Brevet FR2808840A1 — publié le 20011116

La présente invention concerne une installation d'épuration des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne à injection directe pouvant utiliser un mélange pauvre, comportant au moins un catalyseur d'emmagasinage des oxydes NOx dans la tubulure des gaz d'échappement, ainsi qu'une méthode de détermination du point de montage d'un précatalyseur dans la tubulure d'échappement d'un tel moteur à combustion interne, à injection directe et pouvant utiliser un mélange pauvre, dont l'installation d'épuration des gaz d'échappement comporte au moins un système catalyseur qui comprend en succession le précatalyseur et un catalyseur d'emmagasinage des oxydes NOx, le point de montage du précatalyseur étant alors indiqué comme parcours moyen des gaz d'échappement de la sortie d'une culasse du moteur à combustion interne à l'entrée dans le précatalyseur. Il est connu d'utiliser des installations dites d'épuration des gaz d'échappement pour épurer les gaz de combustion de moteurs à combustion interne. Ces installations d'épuration de gaz d'échappement peuvent comprendre entre autres des filtres à particules, et des systèmes catalyseurs. Ces derniers contiennent des composants avec lesquels, d'une part, les réducteurs tels que les hydrocarbures HC incomplètement brûlés et le monoxyde de carbone CO sont oxydés par l'oxygène de l'air et, d'autre part, les oxydes d'azote NOx peuvent être convertis par les réducteurs en produits ayant moins de conséquences sur l'environnement. A côté des composants catalytiques, les catalyseurs utilisés dans le système de catalyse peuvent aussi contenir des composants d'emmagasinage qui permettent d'absorber sélectivement certains composants gazeux, par exemple NOX ou HC. Un composant d'emmagasinage des oxydes NOx peut alors être réuni avec les composants catalyseurs en un catalyseur dit d'emmagasinage des oxydes Nox. Le catalyseur emmagasinant les oxydes NOx stocke les oxydes NOx sous forme de nitrate dans des phases dans lesquelles les flux massiques de réducteurs nécessaires ne peuvent pas être rendus disponibles pour une conversion catalytique totale (il s'agit de préférence des phases pauvres de fonctionnement du moteur à combustion interne). A des intervalles réguliers, une régénération du catalyseur d'emmagasinage de NOx doit être entreprise pour rétablir la capacité initiale d'emmagasinage et pour éviter des percées de NOx. A cet effet, un fonctionnement stoechiométrique ou riche du moteur à combustion interne s'impose temporairement. Etant donné que les phases de fonctionnement stoechiométrique et riche mènent généralement à une augmentation de la consommation en carburant, on s'efforce d'obtenir une durée de séjour la plus courte possible du moteur à combustion interne dans ce mode de fonctionnement. Cela est nécessaire, en particulier, lorsque le moteur à combustion interne est un moteur à injection directe pouvant utiliser un mélange pauvre, étant donné que ce moteur offre des avantages de consommation particulièrement grands lorsqu'il fonctionne en phase pauvre. Un catalyseur d'emmagasinage de NOx équipé d'un composant à trois voies pourrait déjà assurer en lui-même une réduction suffisante des émissions sur tous les modes de fonctionnement du moteur à combustion interne. Mais un fonctionnement optimal de chaque catalyseur disposé dans la tubulure des gaz d'échappement dépend aussi de sa température minimale nécessaire pour une réaction spécifique de conversion (température d'amorçage). Si la température du catalyseur est en dessous de la température d'amorçage, le composant spécifique de la substance nocive ne peut réagir qu'incomplètement ou parfois il ne peut plus du tout réagir. A côté de cette fenêtre de température pour une activité catalytique optimale, on doit en outre considérer pour le catalyseur d'emmagasinage de NOx les températures permettant un comportement optimal de sorption. En outre, on doit se méfier d'une altération thermique possible des composants du catalyseur ou de la matière d'emmagasinage dans le choix d'un point de montage pour le catalyseur d'emmagasinage de NOx. Ainsi, au-dessus d'une température spécifique de la matière, il peut se produire -à côté d'une activité qui n'est plus optimale ou d'une brusque désorption de NOx emmagasiné- une altération irréversible des composants. Dans le cas de moteurs à combustion interne à injection directe pouvant utiliser un mélange pauvre, la température des gaz d'échappement de même que le courant massique de réducteurs peuvent se situer nettement au-dessus des températures et du courant massique des réducteurs de moteurs classiques, si bien que pour assurer un ordre de marche durable du catalyseur d'emmagasinage de NOx, ce catalyseur doit être disposé relativement loin du moteur, dans la tubulure des gaz d'échappement. Avec une disposition du catalyseur d'emmagasinage de NOx relativement loin du moteur, on doit bien entendu considérer que celui-ci, dans des phases de fonctionnement déterminées, ne présente encore pas la température d'amorçage nécessaire et qu'il peut donc se produire une émission élevée de substances nocives. Ainsi, par exemple dans des phases de basses températures des gaz d'échappement ou après un démarrage à froid du moteur à combustion interne, il ne peut se produire qu'une conversion insuffisante des substances nocives. Mais des moteurs à combustion interne à injection directe et à allumage commandé ont le plus souvent d'assez fortes émissions brutes d'hydrocarbures dont la composition interne est en outre décalée en direction de composants hydrocarbonés plus difficilement oxydables, tels que, par exemple, le méthane. Ceci entraîne une élévation de la température d'amorçage des hydrocarbures. La disposition du catalyseur d'emmagasinage de NOx loin du moteur oblige donc à prendre en considération une émission importante d'hydrocarbures, tout au moins dans la phase de démarrage à froid. Le but de la présente invention est de rendre disponible une installation d'épuration des gaz d'échappement qui permette de maintenir aussi faible que possible l'émission des substances nocives, même à de basses températures des gaz d'échappement, notamment peu après un démarrage à froid du moteur à combustion interne. L'invention propose en outre un procédé permettant de déterminer un point de montage d'un précatalyseur dans la tubulure des gaz d'échappement. Conformément à la présente invention, ce problème est résolu par l'installation d'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à injection directe et pouvant utiliser un mélange pauvre, comportant au moins un catalyseur d'emmagasinage des oxydes NOx dans la tubulure des gaz d'échappement, ainsi que par le procédé de détermination du point de montage du précatalyseur dans la tubulure des gaz d'échappement, d'un moteur à combustion interne à injection directe et pouvant utiliser un mélange pauvre, dont l'installation d'épuration des gaz d'échappement comporte au moins un système catalyseur qui comprend en succession le précatalyseur et un catalyseur d'emmagasinage des oxydes NOx, le point de montage du précatalyseur étant alors indiqué comme parcours moyen des gaz d'échappement de la sortie d'une culasse du moteur à combustion interne à l'entrée dans le précatalyseur. L'installation d'épuration des gaz d'échappement se caractérise par le fait qu'un précatalyseur est mis en place dans la tubulure des gaz d'échappement du moteur à combustion interne en amont du catalyseur d'emmagasinage des gaz NOx et par le fait que l'on choisit un point de montage du précatalyseur de manière que le parcours moyen des gaz d'échappement, de la sortie d'une culasse du moteur à combustion interne à l'entrée dans le précatalyseur, soit inférieur ou égal à 230 mm. Du fait de cette disposition très près du moteur du précatalyseur, celui-ci atteint très rapidement la température d'amorçage des hydrocarbures nécessaire pour la conversion de ces derniers. D'après cette méthode, le parcours moyen est calculé en fonction de la température d'amorçage des hydrocarbures et d'une densité cellulaire du précatalyseur, sous réserve que le parcours moyen soit au minimum inférieur ou égal à 230 mm. Selon une forme de réalisation appréciée de la méthode, la densité cellulaire est déterminée en fonction de la contre-pression des gaz d'échappement et d'une réduction souhaitée des émissions de HC dans la phase de démarrage à froid du moteur à combustion interne. Bien que l'émission des substances nocives puisse être réduite par une augmentation de la densité des cellules, on doit toutefois prendre en considération une consommation élevée en raison d'une contre-pression croissante des gaz d'échappement. On peut ensuite déterminer de préférence à l'aide d'une caractéristique donnée spécifique du moteur un rapport des deux paramètres optimisé pour la réalisation technique. Le précatalyseur est de préférence un catalyseur d'oxydation, en particulier à un catalyseur à trois voies. Il peut alors être conçu de préférence comme catalyseur trimétallique à base de platine, de palladium et de rhodium, ce qui permet d'obtenir des vitesses de conversion particulièrement grandes. En outre, les composants du catalyseur sont de préférence déposés sur un support métallique qui permet, du fait de sa conductibilité thermique, un chauffage particulièrement rapide et uniforme du précatalyseur. La température d'amorçage des hydrocarbures du précatalyseur se situe alors de préférence dans un intervalle de températures de 220 à 350 C. Dans la mesure o l'on utilise pour le précatalyseur des matériaux appropriés stables aux hautes températures, on peut avantageusement raccourcir le parcours moyen à une valeur inférieure ou égale à 190 mm. En ce qui concerne le moteur à combustion interne, il peut s'agir d'un moteur à combustion interne à allumage commandé ou à auto-allumage. D'autres aspects avantageux de l'invention ressortent de la description qui va suivre d'une forme de réalisation choisie à titre d'exemple, en regard des dessins, sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un moteur à combustion interne à injection directe pouvant utiliser un mélange pauvre, équipé d'une installation d'épuration des gaz d'échappement, et la figure 2 illustre la relation qui existe entre une émission relative de HC et la densité cellulaire d'un précatalyseur. La figure 1 représente en perspective schématique un moteur à combustion interne 10 à injection directe, pouvant utiliser un mélange pauvre. Le moteur à combustion interne 10 aspire de l'air frais par un tube d'aspiration 12. Le mélange d'air et de carburant à brûiler est formé, à l'aide d'un système d'injection non représenté, directement par injection de carburant dans le cylindre. De tels systèmes d'injection et leurs procédés de fonctionnement appartiennent à l'art antérieur et une explication détaillée n'est donc pas ici nécessaire. On doit simplement retenir qu'une influence peut être ainsi exercée non seulement sur la composition du mélange d'air et de carburant, mais aussi sur sa répartition dans la chambre de combustion du cylindre (profil d'écoulement), et que l'on peut ainsi obtenir par exemple un fonctionnement en phase pauvre particulièrement favorable du point de vue de la consommation. Le gaz d'échappement produit passe dans une tubulure d'échappement 14, dans laquelle est installée une installation 16 d'épuration du gaz d'échappement. Cette installation 16 comprend un précatalyseur 18 et un catalyseur 20 d'emmagasinage des oxydes NO.. Pour la clarté de l'illustration, on a renoncé à représenter d'autres composants de l'installation 16 d'épuration des gaz d'échappement. Ces composants peuvent comprendre, par exemple, un filtre à particules, mais aussi des éléments capteurs à l'aide desquels on peut déceler et/ou influencer une composition des gaz d'échappement, une température de ces gaz ou une teneur en composants gazeux spécifiques du gaz d'échappement dans des zones choisies. Des méthodes de mesure et d'évaluation, de même que des procédés de commande et de réglage qui permettent un fonctionnement discontinu de l'installation 16 d'épuration des gaz d'échappement en vue du fonctionnement optimal du catalyseur 20 d'accumulation des gaz NO,, appartiennent aussi à l'art antérieur. Dans ce cas, le précatalyseur 18 est monté déjà dans le collecteur 22 des gaz d'échappement -c'est-à-dire immédiatement en aval du moteur 10 à combustion interne. Comme on l'a représenté ici, on peut effectuer ce montage en intercalant un joint à brides 24. En variante, on peut assurément concevoir également des procédés dans lesquels le précatalyseur est directement intégré au collecteur des gaz d'échappement, sans qu'un tel joint à brides 24 soit nécessaire. Une telle solution offre l'avantage d'éviter une pénétration d'air par un joint à brides 24 manquant éventuellement d'étanchéité. En outre, une face frontale 26 du précatalyseur 18 est adaptée au profil d'écoulement régnant dans la tubulure 14 des gaz d'échappement, ce qui assure un écoulement aussi régulier que possible à travers le précatalyseur 18. Le précatalyseur 18 est un catalyseur d'oxydation, en particulier un catalyseur à trois voies. Pour garantir une vitesse de conversion aussi grande que possible, le catalyseur possède des composants à base de platine, de palladium et de rhodium. En outre, il présente un support métallique qui permet un équilibrage rapide des températures à l'intérieur du précatalyseur 18 et avec le gaz d'échappement. La température d'amorçage des hydrocarbures du précatalyseur 18 se situe dans une plage de 220 à 350 OC pour X = 1,02 à 1,10, et pour une vitesse spatiale vs inférieure à 80 000 h'. Lorsque la forme et les constituants du précatalyseur 18 sont connus, on peut déterminer un point de montage dans le collecteur 22 des gaz d'échappement. Le point de montage est alors indiqué comme parcours moyen du gaz d'échappement de la sortie d'une culasse du moteur à combustion interne 10 à l'entrée dans le préçatalyseur 18. Le parcours moyen est alors prévu avec une valeur inférieure ou égale à 230 mm. Le cas échéant, ce parcours peut être réduit à une valeur inférieure ou égale à 190 mm lorsqu'une stabilité suffisante à haute température des matières utilisées pour le précatalyseur 18 est assurée. Le parcours moyen est alors calculé en fonction de la température d'amorçage des hydrocarbures et d'une densité cellulaire du précatalyseur 18. L'influence de la densité cellulaire Z sur une émission relative d'hydrocarbures ressort de la figure 2. A partir d'une faible densité cellulaire Z, l'émission relative commence par décroître fortement. Toutefois, lorsque la densité cellulaire Z croît, l'avantage que cela présente en matière d'émission ne varie plus que faiblement. Etant donné que, par ailleurs, lorsque la densité cellulaire Z croît, la contrepression des gaz d'échappement augmente également, et que, par conséquent, la consommation de carburant du moteur 10 à combustion interne augmente, il est possible de prédéterminer, à l'aide de cette courbe caractéristique une zone qui représente un compromis rationnel des deux paramètres. Dans ce cas, la densité cellulaire du précatalyseur 18 doit se situer dans la plage de 31 à 125 cellules par cm2, de préférence de 46 à 78 cellules par cm2. La courbe caractéristique doit alors être adaptée spécifiquement au moteur à combustion 10 utilisé, et aux conditions qui règnent dans l'installation 16 d'épuration des gaz d'échappement. Les références des dessins annexés sont les suivantes: Moteur à combustion interne 12 Tube d'aspiration 14 Tubulure des gaz d'échappement 16 Installation d'épuration des gaz d'échappement 18 Précatalyseur Catalyseur d'emmagasinage des oxydes NOx, 22 Collecteur des gaz d'échappement 24 Joint à brides 26 Face frontale. REVENDICATIONS 1. Installation d'épuration des gaz d'un moteur à combustion interne à injection directe et pouvant utiliser un mélange pauvre, comportant au moins un catalyseur d'emmagasinage des oxydes NOx dans la tubulure des gaz d'échappement, caractérisée en ce qu'un précatalyseur (18) est monté en amont du catalyseur (20) d'emmagasinage des oxydes NOx et son point de montage est choisi de manière que le parcours moyen des gaz d'échappement de la sortie d'une culasse du moteur (10) à combustion interne à l'entrée dans le précatalyseur (18) soit inférieur ou égal à 230 mm. 2. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le parcours moyen est inférieur ou égal à 190 mm. 3. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que précatalyseur (18) est un catalyseur d'oxydation, en particulier un catalyseur à trois voies. 4. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le précatalyseur (18) est un catalyseur trimétallique à base de platine, de palladium et de rhodium. 5. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le précatalyseur (18) possède un support métallique. 6. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la température d'amorçage des hydrocarbures du précatalyseur (18) se situe dans un intervalle de 220 à 350 C pour X = 1,02 à 1,10 et pour une vitesse spatiale vs inférieure à 80 000 h-1. 7. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la densité cellulaire du précatalyseur (18) se situe dans un intervalle de 31 à 125 cellules par cm2, de préférence dans l'intervalle de 46 à 78 cellules par cm2. 8. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le précatalyseur (18) est disposé de manière que sa face frontale du côté du moteur reçoive le plus régulièrement possible le flux de gaz d'échappement. 9. Installation d'épuration des gaz d'échappement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le précatalyseur (18) est intégré à un collecteur (22) de gaz d'échappement du moteur (10) à combustion interne. 10. Procédé de détermination du point de montage d'un précatalyseur dans la tubulure des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à injection directe et pouvant utiliser un mélange pauvre, dont l'installation d'épuration des gaz d'échappement comporte au moins un système catalyseur qui comprend en succession le précatalyseur et un catalyseur d'emmagasinage des oxydes Nox, le point de montage du précatalyseur étant alors indiqué comme parcours moyen des gaz d'échappement de la sortie d'une culasse du moteur à combustion interne à I'entrée dans le précatalyseur, caractérisé en ce que le parcours moyen est calculé en fonction d'une température d'amorçage des hydrocarbures HC et d'une densité cellulaire du précatalyseur (18), sous réserve que le parcours moyen soit au minimum inférieur ou égal à 230 mm. 11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le parcours moyen est au minimum inférieur ou égal à 190 mm. 12. Procédé suivant l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la densité cellulaire est déterminée en fonction de la contrepression des gaz d'échappement et d'une réduction souhaitée des émissions de HC dans une phase de démarrage à froid du moteur à combustion interne (10). 13. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (10) est réalisé à allumage commandé. 14. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (10) est réalisé à allumage automatique.