Brevet FR2844000A1 — publié le 20040305

"Système de traitement de gaz d'échappement comportant un système d'ionisation des gaz avec injection d'air ionisé" L'invention propose un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion de véhicule automobile, 5 notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à mélange pauvre, comportant un circuit d'échappement de gaz brlés, du type dans lequel le circuit d'échappement comporte un système d'ionisation des gaz brlés. La réglementation concernant les émissions de véhicules 10 concerne essentiellement quatre types de polluants les hydrocarbures imbrlés HC, le monoxyde de carbone CO, les oxydes d'azote NOx et les particules. Dans le cas d'un moteur fonctionnant avec un excès d'oxygène, c'est-àdire un moteur du type à essence à mélange 15 pauvre ou du type diesel, la réduction des émissions d'hydrocarbures imbrlés HC et de monoxyde de carbone CO est obtenue grâce à un catalyseur d'oxydation qui, dans de grandes proportions, les transforme en dioxyde de carbone CO2. Cette réaction d'oxydation est d'autant plus efficace que la 20 température du catalyseur est élevée. C'est pourquoi, on cherche à disposer ce catalyseur le plus près possible de la sortie de la chambre de combustion de chaque cylindre du moteur. Le traitement des oxydes d'azote NOx peut être envisagé au moyen d'un piège à oxydes d'azote NOx dit "NOx-trap". Dans le cas d'un moteur à mélange pauvre, I'utilisation du piège à oxydes d'azote est conditionnée par la possibilité d'augmenter ponctuellement la richesse des gaz d'échappement qui traversent le piège. Toutefois, aujourd'hui, ces systèmes de traitement des 30 oxydes d'azote NOx et des d'hydrocarbures imbrlés HC sont encore très peu utilisés car leur efficacité n'est pas optimale dans toutes les conditions de roulage. Par ailleurs, leur cot n'est pas négligeable et leur utilisation entraîne des surconsommations importantes de carburant. Pour pallier leur manque d'efficacité, des travaux sur le couplage de ces systèmes avec la technologie des plasmas nonthermiques sont en cours. La technique consiste à former des espèces métastables, 5 des radicaux libres et des ions très réactifs, par collision entre les molécules du gaz et les électrons énergétiques produits par une décharge, et ceci, sans élévation de la température du milieu. Cette décharge est obtenue en appliquant, entre deux électrodes dont les configurations géométriques peuvent être 10 diverses, des signaux de tension et fréquence élevées. Dans les gaz d'échappement des moteurs dits à mélange pauvre, de telles décharges modifient la composition du mélange gazeux en favorisant des réactions telles que l'oxydation de monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2, la formation d'hydrocarbures 15 partiellement oxydés à partir des imbrlés, et enfin des réactions d'oxydation des particules conduisant à leur activation. Combinées à un système de post-traitement catalytique de réduction des oxydes d'azote NOx, ces décharges génératrices de plasma qui sont localisées en amont du catalyseur ou dans le 20 catalyseur permettent d'obtenir des taux de réduction supérieurs à ceux atteints avec un catalyseur seul, et ceci dans un domaine de température beaucoup plus large. Combinées à un filtre à particules, les décharges génératrices de plasma facilitent la réaction de combustion de la 25 suie, nécessaire à la régénération du média filtrant. En effet, la formation d'espèces activées oxydantes, telles que l'ozone 03 et le dioxyde d'azote NO2, et d'espèces réductrices, telles que des hydrocarbures partiellement oxydés et de la suie activée, est favorable à un démarrage de l'oxydation des particules à plus 30 basse température. Afin d'assurer des efficacités de réduction toujours plus performantes, il est nécessaire d'obtenir, dans un premier temps, une conversion optimale du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2. De manière générale, deux réactions principales mènent à l'oxydation du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2 NO+O+M->NO2+M, avec M = N2 ou 02, et NO+03 -> NO2 + 02 Lorsque les plasmas non-thermiques sont utilisés en tant que "ozoneur" via le traitement de l'air ambiant, il est possible de produire jusqu'à 50g d'ozone 03 par kWh consommé. Dans ce cas, I'oxygène atomique O formé dans l'air ambiant est entièrement disponible pour la formation d'ozone 03. Les réactions concurrentes à la production d'ozone 03 telles que les réactions de production de monoxyde d'azote NO, n'interviennent significativement que lorsque les puissances utilisées sont suffisantes pour introduire une élévation de température qui favorise la cinétique de formation de monoxyde 15 d'azote NO. Les paramètres limitant la production d'ozone sont la température (l'ozone 03 étant thermodynamiquement instable à partir de 600-650 K) et la teneur en vapeur d'eau (degré d'hygrométrie). Dans les publications "NO Oxidation Process in Dielectric 20 Barrier Discharge using Multipoint-to-plane Electrodes" et "NOx removal for diesel Engine exhaust by ozone injection method" présentées lors du congrès "Non thermal plasma techonlogy for pollution control" en avril 2001 en Corée du Sud, il a été proposé d'injecter de l'air ionisé par un plasma non thermique, c'est à dire 25 de l'air qui comporte une forte concentration en ozone 03 dans les gaz d'échappement. Bien que de tels procédés permettent de réduire notablement la quantité d'oxydes d'azote NOx présents dans les gaz d'échappement, leur efficacité est limitée à environ 60%. L'invention vise à améliorer le traitement des oxydes d'azote par les plasmas non thermiques. L'invention propose donc un système de traitement du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le circuit d'échappement comporte un système d'injection d'air ionisé en amont et/ou en aval du système d'ionisation des gaz brlés. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le système d'injection d'air ionisé comporte des moyens 5 d'ionisation de l'air ambiant qui transforment une partie de l'oxygène contenu dans l'air ambiant en ozone; - les moyens d'ionisation de l'air et le système d'ionisation des gaz brlés consistent chacun en au moins un réacteur du type à décharges génératrices de plasma non 0o thermiques; - le système d'ionisation des gaz brlés comporte plusieurs réacteurs agencés en série qui ionisent successivement les gaz brlés; - les différents réacteurs sont des compartiments séparés d'une enceinte unique; - le circuit d'échappement comporte un catalyseur de traitement des oxydes d'azote qui est situé en aval du système d'injection d'air ionisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 20 apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion qui comporte un 25 système de traitement conforme à l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique du système de traitement représenté à la figure 1; - les figures 3 à 5 sont des vues similaires à celle de la figure 2 représentant des variantes de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. On a représenté à la figure 1 un moteur à combustion interne 10 qui est réalisé conformément aux enseignements de I'invention. Le moteur 10 est ici du type diesel ou du type à essence à 5 mélange pauvre, c'est à dire qu'il fonctionne avec un excès d'oxygène par rapport aux conditions stoechiométriques. Le moteur 10 comporte un circuit d'admission 12 de gaz d'admission et un circuit d'échappement 14 de gaz brlés G. Le circuit d'échappement 14 comporte un dispositif de 10 dépollution 16, qui traite les gaz brlés G de manière à limiter le rejet de polluants dans l'atmosphère. Le dispositif de dépollution 16 comporte un système de traitement 18 des gaz brlés G qui permet de transformer le monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2. En aval du 15 système de traitement 18, le dispositif de dépollution 16 comporte un catalyseur 20 qui traite le dioxyde d'azote NO2 pour le transformer en azote N2 et en oxygène 02 qui sont des constituants naturels de l'air. Comme on l'a représenté à la figure 2, le système de 20 traitement 18 comporte un système d'ionisation 22 des gaz brlés G qui consiste en un réacteur 32 du type à décharges génératrices de plasma non thermique. Ce réacteur permet d'oxyder le monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2. L'oxydation du monoxyde d'azote NO en 25 dioxyde d'azote NO2 s'effectue directement ou indirectement via l'oxygène atomique. Or, il s'avère, et l'ensemble des études menées sur le sujet le confirme, que cette conversion du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2 ne peut être complète et tend en fait vers une limite asymptotique, en 30 particulier du fait que le dioxyde d'azote NO2 atteint des concentrations telles que la réaction de réduction NO2 + 0 -> NO + 02 neutralise la réaction d'oxydation initiale. A cet effet, et conformément à l'invention, le système de traitement 18 comporte un système d'injection d'air ionisé 24 qui est ici agencé en aval du système d'ionisation 22 des gaz brlés G, cependant, selon une variante (non représentée) de 5 I'invention, le système d'injection d'air ionisé 24 est agencé en amont du système d'ionisation 22 des gaz brlés G. Ce système d'injection d'air ionisé 24 comporte un système d'ionisation de l'air 26 qui consiste en un réacteur du type à décharges génératrices de plasma non thermique. Les plasmas produits dans ces réacteurs 22, 26, 32 sont des plasmas dits non thermiques, générés par des décharges de type "décharge couronne". Ils sont produits entre des électrodes nues ou recouvertes de barrières diélectriques de configurations variées pouvant aller de plans parallèles, et dans ce cas avec au 15 moins une barrière diélectrique, à des géométries à champ appliqué fortement hétérogène (multipointes-plans, fil ou vis-plan coplanaires, fil ou vis-cylindre coaxiaux, etc...). Les distances inter-électrodes (définies comme les distances entre électrodes en absence de diélectrique, entre 20 l'électrode et le diélectrique en présence d'une unique barrière diélectrique, entre diélectriques en présence de deux barrières diélectriques), peuvent être identiques ou différentes pour chacun des réacteurs et par ailleurs variables suivant les conditions de traitement (débit de gaz à traiter par exemple). Les effluents gazeux, injectés à pression atmosphérique ou différente, peuvent s'écouler perpendiculairement ou parallèlement au plasma. Enfin, suivant la géométrie adoptée, l'alimentation des réacteurs 22, 26, 32, qui peut être commune ou différenciée pour chaque réacteur 22, 26, 32, fournit une tension 30 variable qui pourra être continue, pulsée ou alternative. Le système d'injection d'air ionisé 24 comporte un circuit d'admission d'air ambiant 28 qui relie le réacteur 26 à l'air ambiant par l'intermédiaire d'un filtre à air (non représenté). Conformément à l'invention, le réacteur 26 transforme l'oxygène O contenu dans l'air en ozone 03, et il est apte à produire environ 50g d'ozone 03 par kWh consommé. L'air ionisé qui comporte l'ozone 03 produit est alors 5 injecté dans le circuit d'échappement 14 par l'intermédiaire d'un conduit d'injection 30 en aval du système d'ionisation 22 des gaz brlés G de sorte que l'ozone 03 produit réagisse avec le monoxyde d'azote NO initialement contenu dans les gaz brlés G, lorsque le système d'injection d'air ionisé 24 est agencé en amont o0 du système d'ionisation des gaz brlés G, ou bien avec le monoxyde d'azote NO résiduel contenu dans les gaz brlés G lorsque le système d'injection d'air ionisé 24 est agencé en aval du système d'ionisation 22 des gaz brlés G. Le système de traitement 18 comporte aussi des moyens 15 non représentés de contrôle du réacteur 26 d'ionisation de l'air pour produire la quantité d'ozone 03 nécessaire pour la conversion de la totalité du monoxyde d'azote NO. Il est ainsi possible de convertir la totalité du monoxyde d'azote NO contenu dans les gaz brlés G. Selon une première variante de l'invention représentée à la figure 3, le système d'ionisation des gaz 32 comporte plusieurs réacteurs 32, ici au nombre de trois, qui sont agencés en série et qui ionisent successivement les gaz brlés G. Puisque les gaz brlés G sont ionisés plusieurs fois, la 25 quantité de monoxyde d'azote NO converti en dioxyde d'azote NO2 est proche de la valeur limite asymptotique définie ci-dessus, de sorte que le système d'injection d'air ionisé ne doit produire qu'une quantité réduite d'ozone 03. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention 30 représenté aux figures 3 et 5, les différents réacteurs 32 sont des compartiments d'une enceinte unique qui sont séparés les uns des autres par des parois 34, qui peuvent être étanches ou non. Selon une deuxième variante de l'invention représentée aux figures 4 et 5, les deux réacteurs, celui du système d'ionisation des gaz 22 et celui du système d'ionisation d'air 26, sont deux compartiments d'une enceinte unique qui sont séparés l'un de l'autre par une paroi 34 qui est étanche. Selon cette variante, le système d'ionisation des gaz 22 5 peut ne comporter qu'un seul réacteur 32, comme représenté aux figure 2 et 4, ou bien il peut comporter plusieurs réacteurs 32 agencés en série qui sont eux-mêmes des compartiments d'une enceinte unique. Un tel agencement permet de réduire le volume total du o0 dispositif de traitement 18 qui consiste alors en une enceinte unique. Quelle que soit la variante de réalisation du dispositif de traitement 18, les différents réacteurs 26, 32 sont alimentés électriquement par une alimentation unique ou bien par des alimentations hautes tensions qui peuvent être identiques ou bien différenciées selon la fonction du réacteur 26, 32 auquel elles sont associées. REVENDICATIONS 1. Système de traitement (16) des gaz d'échappement (G) d'un moteur à combustion (10) de véhicule automobile, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à 5 mélange pauvre, comportant un circuit d'échappement (14) de gaz brlés (G), du type dans lequel le circuit d'échappement (14) comporte un système d'ionisation (22) des gaz brlés (G), caractérisé en ce que le circuit d'échappement (14) comporte un système d'injection d'air ionisé (24) en amont et/ou 10 en aval du système d'ionisation (22) des gaz brlés (G). 2. Système de traitement (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système d'injection d'air ionisé (24) comporte des moyens d'ionisation (26) de l'air ambiant qui transforment une partie de l'oxygène contenu dans l'air 15 ambiant en ozone. 3. Système de traitement (16) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ionisation (26) de l'air et le système d'ionisation (22) des gaz brlés (G) consistent chacun en au moins un réacteur (26, 32) du 20 type à décharges génératrices de plasma non thermique. 4. Système de traitement (16) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système d'ionisation (22) des gaz brlés (G) comporte plusieurs réacteurs (32) agencés en série qui ionisent successivement les gaz brlés (G). 5. Système de traitement (16) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les différents réacteurs sont des compartiments séparés d'une enceinte unique (18). 6. Système de traitement (16) selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'échappement (14) comporte un catalyseur (20) de traitement des oxydes d'azote qui est situé en aval du système d'injection d'air ionisé (24).