Brevet FR2915768A1 — publié le 20081107

Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de post-traitement de gaz d'échappement dégagés par des moteurs à combustion interne comportant une solution, de l'eau et de l'urée ainsi qu'une chambre de réaction, des moyens étant prévus pour injecter la solution dans la chambre de réaction . L'invention concerne également un procédé de post-traitement des gaz d'échappement. Etat de la technique Pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs à combustion interne à allumage non commandé, on utilise de façon générale des catalyseurs réducteurs d'oxydes d'azote NON. On pulvérise un agent réducteur dans ces catalyseurs pour réduire les oxydes d'azote. L'injection de l'agent réducteur se fait en général à l'aide d'injecteurs qui pulvérisent la solution à travers les orifices d'injection (ou orifices d'éjection). La pulvérisation se fait grâce à la pression à laquelle est soumise la solution. Pour avoir un effet réducteur suffisant il est nécessaire de pulvériser la solution d'une manière suffisamment fine. Dans les cas des injecteurs utilisés actuellement, qui pulvérisent la solution par les perçages d'injection, en général la pulvérisation n'est pas suffisamment fine. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un système de post-traitement des gaz d'échappement, du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la solution contient en outre au moins un tensioactif. La chambre de réaction est constituée de façon générale par un catalyseur réducteur d'oxydes d'azote NON comme celui déjà uti- lisé pour le post-traitement des gaz d'échappement. Les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement du moteurs à combustion interne sont réduits en présence de l'urée comme agents réducteurs en azote, en eau et en dioxyde de carbone. La réaction se fait de préférence en présence d'un catalyseur. Comme catalyseur on utilise par exemple les catalyseurs usuels comme ceux utilisés pour la réduction des oxydes d'azote. La teneur en eau de la solution est de préférence comprise dans une plage de l'ordre de 40 à 90 % en poids et d'une manière particulièrement préférentielle dans une plage comprise entre 65 et 75 % en poids. La teneur en urée est de préférence comprise dans une plage de 10 à 60 % en poids et notamment de façon préférentielle dans une plage de 25 à 35 % en poids. Habituellement, on utilise une solution selon la norme DIN 70070 AUS 32 avec une teneur en urée de l'ordre de 31,8 à 33,2 % en poids. La teneur en tensioactif dans la solution dépend du type de tensioactif ; elle se situe toutefois de préférence à un niveau inférieur à 0,1 g/1. Comme tensioactif on utilise par exemple des tensioactifs non ioniques, des tensioactifs anioniques, des tensioactifs cationiques ou des tensioactifs amphotères. On peut également utiliser des mélanges des classes de tensioactifs cités ci-dessus. Si la solution contient un tensioactif non ionique, celui-ci peut à titre d'exemple être choisi dans le groupe constitué par les al-coxylates d'alcool, les alkylphénol alcoxylates, les alkylpolyglucosides, les N-alkylpolyglucosides, les N-alkylglucamides, les alcoxylates d'acides gras, les polyglycolesters d'acides gras, les amino-alcoxylates d'acides gras, les amido alcoxylates d'acides gras, les alcanolamido alcoxylates d'acides gras, les N-alkoxypolyhydroxy amides d'acides gras, les N-aryloxypolyhydroxy amides d'acides gras, les copolymères blocs à base d'oxyde d'éthylène, d'oxyde de propylène et/ou d'oxyde de butylène, les alcoxylates de polyisobutène, les dérivés de polyisobutène et d'anhydride d'acide maléique, les glycérides d'acides gras, les esters de sorbitane, les dérivés d'acides gras polyhydroxylés, les dérivés d'acides gras polyalkoxylés et les bisglycérides. Si la solution contient un tensioactif anionique, celui-ci peut à titre d'exemple être choisi dans le groupe constitué par les sulfates d'alcools gras, les alcools alkoxylés sulfatés, les alcane sulfonates, les N-alkylsarcosinates, les alkylbenzène sulfonates, les sulfonates et disulfonates d'oléfines, les alkylester sulfonates, les acides polycarboxy- liques sulfonés, les alkylglycérol sulfonates, les glycérol ester sulfonates d'acides gras, les alkylphénol -polyglycol-éther sulfates, les sulfonates de paraffines, les alkylphosphates, les acylisothianates, les acyltaurates, les acylméthyltaurates, les acides alkylsucciniques, les acides acé-nylsucciniques ou leurs semi esters ou semi amides, les acides alkyl succiniques sulfonés et leurs amides, les mono et diesters d'acides succiniques sulfonés, les alkyl polyglycosides sulfatés, les alkylpolyglycol carboxylates et les hydroxyalkylsarcosinates. Le tensioactif peut en outre être un tensioactif actif cationique, le tensioactif cationique étant par exemple choisis dans le groupe constitué par les sels de tétraalkylammonium, les sels d'imidazolinium et les oxydes d'amines. Enfin, le tensioactif peut être un tensioactif du groupe des tensioactifs amphotères, le tensioactif amphotère pouvant par 15 exemple être choisi dans le groupe constitué par des tensioactifs renfermant des acides carboxyliques ainsi qu'en outre au moins une unité monomère à insaturation éthylénique de formule (I) R1(R2)=C(R3)R4 (I) dans laquelle R1 à R4 représentent indépendamment les uns des autres 20 -H-CH3, un radical alkyl saturé à chaîne droite ou ramifié ayant de 2 à 12 atomes de carbone, un radical alkyl à chaîne droite ou ramifié, mono- ou polyinsaturé ayant de 2 à 12 atomes de carbone, des radicaux alkyl ou alkylène tels que définis ci-dessus substitués par -NH2, _OH ou COOH, un groupe hétéroatomique portant au moins un groupe chargé 25 positivement, ou un atome d'azote quaternisé ou encore au moins un groupe amino ayant une charge positive dans une plage de pH de 2 à 11, ou représentent -COOH ou -COOR5, R5 étant un radical hydrocarboné saturé ou insaturé à chaîne droite ou ramifié ayant de 1 à 12 atomes de carbone. 30 Selon un mode de réalisation préférentiel, le tensioactif comporte un groupe fonctionnel hydrophile qui peut former un pont hydrogène. Le groupe hydrophile est de préférence choisi parmi les groupes carboxyle, carboxylate, hydroxyle, sulfone, sulfonate, sulfate, ammonium, amino, amido, polyéther alcool et bétaïne. Le tensioactif comporte de préférence en outre une partie lipophile choisie à partir des chaînes d'hydrocarbures, des chaînes de diméthylsilicium et/ou des chaînes d'hydrocarbures perfluorés. Les moyens pour injecter la solution dans la chambre de réaction sont de préférence des injecteurs. Comme injecteurs on utilise surtout les injecteurs connus qui permettent de pulvériser la solution que l'on injecte. On utilise de préférence des injecteurs dans lesquels la pulvérisation est engendrée par la pression. Ainsi, on injecte un liquide sous pression à travers un orifice dans une chambre dans laquelle rè- gne une pression plus faible. La différence des pression provoque la dé-tente du liquide qui se pulvérise. Plus la différence de pression est importante et plus la pulvérisation du liquide sera fine. De façon particulièrement avantageuse, pour injecter la solution on utilise une buse de pulvérisation à jet en éventails mufti- pies. Contrairement aux systèmes de pulvérisation utilisant une destruction turbulente du jet, on génère ici des lamelles de liquide qui se décomposent en gouttelettes. Dans le cas d'une tension de surface faible, on aura des gouttelettes plus fines. On obtient une pulvérisation plus fine en diminuant la tension de surface de la solution. Cela se fait selon l'invention par l'addition d'un tensioactif. La diminution de la tension de surface par l'addition du tensioactif permet une meilleure pulvérisation de la solution injectée dans la chambre de réaction. Le rendement du système de post-traitement des gaz d'échappement pour la réduction des oxydes d'azote contenus dans le système des gaz d'échappement est ainsi amélioré. L'invention concerne également un procédé de réduction de oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par les moteurs à combustion interne ; selon ce procédé, on injecte dans la chambre de réaction une solution contenant de l'eau et de l'urée. La chambre de réaction est traversée par les gaz d'échappement du moteurs à combustion interne. Selon l'invention, la solution contient un tensioactif. Comme tensioactifs ceux décrits ci-dessus conviennent 35 particulièrement bien. Pour arriver à une pulvérisation suffisamment fine et ainsi une réduction suffisante des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement du moteurs à combustion interne, on injecte la solution de préférence sous une pression dépendant du système de pulvérisa- tion, dans une plage comprise entre 3 et 30 bars, dans la chambre de réaction. L'injection de la solution se fait ainsi de manière générale par un injecteur. Selon un mode de réalisation préférentiel, on applique le système selon l'invention de réduction des oxydes d'azote aux gaz d'échappement émis par les moteurs à combustion interne. Ce moteurs à combustion interne est notamment un moteur à auto-allumage. De façon générale, le moteurs à combustion interne équipe un véhicule de tourisme ou un camion. Toutefois, le système peut également s'appliquer à d'autres moteurs à combustion interne à allumage non commandé, et qui sont connus du spécialiste. Dessin La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans le dessin annexé dans le-quel : - l'unique figure est une vue schématique d'un système de nettoyage des gaz d'échappement. Description de modes de réalisation de l'invention Un moteurs à combustion interne 10 est relié à une installation de gaz d'échappement 12. L'installation de gaz d'échappement 12 évacue les gaz d'échappement émis par le moteurs à combustion in-terne 10 à l'atmosphère ambiante. Les gaz d'échappement sont générés par la combustion du carburant dans les différents cylindres du moteurs à combustion interne 10. Le moteurs à combustion interne 10 est de façon géné- raie un moteur à allumage non commandé comme ceux utilisés pour l'entraînement de camions de taille moyenne ou de camions lourds. L'installation de traitement des gaz d'échappement 12 peut également s'appliquer à n'importe quels autres moteurs à combustion interne, de préférence des moteurs à combustion interne à allumage non comman- dé. De tels moteurs à combustion interne à allumage non commandé sont par exemple utilisés pour l'entraînement de véhicules de tourisme. Mais des navires et des engins de chantiers sont également entraînés par des moteurs à combustion interne à allumage automatique. Ces moteurs peuvent également être combinés à une installation de traite- ment des gaz d'échappement 12 comme celle présentée dans la figure. L'installation de traitement des gaz d'échappement 12 comporte une tubulure d'échappement 14 logeant un catalyseur oxydant 16. Dans le catalyseur d'oxydation 16, le monoxyde d'azote sera tout d'abord transformé en dioxyde d'azote par l'oxygène contenu dans le gaz d'échappement du moteurs à combustion interne 10. En outre, le catalyseur d'oxydation 16 convertit une partie des particules de carbone présentes dans les gaz d'échappement sous la forme de particules de noir de fumées pour être transformées en dioxyde de carbone. Le catalyseur d'oxydation 16 peut être raccordé à un fil- tre à particules non représenté. Le filtre à particules sépare les particules de noir de fumées des gaz d'échappement venant du moteurs à combustion interne 10. Le filtre à particules comporte de façon générale une structure en nids d'abeille en céramique ayant un grand nombre de canaux qui sont alternativement fermés de sorte que les canaux ouverts en direction du catalyseur d'oxydation 16 soient fermés du côté non tourné vers le catalyseur d'oxydation et réciproquement. En conséquence, les gaz d'échappement chargés de particules traversent les parois poreuses du corps de nids d'abeille. Les particules qui se composent principalement de carbone sont évacuées par les pores des parois. Mais les pores du filtre à particules s'encombrent au fur et à mesure du fonctionnement. Pour cette raison il faut de temps en temps régénérer le filtre à particules. Pour cela, on chauffe le filtre à particules pour que les particules déposées dans la structure en nids d'abeille sont brûlées pour donner du dioxyde de carbone. Ce dioxyde de carbone est évacué du filtre à particules en même temps que les gaz d'échappement. Ensuite, l'installation de gaz d'échappement 12 se pour-suit après le catalyseur d'oxydation 16 et le cas échéant le filtre à parti-cule par un catalyseur SCR 18. Le catalyseur SCR réduit les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire le monoxyde d'azote et le dioxyde d'azote avec comme agent réducteur de l'ammoniac, pour donner de l'azote moléculaire et de l'eau. L'ammoniac est obtenu en général par une réaction d'hydrolyse dans le catalyseur SCR 18 à partir d'un agent réducteur. L'agent réducteur est dosé dans le catalyseur SCR 18 par un système de dosage d'agent réducteur 20. Le système d'agent réducteur 20 comprend un réservoir d'agent réducteur 22 dans lequel il y a une réserve d'agent réducteur. Le réservoir d'agent réducteur 22 est relié à un injecteur 26 par une conduite de dosage 24. L'injecteur 26 ajoute l'agent réducteur aux gaz d'échappement avant que ceux-ci n'arrivent sur le catalyseur SCR. La io quantité d'agent réducteur ajoutée est commandée par une soupape de dosage 28. La commande se fait à l'aide d'un appareil de commande 30 qui détermine la quantité requise d'agent réducteur par exemple à par-tir des données de fonctionnement du moteurs à combustion in-terne 10. 15 Pour doser l'agent réducteur venant du réservoir 22 par la conduire de dosage 24 et la buse ou injecteur 26 dans les gaz d'échappement, la conduit de dosage 24 est équipée d'une pompe 32. La pompe 32 refoule l'agent réducteur venant du réservoir d'agent réducteur 22, sous pression dans la conduite de dosage 24. La pression pul- 20 vérise l'agent réducteur qui sort de la buse 26. L'agent réducteur utilisé est habituellement une solution contenant de l'eau et de l'urée. A l'injection à travers la buse ou injecteur 26, pour avoir une pulvérisation suffisante il est prévu selon l'invention d'ajouter un tensioactif à l'agent réducteur. La teneur en 25 tensioactif d'un agent réducteur dépend du tensioactif utilisé et se situe par exemple à un dosage de 0,04 g/1 pour le polydocanol. La teneur en urée dans l'agent réducteur se situe de préférence dans une plage comprise entre 10 et 60 % en poids, notamment une plage comprise entre 25 et 35 % en poids. La pulvérisation 30 la plus fine de l'agent réducteur s'obtient par la diminution de tension de surface de l'agent réducteur par le tensioactif. Comme la tension de surface est plus faible, les gouttelettes formées lors de l'injection seront plus facilement arrachées les unes des autres, c'est-à-dire que la pulvérisation sera d'autant plus fine. Cette pulvérisation plus fine répartit 35 l'agent réducteur régulièrement dans les gaz d'échappement. On arrive ainsi à une meilleure réduction des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement. Grâce à la pulvérisation plus fine de l'agent réducteur on pourra réciproquement utiliser une pression plus faible pour doser l'agent réducteur dans la conduite de gaz d'échappement 14 car même sous une pression faible il y aura une pulvérisation suffisante. Cela permet d'utiliser une pompe 32 plus petite car elle n'a plus à générer des pressions aussi élevées que précédemment. Cela se traduit par une économie en investissement et aussi en frais de fonctionnement car il suffira de moins d'énergie pour faire fonctionner la pompe 32. L'effet de la tension de surface réduite de l'agent réducteur est tel que pour le même effet de pulvérisation il suffit de réduire la pression du même facteur que celui de la réduction de la tension de surface. Cela signifie en outre que pour une tension de surface réduite du même facteur, l'effet est le même, c'est-à-dire que la pression de pulvérisation sera précisément augmentée par ce facteur. Ainsi, par exemple pour une tension de surface réduite d'un facteur 2, l'effet sera le même bien que l'on disposerait du double de la pression de pulvérisation. De façon générale, dans les applications à la réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par les moteurs à combustion interne, on a une pression de 5 bars pour l'agent réducteur. Si l'adjonction du tensioactif est par exemple diminuée de moitié, on aura le même effet que celui que l'on aurait eu antérieure- ment avec une pression de pulvérisation double ; en d'autres termes, le résultat est comme celui d'une pression de pulvérisation de 10 bars. La pulvérisation ainsi améliorée entraîne que la taille moyenne des goutte-lettes dans le voile de pulvérisation diminuerait sensiblement du coefficient h .30 REVENDICATIONS 1 ) Système de post-traitement de gaz d'échappement dégagés par des moteurs à combustion interne (10) comportant une solution, de l'eau et de l'urée ainsi qu'une chambre de réaction (18), des moyens (26) étant prévus pour injecter la solution dans la chambre de réaction (18), caractérisé en ce que la solution contient en outre au moins un tensioactif. 2 ) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en tensioactif de la solution est inférieure à 0,1 g/ 1. 3 ) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en eau de la solution est comprise entre 40 et 90 % en poids et la teneur en urée est dans une plage de 10 à 60 % en poids. 4 ) Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tensioactif contient un groupe fonctionnel hydrophile qui peut former un pont hydrogène. 5 ) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le groupe hydrophile est choisi dans le groupe formé par carboxyle, carboxylate, hydroxyle, sulfone, sulfate, sulfonate, ammonium, amino, amide, polyéther-alcool et bétaïne. 6 ) Système selon l'une des revendications 1, caractérisé en ce que le tensioactif comporte une partie lipophile formée de chaînes d'hydrocarbures, de chaînes de diméthylsilicium et de chaînes d'hydrocarbures perfluorés. 7 ) Système selon la revendication 1,caractérisé en ce que les moyens d'injection de la solution dans la chambre de réaction comprennent au moins un injecteur (26). 8 ) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'injecteur (26) comporte des ouvertures par lesquelles on injecte la solution dans la chambre de réaction. 9 ) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'injection de la solution dans la chambre de réaction comprennent au moins une buse de pulvérisation à multi jets d'entraînement. 10 ) Procédé de réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par des moteurs à combustion interne, selon le-quel on injecte une solution d'eau et d'urée dans un chambre de réaction traversée par les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que la solution contient en outre un tensioactif. 11 ) Procédé de réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par des moteurs à combustion interne, selon la revendication 10, caractérisé en ce que la solution est injectée dans la chambre de réaction sous une pression de l'ordre de 3 à 30 bars. 12 ) Application du système selon l'une des revendications 1 à 9, à la réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne.35