Brevet FR2919339A1 — publié le 20090130

L'invention concerne une ligne d'échappement de gaz équipée de systèmes de dépollution pour moteur à combustion interne de véhicule automobile et, plus particulièrement pour moteur fonctionnant en mélange pauvre. Les polluants issus de la combustion d'un moteur de véhicule automobile que celui-ci soit un moteur Diesel ou essence, sont majoritairement des hydrocarbures imbrûlés HC, des oxydes d'azote (monoxyde d'azote NO et dioxyde d'azote NO2), des oxydes de carbone (monoxyde de carbone CO) et dans le cas des io moteurs Diesel et des moteurs à injection directe à essence fonctionnant en mélange pauvre, des particules solides carbonées. Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maîtrise des émissions de HC, de CO, de NOx et de particules est impérative et des technologies de post-traitement des gaz 15 d'échappement sont indispensables. La dépollution des véhicules automobiles fait appel à différents systèmes de post-traitement pour éliminer les polluants produits par le moteur : les catalyseurs, et le filtre à particules dans le cas des moteurs Diesel et essence fonctionnant en mélange pauvre. 20 Le traitement des hydrocarbures HC et du monoxyde de carbone s'effectue par catalyse d'oxydation. Cette réaction est facilitée dans le cas des moteurs Diesel par la présence d'un large excès d'oxygène dans la phase gazeuse. Le filtre à particules permet d'éliminer par filtration les particules 25 solides présentes dans les gaz d'échappement. Une fois piégées au sein du filtre, les particules doivent être éliminées périodiquement par élévation de la température jusqu'à 450 à 700 C au sein du filtre afin d'entraîner leur combustion. Cette opération est couramment appelée régénération du filtre à 30 particules. Pour réaliser la combustion des suies piégées dans le filtre, plusieurs méthodes sont utilisées par les constructeurs automobiles comme, par exemple, l'additivation du carburant avec un composé organométallique permettant de réduire significativement la température de combustion des suies, l'oxydation grâce à une formulation catalytique spécifique directement déposée sur les parois du filtre à particules, ou l'oxydation des suies en continu par réaction avec le NO2, ou encore par une technique de réchauffage électrique. En outre, la combustion des suies est initiée par un apport de chaleur en amont du FAP qui peut provenir de plusieurs sources comme l'utilisation de la post-injection moteur et/ou la modification io des moyens d'injections pour augmenter la température des gaz d'échappement jusqu'à un seuil d'au moins 500 C. Dans le cas de l'utilisation d'une post-injection celle-ci peut brûler totalement ou partiellement dans le moteur, générant une élévation de la température des gaz d'échappement ou, si elle est 15 suffisamment tardive, entraîner une augmentation des quantités de CO et d'HC à l'échappement qui s'oxydent en arrivant sur le catalyseur d'oxydation afin de générer de la chaleur. Cette méthode entraîne une contrainte thermique forte sur le catalyseur le plus proche du moteur qui est soumis à chaque 20 régénération à une forte élévation de température. Par ailleurs le turbocompresseur et le collecteur d'échappement sont aussi soumis à des températures élevées. Enfin les méthodes de chauffage issues du moteur entraînent de la dilution de gazole dans l'huile de lubrification de celui-ci, ce qui est préjudiciable à sa 25 durée de vie. L'utilisation d'injection de gazole à l'échappement permet de résoudre la plupart de ces problèmes. Dans ce cas le chauffage issu du moteur est fortement réduit et la chaleur est générée par combustion du gazole introduit à l'échappement sur le catalyseur 30 en amont du filtre à particules. La dilution d'huile alors est fortement réduite ainsi que les contraintes thermiques sur le collecteur d'échappement et le turbocompresseur. Le traitement des NOx à l'échappement, peut être effectué au moyen d'un piège à NOx. Le principe en est basé sur un fonctionnement du moteur en séquentiel avec des alternances en mode pauvre (excès d'oxygène à l'échappement, donc stockage des NOx sur le matériau de stockage du piège qui est préférentiellement le baryum) et des alternances en mode riche (pas d'excès d'oxygène à l'échappement, donc déstockage et réduction des NOx en N2). Ce système à pour inconvénient d'être sensible au soufre contenu dans les carburants et d'engendrer une surconsommation pour le client, et donc une augmentation de la production de CO2. io Un autre procédé appelé catalyse SCR (Sélective Catalytique Réduction) a pour principe une réduction sélective des NOx en azote, en présence d'un catalyseur spécifique, par l'action d'un réducteur. Ce réducteur est soit déjà présent dans les gaz d'échappement, soit injecté en amont du catalyseur SCR. 15 La réduction s'effectue dans un milieu contenant un excès d'air. Le réducteur peut être un ou des hydrocarbure(s), des espèces hydrocarbonées partiellement oxydées, ou de l'ammoniac, ou bien un composé, tel l'urée, générant de l'ammoniac par décomposition chimique. 20 De sorte que, si l'on veut à la fois, régénérer le filtre à particules par injection de carburant à l'échappement et traiter les NOx par injection d'un réducteur également à l'échappement, il faudra prévoir, dans la ligne d'échappement deux systèmes d'injection. Un tel agencement qui permet de combiner deux méthodes 25 performantes de traitement des polluants, s'avère donc, néanmoins, encombrant et onéreux. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif unique installé dans une ligne d'échappement et permettant d'injecter plusieurs fluides. 30 A cet effet, la présente invention a pour objet une ligne d'échappement de gaz pour moteur de véhicule automobile équipée de dispositifs de dépollution et de systèmes de distribution d'au moins deux fluides injectés dans ladite ligne d'échappement pour agir en coopération avec les dispositifs de dépollution. Cette ligne comporte un unique injecteur connecté à la sortie d'un sélecteur de fluide dont l'entrée est connectée aux conduits d'amenée des fluides, ledit sélecteur étant commandé par un calculateur pour laisser passer alternativement ou simultanément les fluides vers l'injecteur en fonction des besoins des systèmes de dépollution. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention : - Les voies du sélecteur permettent le passage alternatif des fluides vers l'injecteur. io Le sélecteur comporte au moins une voie permettant le passage simultané d'au moins deux fluides vers l'injecteur. - L'un des fluides est un réducteur injecté à partir d'un réservoir par une pompe, en amont d'un catalyseur, pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement en azote, 15 en présence dudit catalyseur. - L'injection du réducteur se fait en continu. - L'un des fluides est du carburant injecté à partir d'un réservoir par une pompe, en amont d'un filtre à particules, lors des phases de régénération dudit filtre. 20 - Le sélecteur est actionné de façon à laisser passer le réducteur contenu dans le réservoir vers l'injecteur en fonctionnement normal, et à interrompre cet écoulement pour laisser passer le carburant depuis le conduit jusqu'à l'injecteur lorsqu'une régénération du filtre à particules est rendue nécessaire. 25 -En variante et dans certaines conditions, lors des phases de régénération du filtre à particules, le sélecteur est amené dans une position qui permet l'ouverture simultanée du conduit d'amenée du réducteur et du conduit d'amenée du carburant vers l'injecteur. 30 - Dans un mode de réalisation, le ligne d'échappement est équipée d'un mélangeur en aval de l'injecteur. - En variante encore : • La ligne d'échappement comporte un catalyseur supplémentaire, en aval du catalyseur de réduction des oxydes d'azote, destiné à l'oxydation des hydrocarbures et de l'ammoniac produit par la réduction desdits oxydes. ^ Le cicuit de distribution de carburant comporte un régulateur de pression qui régule la quantité de carburant injectée. ^ Le circuit de distribution du réducteur comporte un io régulateur de pression qui régule la quantité de réducteur injectée. - La pompe de l'un des circuits de distribution de fluide est réversible. - Avant la fermeture de la voie de passage de l'un des fluides 15 dans le sélecteur la pompe réversible du dispositif de distribution dudit fluide est actionnée en sens inverse, injecteur ouvert, de façon à purger le circuit du fluide et de l'air contenus. - En fin de distribution du deuxième fluide, le sélecteur est ramené en position initiale d'ouverture du circuit de distribution 20 du premier fluide et la pompe réversible dudit circuit est activée un bref instant en pression, réservoir fermé et injecteur ouvert, de manière à purger l'injecteur du deuxième fluide résiduel. - _.es composants du dispositif d'injection sont revêtus d'un matériau compatible avec les différents fluides et apte à 25 empêcher d'éventuels dépôts. - Lors de la coupure du contact du véhicule, la pompe reversible est activée un bref instant en dépression, injecteur ouvert, de manière à purger l'injecteur et la canalisation du fluide résiduel. - On précisera encore que le réducteur peut être, soit un 30 hydrocarbure, soit une espèce hydrocarbonées partiellement oxydée, soit un composé générant de l'ammoniac par 5 décomposition chimique, dans ce dernier cas, ce composé peut être une solution aqueuse d'urée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre 5 indicatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention permettant d'injecter alternativement deux fluides dans le conduit d'échappement io La figure 2 est une vue d'un deuxième mode de réalisation permettant d'injecter simultanément ou alternativement deux fluides dans le conduit d'échappement et, La figure 3 est une vue d'une variante du dispositif is précédent. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement un moteur 1 de véhicule automobile fonctionnant en mélange pauvre, par exemple, un moteur Diesel, ainsi que sa ligne d'échappement 2. Cette ligne d'échappement comporte différents agencements de 20 dépollution placés dans le trajet des gaz d'échappement afin de traiter les différents composants de ceux-ci. Les gaz circulent dans le sens de la flèche F et, d'amont en aval de leur flux, on trouve un premier catalyseur d'oxydation appelé pré-catalyseur 3 qui traite les hydrocarbures imbrûlés HC et le 25 monoxyde de carbone CO, un catalyseur 4 traitant les oxydes d'azote NOx associé à un filtre à particules 5 et, éventuellement, un dernier catalyseur d'oxydation 6 dont on expliquera ci-après la fonction, en liaison avec le système de traitement des NOx. Le catalyseur 4 de traitement des NOx utilise le procédé dit de 30 catalyse SCR (Sélective Catalytique Réduction) et réduit sélectivement les NOx en azote comme on l'a évoqué plus haut. Cette réduction est réalisée en présence d'un catalyseur spécifique par l'action d'un réducteur injecté en amont du catalyseur SCR, dans un milieu contenant un excès d'air. Le réducteur peut être un ou des hydrocarbure(s), ou des espèces hydrocarbonées partiellement oxydées, ou de l'ammoniac, ou un 5 composé générant de l'ammoniac par décomposition chimique. L'ammoniac est généré, par exemple, à partir d'une solution aqueuse d'urée selon les réactions chimiques décrites ci-dessous a,_ .:eC F 10 La transformation de l'urée par thermolyse a lieu aux alentours de 160 C. Les catalyseurs SCR utilisés pour des applications mobiles peuvent être à base de vanadium, de cuivre/zéolithes ou de fer/zéolithes. Le fonctionnement optimal de ce type de catalyseur a 15 lieu dans un domaine de températures variant entre 150 et 500 C. Afin d'améliorer la réduction des NOx à basse température, il est intéressant de fournir du NO2 de façon telle que le rapport NO2/NO varie de 0,5 à 1 suivant la nature du catalyseur. Les réactions chimiques qui ont alors lieu sur le catalyseur sont principalement : 20 4NO + 4NH3 + 02 -* 4N2 + 6H2O 2NO2+4NH3+O2-*3N2+6H2O NO+NO2+2NH3+02 -*2N2+3H2O Si l'on utilise un réducteur hydrocarboné la réaction chimique est de la forme : 25 2NO+NO2+ CH4 => 3/2 N2 +2H2O + CO2 Le réducteur est contenu dans un réservoir 7, il est injecté dans le conduit d'échappement 8 au moyen d'un injecteur 9 relié à une pompe 10 par une canalisation 11. Un calculateur 12, intégré ou non au calculateur de contrôle moteur, gère l'injection du réducteur et calcule en temps réel la quantité de réducteur à injecter selon les conditions paramétriques de l'environnement du moteur et du véhicule (par exemple, lorsque la température en amont du catalyseur 4 est supérieure à150 C). Dans le cas du procédé SCR, l'injection du réducteur se fait en continu. Le catalyseur 6 est destiné à l'oxydation des HC et de l'ammoniac produit par la réaction. Il est en aval du système SCR pour prévenir io de toutes surémissions de ces composés en phase de fonctionnement. Le catalyseur est à base de métaux précieux déposés sur des oxydes. Par ailleurs, un dispositif permet l'introduction de carburant comme par exemple du gazole, dans le conduit d'échappement en sortie 15 du pré-catalyseur 3 lors des phases de régénération du filtre à particules. Ce dispositif comprend, une pompe 14 qui envoie dans une canalisation 15 le carburant qu'elle prélève dans le réservoir de carburant 1 3 du véhicule. Avantageusement, cette pompe est celle 20 qui alimente également le moteur 1 en carburant. Selon l'invention, le carburant est injecté dans le conduit d'échappement 8 par l'injecteur 9. Pour ce faire, les canalisations 11 et 15 qui amènent respectivement le réducteur et le carburant dans le conduit 25 d'échappement sont branchées à l'entrée d'un sélecteur 16 (par exemple, une vanne à deux voies) dont la sortie est connectée à l'injecteur 9. Le différents composants du dispositif d'injection, y compris l'injecteur, sont revêtus d'un matériau, par exemple du 30 polytétrafluoroéthylène (PTFE), compatible avec les différents fluides et apte à empêcher d'éventuels dépôts. La commande du sélecteur est assurée par le calculateur 12 afin de laisser passer vers l'injecteur, soit le réducteur, soit le carburant. Un mélangeur 17 peut équiper la ligne d'échappement en aval de l'injection d'urée. Il permet l'homogénéisation de l'ammoniac dans les gaz d'échappement et participe à l'hydrolyse du réducteur aux températures critiques ( Dans le second cas, le sélecteur 19 est amené en position 19.2 qui permet l'ouverture simultanée des conduits 11 et 15 vers l'injecteur 9. Dans ce cas le temps d'ouverture de l'injecteur 9 dépend de la 5 consigne d'injection du réducteur. La quantité de carburant injectée est régulée par le régulateur 20 de pression carburant. Lorsque la régénération du filtre à particules est terminée, le sélecteur 19 est ramené dans sa position initiale 19.3. Le système est de nouveau prêt à traiter les NOx. io En variante, il est possible également de prévoir, dans le circuit de distribution du réducteur, un régulateur de pression 21 (figure 3) de façon à réguler la quantité de réducteur injectée. Le système que l'on vient de décrire permet de bénéficier des avantages du procédé d'injection de carburant dans la ligne 15 d'échappement pour éliminer ou, au moins, réduire fortement la dilution du carburant dans l'huile lors la régénération du filtre à particules tout en permettant le traitement des NOx par l'injection d'un réducteur dans le conduit d'échappement. On aura bien compris que l'utilisation d'un injecteur unique pour 20 mettre en oeuvre ces deux procédés permet de diminuer de façon importante, à la fois l'encombrement et le coût de l'installation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation que l'on vient de décrire. En particulier, le nombre de fluides injectés par le même injecteur n'est pas limité à deux, il 25 suffit pour augmenter ce nombre de modifier le système de sélection. De même on peut envisager l'injection d'autres fluides que ceux mentionnés, par exemple l'additif apporté au carburant pour abaisser la température de régénération du filtre à particules. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement (2) de gaz pour moteur (1) de véhicule automobile équipée de dispositifs de dépollution (3), (4), (5) et de systèmes de distribution d'au moins deux fluides (13, 14, 15), (7, 10, Il) injectés dans ladite ligne d'échappement pour agir en coopération avec les dispositifs de dépollution, caractérisé en ce qu'elle comporte un unique injecteur (9) connecté à la sortie d'un sélecteur de fluide (16), (19) dont l'entrée est lo connectée aux conduits (11), (15) d'amenée des fluides, ledit sélecteur étant commandé par un calculateur (12) pour laisser passer alternativement ou simultanément les fluides vers l'injecteur (9) en fonction des besoins des systèmes de dépollution. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, 1s caractérisé en ce que les voies du sélecteur (16) permettent le passage alternatif des fluides vers l'injecteur (9). 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sélecteur (19) comporte au moins une voie (9.2) permettant le passage simultané d'au moins deux fluides 20 vers l'injecteur (9). 4. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des fluides est un réducteur injecté à partir d'un réservoir (11) par une pompe (10), en amont d'un 25 catalyseur (4), pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement en azote, en présence du catalyseur (4). 5. Ligne d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'injection du réducteur se fait en continu. 6. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des fluides est du carburant injecté à partir d'un réservoir (13) par une pompe (14), en amont d'un filtre à 5 particules (5), lors des phases de régénération dudit filtre. 7. Ligne d'échappement selon les revendications 2, 4 à 6, prises en combinaison, caractérisé en ce que le sélecteur (16), (19) est actionné de façon à laisser passer le réducteur contenu dans le réservoir (7) vers lo l'injecteur (9) en fonctionnement normal, et à interrompre cet écoulement pour laisser passer le carburant depuis le conduit (15) jusqu'à l'injecteur (9) lorsqu'une régénération du filtre à particules est rendue nécessaire. 8. Ligne d'échappement selon les revendications 3 à 7, prises en 1s combinaison, caractérisé en ce que dans certaines conditions, lors des phases de régénération du filtre à particules, le sélecteur (19) est amené dans une position (19.2) qui permet l'ouverture simultanée du conduit (Il) d'amenée du réducteur et du conduit (15) d'amenée du 20 carburant vers l'injecteur (9). 9. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle est équipée d'un mélangeur (17) en aval de l'injecteur (9). 25 10. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'elle comporte un catalyseur (6) en aval du catalyseur (4) destiné à l'oxydation des hydrocarbures et de l'ammoniac produit par la réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur (4). 30 1 1 . Ligne d'échappement selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que le cicuit de distribution de carburant comporte un régulateur (20) de pression qui régule la quantité de carburant injectée.12. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 4 à 11 , caractérisé en ce que le circuit de distribution du réducteur comporte un régulateur de pression (21).qui régule la quantité de réducteur injectée. 13. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe (10) de l'un des circuits de distribution de fluide est réversible. 14. Ligne d'échappement selon la revendication 13, lo caractérisé en ce que, avant la fermeture de la voie de passage de l'un des fluides dans le sélecteur (16), (19) la pompe (10) réversible du dispositif de distribution dudit fluide est actionnée en sens inverse, injecteur (9) ouvert, de façon à purger le circuit du fluide et de l'air contenus. 15 15. Ligne d'échappement selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'en fin de distribution du deuxième fluide, le sélecteur (16) (19) est ramené en position initiale d'ouverture du circuit de distribution du premier fluide et la pompe (10) réversible dudit circuit est activée un bref instant en pression, réservoir (7) 20 fermé et injecteur (9) ouvert, de manière à purger !injecteur du deuxième fluide résiduel. 16. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants (9), (16), (19) du dispositif 25 d'injection sont revêtus d'un matériau compatible avec les différents fluides et apte à empêcher d'éventuels dépôts. 17. Ligne d'échappement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de la coupure du contact du véhicule, la 30 pompe (10) reversible est activée un bref instant en dépression, injecteur (9) ouvert, de manière à purger l'injecteur et la canalisation du fluide résiduel. 18. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 4 à 17, caractérisé en ce que le réducteur est un hydrocarbure.19. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 4 à 17, caractérisé en ce que le réducteur est une espèce hydrocarbonées partiellement oxydée. 20. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 4 à 17, 5 caractérisé en ce que le réducteur est un composé générant de l'ammoniac par décomposition chimique. 21. Ligne d'échappement selon la revendication 20, caractérisé en ce que le composé générant de l'ammoniac est une solution aqueuse d'urée. 10