FR2939473A1 - Systeme de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'echappement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement 2 avec un catalyseur d'oxydation 9, un catalyseur de réduction 11 monté en aval du catalyseur d'oxydation 9 et une unité de contrôle électronique. En particulier, le catalyseur d'oxydation comprend moins de 0,03g de platine par litre de catalyseur, et l'unité de contrôle électronique 12 comprend un moyen de commande 13 capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction 11.

Description

B08/2941 FR / GBO 9193-IA/CL Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement Invention de : LOMBAERT Karine MORAL-MOUADDIB Najat Système de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement
La présente invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement rejetés par un moteur à combustion interne. En particulier, la présente invention concerne un système de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement. Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement. Ces systèmes de post-traitement permettent de réduire notamment les émissions d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés et des particules. Plus précisément, l'invention concerne le traitement des oxydes d'azote NOx, tels que NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4. Les dispositifs actuels de traitement des NOx comprennent par exemple des pièges à NOx, des catalyseurs de réduction (SCR), ou des catalyseurs 3 voies. Les catalyseurs de réduction permettent de réduire les NOx en présence d'un agent réducteur. L'agent réducteur, par exemple de l'urée ou de l'ammoniaque, est introduit dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur de réduction. Afin d'optimiser l'efficacité de traitement des NOx, un système de mélange est disposé en amont du catalyseur de réduction, afin que le mélange de gaz d'échappement et de l'agent réducteur soit le plus homogène possible. De plus, le rapport stoechiométrique entre la quantité de NOx à traiter et la quantité de réducteur à injecter doit être respectée : un surdosage conduirait à augmenter la consommation de l'agent réducteur, voire à émettre, en aval du catalyseur de réduction, de l'ammoniac qui est un composé fortement odorant, tandis qu'un sous-dosage limiterait l'efficacité du dispositif. Les émissions de monoxyde de carbone CO, d'hydrocarbures HC, de NOx et de particules, imputables aux véhicules automobiles, ont pu être diminuées via l'utilisation des systèmes de post-traitement. Toutefois, malgré la diminution globale des NOx, la proportion de NO2 émise par les véhicules automobiles ne diminue pas. En particulier, les dispositifs d'oxydation des hydrocarbures ou du monoxyde de carbone peuvent également oxyder le monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2. Or, le gaz NO2 présente des effets néfastes sur la santé.
Le document US 2004/0258594 décrit un dispositif de traitement des gaz d'échappement. Le dispositif comprend un catalyseur d'oxydation capable de convertir au moins une partie du NO en NO2, en particulier un catalyseur d'oxydation au platine, un piège à particules et un catalyseur de réduction. De plus, le document US 2004/0258594 prévoit que le mélange gazeux arrivant dans le catalyseur de réduction présente un rapport NO/NO2 particulier, de manière à ce que le catalyseur de réduction présente une efficacité optimum à une température comprise entre 160°C et 450°C. Cependant, il est difficile de contrôler le rapport NO/NO2. En effet, ce rapport varie en fonction du taux de recirculation des gaz d'échappement (EGR), de la qualité de la combustion, etc. De plus, ce rapport est modifié lors du passage des gaz d'échappement dans le catalyseur d'oxydation qui contient du platine : une partie du NO est oxydé en NO2, mais cette réaction dépend de nombreux paramètres tels que : la température des gaz entrant dans le catalyseur, le temps de séjour des gaz d'échappement dans le catalyseur, la concentration initiale en NO, la température du catalyseur, la teneur en hydrocarbures, etc. On peut alors être amené à augmenter la proportion de NO2 dans les gaz d'échappement et à diminuer l'efficacité du catalyseur de réduction, ce qui conduit à une augmentation de la quantité de NO2 rejetée par le véhicule. Par ailleurs, le filtre à particules, contenant aussi du platine, peut participer également à l'oxydation du NO en NO2. Cependant, cette réaction est difficile à maîtriser en raison notamment de la consommation du NO2 par les particules stockées, à partir de 300°C. Enfin, même lorsque la quantité de platine contenue dans le catalyseur d'oxydation et dans le filtre à particules est adaptée pour obtenir le rapport NO/NO2 voulu, la capacité à oxyder le NO diminue avec le vieillissement du catalyseur d'oxydation ou du filtre à particules, et le dispositif ne permet pas d'assurer une efficacité suffisante, c'est-à-dire un ratio NO/NO2 voulu sur toute la durée de vie d'un véhicule. Un but de l'invention est d'améliorer le traitement des gaz d'échappement. En particulier, un but de l'invention est d'améliorer le traitement des NO2 émis par le véhicule. Un autre but de l'invention est de s'affranchir du rapport NO/NO2 en entrée du catalyseur de réduction. A cet effet, dans un mode de réalisation, il est proposé un dispositif de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement avec un catalyseur d'oxydation, un catalyseur de réduction monté en aval du catalyseur d'oxydation et une unité de contrôle électronique. En particulier, le catalyseur d'oxydation comprend moins de 0,03g de platine par litre de catalyseur, et l'unité de contrôle électronique comprend un moyen de commande capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction. Le dispositif permet notamment, à partir d'une température déterminée, de présenter une efficacité de traitement des NOx élevée et qui ne nécessite pas d'adaptation du rapport NO/NO2. En particulier, la diminution du platine dans le catalyseur d'oxydation permet de réduire la quantité de NO2 formée dans les gaz d'échappement, sans diminuer de manière conséquente l'efficacité du catalyseur de réduction fonctionnant à la température déterminée.
Préférentiellement, le catalyseur d'oxydation comprend moins de 0,02g de platine par litre de catalyseur, et plus préférentiellement encore moins de 0,01g de platine par litre de catalyseur. Le catalyseur d'oxydation peut également ne pas comprendre de platine. Avantageusement, le catalyseur d'oxydation est capable d'oxyder sélectivement le monoxyde de carbone et les hydrocarbures. En particulier, le catalyseur d'oxydation est choisi pour son efficacité sur le monoxyde de carbone et les hydrocarbures, et pas pour son efficacité sur le monoxyde d'azote NO. On diminue ainsi le NO2 formé, durant le traitement des gaz d'échappement. Par exemple, le catalyseur d'oxydation peut être un catalyseur au palladium ou à l'or. Avantageusement, le moyen de commande de l'unité de contrôle électronique est capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction jusqu'à une température supérieure ou égale à un seuil compris entre 170°C et 400°C, de préférence entre 180°C et 350°C, et encore plus préférentiellement entre 200°C et 300°C. Au-delà du seuil, le catalyseur de réduction présente une efficacité de traitement des NOx élevée, et qui dépend peu du rapport NO/NO2. En particulier, le moyen de commande est capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction par l'intermédiaire : du contrôle moteur, d'une injection de carburant en amont du catalyseur de réduction, ou d'un moyen électrique d'augmentation de la température du catalyseur de réduction.
Avantageusement, la ligne d'échappement comprend un filtre à particules monté en aval du catalyseur d'oxydation et en amont du catalyseur de réduction. Avantageusement, des moyens d'injection d'un fluide réducteur sont montés entre le filtre à particules et le catalyseur de réduction.
Les moyens d'injection permettent d'introduire l'agent réducteur dans les gaz d'échappement avant que ceux-ci atteignent le catalyseur de réduction. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une oxydation catalytique des gaz d'échappement et une réduction catalytique des gaz issus de l'oxydation catalytique. En particulier, lors de l'oxydation catalytique, on oxyde sélectivement le monoxyde de carbone et les hydrocarbures contenus dans les gaz d'échappement, et on augmente la température de la phase de réduction catalytique. Avantageusement, on augmente la température du catalyseur de réduction jusqu'à une température supérieure ou égale à un seuil compris entre 170°C et 400°C, de préférence entre 180°C et 350°C, et encore plus préférentiellement entre 200°C et 300°C.
Avantageusement, on injecte un fluide réducteur dans les gaz issus de l'oxydation catalytique, avant la réduction catalytique. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, et de la figure annexée sur laquelle est illustrée, en coupe, un exemple de dispositif de post-traitement de gaz d'échappement. Sur la figure annexée, on a représenté, de manière très schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne 1 et d'un système de post-traitement des gaz d'échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 comprend, par exemple, au moins un cylindre 3, un collecteur d'admission 4, un collecteur d'échappement 5, un circuit de re-circulation des gaz d'échappement 6 muni d'une vanne de re-circulation des gaz d'échappement 7, et un système de turbo compression 8. Le système de post-traitement des gaz d'échappement 2 comprend, par exemple, un catalyseur d'oxydation 9, un filtre à particules 10 monté en aval du catalyseur d'oxydation 9, et un catalyseur de réduction (en anglais : Selective Catalytic Reduction SCR) 11 monté en aval du filtre à particules 10. Autrement dit, les deux catalyseurs 9, 11 sont montés en série sur la ligne d'échappement, avec un filtre à particules 10 monté entre les deux. Le catalyseur d'oxydation 9 est utilisé pour traiter notamment le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés HC contenus dans les gaz d'échappements. En particulier, le catalyseur 9 permet d'oxyder le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone CO2, et les hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et en eau. Le catalyseur d'oxydation 9 comprend moins de 0,03g de platine par litre de catalyseur, voire ne comprend pas de platine. En effet, le platine, lorsqu'il est présent dans un catalyseur d'oxydation, permet audit catalyseur d'oxyder notamment le monoxyde d'azote NO en NO2. Dans le cas présent, la proportion en platine contenue dans le catalyseur d'oxydation est limitée, et peut être remplacée par exemple par du palladium ou de l'or, afin d'obtenir un catalyseur d'oxydation 9 capable d'oxyder sélectivement le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés. La quantité de monoxyde d'azote oxydée en NO2 se trouve alors limitée. Le catalyseur peut être préparé en mettant en solution le matériau catalytique (par exemple le palladium et/ou le platine) et en imprégnant un support poreux avec ladite solution. Des exemples de tels catalyseurs sont donnés par exemple dans le document WO 93/10886. Notamment, lorsque le matériau catalytique est appliqué sous la forme d'une couche fine sur un support adapté, la proportion des composés est exprimée, de manière conventionnelle, en poids du matériau catalytique par unité de volume du catalyseur, dans le cas présent en gramme par litre. Le catalyseur de réduction 11 est conçu pour traiter efficacement les NOx contenus dans les gaz d'échappement. En particulier, le catalyseur de réduction 11 peut être choisi de manière à présenter une sensibilité réduite au rapport NO2/NOx des gaz d'échappement. Par exemple, le catalyseur 11 peut être à base de cuivre sur une matrice poreuse en zéolithe, à base de fer sur une matrice poreuse de zéolithe, à base de vanadium ou bien encore à base d'oxydes mixtes. Une unité de contrôle électronique 12 assure le traitement des différents signaux et la commande de la combustion, notamment en envoyant des valeurs de consigne à l'injecteur de carburant du cylindre 3 et en commandant un dispositif, par exemple à clapet, contrôlant la quantité d'air alimentant le cylindre 3. L'unité de contrôle électronique 12 comprend également un moyen de commande 13 capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction 11. Le moyen de commande 13 peut modifier le fonctionnement du moteur, par exemple en commandant une injection tardive de carburant dans la chambre de combustion. Le moyen de commande 13 peut également commander un moyen d'augmentation de la température du catalyseur de réduction 11. Le moyen d'augmentation de la température peut être par exemple un monolithe métallique relié à une source électrique et placé dans le catalyseur de réduction 11. Le moyen d'augmentation chauffe alors directement le catalyseur de réduction et la commande en courant peut être déterminée directement à partir de la consigne en température.
Le moyen d'augmentation de la température peut être également une grille métallique reliée à une source électrique et montée à l'entrée du catalyseur de réduction 11. Dans ce cas, la grille métallique chauffe les gaz la traversant et entrant dans le catalyseur de réduction 11, de manière à chauffer ledit catalyseur. La commande en courant est déterminée directement à partir de la consigne en température. On considère, dans la suite de la description, que le moyen d'augmentation de la température est un système d'injection d'hydrocarbure 14, que l'on place en amont du catalyseur à oxydation 9, ou en amont du filtre à particules 10. En effet, par combustion, dans le catalyseur 9 ou dans le filtre à particules 10, des hydrocarbures avec l'oxygène des gaz d'échappement, il est possible de chauffer lesdits gaz et donc le catalyseur de réduction 11 qui est monté en aval du catalyseur 9 et du filtre à particules 10. La commande de l'injecteur 14 est déterminée par le moyen de commande 13. En complément du moyen de commande 13 et des différents moyens d'augmentation de la température, il est également possible d'augmenter l'isolation thermique de la ligne d'échappement 2, afin de maintenir une température suffisante dans le catalyseur de réduction 11, notamment durant des périodes de ralenti. De même, l'utilisation de substrats présentant une faible inertie thermique, pour le catalyseur d'oxydation 9, le filtre à particules 10 et/ou le catalyseur de réduction 11, peut permettre de diminuer le temps de chauffe du catalyseur de réduction 11.
La ligne d'échappement 2 peut également comprendre un injecteur 15 d'un agent réducteur, monté en amont du catalyseur de réduction 1l, par exemple entre le filtre à particules 10 et le catalyseur de réduction 11. L'injecteur 15 permet notamment d'introduire dans les gaz d'échappement, avant leur entrée dans le catalyseur de réduction, un agent réducteur capable, le cas échéant, d'améliorer la réduction des NOx dans le catalyseur 11. L'agent réducteur peut être par exemple de l'urée, de l'ammoniaque ou tout autre produit chimique capable de former de l'ammoniac lors de son introduction dans la ligne d'échappement. Le moyen de commande 13 permet d'augmenter la température du catalyseur de réduction 11, et d'obtenir une efficacité élevée qui dépend peu du rapport NO2/NOx entrant dans le catalyseur de réduction 11.
Ainsi, le moyen de commande 13 peut augmenter la température du catalyseur de réduction Il à une température supérieure ou égale à 200°C. Dans ce cas, il est en particulier possible d'obtenir une efficacité élevée du catalyseur de réduction 11, pour des rapports NO2/NOx compris entre 0 et 0,5. Dans la mesure où, en sortie du moteur, le rapport NO2/NOx varie entre 0,05 et 0,5, une température supérieure à 200°C permet donc d'obtenir une efficacité du catalyseur de réduction dépendant peu du rapport NO2/NOx. Alternativement, il est également possible d'augmenter la température du catalyseur de réduction Il à une température supérieure à 300°C. Dans ce cas, l'énergie thermique à fournir est plus importante, mais l'efficacité du catalyseur 11 reste élevée, même pour des rapports NO2/NOx supérieurs à 0,5. Ainsi, en fonction du régime moteur et des paramètres de fonctionnement du catalyseur par oxydation 9 et du filtre à particules 10, on pourra choisir une température du catalyseur de réduction supérieure ou égale à 300°C afin d'assurer une efficacité élevée de traitement des NOx par le catalyseur de réduction 11, quelque soit le rapport NO2/NOx en entrée du catalyseur de réduction. Le dispositif permet donc de traiter les oxydes d'azote NOx en contrôlant la température du catalyseur de réduction 11, éventuellement en fonction du rapport NO2/NOx entrant dans ledit catalyseur, et non en contrôlant le rapport NO2/NO entrant dans le catalyseur.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement (2) avec un catalyseur d'oxydation (9), un catalyseur de réduction (11) monté en aval du catalyseur d'oxydation (9) et une unité de contrôle électronique (12), caractérisé en ce que le catalyseur d'oxydation (9) comprend moins de 0,03g de platine par litre de catalyseur, et en ce que l'unité de contrôle électronique (12) comprend un moyen de commande (13) capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction (11).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le catalyseur d'oxydation (9) est capable d'oxyder sélectivement le monoxyde de carbone et les hydrocarbures.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le catalyseur d'oxydation (9) est un catalyseur au palladium ou à l'or.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le moyen de commande (13) de l'unité de contrôle électronique est capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction (11) jusqu'à une température supérieure ou égale à un seuil compris entre 170°C et 400°C, de préférence entre 180°C et 350°C, et encore plus préférentiellement entre 200°C et 300°C.
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le moyen de commande (13) est capable d'augmenter la température du catalyseur de réduction (11) par l'intermédiaire : du contrôle moteur, d'une injection de carburant en amont du catalyseur de réduction, ou d'un moyen électrique d'augmentation de la température du catalyseur de réduction.
  6. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la ligne d'échappement comprend un filtre à particules (10) monté en aval du catalyseur d'oxydation (9) et en amont du catalyseur de réduction (11).
  7. 7. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel des moyens d'injection (15) d'un fluide réducteur sont montés entre le filtre à particules (10) et le catalyseur de réduction (11).
  8. 8. Procédé de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une oxydation catalytique des gaz d'échappement et une réduction catalytique des gaz issus de l'oxydation catalytique, caractérisé en ce que, lors de l'oxydation catalytique, on oxyde sélectivement le monoxyde de carbone et les hydrocarbures contenus dans les gaz d'échappement, et en ce qu'on augmente la température de la phase de réduction catalytique.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on augmente la température du catalyseur de réduction (11) jusqu'à une température supérieure ou égale à un seuil compris entre 170°C et 400°C, de préférence entre 180°C et 350°C, et encore plus préférentiellement entre 200°C et 300°C.
  10. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 dans lequel on injecte un fluide réducteur dans les gaz issus de l'oxydation catalytique, avant la réduction catalytique.20
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