FR2907159A1 - Systeme de traitement des gaz d'echappement d'un moteur diesel a turbocompresseur. - Google Patents

Systeme de traitement des gaz d'echappement d'un moteur diesel a turbocompresseur. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur diesel (1) à turbocompresseur (2) pourvu d'une turbine (4) et d'un compresseur (3), ledit système comprenant un injecteur de carburant (7) et un ou plusieurs dispositifs de post-traitement (8) des gaz de combustion placés sur la ligne d'échappement (5) du moteur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif catalytique d'oxydation (9) disposé en amont de la turbine (4) du turbocompresseur, et en ce que l'injecteur de carburant (7) est disposé en amont dudit dispositif catalytique d'oxydation (9), le ou les dispositifs de post traitement (8) étant situés en aval de ladite turbine.

Description

SYSTEME DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR DIESEL A
TURBOCOMPRESSEUR L'invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur diesel à turbocompresseur.
Le durcissement des normes en matière de dépollution automobile impose l'incorporation de dispositifs de post-traitement spécialisés dans la ligne d'échappement des véhicules automobiles afin de respecter les objectifs de faibles émissions de polluants à l'échappement.
Les dispositifs de post-traitement couramment utilisés sont : - des catalyseurs d'oxydation pour réduire les émissions d'hydrocarbures (HC) et d'oxydes de carbone (CO.), - des catalyseurs à réduction sélective (SCR) ou des pièges à oxydes d'azote (NOX) pour traiter les émissions de NOX, et - des systèmes de filtration de particules pour l'élimination des suies produites lors de la combustion. Dans le cas des véhicules diesel, l'élimination des polluants réglementés nécessite l'utilisation de plusieurs dispositifs de post-traitement, comprenant en général un catalyseur d'oxydation en amont d'un piège à NOX et d'un filtre à particules. Ces dispositifs sont placés en aval de la turbine du turbocompresseur du moteur (FR 2 879 237, WO 2006/008599). Cependant afin de maintenir les performances de ces dispositifs à leur niveau optimal, il est nécessaire de les régénérer régulièrement.
Les pièges à NOX sont régénérés par dénitration et/ ou désulfatation en milieu réducteur (HC, CO, H2, ...) à des températures supérieures à celles rencontrées dans l'échappement, en particulier pour la désulfatation (jusqu'à 700 C). Les filtres à particules sont régénérés par accroissement de la température jusqu'à environ 600 C afin de permettre l'élimination des suies stockées par l'oxygène. Ces différentes phases de régénération requièrent une composition gazeuse particulière obtenue via un mode de fonctionnement particulier du moteur et/ou l'injection de carburant au niveau de la ligne d'échappement, au moyen d'un injecteur situé en amont du dispositif de post-traitement. L'accroissement de température 2907159 2 est obtenu grâce à l'oxydation exothermique des HC et CO lors de leur passage dans le catalyseur d'oxydation. Ces différentes stratégies d'aide à la régénération peuvent toutefois s'avérer insuffisantes en conditions de roulages critiques, par 5 exemple en ville ou dans des embouteillages, pour élever suffisamment la température des gaz. Il en résulte des régénérations longues, voire incomplètes, qui impactent fortement les autres prestations moteurs, telle que la consommation et la durabilité. L'utilisation d'un injecteur de carburant au niveau de la ligne 10 d'échappement devrait permettre de diminuer les contraintes moteurs, en s'affranchissant par exemple des stratégies compliquées de post injection de carburant simples ou multiples dans la chambre de combustion du moteur, ce qui influe positivement sur la durabilité du moteur, notamment par une faible dilution du carburant dans l'huile.
15 Toutefois, l'utilisation de ce type d'injecteur pose un certain nombre de problèmes. Ainsi, la vaporisation du carburant dans la ligne d'échappement est particulièrement délicate en raison des faibles températures atteintes dans l'échappement, notamment dans les conditions de roulage critiques, ce qui favorise la formation de dépôts 20 carbonés indésirables dans les systèmes de post-traitement en aval. Il est également difficile d'obtenir un mélange homogène avec les gaz d'échappement, ce qui est nécessaire pour maximiser l'efficacité de conversion des hydrocarbures injectés dans le catalyseur d'oxydation, et donc l'exotherme généré.
25 Une solution pour résoudre ces difficultés consiste à n'injecter du carburant dans la ligne d'échappement que lorsque la température est supérieure à 300 C, ce qui correspond à des conditions de roulage favorables. Les méthodes existantes pour élargir la gamme d'utilisation de ce 30 type d'injecteur consistent principalement à mettre en place un système de pilotage approprié n'autorisant la réalisation des opérations de régénération que dans des conditions particulières de fonctionnement moteur. D'autres méthodes consistent à faire varier l'injection de 35 carburant dans la chambre de combustion du moteur en utilisant des stratégies d'injections retardées ou de post injections du carburant afin d'obtenir l'exotherme nécessaire à l'injection de carburant par l'injecteur 2907159 3 placé dans la ligne d'échappement, en aval du catalyseur d'oxydation et en amont des systèmes de post-traitement. Ces méthodes permettent d'atteindre une température suffisante dans la ligne d'échappement, mais au détriment de la consommation et de la durabilité du moteur.
5 Ces solutions ne permettent pas d'exploiter de manière optimale le potentiel de l'injecteur de carburant à l'échappement puisque sa mise en service dépend de stratégies de contrôle moteur afin d'atteindre une valeur de température minimale dans la ligne d'échappement avant toute injection de carburant. Par ailleurs, ces méthodes alourdissent la 10 charge de calcul du dispositif de gestion du fonctionnement du moteur et tendent à dégrader les performances du moteur en terme de consommation et durabilité du moteur lors de régénérations en conditions de roulage critiques. Il s'avère donc nécessaire de trouver des stratégies d'élévation des 15 niveaux thermiques des gaz d'échappement lors des roulages critiques permettant une injection de carburant au niveau de l'échappement à n'importe quel moment du cycle moteur, sans contrôle spécifique afin d'apporter la souplesse nécessaire au fonctionnement de systèmes de post-traitement de plus en plus complexes.
20 A cet effet, l'objet de l'invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur diesel à turbocompresseur pourvu d'une turbine et d'un compresseur, ledit système comprenant un injecteur de carburant et un ou plusieurs dispositifs de post-traitement des gaz de combustion placés sur la ligne 25 d'échappement du moteur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif catalytique d'oxydation disposé en amont de la turbine du turbocompresseur, et en ce que l'injecteur de carburant est disposé en amont dudit dispositif catalytique d'oxydation, le ou les dispositifs de post traitement étant situés en aval de ladite turbine.
30 Un tel positionnement selon l'invention de l'injecteur de carburant à l'échappement, en aval du collecteur d'échappement du moteur et en amont de la turbine, permet de profiter au maximum des thermiques moteurs, ce qui rend possible une injection de carburant à n'importe quel moment du cycle moteur, sans modification du mode de 35 fonctionnement du moteur. Le dispositif catalytique d'oxydation supplémentaire, placé entre l'injecteur de carburant et la turbine, permet quant à lui de générer 2907159 4 l'exotherme nécessaire au(x) dispositif(s) de post-traitement situés en aval de la turbine. Avantageusement, ce dispositif catalytique d'oxydation présente un volume suffisamment faible pour ne pas oxyder la totalité des 5 hydrocarbures injectés par l'injecteur de carburant. Ainsi, les hydrocarbures qui n'ont pas été complètement oxydés peuvent être utilisés par le(s) dispositif(s) de post-traitement situés en aval de la turbine. Le système de traitement selon l'invention présente une ou 10 plusieurs des caractéristiques suivantes : - le dispositif catalytique d'oxydation présente un substrat monolithique à parois ultrafines. On obtient ainsi d'une part une faible perte de charge, ce qui est important pour le bon fonctionnement du turbo et l'agrément de conduite, et d'autre part une faible masse 15 thermique, ce qui permet une meilleure montée en température, et une meilleure efficacité à froid ; - le dispositif catalytique d'oxydation comprend une formulation catalytique adaptée à l'oxydation des hydrocarbures, - la formulation catalytique du dispositif catalytique d'oxydation 20 peut également être adaptée afin de favoriser la production de réducteurs, notamment l'hydrogène, - le ou les dispositifs de post-traitement situés en aval de la turbine sont choisis parmi : un dispositif catalytique d'oxydation, un dispositif catalytique de réduction, un piège à oxydes d'azote, un filtre à 25 particules, ces dispositifs pouvant être utilisés dans n'importe quelle combinaison. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un 30 système selon l'invention ; -la figure 2 est une courbe graphique représentant les émissions de HC, en aval d'un dispositif catalytique d'oxydation comprenant une formulation catalytique à base de Pt/Pd, en fonction du volume dudit dispositif ; 35 -la figure 3 est une courbe graphique représentant les émissions de HC, en aval d'un dispositif catalytique d'oxydation comprenant une formulation catalytique à 2907159 5 base de Pt/Pd pour atteindre un exotherme total de 650 C pour différents modes de fonctionnement moteur. La figure 1 représente schématiquement un moteur diesel 1 à turbocompresseur 2, ce dernier comprenant un compresseur 3 et une 5 turbine 4. De manière classique, la turbine 4 est montée sur la ligne d'échappement 5 du moteur, en aval du collecteur d'échappement 6 de ce dernier. La figure 1 représente également un système de traitement selon l'invention des gaz d'échappement du moteur diesel 1. Ce système 10 comprenant un injecteur de carburant 7 et un dispositif de posttraitement 8 des gaz de combustion placés sur la ligne d'échappement 5 du moteur. Le dispositif de post-traitement 8 peut être dédié au traitement par oxydation ou réduction des HC, CO, NON, à la filtration des particules, ou peut consister en n'importe laquelle des 15 combinaisons des dispositifs de traitement connus. Selon l'invention, l'injecteur de carburant 7 est disposé en amont d'un dispositif catalytique d'oxydation supplémentaire 9 disposé en amont de la turbine 4 du turbocompresseur, le dispositif de post traitement 8 étant situé en aval de ladite turbine.
20 L'injecteur de carburant 7 à l'échappement est en outre relié à un dispositif de contrôle 10 du véhicule. Le dispositif catalytique d'oxydation 9 présente un volume suffisamment faible pour ne pas oxyder la totalité des hydrocarbures injectés par l'injecteur de carburant.
25 L'utilisation d'un dispositif 9 de faible volume permet de traiter une partie des hydrocarbures injectés par l'injecteur de carburant 7, et d'accroître davantage la thermique, les hydrocarbures restant étant utilisés, le cas échéant, par le dispositif de post-traitement 8 situé en aval de la turbine.
30 Notamment, le volume du dispositif catalytique d'oxydation 9 est conditionné par l'efficacité de traitement des hydrocarbures souhaité. Il sera également en partie conditionné par la place disponible en amont de la turbine. Comme indiqué plus haut, le volume du dispositif catalytique 35 d'oxydation (DOC) 9 est conditionné par l'efficacité de traitement souhaitée des hydrocarbures. Des tests en laboratoire avec des injections d'hydrocarbures de 9000 ppm et une température en amont 2907159 6 de l'injecteur 7 de 350 C sur des catalyseurs à base de Pt ont permis de mettre en évidence l'intérêt d'un faible volume de traitement au niveau du dispositif catalytique d'oxydation 9. Les résultats de ces tests sont représentés sur la figure 2, qui 5 représente les émissions d'hydrocarbures en aval du dispositif catalytique d'oxydation 9 en fonction du volume de ce dernier pour différents points de fonctionnement du moteur, dans les conditions énoncées précédemment. Les courbes 1, 2, 3 correspondent à des débits de gaz 10 d'échappement de 30, 65 et 100 kg/ h respectivement. Ainsi, un dispositif d'oxydation catalytique de faible volume, notamment inférieur ou égal à 0,8 litre, permet de conserver une part d'hydrocarbures significative, disponible pour les dispositifs de post traitement disposés en aval de la turbine dans la gamme de 15 fonctionnement d'un moteur. On utilisera de préférence un dispositif catalytique d'oxydation 9 présentant un substrat monolithique à parois ultrafines et contenant de préférence une formulation catalytique adaptée à l'oxydation des 20 hydrocarbures (par exemple à base de Pt/Pd, de métaux de transition, d'oxydes, etc...). Un tel dispositif catalytique permet une montée très rapide en température et un traitement des hydrocarbures au démarrage avec un impact limité sur le fonctionnement du turbocompresseur. Du fait du faible volume du dispositif catalytique, 25 les hydrocarbures partiellement ou non oxydés peuvent être utilisés par le(s) dispositif(s) de post-traitement situé(s) en aval de la turbine. La capacité d'un catalyseur à base de Pt/Pd pour générer un exotherme suffisant au fonctionnement de dispositifs post traitement en aval a été étudiée sur banc moteur.
30 Cette étude a été réalisée pour un DOC d'un volume de 0,8 litre avec des températures variables en amont du DOC. Dans ce cas précis, l'injection d'hydrocarbures est ajustée pour atteindre 650 c en aval du DOC. Les résultats sont représentés sur la figure 3.
35 La courbe a représente la variation du débit de gaz d'échappement correspondant à différents points de fonctionnement du moteur.
2907159 7 La courbe b représente la quantité (en ppm) d'hydrocarbures HC émis en sortie du DOC pour les différents points de fonctionnement du moteur. La courbe c représente la température des gaz d'échappement en 5 entrée du même DOC pour les différents points de fonctionnement du moteur. La courbe d représente la température des gaz d'échappement en sortie du DOC pour les différents points de fonctionnement du moteur. On constatera que, pour tous les points de fonctionnement du 10 moteur, y compris ceux pour lesquels la température en entrée du DOC est faible, il est possible d'obtenir avec une injection d'hydrocarbures adaptée : - une température en sortie de l'ordre de 650 C, suffisante pour assurer le fonctionnement des dispositifs de post traitement situés en aval de la turbine, et - des émissions d'hydrocarbures en aval du dispositif catalytique d'oxydation limitées (inférieures à 2500 ppm) mais suffisamment importantes pour permettre le cas échéant, le fonctionnement des dispositifs de post traitement situés en aval de la turbine. On pourra par ailleurs adapter la formulation du catalyseur d'oxydation utilisé afin de favoriser également la production de réducteurs très réactifs, tels que l'hydrogène, dont l'impact positif est 25 connu sur les dispositifs de purifications des oxydes d'azote. 15 20

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur diesel (1) à turbocompresseur (2) pourvu d'une turbine (4) et d'un compresseur (3), ledit système comprenant un injecteur de carburant (7) et un ou plusieurs dispositifs de post-traitement (8) des gaz de combustion placés sur la ligne d'échappement (5) du moteur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif catalytique d'oxydation (9) disposé en amont de la turbine (4) du turbocompresseur, et en ce que l'injecteur de carburant (7) est disposé en amont dudit dispositif catalytique d'oxydation (9), le ou les dispositifs de post traitement (8) étant situés en aval de ladite turbine.
2. Système de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif catalytique d'oxydation (9) présente un volume suffisamment faible pour ne pas oxyder la totalité des hydrocarbures injectés par l'injecteur de carburant (7).
3. Système de traitement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif catalytique d'oxydation (9) présente un substrat monolithique à parois ultrafines.
4. Système de traitement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dispositif catalytique d'oxydation (9) comprend une formulation catalytique adaptée à l'oxydation des hydrocarbures.
5. Système de traitement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la formulation catalytique du dispositif catalytique d'oxydation est également adaptée afin de favoriser la production de réducteurs.
6. Système de traitement selon la revendication 5, caractérisé en ce que la formulation catalytique du dispositif catalytique d'oxydation est également adaptée afin de favoriser la production d'hydrogène.
7. Système de traitement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou les dispositifs de post-traitement (8) situés en aval de la turbine sont choisis parmi : un dispositif catalytique d'oxydation, un dispositif catalytique de réduction, un piège à oxydes d'azote, un filtre à particules.
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