Brevet FR2884859A1 — publié le 20061027

Système et procédé d'élimination des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile L'invention concerne l'élimination des oxydes d'azote NON émis par un moteur à combustion interne de véhicule automobile, et notamment les véhicules particuliers. Les moteurs à combustion interne produisent des gaz d'échappement qui contiennent des substances polluantes réglementées, telles que les oxydes d'azote NON, les hydrocarbures imbrûlés HC, le monoxyde de carbone CO et les particules qu'il est nécessaire de traiter. Les seuils admis pour les émissions de gaz polluants des 15 véhicules automobiles sont régulièrement revus à la baisse dans le cadre de l'évolution de réglementation sur la dépollution. De manière classique, le traitement des oxydes d'azote émis par le moteur dans les gaz d'échappement, sont traités par un piège à oxydes d'azote implanté dans la ligne d'échappement du moteur. Dans les conditions normales d'échappement, c'est-à-dire lorsque la richesse en carburant à l'échappement est faible, le piège à oxydes d'azote stocke les oxydes d'azote sous forme de nitrates sur des sites d'adsorption, généralement du sel de baryum. La capacité de stockage d'un tel piège étant limitée, il est nécessaire de régénérer le piège régulièrement, en élevant la richesse en carburant à l'échappement par contrôle moteur, à une valeur très légèrement supérieure à 1. Dans de telles conditions, les oxydes d'azote NON sont désorbés des sites de stockage et éliminés sous forme d'azote par un catalyseur. Ces pièges à oxydes d'azote ont une efficacité de l'ordre de 80%, mais a des répercussions sur le contrôle moteur. Dans certaines conditions de roulage, la régénération peut même entraîner un désagrément de conduite pour le conducteur. Il est alors nécessaire de limiter la régénération dans de telles situations. En outre, ces pièges à oxydes d'azote sont sensibles au soufre et nécessitent des régénérations thermiques dont la fréquence augmente avec le vieillissement du piège. L'invention vise notamment à augmenter l'efficacité de l'élimination des oxydes d'azote rejetés dans les gaz d'échappement du moteur. L'invention vise également à éliminer les oxydes d'azote rejetés dans les gaz d'échappement du moteur sans intervenir sur le fonctionnement du moteur. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un système d'élimination des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, embarqué à bord du véhicule. Ledit véhicule comprend une unité de commande électronique, et des moyens commandés d'injection d'un agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur, en amont d'une unité catalytique de transformation sélective des oxydes d'azote en azote et eau par réaction avec ledit agent réducteur. Ladite unité catalytique est située sur la ligne d'échappement du moteur. La réduction catalytique sélective ne nécessite aucune intervention sur le fonctionnement du moteur, et permet d'éliminer jusqu'à 90% des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement du moteur. Dans un mode de réalisation préféré, le système comprend des moyens de production d'agent réducteur, commandés par des moyens de commande de production. Les moyens de production de l'agent réducteur étant embarqué à bord du véhicule, on évite des problèmes de stockage de quantités importantes d'agent réducteur, ainsi que les problèmes liés à la mise en place d'un réseau de distribution d'un tel agent réducteur. Dans un mode de réalisation avantageux, le système comprend, en outre, un capteur de température permettant de déterminer la température dans ladite unité catalytique. La disposition d'un tel capteur de température permet d'améliorer l'efficacité de destruction des oxydes d'azote, car le catalyseur de l'unité catalytique permet d'éliminer les oxydes d'azote dans une gamme de température particulière, par exemple entre 250 C et 400 C. En outre, le système comprend des moyens de commande d'injection d'agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur. Dans un premier exemple, lesdits moyens de commande de production d'agent réducteur sont adaptés pour gérer une production continue à débit variable dudit agent réducteur lorsque la température de ladite unité catalytique est comprise dans un intervalle de températures prédéterminé. La quantité produite d'agent réducteur correspond à la quantité à injecter pour éliminer lesdits oxydes d'azote par ladite réaction catalytique sélective. On produit de façon continue la quantité d'agent réducteur nécessaire au besoin instantané d'élimination des oxydes d'azote émis par le moteur. Si la température de l'unité catalytique est située en dehors de sa gamme de températures de fonctionnement, la production d'agent réducteur est arrêtée. Dans un second exemple, lesdits moyens de commande de production d'agent réducteur sont adaptés pour gérer une production discontinue à débit constant d'agent réducteur, ledit agent réducteur produit étant stocké dans un réservoir. Lesdits moyens de commande d'injection sont adaptés pour gérer, par commande d'un débitmètre situé en amont des moyens d'injection, la quantité injectée d'agent réducteur correspondant à la quantité nécessaire pour éliminer lesdits oxydes d'azote par ladite unité catalytique. La production d'agent réducteur est alors intermittente ou discontinue, mais de débit constant. Cela permet de faire fonctionner les moyens de production de l'agent réducteur à un point de fonctionnement optimal en termes énergétiques et en termes de concentrations obtenues. Cela évite également d'avoir à prendre en compte des pics de production élevés lors de pics d'émissions d'oxydes d'azote par le moteur, par exemple, lors de fortes accélérations. Dans cet exemple, un clapet anti-retour situé entre les moyens de production de l'agent réducteur et ledit réservoir, et un débitmètre commandé par lesdits moyens de commande de la production d'agent réducteur. Cela permet de garder l'agent réducteur à haute pression dans le réservoir. Avantageusement, le système comprend des moyens de détermination de la quantité d'oxydes d'azote présents dans les gaz 25 d'échappement du moteur. Par exemple, lesdits moyens de détermination comprennent une cartographie mémorisée de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement du moteur en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur. En fonction des paramètres on connaît la quantité d'agent réducteur à injecter. En outre, lesdits moyens de détermination comprennent un capteur de mesure de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les 5 gaz d'échappement du moteur. Cela permet de tenir compte d'une dérive d'émission des oxydes d'azote avec l'usure du moteur. Par exemple, lesdits paramètres de fonctionnement du moteur comprennent la vitesse de rotation du moteur, et/ou le couple moteur 10 transmis au véhicule. Dans un mode de réalisation préféré, ledit agent réducteur est un agent ammoniaqué, tel un gaz ammoniac, une solution d'ammoniaque, ou de l'urée. L'agent ammoniaqué étant du gaz ammoniac, lesdits moyens de 15 production comprennent un module de reformage de carburant. Le carburant est déjà présent dans le véhicule. En outre, les moyens de production comprennent un module de compression dudit reformat. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de production 20 comprennent un module de synthèse de gaz ammoniac à partir du reformat compressé. Dans un mode de réalisation avantageux, lesdits moyens de production comprennent un module de purification du reformat pour diminuer la présence de monoxyde de carbone dans ledit reformat, ou un module de purification des gaz de sortie dudit module de synthèse de gaz ammoniac pour diminuer la présence de monoxyde de carbone dans lesdits gaz de sortie dudit module de synthèse de gaz ammoniac. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé d'élimination des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. On injecte un agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur, et on effectue une transformation catalytique sélective des oxydes d'azote en azote et eau par réaction avec ledit agent réducteur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, de quelques exemples nullement limitatifs, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un système à production continue à débit variable d'agent réducteur, selon un premier aspect de l'invention; et - la figure 2 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un système à production discontinue à débit constant d'agent réducteur, selon un autre aspect de l'invention. Sur la figure 1, est représenté un système 1 d'élimination des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile selon un mode de réalisation de l'invention. Le système 1 comprend une ligne d'échappement 2 permettant de traiter les gaz d'échappement d'un moteur 3 avant leur rejet dans l'atmosphère. Le système 1 comprend également une unité de commande électronique 4 capable de gérer le fonctionnement de divers éléments du véhicule. Le système 1 comprend une unité catalytique 5 de transformation sélective des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement du véhicule, par réaction catalytique sélective entre les oxydes d'azote et l'agent réducteur. L'unité catalytique 5 est située sur la ligne d'échappement 2 du moteur 3. La ligne d'échappement 2 comprend généralement un module d'oxydation catalytique 6 pour oxyder le monoxyde de carbone CO en dioxyde de carbone CO1. Le système 1 comprend, en outre, un injecteur 7 permettant d'injecter un agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur 2, en amont de l'unité catalytique 5. Des moyens de production 8 permettent de produire l'agent réducteur nécessaire à l'élimination des oxydes d'azote. Dans la suite de la présente description, l'agent réducteur est du gaz ammoniac NH3. L'unité de commande électronique 4 comprend un module 9 de commande de la production de gaz ammoniac, ainsi qu'un module 10 de commande d'injection du gaz ammoniac en amont de l'unité catalytique 5. En outre, l'unité de commande électronique 4 comprend un module 11 de détermination de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement du moteur 3. Les moyens de détermination 11 comprennent une cartographie mémorisée 12 de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement du moteur 3 en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur 3. Ces paramètres de fonctionnement comprennent par exemple la vitesse de rotation du moteur, et/ou le couple moteur transmis au véhicule. Le système comprend en outre un capteur optionnel 13 de mesure de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement du moteur 3, en aval de l'unité catalytique 5. Le système 1 comprend en outre un capteur 14 de température permettant de déterminer la température dans ladite unité catalytique 5, placée par exemple en aval de ladite unité catalytique 5. Les moyens de production de gaz ammoniac comprennent un débitmètre 15 pour gérer la quantité de carburant nécessaire à la production de gaz ammoniac. Le carburant peut être prélevé à partir du réservoir de carburant du véhicule ou bien être prélevé directement sur la rampe haute pression d'alimentation du moteur. Ce carburant est acheminé par un conduit 16 à un module de reformage 17 alimenté en air par une pompe à air 18. Le module de reformage 17 peut effectuer un reformage à la vapeur, un reformage par oxydation partielle, un reformage auto-thermique, ou un reformage par plasma. Le reformat est amené à un module de purification 19 par l'intermédiaire d'un conduit 20. Le module de purification 19 convertit le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone par la réaction: CO + H2O a CO2 + H2. Le reformage ou la purification peuvent nécessiter l'apport de vapeur d'eau, qui peut être obtenue par condensation de l'air de climatisation, ou par stockage d'eau dans un réservoir prévu à cet effet, ou encore par une combustion du gazole suivie d'une condensation de la vapeur d'eau obtenue. Un conduit 21 véhicule le reformat purifié jusqu'à un module de compression 22. Le reformat, purifié ou non de son monoxyde de carbone CO, est à basse pression en sortie du module de reformage 17. Pour la synthèse du gaz ammoniac NH3, le reformat doit être comprimé à haute pression. Généralement, le module de compression 22 contient deux étages de compression afin de pouvoir comprimer le gaz ammoniac d'une pression environ égale à 1 bar jusqu'à une pression environ égale à 100 bars. Cette compression est nécessaire pour obtenir un rendement efficace de synthèse du gaz ammoniac. Un compromis peut être effectué entre l'énergie dépensée dans la compression et le rendement de réaction de production du gaz ammoniac. Le reformat comprimé est acheminé par un conduit 23 jusqu'à un module de synthèse 24 du gaz ammoniac. La synthèse du gaz ammoniac est effectuée par mise en contact du reformat comprimé à haute pression avec un catalyseur spécifique, par exemple un catalyseur à base d'oxyde de fer activé par des oxydes alcalins. Le catalyseur est supporté par un matériau poreux et disposé dans une enceinte dont le volume est ajusté en fonction du temps de résistance nécessaire à la synthèse du gaz ammoniac. Typiquement, les conditions de synthèse du gaz ammoniac sont une pression de l'ordre de 100 bars avec une température comprise entre 350 et 500 C. Le gaz ammoniac à haute pression est amené à un détendeur 25 par un conduit 26. Le détendeur 25 permet d'abaisser la pression du gaz ammoniac à la pression de la ligne d'échappement 2 afin de pouvoir y être injecté en amont de l'unité catalytique 5. Le détendeur est relié à l'injecteur 7 par un conduit 27. Les capteurs 13 et 14, sont connectés à l'unité de commande électronique 4 par des connexions respectives 28 et 29. Le débitmètre 15 et la pompe 18 sont respectivement connectés à l'unité de commande électronique 4 par des connexions 30 et 31. Le module de reformage 17, le module de purification 19, le module de compression 22, et le module de synthèse 24, sont respectivement connectés à l'unité de commande électronique 4 par des connexions 32, 33, 34 et 35. Le détendeur 25 est connecté à l'unité de commande électronique 4 par une connexion 36. Dans ce mode de réalisation, le gaz ammoniac est injecté en continu dans la ligne d'échappement 2, avec un débit variable. Les oxydes d'azote sont éliminés en totalité si, dans l'échappement 2, le rapport de la fraction molaire en gaz ammoniac et de la fraction molaire en oxydes d'azote est proche de 1, par exemple compris entre 0,8 et 1,2, car la réaction d'élimination de oxydes d'azote avec le gaz ammoniac est équimolaire. L'émission des oxydes d'azote en sortie du moteur 3 définit la quantité de gaz ammoniac à injecter dans la ligne d'échappement. Par exemple pour une vitesse de rotation du moteur et un couple moteur donnés, la cartographie mémorisée 12 fournit la quantité de gaz ammoniac à injecter, donc dans ce mode de réalisation, à produire, pour vérifier un tel rapport sensiblement égal à 1. La présence optionnelle du capteur 13 permettant de mesurer directement la quantité d'oxydes d'azote présents dans l'échappement 2 permet de tenir compte d'une dérive de l'émission des oxydes d'azote en fonction de l'usure du moteur 3 et/ou de la dispersion d'émission d'oxydes d'azote d'un moteur à l'autre. Avec une telle configuration, dans un premier temps, pour une vitesse de rotation du moteur et un couple moteur donnés, la cartographie mémorisée 12 permet d'estimer la quantité de gaz ammoniac à injecter, donc à produire. Le module de commande de production 9 commande alors la production de la quantité estimée, et le module de commande d'injection commande l'injection du gaz ammoniac produit par l'injecteur. Dans ce mode de réalisation, on injecte toute la quantité de gaz ammoniac produite, et la quantité produite est adaptée à la quantité d'oxydes d'azote à éliminer. Une fois cette quantité injectée, soit le capteur 13 ne détecte plus d'oxydes d'azote en sortie de l'unité catalytique 5, soit le capteur 13 détecte des oxydes d'azote en sortie de l'unité catalytique 5. Si le capteur 13 ne détecte plus d'oxydes d'azote, le module de commande 9 de la production de gaz ammoniac et le module 10 de commande d'injection de gaz ammoniac commandent la diminution de la quantité de gaz ammoniac produite et injectée dans la ligne d'échappement 2. Au contraire, si le capteur 13 détecte des oxydes d'azote dans l'échappement, le module 9 commande une augmentation de la quantité de gaz ammoniac produite et injectée dans la ligne d'échappement 2. Cette diminution ou augmentation de quantité de gaz ammoniac est par exemple une fraction prédéterminée de la production et de l'injection de gaz ammoniac, par exemple 5%. Par itération, la production et l'injection de gaz ammoniac est alors stabilisée au niveau minimal permettant un traitement total des oxydes d'azote. En outre, le capteur de température 14, par exemple placé en aval de l'unité catalytique 5, permet de déterminer un intervalle de températures pour lequel l'unité catalytique 5 a un fonctionnement optimal pour la réduction catalytique sélective. Lorsque la température des gaz d'échappement délivrée par le capteur 14 n'est pas comprise dans cet intervalle, la production et l'injection d'ammoniac est arrêtée. Typiquement, l'intervalle de températures pour cette réaction catalytique sélective est 250-400 C. le terme sélective signifie qu'on évite d'éventuelles réactions gênantes de l'ammoniacavec l'oxygène. En variante, lorsque le système 1 est dépourvu d'un module 19 de purification du reformat produit par le module de reformage 17, on peut utiliser un module de purification implanté sur la ligne d'échappement 2 entre l'injecteur 7 et l'unité catalytique 5, pour éliminer l'hydrogène et le monoxyde de carbone injectés avec le gaz ammoniac. Sur la figure 2, selon un autre mode de réalisation, le système 1 produit du gaz ammoniac à débit constant de manière discontinue. Par rapport au système de la figure 1, le système de la figure 2 est dépourvu de détendeur 25, mais comprend un réservoir 37 pour stocker le gaz ammoniac sous pression. La conduite 26 est, par exemple, munie d'un clapet antiretour 38. Le système 1 comprend également un débitmètre 39, situé sur le conduit 27, entre le réservoir 37 et l'injecteur 7. Le débitmètre 39 est connecté à l'unité de commande électronique 4 par une connexion 40. Dans un tel système 1, le gaz ammoniac est produit par intermittence, à un débit fixé. Il est alors possible de faire fonctionner le module de reformage 17 à un point de fonctionnement optimal en termes de consommation production de reformage. On peut ainsi également éviter d'avoir à prendre en compte des productions élevées de gaz ammoniac lors de pics d'émission du moteur 3 en oxydes d'azote, par exemple lors de phases d'accélération du véhicule. On peut par conséquent limiter le volume du reformeur. Ces avantages sont également valables pour le module de compression 22. Un tel système 1 permet une optimisation de l'énergie utilisée et de l'encombrement du système. Le module de commande d'injection 10 commande en outre le débitmètre 39 pour gérer la quantité de gaz ammoniac à injecter par l'injecteur 7. Le réservoir 37 est équipé d'un capteur de pression 41 relié à l'unité de commande électronique 4 par une connexion 42. Lorsque la d'énergie et de réactifs, ainsi que de limiter la méthane propre à quasiment toutes les technologies de pression à l'intérieur du réservoir 37 est inférieure à une première valeur de pression prédéterminée, le module de commande 9 de production de gaz ammoniac commande la production de gaz ammoniac. Lorsque la pression à l'intérieur du réservoir 37 est supérieure ou égale à une deuxième valeur de pression prédéterminée, le module de commande 9 de production de gaz ammoniac commande un arrêt de la production de gaz ammoniac. REVENDICATIONS 1. Système d'élimination des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (3) de véhicule automobile, embarqué à bord du véhicule, ledit véhicule comprenant une unité de commande électronique (4), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens commandés d'injection (7) d'un agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur, en amont d'une unité catalytique (5) de transformation sélective des oxydes d'azote en azote et eau par réaction avec ledit agent réducteur, ladite unité catalytique (5) étant située sur la ligne d'échappement (2) du moteur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de production (8) d'agent réducteur, commandés par des moyens de commande de production (9). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un capteur de température (14) permettant de déterminer la température dans ladite unité catalytique (5). 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce qu'il comprend des moyens de commande d'injection (10) d'agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande de production (9) d'agent réducteur sont adaptés pour gérer une production continue à débit variable dudit agent réducteur lorsque la température de ladite unité catalytique (5) est comprise dans un intervalle de températures prédéterminé, la quantité produite d'agent réducteur correspondant à la quantité nécessaire pour éliminer lesdits oxydes d'azote par ladite unité catalytique (5). 6. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande de production (9) d'agent réducteur sont adaptés pour gérer une production discontinue à débit constant d'agent réducteur, ledit agent réducteur produit étant stocké dans un réservoir (37), et en ce que lesdits moyens de commande d'injection (10) sont adaptés pour gérer, par commande d'un débitmètre (39) situé en amont des moyens d'injection (7), la quantité injectée d'agent réducteur correspondant à la quantité nécessaire pour éliminer lesdits oxydes d'azote par ladite unité catalytique (5). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un clapet anti-retour (38) situé entre les moyens de production (8) de l'agent réducteur et ledit réservoir (37), et un débitmètre (39) commandé par lesdits moyens de commande de production (9) d'agent réducteur. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination (11) de la quantité d'oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement du moteur. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de détermination (11) comprennent une cartographie mémorisée (12) de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement du moteur en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur (3). 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un capteur de mesure (13) de la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement du moteur. 11. Système selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que lesdits paramètres de fonctionnement du moteur comprennent la vitesse de rotation du moteur, et/ou le couple moteur transmis au véhicule. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que ledit agent réducteur est un agent ammoniaqué, tel un gaz ammoniac, une solution d'ammoniaque, ou de l'urée. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que, l'agent ammoniaqué étant du gaz ammoniac, lesdits moyens de production (8) comprennent un module de reformage (17) de carburant. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de production (8) comprennent, en outre, un module de compression (22) dudit reformat. 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de production (8) comprennent, en outre, un module de synthèse de gaz ammoniac (24) à partir du reformat compressé. 16. Système selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits moyens de production (8) comprennent, en outre, un module de purification du reformat pour diminuer la présence de monoxyde de carbone dans ledit reformat, ou un module de purification des gaz de sortie dudit module de synthèse de gaz ammoniac pour diminuer la présence de monoxyde de carbone dans lesdits gaz de sortie dudit module de synthèse de gaz ammoniac. 17. Procédé d'élimination des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (3) de véhicule automobile caractérisé en ce que l'on injecte un agent réducteur dans les gaz d'échappement du moteur, et on effectue une transformation catalytique sélective des oxydes d'azote en azote et eau par réaction avec ledit agent réducteur.