FR2942847A1 - Dispositif et procede de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'echappement - Google Patents

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 avec un catalyseur de réduction 11 par l'ammoniac et un injecteur 12 d'un précurseur de l'ammoniac ou d'un agent réducteur capable de former un précurseur de l'ammoniac, monté en amont du catalyseur de réduction 11. Le dispositif comporte également un mélangeur statique 13, monté entre l'injecteur 12 et le catalyseur de réduction 11, le mélangeur statique 13 comprenant un catalyseur de formation de l'ammoniac à partir du précurseur de l'ammoniac.

Description

B08/4221 FR / GBO PJ9216-IA/CB Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Dispositif et procédé de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement Invention de : BOEN Maël LOMBAERT Karine MORAL-MOUADDIB Najat Dispositif et procédé de traitement des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de traitement des gaz d'échappement rejetés par un moteur à combustion interne. En particulier, la présente invention concerne un dispositif et un procédé 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 et NO2. 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'ammoniac, 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. I1 est ainsi possible d'utiliser un élément additionnel dans la ligne d'échappement, afin de créer des turbulences. Une autre solution est d'augmenter la distance entre le point d'injection de l'agent réducteur et le catalyseur de réduction. Cependant, l'augmentation de la distance augmente les pertes thermiques, ce qui réduit fortement l'efficacité du catalyseur. Par ailleurs, dans le cas de l'injection d'une solution d'urée par exemple, l'ammoniac est formé dans la ligne d'échappement en deux temps. Dans un premier temps, l'urée subit une thermolyse pour donner de l'ammoniac et de l'acide isocyanique. Puis, l'acide isocyanique est hydrolysé en ammoniac et en dioxyde de carbone. Or, l'hydrolyse de l'acide isocyanique est parfois réalisée sur la partie amont du catalyseur de réduction, notamment pour des températures inférieures à 220°C, ce qui réduit le volume efficace du catalyseur de réduction pour traiter les NOx, et donc l'efficacité du traitement des NOx. I1 existe des dispositifs de traitement des NOx comprenant des mélangeurs statiques, par exemple une grille ou un mélangeur possédant des ailettes. Ces mélangeurs ont pour but d'homogénéiser le mélange gazeux comprenant les gaz d'échappement et l'agent réducteur. Cependant, ces mélangeurs statiques ne comprennent pas de catalyseurs.

Un but de l'invention est d'améliorer le traitement des gaz d'échappement. En particulier, un but de l'invention est d'augmenter l'efficacité de traitement des NOx par le catalyseur de réduction, et notamment de réduire les pertes thermiques en amont du catalyseur de réduction.

Un autre but de l'invention est de permettre l'utilisation du volume entier 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 de réduction par l'ammoniac et un injecteur d'un précurseur de l'ammoniac ou d'un agent réducteur capable de former un précurseur de l'ammoniac, monté en amont du catalyseur de réduction. Le dispositif comporte également un mélangeur statique monté entre l'injecteur et le catalyseur de réduction, le mélangeur statique comprenant un catalyseur de formation de l'ammoniac à partir du précurseur de l'ammoniac. On entend par précurseur de l'ammoniac une molécule chimique pouvant permettre, par réaction chimique, la formation d'ammoniac. L'urée est un exemple de précurseur de l'ammoniac puisque la réaction de thermolyse de l'urée permet de former de l'ammoniac (et de l'acide isocyanique). De même, l'acide isocyanique est également un précurseur de l'ammoniac puisqu'il permet, par réaction d'hydrolyse avec de l'eau, de former de l'ammoniac (et du dioxyde de carbone). De plus, on entend par catalyseur de formation de l'ammoniac un catalyseur de la réaction chimique qui permet de former l'ammoniac à partir du précurseur. Dans le cas de l'urée, le catalyseur de formation de l'ammoniac sera un catalyseur de la réaction thermolyse. Dans le cas de l'acide isocyanique, le catalyseur de formation de l'ammoniac sera un catalyseur de la réaction d'hydrolyse. Le mélangeur statique permet de préparer le mélange gazeux alimentant le catalyseur de réduction, de manière à améliorer le fonctionnement de ce dernier. En particulier, le mélangeur statique permet d'une part d'homogénéiser le mélange de gaz d'échappement et d'agent réducteur, et d'autre part de produire, au sein du mélange gazeux, l'ammoniac utilisé par le catalyseur de réduction pour traiter les NOx. Notamment, dans le cas où l'agent réducteur est une solution aqueuse d'urée, la thermolyse de l'urée ne permet de produire qu'une mole d'ammoniac et une mole d'acide isocyanique pour une mole d'urée, alors que la combinaison de la thermolyse et de l'hydrolyse permet d'obtenir deux moles d'ammoniac pour une mole d'urée. Ainsi, l'acide isocyanique est un précurseur de l'ammoniac et le mélangeur statique peut comprendre un catalyseur de la réaction d'hydrolyse de l'acide isocyanique de façon à ce que le mélange gazeux sortant du mélangeur statique soit de suite prêt à être traité par le catalyseur de réduction, et ne nécessite pas une fraction du catalyseur de réduction pour effectuer l'hydrolyse de l'acide isocyanique. Le catalyseur de réduction sert alors uniquement à traiter les NOx. Par ailleurs, le mélangeur statique permet également de réduire la distance entre l'injecteur d'agent réducteur et le catalyseur de réduction, limitant ainsi les pertes thermiques des gaz d'échappement lors de leur circulation dans la ligne d'échappement.

Préférentiellement, le précurseur de l'ammoniac comprend l'acide isocyanique et le catalyseur de formation de l'ammoniac comprend un catalyseur d'hydrolyse comportant du fer, du cuivre et/ou de l'oxyde de titane. En particulier, le catalyseur d'hydrolyse comprend du TiO4, une zéolithe associée au fer comme promoteur et/ou une zéolithe associée au cuivre comme promoteur. Le catalyseur est choisi de manière à présenter une activité catalytique importante pour la réaction d'hydrolyse de l'acide isocyanique. En particulier, un catalyseur très actif permettra de réduire éventuellement le volume du mélangeur statique, et donc de diminuer encore les pertes thermiques, ainsi que les pertes de charge. Le mélangeur statique peut comprendre une mousse pourvue de pores ouverts et revêtue du catalyseur de formation de l'ammoniac. La mousse pourvue de pores ouverts est par exemple une mousse en céramique ou une mousse métallique. La mousse pourvue de pores ouverts permet d'effectuer un mélange efficace des gaz d'échappement et de l'agent réducteur, tout en limitant la perte de charge dans la ligne d'échappement. Selon un autre mode de réalisation, le mélangeur statique peut comprendre au moins deux mousses pourvues de pores ouverts et disposées de manière adjacente. De plus, les mousses pourvues de pores ouverts peuvent être séparées par des entretoises. L'utilisation de plusieurs mousses peut permettre de modifier les caractéristiques du mélangeur statique, par exemple sa surface spécifique et/ou son volume. Préférentiellement, l'agent réducteur est de l'urée. 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, dans lequel : - on injecte un précurseur de l'ammoniac ou un agent réducteur capable de former un précurseur de l'ammoniac, puis - on mélange les gaz d'échappement et le précurseur de l'ammoniac, et on fait réagir le précurseur de l'ammoniac de manière à former l'ammoniac, puis - on effectue une réduction catalytique des gaz par l'ammoniac. Avantageusement, l'agent réducteur est de l'urée et on réalise une thermolyse de l'urée avant d'hydrolyser l'acide isocyanique pour former l'ammoniac.

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 illustré, en coupe, un exemple de dispositif de 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 dispositif de 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 recirculation des gaz d'échappement 7, et un système de turbo compression 8. Le dispositif de traitement des gaz d'échappement 2 comprend, par exemple, une ligne d'échappement, 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.

Par ailleurs, un injecteur d'agent réducteur 12 et un mélangeur statique 13 sont montés sur la ligne d'échappement, entre le filtre à particules 10 et le catalyseur de réduction 11. L'injecteur d'agent réducteur 12 est monté en amont du mélangeur statique 13. 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 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 catalyser la réaction de réduction des NOx par l'ammoniac. Par exemple, le catalyseur 11 peut être à base de cuivre sur une matrice poreuse en zéolithe, ou bien encore à base de fer sur une matrice poreuse de zéolithe, à base de vanadium ou bien encore à base d'oxydes mixtes. Afin d'améliorer l'efficacité de traitement des NOx par le catalyseur de réduction 11, l'injecteur 12 introduit dans la ligne d'échappement un agent réducteur. L'agent réducteur a pour but de faciliter la réduction des NOx par le catalyseur de réduction 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. Parmi les composés capables de former de l'ammoniac, il existe notamment l'urée et l'acide isocyanique. Dans la mesure où l'urée forme également de l'acide isocyanique, on considère, pour la suite de la description, que l'agent réducteur est l'urée. Lors de l'injection dans la ligne d'échappement, l'urée (stockée sous forme liquide) se vaporise au contact des gaz d'échappement, puis subit une réaction de thermolyse lorsque la température est supérieure à 152°C. La réaction de thermolyse s'écrit sous la forme : (NH2)2CO -* NH3 + HNCO.

Ainsi, une mole d'urée permet de produire une mole d'ammoniac et une mole d'acide isocyanique. Par ailleurs, à une température supérieure à 128°C et en présence d'un catalyseur, l'acide isocyanique peut subir, dans un deuxième temps, une réaction d'hydrolyse s'écrivant sous la forme : HNCO + H2O -* NH3 + CO2. Lorsqu'une solution d'urée est injectée dans les gaz d'échappement en amont d'un catalyseur de réduction, la solution d'urée s'évapore et subit une thermolyse. Cependant, la réaction d'hydrolyse n'a lieu le plus souvent qu'au niveau du catalyseur de réduction, en raison d'une température dans la ligne d'échappement trop faible. Cela empêche d'une part le traitement des NOx par la partie du catalyseur qui catalyse la réaction d'hydrolyse. D'autre part, à l'entrée du catalyseur de réduction, la solution d'urée n'a pas encore produit la moitié des moles d'ammoniac qui peuvent être formées à partir des moles d'urée. On a donc une efficacité moins élevée du catalyseur de réduction. Un mélangeur statique 13 est monté en aval de l'injecteur 12 et en amont du catalyseur de réduction 11. Le mélangeur statique 13 permet d'une part d'homogénéiser le mélange gaz d'échappement/ammoniac, et d'autre part de catalyser la réaction d'hydrolyse de l'acide isocyanique. On obtient alors, à l'entrée du catalyseur de réduction 11, un mélange homogène comprenant notamment deux moles d'ammoniac pour une mole d'urée injectée. Le catalyseur de réduction peut alors catalyser uniquement les réactions de traitement des NOx, et n'est plus utile à la réaction d'hydrolyse de l'acide isocyanique. Par ailleurs, grâce à l'efficacité du mélangeur statique, la distance nécessaire entre l'injecteur 12 et le catalyseur de réduction 11 peut être réduite, ce qui diminue les pertes thermiques des gaz dans la ligne d'échappement et donc augmente l'efficacité des réactions de réduction des NOx. Le mélangeur statique 13 peut comprendre une mousse à pores ouverts qui, d'une part, permet aux gaz d'échappement de la traverser et, d'autre part, crée des turbulences conduisant à l'homogénéisation des gaz. En particulier, un compromis entre efficacité et perte de charge doit être choisi. Ce compromis peut dépendre notamment du volume de mousse à pores ouverts, des caractéristiques techniques de la mousse (telles que la porosité, le diamètre moyen des pores, la distribution des pores, la surface spécifique), et de la masse d'imprégnation des pores. Ainsi, on peut par exemple opter pour un mélangeur statique comprenant plusieurs mousses à pores ouverts, disposées de manière adjacente dans le sens de circulation des gaz d'échappement. Ces mousses peuvent également être séparées par des entretoises ou non.

La mousse à pores ouverts est imprégnée de catalyseur pour l'hydrolyse de l'acide isocyanique qui est injecté par l'injecteur 12 ou qui est formé par thermolyse de l'urée injecté par l'injecteur 12. Le catalyseur 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 tels que TiO4. Par ailleurs, l'imprégnation sera choisie de manière à résister aux conditions de fonctionnement, notamment de manière à ne pas se fritter dans les conditions normales de fonctionnement. Le matériau de la mousse est choisi en fonction des conditions de fonctionnement auxquelles il doit être résistant, notamment la température atteinte, la corrosion, les vibrations, etc. La mousse peut ainsi comprendre des matériaux de type céramique, ou bien encore métalliques. Dans le cas d'une mousse métallique, il est également possible d'utiliser le mélangeur statique comme moyen de chauffage. Ainsi, la mousse métallique peut être alimentée électriquement, par exemple par un moyen de contrôle électronique (non-représenté), de manière à augmenter la température des gaz qui traversent la mousse. On peut ainsi augmenter l'efficacité du catalyseur de réduction 11 ou bien fournir la chaleur nécessaire aux composés capables de former de l'ammoniac, par exemple par la réaction de thermolyse et d'hydrolyse de l'urée, lorsque la température des gaz n'est pas suffisante. Alternativement, le dispositif de traitement des gaz d'échappement 2 peut également présenter une disposition différente des moyens de traitements. Ainsi, le filtre à particules 10 peut être disposé en aval du catalyseur de réduction 11, ou bien peut être réalisé, avec le catalyseur de réduction 11, sous la forme d'un seul élément noté SCRF (en anglais : Selective Catalytic Reduction Filter ). Dans les deux cas, l'injecteur 12 et le mélangeur statique 13 sont montés en aval du catalyseur d'oxydation 9, et en amont du catalyseur de réduction et du filtre à particules. En complément, il est également possible d'augmenter l'isolation thermique de la ligne d'échappement, 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. Le dispositif de traitement des gaz d'échappement 2 permet ainsi un traitement amélioré des NOx, tout en conservant un encombrement réduit et un coût d'utilisation limité.

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 avec un catalyseur de réduction (11) par l'ammoniac et un injecteur (12) d'un précurseur de l'ammoniac ou d'un agent réducteur capable de former un précurseur de l'ammoniac, monté en amont du catalyseur de réduction (11), caractérisé en ce que le dispositif comporte également un mélangeur statique (13) monté entre l'injecteur (12) et le catalyseur de réduction (11), le mélangeur statique (13) comprenant un catalyseur de formation de l'ammoniac à partir du précurseur de l'ammoniac.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le précurseur de l'ammoniac comprend de l'acide isocyanique et dans lequel le catalyseur de formation de l'ammoniac comprend un catalyseur d'hydrolyse comportant du fer, du cuivre et/ou de l'oxyde de titane.
3. 3. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le catalyseur d'hydrolyse comprend du TiO4, une zéolithe associée au fer comme promoteur et/ou une zéolithe associée au cuivre comme promoteur.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélangeur statique (13) comprend une mousse pourvue de pores ouverts et revêtue du catalyseur de formation de l'ammoniac.
5. 5. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la mousse pourvue de pores ouverts est une mousse en céramique ou une mousse métallique.
6. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5 dans lequel le mélangeur statique (13) comprend au moins deux mousses pourvues de pores ouverts et disposées de manière adjacente.
7. 7. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel les mousses pourvues de pores ouverts sont séparées par des entretoises.
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'agent réducteur est de l'urée.
9. 9. Procédé de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, dans lequel : - on injecte un précurseur de l'ammoniac ou un agent réducteur capable de former un précurseur de l'ammoniac, puis - on mélange les gaz d'échappement et le précurseur de l'ammoniac, et on fait réagir le précurseur de l'ammoniac de manière à former l'ammoniac, puis - on effectue une réduction catalytique des gaz par l'ammoniac.
10. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'agent réducteur est de l'urée et dans lequel on réalise une thermolyse de l'urée avant d'hydrolyser l'acide isocyanique pour former l'ammoniac.15