Brevet FR2728302A1 — publié le 19960621

L'invention concerne un dispositif d'évacuation et de traitement des gaz d'échappement d'un acteur & BR Les gaz d'échappement des moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel renferment différents polluants dont il est nécessaire de limiter au itaximua les rejets dans l'atmosphère. Ces polluants sont constitués principalement par du monoxyde de carbone CO, des hydrocarbures imbrûlés HC, des oxydes d'azote NOx et des particules de suie. La réglementation concernant les normes de pollution des véhicules automobiles a tendance à devenir de plus en plus sévère, de sorte que les limites supérieures fixées de rejet des différents polluants ont tendance à devenir de plus en plus basses dans les nouvelles régle- mentations . En ce qui concerne les véhicules à acteur Diesel, la réglementation qui sera en vigueur dans les années 2000 impose des rejets en CO inférieurs à 0,5 g/lcm, des rejets cumulés en HC et NOX inférieurs à 0,5 g/k. et des rejets de particules inférieurs à 0,04 g/km. Du fait que les concentrations en polluants dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel construits actuellement sont supérieures à ces limites, il est nécessaire d'envisager le traitement des gaz d'échappement de moteurs Diesel. On connaît des dispositifs de traitement par oxydation catalytique du monoxyde de carbone CO et des hydrocarbures HC contenus dans les gaz d'échappement. Pour satisfaire aux nouvelles réglementations, il est néces- saire d'adjoindre à ces dispositifs de traitement par oxydation catalytique, des catalyseurs de réduction des oxydes d'azote, de tels catalyseurs étant désignés sous 1 'appellation "Denox". On connaît des catalyseurs de réduction des oxydes d'azote ou catalyseurs Denox, qui sont actifs pour réaliser la réduction des oxydes d'azote de gaz d'échappement, dans des plages de température comprises entre 200 et 350ex ou bien entre 350 et 600ex. Dans ces plages, le taux de conversion des oxydes d'azote par réduction peut être représenté par des pics de conversion dont le nailit- peut atteindre jusqu'à 50 % d'oxydes d'azote convertis en azote N2 et oxygène 02 et qui sont centrés sur des teipéra- tures de 250 et 400 à 450ex, respectivement, selon le type de catalyseur utilisé. Les catalyseurs assurant la conversion des oxydes d'azote entre 200 et 3500C avec un pic de conversion centré sur 2500C peuvent être constitués par des métaux précieux sur des support en oxyde, tels que du platine ou du palladium déposé sur un corps en alumine ou en oxyde de titane ou par des pérovskites. Les catalyseurs Denox fonctionnant entre 350 et 600"C avec un pic de conversion centré sur une température comprise entre 400 et 450"C peuvent être constitués par des zéolithes hydrothermiquement stables. Pour que ces catalyseurs Denox fonctionnent dans des conditions satisfaisantes, il est nécessaire que les plages de températures des gaz d'échappement enregistrées en amont du catalyseur coïncident avec les plages de température de conversion du catalyseur Denox. Les essais d'homologation des moteurs Diesel, en ce qui concerne les rejets de matières polluantes, sont définis de telle sorte que les températures des gaz d'échappement sont comprises entre 80 et 220-C avec une moyenne de l'ordre de 1500C, pendant une première partie du cycle d'homologation officielle défini par les norias européennes et entre 200 et 450 ou même 550-C dans le cas de certains moteurs atmosphériques, avec une moyenne de température centrée entre 250 et 280ex, au cours d'une seconde partie du cycle d'homologation. De ce fait, les émissions d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel peuvent être réduites par catalyse seulement dans la seconde partie du cycle d'homologation (ou cycle chaud). En revanche, dans la première partie froide du cycle d'homologation, les températures d'échappement sont trop faibles pour qu'on obtienne une conversion effective des oxydes d'azote. De manière à réaliser une élimination partielle des émissions d'oxydes d'azote dans la partie froide du cycle d'homologation, on a proposé de réaliser une adsorption des oxydes d'azote, pendant la partie froide du cycle, dans un piège constitué par des matériaux réalisant une adsorption des oxydes d'azote à basse température et assurant une désorption de ces oxydes à haute température. Le dispositif de traitement comportant un piège pour les oxydes d'azote peut fonctionner correctement dans la mesure où la désorption des oxydes d'azote se produit à un moment où le catalyseur principal de réduction Denox est à une température à laquelle il présente une activité effective. Il est donc nécessaire que le piège absorbe les oxydes d'azote pendant toute la première phase du cycle d'homologation et jusqu'au moment où le catalyseur Denox a atteint une température suffisante pendant la seconde partie chaude du cycle d'homologation, le piège assurant alors la désorption des oxydes d'azote piégés qui viennent en contact avec le catalyseur Denox dont la température est suffisante pour assurer son amorçage. Le catalyseur peut alors convertir les oxydes d'azote en azote et oxygène. De manière à obtenir une efficacité .axiale du dispositif de traitement, il est préférable que le piège absorbe les oxydes d'azote dès la température ambiante et assure leur désorption dans la plage de températures de conversion du catalyseur principal Denox. On a proposé des dispositifs de traitement dans lesquels l'adsorbeur des oxydes d'azote est placé de différentes manières par rapport au catalyseur principal Denox. Généralement, l'adsorbeur d'oxydes d'azote est placé en amont du catalyseur Denox, de sorte qu'une partie de l'énergie thermique apportée par les gaz d' échappement pour échauffer le catalyseur Denox se trouve dissipée dans l'adsorbeur, ce qui entraîne les inconvénients suivants - le temps de stockage des oxydes d'azote sur l'adsorbeur est trop court - le catalyseur Denox parvient à sa température d'amorçage en un temps plus long que dans le cas d'un dispositif ne comportant pas d'adsorbeur d'oxydes d'azote. I1 en résulte généralement que les oxydes d'azote sont désorbés avant que le catalyseur Denox ne soit parvenu à sa température d'amorçage. Les systèmes d'échappement des moteurs à coibus- tion interne tels que les moteurs Diesel qui comportent une ou plusieurs lignes d'échappement permettant 1 'évacua- tion des gaz d'échappement du moteur à l'atmosphère peuvent présenter en outre une ligne de recyclage d'une partie des gaz d'échappement qui est réintroduite dans le collecteur d'admission du moteur, éventuellement après avoir été mis en pression par un turbocompresseur placé sur la ligne d'échappement. La ligne d'échappement principale du véhicule automobile dont le moteur assure la propulsion est reliée, à l'une de ses extrémités, aux tubulures d'échappement du moteur, communiquant chacune avec un cylindre, genérale- ment par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement. La seconde extrémité de la ligne d'échappement débouche à l'atmosphère. Pour assurer le traitement des gaz d'échappement avant leur rejet à l'atmosphère, on peut placer sur la ligne d'échappement des dispositifs de traitement tels qu'un pot catalytique renferment un catalyseur, par exemple du type Denog-oxydant, et un filtre à particules. La ligne de recyclage qui est placée en dérivation par rapport à la ligne principale est reliée, à l'une de ses extrémités, à la ligne d'échappement principale et, à son autre extrémité, à un collecteur d'admission dans lequel débouchent des tubulures qui sont reliées chacune à un cylindre du moteur. Sur la ligne de recyclage est disposée une vanne de réglage des quantités de gaz d'échappement renvoyés à l'admission, en fonction de l'allure de fonctionnement du moteur (démarrage, accélération, paliers de vitesse . . . La vanne de réglage du recyclage ou vanne EGR peut être commandée, par exemple, par un organe définissant le régime du moteur, tel que la pompe à carburant. La ligne de recyclage peut être reliée à la ligne d'échappement principale au niveau d'un turbocom- presseur entraîné par les gaz d'échappement et assurant la mise en pression d'air et de gaz recyclés qui sont introduits dans le collecteur d'admission. Comme expliqué plus haut, les gaz d'échappement de tels moteurs à allumage par compression ne peuvent être traites de manière efficace, en particulier pour éliminer les oxydes d'azote, que lorsque les gaz et le catalyseur principal se sont échauffés suffisamment, au cours des phases initiales de fonctionnement du moteur après le démarrage. Dans le cas de l'utilisation d'une ligne de recyclage d'une partie des gaz d'échappement, la montee en température du catalyseur principal risque d'être encore plus longue lorsqu'une partie des gaz d'échappement est recyclée à l'admission, pendant les phases initiales de fonctionnement, réduisant ainsi le débit de gaz d'échappement traversant le catalyseur principal. En outre, dans le cas des moteurs à allumage par compression et à ligne de recyclage de gaz d'échappement par l'intermédiaire d'une vanne EGR, on n'a jamais proposé, jusqu'ici, d'utiliser un adsorbeur de substances polluantes telles que les oxydes d'azote, de manière rationnelle. Dans le US-A-5.207.734, on a proposé de placer un adsorbeur d'hydrocarbures sur un conduit relié à l'une de ses extrémités au réservoir de carburant du véhicule et à son autre extrémité à l'admission du moteur, dans une zone de liaison de ce conduit de récupération d'hydrocarbures avec une ligne de recyclage de gaz d'échappement située en aval du pot catalytique du acteur. Un tel dispositif de traitement ne présente pas d'intérêt dans le cas des moteurs à allumage par compression. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'évacuation et de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à allumage par compression comportant une ligne principale d'échappement reliée à l'une de ses extrémités à au moins une tubulure d'échappement d'un cylindre du moteur, sur laquelle est placé un pot catalytique renfermant un catalyseur et une ligne de recyclage de gaz d'échappement en dérivation sur la ligne principale d'échappement reliée à l'une de ses extrémités à la ligne d'échappement principale et, à son autre extrémité, à un collecteur d'admission du moteur relié à au moins un cylindre du moteur par une tubulure d'admission, sur laquelle est placée une vanne de commande et de réglage du recyclage de gaz d'échappement à l'admission, ce dispositif permettant de limiter les polluants et en particulier les oxydes d'azote rejetés à l'atmosphère, pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur. Dans ce but, un moyen d'adsorption d'oxydes d'azote est disposé sur la ligne de recyclage. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se référant à la figure jointe en annexe, un mode de réalisa- tion d'un dispositif d'évacuation et de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à allumage par compression, suivant l'invention. La figure unique est une vue schématique en élévation et en coupe d'un dispositif d'échappement d'un moteur à allumage par compression réalisé suivant l'invention. Sur la figure, on voit un moteur Diesel 1 comportant un bloc-cylindres la dans lequel sont usinées les chambres des cylindres telles que 2 du moteur et une culasse lb rapportée sur le bloc-cylindres la. Au niveau de chacun des cylindres 2 du acteur, la culasse lb est traversée par un conduit d'admission 4 et par un conduit d'échappement 5 débouchant sur des faces opposées de la culasse lb. Les conduits d'admission 4 sont reliés chacun, par l'intermédiaire d'une tubulure d'admission 6, à un collecteur d'admission 8. Les conduits d'échappement 5 sont reliés chacun, par l'intermédiaire d'une tubulure d'échappement 7, à un turbocompresseur 9 dont l'enveloppe constitue un collecteur d'échappement recevant les gaz d'échappement des cylindres du moteur. Les gaz d'échappement pénétrant dans le corps du turbocompresseur 9 dans une direction sensiblement tangentielle mettent en rotation une turbine 9a qui est couplée mécaniquement à un compresseur permettant de mettre en pression de l'air qui est introduit dans le collecteur d'admission et/ou d'une partie des gaz d'échappement qui peuvent être recyclés dans le collecteur d'admission 8, par l'intermédiaire d'une ligne de recyclage 10 sur laquelle est disposée une vanne de réglage 11 ou vanne EGR qui peut être commandée en fonction du régime de fonctionnement du moteur 1. Le collecteur d'admission 8 est relié à un filtre à air 13 par l'intermédiaire duquel de l'air atmosphérique peut être introduit dans le collecteur 8 et par l'intermédiaire des tubulures 6 dans les chambres des cylindres 2. La ligne principale d'échappement 14 du véhicule dont le moteur 1 assure la propulsion comporte une extré- mité d'entrée débouchant dans l'enveloppe du turbocoipres- seur 9 jouant le rôle de collecteur d'échappement et, à son extrémité opposée, à l'atmosphère. Un pot catalytique 15 est intercalé sur la ligne d'échappement principale 14. Le pot catalytique 15 comporte une enveloppe en acier inoxydable intercalée sur la ligne d'échappement 14 et un catalyseur 16 disposé à l'intérieur de l'enveloppe en acier inoxydable. Le catalyseur 16 peut être réalisé sous la forme d'un monolithe en matériau réfractaire comportant des canaux dans le prolongement longitudinal de la ligne d'échappement 14, sur lequel sont déposés des catalyseurs. Par exemple, le corps catalyseur principal 16 peut être réalisé sous la forme d'un catalyseur Denoxoxydant en utilisant comme catalyseur des substances permettant d'assurer la réduction catalytique des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement en N2 et 2 et l'oxydation catalysée du CO et des hydrocarbures imbrûlés en CO2 et H20. Dans les phases initiales de fonctionnement du moteur, après son démarrage, ou dans la première partie du cycle d'homologation du moteur, les gaz d'échappement et le catalyseur principal 16 sont à une température infé rieure à la température d' amorçage du catalyseur principal, Si bien que les gaz rejetés à l'atmosphère contiennent des proportions de produits polluants pratiqueient identiques aux quantités dans les gaz à la sortie du moteur. Pendant les phases initiales de fonctionneient du moteur et pendant la première partie du cycle d'homolo- gation, des quantités notables de gaz d'échappement sont admises dans le circuit de recyclage 10, pour être renvoyées dans le collecteur d'admission. En particulier, dans les plages de roulage du véhicule à vitesse stabilisée, et pour chacun des paliers à vitesse constante de la première partie du cycle d'ho.o- logation, il est possible de recycler jusqu'à 50 t du flux total des gaz d'échappement émis par le acteur. Le réglage de la proportion de gaz recyclés par le circuit 10 est assuré par la vanne EGR 11 qui est reliée à un module de commande 17 prenant en compte en particulier le régime de fonctionnement et la température du moteur. Selon l'invention, on dispose sur le circuit de recyclage 10, en aval de la vanne EGR 11, un moyen d'adsorption d'oxydes d'azote 18 constitué sous la forme d'un pot catalytique renfermant un matériau adsorbeur d'oxydes d'azote qui peut être mis sous la forme d'un corps onoli- thique traversé par des canaux et recouvert d'un matériau d'adsorption des oxydes d'azote, par exemple un oxyde de zirconium légèrement substitué par du manganèse tel que ZrO 9mnO,102 De plus, le module de commande 17 de la vanne EGR 11 peut être relié à une sonde 19 de mesure de la température des gaz d'échappement dans le conduit principal 14, en amont du pot catalytique principal 15. Pendant les phases initiales de fonctionnement du moteur, et pendant la première partie du cycle d'hc - logation, une proportion importante des gaz d' échappement est renvoyée au collecteur d'admission 8 par l'intermé- diaire du circuit de recyclage 10, la proportion des gaz recyclés pouvant aller jusqu'à 50 % du débit total des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement recyclés qui sont à une température relativement faible, généralement inférieure à 200"C, traversent l'adsorbeur d'oxydes d'azote 18 intercalé sur le circuit de recyclage 10. L'adsorbeur 18 est conçu de manière à réaliser l'adsorption des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement, depuis la température ambiante jusqu'à une température qui peut être par exemple de l'ordre de 200"C. Seule une proportion des gaz d'échappement, cette proportion pouvant être de l'ordre de la moitié du débit total de gaz d'échappement, est envoyée dans la ligne d'échappement principale 14. Les gaz d'échappement envoyés dans la ligne d'échappement principale 14 traversent le catalyseur principal 16 du pot catalytique 15 sans qu'il se produise d'épuration notable de ces gaz avant leur rejet à l'atmosphère, du fait de leur température faible, inférieure à 2000C. Les gaz rejetés à l'atmosphère renferment donc des proportions de substances polluantes sensiblement égales aux quantités contenues dans les gaz à la sortie du moteur. Cependant, du fait du recyclage d'une grande partie des gaz dans la ligne 10, seule une fraction du débit total des gaz d'échappement est rejetée à l'atmosphère. La partie restante des gaz d'échappement qui traverse l'adsorbeur d'oxydes d'azote 18 dans la ligne de recyclage 10 est séparée des oxydes d'azote qu'elle contient par l'adsorbeur assurant le piégeage des oxydes d'azote. Les gaz renvoyés à l'admission ne renferment donc pratiquement plus d'oxydes d'azote. I1 en résulte que les quantités d'oxydes d'azote rejetées à l'atmosphère pendant les phases initiales de fonctionnement du moteur sont considérablement diminuées du fait de l'utilisation de l'adsorbeur 18 sur la ligne de recyclage. Cette réduction des quantités d'oxydes d'azote rejetées à l'atmosphère peut aller jusqu'à 50 t. Lorsque les gaz d'échappement se sont échauffés jusqu'à une température supérieure à une certaine limite, par exemple 200"C, la température des gaz d'échappement pouvant s'établir, pendant le fonctionnement à haut régime du moteur, à une température par exemple comprise entre 200 et 500"C, la vanne EGR 11 est commandée dans le cas de la fermeture, par la sonde de température 19, par l'intermédiaire du module de commande 17. La commande de fer-e- ture de la vanne EGR 11 est telle que la vanne EGR 11 reste légèrement ouverte quelle que soit la température des gaz, pendant la seconde partie du cycle de fonctionnement du moteur ou cycle chaud. Pendant la première partie du cycle de fonctionnement du moteur, les gaz d'échappement envoyés dans la ligne principale 14 assurent un échauffement progressif du catalyseur 16 du pot catalytique 15. Lorsque les gaz d ' échappement atteignent, en amont du pot catalytique 15, la température d'amorçage du corps catalyseur 16 de réduction des oxydes d'azote, le catalyseur devient actif, de sorte que les gaz rejetés à l'atmosphère renferment de faibles quantités d'oxydes d'azote. L'adsorbeur 18 est réalisé de manière telle que sa température de transition entre son fonctionnement en adsorbeur et son fonctionnement en désorbeur soit sensiblement égale à la température d'amorçage du catalyseur principal 16. L'adsorbeur 18 qui est en équilibre de température avec les gaz d'échappement traversant le circuit de recyclage 10 commence à assurer la désorption des oxydes d'azote piégés dans les phases initiales de fonctionnement du moteur, sensiblement au moment de l'amorçage du catalyseur principal.La vanne EGR 11 commandée par la sonde de température 19 est placée à ce moment dans une position d'ouverture partielle faible, cette position étant maintenue pendant tout le cycle de fonctionnement à chaud du moteur, de manière que le corps adsorbeur 18 soit maintenu en température ou légèrement échauffé pour assurer la désorption des oxydes d'azote piégés pendant le fonctionnement à froid du moteur. Les oxydes d'azote désorbés parviennent dans le collecteur d'admission 8 pour être introduits dans les cylindres avec l'air de combustion du carburant. Les gaz d'échappement parvenant au turbocompresseur 9 constituant le collecteur d'échappement, par l'intermédiaire des tubulures 7 contiennent alors une proportion d'oxydes d'azote sensiblement plus élevée que pendant le fonctionnement à froid du moteur. Cependant, le corps catalyseur 16 du pot catalytique 15 permet d'assurer la réduction des oxydes d'azote des gaz d'échappement jusqu'à un niveau faible. Pendant le fonctionnement à chaud du moteur, et pendant la seconde du cycle d'homologation du moteur, correspondant à un roulage du véhicule automobile à une vitesse élevée, le pot catalytique assure une réduction sensible de la quantité d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement. En conséquence, pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur, les quantités d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement sont réduites à un niveau très inférieur au niveau d'oxydes d'azote dans les gaz d'échap- pement à la sortie du moteur. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut imaginer un adsorbeur de substances polluantes placé dans le circuit de recyclage des gaz d'échappement permettant de réaliser non seulement l'adsorption d'oxydes d'azote mais également l'adsorption d'autres substances polluantes. On peut imaginer de réaliser la hollande de la vanne EGR du circuit de recyclage d'une manière différente de celle qui a été décrite, pour son maintien en position de légère ouverture pendant le cycle chaud de fonctionnement du moteur. Le moteur à allumage par compression comportant le dispositif de traitement suivant l'invention peut être aussi bien à un moteur atmosphèrique qu'un moteur turbocompressé. La ligne de recyclage peut être reliée à la ligne d'échappement, au niveau d'un collecteur d'échappement indépendant d'un turbocompresseur ou en un point quelconque situé en amont ou en aval du pot catalytique du moteur. L'invention s'applique à tout moteur Diesel comportant une ligne de recyclage reliée à la ligne d'échappement principale du moteur, sur laquelle est placée une vanne de commande et de réglage du débit de gaz recyclés. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'évacuation et de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à allumage par compression (1) comportant une ligne principale d 'échappement (14) reliée à 1 'une de ses extrémités à au moins une tubulure d'échappement (7) d'un cylindre (2) du moteur (1), sur laquelle est placé un pot catalytique (15) renferment un corps catalyseur (16) et une ligne (10) de recyclage de gaz en dérivation sur la ligne principale d'échappement (14) reliée à l'une de ses extrémités à la ligne d'échappement principale (14) et à son autre extrémité à un collecteur d'admission (8) du moteur (1) relié à au oins un cylindre (2) du moteur (1) par une tubulure d'admission (6), sur laquelle est placée une vanne (11) de commande et de réglage du recyclage de gaz d'échappement à l'admission du moteur (1), caractérisé par le fait qu'un moyen (18) d'adsorption d'oxydes d'azote est disposé sur la ligne de recyclage (10). 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen d'adsorption (18) d'oxydes d'azote est disposé sur le circuit de recyclage (10), en aval de la vanne de commande et de réglage (11). 3.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la vanne (11) de commande et de réglage du circuit de recyclage (10) est commandée par un module de commande (17), caractérisé par le fait qu'une sonde de température (19) disposée dans la ligne principale d'échappement (14) en amont du pot catalytique (15) est reliée au module de commande (17) de la vanne de commande et de réglage du circuit de recyclage (10). 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la ligne de recyclage (10) de gaz d'échappement est reliée à la ligne principale d'échappement (14), par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement recevant les gaz d'échappement à la sortie du moteur. 5.- Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le collecteur d'échappement est constitué par l'enveloppe d'un turbocompresseur (9) disposé sur la ligne d'échappement principale (14) de manière à recevoir les gaz d'échappement à la sortie du moteur (1) et comportant une turbine (9a) d ' entraîneient d'un compresseur de gaz. 6.- Dispositif suivant 1 'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la ligne de recyclage (10) est reliée à la ligne d'échappement principale (14) en un point situé en amont du pot catalytique (15). 7.- Dispositif suivant 1'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la ligne de recyclage (10) est reliée à la ligne d'échappement principale (14), en aval du pot catalytique (15). 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le moyen d'adsorption (18) est réalisé de manière que la teura- ture de transition entre son fonctionnement en adsorbeur et un fonctionnement en désorbeur est sensiblement égale à une température d'amorçage du catalyseur (16) du pot catalytique (15). 9.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le moyen d'adsorption (18) est constitué sous la forme d'un corps monolithique recouvert d'un matériau d'adsorption des oxydes d'azote.