Brevet FR2892766A1 — publié le 20070504

Dispositif de traitement d'oxydes d'azote pour gaz d'échappement de véhicule automobile. L'invention concerne le domaine des systèmes de motorisation, notamment de véhicules automobiles. L'invention concerne en particulier le domaine des dispositifs et des procédés de traitement catalytique des oxydes d'azote (NOx) des gaz d'échappement de moteurs thermiques. De manière connue, les oxydes d'azote provoquent des infections et des allergies respiratoires et jouent un rôle influençant la formation de fumées et de pluies acides. La plupart des pays ont imposés des normes limitant l'émission d'oxydes d'azote dans les véhicules. Ces normes spécifient généralement un seuil différent pour les véhicules particuliers, pour les véhicules utilitaires, et pour les moteurs industriels. Or, chacune de ces catégories recouvre une grande variété de moteurs. Par exemple, dans les véhicules de particuliers, on trouve des véhicules à moteurs à essence et des véhicules à moteurs de type Diesel. On trouve des petits véhicules urbains et des véhicules quatre roues motrices. L'obtention d'un même seuil d'émissions polluantes par un moteur de forte puissance nécessite un traitement des oxydes d'azote NOx plus poussé que l'obtention de ce même seuil d'émissions polluantes par un petit moteur. Par ailleurs, la pression économique pour proposer des dispositifs de traitement d'oxydes d'azote bon marché est plus sévère sur des petits véhicules urbains que sur des véhicules de luxe. Plusieurs technologies ont été développées pour réduire les émissions d'oxydes d'azote NOx. On distingue notamment des méthodes passives utilisant des catalyseurs sur lesquels on fait passer les gaz d'échappement et des méthodes actives mettant en oeuvre des 2 procédés complexes, tels que des catalyses électrochimiques ou des approches photocatalytiques. Les méthodes passives catalytiques sont couramment utilisées pour les véhicules à essence. Un catalyseur trois voies permet de traiter à la fois les oxydes d'azote, de carbone, et les hydrocarbures imbrûlés. Les gaz d'échappement issus des chambres à combustion des moteurs à essence sont généralement riches en éléments réducteurs, tels que des hydrocarbures et le monoxyde de carbone, de sorte que grâce au catalyseur trois voies les oxydes d'azote (NOx) émis sont réduits en azote gazeux. Ces catalyseurs trois voies présentent l'avantage d'être bon marché. Les moteurs de type Diesel ont des chambres de combustion alimentées par un mélange excédentaire en air. Les gaz d'échappement issus du moteur sont donc pauvres en réducteurs. L'utilisation des catalyseurs trois voies n'est pas possible, car l'efficacité de réduction de ces catalyseurs diminue rapidement en présence d'oxygène. Il a été proposé des pièges à NOx pour le traitement des oxydes d'azote dans le cas de gaz d'échappement pauvres en réducteurs. De tels pièges à NOx sont notamment décrits dans les demandes de brevets EP 0 573 672 Al (TOYOTA) et EP 1 079 084 A2 (TOYOTA). Durant le fonctionnement habituel du véhicule, les gaz d'échappement traversent le piège à NOx où des catalyseurs comprennent généralement des éléments alcalins ou alcalino-terreux et des composés de stockage. Ces catalyseurs favorisent l'oxydation du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2 et la transformation du dioxyde d'azote NO2 en nitrates se déposant sur un monolite. Durant la phase normale de fonctionnement du moteur, les NOx sont absorbés par le piège à NOX. De manière périodique, les NOx stockés sont déstockés. Durant cette phase de déstockage, la proportion en réducteurs des gaz d'échappement est supérieure à la proportion stoechiométrique (mélange dit riche ). La maîtrise d'un tel traitement de NOx est un procédé complexe, dans lequel la phase de déstockage doit être détectée et la quantité d'hydrocarbures injectés doit être augmentée. Les composants de stockage du piège à NOx sont en particulier particulièrement sensibles au soufre. Il a fallu développer en parallèle du procédé de stockage des NOx, des étapes de désulfatations à intervalles réguliers. La demande de brevet WO 02/31325 (CORNING Inc.) décrit une méthode de réduction des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement de moteurs de type Diesel. Cette méthode consiste à injecter continuellement du carburant dans les gaz d'échappement et à faire passer le mélange du carburant et des gaz d'échappement à travers un catalyseur pour réduire les NOx des gaz d'échappement en azote gazeux. L'inconvénient d'un tel procédé est de provoquer une consommation supplémentaire du carburant. La demande de brevet US 2004/0083722 (FORD) décrit une amélioration de la conversion des NOx par un catalyseur où la quantité de fuel injectée en amont du catalyseur est corrigée par rapport à une quantité injectée lorsque le moteur est en régime établi pour tenir compte des phases d'accélération et de décélération du moteur. Les catalyseurs cités sont du type ALNC ou SCR qui réduisent en continu les émissions de NOx grâce à une injection active de réducteurs (hydrocarbures ou urée). Malgré l'amélioration, la proportion injectée en régime établi est dans l'exemple représenté de dix fois plus de réducteur que de NOx. Malgré une amélioration, un tel système reste très consommateur de carburant. L'invention propose un système de motorisation, notamment de véhicule automobile et un procédé de traitement des gaz d'échappement du système de motorisation, qui remédient à ces 4 inconvénients et notamment qui proposent un traitement bon marché des oxydes d'azote NOx, réduisant la surconsommation de carburant. Selon un mode de réalisation de l'invention, le système de motorisation, notamment de véhicule automobile, comprend un moteur thermique, un catalyseur de réduction des oxydes d'azote NOx des gaz d'échappement du moteur, un injecteur additionnel de carburant situé en amont du catalyseur, un moyen de détermination de la quantité d'oxydes d'azote NOx issus du moteur, un moyen de détermination de la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une proportion inférieure ou sensiblement égale à la proportion stoechiométrique par rapport à la quantité d'oxydes d'azote NOx, et un moyen de déclenchement de l'injection de ladite quantité nécessaire lorsque le rapport entre ladite quantité nécessaire sur la quantité d'oxydes d'azote NOx est inférieure à un seuil de déclenchement. On conçoit qu'un tel système de motorisation, comprenant un catalyseur de réduction de NOx traversé par un mélange sensiblement stoechiométrique, peut faire appel à un catalyseur bon marché, par exemple du type catalyseur trois voies connu pour les véhicules à essence. De plus, la consommation additionnelle de carburant est supprimée tant que le rapport entre la quantité à injecter sur la quantité de NOx est inférieur à un seuil de déclenchement. Autrement dit, l'injection additionnelle est arrêtée lorsque la quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement n'a pas atteint la limite autorisée, par exemple par les normes. Dans le cas de petits véhicules urbains, cette limite n'est généralement dépassée que durant certaines phases de fonctionnement du véhicule, telles qu'un moteur froid, une phase de forte accélération ou une charge importante du moteur. Grâce au moyen d'ajustement de la quantité de carburant injectée pour obtenir la proportion stoechiométrique, cette quantité de carburant est limitée. En effet, les phases de fonctionnement du moteur à forte émission de NOx correspondent également à des phases où les gaz d'échappement sont plus riches qu'en régime établi en hydrocarbures imbrûlés et en réducteurs. La quantité de gasoil nécessaire à injecter pour atteindre la 5 stoechiométrie est d'autant plus faible. Avantageusement, les gaz d'échappement en amont de l'injecteur additionnel sont pauvres en réducteurs. Le moteur peut être de type Diesel et le carburant injecté par l'injecteur additionnel du type gasoil Selon un autre mode de réalisation, le moyen de détermination de la quantité de NOx comprend un calculateur apte à recevoir des informations de régime du moteur et d'injection dans les chambres de combustion du moteur et à comparer ces informations à des données stockées dans une mémoire. Avantageusement, ce moyen comprend en aval du moteur et en amont de l'injecteur additionnel, un dispositif de mesure de la richesse des gaz d'échappement. Selon un autre mode de réalisation, le système de motorisation comprend un filtre à particules en amont ou en aval du catalyseur ou intégrant le catalyseur. L'injecteur additionnel peut être placé en amont du filtre à particules et actionné pour régénérer le filtre à particules. Avantageusement, le système de motorisation comprend un deuxième dispositif de mesure de la richesse en réducteurs en aval de l'injecteur additionnel et en amont du catalyseur. Il peut comprendre une sonde de température en amont ou en aval du filtre à particules, et/ou une sonde de pression en amont ou en aval du filtre à particules. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le procédé de motorisation, notamment d'un véhicule automobile, comprend une étape où on traite les gaz d'échappement d'un moteur thermique en 6 injectant des hydrocarbures dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur de réduction de NOx, on détermine la quantité de NOx présents dans les gaz d'échappement, on déclenche l'injection des hydrocarbures lorsqu'un seuil de quantité de NOx est atteint et on ajuste la quantité injectée pour que la quantité de réducteurs soit sensiblement stoechiométrique par rapport à la quantité de NOx présents dans les gaz d'échappement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel la figure unique est une représentation schématique des organes d'un système de motorisation selon l'invention. Comme illustré sur la figure, le système de motorisation de véhicule automobile comprend un moteur thermique 1 de type Diesel et une ligne d'échappement 2 comprenant un premier tronçon 2a immédiatement en aval du moteur thermique 1 et un deuxième tronçon 2b immédiatement en aval du premier tronçon 2a. La figure illustre quatre modes de réalisation se différenciant les uns des autres par leur deuxième tronçon 2b de ligne d'échappement 2, ainsi qu'indiqué de manière schématique par la ligne de pointillés. Dans le premier mode de réalisation, le premier tronçon 2a de la ligne d'échappement 2 comprend une sonde de richesse 3 de type lambda, ou sonde à oxygène, sensible à la proportion d'oxygène à l'intérieur des gaz d'échappement issus du moteur thermique 1. Un injecteur additionnel 4 est inséré dans le premier tronçon 2a en aval de la sonde de richesse 3. Le deuxième tronçon 2b de la ligne d'échappement 2 du premier mode de réalisation comprend un catalyseur 5. Le système de motorisation comprend également un calculateur 6. 7 On va maintenant décrire le fonctionnement de ce premier mode de réalisation. Le moteur thermique de type Diesel est équipé d'un capteur de vitesse 7 du vilebrequin non représenté, d'un capteur 8 des conditions d'injection des injecteurs principaux du moteur 1. Ce capteur peut être par exemple un capteur de la position de l'accélérateur ou bien un capteur des circuits de commande des injecteurs principaux. Eventuellement, le moteur est muni d'un capteur de température des chambres de combustion. Les informations parvenant de ces différents capteurs sont envoyées au calculateur 6. De même, des informations concernant le type de carburant en cours d'utilisation peuvent être saisies et envoyées au calculateur 6. Une cartographie complète des différents régimes de fonctionnement du moteur en fonction des caractéristiques du carburant en cours d'utilisation, est mémorisée dans le calculateur 6. Cela permet au calculateur de déterminer le régime de fonctionnement du moteur et d'en déduire, en temps réel, la proportion d'oxydes d'azote s'échappant des chambres de combustion du moteur 1 ainsi que la quantité d'hydrocarbures imbrûlés ou de composants réducteurs s'échappant des chambres de combustion du moteur. Le calculateur 6 peut alors déterminer la quantité d'éléments réducteurs nécessaire à être injectée par l'injecteur additionnel 4 pour que le mélange gazeux ainsi modifié présente une proportion stoechiométrique entre la quantité d'éléments oxydants et la quantité d'éléments réducteurs. Lorsque le calculateur 6 actionne l'injecteur additionnel 4, et déclenche l'injection de ladite quantité nécessaire, le mélange traversant le catalyseur 5 présente la proportion de stoechiométrie souhaitée. Les conditions pour lesquelles l'injection de gazole dans la ligne d'échappement est déclenchée (quantité de NOx émise par le moteur et richesse du mélange gazeux dans la chambre de combustion), peuvent 8 être modifiées pour s'adapter par exemple à des évolutions de la législation en vigueur. Il correspond à la proportion des NOx qui vont être réduits par l'action du catalyseur 5 avant de s'échapper de la ligne d'échappement 2. La proportion de stoechiométrie souhaitée peut également correspondre à une quantité maximale de NOx qui ne vont pas être réduits par le catalyseur 5. Lorsque le calculateur 6 n'actionne pas l'injecteur additionnel 4, la totalité des NOx issus du moteur thermique 1 traverse le catalyseur 5, et celui-ci a une efficacité de réduction très réduite en raison de la pauvreté du mélange en réducteur. Dans une variante, la proportion de stoechiométrie souhaitée est égale à l'unité, de manière que la totalité des NOx présents dans les gaz d'échappement puisse être traitée par le catalyseur 5. Dans une autre variante, cette proportion est inférieure à l'unité, ce qui permet d'économiser du carburant additionnel consommé tout en traitant une partie des NOx présents dans les gaz d'échappement de manière à être conforme aux normes en vigueur. Le calculateur dispose également en mémoire d'un seuil de déclenchement de l'injecteur. Le calculateur reçoit en temps réel les données du régime moteur et calcule en temps réel à la fois la quantité de NOx présents dans les gaz d'échappement issus du moteur et la quantité de carburant qui permet d'atteindre la proportion de stoechiométrie souhaitée. Quand le rapport entre la quantité nécessaire de carburant et la quantité d'oxydes d'azote est inférieur au seuil de déclenchement, le calculateur actionne l'injecteur additionnel, et quand le rapport est supérieur au seuil, l'injection additionnelle n'est pas commandée. Un rapport supérieur au seuil de déclenchement correspond à une quantité de NOx issus du moteur 1 qui nécessiterait trop de carburant additionnel pour être traitée sur le catalyseur. 9 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la richesse du gaz d'échappement en sortie moteur n'est pas évaluée en comparant des données du constructeur avec des mesures de régime moteur, mais est directement mesurée par la sonde de richesse 3. Le calculateur 6 calcule la quantité de carburant nécessaire pour atteindre la proportion de stoechiométrie souhaitée et compare le rapport de la quantité nécessaire à la quantité de NOx estimée et déclenche l'injection additionnelle si ce rapport est inférieur au seuil de déclenchement. Ce mode de réalisation permet, en combinant en temps réel des données mesurées et des données calculées, d'avoir une meilleure évaluation de la quantité nécessaire à injecter. Cela peut permettre aussi de comparer des prévisions calculées et des quantités mesurées, de manière à détecter toute anomalie dans le système de capteur ou de calcul. Le réducteur injecté par l'injecteur additionnel 4 n'est pas obligatoirement identique au carburant utilisé par le moteur thermique 1. Néanmoins, le fait d'utiliser le même carburant permet de s'affranchir d'un réservoir supplémentaire. Le moteur thermique est de préférence un moteur de type Diesel et le carburant injecté par l'injecteur additionnel de type gasoil. Dans les moteurs de type Diesel, il est courant que les dispositifs d'admission des gaz dans les chambres de combustion et les dispositifs d'injection dans les chambres de combustion soient réglés de manière que les chambres de combustion soient saturées en oxygène. Ainsi, les gaz d'échappement issus du moteur Diesel sont globalement oxydants. Les moteurs Diesel, fonctionnant avec un type de combustion dite combustion homogène , présentent des gaz d'échappement dont la richesse en réducteurs est élevée et des émissions de NOx limitées, de sorte que la quantité de carburant additionnelle à injecter reste faible. 10 Le procédé et le système de motorisation de l'invention peuvent être compatibles avec un moteur à explosion utilisant de l'essence et dont les gaz d'échappement sont pauvres en composés réducteurs. Par exemple, dans des moteurs à charge stratifiée, bien que la quantité de NOx produite par le moteur ait été réduite par une température de combustion abaissée, le procédé de l'invention permet néanmoins de combiner les avantages d'un catalyseur trois voies et une consommation très faible en carburant. L'injecteur 4 est additionnel dans le sens où il est spécifique et s'ajoute aux injecteurs principaux non représentés du moteur thermique 1, il peut être situé directement à l'entrée du pot catalytique 5. L'injecteur 4 peut également être réalisé par les injecteurs principaux, il est alors additionnel dans le sens où la séquence d'injection concernée par le moyen de déclenchement de l'invention est supplémentaire par rapport au cycle d'injection normale du moteur 1. Cette injection supplémentaire peut avoir lieu au début de l'expulsion des gaz de la chambre de combustion. On va maintenant décrire la combinaison particulièrement avantageuse d'un tel système de motorisation avec l'utilisation de filtres à particules. Selon le deuxième mode de réalisation illustré sur la figure, le deuxième tronçon 2b de la ligne d'échappement comprend dans le sens de l'écoulement des gaz : une deuxième sonde de richesse 10, le catalyseur 5, un capteur amont 11 de température et de pression, un filtre à particules 12 et un capteur aval 13 de température et de pression. Le filtre à particules 12 est chargé de retenir les suies et les particules imbrûlées émises par le moteur 1. Le filtre à particules 12 peut être catalysé ou non. La deuxième sonde de richesse 10 en aval de l'injecteur 11 additionnel 4 permet de contrôler le calcul de la quantité à injecter pour atteindre les conditions stoechiométriques lors du fonctionnement normal du moteur 1. L'injecteur additionnel 4, la deuxième sonde lambda 10 et les capteurs de température 11 et 13 sont également utilisés pour la régénération du filtre à particules. On obtient une réaction exothermique dans le catalyseur 5 afin de chauffer les gaz d'échappement arrivant dans le filtre à particules à une température permettant de brûler les suies et particules filtrées. Avec un filtre à particules catalysé, la température des gaz d'échappement nécessaire pour atteindre la régénération est plus faible qu'avec un filtre à particules non catalysé. Dans le troisième mode de réalisation illustré sur la figure, le deuxième tronçon 2b de la ligne d'échappement 2 comprend dans le sens d'écoulement des gaz, le capteur amont 11 de température et/ou de pression, le filtre à particules 12, le capteur aval 13 de température et/ou de pression, la deuxième sonde de richesse 10 et le catalyseur 5. Dans le quatrième mode de réalisation illustré sur la figure, le deuxième tronçon 2b de la ligne d'échappement 2 comprend dans le sens d'écoulement des gaz, la deuxième sonde de richesse 10, le capteur amont 11, un catalyseur 5 intégré au filtre à particules 12 et le capteur aval 13. Le quatrième mode de réalisation présente l'avantage de réduire le nombre de composants à installer sur la ligne d'échappement 2. En revanche, les deuxième et troisième modes de réalisation permettent plus de souplesse dans l'implantation des différents composants. Dans chacun des trois modes de réalisation à filtres à particules 12, celui-ci peut être constitué de carbure de silicium, de cordiérite ou de toute autre céramique ou structure métallique servant à filtrer les particules. 12 Le moyen de détermination de la quantité d'oxydes d'azote issus du moteur 1 peut être un calculateur 6 comparant les mesures de régime moteur en temps réel à une cartographie de ce fonctionnement préenregistré en mémoire. Le moyen de détermination de la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une proportion stoechiométrique, peut également être un calcul comparant des mesures en temps réel à une cartographie préenregistrée ou être la deuxième sonde de richesse 10. L'invention permet d'atteindre, au prix d'une surconsommation maîtrisée, l'efficacité de traitement des NOx visée avec un coût de développement et de mise au point du système de motorisation plus faible que pour les systèmes de type piège à NOx. La flexibilité du procédé est particulièrement avantageuse pour des systèmes de motorisation utilisés sur des chantiers, dans lesquels la surconsommation n'est pas le critère clé et où la priorité est de traiter complètement les oxydes d'azote. Pour adapter le système de motorisation aux applications de chantier, il suffit de modifier le seuil de déclenchement. REVENDICATIONS 1-Système de motorisation, notamment de véhicule automobile, comprenant un moteur thermique (1), un catalyseur (5) de réduction des oxydes d'azote NOx des gaz d'échappement du moteur (1), un injecteur additionnel (4) de carburant situé en amont du catalyseur (5) et un moyen (6, 3) de détermination de la quantité d'oxydes d'azote NOx issus du moteur (1), caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen (6, 10) de détermination de la quantité de carburant nécessaire pour atteindre une proportion inférieure ou sensiblement égale à la proportion stoechiométrique par rapport à la quantité d'oxydes d'azote NOx, et un moyen (6) de déclenchement de l'injection de ladite quantité nécessaire lorsque le rapport entre ladite quantité nécessaire sur la quantité d'oxydes d'azote NOx est inférieure à un seuil de déclenchement. 2-Système de motorisation selon la revendication 1, dans lequel les gaz d'échappement en amont de l'injecteur additionnel (4) sont pauvres en réducteurs. 3-Système de motorisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moteur (1) est un moteur à combustion interne de type Diesel et le carburant injecté par l'injecteur additionnel (4) est du type gasoil. 4-Système de motorisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de détermination de la quantité de NOx comprend un calculateur (6) apte à recevoir des informations de régime du moteur (1) et d'injection dans les chambres de combustion du moteur (1) et à comparer ces informations à des données stockées dans une mémoire. 5-Système de motorisation selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de détermination de la quantité de 14 NOx comprend, en aval du moteur (1) et en amont de l'injecteur additionnel (4), un dispositif (3) de mesure de la richesse des gaz d'échappement. 6-Système de motorisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre à particules (12) en amont ou en aval du catalyseur (5). 7-Système de motorisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un filtre à particules (12) intégrant le catalyseur (5). 8-Système de motorisation selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l'injecteur additionnel (4) est placé en amont du filtre à particules (12) et actionné pour régénérer le filtre à particules (12). 9-Système de motorisation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, comprenant un deuxième dispositif (10) de mesure de la richesse en réducteurs en aval de l'injecteur additionnel (4) et en amont du catalyseur (5). 10-Système de motorisation selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant une sonde de température en amont (11) ou en aval (13) du filtre à particules (12), et/ou une sonde de pression en amont (11) ou en aval (13) du filtre à particules (12). 11-Procédé de motorisation, notamment d'un véhicule automobile, dans lequel on traite des gaz d'échappement d'un moteur thermique (1) en injectant des hydrocarbures dans la ligne d'échappement (2a) en amont d'un catalyseur (5) de réduction de NOx, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape où on détermine la quantité de NOx présent dans les gaz d'échappement, on déclenche l'injection des hydrocarbures lorsqu'un seuil de quantité de NOx est atteint et on ajuste la quantité injectée pour que la quantité de réducteurs soit sensiblement stoechiométrique par rapport à la quantité de NOx présent dans les gaz d'échappement.