Brevet FR2924749A1 — publié le 20090612

LIGNE D'ECHAPPEMENT DE GAZ POUR MOTEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE EQUIPEE D'UN CATALYSEUR DE REDUCTION SELECTIVE DES OXYDES D'AZOTE L'invention concerne une ligne d'échappement de gaz pour moteur à combustion interne de véhicule automobile équipée d'un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote et, plus particulièrement pour moteur fonctionnant en mélange pauvre. Les polluants issus de la combustion d'un moteur de véhicule io 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 moteurs Diesel et des moteurs à injection 15 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 20 post-traitement des gaz 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 25 fonctionnant en mélange pauvre. 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. 30 Le filtre à particules permet d'éliminer par filtration les particules 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 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 io 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 ou 15 l'introduction de carburant directement dans la ligne d'échappement, soit sous forme liquide soit sous forme vapeur. Dans le cas de l'utilisation d'une post-injection celle-ci peut brûler totalement ou partiellement dans le moteur, générant 20 une élévation de la température des gaz d'échappement ou, si elle est 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. 25 Le traitement des NOx à l'échappement est effectué au moyen de différents procédés, par exemple par réduction catalyse sélective (SCR). Ce procédé 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 30 déjà présent dans les gaz d'échappement, soit injecté en amont du catalyseur SCR. 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. Le procédé SCR est intéressant car il est peu sensible au soufre contenu dans le carburant mais il nécessite l'emploi d'un catalyseur supplémentaire qu'il faut intégrer à la ligne d'échappement. Ordinairement, ce catalyseur est placé en amont du catalyseur de traitement des hydrocarbures HC et du monoxyde de carbone associé au filtre à particules. Dans le cas d'injection io de carburant à l'échappement, cette injection se fait en amont du catalyseur SCR afin de conserver une distance suffisante entre le point d'injection et le catalyseur de traitement des HC et du CO pour que le mélange HC/gaz d'échappement soit homogène. 15 Par conséquent, le catalyseur SCR est soumis, durant les phases de régénération du filtre à particules à un flux contenant du carburant en plus grande quantité, que celui-ci soit directement injecté dans la ligne d'échappement ou provienne d'une post-injection issue du moteur. 20 Ce surdosage entraîne une détérioration du catalyseur SCR qui affecte son efficacité et sa durée de vie. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif capable d'empêcher cette détérioration. A cet effet,la présente invention a pour objet une ligne 25 d'échappement de gaz pour moteur de véhicule automobile constituée, d'amont en aval du flux gazeux, d'un conduit d'échappement dans lequel sont installés un catalyseur pour la réduction sélective des oxydes d'azote en azote, un catalyseur d'oxydation, un filtre à particules, un dispositif d'injection d'un 30 réducteur en amont du catalyseur de réduction et un moyen d'introduction, en amont dudit dispositif d'injection, d'une quantité supplémentaire de carburant lors des phases de régénération du filtre à particules. Cette ligne d'échappement comporte, selon l'invention, un circuit de dérivation des gaz d'échappement, disposé en parallèle du conduit d'échappement, dont l'entrée est située entre le moyen d'introduction de carburant supplémentaire et le dispositif d'injection de réducteur et dont la sortie se trouve entre le catalyseur de réduction et le catalyseur d'oxydation. Ce circuit de dérivation est piloté par un moyen de commande de façon à, lors des phases de régénération du filtre à particules, dériver au moins une partie du flux gazeux io contenant une quantité supplémentaire de carburant directement sur le catalyseur d'oxydation, sans passer par le catalyseur de réduction. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention : - Le circuit de dérivation est équipé, à chacune de ses 15 extrémités, d'une vanne à trois voies installée entre son conduit et le conduit d'échappement et pilotée par le moyen de commande. - Le moyen de commande interrompt le fonctionnement du dispositif d'injection de réducteur durant les phases de 20 régénération du filtre à particules. - Le moyen d'introduction de carburant supplémentaire est une post-injection issue du moteur ou un dispositif d'injection de carburant disposé dans le conduit d'échappement. 25 - Lors des phases de régénération du filtre à particules, la stratégie moteur est adaptée pour réduire la quantité de NOx produite. - Selon un mode de réalisation, le moyen de commande pilote la vanne placée en amont du catalyseur de réduction 30 pour ne dévier qu'une partie du flux gazeux contenant une quantité supplémentaire de carburant lors des phases de régénération du filtre à particules. - Dans ce cas, on commande avantageusement le dispositif d'injection de réducteur afin de moduler la quantité de réducteur injectée en fonction de la quantité de gaz admise à pénétrer dans le catalyseur de réduction. - En variante, le dispositif d'injection de carburant est implanté dans le conduit de dérivation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre indicatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est un schéma synoptique d'une ligne d'échappement avec filtre à particules et catalyseur SCR selon l'art antérieur. La figure 2 est un schéma synoptique d'une ligne d'échappement analogue selon l'invention. 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 Cette ligne d'échappement comporte différents agencements 20 de dépollution placés dans le trajet des gaz d'échappement afin de traiter les différents composants de ceux-ci. Les gaz circulent dans le sens des flèches pleines et, d'amont en aval de leur flux, on trouve un premier catalyseur 2 traitant les oxydes d'azote NOx par le procédé SCR, un catalyseur 25 d'oxydation 3 qui traite les hydrocarbures imbrûlés HC et le monoxyde de carbone CO suivi d'un filtre à particules 4. Le catalyseur 2 de traitement SCR des NOx réduit sélectivement ces NOx en azote comme on l'a évoqué plus haut. Cette réduction est réalisée en présence d'un catalyseur 30 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 composé générant de l'ammoniac par décomposition chimique. L'ammoniac est généré, par exemple, à partir d'une solution aqueuse d'urée injectée dans le conduit d'échappement 5 en amont du catalyseur SCR. Dans le schéma, le point d'entrée du dispositif d'injection 6 a été représenté sous forme d'un canal, toutefois l'injecteur pourrait être directement installé io dans le conduit d'échappement sans que cela influe sur l'invention. Par ailleurs, un dispositif permet l'introduction de carburant comme par exemple du carburant, dans le conduit d'échappement lors des phases de régénération du filtre à 15 particules. Ce dispositif comprend, généralement, une pompe (non représentée) qui envoie dans un dispositif d'injection 7 le carburant qu'elle prélève dans le réservoir de carburant du véhicule. Comme ci-dessus, ce dispositif a été 20 schématiquement représenté sous forme de conduit, mais il pourrait également s'agir d'un injecteur directement placé dans le conduit d'échappement. Le dispositif d'injection 7 débouche dans le conduit d'échappement en amont du catalyseur SCR 2 de sorte que 25 celui-ci reçoit, au cours des phases de régénération du filtre à particules, une dose supplémentaire de carburant. Selon l'invention, ces gaz d'échappement sont détournés du catalyseur 2, lors de ces phases de régénération, par création d'une dérivation. La figure 2 en montre un exemple de 30 réalisation. Une vanne trois voies est intercalée dans le conduit d'échappement 5 en amont du catalyseur SCR 2, entre le dispositif d'injection 7 du carburant et le dispositif d'injection 6 de l'urée. La deuxième voie de sortie 8s de cette vanne est branchée sur un conduit de dérivation 9 dont la sortie est connectée sur la deuxième voie d'entrée 10e d'une seconde électrovanne 10 à trois voies, intercalée entre le catalyseur SCR 2 et le catalyseur d'oxydation 3. Les vannes sont pilotées par un calculateur, par exemple le calculateur moteur 11 que l'on a représenté ici intégré au moteur 1. En fonctionnement nominal, la voie de sortie 8s de la vanne 8 io et la voie d'entrée 10s de la vanne 10 sont en position fermée. Les gaz d'échappement suivent leur trajet normal, représenté en flèches pleines, dans la ligne d'échappement. L'urée introduite par le dispositif 6 assure le traitement des NOx dans le catalyseur 2. 15 Lorsqu'une régénération du filtre à particules est rendue nécessaire, le calculateur 11 commande la fermeture de la sortie vers le catalyseur 2 SCR de la vanne 8 et, en même temps, l'ouverture, respectivement, des voies 8s et 10e des vannes 8 et 10. 20 Simultanément, l'introduction de l'urée par le dispositif d'injection 6 est arrêtée et une dose supplémentaire de carburant est introduite dans la ligne d'échappement. Cette dose peut être obtenue par post-injection issue du moteur et/ou par introduction directe du carburant, en phase liquide 25 ou gazeuse, par le dispositif d'injection 7, en amont de la vanne 8. Les gaz d'échappement enrichis en carburant circulant dans le conduit d'échappement 5, en amont de ladite vanne 8 sont empêchés de traverser le catalyseur SCR 2 par la fermeture 30 de la sortie correspondante de la vanne 8 et déviés vers le conduit de dérivation 9, comme représenté en flèches pointillées sur le schéma, figure 2. Ils contournent ainsi le catalyseur SCR et débouchent dans la vanne 10 pour être dirigés vers le catalyseur d'oxydation 3 et le filtre à particules 4. A la fin de la régénération du filtre à particules, le calculateur 11 commande la fermeture des voies 8s et 10e des vannes et donc l'accès au conduit de dérivation 9. Les gaz d'échappement reprennent leur chemin normal. En même temps l'adjonction de carburant supplémentaire est bloquée alors que l'introduction de l'urée par le dispositif d'injection 6 io est reprise. La disposition que l'on vient de décrire préserve donc le catalyseur de traitement des oxydes d'azote par le procédé SCR des détériorations provoquée par l'excès de carburant contenu dans les gaz d'échappement lors des phases de 15 régénération du filtre à particules. Elle présente encore l'avantage d'offrir un plus grand nombre de solution pour l'implantation du système d'introduction de carburant à l'échappement. En effet, il est alors possible d'effectuer l'injection, non pas 20 dans le conduit d'échappement, mais dans le conduit de dérivation, par exemple, par les dispositifs d'injection 12 ou 13. L'emplacement pourra alors être choisi de façon à optimiser l'apport de carburant dans le mécanisme de régénération du filtre à particules, par exemple en permettant 25 une meilleure homogénéisation du mélange, et/ou en fonction de la place disponible autour de la ligne d'échappement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation que l'on vient de décrire. On peut envisagé, par exemple, de ne dévier qu'une partie des gaz d'échappement 30 par le circuit de dérivation de façon à diminuer significativement la quantité de carburant supplémentaire arrivant sur le catalyseur de réduction tout en conservant suffisamment de flux pour maintenir le système de réduction des NOx actif. Dans ce cas, l'injection de réducteur n'est pas interrompue mais elle peut être modulée en fonction de la quantité de gaz admise à pénétrer dans le catalyseur de réduction 2 au moyen, par exemple, d'une vanne à commande proportionnelle. En variante, lorsque le traitement des NOx est inhibé, on peut prévoir d'adopter une stratégie moteur permettant de réduire la production des NOx. Par exemple en déplaçant le compromis NOx /Particules de façon à réduire au maximum la concertation des NOx. io On pourrait également augmenter le taux de gaz de recirculation ou encore modifier la richesse des gaz d'échappement, ces dernières stratégies ayant également une action sur la concentration des NOx dans les gaz d'échappement. 15 II sera alors possible de créer des stratégies spécifiques à employer lors des régénérations du filtre. REVENDICATIONS 1. Ligne d'échappement de gaz pour moteur (1) de véhicule automobile constituée d'un conduit d'échappement (5) dans lequel sont installés, d'amont en aval du flux gazeux, un s catalyseur (2) pour la réduction sélective des oxydes d'azote en azote, un catalyseur d'oxydation (3), un filtre à particules (4), un dispositif d'injection (6) d'un réducteur en amont du catalyseur (2) et un moyen d'introduction, en amont dudit dispositif d'injection (6), d'une quantité supplémentaire to de carburant lors des phases de régénération du filtre à particules (4), caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de dérivation (8, 9, 10) des gaz d'échappement disposé en parallèle du conduit d'échappement (5) dont l'entrée est située entre le moyen 15 d'introduction de carburant supplémentaire et le dispositif d'injection (6) de réducteur et dont la sortie se trouve entre le catalyseur de réduction (2) et le catalyseur d'oxydation (3), ledit circuit de dérivation étant piloté par un moyen de commande (11) de façon à, lors des phases de régénération du 20 filtre à particules (4), dériver au moins une partie du flux gazeux contenant une quantité supplémentaire de carburant directement sur le catalyseur d'oxydation (3), sans passer par le catalyseur de réduction (2). 2. Ligne d'échappement de gaz selon la revendication 1, 25 caractérisée en ce que le circuit de dérivation est équipé, à chacune de ses extrémités, d'une vanne à trois voies (8, 10) installée entre son conduit (9) et le conduit d'échappement (5) et pilotée par le moyen de commande (11). 3. Ligne d'échappement de gaz selon la revendication 2, 3o caractérisée en ce que le moyen de commande (11) interrompt le fonctionnement du dispositif d'injection de réducteur (6) durant les phases de régénération du filtre à particules.>> 4. Ligne d'échappement de gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'introduction de carburant supplémentaire est une post-injection issue du moteur. 5. Ligne d'échappement de gaz selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen d'introduction de carburant supplémentaire est un dispositif d'injection (7) de carburant disposé dans le conduit d'échappement (5). io 6. Ligne d'échappement de gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lors des phases de régénération du filtre à particules, la stratégie moteur est adaptée pour réduire la quantité de NOx produite. 15 7. Ligne d'échappement de gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de commande (11) pilote la vanne (8) placée en amont du catalyseur de réduction (2) pour ne dévier qu'une partie du flux gazeux contenant une quantité supplémentaire de carburant lors des phases de régénération 20 du filtre à particules. 8. Ligne d'échappement de gaz selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'on commande le dispositif d'injection (6) de réducteur afin de moduler la quantité de réducteur injectée en fonction de la quantité de gaz admise à pénétrer dans le 25 catalyseur de réduction (2). 9. Ligne d'échappement de gaz selon la revendication 5, caractérisée en ce que le dispositif d'injection (7) de carburant est implanté dans le conduit du circuit de dérivation (9).