Brevet FR2930283A1 — publié le 20091023

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de nettoyage catalytique des gaz d'échappement d'une unité motrice d'un véhicule automobile selon lequel l'unité motrice comprend un moteur à combustion interne et une installation de post-traitement des gaz d'échappement ainsi qu'un réservoir d'agent réducteur fournissant de l'ammoniac sous l'effet de la chaleur et le véhicule comporte au moins un composant dégageant de la chaleur. L'invention concerne également un dispositif de nettoyage catalytique des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Etat de la technique On connaît des procédés de nettoyage catalytique des gaz d'échappement d'une installation de post-traitement des gaz d'échappement utilisant un agent réducteur. Ces procédés habituellement appelés procédés de réduction catalytique sélective, permettent de décomposer les oxydes d'azote (NO.) en des produits moins polluants. Cela est nécessaire pour respecter la réglementation actuelle et aussi la future réglementation concernant l'émission de matières polluantes par les véhicules automobiles. Pour réduire les oxydes d'azote, il faut de l'ammoniac que l'on mélange à la veine de gaz d'échappement. Le catalyseur, en aval, effectue une réduction catalytique sélective. Cela signifie que l'on réduit uniquement les oxydes d'azote mais non les autres composants des gaz d'échappement. Comme produits de la réaction chimique, on obtient de l'eau ou de l'azote. L'ammoniac à l'état gazeux, nécessaire, est emporté usuellement sous la forme d'une solution aqueuse d'urée stockée dans un réservoir car l'ammoniac libre constitue un risque de sécurité à cause de sa toxicité. En particulier on veut éviter qu'en cas d'endommagement du réservoir, de l'ammoniac ne puisse s'échapper. On utilise une solution aqueuse d'urée à 32,5 % d'origine synthétique appelée usuellement "AdBlue". Après introduction de la solution aqueuse d'urée dans les gaz d'échappement de l'unité d'entraînement, on obtient de l'ammoniac et de l'eau. Emporter de l'ammoniac sous la forme d'une solution aqueuse constitue un encombrement pour l'installation de post-traitement des gaz d'échappement ou le réservoir d'agent réducteur, qui est relativement grand. C'est pourquoi, il est intéressant d'emporter l'ammoniac dans un réservoir d'agent réducteur sous la forme de substances recevant et accumulant de l'ammoniac telles que par exemple des sels et en particulier des chlorures et/ou des sulfates d'un ou plusieurs éléments alcalinoterreux tels que (MgC12, CaC12) et/ou un ou plusieurs éléments des groupes voisins 3D (tels que manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre et/ou zinc). En outre, on connaît des absorbeurs organiques et des sels d'ammoniac (tels que le carbonate d'ammonium) qui constituent des substances appropriées pour stocker de l'ammoniac et pour servir dans le procédé décrit ici. A partir de telles substances contenant de l'ammoniac, on obtient de l'ammoniac par désorption thermique ou thermolyse, c'est-à-dire une réaction par action de la température qui libère l'ammoniac. Un inconvénient technique important est celui de l'énergie thermique nécessaire qu'il faut fournir à bord du véhicule. Habituellement, le chauffage du réservoir d'agent réducteur se fait de manière électrique ce qui consomme une quantité importante d'énergie électrique. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de nettoyage catalytique des gaz d'échappement permettant d'obtenir de l'ammoniac par de la chaleur provenant d'un réservoir d'agent réducteur, et qui consomme moins d'énergie électrique que la solution de l'état de la technique. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le composant du véhicule est un générateur de courant électrique. Grâce à l'utilisation de la chaleur dégagée par le composant du véhicule, pour chauffer, on obtient plusieurs effets positifs. D'une part, on abaisse la consommation nécessaire d'énergie électrique. Dans le cas idéal, dès que le composant du véhicule est à sa température de fonctionnement, il ne faut plus d'énergie électrique supplémentaire pour chauffer le réservoir d'agent réducteur. D'autre part, le transfert de chaleur à partir du composant du véhicule vers le réservoir d'agent réducteur, permet de refroidir l'unité équipant le véhicule. Cela permet de supprimer d'éventuels autres moyens de refroidissement de l'unité du véhicule et la consommation d'énergie nécessaire à leur fonctionnement. Selon un développement de l'invention, le composant du véhicule, est un générateur de courant électrique. Dans certains types de véhicules, à côté du générateur entraîné par le moteur à combustion interne, on prévoit un autre générateur de courant. Cette solution est notamment utilisée dans les véhicules hybrides. Selon la puissance fournie par le générateur de courant, on dégage une importante chaleur perdue que l'on peut utiliser pour chauffer l'agent réducteur. Le générateur de courant électrique peut s'utiliser notamment pour faire la jonction entre les durées d'attente du moteur à combustion interne, au cours desquelles un générateur accouplé au moteur à combustion interne ne fournit pas d'énergie électrique. Selon un développement de l'invention, le générateur de courant est une pile à combustible. Une pile à combustible est un dispositif permettant d'obtenir de l'énergie électrique sans utiliser de support d'énergie. Ainsi, au cours du fonctionnement, on est à une température relativement élevée, constante. Les piles à combustible conviennent ainsi particulièrement bien pour le chauffage du réservoir d'agent réducteur. Selon un développement de l'invention, comme pile à combustible, on utilise une pile à combustible à haute température. Les piles à combustible à haute température ont une température de fonctionnement nettement supérieure à celle d'une pile à combustible usuelle et nécessitent un niveau de température suffisant pour générer de l'ammoniac à partir du réservoir d'ammoniac. Pour atteindre un niveau de pression d'ammoniac suffisant, il faut généralement un niveau de température compris entre 150°C et 360°C. Dans cette plage de température, il se produit une désorption, c'est-à-dire un dégagement de l'ammoniac. Selon un développement de l'invention, comme pile à combustible à haute température, on peut utiliser une pile à combustible SOFC (pile à combustible solide/liquide) et/ou une pile à combustible à consommation directe d'ammoniac De manière préférentielle, on utilise une pile à combustible SOFC. Cette pile travaille à une température de fonctionnement de 650°C à 1000°C. D'une manière particulièrement avantageuse, un mode de réalisation utilise une pile à combustible à consommation directe d'ammoniac avec une température de fonctionnement de 350°C à 450°C. Les types de cellules de piles à combustible, évoqués offrent un niveau de température suffisamment élevé par exemple pour le dégagement de l'ammoniac à partir du réservoir d'agent réducteur et des matériaux de stockage utilisés. Selon un développement de l'invention, la pile à combustible utilise de l'ammoniac, en particulier de l'ammoniac en excédent. Après l'arrêt de l'unité d'entraînement du véhicule, il n'y a plus de gaz d'échappement à nettoyer. Toutefois, il subsiste dans les conduites et dans d'éventuels réservoirs et/ou réservoirs-tampon prévus à cet effet, de l'ammoniac libre dégagé pendant le fonctionnement. Avantageusement cet ammoniac libre n'est pas conservé pour des raisons de sécurité, jusqu'au démarrage suivant du véhicule automobile. Pour cela, il y a une pile à combustible fonctionnant avec de l'ammoniac. Après l'arrêt de l'unité d'entraînement, l'ammoniac encore libre est dirigé vers la pile à combustible pour générer de l'énergie électrique. Cette énergie électrique peut être par exemple fournie à d'autres systèmes du véhicule et/ ou s'utiliser pour charger un accumulateur. L'introduction de l'ammoniac dans la pile à combustible peut également servir à fournir plus d'énergie électrique, pendant un temps très court à d'autres systèmes du véhicule que l'énergie fournie par le générateur entraîné par l'unité du véhicule. On peut également envisager que pendant le fonctionnement, l'unité d'entraînement dégage une quantité trop importante d'ammoniac. Ainsi, le niveau de pression dans les conduits conduisant l'ammoniac augmente, éventuellement aussi dans les réservoirs prévus à cet effet et/ou les réservoirs-tampon. Pour diminuer le niveau de pression, il est prévu avantageusement que l'ammoniac en excédent alimente la pile à combustible. Ce qui permet une utilisation pratiquement idéale de l'ammoniac libre. Selon un développement de l'invention, le véhicule automobile est un véhicule hybride. Les véhicules hybrides sont souvent déjà équipés d'une pile à combustible. Dans ces conditions, le procédé décrit ci-dessus à l'aide des différents exemples, convient tout particulièrement à ce type de véhicule. De façon idéale, il est déjà prévu une pile à combustible fonctionnant avec de l'ammoniac. La présente invention concerne en outre, un dispositif de nettoyage catalytique des gaz d'échappement d'une unité d'entraînement d'un véhicule automobile. Selon ce dispositif, l'unité d'entraînement est un moteur à combustion interne combiné à une installation de post-traitement des gaz d'échappement par l'action de la chaleur dégageant de l'ammoniac d'un accumulateur d'agent réducteur et le véhicule comporte au moins un composant dégageant de la chaleur. Cette unité est caractérisée par un chemin de transmission de chaleur entre l'unité du véhicule et le réservoir d'agent réducteur pour chauffer l'agent réducteur avec la chaleur de l'unité du véhicule. Le chemin de transmission de chaleur est conçu pour que la chaleur du composant du véhicule soit transmise aussi efficacement que possible à l'accumulateur d'agent réducteur. La transmission peut être conçue d'une manière particulièrement efficace si l'accumulateur d'agent réducteur se trouve à proximité immédiate de l'unité du véhicule. On peut également envisager d'intégrer le réservoir d'agent réducteur dans l'unité du véhicule. Le réservoir d'agent réducteur peut être réalisé sous la forme d'un réservoir ou se composer d'une ou plusieurs cartouches. Le mode de réalisation décrit en dernier lieu permet de remplacer le réservoir d'agent réducteur, d'une manière particulièrement simple. Un développement de l'invention prévoit de réaliser le chemin d'échange de chaleur sous la forme d'un circuit d'échange ou de transfert de chaleur. En particulier on peut prévoir la circulation d'un agent caloporteur. On peut envisager par exemple des formes de réalisation utilisant un tube caloporteur. Dans le circuit caloporteur l'agent caloporteur sera mis en mouvement par des dispositifs appropriés. Selon un développement de l'invention, le circuit de transmission de chaleur comporte deux échangeurs de chaleur, l'un des échangeurs de chaleur étant associé au composant du véhicule et l'autre échangeur de chaleur étant associé au réservoir d'agent réducteur. Dans le circuit d'échange de chaleur l'agent caloporteur circule entre les deux échangeurs de chaleur. L'utilisation d'échangeurs de chaleur intégrés de préférence dans le composant et/ou dans le réservoir d'agent réducteur, donne un rendement élevé pour le transfert de chaleur ou d'échange de chaleur. Ainsi d'une part on dispose d'une quantité de chaleur importante pour chauffer le réservoir d'agent réducteur et d'autre part on peut refroidir efficacement le composant du véhicule. Un développement de l'invention prévoit de faire circuler par une pompe, un agent caloporteur dans le circuit d'échange de chaleur. L'utilisation d'une pompe augmente le débit d'agent caloporteur dans le circuit d'échange de chaleur. Cela permet l'échange d'une quantité plus importante de chaleur que dans la réalisation n'utilisant pas de pompe. De façon avantageuse on utilise une pompe à moteur électrique pour continuer l'échange de chaleur après l'arrêt de l'unité d'entraînement du véhicule automobile. Cela garantit qu'à l'arrêt du véhicule automobile, l'unité d'entraînement du véhicule sera refroidie efficacement. En outre une pompe électrique peut se commander de manière finement réglée par un circuit de régulation pour réguler la puissance fournie par la pompe et ainsi la quantité de chaleur échangée en fonction de la demande d'ammoniac. Un développement de l'invention prévoit comme unité du véhicule, un générateur de courant électrique du véhicule notamment une pile à combustible, de préférence une pile à combustible à haute température. Selon un développement de l'invention, le véhicule est un véhicule hybride. Selon un développement de l'invention, la pile à combustible alimente une unité d'entraînement électrique du véhicule et/ ou un accumulateur. En particulier on charge l'accumulateur pendant que l'ammoniac, notamment l'ammoniac en excédent est décomposé dans la pile à combustible. Ainsi, après l'arrêt de l'unité d'entraînement, au moins une partie de l'énergie nécessaire à la désorption de l'ammoniac sera récupérée. Dessin La présente invention sera décrite à l'aide d'un exemple de réalisation représenté à l'aide du dessin annexé dans lequel : - l'unique figure est une vue schématique d'une partie de l'unité d'entraînement d'un véhicule automobile. Description de modes de réalisation de l'invention La figure montre en partie une unité d'entraînement 1 d'un véhicule automobile non représenté. L'unité d'entraînement 1 comprend un moteur à combustion interne non représenté et une installation de post-traitement des gaz d'échappement 2. Le véhicule automobile non représenté comporte en outre une conduite de gaz d'échappement 3, un catalyseur 4 ainsi qu'un composant 5 du véhicule. L'installation de post-traitement des gaz d'échappement 2 comporte un réservoir d'agent réducteur 6 et une installation de dosage 7 reliée par un système de tuyaux et/ou de conduites 8 à un côté du réservoir d'agent réducteur 6 et par l'autre côté, à la conduite des gaz d'échappement 3. L'extrémité du système de tuyaux et/ou de conduites 8 du côté de la conduite des gaz d'échappement débouche dans un système de conduite de gaz d'échappement 9 et y dispose d'un dispositif d'injection 10. A la fois le composant 5 du véhicule et aussi le réservoir d'agent réducteur 6 comportent un échangeur de chaleur 11 ou sont reliés à un échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur 11 sont couplés l'un à l'autre par un circuit de transmission de chaleur 12. Le circuit de transmission de chaleur 12 ou circuit caloporteur comporte en outre une pompe 13. L'échangeur de chaleur 11, le circuit d'échange de chaleur 12 et la pompe 13 constituent un chemin d'échange de chaleur 14 entre le composant 5 du véhicule et le réservoir d'agent réducteur 6. Dans cet exemple, le composant 5 est réalisé sous la forme d'un générateur électrique 6 relié à un accumulateur 17 par un système de câbles 16. Dans un mode de réalisation particulier, le générateur de courant électrique 15 peut être constitué par une pile à combustible, notamment une pile à combustible à haute température et en particulier par une pile à combustible SOFC et/ou une pile à combustible à consommation directe d'ammoniac. Entre le composant 5 du véhicule et le réservoir d'agent réducteur 6 il est représenté en outre un système de conduites 18 pour un agent réducteur. Ce système de conduites est équipé d'une vanne de régulation 19. Le réservoir d'agent réducteur 6 contient une substance d'accumulation de l'ammoniac 20 qui fixe l'ammoniac. Lorsque l'unité d'entraînement 1 fonctionne, des gaz d'échappement circulent suivant la flèche 21 à travers le système de conduites de gaz d'échappement 9 de la tubulure de gaz d'échappement 3 ; les gaz traversent ensuite le catalyseur 4. L'objectif est maintenant de déclencher une réaction catalytique sélective dans le catalyseur 4 et pour cela il faut une alimentation en ammoniac. Pendant le fonctionnement, le composant 5 du véhicule chauffe. La chaleur dégagée est reçue par l'échangeur de chaleur 11 qui se trouve du côté du composant 5 du véhicule et un agent caloporteur du circuit d'échange de chaleur 12 transmet la chaleur à l'échangeur de chaleur 11 du côté du réservoir d'agent réducteur 6. Ainsi la pompe 13 assure la circulation de l'agent caloporteur dans le circuit d'échange de chaleur 12. La chaleur est fournie par l'échangeur de chaleur 11 à un réservoir d'agent réducteur 6 chauffant la substance de stockage d'ammoniac 20. On libère ainsi de l'ammoniac à l'état gazeux qui passe par le système de tuyaux et/ou de conduites 8 pour arriver dans le système de conduites de gaz d'échappement 9 pour y être libéré par l'intermédiaire d'un dispositif d'injection 10. La quantité d'ammoniac dégagée peut être régulée par l'installation de dosage 7. Il faut alors veiller notamment à ce que la quantité de l'ammoniac introduite dans la conduite des gaz d'échappement 3 soit adaptée à la quantité d'azote contenue dans les gaz d'échappement, car sinon on risque que des oxydes d'azote non réduits ou de l'ammoniac s'échappent dans l'environnement. Les gaz d'échappement contenant de l'ammoniac poursuivent le chemin dans le système de guidage de gaz d'échappement 9 pour arriver dans le catalyseur 4 qui produit une réaction catalytique sélective. Ensuite les gaz s'échappent de la conduite des gaz d'échappement 3 à l'environnement. Si après l'arrêt de l'unité d'entraînement 1 ou du moteur à combustion interne non représenté, il subsiste de l'ammoniac non consommé dans le système de tuyaux et/ou de conduites 8 ou éventuellement dans des réservoirs en amont (non représentés), alors l'ammoniac est fourni par ce système de conduites 18 au générateur de courant électrique 15 dans la mesure où celui-ci est conçu comme pile à combustible pouvant fonctionner avec de l'ammoniac. La régulation de la quantité d'ammoniac transférée se fait par l'intermédiaire de la vanne de régulation. On peut également prévoir que pendant le fonctionnement de l'unité d'entraînement 1 ou du moteur à combustion interne, il se produit un niveau de pression d'ammoniac trop élevé dans le système de tuyaux et/ou de conduites 8 si bien que la vanne de régulation 19 sera également ouverte et l'ammoniac pourra arriver par le système de conduites 18 dans le générateur de courant électrique 15 pour y être consommé. On arrive ainsi à une réduction de la pression du système sans que de l'ammoniac ne s'échappe à l'environnement. De façon avantageuse il est prévu un accumulateur 17 et/ou d'autres systèmes de véhicule, non représentés, auxquels est relié le générateur électrique de courant 15 en particulier par un système de câbles 16 permettant de charger l'accumulateur 17 ou d'assurer le fonctionnement d'un système de véhicule alors que l'ammoniac en excédent sera décomposé dans le générateur de courant électrique 15. 20 REVENDICATIONS1 °) Procédé de nettoyage catalytique des gaz d'échappement d'une unité motrice d'un véhicule automobile, selon lequel : l'unité motrice comprend un moteur à combustion interne et une installation de post-traitement des gaz d'échappement ainsi qu'un réservoir d'agent réducteur fournissant de l'ammoniac sous l'effet de la chaleur et le véhicule comporte au moins un composant dégageant de la chaleur, caractérisé en ce qu' on chauffe le réservoir d'agent réducteur à l'aide de la chaleur dégagée par le composant. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant du véhicule est un générateur de courant électrique. 3°) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur de courant est une pile à combustible. 4°) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pile à combustible est une pile à combustible à haute température. 25 5°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pile à combustible à haute température est une pile à combustible à cellule de combustible à oxyde solide SOFC et/ou une cellule à combustible à consommation directe d'ammoniac. 30 6°) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pile à combustible fonctionne avec de l'ammoniac en particulier avec de l'ammoniac en excédent. 35Il 7°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le véhicule est un véhicule hybride. s 8°) Dispositif de nettoyage catalytique des gaz d'échappement d'une unité motrice d'un véhicule automobile selon lequel, l'unité motrice comprend un moteur à combustion interne et une installation de post-traitement des gaz d'échappement ayant un réservoir d'agent réducteur fournissant de l'ammoniac par action de la chaleur et le véhicule 10 comporte au moins un composant dégageant de la chaleur, caractérisé par un chemin de transmission de chaleur entre le composant du véhicule et le réservoir d'agent réducteur chauffé avec la chaleur dégagée par le composant. 15 9°) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le chemin de transmission de chaleur est un circuit de transmission de chaleur. 20 10°) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de transmission de chaleur comporte deux échangeurs de chaleur, l'un des échangeurs de chaleur étant associé au composant du 25 véhicule et l'autre échangeur de chaleur étant associé au réservoir d'agent réducteur. 11 °) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que 30 le circuit de transmission de chaleur comporte un agent caloporteur mis en circulation par une pompe. 12°) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce quele composant du véhicule est un générateur de courant électrique notamment une pile à combustible et de préférence une pile à combustible à haute température. 13°) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le véhicule est un véhicule hybride. 14°) Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pile à combustible entraîne une unité motrice électrique du véhicule et/ ou charge un accumulateur.