Brevet FR2851609A1 — publié le 20040827

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'une installation de combustion notamment d'un moteur à essence ou d'un moteur Diesel, ces gaz contenant des oxydes 5 d'azote, à l'aide d'un catalyseur accumulateur d'azote installé en aval de l'installation de combustion dans le sens d'écoulement de la veine de gaz d'échappement, et destiné à stocker des composés d'azote. Etat de la technique A mesure que se développe l'état des connaissances, la ré10 glementation concernant la protection de la santé et de l'environnement augmente en permanence les règles concernant les émissions des véhicules automobiles. Pour respecter cette réglementation on utilise par exemple des catalyseurs accumulateurs NO. qui stockent les oxydes d'azote émis avec un moteur qui fonctionne en régime maigre, c'est- à-dire qui 15 dans les phases de combustion a un excédent d'air (X > 1) dans la veine des gaz d'échappement. Cela conduit certes à une moindre émission de monoxyde de carbone et d'hydrocarbure, mais par contre à une émission relativement importante d'oxydes d'azote NO.; les gaz d'échappement contiennent en particulier du monoxyde d'azote désigné ci- après par sa 20 formule chimique NO. Les catalyseurs accumulateurs d'oxydes d'azote NO. doivent absorber, grâce à leur revêtement, pendant la phase de stockage, les combinaisons d'azote NO. provenant des gaz d'échappement. Le rendement du stockage diminue à mesure qu'augmente le degré de remplissage du cata25 lyseur accumulateur jusqu'à ce que finalement celui-ci ne peut plus absorber d'autres oxydes d'azote. On régénère les catalyseurs accumulateurs d'oxydes d'azote NO. en général en créant une atmosphère réductrice dans les gaz d'échappement (2. Une étape partielle importante dans la phase de stockage 30 est l'oxydation du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2. Cette étape partielle se fait généralement à l'aide d'un catalyseur à métal noble intégré au catalyseur accumulateur et/ou par un catalyseur d'oxydation installé en amont. Les deux catalyseurs permettent l'oxydation du monoxyde d'azote NO avec l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement à 35 des températures de gaz d'échappement supérieures à 200'C et avec un excédent d'air. Aux basses températures des gaz d'échappement, c'est-àdire dans une plage de températures de gaz d'échappement inférieure à environ 200'C, l'oxydation du monoxyde d'azote NO est insuffisante, voire nulle. On rencontre des températures de gaz d'échappement relativement faibles inférieures à environ 200'C assez fréquemment dans les moteurs Diesel actuels et dans le cas des moteurs à essence au moins immédiate5 ment après le démarrage. Pour réduire les émissions au démarrage, il est par exemple connu d'utiliser un catalyseur à chauffage électrique permettant d'atteindre sa température de fonctionnement plus rapidement qu'avec des systèmes passifs. L'inconvénient principal du chauffage électrique est 10 la consommation électrique relativement importante. En particulier, dans les applications à des véhicules automobiles, la puissance électrique demandée pendant la phase de démarrage n'est disponible que d'une manière insuffisante. Un autre concept pour assister l'aptitude au fonctionne15 ment des catalyseurs accumulateurs aux faibles températures des gaz d'échappement consiste par exemple à utiliser un précatalyseur proche du moteur. Du fait de la température plus élevée des gaz d'échappement à proximité du moteur, on atteint également plus rapidement la température de fonctionnement. Cette proposition n'est que partiellement satisfai20 sante. Un inconvénient particulier de cette solution réside dans l'appareillage à mettre en oeuvre et de la place disponible très limitée à proximité du moteur et au risque d'éventuelles surchauffes en cas de pleine charge. Une autre possibilité pour augmenter la température des 25 gaz d'échappement consiste à utiliser les informations fournies par le champ de caractéristiques du moteur. C'est ainsi que l'on peut évaluer les paramètres des gaz d'échappement, par exemple la température des gaz d'échappement en fonction entre autre de la vitesse de rotation ou du couple. En conséquence, dans certaines phases de fonctionnement, on 30 augmente la température des gaz d'échappement par une augmentation du carburant pour la combustion par le moteur. L'augmentation de la consommation de carburant qui en résulte est considérée comme un inconvénient décisif. But de l'invention La présente invention a pour but de développer vis-àvis de cet état de la technique un dispositif de traitement de gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote provenant d'une installation de combustion et comportant un catalyseur accumulateur d'azote, permettant avec une consommation d'énergie relativement réduite et des moyens de construction également réduits, de faire fonctionner le catalyseur accumulateur même aux faibles températures de fonctionnement. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé par une unité d'alimentation pour fournir un agent oxydant à la veine des gaz d'échappement entre l'installation de combustion et le catalyseur accumulateur d'azote pour oxyder les gaz d'échappement. L'invention concerne notamment un mode de réalisation dans lequel l'agent oxydant est créé dans la zone comprise entre l'installation de combustion et le catalyseur accumulateur d'azote, directement dans la veine des gaz d'échappement et/ou est introduit à cet endroit. Le dispositif selon l'invention présente différents avantages par rapport aux dispositifs et procédés connus de maintien de l'aptitude au fonctionnement du catalyseur accumulateur d'azote. L'avantage décisif est qu'indépendamment de la température des gaz d'échappement on réalise le fonctionnement total du cataly20 seur accumulateur d'azote. On peut en particulier supprimer tous les moyens utilisés jusqu'alors pour augmenter la température des gaz d'échappement. Il est particulièrement avantageux que l'invention évite l'augmentation de la consommation d'énergie nécessaire à l'élévation de la température. Dans ces conditions, il n'y a pas de consommation supplémentaire de carburant ou d'énergie électrique pour augmenter la température des gaz d'échappement. La réalisation selon l'invention permet également d'éviter des conséquences gênantes liées à l'élévation de la température des gaz 30 d'échappement. Des températures de gaz d'échappement plus élevées peuvent solliciter plus fortement des parties de l'installation comme par exemple les contraintes de températures ou provoquer la corrosion thermique. L'agent oxydant dans le sens de l'invention sont tous les 35 éléments et toutes les liaisons chimiques qui conduisent aux conditions de réaction créées ou existantes dans les gaz d'échappement à l'oxydation de NO. Il s'agit par exemple de l'ozone, des liaisons peroxydes, comme par exemple l'eau oxygénée ou analogue. Les agents oxydants avantageux ont un potentiel oxydant suffisant pour une oxydation de NO en NO2 dans les conditions des gaz d'échappement existant dans une veine de gaz d'échappement. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est l'effet 5 sélectif de l'agent oxydant dans la veine des gaz d'échappement. Dans les conditions décrites ci-dessus régnant dans les gaz d'échappement, l'oxydation de NO se fait de préférence par rapport à d'autres oxydations possibles. D'autres composants des gaz d'échappement comme par exemple le monoxyde de carbone ne sont oxydés que de manière négligeable 10 par rapport à l'oxydation NO. Cela signifie que pratiquement tout l'agent oxydant additionné réagit avec le monoxyde d'azote NO aussi longtemps qu'il y a du monoxyde d'azote NO comme partenaire de réaction dans la veine des gaz d'échappement. Normalement on ajoute autant d'agents oxydants que nécessaire pour respecter les valeurs limites d'émission, par 15 exemple de la valeur limite des oxydes NO. dans les gaz d'échappement. Selon un développement avantageux du dispositif de l'invention, l'agent oxydant est introduit dans la veine des gaz d'échappement uniquement pendant la phase de stockage du catalyseur accumulateur d'azote pour une atmosphère de gaz d'échappement oxy20 dante (X > 1). De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention évite l'utilisation d'un catalyseur d'oxydation pour soutenir l'oxydation des composants des gaz d'échappement. On peut du moins avoir un catalyseur d'oxydation significativement plus petit car il n'a pas à être réalisé 25 pour l'oxydation de NO en N02 ou du moins il n'a à l'être que partiellement. Précisément pour une application dans les installations de traitement de gaz d'échappement, mobiles, comme par exemple dans le domaine des véhicules automobiles, l'encombrement plus réduit pour les installations de traitement de gaz d'échappement selon l'invention repré30 sente un avantage décisif par rapport à tous les dispositifs. Selon un développement de l'invention, il est prévu au moins une unité de stockage pour l'agent oxydant. L'agent oxydant, par exemple du peroxyde d'hydrogène ou analogue, peut être alimenté à partir d'un réservoir et être stocké de façon intermédiaire dans l'unité de stock35 age jusqu'au moment de sa consommation. De manière avantageuse, l'unité de stockage est prévue en particulier pour les applications mobiles. Selon un développement préférentiel de l'invention au moins un dispositif générateur est muni d'un élément générateur pour former l'agent oxydant. Grâce à cette caractéristique, l'agent oxydant comme par exemple de l'ozone ou analogue, peut être obtenu avantageusement directement pour oxyder le monoxyde d'azote NO et le cas échéant être stocké de façon intermédiaire par l'unité de stockage. Dans le cas s d'une utilisation mobile, par exemple dans un véhicule, le dispositif générateur est embarqué. On supprime ainsi de façon avantageuse tout remplissage séparé de l'agent oxydant ou d'un autre fluide de fonctionnement que l'on transforme en agent oxydant. Le dispositif générateur selon l'invention permet de supprimer avantageusement la réalisation et la con10 servation d'une infrastructure correspondante pour permettre l'alimentation avec l'agent oxydant. De plus, on peut utiliser le dispositif générateur tel que proposé avec l'unité de stockage selon l'invention. Cela permet un découplage dans le temps entre la formation de l'agent oxydant et son utilisation 15 pour l'oxydation. La formation de l'agent oxydant se fait avantageusement aux conditions limites qui conviennent tout particulièrement à cet effet. Des conditions limites particulièrement appropriées peuvent se présenter par exemple si l'énergie pour générer l'agent oxydant est disponible dans des conditions relativement avantageuses. Par exemple, dans le véhicule il 20 y a des phases de fonctionnement qui peuvent correspondre à une demande d'énergie électrique très variable et solliciter différemment la batterie ou l'accumulateur. Par exemple, pendant la phase de démarrage à froid, la demande en énergie électrique est plus importante. La formation de l'agent oxydant avec de l'énergie électrique se fait selon l'invention de 25 manière avantageuse dans une phase de fonctionnement au cours de laquelle les autres consommateurs consomment des quantités relativement faibles d'énergie électrique comme par exemple dans les phases de fonctionnement en poussée. Selon une variante avantageuse de l'invention, l'élément gé30 nérateur est réalisé pour former l'agent oxydant à partir de l'air. L'oxygène comme composant de l'air est disponible pratiquement de manière illimitée. Des procédés avantageux sont par exemple des procédés par synthèse tels que des procédés électrochimiques, des procédés par décharge de plasma, etc.... Selon une réalisation préférentielle du dispositif de l'invention, l'élément générateur forme l'agent oxydant à partir des gaz d'échappement. L'agent oxydant peut être fourni d'une manière particulièrement efficace pour l'oxydation du monoxyde d'azote NO. Selon l'invention, l'agent oxydant est avantageusement formé dans la veine de gaz d'échappement pour réagir alors directement avec son partenaire de réaction, par exemple on peut faire la synthèse de l'ozone par décharge de plasma dans l'oxygène existant dans l'atmosphère gazeuse oxydante con5 tenue dans les gaz d'échappement et fournir ainsi l'ozone. En particulier, dans ces conditions, il ne faut ni unité de stockage ni conduite d'alimentation, ce qui permet d'arriver à une disposition particulièrement peu encombrante. De plus, cette solution est particulièrement avantageuse pour des agents oxydants tels que l'ozone ou le peroxyde îo d'hydrogène qui ne sont pas stables au stockage ou ne le sont qu'avec des moyens élevés correspondants. En fonction de la pression ou de la température ces agents oxydants peuvent subir une décomposition importante. En outre, les moyens en partie importants pour respecter les conditions de sécurité, pour le stockage ou pour la fourniture de l'agent oxydant, 15 sont ainsi réduits au minimum. Un développement avantageux du dispositif selon l'invention prévoit une installation de dosage pour doser l'agent oxydant. Cette installation de dosage permet de fournir la quantité prédéterminée d'agent oxydant à la veine de gaz d'échappement. L'installation de dosage 20 évite avantageusement tout dosage excessif ou insuffisant en agent oxydant. Une réalisation avantageuse du dispositif selon l'invention comprend un capteur pour déterminer au moins un paramètre de gaz d'échappement. Un capteur avantageux s'utilise pour déterminer les pa25 ramètres des gaz d'échappement importants pour l'oxydation de NO en N02. Les paramètres caractéristiques des gaz d'échappement sont par exemple sa température, sa pression, sa concentration en oxygène, sa concentration en NOx ou NO, NO2, N20 et la concentration des autres composants des gaz d'échappement tels que CO, C02, HC, H20 et de 30 l'agent oxydant. Le capteur peut fournir entre autre des informations indiquant si l'oxydation souhaitée de NO en N02 se déroule de manière satisfaisante. Il fournit en outre des informations indiquant si un agent oxydant doit être fourni aux gaz d'échappement et la quantité à fournir. Le capteur peut en outre s'utiliser pour des fonctions de contrôle et/ou de 35 sécurité comme par exemple le contrôle du fonctionnement du catalyseur accumulateur d'azote. Un mode de réalisation préférentiel du dispositif de l'invention se caractérise par un capteur sensible aux oxydes d'azote. Ce capteur peut contrôler sélectivement l'oxydation souhaitée de NO en N02 en détectant la quantité de monoxyde d'azote NO dans les gaz d'échappement. Pour le dispositif selon l'invention, on peut avantageusement utiliser un capteur pour mesurer d'autres combinaisons d'azote. En général un capteur pour déterminer les paramètres des gaz d'échappement est relié à une unité de commande. L'unité de commande assure la commande de l'utilisation de l'agent oxydant pour oxyder les composants des gaz d'échappement. Ainsi, à titre d'exemple, l'addition d'agent oxydant peut être commandée en fonction de la température des 10 gaz d'échappement. L'addition peut se faire en tenant compte des concentrations présentes de NO ou N02 et/ou du débit massique de NO ou NO2. Les données de fonctionnement peuvent se déterminer en particulier soit avec des capteurs appropriés et être transmises soit s'obtenir à partir du champ de caractéristiques du moteur. On peut en outre envisager que 15 l'unité de commande assure la commande dans le temps de la fourniture et/ou du dosage de l'agent oxydant, par exemple pendant une durée prédéterminée après le démarrage du moteur. L'unité de commande sert habituellement également à commander les composants de l'unité de stockage et/ou du dispositif générateur. Pour convertir l'agent oxydant avec son partenaire de réaction selon l'invention, on prévoit le cas échéant également des composants appropriés pour doser l'agent oxydant et assurer son mélange à la veine de gaz d'échappement. Ces composants sont installés de préférence en amont du milieu de stockage et sont réalisés pour que l'agent oxydant 25 dispose de suffisamment de temps pour se mélanger régulièrement avec les gaz d'échappement et réagir avec le monoxyde d'azote NO avant que les combinaisons d'azote ne soient stockées dans le catalyseur accumulateur. La commande des composants se fait notamment par l'installation de commande. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on propose un catalyseur de décomposition de l'agent oxydant installé dans la veine des gaz d'échappement après le catalyseur accumulateur d'azote selon le sens de passage des gaz d'échappement. Le catalyseur de décomposition de l'agent oxydant est au moins conçu pour décomposer l'agent 35 oxydant dans la veine des gaz d'échappement. Si par exemple on ne dispose pas d'informations suffisamment précises concernant les quantités de NO à oxyder ou de NO2, le catalyseur de décomposition de l'agent oxydant peut éviter avantageusement de manière générale que l'agent oxy- dant ajouté et le cas échéant non consommé quitte l'installation de traitement des gaz d'échappement. Grâce à l'utilisation d'un catalyseur de décomposition de l'agent oxydant, cet agent perd son effet oxydant et ne pollue pas l'environnement. La caractéristique de base du procédé de l'invention consiste à fournir un agent oxydant à la veine de gaz d'échappement pour au moins assurer une oxydation partielle des gaz d'échappement, cet agent oxydant étant fourni dans la comprise entre l'installation de combustion et le catalyseur accumulateur d'azote. 1o Dessins Un exemple de réalisation de la présente invention sera décrit ci-après à l'aide du dessin annexé dans lequel l'unique figure est un schéma par blocs d'un dispositif selon l'invention. Description du mode de réalisation Selon la figure unique, un schéma par blocs montre un dispositif selon l'invention comprenant une installation de combustion 1, notamment un moteur à essence ou un moteur Diesel. L'installation de combustion 1 génère des gaz d'échappement bruts 2 contenant des oxydes d'azote. Dans le sens de passage S des gaz d'échappement bruts 2, il y a 20 un catalyseur accumulateur d'azote 3 exposé à la veine des gaz d'échappement. En aval du catalyseur accumulateur 3, selon le sens de passage S, on a la conduite de gaz d'échappement 4 dans laquelle les gaz d'échappement 5 nettoyés quittent le catalyseur accumulateur d'azote 3. Dans une unité de stockage 6 prévue en option on stocke et 25 on tient en réserve un agent oxydant 7. A la place de l'unité de stockage 6 ou en complément de celle-ci on peut également prévoir un dispositif générateur 8 pour générer l'agent oxydant 7 qui fournit l'agent oxydant 7 généré à l'unité de stockage 7 ou l'introduit directement dans les gaz d'échappement 2. Une conduite 9 relie l'unité de stockage 6 et/ou le dis30 positif générateur 8 vers la conduite de gaz d'échappement brut 2. Pour réaliser un dosage quantitatif et/ou en fonction du temps de l'agent oxydant 7 dans la veine des gaz d'échappement 2, on prévoit une installation de dosage 10 installée dans la conduite d'alimentation 9. Il est également prévu un appareil de commande 11 relié 35 par une conduite de commande 12 à l'installation de dosage 10. Un capteur 13 est relié à l'appareil de commande 11. Ce capteur détermine les paramètres des gaz d'échappement et transmet l'information à l'appareil de commande 11. Le capteur 13 est installé dans la veine des gaz d'échappement au niveau du catalyseur à accumulateur 3. Le capteur 13 peut également saisir les paramètres de fonctionnement caractéristiques à d'autres emplacements de mesure et transmettre les informations. Les emplacements de mesure peuvent se trouver dans la veine des gaz 5 d'échappement, entre l'installation de combustion 1 et la zone en aval du catalyseur accumulateur 3, y compris la zone même du catalyseur 3. Le capteur peut également déterminer des valeurs de mesure dans l'installation de combustion 1. On peut également envisager une installation avec plusieurs capteurs. Si par exemple le capteur 13 détermine la température des gaz d'échappement dans le catalyseur accumulateur d'azote 3 et transmet l'information à l'appareil de commande 11, ce dernier traite le paramètre ainsi mesuré des gaz d'échappement. A l'aide d'une commande telle qu'une commande par ordinateur, on compare le paramètre ainsi mesuré 15 des gaz d'échappement à une valeur de consigne. Si la température mesurée des gaz d'échappement est inférieure à une température prédéterminée par exemple de l'ordre de 200'C, l'appareil de commande 11 influence l'installation de dosage 10 par l'intermédiaire de la ligne de commande 12 de sorte que l'agent d'oxydation 7 est fourni au gaz brut 2 par la conduite 20 d'alimentation 9. L'alimentation en agent oxydant 7 se fait au niveau des gaz d'échappement bruts 2 entre l'installation de combustion 1 et le catalyseur accumulateur d'azote 3. Pour doser et mélanger l'agent oxydant 7 aux gaz d'échappement bruts 2 on peut prévoir des composants non représentés tels que par exemple des buses d'injection ou des tôles de gui25 dage de flux dans la zone d'écoulement des gaz d'échappement bruts 2. Cela permet d'influencer avantageusement la réaction de l'agent oxydant 7 avec le monoxyde d'azote NO dans les gaz d'échappement bruts 2. On peut également envisager différents points de dosage dans des sections d'écoulement différentes de la veine des gaz d'échappement bruts. L'appareil de commande 11 permet de fournir l'agent oxydant 7 en commandant cette fourniture de manière quantitative et/ou dans le temps pour introduire l'agent oxydant dans les gaz d'échappement bruts 2. Par exemple dans le cas d'un dosage quantitatif de l'agent oxydant 7, on dose une quantité d'agent oxydant 7, par exemple proportion35 nelle à une quantité de monoxyde d'azote NO mesurée par le capteur 13 dans les gaz d'échappement bruts 2. NOMENCLATURE 1 installation de combustion 2 gaz brut 3 catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote 4 conduite de gaz d'échappement gaz d'échappement nettoyés 1o 6 unité de stockage 7 agent oxydant 8 dispositif générateur 9 conduite d'alimentation dispositif de dosage 11 appareil de commande 12 conduite de commande 13 capteur REVENDICATIONS 10) Dispositif de traitement de gaz d'échappement (2) d'une installation de combustion (1) notamment d'un moteur à essence ou d'un moteur Diesel, ces gaz contenant des oxydes d'azote, à l'aide d'un catalyseur accumula5 teur d'azote (3) installé en aval de l'installation de combustion (1) dans le sens d'écoulement (S) de la veine de gaz d'échappement, et destiné à stocker des composés d'azote, caractérisé par une unité d'alimentation (6, 8, 9, 10, 11, 12, 13) pour fournir un agent 10 oxydant (7) à la veine des gaz d'échappement entre l'installation de combustion (1) et le catalyseur accumulateur d'azote (3) pour oxyder les gaz d'échappement (2). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que l'unité d'alimentation (6, 8, 9, 10, 11, 12, 13) est conçue pour fournir l'agent oxydant (7) au moins pendant la phase d'accumulation du catalyseur accumulateur d'azote (3) à une atmosphère de gaz d'échappement oxydante (X > 1). 30) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par au moins une unité de stockage (6) pour stocker l'agent oxydant (7). 40) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un dispositif générateur comportant un élément générateur pour générer un agent oxydant (7). 50) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément générateur fournit l'agent oxydant (7) à partir de l'air. 6 ) Dispositif selon la revendication 4, 35 caractérisé en ce que l'élément générateur fournit l'agent oxydant à partir des gaz d'échappement (2). 70) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une installation de dosage (10) pour doser l'agent oxydant dans les gaz d'échappement (2). 80) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un capteur de gaz d'échappement (13) pour déterminer un paramètre des gaz d'échappement. 10 90) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur de gaz d'échappement (13) est un capteur sensible aux oxydes d'azote. 100) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par un catalyseur de décomposition de l'agent oxydant pour décomposer l'agent oxydant (7) dans la veine de gaz d'échappement en aval du cataly20 seur accumulateur d'azote (3) dans le sens de passage des gaz d'échappement (S). 11 ) Véhicule équipé d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 10. 120) Procédé de traitement de gaz d'échappement (2) contenant des oxydes d'azote provenant d'une installation de combustion (1), notamment d'un moteur à essence ou d'un moteur Diesel, comprenant un catalyseur accumulateur d'azote (3) installé dans la veine des gaz d'échappement en aval de l'installation de combustion (1) selon le sens de passage (S) des gaz 30 d'échappement, pour stocker des composés d'azote, caractérisé par une unité d'alimentation (6, 8, 9, 10, 11, 12, 13) qui fournit un agent oxydant (7) pour réaliser au moins une oxydation partielle des gaz d'échappement (1), dans la veine des gaz d'échappement, entre 35 l'installation de combustion (1) et le catalyseur accumulateur d'azote (3) .