Brevet FR2856730A1 — publié le 20041231

La présente invention concerne de façon générale le domaine du post traitement par catalyseur des gaz d'échappement de moteur à allumage commandé ou de brûleur et de façon plus particulière, un dispositif de catalyse étagé des gaz d'échappement pour tout moteur à allumage commandé quelque soit le carburant utilisé. De façon plus particulière, la présente invention concerne un dispositif de catalyse des gaz d'échappement pour moteur à allumage commandé dont l'originalité consiste à d'abord réaliser une catalyse des gaz d'échappement en milieu réducteur, puis après introduction d'air par un système dynamique d'oxyder tous les composants résiduels hydrocarbonés de cette première étape sur un catalyseur d'oxydation. La réduction des émissions de polluants produits par les moteurs à explosion est l'objectif que se sont fixés les pouvoirs publics depuis de nombreuses années. Cet objectif a été largement atteint, puisque aujourd'hui toutes les voitures de série à moteur à allumage commandé sont équipées d'un système à catalyse dit à trois voies qui réduit les émissions de tous les polluants gazeux à de très faibles valeurs. Le bon fonctionnement de ce système étant lié à la composition des gaz d'échappement, qui doit impérativement être issue de la combustion d'un mélange correspond à la st chiométrie. Pour atteindre cet objectif une sonde à oxygène mesure en continu la composition des gaz d'échappement et donne cette information à un calculateur qui lui ajuste en permanence la richesse du mélange carburé par le pilotage de la quantité de carburant injecté. Il est probable que le système de catalyse à trois voies tel que nous le connaissons aujourd'hui ne soit plus suffisamment performant pour atteindre les niveaux d'émissions en polluants imposés par les futurs normes de pollution 2007 et au-delà. En effet, le fonctionnement de la catalyse sur des gaz d'échappement résultant de la combustion d'un mélange carburé dont la composition varie au voisinage de la st chiométrie ne peut pas garantir des émissions très proche de zéro aussi bien pour les hydrocarbures, autres composés hydrocarbonés et oxyde de carbone que pour les oxydes d'azote.La variation de la richesse au voisinage de la st chiométrie entraînant obligatoirement de faibles émissions d'oxydes d'azote lorsque le mélange est légèrement pauvre et à l'inverse de faibles émissions d'hydrocarbures et d'oxyde de carbone lorsque le mélange est légèrement riche. Seul un système de catalyse en deux étapes tel que nous l'imaginons permettra lui d'atteindre ces objectifs, puisque dans un premier temps une catalyse en milieu riche, défaut d'oxygène, permettra de réduire totalement les oxydes d'azote sur un catalyseur approprié, puis après addition d'air par un système dynamique assurera sur un catalyseur d'oxydation spécifique une oxydation complète de tous les composés hydrocarbonés résiduels par l'excès d'oxygène introduit.L'utilisation de catalyseurs spécifiques de réduction, puis d'oxydation étant un garant de l'obtention de rendements de conversion proches de 100 % qui conduiront à des émissions voisines de zéro. Dans un autre domaine et depuis de nombreuses années chaque fois que les pouvoirs sportifs au niveau de la compétition automobile ont voulu imposer des systèmes de dépollution du type trois voies sur les moteurs de compétition, ils se sont heurtés à la difficulté majeure d'imposer et de vérifier le fonctionnement du moteur à une composition du mélange carburé correspondant à la st chiométrie, tout excès de carburant se traduisant par un surcroît de puissance et par un disfonctionnement de la dépollution par la catalyse. Il faut savoir en effet que pour obtenir la puissance maximum sur un moteur à allumage commandé, il est nécessaire d'augmenter la richesse du mélange carburé, l'optimum étant atteint avec un excès de carburant par rapport au mélange st chiométrique de 5 à 10 % en fonction des conditions de fonctionnement.Comme le problème est de mettre tous les compétiteurs à pied d'égalité, la vérification du fonctionnement d'un tel système devient impossible, le pouvoir sportif n'a donc jamais pu imposer de tel système de dépollution. Une transposition de cette catalyse à deux étages pourra aussi être avantageusement faite pour le traitement des fumées provenant d'un brûleur alimenté par du gaz naturel ou liquéfié, et même au gazole moyennant quelques aménagements. Dans un tel contexte technique, l'objectif de la présente invention est de fournir un procédé de dépollution pour tous les moteurs à allumage commandé de série qui remédie aux inconvénients de la catalyse dite trois voies de manière à satisfaire aux réductions des émissions de polluants prévus dans les futurs normes.Le principe étant d'ajusté la richesse du mélange carburé du moteur à une valeur de quelques pour cent supérieure à la st chiométrie, mais sans la précision requise par les systèmes trois voies actuels, de manière à pouvoir réaliser sur le premier catalyseur en sortie du moteur une catalyse en milieu légèrement réducteur qui permette de réduire totalement les oxydes d'azote, puis après introduction d'air complémentaire par un système dynamique intégré, d'effectuer sur le deuxième catalyseur d'oxydation une combustion totale des hydrocarbures, du CO et des autres imbrûlés. Le système d'introduction dynamique d'air garantissant pour toutes les conditions de fonctionnement un excès d'air suffisant pour avoir une oxydation totale de tous les résidus de la combustion. Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé de dépollution pour tous les moteurs de compétition à allumage commandé qui puisse se monter en sortie des tubes d'échappement et qui puisse assurer une réduction significative de tous les polluants sans avoir à ajuster la richesse du mélange. Ce système permettant ainsi à chaque concurrent d'ajuster la carburation pour en optimiser les performances sans se préoccuper de la richesse nécessaire à une bonne catalyse, le système d'introduction d'air dynamique assurant un excès d'air suffisant sur le catalyseur d'oxydation et le montage de système identique sur chaque voiture assurant une égalité des performances du dispositif de post- traitement pour chacun. Encore, un autre objectif de l'invention, est de fournir un procédé de dépollution n'entraînant pas de surconsommation significative de carburant et plus généralement, n'entraînant pas de surcoût financier, pour l'utilisateur tout en n'entamant pas les performances du moteur. Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention qui concerne tout d'abord un procédé de dépollution des gaz d'échappement par catalyse étagé pour moteur à allumage commandé, ce procédé étant du type de ceux dans lesquels en sortie du moteur, une catalyse est réalisée en milieu réducteur de manière à réduire totalement les oxydes d'azote formés durant la combustion sur un catalyseur spécifique de réduction, par exemple du type platine associé à du rhodium, palladium et autres métaux précieux utilisés habituellement pour ce type de réaction.La richesse du mélange devant être très légèrement supérieure à la stoechiométrie pour que cette réaction de réduction s'effectue totalement, une sonde à oxygène contrôlera en permanence la composition des gaz d'échappement à l'entrée du catalyseur, pour pouvoir ajuster à l'aide du calculateur la richesse du mélange. Après cette étape de réduction des oxydes d'azote, un système dynamique du type trompe à air permettra une addition d'air complémentaire nécessaire à une catalyse en milieu oxydant sur le deuxième étage et ainsi d'oxyder totalement les hydrocarbures, l'oxyde de carbone et autres composés hydrocarbonés résiduels. Selon un mode préféré de réalisation, le moyen de dépollution est constitué par un ensemble comprenant en premier étage un catalyseur de réduction sur support métallique, une trompe à air pour l'addition d'air complémentaire, puis un deuxième catalyseur lui aussi sur support métallique du type d'oxydation. Selon une variante de l'invention, l'arrivée d'air sur le système dynamique d'introduction pourra comporter un papillon ou une vanne de manière à ajuster au mieux le débit d'air pour réaliser des conditions de catalyse oxydante optimum. Selon une autre variante de l'invention, l'arrivée d'air entre les deux catalyseurs pourra être effectuée par une mini-turbine entraînée mécaniquement ou électriquement. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins qui représentent, de façon nullement limitative, un exemple de réalisation du dispositif de dépollution catalytique selon l'invention et dans lesquels : La figure 1, selon un mode préféré de réalisation de l'invention, représente une vue générale du système comprenant le dispositif de dépollution catalytique comprenant un premier étage de catalyseur pour réaliser la catalyse en milieu réducteur, puis un éjecteur pour introduire de l'air additionnel et pour finir le catalyseur d'oxydation. La figure 2 représente des variantes du type d'éjecteurs utilisables pour effectuer l'introduction de cet air additionnel. La figure 3 représente une vue générale du dispositif de dépollution catalytique et son implantation dans un environnement moteur.La figure 4 représente une variante du dispositif de dépollution catalytique incorporant une vanne de réglage sur l'air additionnel. La figure 5 représente une variante du dispositif de dépollution catalytique dans laquelle l'air additionnel entre les deux étages de catalyse, est amené par une turbine, compresseur ou autres moyens mécaniques. La figure 6 une adaptation du procédé de catalyse à deux étages à la dépollution d'un brûleur à combustible du type hydrocarboné. Le système qui permet la mise en u̇vre du dispositif de dépollution catalytique selon l'invention est représenté de façon détaillée à la figure 1, selon un mode préférentiel. Dans ce système, collaborent différents éléments mécaniques du véhicule, qui font ou non-partie du dispositif de dépollution catalytique et qui concourent au fonctionnement du système. Ainsi en sortie du moteur, les gaz d'échappement provenant d'une combustion réalisée en milieu légèrement riche sont introduits dans le dispositif par la tubulure 1, puis sont dirigés vers la galette de catalyseur du type réducteur de préférence sur support métallique 2, où ils subissent les réactions de réduction conduisant à l'élimination complète des oxydes d'azote. La richesse du mélange devant être très légèrement supérieure à la stoechiométrie pour que cette réaction de réduction s'effectue totalement, une sonde à oxygène 7 pourra contrôler en permanence la composition des gaz d'échappement à l'entrée du catalyseur, pour pouvoir ajuster à l'aide du calculateur non représenté, la richesse du mélange.Ensuite de l'air additionnel est introduit à l'aide de l'éjecteur par les orifices 4 pour être mélangé intimement aux gaz d'échappement au niveau du col de l'éjecteur 3, puis ce mélange est ensuite dirigé sur le catalyseur d'oxydation spécifique 5, où tous les hydrocarbures et oxyde de carbone sont totalement éliminés par oxydation grâce à l'oxygène apporté par cet air additionnel en excès au sein de ce catalyseur 5, les gaz d'échappement traités sont ensuite évacués par la tubulure 6. Sur la figure 2 sont représentés des variantes d'éjecteur, l'un avec arrivée d'air latéral, l'autre avec arrivée de l'air sur la partie centrale. Suivant le type de montage choisi, l'un ou l'autre sera utilisé, leurs performances étant liées seulement à la géométrie au niveau du col 3 et non à la disposition de l'arrivée d'air 4. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif, d'autres variantes d'éjecteurs ou d'autres systèmes dynamiques faisant appel à des géométries différentes pourront être utilisés sans que cela fasse l'objet de nouveaux brevets. La figure 3, et 4 montrent l'intégration du système complet de catalyse dans un environnement moteur avec un silencieux 8 disposé sur la tubulure d'échappement 6 le dispositif catalytique de dépollution étant monté directement sur la tubulure d'échappement 1 alimentée à partir du moteur 9. La sonde à oxygène 7 permettant de contrôler la richesse du mélange et éventuellement de l'ajuster par le calculateur qui interviendra sur la durée d'ouverture des injecteurs 11 disposé dans la tubulure d'admission. Sur les applications voitures de série, où se sont les performances en matière d'émissions qui sont recherchées, il sera avantageux de disposer une vanne de réglage 10 sur l'entrée d'air additionnel de manière à par exemple réduire le débit dans la phase de démarrage à froid pour obtenir un rendement d'oxydation sur le catalyseur 5 optimum et faciliter ainsi sa montée en température. De préférence des catalyseurs sur support métallique aussi bien pour la réduction 2 ou l'oxydation 5 seront utilisés, en particulier pour toutes les applications liées aux moteurs de compétition, toute fois, ils pourront aussi être du type conventionnel sur support céramique pour toutes les applications où le prix de revient devient déterminant. A titre d'exemple un éjecteur de conception correspondant au type 2A et ayant pour dimension les valeurs suivantes : Diamètre au col intérieur 73 mm et 107 mm pour l'extérieur, correspondant à une section de passage de 48 cm2 et pour une longueur de 300 mm. présente les performances suivantes : Débit gaz échappement 0,2 kg/s, air aspiré 0,027 kg/s, perte de charge 500 Pa Débit gaz échappement 0,4 kg/s, air aspiré 0,054 kg/s, perte de charge 1400 Pa Débit gaz échappement 0,6 kg/s, air aspiré 0,080 kg/s, perte de charge 3200 Pa Ce qui correspond à un débit d'air représentant plus de 13 % du débit des gaz d'échappement ce qui permettra d'avoir un excès d'air suffisant même pour oxyder totalement les gaz d'échappement provenant d'un moteur de compétition qui fonctionne à une richesse de plus de 10%, ce qui peut être considéré vraiment comme une limite. Pour les moteurs de série il sera même nécessaire de dimensionner cette trompe à air pour limiter le débit d'air aspiré à environ 5 % du débit des gaz d'échappement pour éviter de le refroidir et diminuer l'efficacité sur le catalyseur d'oxydation. La figure 5 est une variante qui utilise une turbo soufflante 12 pour introduire l'air additionnel après réduction des oxydes d'azote sur le catalyseur 2 dont le débit pourra être ajusté par la vanne à papillon 10, le mélange de cet air additionnel et des gaz d'échappement se faisant en 3 dans le tube où avantageusement un col de venturi sera disposé pour en améliorer le mélange. La figure 6 est un exemple du procédé de dépollution qui est précédemment décrit à une application sensiblement différente. Au lieu de dépolluer les gaz provenant d'un moteur 4 temps à allumage commandé, la dépollution avec le même procédé est appliqué aux gaz de combustion provenant d'un brûleur 14, et intégré dans un ensemble avec les différents échangeurs qui le composent.Les gaz de combustion en provenance du brûleur 14 sont refroidis sur les échangeurs 15 de manière à obtenir une température comprise entre 300 et 700 [deg]C, températures favorables au bon fonctionnement du catalyseur de réduction 2, la richesse du mélange du brûleur étant contrôlée par une sonde 7 qui peut intervenir sur le réglage du brûleur par un calculateur non représenté, de manière à garantir une combustion très légèrement riche, 1 à 5 % de défaut d'oxygène. Après cette réduction totale des oxydes d'azote sur le catalyseur 2, une introduction d'air additionnel est effectuée en 3 à l'aide d'une turbo soufflante ou un autre moyen pour être réglée précisément par la vanne 10, pour ajuster l'excès d'air entre 1 et 2% et optimiser le rendement de l'installation.Le mélange des gaz brûlés pourra être éventuellement refroidi sur les échangeurs 16 de manière à pouvoir réaliser une oxydation totale des imbrûlés à une température suffisante pour qu'elle soit totale, mais pas trop élevée pour éviter une nouvelle formation d'oxyde d'azote sur ce catalyseur d'oxydation 5. En fonction du type de catalyseurs d'oxydation utilisé en 5, cette température devra être comprise entre 250 et 450 [deg]C. Les calories des gaz étant ensuite complètement récupérées sur l'échangeur 17 pour être ensuite évacués. REVENDICATIONS 1. Dispositif de catalyse des gaz d'échappement pour moteur à allumage commandé dont la combustion est ajusté très légèrement riche, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un catalyseur de réduction (2), puis un moyen dynamique ou mécanique d'introduction d'air dans ces gaz d'échappement et pour finir un catalyseur d'oxydation (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la richesse du mélange est ajustée très légèrement riche, moins de 5 % d'excès de carburant, par un calculateur commandé par une sonde à oxygène (7) de manière à pouvoir réaliser la catalyse de réduction sur le catalyseur (2) 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'introduction de l'air après la réduction catalytique des oxydes d'azote est un système du type trompe à air dans lequel l'air est aspiré dynamiquement par la vitesse des gaz d'échappement au niveau d'un col (3) par des orifices (4) 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'introduction de l'air est une turbine (12) ou un autre moyen mécanique pour pouvoir introduire une quantité d'air suffisante pour réaliser la catalyse d'oxydation sur le catalyseur (5) 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé par la mise en place d'un moyen de réglage du débit d'air (10) sur l'air additionnel entre les deux catalyseurs. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les catalyseurs sont déposés sur des supports métalliques.