FR2964696A1 - Systeme et procede de traitement des oxydes d'azote pour ligne d'echappement d'un vehicule automobile - Google Patents

Systeme et procede de traitement des oxydes d'azote pour ligne d'echappement d'un vehicule automobile Download PDF

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Abstract

Système et procédé de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) d'un véhicule automobile comportant un piège à oxyde d'azote (13) capable de capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et de les réduire et un système de réduction catalytique sélective (14) qui utilise l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote (13) en tant que réducteur sélectif pour transformer les oxydes d'azote en azote. Le système de traitement comporte un système d'injection d'hydrocarbures (12) en amont du piège à oxyde d'azote (13) et du système de réduction catalytique sélective (14).

Description

B 10-1503FR 1 SYSTEME ET PROCEDE DE TRAITEMENT DES OXYDES D'AZOTE POUR LIGNE D'ECHAPPEMENT D'UN VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention concerne d'une manière générale les systèmes de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile et en particulier les systèmes de traitement des oxydes d'azote.
I1 existe deux types de systèmes permettant de traiter les oxydes d'azote dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. I1 a tout d'abord été proposé d'utiliser un piège à oxyde d'azote capable de capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement puis de les réduire lors d'une phase de régénération appelée purge. Le fonctionnement du piège à oxyde d'azote dépendant à la fois de sa température et de la quantité de catalyseur utilisé, le système doit être situé au plus près du moteur pour augmenter sa température de fonctionnement.
Un autre type de système de traitement met en oeuvre une réduction catalytique sélective. Ce traitement utilise de l'ammoniac en tant que réducteur sélectif pour transformer les oxydes d'azote en azote. Le fonctionnement du système dépend également de sa température.
Le piège à oxyde d'azote a pour inconvénient de devoir être placé près du moteur, ce qui limite le volume disponible et est susceptible d'engendrer des températures de fonctionnement trop élevées pour traiter les oxydes d'azote. Tel est en particulier le cas lorsque le moteur fonctionne à des points de fonctionnement pour lesquels la chaleur dégagée est la plus élevée. Outre les problèmes d'encombrement, le système de réduction catalytique sélective a pour inconvénient de nécessiter un système d'injection d'ammoniac qui est difficile à implanter dans les véhicules automobiles.
Le document FR2822498 décrit un système de traitement d'effluents gazeux qui propose de combiner les deux approches. Ce système comporte un piège à oxyde d'azote situé en amont d'un système de réduction catalytique sélective et capable de générer l'ammoniac nécessaire au traitement continu des oxydes d'azote par le système de réduction catalytique sélective. Les purges du piège à oxyde d'azote qui permettent d'obtenir de l'ammoniac sont obtenues par des créneaux de richesse générés par le moteur. Pour fonctionner, cette association a besoin de températures élevées et de créneaux de richesse supérieure à 1. Cette association a donc pour inconvénient d'engendrer une forte dilution du carburant dans l'huile. En outre, les purges à richesse supérieure à 1 ne sont réalisables que sur une plage réduite de points de fonctionnement du moteur. Les purges à richesse supérieure à 1 engendrent également de fortes températures au niveau du turbocompresseur de suralimentation du moteur. I1 a également été proposé d'utiliser un système d'injection d'hydrocarbures en amont d'un système de réduction catalytique sélective et d'un filtre à particule. On pourra à cet égard se référer au document US2008/0022668. Ce système d'injection d'hydrocarbures permet de régénérer un filtre à particules situé dans une ligne d'échappement. I1 a encore été proposé d'utiliser un catalyseur d'oxydation en amont d'un filtre à particules situé dans une ligne d'échappement, comme décrit dans le document FR2897643, pour permettre une régénération du filtre à particules à des points de fonctionnement moteur différents. Au vu de ce qui précède, la présente invention a pour but de palier au moins en partie les inconvénients procurés par les techniques antérieures et, en particulier, d'augmenter la production d'ammoniac nécessaire au fonctionnement du système de réduction catalytique sélective. Un autre but de l'invention est de réduire la dilution du carburant dans l'huile.
L'invention a également pour but de permettre de générer de l'ammoniac sur un champ de fonctionnement du moteur élargi. Selon un premier aspect, il donc est proposé un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comportant un piège à oxyde d'azote capable de capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et de les réduire et un système de réduction catalytique sélective qui utilise l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote en tant que réducteur sélectif pour transformer les oxydes d'azote en azote.
Le système comporte un système d'injection d'hydrocarbures en amont du piège à oxyde d'azote et du système de réduction catalytique sélective. Ainsi, l'invention permet de s'affranchir des seules variations de richesse du moteur. En injectant des hydrocarbures avec le système d'injection d'hydrocarbures, on augmente la richesse dans la ligne d'échappement, ce qui augmente la production d'ammoniac nécessaire au fonctionnement du système de réduction catalytique sélective. Elle permet aussi d'atteindre la consigne de richesse nécessaire à la purge du piège à oxyde d'azote et à la formation de l'ammoniac tout en réduisant la dilution du carburant dans l'huile en limitant la contribution du moteur pour atteindre la consigne de richesse nécessaire à la purge, et de générer de l'ammoniac sur un champ de fonctionnement moteur élargi. Le système peut en outre comporter une unité de contrôle électronique connectée au système d'injection d'hydrocarbures. Selon un premier mode de réalisation, le système comporte un filtre à particules entre le piège à oxyde d'azote et le système de réduction catalytique sélective ou en aval du système de réduction catalytique sélective. Accoler le piège à oxyde d'azote et le système de réduction catalytique sélective permet d'élever plus rapidement la température du système de réduction catalytique sélective. Avantageusement, le système peut comporter un catalyseur d'oxydation entre le système d'injection d'hydrocarbures et le piège à oxyde d'azote.
Ce catalyseur d'oxydation permet de réduire l'apport d'oxygène au piège à oxyde d'azote, ce qui favorise la production d'ammoniac lors des purges du piège à oxyde d'azote. Le catalyseur d'oxydation permet aussi de générer du dihydrogène et du monoxyde de carbone ce qui favorise la production d'ammoniac lors des purges du piège à oxyde d'azote. Le catalyseur d'oxydation permet enfin de réduire les émissions d'hydrocarbures après un démarrage à froid tout en élevant la température du piège à oxyde d'azote. Selon un autre mode de réalisation, le système comporte un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène en aval du système de réduction catalytique sélective. Selon un autre mode de réalisation, le système de réduction catalytique sélective comprend un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène.
Selon encore un autre mode de réalisation, le système comporte un filtre à particules qui comprend un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comportant un piège à oxyde d'azote, capable de capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et de les réduire et un système de réduction catalytique sélective, qui utilise l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote en tant que réducteur sélectif pour transformer les oxydes d'azote en azote.
Selon une caractéristique générale du procédé, on injecte des hydrocarbures en amont du piège à oxyde d'azote et du système de réduction catalytique sélective. Tant que la température du piège à oxyde d'azote n'a pas atteint une valeur de seuil, on injecte des hydrocarbures. Cela permet d'ajuster la température du piège à oxyde d'azote et du système de réduction catalytique sélective pour optimiser la purge du piège à oxyde d'azote et le stockage de l'ammoniac.
Si la masse d'oxyde d'azote stockée dans le piège à oxyde d'azote est supérieure à une valeur de seuil alors on purge le piège à oxyde d'azote. Si la quantité d'ammoniac contenue dans le système de réduction catalytique est inférieure à une valeur de seuil alors on transfère de l'ammoniac depuis le piège à oxyde d'azote jusqu'au système de réduction catalytique sélective. Une consigne de richesse contrôle la purge du piège à oxyde d'azote, en utilisant le système d'injection d'hydrocarbures pour augmenter la richesse. Ainsi, l'injection d'hydrocarbures permet de s'affranchir des seules variations de richesse du moteur. En injectant des hydrocarbures avec le système d'injection d'hydrocarbures, on augmente la richesse dans la ligne d'échappement, ce qui augmente la production d'ammoniac nécessaire au fonctionnement du système de réduction catalytique sélective. L'injection d'hydrocarbures permet aussi d'atteindre la consigne de richesse nécessaire à la purge du piège à oxyde d'azote et à la formation de l'ammoniac tout en réduisant la dilution du carburant dans l'huile en limitant la contribution du moteur pour atteindre la consigne de richesse nécessaire à la purge, et de générer de l'ammoniac sur un champ de fonctionnement moteur élargi. La contribution du moteur étant limitée, la génération d'ammoniac est possible sur un champ de fonctionnement moteur élargi.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un système selon l'invention ; - la figure 2 illustre les différentes étapes de commande du moteur et du système d'injection d'hydrocarbures ; - la figure 3 illustre la commande du moteur et du système d'injection d'hydrocarbures ; - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation d'un système selon l'invention comprenant un filtre à particules ; - la figure 5 illustre un troisième mode de réalisation d'un système selon l'invention comprenant un filtre à particules ; - la figure 6 illustre un quatrième mode de réalisation d'un système selon l'invention comprenant un catalyseur d'oxydation ; - la figure 7 illustre un cinquième mode de réalisation d'un système selon l'invention comprenant un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène ; - la figure 8 illustre un sixième mode de réalisation d'un système selon l'invention dans lequel le système de réduction catalytique sélective comporte un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène ; et - la figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un système selon l'invention dans lequel le filtre à particule comporte un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène. La figure 1 illustre l'architecture générale d'un moteur à combustion interne 1 et sa ligne d'échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 comprend ici quatre cylindres 3 munis d'injecteurs de carburant 4. L'air est admis dans les cylindres par un collecteur d'admission 5 tandis que les gaz d'échappement sont récupérés en sortie par un collecteur d'échappement 6. Dans l'exemple illustré, le moteur comprend un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement 7 permettant de limiter la quantité d'oxyde d'azote produit tout en évitant la formation de fumée dans la ligne d'échappement. Le circuit de recirculation 7 comprend également un organe 8 de refroidissement des gaz d'échappement. Le circuit de recirculation 7 comprend, en outre, un conduit de dérivation ou conduit by-pass 9, qui est dépourvu de circuit de refroidissement et qui permet donc recycler des gaz d'échappement non refroidis. Les collecteurs d'admission et d'échappement sont dotés de deux volets 10, 11 qui permettent sélectivement de recirculer les gaz d'échappement vers les cylindres 3 en passant par le conduit de dérivation 9. L'invention s'applique bien entendu également à des moteurs ne comportant pas de recirculation des gaz d'échappement. La ligne d'échappement 2 comporte un piège à oxyde d'azote 13 situé en aval du système d'injection d'hydrocarbures supplémentaire 12 et apte à capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement puis de les réduire en générant de l'ammoniac. La ligne d'échappement 2 comporte également un système de réduction catalytique sélective 14 situé en aval du piège à oxyde d'azote 13 et apte à utiliser l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote 13 en tant que réducteur sélectif. Par ailleurs, un système d'injection d'hydrocarbures supplémentaire 12 apte à injecter du carburant directement dans la ligne d'échappement 2 est disposé en amont du piège à oxyde d'azote 13.
Le moteur 1 et la ligne d'échappement 2 comprennent un certain nombre de capteurs et de sondes. Une première sonde de température 15 indique la température des gaz contenus dans le collecteur d'échappement 6 du moteur 1, une sonde de richesse 16 ainsi qu'une deuxième sonde de température 17, sont en outre situées en aval du piège à oxyde d'azote 13. L'ensemble est relié à une unité de contrôle électronique 18 apte à communiquer à l'aide de connexions électriques 19 avec les injecteurs de carburant 4 du moteur, le système d'injection d'hydrocarbures supplémentaire 12, la première sonde de température 15 située dans le collecteur d'échappement, la sonde de richesse 16 située en aval du piège à oxyde d'azote 13 et la sonde de température 17 située en aval du piège à oxyde d'azote 13. Bien entendu, le moteur 1 et la ligne d'échappement 2 peuvent être, en outre, équipés de nombreux organes supplémentaires qui n'ont pas été représentés sur la figure pour des raisons de simplification. Sur la figure 2 sont illustrées les différentes étapes de commande du moteur 1 et du système d'injection d'hydrocarbures 12. Dans une première étape E100, si la température du piège à oxyde d'azote 13 est inférieure à une valeur de seuil notée Seuil 1, alors on met en oeuvre une étape de chauffage E101 dans laquelle on envoie une consigne Cl au système d'injection d'hydrocarbures supplémentaire 12 pour provoquer l'injection d'hydrocarbures dans la ligne d'échappement 2 (étape E102), et l'on envoie une consigne C2 de chauffage au moteur 1 (étape E103). La contribution du moteur 1 pour chauffer le piège à oxyde d'azote 13 et le système de réduction catalytique sélective 14 est réduite en raison de l'apport de carburant hydrocarboné par le système d'injection d'hydrocarbures 12. On notera à cet égard que la température de fonctionnement du piège à oxyde d'azote 13 est d'environ 200°C. En dessous de cette valeur, son fonctionnement n'est pas optimal. Par ailleurs, si la température du piège à oxyde d'azote 13 a atteint la valeur de seuil Seuil_1, et si la masse d'oxydes d'azote stockée dans le piège à oxyde d'azote 13 est supérieure à une valeur de seuil notée Seuil_2 (étape E104), alors le système envoie une consigne C3 de richesse moteur (étape E106) et une consigne C4 de purge du piège à oxyde d'azote 13 (étape E105). Si la quantité d'ammoniac contenue dans le système de réduction catalytique sélective 14 est inférieure à une valeur de seuil notée Seuil_3 (étape E104) alors on transfère de l'ammoniac depuis le piège à oxyde d'azote 13 jusqu'au système de réduction catalytique sélective 14. Ce transfert correspond à la transmission de la consigne C4 de purge du piège à oxyde d'azote 13 (étape E105) et de la consigne C3 de richesse moteur (étape E106). Toutes les purges du piège à oxyde d'azote 13 contribuent ainsi à recharger en ammoniac le système de réduction catalytique sélective 14. Si la quantité d'oxydes d'azote contenue dans le piège à oxyde d'azote 13 est inférieure à la valeur de seuil Seuil 2 et/ou si la quantité d'ammoniac contenue dans le système de réduction catalytique sélective 14 est supérieure à une valeur de seuil notée Seuil_3, on envoie une consigne C5 de fonctionnement en mode pauvre au moteur (étape E107). Sur la figure 3 sont illustrés les différents modèles et mesures nécessaires à la commande du moteur 1 et du système d'injection d'hydrocarbures 12. Un premier modèle M200 est utilisé pour évaluer les émissions en sortie du moteur 1, pour mesurer les quantités émises d'hydrocarbures, de monoxyde de carbone, d'oxydes d'azote et d'oxygène. Ces mesures sont nécessaires pour évaluer les températures du piège à oxyde d'azote 13 et la quantité d'oxyde d'azote stockée par le piège. Les principales entrées du modèle M200 d'émissions sont les conditions environnementales, les points de fonctionnement moteur, la température du moteur et les modes de fonctionnement du moteur. Les températures du piège à oxyde d'azote 13 et du système de réduction catalytique sélective 14 sont aussi mesurées pour pouvoir les contrôler et les ajuster. Un deuxième modèle M202 est utilisé pour mesurer l'efficacité de stockage des oxydes d'azote et celle des purges du piège à oxyde d'azote 13. Les principaux paramètres d'entrée de ce modèle M202 sont les quantités d'oxyde d'azote en amont du piège à oxyde d'azote 13, la température du piège à oxyde d'azote 13. Ce modèle M202 est utilisé pour déterminer les émissions d'ammoniac générées par le piège à oxyde d'azote 13. Ce modèle M202 s'appuie sur des courbes d'émission d'ammoniac, et ses principaux paramètres sont la température du piège à oxyde d'azote 13 et l'amplitude et la durée du créneau riche. Le modèle M202 est également utilisé pour déterminer la quantité d'ammoniac stockée par le piège à oxyde d'azote 13 et la quantité d'oxyde d'azote traitée. Un troisième modèle M203 est ensuite utilisé pour déterminer les besoins en ammoniac du système de réduction catalytique sélective 14. Ces modèles sont utilisés pour élaborer les commandes du moteur 1 et du système d'injections d'hydrocarbures 12 comme décrit précédemment. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment en référence à la figure 1. En effet, alors que dans le mode de réalisation selon la figure 1 la ligne d'échappement 2 est dotée d'un piège à oxyde d'azote 13 et d'un système de réduction catalytique sélective 14, il est également possible, dans d'autres modes de réalisations, d'ajouter d'autres dispositifs de traitement d'effluents gazeux.
En se référant aux figures 4 à 9, sur lesquelles des éléments identiques à ceux décrits en référence à la figure 1 portent les même références numériques, des moyens de traitement additionnels peuvent ainsi être prévus en amont, en aval ou entre le piège à oxyde d'azote 13 et le système de réduction catalytique sélective 14 ou intégrés à ceux-ci. Par exemple, comme visible sur la figure 4, la ligne d'échappement comporte un filtre à particules 20 situé en aval du piège à oxyde d'azote 13 et en amont du système de réduction catalytique sélective 14. Dans le mode de réalisation de la figure 5, un filtre à particules 21 est placé en aval du système de réduction catalytique sélective 14, ce qui permet d'accoler le piège à oxyde d'azote 13 au système de réduction catalytique sélective 14 et d'élever la température du système de réduction catalytique sélective 14 plus rapidement. Dans le mode de réalisation de la figure 6, la ligne d'échappement 2 comporte un catalyseur d'oxydation 22 situé en aval du système d'injection d'hydrocarbures supplémentaire 12 et en amont du piège à oxyde d'azote 13. La combinaison du catalyseur d'oxydation 22 et du piège à oxyde d'azote 13 permet de réduire l'apport d'oxygène au piège à oxyde d'azote 13, ce qui favorise la production d'ammoniac lors des purges du piège à oxyde d'azote 13. La combinaison permet aussi de générer du dihydrogène et du monoxyde de carbone, ce qui favorise la production d'ammoniac. La combinaison permet également de réduire les émissions d'hydrocarbures tout en élevant la température du piège à oxyde d'azote 13 après un démarrage à froid. Selon encore un autre mode de réalisation illustré sur la figure 7, un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène 23 est disposé en aval du système de réduction catalytique sélective 14. En se référant à la figure 8, le système de réduction catalytique sélective 14 peut être doté intérieurement d'un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène 25, situé en aval du piège à oxyde d'azote 13 et apte à utiliser l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote 13 en tant que réducteur sélectif. Selon encore un autre mode de réalisation visible sur la figure 9, la ligne d'échappement 2 est dotée d'un filtre à particules 26 comprenant un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène 27 et situé en aval du piège à oxyde d'azote 13 et en amont du système de réduction catalytique sélective 14. On notera que ces divers modes de réalisation peuvent également être combinés, une ligne d'échappement 2 pouvant comporter, outre le piège à oxyde d'azote 13 et le système de réduction catalytique 14, au moins un des éléments ou agencement décrit en référence aux figures 4 à 9.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) d'un véhicule automobile comportant un piège à oxyde d'azote (13) capable de capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et de les réduire et un système de réduction catalytique sélective (14) qui utilise l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote (13) en tant que réducteur sélectif pour transformer les oxydes d'azote en azote, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'injection d'hydrocarbures (12) en amont du piège à oxyde d'azote (13) et du système de réduction catalytique sélective (14).
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de contrôle électronique (18) connectée au système d'injection d'hydrocarbures (12).
  3. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre à particules (20, 26) entre le piège à oxyde d'azote (13) et le système de réduction catalytique sélective (14, 24).
  4. 4. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre à particules (21) en aval du système de réduction catalytique sélective (14).
  5. 5. Système selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le filtre à particules (26) comporte un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène (27).
  6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un catalyseur d'oxydation (22) entre le système d'injection d'hydrocarbures (12) et le piège à oxyde d'azote (13).
  7. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène (23) en aval du système de réduction catalytique sélective (14).
  8. 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système de réduction catalytique sélective (24) comprend un catalyseur de traitement des sulfures d'hydrogène (25).
  9. 9. Procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile au moyen d'un piège à oxyde d'azote capable de capter les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement et de les réduire et d'un système de réduction catalytique sélective qui utilise l'ammoniac généré par le piège à oxyde d'azote en tant que réducteur sélectif pour transformer les oxydes d'azote en azote, caractérisé en ce que l'on injecte des hydrocarbures en amont du piège à oxyde d'azote et du système de réduction catalytique sélective.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on injecte des hydrocarbures tant que la température du piège à oxyde d'azote n'a pas atteint une valeur de seuil.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel on purge le piège à oxyde d'azote si la masse d'oxyde d'azote stockée est supérieure à une valeur de seuil.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel on transfère de l'ammoniac depuis le piège à oxyde d'azote jusqu'au système de réduction catalytique sélective si la quantité d'ammoniac contenue dans le système de réduction catalytique sélective est inférieure à une valeur de seuil.
  13. 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel une consigne de richesse contrôle la purge du piège à oxyde d'azote.
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