Brevet FR2914687A1 — publié le 20081010

PROCEDE ET SYSTEME D'INJECTION D'AGENT REDUCTEUR DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT La présente invention concerne un procédé d'injection d'agent réducteur dans la ligne d'échappement d'un moteur, plus particulièrement d'un moteur installé dans un véhicule automobile de type Diesel. Dans les moteurs de véhicule de type Diesel, la combustion du carburant a pour conséquence la création de gaz tels que le monoxyde d'azote (NO), le dioxyde d'azote (NO2) ou encore l'oxyde de diazote (N20). Ces gaz, connus de manière générale sous le nom d'oxydes d'azote (NOx) présentent un danger, d'une part pour la santé des êtres humains, et d'autre part pour l'environnement puisqu'ils contribuent à la formation de brouillard de pollution dans les villes, et au réchauffement de la planète en augmentant l'effet de serre. En conséquence, il est nécessaire de prévoir des solutions pour détruire ces gaz à l'intérieur des véhicules, avant qu'ils ne soient émis dans l'atmosphère. Le traitement de ces gaz dans les véhicules est d'ailleurs sévèrement règlementé par différentes normes. Pour détruire chimiquement ces oxydes d'azote avant leur échappement dans l'atmosphère, il est connu d'effectuer une réduction de type réduction catalytique sélective, dite SCR. A cet effet, il est possible d'utiliser différents agents réducteurs. On peut, par exemple, citer le monoxyde de carbone, les hydrocarbures, les amides, les acides, ou encore l'ammoniac. De nombreuses solutions utilisant de l'urée en tant qu'agent réducteur sont également connues. En effet, l'urée contient de l'ammoniac qui réagit avec les oxydes d'azote dans un catalyseur SCR, pour former du diazote totalement inoffensif. La plupart de ces solutions mettent en oeuvre une injection d'urée sous forme liquide. Le choix d'utiliser de l'urée à la place de l'ammoniac pur tient au fait que l'ammoniac est un gaz toxique et corrosif, et qu'il est donc coûteux et compliqué de prévoir, dans un véhicule classique, un réservoir permettant le stockage d'un tel gaz en sécurité. L'urée, quant à elle, peut-être stockée sous forme de solution aqueuse, ce qui permet un stockage et une injection dans la ligne d'échappement facilités. Ainsi, dans un processus de traitement des oxydes d'azote utilisant de l'urée, on assiste tout d'abord à une décomposition de l'urée en ammoniac, suivi d'une réduction des oxydes d'azote par cet ammoniac. La réduction des oxydes d'azote en utilisant de l'urée liquide met en oeuvre plusieurs réactions chimiques successives. Une solution d'urée injectée dans une ligne d'échappement subit, en premier lieu, une évaporation de l'eau, conduisant ainsi à la formation d'urée solide, sous la forme d'infimes particules. Cette réaction se traduit par l'équation chimique suivante : NH2-CO-NH2(aqueux) -> NH2-CO-NH2(soiide). (Eq1) Généralement, suite à cette évaporation, l'urée solide subit une thermolyse sous l'effet de la température élevée des gaz environnants, à partir de 180 C. Cette thermolyse produit de l'ammoniac gazeux et de l'acide isocyanique au cours de la réaction suivante : NH2-CO-NH2(soiide) -> NH3(gaz) + HNCO(gaz) (Eq2) La dernière étape du processus de réduction consiste en une hydrolyse de l'acide isocyanique pour former de l'ammoniac gazeux et du dioxyde de carbone : HNCO(gaz) + H2O(gaz) -> NH3(gaz) + CO2(gdz) (Eq3) 20 25 30 35 En dessous de 180 C, la vitesse de la décomposition des particules d'urée par thermolyse est plus lente que la vitesse de polymérisation partiale d'urée. En conséquence, les particules d'urée se transforment en biuret. Le biuret se décompose rapidement par sublimation au dessus de 180 C ou, en dessous de 180 C, sur n'importe quelle surface catalytique qui contient des sites acide. Les deux formes de la décomposition de biuret peuvent être décrites d'une manière globale par la réaction suivante : H2NCONHCONH2(solide) + 2 x H2O(gaz) -> NH3(gaz) + CO2(gdz) (Eq4) Lorsque la température de l'urée injectée dans la ligne d'échappement devient inférieure à 180 C, il n'y a plus de décomposition totale, et on voit alors apparaître une polymérisation totale de l'urée à forte concentration, et la formation d'un solide blanc sur la surface du catalyseur SCR ou sur les parois de la ligne d'échappement. En effet, ainsi qu'expliqué précédemment, l'étape de thermolyse de l'urée solide, représentée par l'équation 2, se produit grâce à la température élevée des gaz d'échappement. Lorsque la température est plus faible, on voit se former un polymère solide cyamelide: NH2-CO- N H 2(solide) -> H NCOX(polymère solide) (Eq5) Pour éviter cela, l'injection d'urée est généralement effectuée à des températures se situant entre 180 C et 200 C. Les solutions de traitement d'oxydes d'azote décrites dans la présente demande mettent toutes en oeuvre une réaction de réduction catalytique sélective, dans l'enceinte d'un catalyseur, dit catalyseur SCR, installé dans la ligne d'échappement du moteur, en aval du moteur. Afin que cette réduction soit la plus efficace possible, il est nécessaire que l'agent réducteur soit suffisamment réparti sur l'ensemble des zones actives du catalyseur. En effet, si certaines zones ne contiennent pas, ou peu, d'agent réducteur, il est possible que certains oxydes d'azote traversent le catalyseur sans entrer en contact avec le réducteur, et donc sans être traités. Par ailleurs, lorsqu'on injecte une quantité importante d'agent réducteur dans ou en amont du catalyseur, il est possible qu'une saturation du catalyseur se produise, si la quantité d'agent réducteur à stocker excède la capacité de stockage du catalyseur. Cette capacité de stockage dépend, par exemple, de l'âge du catalyseur et/ou du type de catalyseur, selon que l'on utilise un catalyseur à structure microporeuse, de grande capacité, ou un catalyseur non poreux. Or, les véhicules automobiles sont soumis à des normes strictes en ce qui concerne les gaz rejetés dans l'atmosphère. Ainsi, il n'est pas envisageable qu'un véhicule rejette de trop grandes quantités d'oxydes d'azote ou d'agent réducteur. En conséquence, l'invention vise à remédier aux inconvénients décrits ci-dessus, qui conduisent à des rejets gazeux non acceptables. De manière plus précise, l'invention concerne un procédé d'injection d'agent réducteur dans une ligne d'échappement d'un moteur, l'agent réducteur étant destiné à être utilisé pour réduire chimiquement, au cours d'une réaction de réduction catalytique sélective, dite SCR, des oxydes d'azote émis par le moteur, l'injection étant effectuée en amont d'un catalyseur dans lequel a lieu la réaction. Le procédé comprend les étapes suivantes : - on détermine une valeur représentative de la répartition de l'ensemble des gaz à l'entrée du catalyseur SCR, et - lorsque cette répartition est supérieure à une valeur prédéterminée, on injecte de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement. 25 Lorsque la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur n'est pas uniforme en agent réducteur, il est préférable de ne pas injecter d'agent réducteur dans la ligne d'échappement. Dans le cas présent, on s'intéresse à la répartition de l'agent 30 réducteur parmi l'ensemble des gaz, sur une section d'un tube à l'entrée du catalyseur. L'ensemble des gaz comprend l'agent réducteur ainsi que les gaz émis par le moteur. Une valeur représentative de cette répartition est, par exemple, un taux de répartition À compris entre 0 et 1, correspondant par exemple 35 au rapport, si on se place au niveau d'une section d'entrée d'un catalyseur, entre la surface occupée par l'agent réducteur et la surface totale de la section. Ainsi, la valeur À=1 représente une répartition parfaite sur l'ensemble de la section, et la valeur À=0 représente une absence d'agent réducteur parmi l'ensemble des gaz sur la section. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, on choisira de n'injecter un agent réducteur que dans le cas où le taux de répartition des gaz est supérieur à 0,75. Une mauvaise répartition d'un agent réducteur dans une ligne d'échappement est, par exemple, due à l'architecture de la ligne, qui peut présenter des coudes, des virages, ou encore des zones d'expansion et de contraction, qui ont pour conséquence de faire varier la répartition du gaz, et parfois de modifier le parcours du gaz. Ainsi, on aboutit parfois à une répartition non uniforme de l'agent réducteur qui engendre de nombreux inconvénients au niveau de la ligne d'échappement, parmi lesquels : - un vieillissement thermique ou chimique prématuré, - une répartition et une combustion inhomogène ou incomplète des particules dans un filtre à particules situé en bout de la ligne 20 d'échappement, - d'importantes variations thermiques, ou gradients, le long de la ligne d'échappement, pouvant conduire à des fissures du filtre, et - une mauvaise conversion catalytique. 25 Ces problèmes de répartition des gaz sont, par ailleurs, amplifiés pas le nombre d'éléments ajoutés dans la ligne d'échappement, tels que les systèmes d'injection et réservoirs d'agent réducteur, ou encore les sondes et capteurs servant à mesurer les quantités ou températures de gaz. La mise en place de ces éléments conduit à des détournements 30 du flux gazeux, empêchant parfois un retour à une répartition uniforme. Ce problème de répartition dans la ligne d'échappement est la cause principale des problèmes d'excès ou de manque d'agent réducteur dans le catalyseur, précédemment décrits. Plusieurs solutions sont envisageables pour déterminer l'homogénéité du mélange gazeux à l'entrée du catalyseur, qui est équivalente à une répartition. Ainsi, selon le mode de réalisation choisi, le procédé comprend une ou plusieurs des étapes suivantes : - l'étape de mesurer le débit de gaz dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur, - l'étape de mesurer la température des gaz dans la ligne d'échappement, - l'étape d'effectuer un calcul en utilisant des lois de la dynamique des fluides, en fonction d'un débit de gaz et/ou d'une température de gaz dans la ligne d'échappement. La solution consistant à effectuer un calcul de dynamique des fluides est particulièrement avantageuse dans le cas où il est difficile de déterminer la répartition de manière expérimentale, par exemple par mesure. En effet, les calculs peuvent s'avérer relativement long, puisqu'ils durent parfois plusieurs heures, voire plusieurs jours ou semaines. Un tel calcul, par exemple mis en oeuvre par un produit logiciel, est également avantageux lorsque l'on souhaite déterminer les répartitions de gaz dans plusieurs types de lignes d'échappement. En effet, il peut s'avérer coûteux de réaliser physiquement plusieurs lignes, alors qu'il est possible de modifier les paramètres de calcul dans un logiciel, sans surcoût. Pour effectuer ces calculs il est possible, par exemple, d'utiliser un logiciel de calcul de dynamique des fluides tel que Fire. Dans le cas où on choisit d'utiliser un tel produit logiciel, il est nécessaire de reproduire l'architecture exacte de la ligne d'échappement, avec les injecteurs, les filtres à particules, les catalyseurs, ou encore les diamètres et angles des différents tubes. En effet, tous ces éléments ont une influence sur la répartition des gaz dans la ligne d'échappement, et tout calcul ne tenant pas compte de l'un de ces paramètres ne serait pas exploitable. En revanche, on a constaté que l'état du filtre à particules, c'est à dire la quantité de particules piégées, ou le type de carburant, n'influaient pas sur la répartition des gaz.35 Une autre possibilité envisagée pour déterminer la répartition des gaz consiste à utiliser des données prédéterminées, et enregistrées dans une mémoire d'un processeur utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention. Par exemple, il est possible de mesurer, en laboratoire, les répartitions de gaz sur un cycle de fonctionnement complet d'un véhicule, passant par toutes les phases de fonctionnement possibles. Ainsi, dans une réalisation, le procédé comprend les étapes préliminaires suivantes : - on mesure la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur, pour plusieurs phases de fonctionnement d'un véhicule, et - on enregistre, dans une mémoire d'un processeur, les valeurs mesurées, associées aux conditions de fonctionnement du véhicule correspondantes. La mesure de répartition étant effectuée en laboratoire, il est possible d'utiliser des dispositifs tels que des caméras infrarouges ou des capteurs de mouvement ou de masse, pour détecter la présence et les déplacements des gaz. Ces étapes permettent de mettre en évidence des points d'injection d'agent réducteur en toute sécurité. On peut alors choisir d'effectuer l'injection d'agent réducteur au moment de l'occurrence de ces points sûrs. On peut également choisir de ne pas effectuer ces mesures sur un cycle complet, mais uniquement sur certaines phases de fonctionnement spécifiques d'un véhicule, par exemple les phases d'accélération et de décélération. Le procédé comprend ensuite, préférentiellement, l'étape de mesurer, au moment de sa mise en oeuvre, les conditions de fonctionnement d'un véhicule, et d'utiliser les données enregistrées en mémoire pour déterminer la répartition des gaz. Les données enregistrées en mémoire peuvent également comprendre des cartographies représentant des relations entre certains des paramètres suivants : la température dans la ligne d'échappement, la vitesse du véhicule, la vitesse de déplacement des gaz, ou encore la concentration en oxydes d'azote. Par ailleurs, la quantité d'agent réducteur à injecter dépend de nombreux paramètres, et notamment de la concentration en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement. En effet, les réactions chimiques mises en oeuvre pour le traitement des oxydes d'azote sont par exemple : NH3 + NOx + 02 -> N2 + H2O dans le cas où l'agent réducteur est de l'ammoniac, et HC + NOx + 02 -> CO2 + N2 + H2O dans le cas où l'agent réducteur est un hydrocarbure. Afin que la réaction soit complète et qu'il ne reste pas d'agent réducteur à la fin, il est nécessaire d'injecter une quantité correcte d'agent réducteur, par exemple une quantité telle que la réaction s'effectue dans les conditions stoechiométriques. A cet effet, dans une réalisation, le procédé comprend l'étape de déterminer la quantité d'oxydes d'azote émis par le moteur, et de déterminer la quantité d'agent réducteur nécessaire pour réduire ces oxydes d'azote. Ainsi, au cours de l'étape d'injection, on injecte une quantité d'agent réducteur égale à cette quantité prédéterminée. L'invention concerne également un système d'injection d'agent réducteur dans une ligne d'échappement de moteur, l'agent réducteur étant destiné à être utilisé pour réduire chimiquement, au cours d'une réaction de réduction catalytique sélective, dite SCR, des oxydes d'azote émis par le moteur, le système comprenant : - un catalyseur siège de la réaction de réduction, - un dispositif de mesure de la température des gaz dans la ligne d'échappement, - un dispositif de détermination de la répartition des gaz en entrée du catalyseur, - un dispositif de détermination de la quantité d'agent réducteur à injecter, 35 - un réservoir d'agent réducteur et un injecteur d'agent réducteur situés en amont du catalyseur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant effectuée à titre non limitatif à l'aide des figures sur lesquelles : - la figure 1 montre l'évolution de certains paramètres présents dans un moteur de véhicule sur un cycle de fonctionnement connu, à savoir un cycle MVEG. - la figure 2 montre une ligne d'échappement de véhicule équipée d'un injecteur d'urée liquide, - les figures 3a et 3b montrent des exemples de répartition de gaz sur une section d'entrée d'un catalyseur SCR, - la figure 4 montre un diagramme fonctionnel d'un procédé conforme à l'invention. Sur la figure 1, on a représenté différents paramètres mesurés dans le moteur d'un véhicule automobile, sur un cycle de fonctionnement 20 normalisé MVEG. Ce cycle est actuellement utilisé pour l'homologation des véhicules en Europe. La figure 1 montre trois courbes, représentant respectivement l'évolution de la vitesse du véhicule (courbe 11), de la quantité d'oxydes d'azote dégagés par le moteur (courbe 12) et de la température (courbe 25 13), en fonction du temps. Le fonctionnement du véhicule selon le cycle MVEG implique une succession d'accélérations et décélérations du véhicules. Une mise en oeuvre avantageuse d'un procédé selon l'invention 30 est effectuée dans une ligne d'échappement telle que montrée en figure 2. Cette figure illustre le cas où l'agent réducteur est de l'ammoniac contenu dans de l'urée liquide, mais des systèmes similaires peuvent être utilisés dans le cas d'un autre agent réducteur. Sur cette figure on voit un moteur de véhicule 1, qui émet du 35 monoxyde d'azote NO et du dioxyde d'azote NO2. En sortie de ce moteur se 15 trouve un catalyseur d'oxydation 2, utilisé pour augmenter le ratio NO2/NO des gaz d'échappement, permettant ainsi une meilleure réduction ultérieure des oxydes d'azote dans le catalyseur à réduction sélective 3. Les gaz d'échappement traités transitent en dernier lieu par un filtre à particules 4 avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Afin de permettre la mise en oeuvre du procédé, les différents éléments de la ligne d'échappement sont gérés par l'ordinateur de bord 5 du véhicule. Ainsi, par exemple, à partir de la température des gaz, relevée par le dispositif 7, l'ordinateur 5 est en capacité de déterminer, à partir de données expérimentales enregistrées dans une mémoire, la quantité d'urée qui doit être injectée dans la ligne d'échappement par l'injecteur 6. L'urée est stockée dans un réservoir 8. Par ailleurs, la ligne d'échappement est munie de deux détecteurs de gaz 9 et 10 permettant de mesurer les quantités de gaz présents respectivement en amont et en aval du catalyseur SCR 3. Les données prédéterminées contenues dans une mémoire de l'ordinateur 5 peuvent être sous forme d'une cartographie, d'une table ou de tout autre ensemble de données. Les figures 3a et 3b montrent des exemples de répartition de gaz possibles sur une section d'entrée 21 d'un catalyseur SCR installé dans une ligne d'échappement de véhicule automobile. Sur la figure 3a, on constate que l'agent réducteur 22 est réparti sur quasiment l'ensemble de la section 21, alors que sur la figure 3b, l'agent réducteur 23 n'est présent que sur une petite partie de la section. Dans ces deux cas de figure, il est possible de déterminer un coefficient de répartition À du gaz sur la section. Ce coefficient correspond au rapport de la surface occupée par le gaz sur la surface totale de la section. Il est, par exemple de l'ordre de 0.95 sur la figure 3a, et de l'ordre de 0.45 sur la figure 3b. Ainsi, dans le cadre d'un procédé conforme à l'invention, si on choisit un seuil limite d'injection À=0.95, une injection aura lieu dans le cas de la figure 3a, mais pas dans celui de la figure 3b, car l'élément injecté ne serait pas correctement réparti sur l'ensemble des zones actives du catalyseur. On va maintenant décrire, à l'aide de la figure 4, une mise en oeuvre possible d'un procédé conforme à l'invention dans le cas où l'agent réducteur injecté est de l'ammoniac contenu dans de l'urée. On a constaté qu'à des températures inférieures à 120 C, il était inutile d'injecter de l'urée, pour les raisons suivantes : - tout d'abord, à ces températures, l'évaporation de l'urée est relativement difficile, ce qui compromet la mise en oeuvre de la première réaction chimique nécessaire conduisant normalement à une formation de particules d'urée, et - par ailleurs, les catalyseurs SCR sont généralement tels qu'ils ne peuvent pas être actifs à moins de 120 C, et ils ne peuvent donc pas être le siège d'une décomposition d'urée en ammoniac. En outre, même si le catalyseur SCR contient déjà de l'ammoniac stocké dans ses micropores, la réduction des oxydes d'azote est impossible à des températures si basses. En conséquence, il est nécessaire de mesurer la température des 20 gaz dans la ligne d'échappement. A cet effet, on utilise un thermocouple 30, c'est à dire un dispositif comportant deux métaux reliés par deux jonctions, et qui génère une différence de potentiel dépendant de la différence de température entre les deux jonctions. Afin de pouvoir relier la différence de potentiel à une différence de température, il est donc nécessaire de 25 connaître la réponse du thermocouple en fonction de la température. Cette réponse est, par exemple, conservée dans une mémoire du processeur, afin de pouvoir être utilisée au cours d'une étape du procédé. On détermine ensuite, au cours d'une étape 31, si la 30 température relevée est supérieure à 120 C. Si ce n'est pas le cas, le procédé s'arrête. En revanche, si la température est suffisante, on détermine, au cours d'une étape 32, la répartition des gaz sur une section d'entrée du catalyseur SCR. 10 15 Pour effectuer cette détermination, on utilise des données enregistrées dans une mémoire du processeur sous forme d'une ou plusieurs cartographies 33 de répartition des gaz. Si la répartition des gaz, c'est à dire la proportion d'agent réducteur parmi l'ensemble des gaz à l'entrée du catalyseur, est inférieure à une valeur prédéterminée, par exemple 0.95, il n'est procédé à aucune injection d'urée. En revanche, si la répartition des gaz est suffisante, il est possible d'injecter de l'urée. On utilise alors un processeur 34 pour déterminer la quantité d'urée à injecter. Pour effectuer ce calcul, le processeur 34 utilise des paramètres tels que les quantités de gaz détectées dans la ligne d'échappement par un ensemble 35 de capteurs. Par ailleurs, le processeur 34 peut faire appel à des données 36 enregistrées en mémoire, par exemple sous forme de cartographies montrant l'évolution de paramètres tels que la température ou la répartition des gaz. La quantité déterminée est finalement injectée dans la ligne d'échappement via un injecteur 37. REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection d'agent réducteur dans une ligne d'échappement d'un moteur (1), l'agent réducteur étant destiné à être utilisé pour réduire chimiquement, au cours d'une réaction de réduction catalytique sélective, dite SCR, des oxydes d'azote émis par le moteur (1), l'injection étant effectuée en amont (6) d'un catalyseur (3) dans lequel a lieu la réaction, le procédé comprenant les étapes suivantes : on détermine (32) une valeur représentative de la répartition de l'ensemble des gaz à l'entrée (9) du catalyseur SCR (3), et lorsque cette répartition est supérieure à une valeur prédéterminée, on injecte (37) de l'agent réducteur dans la ligne d'échappement. 2. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape, pour déterminer la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur, de mesurer le débit de gaz dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur (3). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape, pour déterminer la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur, de mesurer la température des gaz dans la ligne d'échappement. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape, pour déterminer la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur, d'effectuer un calcul en utilisant des lois de la dynamique des fluides, en fonction d'un débit de gaz et/ou de la température des gaz dans la ligne d'échappement. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant les étapes préliminaires suivantes : - on mesure la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur (3) pour plusieurs phases de fonctionnement d'un véhicule, 14 on enregistre, dans une mémoire d'un processeur (5), les valeurs mesurées, associées aux conditions de fonctionnement du véhicule correspondantes. 6. Procédé selon la revendication 5 comprenant les étapes suivantes : on mesure (31) les conditions de fonctionnement du véhicule, et - à partir de ces conditions de fonctionnement et des données enregistrées en mémoire, on détermine (32) la répartition des gaz à l'entrée du catalyseur. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : - on détermine la quantité d'oxydes d'azote émis par le moteur (1), on détermine la quantité d'agent réducteur nécessaire pour réduire ces oxydes d'azote, - au cours de l'étape d'injection, on injecte cette quantité d'agent réducteur déterminée. 8. Système d'injection d'agent réducteur dans une ligne d'échappement de moteur (1), l'agent réducteur étant destiné à être utilisé pour réduire chimiquement, au cours d'une réaction de réduction catalytique sélective, dite SCR, des oxydes d'azote émis par le moteur (1), le système comprenant : - un catalyseur (3) siège de la réaction de réduction, un dispositif (7) de mesure de la température des gaz dans la ligne d'échappement, - un dispositif de détermination de la répartition des gaz en entrée du catalyseur, un dispositif de détermination de la quantité d'agent réducteur à injecter, - un réservoir (8) d'agent réducteur et un injecteur (6) d'agent réducteur situés en amont du catalyseur (3).