Brevet FR2755181A1 — publié le 19980430

Procédé et dispositif de réduction des polluants contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. La présente invention concerne d'une manière générale un procédé pour réduire la pollution due aux gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Les normes mondiales contre la pollution due aux véhicules n'ont cessé, au cours des dernières années, de devenir de plus en plus sévères. Pour satisfaire ces normes antipollutions, les constructeurs automobiles ont développé des solutions de plus en plus efficaces pour éliminer les polluants des gaz d'échappement des moteurs tels que, par exemple, les pots d'échappement catalytiques pour les moteurs à essence et les filtres à particules pour les moteurs diesel. Les gaz d'échappement des moteurs comprennent comme polluants principaux des hydrocarbures imbrûlés, de l'oxyde de carbone, des oxydes d'azote (NO et NO2) et des suies (principalement dans le cas d'un moteur diesel). Pour épurer les gaz d'échappement des moteurs à essence d'une grande partie de leurs composés nocifs pour la santé on a eu recours entre autres à des pots catalytiques. Ces pots catalytiques, bien connus en eux-mêmes, comportent un système de catalyseurs qui ont pour objet d'oxyder les hydrocarbures imbrûlés ainsi que l'oxyde de carbone et de réduire les oxydes d'azote. Ces pots catalytiques se sont avérés efficaces, ayant des taux de conversion d'environ 95%. Cependant, l'action du système de catalyseurs ne débute qu'à partir d'une température relativement élevée de l'ordre de 250 C et n'est optimale qu'à des températures de l'ordre de 450"C. Lors des départs à froid des véhicules, bien évidemment, le pot catalytique est à une température bien inférieure à 250"C et est donc inactif. C'est la chaleur des gaz d'échappement qui va peu à peu accroître la température du système de catalyseurs jusqu'à la valeur requise pour le rendre efficace. Durant toute cette période d'inactivité du système de catalyseurs (qui dure environ 1 minute pour le cycle Europe qui en comporte 20) sont produites 80% des émissions polluantes enregistrées. On comprend dès lors l'intérêt pour les constructeurs automobiles à diminuer le temps d'amorçage du système de catalyseurs. Une solution pour réduire ce temps d'amorçage consiste à introduire de l'air à température ambiante dans le système d'échappement du véhicule pendant la phase froide, c'est-à-dire la phase de fonctionnement du moteur avant que le système de catalyseurs du pot catalytique n'entre en action. Une telle solution présente deux avantages. Un premier avantage est de réaliser un mélange pauvre de gaz d'échappement ce qui, au niveau du système de catalyseurs, est favorable à l'oxydation du gaz carbonique et des hydrocarbures imbrûlés. Ces réactions d'oxydation étant exothermiques on accélère ainsi la montée en température du système de catalyseurs du pot. Le second avantage est de réaliser une postoxydation en phase gazeuse des hydrocarbures imbrûlés et des gaz carboniques avant leur entrée dans le pot catalytique. Cette postoxydation diminue non seulement le taux de polluants mais permet également un réchauffement des gaz d'échappement du fait de l'exothermicité des réactions d'oxydation. Les gaz d'échappement ainsi réchauffés permettent d'accroître plus rapidement la température du système de catalyseur du pot. L'injection de l'air à l'échappement (I.A.E.) est généralement assurée par une pompe dont le débit est prédéterminé pour un moteur donné. Ce débit d'air est intéressant par l'oxygène qu'il apporte. L'azote, qui est le principal constituant de l'air (79%), ne participe en aucune façon à ce post-traitement et au contraire gêne la mise en action du pot catalytique par le fait qu'il absorbe une partie de la chaleur des gaz d'échappement, dilue l'oxygène et diminue sa pression partielle, augmente les températures d'auto-inflammation des produits susceptibles d'être oxydés, et diminue les vitesses des réactions chimiques d'oxydation. De plus, l'injection d'air à l'échappement n'est fonctionnel qu'en démarrage à froid et aucun système n'est prévu pour réduire les émissions d'hydrocarbures imbrûlés et de gaz carbonique après le pot catalytique lorsque ce dernier est opérationnel. Par ailleurs, dans le cas des moteurs diesel on rencontre des problèmes pour le traitement des particules, et ce, sur l'ensemble des points de fonctionnement d'un véhicule. Les systèmes actuels de filtre accumulent les suies qu'il est nécessaire de brûler pour pouvoir les régénérer. Les études en cours visent à optimiser les paramètres de combustion/régénération de telle sorte à obtenir - des régénérations à basse température (inférieure à 400"C), - des régénérations complètes par combustion de la totalité des suies piégées dans le filtre ou - des fréquences élevées de régénération c'est-à-dire pour des teneurs en suies dans le filtre relativement faibles. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé de réduction des polluants, en particulier les hydrocarbures imbrûlés, le gaz carbonique, et les particules, contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne qui remédie aux inconvénients ci-dessus. La présente invention a également pour but un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Selon l'invention on a trouvé qu'en introduisant directement dans le système d'échappement d'un moteur à combustion interne une quantité prédéterminée d'air synthétique, c'est-à-dire un air enrichi en oxygène, on obtient une oxydation plus complète des hydrocarbures imbrûlés et du gaz carbonique. La présente invention concerne donc un procédé de réduction de ces polluants contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un système d'échappement qui comprend l'introduction d'une quantité prédéterminée d'air synthétique directement dans le système d'échappement. Dans la présente description on entend par air synthétique tout air enrichi en oxygène contenant plus de 21% d'oxygène, y compris de l'oxygène pur. Dans le cas d'un système d'échappement catalytique qui comporte généralement un système de catalyseurs comprenant un catalyseur d'amorçage ou précatalyseur et un catalyseur principal (pot catalytique principal) l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique peut s'effectuer en amont du précatalyseur et/ou entre le précatalyseur et le catalyseur principal et/ou en aval du catalyseur principal, et/ou dans le catalyseur principal, en particulier entre les deux derniers pains catalytiques du catalyseur principal. Cette introduction peut s'effectuer de manière continue ou discontinue suivant le type d'application envisagée. Lorsque l'introduction d'air synthétique s'effectue en amont du précatalyseur ou entre le précatalyseur et le catalyseur principal on obtient une oxydation plus rapide, voire plus complète, et donc un dégagement de chaleur plus important. Du fait de la teneur réduite en azote, on obtient une moindre absorption de chaleur par l'azote et donc une température plus élevée des gaz d'échappement. Par conséquent on obtient un amorçage plus rapide du système de catalyseurs et en conséquence une plus courte période d'inactivité de celui-ci et ainsi une diminution des émissions polluantes lors du démarrage à froid du moteur. Lorsque l'introduction d'air synthétique s'effectue en aval du catalyseur principal, on obtient une post-oxydation des derniers hydrocarbures imbrûlés et du gaz carbonique non traité par le système de catalyseurs. Dans le cas d'un système d'échappement pour moteur diesel comportant un filtre à particules et/ou un catalyseur d'oxydation, l'introduction de l'air synthétique peut s'effectuer soit en amont soit en aval du filtre à particules et/ou du catalyseur d'oxydation. Lorsque l'introduction de l'air synthétique s'effectue en amont du filtre à particules cette introduction présente l'avantage supplémentaire de régénérer le filtre à particules diminuant ainsi leurs émissions. Lorsque l'introduction a lieu en aval du filtre à particules on obtient les mêmes avantages que dans le cas d'un pot catalytique. Lorsque l'introduction de l'air synthétique s'effectue en amont du précatalyseur ou entre le précatalyseur et le catalyseur principal dans le cas d'un système d'échappement catalytique cette introduction s'effectue de préférence uniquement lors du démarrage à froid du moteur jusqu'à l'amorçage du fonctionnement -du système de catalyseur. De préférence la durée d'introduction est brève, de l'ordre de 40 secondes environ pour amorcer le fonctionnement du système de catalyseurs et les débits sont relativement faibles. Lorsque l'introduction de l'air synthétique s'effectue en amont d'un filtre à particules cette introduction est de préférence intermittente pour régénérer périodiquement le filtre. Les débits utilisés sont également relativement faibles. Dans tous les cas les températures obtenues ne sont pas suffisamment élevées pour qu'il y ait une formation effective d'oxydes d'azote. La présente invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention qui comprend un dispositif de production d'air synthétique relié à une source d'air par exemple un compresseur comprimant l'air atmosphérique et un dispositif recevant l'air synthétique délivré par le dispositif de production et introduisant une quantité prédéterminée d'air synthétique directement dans un système d'échappement d'un moteur à combustion interne. Les dispositifs et procédés d'enrichissement de l'air en oxygène sont connus. On décrit ci-dessous trois procédés et dispositifs différents connus d'enrichissement de l'air en oxygène, l'adsorption préférentielle avec commutation (Swing adsorption), les membranes à perméabilité relative et les céramiques conductrices. Adsorption préférentielle avec commutation (Swing Adsorption) La principe repose sur l'adsorption préférentielle de l'azote sur certains matériaux comme les Zéolithes (composé aluminosilicate). L'air en contact avec ces zéolithes se décharge ainsi d'une partie de l'azote le constituant et voit sa concentration en oxygène augmenter. Après un certain temps de fonctionnement les zéolithes sont saturées en azote et il est donc nécessaire de les régénérer. Cette régénération se fait par commutation (Swing) de la colonne de zéolithes à l'air ambiant grâce à un gradient de pression et/ou un gradient de température. Dans le cas de l'utilisation d'un gradient de pression (Pressure Swing Adsorption) deux colonnes (au minimum) sont utilisées; l'une fonctionne sous un certain débit d'air et sous une pression de 2 à 10 bars; la zéolithe de cette colonne se charge progressivement en azote et la concentration d'oxygène en sortie est supérieure à 21%. Une fraction de ce flux (débit d'élution) est dirigée sur la deuxième colonne et permet sa régénération. Lorsque la première colonne est saturée les flux d'air sont intervertis permettant la concentration en oxygène dans la deuxième colonne et la régénération de la première. La durée d'utilisation d'une colonne ou de sa régénération s'appelle le temps de cycle. La concentration de l'oxygène en sortie du système dépend de nombreux facteurs: - air : pression, débit, température - système: poids de zéolithe, temps de cycle. Le système utilisant un gradient de température (Température Swing Adsorption) est analogue au précédent et utilise les différences de température pour permettre la régénération des colonnes. D'autres systèmes d'adsorption à commutation (PTV Swing Adsorption) combinent différents paramètres de fonctionnement (pression ou dépression, température) ces systèmes, plus efficaces, s'adaptent plus facilement au besoin: meilleur rendement, diminution de volume, etc. Membranes à perméabilité sélective Dans ce cas, c'est la différence de perméation de l'oxygène et de l'azote à travers une membrane qui assure la séparation de ces deux constituants. L'air est introduit sous pression sur une face de la membrane; une partie des gaz, préférentiellement l'oxygène, traverse la membrane et est récupéré à la pression ambiante; l'autre partie, plus riche en azote est recueillie en aval, sans perte notable de pression. Ce système est en général utilisé pour récupérer l'azote et non l'oxygène considéré alors comme sous produit. Céramiques conductrices ioniques C'est une opération électrochimique qui permet de récupérer l'oxygène de l'air. L'air est au contact d'une face de la céramique (la cathode) sur laquelle l'oxygène est réduit. Les ions ainsi formés O- traversent sélectivement la céramique conductrice (à haute température) sous l'effet d'un potentiel électrique. Sur l'autre face (l'anode) les ions O-- se recombinent en oxygène. Le système développé est un cylindre de céramique baigné par de l'air ambiant sur sa face externe et qui accumule l'oxygène pur et sous pression dans son volume interne. Le dispositif d'introduction peut être tout dispositif de type classique, tel que par exemple un injecteur. On peut, le cas échéant prévoir un dispositif de stockage tampon entre le dispositif de production d'air synthétique et le dispositif d'introduction ce qui permet un meilleur dimensionnement du dispositif de production d'air synthétique. La source d'air peut être l'air atmosphérique ou de l'air prélevé dans le système d'échappement dans le cas d'un moteur diesel ou à essence à fonctionnement pauvre (haute température). Dans ce dernier cas on peut disposer le dispositif de production d'air synthétique en ligne avec le système d'échappement. La source d'air peut également être constituée par un turbocompresseur entraîné par le travail de détente des gaz d'échappement et qui fournit tout ou partie de l'énergie nécessaire à la compression de l'air ambiant délivré à l'entrée du dispositif de production d'air synthétique. Le cas échéant, l'azote séparé de l'air synthétique par le dispositif de production d'air synthétique peut être introduit dans la canalisation d'admission du moteur en amont du papillon d'admission. On a représenté schématiquement à la figure 1, une réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le dispositif comprend une source d'air 10 qui dans la réalisation représentée est constituée par un turbocompresseur entraîné par le gaz d'échappement du moteur pour comprimer l'air ambiant. L'air ambiant comprimé par le turbocompresseur 10 est délivré à un dispositif de production d'air synthétique 20, par exemple un dispositif tel que décrit ci-dessus, qui sépare l'air comprimé reçu en un courant d'air synthétique (enrichi en oxygène) 21 et un courant d'azote 22. Le courant d'air synthétique 21 est introduit par un dispositif d'introduction, tel qu'un injecteur (non représenté), en amont d'un pot d'échappement catalytique ou filtre à particules (40), cependant que le courant d'azote est réintroduit dans la conduite d'admission 31 du moteur en amont du papillon d'admission 32. REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction des polluants contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un système d'échappement caractérisé en ce qu'il comprend l'introduction d'une quantité prédéterminée d'air synthétique dans le système d'échappement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'échappement est un système d'échappement catalytique comprenant un système de catalyseurs. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue en amont et/ou en aval du système de catalyseurs et/ou dans le système de catalyseurs. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de catalyseurs comprend un catalyseur d'amorçage et un catalyseur principal, l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectuant en amont du catalyseur d'amorçage et/ou entre le catalyseur d'amorçage et le catalyseur principal et/ou en aval du catalyseur principal et/ou dans le catalyseur principal. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'introduction d'air synthétique ailleurs qu'en aval du système de catalyseurs et/ou dans le catalyseur principal s'effectue lors du démarrage à froid du moteur et jusqu'à l'amorçage du fonctionnement du système de catalyseurs. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'échappement est un système d'échappement d'un moteur diesel qui comporte un filtre à particules. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue en amont et/ou en aval du filtre à particules. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'introduction d'air synthétique en amont du filtre à particules s'effectue par intermittence. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de production d'air synthétique (20) relié à une source d'air et un dispositif recevant l'air synthétique produit et introduisant une quantité prédéterminée d'air synthétique dans un système d'échappement d'un moteur à combustion interne. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage de l'air synthétique disposé entre le dispositif de production et le dispositif d'introduction. 11. Dispositif selon la revendication 2 ou 10, caractérisé en ce que la source d'air comprend un turbocompresseur.