin de réduire la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement.
Selon une variante, le véhicule automobile comprend un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, un moyen d'admission apte à augmenter la proportion d'oxygène dans les gaz d'admission au delà de la proportion stoechiométrique, un moyen d'injection supplémentaire d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, situé en amont du dispositif, et des moyens de contrôle conçus pour provoquer la régénération du filtre à particule en actionnant simultanément lesdits moyens d'injection supplémentaire et d'admission.
Avantageusement, le véhicule automobile comprend un moyen de distribution multiple à chaque cylindre du moteur, apte à injecter de manière sélective des hydrocarbures imbrûlés pendant la phase de détente d'au moins un cylindre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation du dispositif pris à titre d'exemple non limitatif et illustré 2888614 6 par le dessin annexé, sur lequel la figure est une représentation schématique d'un mode de réalisation, du dispositif et du véhicule de l'invention.
Comme illustré sur la figure, le dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique 1 comprend un pot catalytique 2 et un filtre à particules 3. Le pot catalytique 2 comprend successivement un support 4 de piège à oxydes d'azote (NOx) et un support 5 de catalyseur d'oxydation. Les deux supports 4 et 5 sont deux monolithes en céramique, le support de piège à NOx 4 occupant la majeure partie du pot en amont du pot catalytique 2 est recouvert d'une imprégnation catalytique faisant office de piège à oxydes d'azote (NOx). Le support de catalyseur d'oxydation 5 est imprégné d'une imprégnation catalytique favorisant l'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone contenus dans les gaz d'échappement du moteur thermique 1.
Dans une variante, les deux types d'imprégnation catalytique recouvrent le même monolithe, néanmoins, la partie faisant office de piège à oxydes d'azote (NOx) est située en amont et la partie contenant uniquement des catalyseurs d'oxydation est située en aval.
Dans une autre variante, l'un ou les deux supports 4, 5 de revêtements catalytiques sont en corderite. On peut aussi utiliser des supports en nid d'abeilles métalliques. Dans une telle variante, les catalyseurs sont sous forme de revêtements de surface.
On va décrire maintenant le contenu chimique des imprégnations catalytiques. L'imprégnation catalytique faisant office de piège à oxydes d'azote (NOx) comprend des composés favorisant le stockage des oxydes d'azote (NOx) en milieu oxydant. Ces composés catalytiques sont sous forme de nitrates ou d'oxydes d'un élément alcalin ou alcalino-terreux. L'imprégnation catalytique du piège à NOx comprend aussi des composés d'oxydation, composés d'oxydes métalliques ou d'un métal des groupes VIA, VIIA, VIII ou IB. L'imprégnation catalytique comprend également un composé de réduction à base de rhodium, par exemple. Le fonctionnement d'un tel catalyseur dépend de la proportion d'oxygène ou de composés 2888614 7 réducteurs dans les gaz d'échappement. Lorsque les gaz d'échappement sont pauvres en réducteurs, c'est-à-dire riches en oxygène, ce qui correspond au fonctionnement normal d'un moteur, alors les composés d'oxydation favorisent l'oxydation de monoxydes d'azote NO en dioxydes d'azote NO2 et les composés de stockage favorisent la transformation de dioxydes d'azote NO2 en nitrates se déposant sur le monolithe. Durant cette phase d'absorption, c'est-à-dire durant le fonctionnement normal du moteur, les composés d'oxydation de l'imprégnation catalytique du piège à NOx favorisent également l'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone résiduels en dioxydes de carbone gazeux (CO2).
L'imprégnation catalytique du catalyseur d'oxydation situé en aval comprend des oxydes métalliques de platine ou de palladium et des oxydes de métaux de transition d'oxydes alcalins, alcalino-terreux ou de terres rares.
Selon un autre mode de réalisation, le véhicule automobile comprend un moyen d'admission 6 de l'air, des cylindres 7 et un moyen d'injection normale 8 de carburant dans les cylindres 7 lorsque ceux-ci sont en phase de compression. En fonctionnement normal, le moteur thermique 1 comprime dans les cylindres 7 un mélange d'air et d'hydrocarbures jusqu'à un niveau de pression où la combustion du mélange a lieu en libérant de l'énergie. En fonctionnement normal, la proportion d'oxygène introduite dans le cylindre est supérieure à la proportion stoechiométrique de manière à ne pas injecter d'hydrocarbures inutiles dans les cylindres 7. Les gaz récupérés par le collecteur d'échappement 9 et traversant le pot catalytique 2 et le filtre à particules 3 présentent normalement un excédent d'oxygène. Le moteur comprend également un moyen d'injection supplémentaire 10 injectant des hydrocarbures durant la phase de détente des cylindres 7 de sorte que ces hydrocarbures, sont injectés alors que les conditions de combustion ne sont plus remplies, et sont évacués à l'état imbrûlés dans les gaz d'échappement. Dans une variante, le moyen d'injection supplémentaire 10 pourrait être un injecteur branché dans le collecteur d'échappement 9 ou bien directement en amont du pot catalytique 2.
Une sonde 12 à oxydes d'azote (NOx) est située en aval du pot catalytique 2. Un moyen de recyclage EGR 11, destiné au recyclage partiel des gaz d'échappement est inséré entre le collecteur d'échappement 9 et le moyen d'admission 6 de l'air. Un moyen de commande 13 reçoit un signal de la sonde 12, commande le moyen de recyclage EGR 11 en fonction du signal reçu par la sonde 12 et peut modifier la proportion de recyclage des gaz d'échappement. Le moyen de commande 13 peut aussi commander le moyen d'injection supplémentaire 10.
On va maintenant décrire le comportement du dispositif et du véhicule automobile. En fonctionnement normal, seul le moyen d'injection normal 8 est actionné, le mécanisme d'admission 6 sature les gaz d'admission en oxygène de manière à ce que la quasi-totalité des hydrocarbures injectés lors de la phase de compression des cylindres soit brûlée et que seule une quantité résiduelle d'hydrocarbures ou de monoxydes de carbone s'échappe avec les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement comprennent de l'oxygène excédentaire. Le fonctionnement normal se traduit par une absorption des oxydes d'azote par le piège à NOx. Le monoxyde d'azote (NO) est oxydé en dioxyde d'azote (NO2), le dioxyde d'azote est oxydé en nitrates qui se déposent sur le support 4 du piège à NOx. Les gaz d'échappement continuent leur parcours en traversant le support de catalyseur d'oxydation 5 dans lequel les éventuels hydrocarbures résiduels et du monoxyde de carbone incomplètement brûlés sont oxydés en dioxyde de carbone gazeux (CO2). Du monoxyde d'azote résiduel ayant traversé le piège à NOx peut encore être oxydé en dioxyde d'azote par l'action du catalyseur d'oxydation. Dans le filtre à particules, les gaz d'échappement sont filtrés en fixant notamment des suies.
Durant la phase de purge des oxydes d'azote, le moyen de commande 13 actionne simultanément le moyen d'injection supplémentaire 10 et un moyen de réduction d'admission. Le moyen de réduction d'admission peut réduire la section d'admission de l'air. Il peut aussi augmenter la proportion de recyclage EGR des gaz 2888614 9 d'échappement. D'une manière ou d'une autre, le moyen de réduction d'admission réduit la proportion d'oxygène dans les gaz d'admission en dessous de la proportion stoechiométrique nécessaire pour la combustion des hydrocarbures injectés par le moyen normal d'injection 8. Ainsi les gaz d'échappement traversant le pot catalytique 2 et le filtre à particules 3 présentent un défaut d'oxygène. De plus, le moyen d'injection supplémentaire 10 introduit dans les gaz d'échappement une quantité stoechiométrique d'hydrocarbures imbrûlés correspondant à la quantité de nitrates piégés dans le support 4 du piège à NOx. Durant cette phase de désorption en milieu riche en réducteurs, les nitrates sont transformés en dioxydes d'azote (NO2) qui eux-mêmes sont transformés en azote gazeux (N2). En traversant le support 5 du catalyseur d'oxydation, les gaz d'échappement subissent peu de transformations, seule une quantité résiduelle d'hydrocarbures ou de monoxydes de carbone est transformée en dioxyde de carbone gazeux (CO2). En traversant le filtre à particules, les gaz d'échappement continuent à être filtrés comme dans la phase normale en milieu pauvre en réducteurs.
Si la quantité injectée d'hydrocarbures par le moyen d'injection supplémentaire 10 est supérieure à la quantité nécessaire à la désorption des nitrates, alors une partie des hydrocarbures excédentaires est oxydée par le catalyseur d'oxydation en traversant le support 5 et le reste traverse le filtre à particules et s'échappe dans l'atmosphère, ce qui provoque de la pollution. Inversement, si la quantité injectée d'hydrocarbures imbrûlés par le moyen d'injection supplémentaire 10 est insuffisant pour la désorption des nitrates piégés dans le support 4 alors, une quantité résiduelle de dioxydes d'azote (NO2) n'est pas transformée en azote gazeux (N2), traverse le filtre à particules et provoque une augmentation de la pollution. La sonde à NOx 12 permet de repérer quand le support 4 est saturé de nitrates et commande alors la phase de purge du piège à NOx. Une sonde de température disposée sur le support 5 du catalyseur d'oxydation permet de repérer la fin de la phase de purge des NOx car l'oxydation 2888614 10 des hydrocarbures imbrûlés excédentaires est une réaction exothermique.
Durant la phase de régénération du filtre à particules, le moyen de commande 13 actüonne le moyen d'injection supplémentaire 10 mais le moyen d'admission 6 fonctionne dans sa configuration normale de sorte que les gaz d'échappement sont saturés en oxygène et comprennent des hydrocarbures imbrûlés. En traversant le support 4 du piège à NOx, les gaz d'échappement dans cette configuration cumulent à la fois la phase d'absorption des NOx et une phase d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés. L'ensemble de ces deux réactions est exothermique de sorte que la température des gaz d'échappement augmente au fur et à mesure que les gaz d'échappement traversent le support 4. En arrivant sur le support 5 du catalyseur d'oxydation, les gaz d'échappement continuent à être oxydés de sorte que la température des gaz d'échappement continue d'augmenter jusqu'à atteindre des températures de 750 à 850 C permettant aux suies du filtre à particules d'être oxydées par l'oxygène présent en excès dans les gaz d'échappement. La température maximale des gaz d'échappement est atteinte dans le support 5 du catalyseur d'oxydation et le support 4 du piège à NOx n'est soumis durant cette phase de régénération qu'à des températures d'au moins 100 à 200 C inférieures de sorte que les imprégnations catalytiques du piège à NOx ne se dégradent pas.

Claims (1)

11 REVENDICATIONS
1. Dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique (1), notamment de véhicule automobile, comprenant un pot catalytique (2) et un filtre à particules (3), le pot catalytique (2) comprenant un piège à oxydes d'azote (NOx) et un moyen d'oxydation catalytique, caractérisé par le fait que le moyen d'oxydation catalytique est situé en aval du piège à oxydes d'azote (NOx).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le piège à oxydes d'azote (NOx) comprend des revêtements catalytiques aptes à favoriser l'oxydation d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen d'oxydation catalytique comprend un revêtement catalytique comportant, à titre de catalyseur, au moins un métal tel que le platine ou le palladium et un ou plusieurs oxydes de métaux de transition, d'éléments alcalins, alcalino-terreux, ou terres rares.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les revêtements catalytiques du piège à oxydes d'azote (NOx) et du moyen d'oxydation sont supportés par un même monolithe en céramique ou en corderite.
5. Dispositif selon la revendication 1 à 3, dans lequel les revêtements catalytiques du piège à oxydes d'azote (NOx) et du moyen d'oxydation ont chacun un support différent (4, 5), chacun des supports (4,5) étant un monolithe en céramique ou en corderite.
6. Véhicule automobile comprenant un dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, une sonde à oxydes d'azote (NOx) placée en aval du piège à oxydes d'azote (NOx), un moyen d'injection supplémentaire (10) d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, situé en amont du dispositif, un moyen de réduction d'admission apte à réduire la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement et un moyen de contrôle (13) conçu pour provoquer la purge du piège à oxydes d'azote (NOx) en actionnant simultanément lesdits moyens d'injection supplémentaire (10) et de réduction d'admission.
7. Véhicule automobile selon la revendication 6, comprenant un moyen de recyclage partiel (11) des gaz d'échappement, le moyen de contrôle (13) du dispositif étant apte à augmenter la proportion de recyclage des gaz afin de réduire la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement.
8. Véhicule automobile comprenant un dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, un moyen d'admission (6) apte à augmenter la proportion d'oxygène dans les gaz d'admission au delà de la proportion stoechiométrique, un moyen d'injection supplémentaire (10) d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement, situé en amont du dispositif, et un moyen de contrôle (13) conçu pour provoquer la régénération du filtre à particules (3) en actionnant simultanément lesdits moyens d'injection (10) et d'admission (6).
9. Véhicule automobile selon l'une des revendications 6 à 8, comprenant un moyen de distribution multiple à chaque cylindre du moteur, apte à injecter de manière sélective des hydrocarbures imbrûlés pendant la phase de détente d'au moins un cylindre.
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