FR2947004A1 - Ligne d'echappement avec dispositif de traitement des oxydes d'azote. - Google Patents

Ligne d'echappement avec dispositif de traitement des oxydes d'azote. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une ligne d'échappement (2) d'un moteur (4) comprenant un conduit chaud (3) et un conduit froid (5) de circulation des gaz d'échappement, un élément de découplage mécanique (10) reliant l'extrémité aval du conduit chaud (3) à l'extrémité amont du conduit froid (5), un dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote, et des moyens d'injection (16) destinés à injecter un composé réducteur ou à produire un réducteur dans la ligne d'échappement en amont du dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote. Les moyens d'injection (16) et le dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote sont intercalés dans le conduit chaud, en amont de l'élément de découplage mécanique (10).

Description

Ligne d'échappement avec dispositif de traitement des oxydes d'azote. La présente invention concerne en général les lignes d'échappement de véhicules automobiles équipés de systèmes de traitement des oxydes d'azote des gaz d'échappement d'un moteur.
Plus précisément, l'invention concerne une ligne d'échappement de véhicule automobile, du type comprenant un conduit chaud et un conduit froid de circulation des gaz d'échappement, un élément de découplage mécanique reliant l'extrémité aval du conduit chaud à l'extrémité amont du conduit froid, un dispositif de traitement des oxydes d'azote, et des moyens d'injection destinés à injecter un composé réducteur ou à produire un réducteur dans la ligne d'échappement en amont du dispositif de traitement des oxydes d'azote. Une telle ligne d'échappement est prévue pour équiper un moteur à combustion interne, par exemple Diesel. Elle comporte un catalyseur prévu pour réaliser la réduction des oxydes d'azote et un injecteur placé en amont du catalyseur. L'injecteur est destiné à injecter un réducteur ou une substance produisant un réducteur des oxydes d'azote, tel que l'urée dans la ligne d'échappement. L'urée subit consécutivement deux réactions chimiques, la thermolyse et l'hydrolyse, et se transforme en ammoniac. Au sein du catalyseur et lorsque les gaz d'échappement atteignent une certaine température, l'ammoniac réagit chimiquement avec les oxydes d'azote, réduisant ceux-ci en azote et en eau. Dans une ligne d'échappement comportant un système SCR, c'est-à-dire un catalyseur assurant la réduction sélective des oxydes d'azote, l'injection de l'agent réducteur se situe généralement en aval de l'élément de découplage mécanique pour éviter d'endommager celui-ci, par exemple afin d'éviter les risques de corrosion et de défaillance mécanique.... Un tel agencement présente en revanche l'inconvénient majeur d'augmenter le délai d'amorçage de conversion des oxydes d'azote du fait de l'éloignement du système SCR par rapport au moteur.
Compte tenu des contraintes citées précédemment, l'architecture d'une telle ligne d'échappement comportant un système SCR ne permet pas d'obtenir une efficacité de conversion des oxydes d'azote NOX suffisante lorsque le véhicule est en mode de roulage urbain, faute d'atteindre rapidement la température seuil ou minimale autorisant l'injection de l'agent réducteur. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une ligne d'échappement dont le fonctionnement est plus satisfaisant, de meilleure efficacité de conversion des oxydes d'azote. A cette fin, l'invention porte sur une ligne d'échappement du type précité, caractérisée en ce que les moyens d'injection et le dispositif de traitement des oxydes d'azote sont intercalés dans le conduit chaud, en amont de l'élément de découplage mécanique.
La ligne d'échappement peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif de traitement des oxydes d'azote en amont de l'élément de découplage mécanique est un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote. - le dispositif de traitement des oxydes d'azote en amont de l'élément de découplage mécanique est un catalyseur d'hydrolyse des oxydes d'azote. - le dispositif de traitement des oxydes d'azote en amont de l'élément de découplage mécanique comprend un catalyseur d'hydrolyse des oxydes d'azote et un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote. - la ligne d'échappement comprend un autre dispositif de traitement des oxydes d'azote intercalé dans le conduit froid, en aval de l'élément de découplage mécanique, l'autre dispositif de traitement des oxydes d'azote étant un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote. - elle comprend un filtre à particules situé en aval de l'élément de découplage mécanique et une autre enveloppe entourant le filtre à particules et l'autre dispositif de traitement des oxydes d'azote. - elle comprend un catalyseur d'oxydation situé en amont des moyens d'injection. - elle comprend une même enveloppe entourant le catalyseur d'oxydation et le dispositif de traitement des oxydes d'azote. - les moyens d'injection sont montés sur l'enveloppe commune au catalyseur d'oxydation et au dispositif de traitement des oxydes d'azote. - elle comprend un mélangeur entre les moyens d'injection et le système de traitement des oxydes d'azote, situés en amont de l'élément de découplage mécanique. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte une ligne d'échappement du type précédent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique de la ligne d'échappement selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation de la ligne d'échappement selon l'invention. Dans la description qui va suivre, l'amont et l'aval seront entendus relativement au sens de circulation normal des gaz d'échappement à travers la ligne d'échappement, indiqué par la flèche sur les figures. La ligne d'échappement 2 représentée sur la figure 1 est prévue pour être montée sur un véhicule automobile équipé d'un moteur 4 à combustion interne, par exemple Diesel. La ligne d'échappement 2 d'un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne comporte typiquement, disposés en série, un collecteur des gaz en sortie du moteur, éventuellement un turbocompresseur, un dispositif de purification des gaz et un silencieux. Les polluants issus de la combustion d'un moteur Diesel comprennent majoritairement des hydrocarbures imbrûlés HC, des oxydes d'azote NOX (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2), le monoxyde de carbone CO et des particules de suies. De façon connue, le dispositif de purification des gaz d'échappement comprend au moins un élément parmi un organe de purification catalytique et/ou un filtre à particules. L'organe de purification catalytique est adapté pour le traitement des émissions polluantes en phase gazeuse, alors que le filtre à particules est adapté pour retenir les particules de suies émises par le moteur et éventuellement pour fixer les polluants gazeux.
L'organe de purification catalytique comprend, par exemple, une structure perméable aux gaz recouverte de métaux catalytiques favorisant l'oxydation des gaz de combustion et/ou la réduction des oxydes d'azote. La ligne d'échappement 2 selon l'invention, comprend un conduit chaud 3 de circulation des gaz d'échappement disposé proche du moteur 4 et un conduit froid 5 de circulation des gaz d'échappement située plus loin du moteur 4, en aval du conduit chaud 3. Les conduits chaud 3 et froid 5 comportent respectivement des dispositifs 6 et 8 de purification des gaz d'échappement disposés en série et en aval du moteur 4. La ligne d'échappement 2 comprend en outre un élément de découplage mécanique 10 raccordant de manière étanche l'extrémité aval du conduit chaud 3 à l'extrémité amont du conduit froid 5. L'élément de découplage mécanique 10 est traversé par les gaz d'échappement circulant du conduit chaud 3 au conduit froid 5. Cet élément de découplage mécanique 10 comprend par exemple, un manchon souple constitué d'un tricot de fibres métalliques et étanche aux gaz d'échappement. L'élément de découplage peut également être du type décrit dans FR- 2878563. Il compense les vibrations du moteur 4 entre les divers éléments des conduits chaud 3 et froid 5 de la ligne d'échappement. Le premier dispositif 6 de purification des gaz comprend en série un catalyseur d'oxydation (DOC) 12 et un système 14 de traitement des oxydes d'azote disposé en aval du catalyseur d'oxydation 12. Le premier dispositif 6 comporte en outre une enveloppe entourant à la fois le catalyseur d'oxydation (DOC) 12 et le système 14 de traitement des oxydes d'azote. Le catalyseur d'oxydation 12 convertit les HC et CO issus du moteur dans le but de satisfaire les normes antipollution, crée l'exotherme qui permet d'atteindre les conditions de températures favorables à la régénération du filtre, et transforme une partie du NO en NO2 pour favoriser la réaction de réduction des NOx par le réducteur à basse température. Il est essentiellement constitué de métaux précieux (platine, palladium, rhodium) déposés sur un support oxyde. Le substrat peut être en cordiérite ou métallique, suivant son emplacement dans la ligne. Selon une variante, la ligne d'échappement comprend une pluralité de catalyseurs d'oxydation (DOC), les fonctions pouvant être réparties sur les différents DOC. Tous les catalyseurs ont pour fonction primaire de traiter les HC et le CO. Un catalyseur d'oxydation positionné en amont du catalyseur RCS a également pour fonction de transformer les NO en NO2 tandis qu'un catalyseur d'oxydation positionné en aval d'un catalyseur de réduction sélective a pour fonction supplémentaire de traiter les éventuelles surémissions de NH3, c'est-à- dire de réduire l'ammoniac en excès par rapport aux oxydes d'azote. Si en plus il est situé en amont du filtre à particules, il a pour fonction de générer l'exotherme nécessaire pour la régénération du filtre. Le système 14 de traitement des oxydes d'azote comprend un catalyseur réalisant à la fois l'hydrolyse et la réduction sélective (RCS ou SCR en anglais) des oxydes d'azote. Le catalyseur de type RCS comprend une enveloppe externe et un monolithe disposé à l'intérieur de l'enveloppe. L'enveloppe définit donc un canal de circulation des gaz d'échappement à travers le monolithe. Le monolithe est formé d'un matériau poreux, perméable aux gaz d'échappement. Il est conformé par exemple en nid d'abeilles. Le matériau est typiquement formé de cordiérite, de carbure de silicium ou d'un matériau métallique. Il est imprégné de matériau catalytique. Ainsi, le monolithe est apte à piéger les espèces chimiques réductrices injectées par des moyens d'injection 16, et à faire réagir certains composants tels que les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement avec lesdites espèces réductrices de manière à les réduire, les oxydes d'azote étant notamment réduits en azote gazeux. Les moyens d'injection 16 sont intégrés au premier dispositif 6 de purification des gaz et disposés en aval du catalyseur d'oxydation 12 et en amont du système 14 de traitement des oxydes d'azote. Ils sont montés sur l'enveloppe de ce premier dispositif 6, entourant le catalyseur d'oxydation 12 et le système 14 de traitement des oxydes d'azote. Ils comportent un injecteur 17 qui introduit dans le canal interne de la ligne d'échappement une solution liquide d'un réducteur des oxydes d'azote ou d'une substance produisant un tel réducteur. Le réducteur peut être un ou des hydrocarbure(s), ou des espèces hydrocarbonées partiellement oxydées, ou de l'ammoniac, ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition chimique. De préférence, l'injecteur 17 est prévu pour injecter un mélange d'eau et d'urée sous forme de gouttelettes à l'intérieur de l'enveloppe du premier dispositif 6 de traitement des gaz d'échappement entre le monolithe des catalyseurs 12 et le monolithe du catalyseur 14.. Les gouttelettes se mélangent aux gaz d'échappement, en se vaporisant. Le réducteur se décompose et/ou réagit avec les oxydes d'azote dans le catalyseur SCR afin d'obtenir des composés gazeux. Le risque de former des dépôts solides agressifs est réduit pour les composants situés en aval et notamment l'élément de découplage mécanique. Les moyens d'injection 16 comportent également une ligne d'alimentation de l'injecteur en liquide à injecter, et des moyens de commande pour autoriser ou interdire l'alimentation de l'injecteur en urée par l'intermédiaire de la ligne d'échappement. Les moyens de commande sont par exemple une vanne commandée par un calculateur. Le second dispositif 8 de purification des gaz comprend un filtre à particules 18.
Le filtre à particules 18 comprend un matériau de filtration typiquement constitué d'une structure monolithique en céramique ou en carbure de silicium ayant une porosité suffisante pour permettre le passage des gaz d'échappement. Cependant, comme connu en soi, le diamètre des pores est choisi suffisamment petit pour assurer une retenue des particules, et notamment des particules de suies, sur la face amont du filtre. Le filtre à particules 18 peut également être réalisé à partir d'une mousse de céramique, de cordiérite ou de carbure de silicium. Il peut également être constitué d'un filtre cartouche ou d'un filtre en métal fritté. Le filtre à particules 18 comporte par exemple un ensemble de canaux parallèles répartis en un premier groupe de canaux d'entrée et un second groupe de canaux de sortie. Les canaux d'entrée et de sortie sont disposés en quinconce. Les canaux d'entrée sont débouchant sur la section amont du filtre à particules, et obturés au niveau de la section aval du filtre à particules. Au contraire, les canaux de sortie sont obturés sur la section amont du filtre à particules et sont débouchant sur la section aval. Le fonctionnement de la ligne d'échappement 2 décrite ci-dessus va maintenant être détaillé.
Quand le moteur thermique du véhicule est en fonctionnement, les gaz d'échappement pénètrent dans la ligne d'échappement par le collecteur, parcourent les conduits chaud 3 et froid 5 et traversent les dispositifs de traitement des gaz d'échappement. Le catalyseur d'oxydation convertit les HC et CO issus du moteur si la température des gaz d'échappement est supérieure à la température d'amorçage des réactions catalysées. De plus, il crée l'exotherme qui permet d'atteindre les conditions de températures favorables à la régénération du filtre. Le catalyseur d'oxydation 12 transforme également NO en NO2 pour favoriser la réaction de réduction des NOX par le réducteur.
L'injecteur projette suivant la direction d'injection des gouttelettes de mélange d'eau et d'urée dans le conduit chaud de circulation des gaz d'échappement. Grâce à une sonde à oxydes d'azote, un calculateur de pilotage de la ligne d'échappement détermine la quantité nécessaire de solution d'urée, qui, une fois transformée en ammoniac, réduit les oxydes d'azote dans le catalyseur dédié. L'urée se transforme en ammoniac par thermolyse à partir de 180°C dans la ligne d'échappement au contact des gaz d'échappement. Si la température des gaz d'échappement n'atteint pas la température d'amorçage des réactions catalysées parce que le véhicule n'a démarré que depuis peu de temps, on ne réalise pas d'injection de réducteur dans la ligne pour éviter des surémissions de NH3. Le flux de gaz d'échappement et les gouttelettes de liquide dispersées dans ce flux ainsi que la partie du liquide déjà vaporisée, pénètrent alors à l'intérieur du catalyseur SCR et rencontrent le monolithe. Les gouttelettes se fixent dans le monolithe, et les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement sont réduits en azote gazeux. Après avoir traversés le monolithe, les gaz d'échappement contenant l'azote gazeux sortent du catalyseur SCR et sont canalisés jusqu'à la sortie de la ligne d'échappement.
Enfin, le filtre à particules piége les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement. Un second mode de réalisation de la ligne d'échappement est illustré sur la figure 2. La ligne d'échappement 2 diffère de celle du premier mode de réalisation en ce que le second dispositif 8 de purification des gaz comprend en série un second système 22 de traitement des oxydes d'azote, qui est un catalyseur de réduction sélective (RCS ou SCR en anglais) des oxydes d'azote, et le filtre à particules 18 en aval du catalyseur RCS. Le catalyseur de réduction sélective 22 et le filtre à particules 18 sont entourés d'une même enveloppe intégrée au second dispositif 8 de purification des gaz d'échappement. En outre, le dispositif 20 de traitement des oxydes d'azote du premier dispositif 6 de purification des gaz d'échappement comprend un catalyseur d'hydrolyse des oxydes d'azote. Selon une seconde variante, le dispositif 20 de traitement des oxydes d'azote comprend un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote. Selon une troisième variante, le dispositif 20 de traitement des oxydes d'azote comprend à la fois un catalyseur d'hydrolyse et de réduction sélective des oxydes d'azote. Le fonctionnement de ces lignes d'échappement est similaire au précédent.
En effet, dans la première variante, l'urée est hydrolysée dans le catalyseur 20 et convertie en gaz d'ammoniac. La réduction des oxydes d'azote en azote N2 est entièrement réalisée dans le catalyseur RCS 22. Il ne se forme pas de dépôt dans l'élément de découplage 10 car l'urée est convertie en gaz en amont de celui-ci.
Dans la première variante, l'urée a davantage de temps pour se transformer en ammoniac et l'ammoniac pour se mélanger aux gaz d'échappement. Dans les seconde et troisième variantes, les oxydes d'azote sont réduits en partie dans le catalyseur 20 et en partie dans le catalyseur. Le premier catalyseur 20 a une bonne efficacité due aux fortes températures en raison de sa proximité du moteur. Le second catalyseur SCR 22 réduit les éventuels oxydes d'azote qui n'auraient pas été réduits dans le premier catalyseur 20. Il augmente ainsi l'efficacité de traitement des oxydes d'azote.
Le catalyseur SCR peut être combiné à un réacteur à ionisation des gaz d'un type connu en lui-même (dit aussi réacteur plasma non-thermique ).Un tel réacteur permet de favoriser la formation de NO2 dans un domaine de basse température, ce qui a pour effet d'activer la réaction de réduction des NOx.
En outre, un mélangeur peut être intercalé entre le dispositif d'injection et le catalyseur SCR afin de rendre les gaz d'échappement qui le traversent plus turbulents. Il contribue à l'atomisation des gouttes du liquide injecté. En effet, plus la taille des gouttes est faible, plus la réaction de réduction des gaz d'échappement par l'espèce chimique réductrice sera rapide et complète.
L'invention permet de rapprocher l'injecteur du moteur et les performances d'amorçage de réduction des oxydes d'azote et d'accroître ainsi leur efficacité de conversion à basse température. L'introduction du réducteur en position rapprochée du moteur évite ou diminue les risques de dépôts issus des produits de décomposition de l'agent réducteur en aval de ce dispositif de purification des gaz pouvant endommager les composants situés en aval dans la ligne d'échappement et assure ainsi leur durabilité, en particulier l'élément de découplage mécanique des parties chaude et froide. L'invention permet en outre l'intégration de l'injecteur de liquide dans les dispositif de purification des gaz contenant le catalyseur d'oxydation diesel (DOC) et le premier dispositif de réduction par catalyse sélective (SCR) (et/ou d'hydrolyse) malgré la distance très faible empêchant une répartition de réducteur satisfaisante sur la face d'entrée sur ce catalyseur. Dans tous les modes de réalisations, au moins l'hydrolyse de l'urée est réalisée en amont de l'élément de découplage mécanique.

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1.- Ligne d'échappement (2) d'un moteur (4) comprenant un conduit chaud (3) et un conduit froid (5) de circulation des gaz d'échappement, un élément de découplage mécanique (10) reliant l'extrémité aval du conduit chaud (3) à l'extrémité amont du conduit froid (5), un dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote, et des moyens d'injection (16) destinés à injecter un composé réducteur ou à produire un réducteur dans la ligne d'échappement en amont du dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote, la ligne d'échappement étant caractérisée en ce que les moyens d'injection (16) et le dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote sont intercalés dans le conduit chaud, en amont de l'élément de découplage mécanique (10).
    2.- Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote en amont de l'élément de découplage mécanique (10) est un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote.
    3.- Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote en amont de l'élément de découplage mécanique (10) est un catalyseur d'hydrolyse des oxydes d'azote.
    4.- Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote en amont de l'élément de découplage mécanique (10) comprend un catalyseur d'hydrolyse des oxydes d'azote et un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote.
    5.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un autre dispositif (22) de traitement des oxydes d'azote intercalé dans le conduit froid, en aval de l'élément de découplage mécanique (10), l'autre dispositif (22) de traitement des oxydes d'azote étant un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote.
    6.- Ligne d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un filtre à particules (18) situé en aval de l'élément de découplage mécanique (10) et une enveloppe entourant le filtre à particules (18) et l'autre dispositif (22) de traitement des oxydes d'azote.
    7.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un catalyseur d'oxydation (12) situé en amont des moyens d'injection (16).
    8.- Ligne d'échappement selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une même enveloppe entourant le catalyseur d'oxydation (12) et le dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote.
    9.- Ligne d'échappement selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens d'injection (16) sont montés sur l'enveloppe commune au catalyseur d'oxydation (12) et au dispositif (14 ; 20) de traitement des oxydes d'azote.
    10.- Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un mélangeur entre les moyens d'injection (16) et le système (14 ;20) de traitement des oxydes d'azote, situés en amont de l'élément de découplage mécanique (10).
    11.- Véhicule automobile équipé d'un moteur et d'une ligne d'échappement, caractérisé en ce que ladite ligne d'échappement est une ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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