Brevet FR2914689A1 — publié le 20081010

SYSTÈME DE TRAITEMENT DES OXYDES D'AZOTE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un système de dépollution permettant de traiter les émissions d'oxydes d'azote générées par un moteur à combustion interne. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs diesel suralimentés par turbocompresseurs. Aujourd'hui, le durcissement des normes en matière de dépollution automobile impose l'incorporation dans les lignes d'échappement de systèmes de post-traitement spécifiques à même de réduire les émissions des principaux polluants présents dans les gaz de combustion. Traditionnellement, on utilise des catalyseurs d'oxydation pour réduire les émissions d'hydrocarbures HC et de monoxyde de carbone CO, des catalyseurs pour traiter les émissions d'oxydes d'azote NOx, et des filtres à particules pour l'élimination des suies produites lors de la combustion. Il est à noter au passage que chacun de ces dispositifs de dépollution requiert une température assez élevée pour être efficace. Alors certes, l'optimisation de la combustion diesel conventionnelle permet de limiter à la source la formation des oxydes d'azote. C'est également le cas avec le développement de nouveaux modes de combustion tels que ceux mettant en oeuvre la technologie HCCI, abréviation de l'anglicisme Homogeneous Charge Compression Ignition, ou la technologie CAI, abréviation de l'anglicisme Controlled Auto-Ignition. Cependant, et quelle que soit la solution finalement retenue pour réduire les émissions d'oxydes d'azote à la source, les futures normes vont tôt ou tard imposer l'utilisation systématique de systèmes de traitement de ce type particulier de polluant dans les gaz d'échappement. Dans cette logique, il est important de souligner que de tels systèmes de traitement ne seront toutefois pas obligés de présenter de fortes efficacités de conversion, compte tenu des faibles quantités d'oxydes d'azote formées lors de la combustion. Dans ces conditions, et avec des efficacités moyennes proches de 80%, des technologies aussi performantes que le piège à NOx ou la réduction des NOx par l'urée ne sont par conséquent pas du tout justifiées. Ces systèmes de traitement s'avèrent par ailleurs particulièrement onéreux étant donné notamment que les pièges à NOx requièrent l'utilisation de métaux précieux, et que les dispositifs de réduction par l'urée nécessitent des moyens de stockage et d'injection spécifiques. Justement, on connaît de l'état de la technique des systèmes de dépollution qui sont beaucoup plus simples à mettre en oeuvre, et qui présentent des efficacités moyennes de conversion des oxydes d'azote avantageusement comprises entre 40 et 60%. On peut citer notamment les dispositifs de réduction en continu des NOx par les hydrocarbures, sur des catalyseurs de type métaux supportés ou de type perovskites. Il s'agit de systèmes de traitement passifs en ce sens l'élimination des oxydes d'azote s'opère en continue dans le flux gazeux, de manière complètement indépendante de la composition dudit flux et/ou des conditions de fonctionnement du moteur. A ce titre, il se distingue clairement des systèmes précédemment évoqués, à savoir les pièges à NOx, qui eux doivent être considérés comme des systèmes de traitement actifs étant donné qu'ils éliminent les oxydes d'azote de manière intermittente, avec une alternance de phases de stockage et de phases de réduction des oxydes d'azote stockés. Quoi qu'il en soit, les systèmes de traitement des NOx passifs présentent l'inconvénient de n'offrir une bonne efficacité de conversion qu'au-delà des 350 C, c'est-à-dire dans un domaine de température bien supérieur à celui qui correspond aux conditions de fonctionnement usuelles du moteur, et qui s'étend plutôt au voisinage des 250 C. Il est cependant possible de remédier à cette difficulté, en abaissant la température de conversion des oxydes d'azote par introduction d'hydrogène en complément des hydrocarbures formés lors de la combustion. Ce type de technique a par ailleurs pour autre conséquence avantageuse d'améliorer le rendement du système de traitement proprement dit. Les solutions actuellement proposées pour produire in situ de l'hydrogène consistent à utiliser soit des micro-reformeurs à technologie plasma, soit des reformeurs catalytiques. Dans le domaine d'application principal de l'invention, c'est-à-dire le moteur diesel turbocompressé, ces dispositifs sont placés en aval de la turbine pour des raisons essentiellement de place. L'encombrement des micro-reformeurs à technologie plasma et des reformeurs catalytiques est d'ailleurs tel que cela pose également un problème pour les intégrer à la ligne d'échappement. C'est pourquoi ils doivent souvent être implantés en parallèle aux lignes classiques d'échappement, sur des lignes dérivées qui sont elles-mêmes compliquées à intégrer sous le plancher des véhicules sans modifications substantielle de l'architecture. Mais le positionnement des reformeurs sur des lignes dérivées présentent bien d'autres inconvénients. Le premier est qu'il ne permet pas d'utiliser les hydrocarbures imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement. Il est par conséquent obligatoirement nécessaire de faire un apport externe d'hydrocarbures, ce qui s'avère techniquement et économiquement peu satisfaisant. Un autre désavantage d'un tel positionnement est que les conditions thermiques dans la ligne dérivée sont moins favorables au bon fonctionnement de ces systèmes. C'est notamment le cas pour les reformeurs catalytiques qui auront besoin quasi systématiquement de moyens de chauffage additionnels pour atteindre des températures de fonctionnement adéquates (le plus souvent supérieures à 400 C). Enfin, la production d'hydrogène via un micro-reformeurs nécessite de très grandes quantités d'énergie pour permettre la mise en oeuvre de la technologie plasma. A l'heure d'aujourd'hui, cela constitue toujours une difficulté technique difficilement surmontable au niveau d'un véhicule automobile. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention, est de proposer un système de traitement des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit moteur disposant d'une ligne d'échappement dans laquelle est intégrée une turbine notamment de turbocompresseur, système de traitement qui permettrait d'éviter les problèmes de l'état de la technique en offrant notamment une simplicité structurelle et fonctionnelle sensiblement accrue, tout en présentant un rapport efficacité/prix optimisé. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que le système de traitement comporte en amont de la turbine, un dispositif de production d'hydrogène par reformage catalytique d'hydrocarbures, et en aval de cette même turbine, un dispositif de réduction catalytique en continu des oxydes d'azote par des hydrocarbures. On rappelle que conformément à ce qui a été défini au début de ce texte, le dispositif de réduction catalytique employé dans le cadre de l'invention constitue un système de traitement des NOx passif, par opposition aux systèmes de traitement actifs que sont les pièges à NOx de l'état de la technique. L'invention consiste quoi qu'il en soit à utiliser un dispositif de reformage catalytique placé en amont de la turbine, pour produire in situ de l'hydrogène destiné à accroître les performances catalytiques d'un dispositif de traitement des NOx passif, placé quant à lui en aval de la turbine. Comme on le verra plus tard, selon les quantités d'hydrogène effectivement nécessaires pour assurer une conversion optimale des oxydes d'azote au niveau du dispositif de traitement passif, le reformage pourra se faire indifféremment à partir d'hydrocarbures imbrûlés naturellement présents dans les gaz d'échappement, et/ou d'hydrocarbures imbrûlés artificiellement présents dans les gaz d'échappement suite à une modification de la stratégie moteur, et/ou d'un quelconque carburant spécifique introduit spécialement à cet effet. L'invention telle qu'ainsi définie présente l'avantage d'utiliser un dispositif de traitement passif pour éliminer les oxydes d'azote formés lors de la combustion, c'est-à-dire un dispositif qui est à la fois suffisamment efficace, relativement peu onéreux et facile à intégrer dans une ligne d'échappement. L'invention permet par conséquent de se dispenser des coûteux systèmes de traitement actifs de l'état de la technique, qui sont à l'heure d'aujourd'hui les seuls moyens véritablement utilisés dans la pratique pour assurer l'élimination des oxydes d'azote. Les contraintes de contrôle moteur liées au fonctionnement d'un piège à NOx, ainsi que les risques de fuite d'ammoniac inhérents à la mise en oeuvre d'un dispositif de réduction par l'urée, sont également avantageusement évités. La possibilité d'utiliser un dispositif de traitement des NOx passif est bien sûr subordonnée à la présence d'un dispositif de production d'hydrogène qui, contrairement à ses homologues de l'état de la technique, est avantageusement placé en amont de la turbine. Un tel positionnement permet de profiter au maximum des propriétés thermodynamiques du moteur. Le reformage catalytique des hydrocarbures imbrûlés est ainsi à même de s'opérer à n'importe quel moment du cycle moteur, c'est-à-dire dès les premières secondes de fonctionnement avec dans ce cas une stratégie de chauffe adaptée jusqu'à l'arrêt, et du ralenti jusqu'au régime de pleine charge. La conversion des hydrocarbures en hydrogène en amont de la turbine présente également un intérêt dès lors que le moteur est équipé d'un système EGR de recirculation des gaz d'échappement, c'est-à-dire d'un dispositif récupérant une partie des gaz brûlés pour les réintroduire à l'admission du moteur. Le reformage catalytique va en effet modifier la composition des gaz à l'échappement, de telle sorte que c'est un mélange gazeux enrichi en hydrogène qui sera disponible à l'admission. Cette caractéristique va permettre avantageusement d'améliorer la qualité de combustion, et conséquemment d'impacter la formation des différents polluants. Enfin, le fait que le système de traitement des oxydes d'azote selon l'invention soit relativement peu coûteux et simple d'un point de vue structurel et fonctionnel, le rend notamment compatible avec de petits véhicules et/ou des véhicules à bas prix. Cela constitue un avantage tout à fait significatif dans la mesure où il n'est pas toujours facile de concilier de bas coûts de production et la protection de l'environnement. La présente invention concerne en outre les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre, et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniques possibles. Cette description, donnée à titre d'exemple non limitatif, est destinée à mieux faire comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Elle est par ailleurs donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure unique est un schéma qui illustre un moteur diesel de véhicule automobile, auquel est associé un système de traitement des oxydes d'azote conforme à l'invention. Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés, et ceci sans respect de l'échelle et de manière schématique. L'unique figure représente donc un moteur à combustion interne 100 de véhicule automobile. Dans ce mode particulier de réalisation, choisi uniquement à titre d'exemple, il s'agit plus précisément d'un moteur diesel turbocompressé. 25 Ainsi qu'on peut le voir clairement sur cette vue schématique, le moteur 100 est principalement constitué d'un bloc moteur 110 comportant quatre cylindres (3, 4, 6...), d'une ligne admission 120 intégrant un collecteur d'admission 121, d'une ligne d'échappement 130 intégrant un collecteur d'échappement 131, et d'un turbocompresseur 140 composé d'une turbine 141 et 30 d'un compresseur 142. De manière classique, la turbine 141 prend place à l'intérieur de la ligne d'échappement 130, tandis que le compresseur 142 est quant à lui implanté directement dans la ligne admission 120.20 On observe également que le moteur 100 est en outre équipé d'un système de traitement 1 des émissions d'oxydes d'azote inhérentes à son fonctionnement. L'objectif n'est pas une élimination complète de ce type particulier de polluant, mais plutôt une réduction de la quantité présente dans les gaz d'échappement afin de garantir le respect d'un seuil préétabli imposé par des normes. Quoi qu'il en soit et conformément à l'objet de la présente invention, le système de traitement 1 associe un dispositif de production d'hydrogène 10 qui est en mesure de générer de l'hydrogène par reformage catalytique d'hydrocarbures, et un dispositif de réduction catalytique des NOx 20 qui est à même de réduire en continu les oxydes d'azote en utilisant des hydrocarbures comme agent réducteur. L'ensemble est par ailleurs agencé de manière à ce que le dispositif de production d'hydrogène 10 soit intégré dans la ligne d'échappement 130 en amont de la turbine 141 du turbocompresseur 140, et à ce que le dispositif de réduction catalytique en continu 20 soit quant à lui implanté dans ladite ligne d'échappement 130 en aval de ladite turbine 141. Le dispositif catalytique de production d'hydrogène 10 peut comporter au moins une espèce active choisie parmi le nickel, le cobalt, le platine, le palladium et le rhodium, ladite espèce active étant supportée par un substrat réalisé en un matériau pouvant être choisi plusieurs matériaux comme par exemple la cérine, la zircone et l'alumine. Il est entendu ici qu'il ne s'agit en aucun cas d'une liste limitative, mais plutôt d'un choix aujourd'hui privilégié pour une application de type moteur à combustion diesel comme dans l'exemple de réalisation de la figure unique. Cela signifie en d'autres termes que tout catalyseur de reformage connu de l'état de la technique peut à priori être utilisé de manière équivalente, sous réserve bien évidemment qu'il corresponde à la gamme de températures de fonctionnement du moteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le substrat du dispositif catalytique de production d'hydrogène 10 pourra présenter une structure monolithique en nid d'abeille, qui délimite une pluralité de canaux d'écoulement pour les gaz d'échappement ou une structure métallique obtenue par enchevêtrement de feuilles métalliques. Un tel agencement permet de disposer d'une grande surface de contact, tout en limitant la contre-pression à l'échappement pour éviter de trop dégrader les performances du moteur 100. Les différents canaux d'écoulement pourront être par ailleurs délimités par des parois ultrafines afin que le substrat support dispose d'une faible inertie thermique. De manière particulièrement avantageuse, le dispositif de réduction catalytique en continu 20 est placé au plus près du collecteur d'échappement 131. Un tel positionnement permet quant à lui de bénéficier au mieux des effets thermiques du moteur 100. L'objectif est de faciliter la réaction de réduction catalytique des oxydes d'azote par les hydrocarbures. Selon une particularité de l'invention, le dispositif de réduction catalytique en continu 20 est placé en amont de tout autre dispositif de dépollution 150 des gaz d'échappement, tel qu'un dispositif catalytique d'oxydation diesel ou un filtre à particules. Cette caractéristique est destinée à garantir la présence d'hydrogène au niveau du dispositif de réduction catalytique en continu 20, et donc le traitement en continu des oxydes d'azote. En effet, dans l'hypothèse où la ligne d'échappement 130 comporterait classiquement un dispositif catalytique d'oxydation diesel et/ou un filtre à particules comme dans l'exemple de réalisation de la figure unique, il faut absolument éviter que l'hydrogène formé par le dispositif de reformage catalytique 10 ne puisse être consommé avant d'avoir atteint le dispositif de réduction catalytique en continu 20. Conformément à une autre particularité de l'invention, le dispositif de réduction catalytique en continu 20 utilise au moins un catalyseur de type métal supporté dans lequel le métal est choisi parmi l'argent, le cuivre, le zinc, le platine, le palladium, l'or et dans lequel le support est choisi parmi l'alumine, la cérine, et des oxydes mixtes. De manière complémentaire ou alternative, le dispositif de réduction catalytique en continu 20 peut aussi employer au moins un catalyseur de type perovskite. Il s'agit de composés de formule AB2O4 qui peuvent éventuellement être dopés avec notamment du platine, du palladium, du rhodium, de l'argent, du cuivre, de l'or. Selon une variante de réalisation de l'invention, le système de traitement 1 peut en outre comprendre des moyens d'apport 30 à même de fournir des hydrocarbures supplémentaires en amont du dispositif de production d'hydrogène 10. Dans certaines conditions de fonctionnement moteur, il peut en effet arriver qu'il n'y ait pas assez d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement pour assurer la réduction des oxydes d'azote, mais également pour produire suffisamment d'hydrogène en vu d'améliorer les performances du dispositif de traitement passif des NOx 20. Un apport supplémentaire d'hydrocarbures permet de remédier avantageusement à cette difficulté. Il faudra simplement veiller à parfaitement maîtriser cet ajout afin de minimiser la surconsommation, mais également de ne former que la quantité d'hydrogène strictement nécessaire. Conformément à un premier mode de réalisation de cette variante de l'invention, on choisira de modifier la stratégie de fonctionnement du moteur 100 pour générer un excès d'hydrocarbures imbrûlés. Concrètement, cela pourra s'opérer par exemple en commandant des post-injections tardives. Mais selon un second mode de réalisation de la variante, par ailleurs utilisable comme alternative ou en combinaison avec le premier, les moyens d'apport 30 pourront comporter au moins un injecteur 31 apte à introduire au moins un hydrocarbure spécifique dans la portion de ligne d'échappement 130 qui 30 s'étend entre le moteur 100 et le dispositif de production d'hydrogène 10. Dans l'exemple de réalisation visible sur la figure unique, on trouve un injecteur 31 placé sur le collecteur d'échappement 131. De préférence, chaque hydrocarbure spécifique sera choisi parmi l'essence, le gaz naturel pour véhicule GNV, le gaz de pétrole liquéfié GPL, le gazole, les alcanes, les alcènes, et les composés oxygénés de type alcools, cétones, aldéhydes ou d'une façon plus générale tous les carburants de synthèse ou issus de la biomasse. Bien entendu, l'invention concerne également toute ligne d'échappement 130 pour moteur à combustion interne 100 notamment de véhicule automobile, dans laquelle est intégrée une turbine 141 notamment de turbocompresseur 140 ainsi qu'un système de traitement des oxydes d'azote 1 tel que précédemment décrit. Mais plus généralement encore, l'invention est en outre relative à tout véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne 100 disposant, d'une part, d'une ligne d'échappement 130 dans laquelle est intégrée une turbine 141 notamment de turbocompresseur 140, et d'autre part, d'un système de traitement des oxydes d'azote 1 tel que précédemment décrit. REVENDICATIONS 1. Système de traitement (1) des oxydes d'azote présents dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (100), ledit moteur (100) disposant d'une ligne d'échappement (130) dans laquelle est intégrée une turbine (141) notamment de turbocompresseur (140), caractérisé en ce qu'il comporte en amont de la turbine (141), un dispositif de production d'hydrogène (10) par reformage catalytique d'hydrocarbures, et en aval de cette même turbine (141), un dispositif de réduction catalytique en continu (20) des oxydes d'azote par des hydrocarbures. 2. Système de traitement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif catalytique de production d'hydrogène (10) comporte au moins une espèce active choisie parmi le nickel, le cobalt, le platine, le palladium et le rhodium, ladite espèce active étant supportée par un substrat réalisé en un matériau choisi parmi la cérine, la zircone et l'alumine. 3. Système de traitement (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat du dispositif catalytique de production d'hydrogène (10) présente une structure monolithique en nid d'abeille ou une structure métallique obtenue par enchevêtrement de feuilles métalliques. 4. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de réduction catalytique en continu (20) est placé au plus près du collecteur (131). 5. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de réduction catalytique en continu (20) est placé en amont de tout autre dispositif de dépollution (150) des gaz d'échappement. 6. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de réduction catalytique en continu (20) comporte au moins un catalyseur de type métal supporté dans lequel le métal estchoisi parmi l'argent, le cuivre, le zinc, le platine, le palladium, l'or et dans lequel le support est choisi parmi l'alumine, la cérine, et des oxydes mixtes. 7. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de réduction catalytique en continu (20) comporte au moins un catalyseur de type perovskite. 8. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'apport (30) d'hydrocarbures supplémentaires en amont du dispositif de production d'hydrogène (10). 9. Système de traitement (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'ajout d'hydrocarbures est réalisé via une modification de la stratégie de 15 fonctionnement du moteur (100) pour générer un excès d'hydrocarbures imbrûlés. 10. Système de traitement (1) selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens d'apport (30) comportent au moins un injecteur apte à introduire au moins un hydrocarbure spécifique dans une portion de la ligne 20 d'échappement (130) s'étendant entre le moteur (100) et le dispositif de production d'hydrogène (10). 11. Système de traitement (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque hydrocarbure spécifique est choisi parmi l'essence, le gaz naturel pour 25 véhicule GNV, le gaz de pétrole liquéfié GPL, le gazole, les alcanes, les alcènes, et les composés oxygénés de type alcools, cétones, aldéhydes ou tout autre type de carburant de synthèse ou issu de la biomasse. 12. Ligne d'échappement (130) pour moteur à combustion interne (100) 30 notamment de véhicule automobile, dans laquelle est intégrée une turbine (141) notamment de turbocompresseur (140), caractérisée en ce qu'elle comporte un système de traitement des oxydes d'azote (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne (100) disposant d'une ligne d'échappement (130) dans laquelle est intégrée une turbine (141) notamment de turbocompresseur (140), caractérisé en ce qu'il comporte un système de traitement des oxydes d'azote (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.