Brevet FR2813341A1 — publié le 20020301

La présente intervention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant un catalyseur accumulateur dans lequel pour générer une atmosphère de gaz d'échappement réductrice on brûle un combustible dans la veine de gaz d'échappement. Etat de la technique Le développement des connaissances a produit une réglementation pour la protection de la santé et de l'environnement qui rendent de plus en plus strictes les règles concernant l'émission des matières polluantes par les véhicules automobiles. Pour respecter cette réglementation, par exemple, à côté de carburant modifié, on utilise des catalyseurs accumulateurs NOX qui stockent les oxydes d'azote émis lorsque le moteur fonctionne en régime maigre c'est-à-dire pour des combustions correspondant à excédent d'air NOX dans la veine des gaz d'échappement. On arrive ainsi à une plus faible émission de monoxyde de carbone et de carburant mais à une émission relativement élevée en oxydes d'azote et NOX et les gaz d'échappement contiennent en particulier du monoxyde d'azote (NO). Les catalyseurs accumulateurs d'oxyde d'azote et NOX sont en mesure du fait de leur revêtement pendant la phase d'accumulation d'absorber des combinaisons et NOX contenues dans les gaz d'échappement, jusqu'à ce que le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX soit chargé c'est-à-dire jusqu'à ce qu'il ne puisse plus recevoir d'autres oxydes d'azote. Pour régénérer un tel catalyseur accumulateur (accumulateur d'oxyde d'azote NOX) on crée une atmosphère réductrice de gaz d'échappement (X A partir des conditions sous-stoechiométriques du rapport air/Carburant (@, De manière générale, pour les moteurs à essence on a fonctionnement maigre et riche que l'on réalise particulièrement simplement. Dans le cas des moteurs diesel, il est beaucoup plus difficile d'avoir un fonctionnement riche de sorte que pour de tels moteurs, il faut régénérer le catalyseur accumulateur à l'aide de moyens supplémentaires. Jusqu'à présent, pour générer une atmosphère de gaz d'échappement réductrice dans un moteur diesel, on a injecté directement du gazole dans la veine de gaz d'échappement pour le brûler. Le gazole est pour cela simplement injecté et allumé. Le carburant injecté brûle d'une manière relativement incontrôlée ce qui se traduit par une formation gê- nante de suie et de plus, il est difficile d'influencer la combustion. Problèmes et avantages de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec un catalyseur accumulateur et une combustion de carburant supplémentaire, permettant un fonctionnement pratiquement sans suie même dans des conditions air/Carburant très fortement sous stoechiométrique. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte une commande aérodynamique de la combustion. Le dispositif selon l'invention pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne se caractérise ainsi par une commande aérodynamique de la combustion. A l'aide d'un tel dispositif on assure que même pour des rapports sous-stoechiométriques air/carburant, il n'y aura pratiquement pas de formation de suie et en même temps on aura une bonne régulation de la combustion, par exemple par un fonctionnement périodique du dispositif. De manière préférentielle, on commande la quantité de car- burant pour adapter de manière souple le rapport air/carburant aux conditions variables. De façon avantageuse la combustion se fait avec du carbu- rant également utilisé dans le moteur à combustion interne c'est-à-dire de manière générale du gazole ou des carburants qui en découlent, par exemple de l'hydrogène réformé avec le carburant. Toutefois, on peut également utiliser d'autres carburants ou combustibles que l'on brûle selon l'invention et qui permettent ainsi par exemple de créer un gaz de procédé riche en monoxyde de carbone et/ou en hydrogène pour la régénération du catalyseur accumulateur. Il faut veiller dans ces conditions à ce que dans la combustion selon l'invention, on aura principalement une oxydation incomplète du carburant. Selon un développement particulier de l'invention, la commande aérodynamique comporte au moins un dispositif de retenue pour que la veine de gaz d'échappement soit d'une part accélérée et que d'autre part pour commander l'intensité de la turbulence et la répartition de la vitesse ; on produit avantageusement une mise en turbulence ou un mélange entre le mélange carburant/air à brûler et la veine de gaz d'échap- pement. Comme dispositif de retenue ou comme accroche flamme on prévoit par exemple une buse, ou grille ou un disque de retenue. De manière préférentielle, la commande aérodynamique comporte au moins un dispositif de mise en turbulence de façon à avoir une autre localisation dans l'espace ou stabilisation de la flamme du brûleur. A titre d'exemple, on prévoit des dispositifs de mise en turbulence en amont et/ou en aval de l'alimentation en carburant. On arrive ainsi à une combustion à faible dégagement de suie même dans des conditions sous stoechiométrique. On influence ainsi de manière positive les conditions de combustion précisément en combinaison avec le dispositif de retenue des pièces ci-dessus. De manière avantageuse, la commande aérodynamique comporte au moins un dispositif de recirculation pour que la flamme du brûleur reconduise de la chambre de réaction ou de la chambre de com- bustion une partie des gaz d'échappement ce qui réduit la température moyenne de la flamme et diminue les pointes locales de température ; cela diminue entre autre la teneur en NOX contenu dans les gaz d'échappement. De plus la combustion sous-stoechiométrique se stabilise en outre dans l'espace notamment en coopérant avec les dispositifs de retenue et de mise en turbulence décrits ci-dessus. Avant tout, à partir de la recirculation des fumées, il n'y aura pratiquement pas de dépôt de suie par la combustion du mélange air/carburant proche du niveau sous-stoe- chiométrique ou en dessous de celui-ci. Selon un autre développement, le dispositif comporte au moins une dérivation qui reçoit une partie de la veine de gaz d'échappement du moteur à combustion interne pour permettre ainsi dans les conditions de fonctionnement différentes du moteur à combustion interne, de laisser toujours passer un volume de gaz d'échappement défini dans le dispositif selon l'invention. Cela permet d'assurer des conditions d'écoulement pratiquement constantes dans le dispositif et de commander en plus la combustion d'une manière avantageuse. A l'aide d'une régulation correspondante des gaz d'échappement on aura par exemple également une adaptation du débit volumique de gaz d'échappement aux conditions de combustion variable de sorte que suivant la demande on fera passer plus ou moins de gaz d'échappement à travers le dispositif entre autre de façon avantageuse en allumant la flamme. Le dispositif comporte avantageusement une alimentation en air pour que la régénération du catalyseur accumulateur de NOX puisse se faire par exemple à l'arrêt du moteur à combustion interne. En même temps ce développement permet un réglage déterminé de la teneur en oxygène dans la veine de gaz d'échappement jusqu'à une valeur prédéterminée. De manière préférentielle, le dispositif comporte un moyen de refroidissement pour éviter la surchauffe du dispositif notamment de l'alimentation en carburant. Entre le dispositif et le catalyseur accumulateur on prévoit avantageusement un catalyseur d'oxydation et celui-ci transforme surtout le monoxyde d'azote (NO) en dioxyde d'azote (N02) pour que le catalyseur accumulateur ne reçoive pratiquement que du dioxyde d'azote (N02). On optimise ainsi l'accumulation d'azote de gaz d'échappement dans le catalyseur accumulateur NOX car celui-ci transforme de préférence le dioxyde d'azote (N02) en nitrate (NOs) et absorbe celui-ci. Selon le développement particulier de l'invention, entre le dispositif et le catalyseur accumulateur, un filtre à particules ne retient que les émissions de particules à la fois du moteur à combustion interne et du dispositif, dans le filtre à particules et pour éviter que ces particules n'arrivent dans le catalyseur accumulateur. Le filtre à particules est de préférence régénéré par le dispositif selon l'invention, en faisant une régénération du filtre pour un rapport sur stoechiométrique ou pauvre (k>1). Ainsi le dispositif fonctionne avantageusement avec deux rapports d'air différents, d'une part pour créer un gaz de procédé réducteur pour la régénération du catalyseur accumulateur (fonctionnement sous-stoechiométrique) et d'autre part pour nettoyer à des intervalles plus grands, le filtre à particules en brûlant les particules (fonctionnement sur-stoechiométrique). Description La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représentée dans les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention pour le traitement des gaz d'échappement, - la figure 2 est un schéma du procédé d'un dispositif selon l'invention, d'un catalyseur d'oxydation et d'un catalyseur accumulateur. - la figure 3 montre un schéma de procédé avec un dispositif selon l'invention, un filtre à particules et un catalyseur accumulateur. La figure 1 montre un dispositif de traitement des gaz d'échappement 2 d'un moteur à combustion interne en créant une atmosphère de gaz d'échappement réductrice, par la combustion d'un combustible 3. Le combustible 3 est pulvérisé par un pulvérisateur 4 ; un dispositif d'allumage 5 allume le carburant 3 pour que celui-ci brûle dans la chambre de réaction 6. Un disque de retenue 7, un générateur de mouvements de rotation 8 et plusieurs fentes 9 pour créer un mouvement de rotation, entouré par le disque de retenue 7, dirigent les gaz d'échappement 2a dans la chambre de réaction 6 pour assurer une combustion pratiquement sans suie. La chambre de réaction 6 est placée dans un canal de recirculation 10 avec plusieurs orifices de recirculation 11 permettant la réinjection des gaz d'échappement 2b. Par exemple, on peut modifier la taille de l'orifice de recirculation 11 pour une adaptation complémentaire aux conditions variables régnant dans la chambre de réaction 6. A la sortie de la chambre de réaction 6, le gaz d'échappement 2a, riche en monoxyde de carbone, arrive dans un catalyseur accumulateur 12. Une autre adaptation souple aux conditions variables régnant dans la veine de gaz d'échappement peut se faire par la commande de l'alimentation carburant. Pour cela, et à l'aide du disque de retenue 7, du générateur de mouvement de rotation 8 et des fentes 9, on commande la vitesse de répartition, l'intensité de la turbulence et le mélange du carburant dispersé pour stabiliser la flamme de manière aérodynamique. Surtout à l'aide d'éléments de montage installés dans le champ d'écoulement notamment de l'accroche flamme (disque de retenue 7), la mise en rotation précise (générateur de vitesse de rotation 8, fente 9) et par la réinjection des gaz d'échappement (canal de recirculation 10, orifice de recirculation 11) on génère un champ de vitesse dans lequel le transport des fumées chaudes fournit de l'énergie à la base de la flamme et stabilise l'emplacement de la flamme à proximité de l'accroche flamme. En variante ou en combinaison avec des dispositifs générant un mouvement de rotation (générateur de mouvement de rotation 8, fente 9) on peut fournir au dispositif 1 des gaz d'échappement 2 déjà avec un mouvement de rotation. La figure 2 montre un schéma de procédé. Dans ce schéma, entre les dispositifs 1 et le catalyseur accumulateur 12 on a un catalyseur d'oxydation 13 pour que le catalyseur accumulateur 12 reçoive plus de dioxyde d'azote et moins de monoxyde d'azote. La figure 3 montre un chemin de procédé selon lequel, entre le dispositif 1 et catalyseur accumulateur 12 on a un filtre à particules 14. Le filtre à particules 14 peut être un simple filtre à particules 14 ou un filtre à particules 14 à revêtement catalytique, une combinaison d'un catalyseur d'oxydation 13 et d'un simple filtre à particules 14. En variante, à l'endroit du filtre à particules 14, muni d'un revêtement on peut placer le catalyseur d'oxydation 13 entre le dispositif 1 et le simple filtre à particules 14. La quantité de carburant nécessaire à la régénération du catalyseur accumulateur 12 peut être évaluée à partir du calcul de l'équilibre chimique des composants principaux d'une flamme sous- stoechiométrique (C02, CO, H20, H2, N2). La consommation supplémentaire par le dispositif 1 selon l'invention diminue ainsi proportionnellement la réduction de la teneur en monoxyde d'azote et du rapport d'air réglé dans les gaz d'échappement NOMENCLATURE 1. dispositif 2. gaz d'échappement 3. combustible 4. pulvérisateur 5. dispositif d'allumage 6. chambre de réaction 7. disque de retenue 8. générateur de mouvement circulaire 9. fente générant le mouvement circulaire 10. canal de recirculation 11. orifice de recirculation 12. catalyseur accumulateur 13. catalyseur d'oxydation 14. filtre à particules REVENDICATIONS 1') Dispositif (1) de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant un catalyseur accumulateur (12) dans lequel pour générer une atmosphère de gaz d'échappement réductrice (,1 4 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande aérodynamique (7,8,9,10,11) comporte au moins un dispositif de recirculation (10,11) . 5 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte une dérivation qui reçoit une partie de la veine de gaz d'échappement. 6 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte une alimentation en air. 7 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte un dispositif de refroidissement. 8 ) Dispositif (1) selon revendication 1, caractérisé en ce qu' un catalyseur d'oxydation (13) est prévu entre le dispositif (1) et le catalyseur accumulateur (12). 9 ) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé par un filtre à particules (14) placé entre les dispositifs (1) et le catalyseur accumulateur (12). 10 ) Véhicule caractérisé en ce qu' il comporte un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 9. 11 ) Procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec catalyseur accumulateur (12) dans lequel pour générer une atmosphère de gaz d'échappement réductrice (k