Brevet FR2932719A1 — publié le 20091225

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de réduction des oxydes d'azote contenus dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant un pain catalytique dans lequel sont stockées des molécules réductrices adaptées à réduire lesdits oxydes d'azote et qui est placé sur le trajet d'un conduit d'échappement dans lequel circulent lesdits gaz d'échappement. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les moteurs à combustion interne émettent dans leurs gaz d'échappement des hydrocarbures imbrûlés, des particules de suie et des molécules d'oxydes d'azote polluantes. Afin de limiter ces émissions polluantes, des dispositifs de traitement des gaz d'échappement sont implantés sur la ligne d'échappement en aval de la chambre de combustion. Ces dispositifs de traitement comprennent notamment un filtre à particules placé en aval d'un catalyseur d'oxydation dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement, ainsi qu'un dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote. Ce dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote comporte notamment un pain catalytique, un dispositif d'injection d'un composé chimique réducteur et un réservoir contenant ce composé chimique réducteur. Ce composé chimique réducteur contient classiquement de l'urée qui est injectée dans un conduit d'échappement de la ligne d'échappement, en amont du pain catalytique, où elle réagit pour former de l'ammoniac. L'ammoniac ainsi formé est piégé dans le pain catalytique et réagit avec les molécules d'oxyde d'azote pour les réduire en molécules de diazote et d'eau non polluantes qui sont évacuées dans les gaz d'échappement. La quantité d'urée injectée dans le conduit d'échappement est calculée pour que la quantité d'ammoniac produite et la quantité de molécules d'oxydes d'azote contenues dans les gaz d'échappement soient en proportions stoechiométriques vis-à-vis de la réaction de réduction des molécules d'oxydes d'azote par l'ammoniac, pour que cette réaction consomme toutes les molécules d'ammoniac formées en amont du ou dans le pain catalytique et piégées dans celui-ci. Cependant, si un excès d'ammoniac n'est pas consommé par la réaction de réduction des molécules d'oxydes d'azote et ne peut être stocké dans le pain catalytique car la capacité de stockage de celui-ci est dépassée, il est évacué dans les gaz d'échappement en aval du dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote. Afin de limiter les émissions toxiques d'ammoniac, il est connu de placer un capteur d'ammoniac dans ledit pain catalytique pour mesurer la quantité d'ammoniac piégée dans ce pain catalytique. Si cette quantité dépasse une valeur seuil prédéterminée, la quantité d'urée injectée en amont du pain catalytique est diminuée ou annulée afin de diminuer la quantité d'ammoniac produite et d'éviter la saturation du pain catalytique en ammoniac. OBJET DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de limiter la quantité d'ammoniac rejetée dans les gaz d'échappement par un nouveau dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote. La présente invention propose plus particulièrement un dispositif de réduction des oxydes d'azote tel que défini en introduction, dans lequel ledit pain catalytique comprend au moins deux parties présentant différentes capacités de stockage desdites molécules réductrices ainsi qu'un capteur de ces molécules réductrices placé à proximité de la partie du pain catalytique présentant la plus faible capacité de stockage desdites molécules réductrices, en aval de celle-ci dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Le capteur de molécules réductrices, par exemple l'ammoniac, mesure la quantité de molécules réductrices rejetée dans les gaz d'échappement par la partie de plus faible capacité de stockage du pain catalytique. Ainsi, dès que cette quantité mesurée dépasse une valeur seuil prédéterminée, le capteur peut émettre un signal pour diminuer la quantité de molécules réductrices introduite dans le pain catalytique, avant que l'autre partie du pain catalytique de plus grande capacité de stockage ne rejette également des molécules réductrices. La quantité de molécules réductrices rejetée globalement est ainsi diminuée. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif de réduction des oxydes d'azote selon l'invention, - lesdites deux parties dudit pain catalytique sont distinctes ; - lesdites deux parties dudit pain catalytique sont disposées en parallèle sur le trajet du conduit d'échappement ; - lesdites deux parties dudit pain catalytique sont disposées sur le trajet de deux canaux distincts du conduit d'échappement ; - ledit pain catalytique est monobloc et comporte une face d'entrée ou de sortie des gaz d'échappement biseautée ; - il est prévu que lesdites au moins deux parties du pain catalytique sont imprégnées d'une quantité différente d'oxydes métalliques ; - il est prévu que lesdites au moins deux parties du pain catalytique présentent des surfaces spécifiques différentes ; - lesdites molécules réductrices sont des molécules d'ammoniac ; - il comporte en outre un réservoir contenant des molécules d'urée relié à un dispositif d'injection desdites molécules d'urée dans le flux des gaz d'échappement, disposés en amont dudit pain catalytique, ledit dispositif d'injection étant commandé par une unité de commande électronique en fonction des informations reçues par celle-ci dudit capteur de molécules réductrices ; et, - il comporte en outre un catalyseur de l'hydrolyse des molécules d'urée placé sur le trajet des gaz d'échappement, entre ledit dispositif d'injection et ledit pain catalytique. L'invention propose également une utilisation du dispositif de réduction des oxydes d'azote tel que décrit précédemment, comportant les étapes suivantes : - on mesure la quantité de molécules réductrices rejetée dans les gaz d'échappement en aval de ladite partie de plus faible capacité de stockage du pain catalytique dudit dispositif de réduction des oxydes d'azote ; - si cette quantité mesurée de molécules réductrices rejetée est supérieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée, on diminue la quantité de molécules réductrices introduite dans ledit pain catalytique pour limiter le rejet de molécules réductrices par l'autre partie de plus grande capacité de stockage du pain catalytique. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique de différents organes d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue de détail d'un moteur comportant un dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote selon un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue de détail d'un moteur comportant un dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote selon un troisième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 4 est une vue de détail d'un moteur comportant un dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Dans un souci de simplification des figures, les références désignant des éléments similaires de la ligne d'échappement sur les figures 1 à 4 ont été conservées d'une figure à l'autre. Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion interne suralimenté comportant une chambre de combustion 23 alimentée en air frais par une ligne d'admission 10 et débouchant en aval sur une ligne d'échappement 40. La ligne d'admission 10 comporte un conduit d'admission 4 dans lequel circule de l'air frais. Le débit d'air frais est mesuré en entrée du conduit d'admission 4 par un débitmètre d'air 1. Le moteur comprend un turbocompresseur 14 comportant deux turbines 2, 9. La turbine entraînante 9 est placée dans un conduit d'échappement 16 de la ligne d'échappement 40 et entraîne la turbine entraînée 2 placée dans le conduit d'admission 4 afin de comprimer l'air frais y circulant. Cette compression ayant pour effet de réchauffer l'air, il est prévu sur le trajet du conduit d'admission 4, un refroidisseur d'air 3 qui refroidit l'air en sortie du turbocompresseur 14. Le conduit d'admission 4 débouche dans un répartiteur 6. II comporte en amont de ce répartiteur 6 un volet d'admission 5. L'orientation du volet d'admission 5 par rapport à l'axe du conduit d'admission 4 contrôle le débit d'air frais entrant dans le répartiteur 6. Le répartiteur 6 est relié à une valve d'admission 21 munie d'une soupape d'admission d'un cylindre 20 du moteur. L'air comprimé entre via cette valve d'admission 21 dans une chambre de combustion 23 du cylindre 20 et il est prévu un injecteur 8 qui injecte le carburant dans cette chambre de combustion 23. Après la combustion, les gaz résiduels d'échappement sont acheminés hors de la chambre de combustion 23 à travers une valve d'échappement 22 munie d'une soupape d'échappement dans le conduit d'échappement 16 de la ligne d'échappement 40. Une partie de ces gaz d'échappement est prélevée par un conduit de recirculation 17 qui les ramène, après passage par un refroidisseur d'air 18, au répartiteur 6 où ils se mélangent à l'air frais arrivant du conduit d'admission 4. L'apport de gaz d'échappement dans le répartiteur 6 est régulé par une vanne 19 dite EGR (Exhaust Gaz Recirculation). Les gaz d'échappement qui ne sont pas dirigés dans le conduit de recirculation 17 circulent dans le conduit d'échappement 16 pour arriver à la turbine entraînante 9 du turbocompresseur 14. Ils traversent ensuite un dispositif de traitement 11 des gaz d'échappement comportant un catalyseur d'oxydation et un filtre à particules ainsi qu'un dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote 100;200;300;400, placés sur le trajet de la ligne d'échappement 40, avant d'être libérés dans l'atmosphère. Le dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote 100;200;300;400 représenté sur les figures 1 à 4 est placé en aval du dispositif de traitement 11 des gaz d'échappement. Cependant, on peut également envisager qu'il soit placé en amont de ce dispositif de traitement. Le dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote 100;200;300;400 comporte un pain catalytique 120;220;320;420, un dispositif d'injection 110;210;310;410 d'un composé chimique réducteur et un réservoir contenant ce composé chimique réducteur (non représenté). Le composé chimique réducteur utilisé est ici de l'urée. Plus particulièrement, il s'agit d'une solution aqueuse d'urée à 32,5%, comme celle commercialisée sous la marque AdBlue. Sous l'effet de la chaleur des gaz d'échappement dans le conduit d'échappement 16, une molécule d'urée produit une molécule d'ammoniac et une molécule d'acide isocyanique, laquelle est hydrolysée pour donner une deuxième molécule d'ammoniac et du dioxyde de carbone. Alternativement, le dispositif de catalyse sélective des oxydes d'azote peut également comprendre un dispositif d'homogénéisation des gaz d'échappement destiné à répartir de façon homogène les molécules d'ammoniac formées dans les gaz d'échappement avant leur entrée dans le pain catalytique. Ce dispositif d'homogénéisation peut être par exemple formé d'une grille disposée en amont du pain catalytique et s'étendant selon une section du conduit d'échappement. Le dispositif de catalyse sélective des oxydes d'azote peut également comprendre un dispositif de catalyse de l'hydrolyse des molécules d'urée pour favoriser la production d'ammoniac à partir de l'urée. Les molécules d'ammoniac produites sont stockées à la surface du pain catalytique 120;220;320;420. Elles peuvent ensuite réagir avec les molécules d'oxyde d'azote contenues dans les gaz d'échappement traversant ledit pain catalytique pour les réduire en diazote et en eau. Ce pain catalytique 120;220;320;420 comporte par exemple une matrice de support en oxyde de titane ou d'aluminium imprégné de molécules d'oxydes métalliques comme l'oxyde de vanadium. De manière remarquable, le pain catalytique 120;220;320;420 du dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote 100;200;300;400 comporte au moins deux parties 120A, 120B;220A, 220B;320A, 320B;420A, 420B présentant différentes capacités de stockage des molécules d'ammoniac et un capteur d'ammoniac 130;230;330;430 placé à proximité de la partie 120A;220A;320A;420A du pain catalytique présentant la plus faible capacité de stockage, en aval de celle-ci dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans ledit dispositif de réduction des oxydes d'azote 100;200;300;400. On entend ici par capacité de stockage, le nombre de sites pouvant piéger des molécules d'ammoniac à la surface de la matrice du pain catalytique 120;220;320;420. Cette capacité de stockage dépend de la géométrie du pain catalytique 120;220;320;420 et du matériau utilisé pour le réaliser. La capacité de stockage du pain catalytique 120;220;320;420 est d'autant plus grande que sa surface spécifique et donc ses dimensions sont grandes et d'autant plus grande que la concentration d'oxyde métallique à la surface du pain catalytique 120;220;320;420 est grande. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 1, le pain catalytique 120 comporte deux parties 120A, 120B distinctes de tailles différentes agencées en parallèle dans le conduit d'échappement 16. Les deux parties 120A, 120B du pain catalytique sont ici réalisées dans le même matériau. Ces deux parties 120A, 120B présentent par exemple chacune une forme semi-cylindrique de façon à ce que leur réunion forme globalement un cylindre. La première partie 120A du pain catalytique 120, comme représenté sur la figure 1, présente des dimensions plus faibles que la deuxième partie 120B du pain catalytique 120. Sa surface spécifique est donc plus faible, et la première partie 120A du pain catalytique 120 présente donc une capacité de stockage de l'ammoniac plus faible que la deuxième partie 120B du pain catalytique 120. Dans un second mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 2, le pain catalytique 220 est monobloc, et se présente par exemple sous une forme globalement cylindrique de section sensiblement égale à celle du conduit d'échappement. Ce pain catalytique comporte une face d'entrée 221 par laquelle les gaz d'échappement pénètrent dans le pain catalytique et une face de sortie 222 par laquelle ces gaz d'échappement ressortent du pain catalytique 220. Selon ce second mode de réalisation, les deux faces d'entrée 221 et de sortie 222 ne sont pas parallèles : ici la face de sortie 222 est biseautée. La longueur du pain catalytique varie donc selon le profil de cette face de sortie 222 biseautée. La partie 220A du pain catalytique se situant à proximité de la partie de la paroi latérale 223 de longueur la plus faible présente ici une surface spécifique donc une capacité de stockage inférieure à la partie 220B du pain catalytique 220 se situant à proximité de la partie de la paroi latérale 223 de plus grande longueur du pain catalytique 220. Alternativement, la face d'entrée seule du pain catalytique peut être biseautée. Les deux faces d'entrée et de sortie peuvent également être biseautées. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 3, le pain catalytique 320 comporte deux parties 320A et 320B distinctes de dimensions similaires disposées en parallèle dans le conduit d'échappement 16. La capacité de stockage d'une première partie 320A du pain catalytique 320 est inférieure à la capacité de stockage de l'autre partie 320B, car la première partie 320A du pain catalytique est imprégnée d'une moins grande quantité d'oxyde métallique. Par exemple, le support de la première partie 320A du pain catalytique 320 est réalisé en oxyde de titane comme le support de la deuxième partie 320B du pain catalytique 320 mais comporte moins de molécules d'oxyde de vanadium à sa surface. Dans un quatrième mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 4, le pain catalytique 420 comporte deux parties 420A et 420B distinctes. Le conduit d'échappement se sépare ici localement en deux canaux 16A, 16B dans lesquels circulent les gaz d'échappement. Chacune des deux parties 420A, 420B du pain catalytique 420 est placée sur le trajet de l'un de ces canaux 16A, 16B de la ligne d'échappement 40. La longueur et donc la capacité de stockage de l'ammoniac de la partie 420A du pain catalytique 420 placée dans l'un des deux canaux 16A sont inférieures à celles de l'autre partie 420B du pain catalytique 420, placée dans l'autre canal 16B. Quel que soit le mode de réalisation du dispositif de réduction sélective des oxydes d'azote selon l'invention, on l'utilise pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement de la manière suivante: - on mesure la quantité d'ammoniac rejetée dans les gaz d'échappement en aval de la partie 120A;220A;320A;420A de plus faible capacité de stockage de l'ammoniac du pain catalytique 120;220;320;420 du dispositif de réduction des oxydes d'azote 100;200;300;400 ; - si cette quantité mesurée d'ammoniac rejetée est supérieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée, on régule la quantité d'urée injectée dans les gaz d'échappement en amont du pain catalytique pour limiter le rejet d'ammoniac par l'autre partie 120B;220B;320B;420B de plus grande capacité de stockage du pain catalytique 120;220;320;420. En pratique, le moteur comporte une unité de commande électronique (UCE) 30 qui reçoit les mesures de la quantité d'ammoniac relevées par le capteur d'ammoniac 130;230;330;430 placé à proximité de la face de sortie des gaz d'échappement de la partie 120A;220A;320A;420A de plus faible capacité de stockage du pain catalytique 120;220;320;420. Cette unité de commande électronique 30 contrôle la quantité d'urée injectée par le dispositif d'injection 110;210;310;410 et la fréquence de ces injections. Si la quantité mesurée d'ammoniac rejetée au niveau de la partie 120A;220A;320A;420A du pain catalytique 120;220;320;420 de plus faible capacité de stockage est supérieure ou égale à la valeur seuil prédéterminée, ceci indique que la partie 120A;220A;320A;420A de plus faible capacité de stockage du pain catalytique 120;220;320;420 est saturée en ammoniac. Elle ne peut donc pas stocker plus de molécules d'ammoniac. Cette saturation se produit par exemple lors d'un changement de régime du moteur : la quantité d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement diminue, et la réaction de réduction de ces molécules d'oxydes d'azote ne consomme plus toutes les molécules d'ammoniac formées à partir des molécules d'urée injectées dans les gaz d'échappement. Les molécules d'ammoniac en excès restent stockées dans le pain catalytique, jusqu'à saturation de celui-ci, puis elles sont évacuées dans les gaz d'échappement. La partie 120A;220A;320A;420A de plus faible capacité de stockage du pain catalytique 120;220;320;420 est saturée plus rapidement que l'autre partie 120B;220B;320B;420B du pain catalytique 120;220;320;420. Lorsque le capteur d'ammoniac 130;230;330;430 mesure une quantité d'ammoniac supérieure à ladite valeur seuil prédéterminée, l'unité de commande électronique 30 commande alors une diminution de la quantité d'urée injectée dans les gaz d'échappement et/ou une diminution de la fréquence de ces injections de façon à diminuer la quantité d'ammoniac rejetée par la partie 120A;220A;320A;420A du pain catalytique 120;220;320;420 de plus faible capacité de stockage. En outre, on évite ainsi tout rejet d'ammoniac par l'autre partie 120B;220B;320B;420B du pain catalytique 120;220;320;420 présentant une plus grande capacité de stockage de l'ammoniac, puisque la quantité d'ammoniac produite est réduite avant que cette autre partie 120B;220B;320B;420B ne soit saturée. La quantité globale d'ammoniac rejetée est donc diminuée. L'unité de commande électronique 30 commande également l'actionnement du volet d'admission 5 et de la vanne EGR 13 pour réguler le débit d'air dans le collecteur 6 et donc la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion. L'unité de commande électronique 30 commande enfin la quantité de carburant injectée par l'injecteur 8 dans la chambre de combustion ainsi que le moment de cette injection. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. En particulier, les différents modes de réalisation décrits ici peuvent être combinés entre eux. REVENDICATIONS1. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un pain catalytique (120;220;320;420) dans lequel sont stockées des molécules réductrices adaptées à réduire lesdits oxydes d'azote et qui est placé sur le trajet d'un conduit d'échappement (16) dans lequel circulent lesdits gaz d'échappement, caractérisé en ce que ledit pain catalytique (120;220;320;420) comprend au moins deux parties (120A, 120B;220A, 220B;320A, 320B;420A, 420B) présentant différentes capacités de stockage desdites molécules réductrices ainsi qu'un capteur (130;230;330;430) de ces molécules réductrices placé à proximité de la partie (120A;220A;320A;420A) du pain catalytique (120;220;320;420) présentant la plus faible capacité de stockage desdites molécules réductrices, en aval de celle-ci dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. 2. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;300;400) selon la revendication précédente, dans lequel lesdites deux parties (120A, 120B;320A, 320B;420A, 420B) dudit pain catalytique (120;320;420) sont distinctes. 3. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;300;400) selon la revendication précédente, dans lequel lesdites deux parties (120A, 120B;320A, 320B;420A, 420B) dudit pain catalytique (120;320;420) sont disposées en parallèle sur le trajet du conduit d'échappement (16). 4. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (400) selon la revendication 2, dans lequel lesdites deux parties (420A, 420B) dudit pain catalytique (420) sont disposées sur le trajet de deux canaux (16A, 16B) distincts du conduit d'échappement (16). 5. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (200) selon la revendication 1, dans lequel ledit pain catalytique (220) est monobloc et comporte une face d'entrée (221) ou de sortie (222) des gaz d'échappement biseautée. 6. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu que lesdites au moins deux parties (120A, 120B;220A, 220B;320A, 320B;420A, 420B) du pain catalytique (120;220;320;420) sont imprégnées d'une quantité différente d'oxydes métalliques. 7. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu que lesdites au moins deux parties (120A, 120B;220A, 220B;320A, 320B;420A, 420B) du paincatalytique (120;220;320;420) présentent des surfaces spécifiques différentes. 8. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites molécules réductrices sont des molécules d'ammoniac. 9. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) selon la revendication précédente, comportant en outre un réservoir contenant des molécules d'urée relié à un dispositif d'injection (110;210;310;410) desdites molécules d'urée dans le flux des gaz d'échappement, disposés en amont dudit pain catalytique (120;220;320;420), ledit dispositif d'injection (110;210;310;410) étant commandé par une unité de commande électronique (30) en fonction des informations reçues par celle-ci dudit capteur (130;230;330;430) de molécules réductrices. 10. Dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) selon la revendication précédente, comportant en outre un catalyseur de l'hydrolyse des molécules d'urée placé sur le trajet des gaz d'échappement, entre ledit dispositif d'injection (110;210;310;410) et ledit pain catalytique (120;220;320;420). 11. Utilisation du dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400) selon l'une des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes : - on mesure la quantité de molécules réductrices rejetée dans les gaz d'échappement en aval de ladite partie (120A;220A;320A;420A) de plus faible capacité de stockage du pain catalytique (120;220;320;420) dudit dispositif de réduction des oxydes d'azote (100;200;300;400); - si cette quantité mesurée de molécules réductrices rejetée est supérieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée, on diminue la quantité de molécules réductrices introduites dans ledit pain catalytique (120;220;320;420) pour limiter le rejet de molécules réductrices par l'autre partie (120B;220B;320B;420B) de plus grande capacité de stockage du pain catalytique (120;220;320;420).30