FR2970298A1 - Ligne d'echappement de gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne et vehicule correspondant - Google Patents

Ligne d'echappement de gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne et vehicule correspondant Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un organe de catalyse d'oxydation (60) comprenant un matériau adsorbeur d'oxydes d'azote ; un organe de réduction catalytique sélective (20) en aval de l'organe de catalyse d'oxydation (60) selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement (90) dans la ligne d'échappement (84) ; la ligne d'échappement (84) comprenant en outre, en aval de l'organe de réduction catalytique sélective (20) : un filtre à particules (40). L'invention se rapporte encore à un véhicule automobile comprenant une telle ligne d'échappement (84). Ainsi l'invention permet l'obtention d'une ligne d'échappement de gaz d'échappement qui présente une architecture optimisée par rapport aux exigences de réductions d'émission de polluants.

Description

LIGNE D'ECHAPPEMENT DE GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET VEHICULE CORRESPONDANT [0001 L'invention se rapporte à une ligne d'échappement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. L'invention se rapporte en outre à un véhicule automobile comprenant une telle ligne d'échappement. [0002] Dans le domaine de l'industrie automobile, la réduction de la consommation de carburant et la diminution de l'émission de polluants émis à l'échappement sont des problèmes majeurs. En effet, les moteurs à combustion pauvre, par exemple, produisent de grandes quantités de polluants, notamment : des monoxydes de carbone, des hydrocarbures, des particules, du dioxyde d'azote (NO2). Le dioxyde d'azote est toxique ainsi que tous les oxydes d'azote (désignés sous l'appellation générique de N0x). Le dioxyde d'azote à faible dose entraîne notamment des maux de tête, des vertiges et des nausées en plus de sa mauvaise odeur. Ainsi la législation européenne impose des exigences de faibles niveaux de NOX, CO et d'hydrocarbures. La satisfaction à ces exigences passe entre autres par l'ajout d'organes de dépollution dans la ligne d'échappement. Les documents EP-A-0 341 832 , EP-A-O 560 991, EP-A-O 758 713, US 7404933, US 5388406, US 6863874, US2010/0242438, WO2009/014599 et US2005/0138916 proposent ainsi diverses lignes d'échappement de gaz d'échappement de moteur à combustion. [0003] Or, trouver la meilleure configuration architecturale d'une ligne d'échappement pose des problèmes d'obtention de compromis entre les fonctions de dépollution, particulièrement pour le cas de petites voitures. [0004 Par exemple, les petites voitures peuvent utiliser des filtres à particules avec revêtement de réduction catalytique sélective tel que décrit dans le document US 2006/179825. Cependant l'utilisation d'un additif de carburant pour aider à la régénération des tels filtres à particules peut poser problème à basse température. Les cendres de l'additif de carburant s'accumulent à l'intérieur du filtre à particules, ce qui peut entraîner à long terme le blocage mécanique les sites de réduction catalytique sélective. Or lorsque la moitié du volume des sites de réduction catalytique sélective est bloquée, l'activité de réduction des oxydes d'azotes décroît de façon importante. Une solution à ce problème peut consister en l'utilisation d'une ligne d'échappement avec un organe de réduction catalytique sélective ne présentant pas les propriétés d'un filtre à particules tel que décrite dans le document JP2003236343. Ceci permet d'empêcher le blocage des sites de réduction catalytique sélective par l'accumulation de cendres de l'additif de régénération du FAP. Cependant une telle ligne d'échappement ne permet pas de satisfaire aux autres exigences de la réglementation. [0005i Il existe donc un besoin pour une ligne d'échappement de gaz d'échappement qui présente une architecture optimisée par rapport aux exigences de diminutions d'émission de polluants. [0006] Pour cela, l'invention propose une ligne d'échappement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant : - un organe de catalyse d'oxydation comprenant un matériau adsorbeur d'oxydes d'azote ; un organe de réduction catalytique sélective en aval de l'organe de catalyse d'oxydation selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement ; [0007] la ligne d'échappement comprenant en outre, en aval de l'organe de réduction catalytique sélective : un filtre à particules. [000si Selon une variante, le filtre à particules est revêtu d'un revêtement de réduction catalytique sélective. [0009] Selon une variante, l'organe de catalyse d'oxydation comprend un catalyseur à trois voies, le catalyseur comprenant de préférence des oxydes choisis dans le groupe d'oxydes consistant en AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, SiO2 et leurs mélanges. [0010 Selon une variante, le matériau adsorbeur d'oxydes d'azote est choisi dans le groupe consistant en : - les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les terres rares, les métaux de transition, ou un mélange d'oxyde de deux au moins de ceux-ci ; - des zéolites, des zéolites dopées par un métal, de préférence par un oxyde de Al, Ce, Zr, Cu, Fe, Mn, Cu ou leur mélange ; - des pérovskites, des argiles, du carbone et ou des oxydes ; - des oxydes de lanthanides ou d'actinites ou leur mélange. [0011] Selon une variante, l'organe de catalyse d'oxydation comprend des métaux précieux choisis parmi Au, Ag, Ir, Ru, Rh, Pt, Pd. [0012] Selon une variante, le filtre à particules est un filtre à particules régénérant à l'aide d'additif de carburant, l'additif de carburant étant de préférence choisi dans le groupe d'additif de carburant consistant en des oxydes métalliques d'alcalins, d'alcalino-terreux, de métaux de transition, de semi-métaux, de lanthanides, d'actinides, de métaux précieux et des mélanges de ceux-ci. [0013] Selon une variante, selon le sens de l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, la ligne d'échappement comprend un injecteur de réactif de réduction catalytique sélective en aval de l'organe de catalyse d'oxydation et en amont de l'organe de réduction catalytique sélective, le réactif de réduction catalytique sélective étant choisi dans le groupe de réactifs consistant en CO, hydrocarbures, alcools, glycols, glycérols, esters, acides, ammoniaque, urée, guanidine, sel de guanidine. [0014] Selon une variante, la ligne d'échappement comprend un unique détecteur d'oxydes d'azote, l'unique détecteur d'oxydes d'azote étant disposé entre l'organe de réduction catalytique sélective et le filtre à particules, ou au moins deux détecteurs d'oxydes d'azote, deux détecteurs d'oxydes d'azote étant respectivement disposés en amont et en aval de l'organe de catalyse d'oxydation selon le sens de l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. [0015] L'invention propose encore un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne et la ligne d'échappement précédente. [0016] Selon une variante, le moteur à combustion est partiellement ou totalement un moteur à combustion pauvre. [001] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence au dessin qui montre : - figure 1, un schéma d'un moteur associé à une ligne d'échappement des gaz de combustion du moteur selon un mode de réalisation de l'invention. [0018] L'invention se rapporte à une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. La figure 1 représente un mode de réalisation d'une telle ligne d'échappement 84. Selon la figure 1, la ligne d'échappement 84 est associée à un moteur à combustion interne 82 pour traiter les gaz d'échappement 90. [0019] La ligne d'échappement comprend un organe 60 de catalyse d'oxydation. L'organe de catalyse d'oxydation 60 correspond à un pain de catalyseur d'oxydation, connu dans le domaine technique des motorisations diesels sous la dénomination anglaise de Diesel Oxydation Catalyst, abrégée en DOC. Les expressions "DOC", "catalyseur d'oxydation" et "organe de catalyse d'oxydation" sont indifféremment utilisées dans la suite de ce document. Le DOC 60 peut prendre la structure d'un monolithe extrudé de filtration. [0020] Le DOC 60 comprend un matériau adsorbeur de NOX. De tels matériaux adsorbeur de NOX sont connus sous la dénomination anglaise de Passive NO, Adsorber, abrégée en PNA. Les expressions "PNA" et "adsorbeur de NOX" sont indifféremment utilisées dans la suite de ce document. Le matériau PNA peut être choisi dans le groupe consistant en : - les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les terres rares, les métaux de transition, ou un mélange d'oxyde de deux au moins de ceux-ci ; - des zéolites, des zéolites dopées par un métal, de préférence par un oxyde de Al, Ce, Zr, Cu, Fe, Mn, Cu ou leur mélange ; - des pérovskites, des argiles, du carbone et ou des oxydes ; - des oxydes de lanthanides ou d'actinites ou leur mélanges. [0021] La ligne d'échappement 84 comprend en outre un organe 20 de réduction catalytique sélective. Selon le sens de l'écoulement des gaz d'échappement 90 dans la ligne d'échappement 84, l'organe de réduction catalytique 20 sélective est disposé en aval de l'organe de catalyse d'oxydation 60. L'organe de réduction catalytique sélective 20 correspond à un pain de réduction catalytique sélective, connu sous la dénomination anglaise de Selective Catalyst Reduction, abrégée en SCR. Les expressions "SCR", "réduction catalytique sélective" sont indifféremment utilisées dans la suite de ce document. [0022] La ligne d'échappement 84 comprend encore un filtre à particules 40. Selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement, le filtre à particules 40 est disposé en aval de l'organe de SCR 20. Le terme "filtre à particules" et l'acronyme "FAP" sont indifféremment utilisés dans la suite de ce document. Le FAP 40 est avantageusement revêtu d'un revêtement SCR. Par ailleurs, le FAP 40 est avantageusement un FAP régénérant à l'aide d'additif de carburant. Ce type d'additif de carburant pour la régénération de FAP est connu sous la dénomination anglaise de Fuel Born Catalyst, abrégé en FBC. Cet additif de carburant peut être choisi dans le groupe d'additif de carburant consistant en des oxydes métalliques d'alcalins, d'alcalino-terreux, de métaux de transition, de semi- métaux, de lanthanides, d'actinides, de métaux précieux et des mélanges de ceux-ci. [0023] L'organe de SCR présente classiquement une configuration de pain monolithique pour laquelle les gaz d'échappement 90 s'écoulant dans la ligne d'échappement 84 lèchent les parois du pain. Le FAP 40, lui, présente classiquement une configuration de pain monolithique avec des parois traversées par les gaz d'échappement 90. Du fait de la configuration en parois traversées du FAP, les sites éventuels de SCR du FAP peuvent être bloqués par l'additif de régénération du FAP 40. L'utilisation dans la ligne d'échappement 84 d'un organe de SCR 20 et d'un FAP 40 distinct de l'organe de SCR permet de s'assurer que les sites de SCR de l'organe SCR 20 ne seront pas bloqués par l'additif de régénération du FAP 40 tout en respectant la réglementation limitant les émissions de particules. [0024] En définitive, l'invention permet d'obtenir une ligne d'échappement de gaz d'échappement qui présente une architecture optimisée par rapport aux exigences de réductions d'émission de polluants. [0025] L'invention se rapporte en outre à un véhicule automobile comprenant le moteur à combustion interne 82 et la ligne d'échappement 84 précédemment décrite. De façon avantageuse, le moteur à combustion interne 82 est partiellement ou totalement un moteur à combustion pauvre, que le moteur soit de type diesel ou essence. L'avantage de l'utilisation de la ligne d'échappement 84 avec des moteurs à combustion pauvre est lié à leur caractéristique d'émission de grandes quantités de polluant et notamment de NO,. [0026] Dans la suite de ce document différents modes de réalisation de la ligne d'échappement 84 sont décrits. [0027] Le DOC 60 peut être un catalyseur à trois voies. Un catalyseur à trois voies réalisent la catalyse de réactions chimiques contribuant à la diminution de la quantité de trois polluants dans les gaz d'échappements 90, les NOX, le monoxyde de carbone CO, et les hydrocarbures imbrûlés (abrégés sous la forme simplifiée : HC). Un tel DOC correspond par exemple à celui décrit dans le document EP-A- 0341832. Le catalyseur du DOC 60 comprend de préférence des oxydes choisis dans le groupe d'oxydes consistant en AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, SiO2 et leurs mélanges. Le DOC peut aussi comprendre des métaux précieux pour augmenter l'effet de catalyse de réaction chimique. Les métaux précieux utilisés sont des métaux choisis parmi Au, Ag, Ir, Ru, Rh, Pt, Pd. [0028] En référence à la figure 1, la ligne d'échappement peut comprendre un injecteur 26 de réactif SCR en aval du DOC 60 et en amont de l'organe de SCR 20. Avant son injection dans la ligne d'échappement 84, le réactif SCR peut être stocké dans un réservoir 22. Le réactif de réduction catalytique sélective peut avantageusement être choisi dans le groupe de réactifs consistant en CO, hydrocarbures, alcools, glycols, glycérols, esters, acides, ammoniaque, urée, guanidine, sel de guanidine. [0029] Pour optimiser le contrôle de la diminution de l'émission de NOX, la ligne d'échappement peut comprendre au moins deux détecteurs d'azote 32 et 34. Pour mesurer l'efficacité de l'adsorption de NOX à basse température et s'adapter à la désorption de NOX à haute température, les deux détecteurs 32 et 34 sont avantageusement disposés en amont et en aval du DOC 60. Alternativement pour des raisons de diminution des coûts de fabrication, la ligne d'échappement 84 peut comprendre un unique détecteur de NO, 36. Cet unique détecteur 36 peut être disposé entre l'organe de réduction catalytique sélective et le FAP 40, ou disposé en aval du FAP 40. [0030] Selon la figure 1, divers capteurs peuvent en outre être prévus dans la ligne d'échappement 84 : - des capteurs de pression 44 et 46, en aval et en amont du FAP 40 pour permettre de piloter une régénération du FAP 40 ; - un capteur de température 42 en amont de l'organe de SCR 20 pour permettre de maîtriser plus précisément l'efficacité de la diminution de NO, par la SCR et/ou la régénération du FAP 40. [0031] L'ensemble des capteurs prévus dans la ligne d'échappement 84 peut être contrôlé par un calculateur 30 du véhicule automobile. [0032] Les modes de réalisation précédemment décrits de la ligne d'échappement 84, notamment avec la présence d'un catalyseur SCR à la fois sur l'organe de SCR 20 et sur le FAP 40, permettent de réaliser les synergies décrites dans la suite du document. [0033] L'organe de SCR 20 présente une montée en température de fonctionnement plus rapide que le FAP 40 ce qui permet d'assurer une diminution de l'émission des NO, dès le démarrage du moteur à combustion interne. La présence d'un catalyseur SCR supplémentaire sur le FAP 40 permet lui de contribuer efficacement à la diminution de l'émission des NO, dans le cas de fonctionnement du moteur à haute température. Cette synergie est particulièrement avantageuse dans les applications de la ligne d'échappement comme les petites voitures. En effet pour de tels véhicules automobiles, on peut souhaiter réduire le volume des pains sans diminuer l'efficacité de la fonction de diminution de l'émission des NO,. [0034] Du fait de la caractéristique de régénération du FAP 20 à l'aide d'additif de carburant, le FAP 40 est soumis au blocage de ces sites de SCR par l'accumulation progressive des cendres de l'additif de carburant. Cependant la fonction de diminution des émissions de NO, est maintenue par la présence de l'organe de SCR 20. De plus, la présence d'un revêtement de SCR dans le FAP 40 permet d'obtenir une température de fonctionnement du FAP 40 plus élevée ce qui facilite la régénération du FAP 40. En outre, le positionnement du FAP 40 en aval de l'organe de SCR 20, permet d'obtenir une montée en température de fonctionnement plus rapide pour l'organe de SCR 20 par rapport à la solution proposée par le document WO2009/014599 dans laquelle la masse du FAP et la masse du DOC absorbe la majeure partie de l'énergie thermique des gaz d'échappement. [0035] Le matériau adsorbeur de NO, dans le DOC 60 contribue à la fonction de diminution de l'émission de NO, à faible température du fait du captage des NO, à faible température. Le captage des NO, à faible température permet d'éviter l'émission de NO, trop froid pour être traité par l'organe de SCR 20 ou le FAP 40. Une fois que la ligne d'échappement est à plus haute température, par exemple supérieure à 160°C ou 180°C, l'organe de SCR 20 est pleinement opérationnel ce qui compense la propriété de désorption des NOX à haute température du matériau adsorbeur de NOX. La ligne d'échappement proposée est alors avantageuse par rapport à la ligne d'échappement décrite dans le document US 7 404 933 où la désorption des NO, à haute température n'est pas compensée par des systèmes SCR. De plus la ligne proposée par ce document voit ses capacités d'adsorption rapidement se saturer. L'utilisation de matériau PNA est en outre avantageuse en ce qu'elle permet d'éviter le dimensionnement de l'organe SCR 20 pour une dépollution à faible température. [0036] Les effets de la présence du matériau PNA dans le DOC 60 sont d'autant plus importants lors de la présence de métaux précieux dans le DOC 60, les métaux précieux augmentant les propriétés d'adsorption à basse température. [0037] Par ailleurs, la présence de matériau PNA est avantageuse par rapport au piège de NOX pour mélange pauvre (connu sous la dénomination anglaise de Lean NO, Trap), au système de réduction des émissions de NOX et de particules diesel (connu sous la dénomination anglaise de Diesel Particulate - NO, Reduction System, abrégé en DPNR) et au catalyseur à trois voies. En effet, pour permettre leur régénération, ces différents systèmes peuvent comprendre des phases de fonctionnement du moteur avec des injections supplémentaires. Ces phases aboutissent à une plus grande émission de CO2 et détériorent la consommation de carburant. Ainsi les documents EP-A-0560991 et EP-A-0758713 proposent des procédés de diminution de NO, par l'absorption avec un absorbeur solide lorsque les gaz d'échappement sont issus de combustion pauvre (c'est à dire avec un coefficient lambda de carburant / oxygène supérieur à 1). Ces absorbeurs sont soumis à des phases de régénération par enrichissement de la combustion en passant à une combustion stoechiométrique (coefficient lambda proche de 1) voir à une combustion riche (coefficient lambda inférieur à 1). Le document US 5 388 406 propose des solutions similaires avec adsorption de NOX et piège de NOX (LNT) fonctionnant avec des régénérations fréquentes et un catalyseur trois voies. Le document US 2010/0242438 présente encore une solution de piège à NOX. [0038] Dans les solutions précédentes avec piège de NOX ou LNT, la présence de métaux précieux contribue à oxyder une partie du carburant utilisé pour la régénération ce qui aggrave encore la consommation de carburant. En comparaison à ces solutions où des hydrocarbures sont utilisés en tant que réducteur pour régénérer les organes de dépollution, l'utilisation de PNA dans la ligne d'échappement 84 proposée est simple et économique. [0039] Par ailleurs, la ligne d'échappement proposée est également plus simple que la solution proposée dans le document US 6863874. Ce document décrit un DOC en amont d'un FAP, suivi d'un adsorbeur de NOX, suivi d'un catalyseur trois voies constituant ainsi une ligne de dépollution chère avec quatre organes de dépollution. [0040] En définitive, la ligne d'échappement 84 proposée permet d'optimiser la dépollution des gaz d'échappement 90 de moteur 82 en fonction des différentes températures de fonctionnement de la ligne, ce qui est particulièrement avantageux pour les moteurs 82 à combustion pauvre. [0041] Le positionnement en amont du DOC 60 par rapport à l'organe de SCR 20 permet d'obtenir des gaz d'échappement les plus propres possibles pour éviter l'encrassement des catalyseurs SCR. [0042] L'utilisation d'un injecteur 26 de réactif SCR alimenté par un réservoir 22 de réactif SCR présente l'avantage d'être de conception plus simple et plus économique que la solution proposée dans le document US2005/0138916, où il est prévu d'ajouter un réacteur pour la formation de NH3 en tant que réactif SCR.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Une ligne d'échappement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (82), comprenant : - un organe de catalyse d'oxydation (60) comprenant un matériau adsorbeur d'oxydes d'azote ; - un organe de réduction catalytique sélective (20) en aval de l'organe de catalyse d'oxydation (60) selon le sens d'écoulement des gaz d'échappement (90) dans la ligne d'échappement (84) ; la ligne d'échappement (84) étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, en aval de l'organe de réduction catalytique sélective (20) : - un filtre à particules (40).
  2. 2. La ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le filtre à particules (40) est revêtu d'un revêtement de réduction catalytique sélective.
  3. 3. La ligne d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'organe de catalyse d'oxydation (60) comprend un catalyseur à trois voies, le catalyseur comprenant de préférence des oxydes choisis dans le groupe d'oxydes consistant en AI2O3, TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, SiO2 et leurs mélanges.
  4. 4. La ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau adsorbeur d'oxydes d'azote est choisi dans le groupe consistant 20 en - les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les terres rares, les métaux de transition, ou un mélange d'oxyde de deux au moins de ceux-ci ; - des zéolites, des zéolites dopées par un métal, de préférence par un oxyde de Al, Ce, Zr, Cu, Fe, Mn, Cu ou leur mélange ; 25 ^ des pérovskites, des argiles, du carbone et ou des oxydes ; - des oxydes de lanthanides ou d'actinites ou leur mélanges.
  5. 5. La ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'organe de catalyse d'oxydation (60) comprend des métaux précieux choisis parmi Au, Ag, Ir, Ru, Rh, Pt, Pd. 30
  6. 6. La ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le filtre à particules (40) est un filtre à particules régénérant à l'aide d'additif de carburant, l'additif de carburant étant de préférence choisi dans le grouped'additif de carburant consistant en des oxydes métalliques d'alcalins, d'alcalino-terreux, de métaux de transition, de semi-métaux, de lanthanides, d'actinides, de métaux précieux et des mélanges de ceux-ci.
  7. 7. La ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que, selon le sens de l'écoulement des gaz d'échappement (90) dans la ligne d'échappement (84), la ligne d'échappement (84) comprend un injecteur de réactif de réduction catalytique sélective en aval de l'organe de catalyse d'oxydation (60) et en amont de l'organe de réduction catalytique sélective (20), le réactif de réduction catalytique sélective étant choisi dans le groupe de réactifs consistant en CO, hydrocarbures, alcools, glycols, glycérols, esters, acides, ammoniaque, urée, guanidine, sel de guanidine.
  8. 8. La ligne d'échappement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que, la ligne d'échappement (84) comprend un unique détecteur d'oxydes d'azote (36), l'unique détecteur d'oxydes d'azote (36) étant disposé entre l'organe de réduction catalytique sélective (20) et le filtre à particules (40), ou au moins deux détecteurs d'oxydes d'azote (32, 34), deux détecteurs d'oxydes d'azote (32, 34) étant respectivement disposés en amont et en aval de l'organe de catalyse d'oxydation (60) selon le sens de l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement (84).
  9. 9. Un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à combustion interne (82) et la ligne d'échappement (84) selon l'une des revendications 1 à 8.
  10. 10. Le véhicule automobile selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moteur à combustion (82) est partiellement ou totalement un moteur à combustion pauvre.
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