Brevet FR2933733A1 — publié le 20100115

Domaine de l'invention La présente invention concerne une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un tuyau d'échappement équipé d'un catalyseur SCR, une soupape de dosage pour injecter un agent réducteur à l'état gazeux dans le tuyau d'échappement ainsi qu'un réservoir, susceptible d'être chauffé, pour un agent réducteur. L'invention concerne également un procédé de gestion d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne équipée d'un tuyau d'échappement, d'un catalyseur SCR, d'une soupape de dosage pour injecter un agent réducteur à l'état gazeux dans le tuyau d'échappement, et d'un réservoir susceptible d'être chauffé pour l'agent réducteur. Etat de la technique Les valeurs limites d'émission des oxydes d'azote NO. imposées aux véhicules équipés d'un moteur Diesel ou d'un moteur fonctionnant en régime pauvre, nécessitent un traitement des gaz d'échappement pour réduire les oxydes d'azote dans le cas de véhicules à partir d'un certain poids, en appliquant par exemple la réduction ca- talytique sélective (appelée réduction SCR). Un exemple d'une variante connue selon le document WO 99/01205 Al pour fournir de l'ammoniac, nécessaire au procédé SCR, prévoit d'injecter à la demande, de l'ammoniac à l'état gazeux dans l'installation de traitement des gaz d'échappement du moteur à corn- bustion interne. L'ammoniac y réagit dans un catalyseur SCR spécial avec les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement pour for-mer des composés inoffensifs d'azote et d'eau. L'ammoniac est généré par désorption à partir d'une matière accumulatrice ou par décomposition d'une matière première. L'ammoniac est stocké dans un réservoir qui contient une matière de stockage telle que par exemple du sel et notamment des chlorures/bromures/sulfates d'un ou plusieurs éléments alcalinoterreux tels que MgC12, CaC12, SrC12 et/ou d'un ou plusieurs éléments du groupe secondaire 3d tels que le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et/ ou le zinc. En outre, on peut utiliser des adsorbeurs orga- 2 niques et des sels d'ammonium comme par exemple du carbamate d'ammonium, comme substances de stockage et comme matière première, que l'on met dans un réservoir. L'ammoniac stocké dans le réservoir se libère en chauf- fant le réservoir ou la matière de stockage à l'aide d'un chauffage électrique par résistance à des températures supérieures à la température ambiante mais, en général, sans dépasser 80-100°C. Cet apport calorifique produit une désorption thermique et libère l'ammoniac à l'état gazeux. L'ammoniac gazeux obtenu de cette manière peut alors être insufflé dans le tuyau d'échappement du moteur à combustion interne pour convertir dans le catalyseur SCR, les oxydes d'azotes présents dans les émissions brutes du moteur à combustion interne et pour obtenir des composés non nocifs. La régulation de la libération de l'ammoniac est faite en réglant un apport de chaleur en fonction de la pression dans le système, de la quantité d'ammoniac et de la puissance perdue. Si, dans ces conditions, à cause d'un défaut, par exemple d'un commutateur de puissance du chauffage électrique par résistance, il y a un apport in-contrôlé de chaleur dans le réservoir, il se forme plus d'ammoniac que nécessaire et la pression dans le réservoir augmente de manière in-contrôlée. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une installation de traitement des gaz d'échappement offrant une meilleure ré- sistance aux défauts. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne du type défini ci-dessus caractérisée en ce que une soupape de limitation de pression et l'entrée de la soupape de limitation de pression reçoit la pression régnant dans le réservoir. La soupape de limitation de pression permet de limiter la surpression produite par une perturbation du fonctionnement du chauffage s'exerçant sur la pression d'ouverture de la soupape de limi- tation de pression, évitant ainsi l'éclatement du réservoir ou d'autres 3 composants exposés à la pression dans l'installation de traitement des gaz d'échappement. En général, il s'est avéré suffisant de régler la pression d'ouverture de la soupape de limitation de pression à environ 7 bars. Mais cette valeur peut être modifiée ou adaptée en fonction de la conception du système, des matières accumulatrices utilisées ainsi que de la conception du réservoir. Selon un autre développement de l'invention, la sortie de la soupape de limitation de pression débouche dans le tuyau d'échappement du moteur, en amont du catalyseur d'oxydation. Cela permet d'utiliser la fonction de blocage d'un catalyseur d'oxydation revêtu d'un métal noble pour décomposer l'ammoniac en azote N2 et en eau H2O. Cela signifie qu'à partir de l'ammoniac on produit des substances non nocives qui peuvent être évacuées dans l'environnement par le tuyau d'échappement. En variante, il est possible de faire déboucher la sortie de la soupape de limitation de pression dans le collecteur d'admission du moteur à combustion interne. Comme l'ammoniac est une matière combustible, on peut décomposer de l'ammoniac par combustion dans la chambre de combustion du moteur. Le couple, apporté par l'ammoniac injecté dans le collecteur d'admission peut être compensé par une réduction correspondante de la quantité de carburant injectée de sorte que le couple fourni par le moteur à combustion interne reste globale-ment constant. Selon un autre développement de l'invention, le réservoir comporte un moyen de chauffage électrique et des moyens redondants pour couper le chauffage électrique. Ces moyens redondants peuvent être par exemple une coupure côté bas (près de la masse) et une cou-pure côté haut (c'est-à-dire au niveau de la tension du réseau) de sorte que si une coupure classique mise en oeuvre telle que par exemple la coupure côté bas, ne fonctionne pas et que le chauffage électrique reste actif, la coupure redondante du chauffage électrique par la coupure côté haut, assure la coupure de l'apport thermique au réservoir. Il en résulte qu'il n'y aura plus production d'autre ammoniac et on peut passer au mode de fonctionnement normal du moteur à combustion interne. 4 Pour déceler les fonctionnements défectueux du système, il est prévu un capteur de pression entre le réservoir et la soupape de dosage. L'appareil de commande du moteur à combustion interne ou un appareil de commande de dosage distinct peuvent déceler l'atteinte d'une pression maximale non autorisée par exemple de 10 bars à l'aide des signaux de sortie fournis par le capteur de pression. Après dépassement de la pression maximale autorisée, on ouvre une soupape de limitation de pression par une commande appropriée. En variante, la soupape de limitation de pression peut être mécanique en utilisant le capteur de surveillance comme capteur de pression. En outre, pour surveiller le fonctionnement du chauffage du réservoir, il est prévu un capteur de température installé dans le réservoir. Ce capteur de température peut également servir à réguler la production d'ammoniac en fonctionnement normal car il y a une rela- tion directe entre la température du milieu stocké et la libération de l'ammoniac. Le problème évoqué ci-dessus est également résolu selon l'invention par un procédé de gestion d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on ouvre la soupape de dosage lorsqu'une va-leur limite de pression est dépassée dans le réservoir. Le procédé selon l'invention prévoit une première valeur de limitation de pression avant d'atteindre la pression maximale autorisée dans le système ; cette première limite se situe par exemple à 6 bars. Dès que l'on atteint la pre- mière valeur de limitation de pression, la soupape de dosage sera ouverte et l'ammoniac en excédent pourra être évacué sans que le système risque d'être soumis à une pression excessive. En même temps, selon un développement du procédé de l'invention, il est avantageux de commander le moteur à combustion interne pour dégager de plus fortes émissions d'oxydes d'azote. Cela peut se faire par exemple en neutralisant le recyclage des gaz d'échappement et/ou en déréglant l'instant d'injection. Comme il en résulte un plus important dégagement d'oxydes d'azote NO. par les émissions brutes, cela permet d'utiliser l'ammoniac dégagé de manière non voulu dans le catalyseur SCR, comme agent réducteur pour de plus for- tes émissions d'oxydes d'azote NON. Il n'en résulte alors aucune pollution de l'environnement par un glissement de l'ammoniac. Si toutefois la pression dans le réservoir dépasse une seconde valeur de limite de pression qui correspond à la pression maxi- 5 male autorisée du système, la soupape de limitation de pression sera ouverte et l'ammoniac en excédent sera évacué dans le collecteur d'admission ou dans un catalyseur d'oxydation installé dans le tuyau d'échappement du moteur à combustion interne. Cela permet d'évacuer efficacement les quantités importantes d'ammoniac en excédent sans pour autant polluer l'environnement. Pour terminer en sécurité la génération accidentelle d'ammoniac à l'état gazeux, il est en outre prévu de neutraliser de manière redondante le chauffage électrique du réservoir accumulateur en particulier en commandant une coupure côté bas et une coupure côté haut de la tension. Selon un autre développement avantageux de l'invention, un message d'erreur est émis et/ou est enregistré dans l'appareil de commande du moteur à combustion interne s'il se produit une pression de niveau inacceptable dans le réservoir. Pour que la perception du fonctionnement du moteur à combustion interne par le conducteur du véhicule ne change pas, en même temps que l'on injecte de l'ammoniac dans le collecteur d'admission du moteur à combustion interne, on réduit de façon correspondante la quantité de carburant à injecter pour que couple fourni par le moteur reste constant. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé dans lequel : - la figure unique montre la structure schématique d'une installation de traitement des gaz d'échappement selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure montre de façon schématique, fortement simplifiée, un moteur à combustion interne 1 équipé d'une installation de traitement des gaz d'échappement (encore appelé installation de post- 6 traitement des gaz d'échappement). L'installation de traitement des gaz d'échappement 3 comprend un tuyau d'échappement 5, un catalyseur d'oxydation 7 et un catalyseur SCR 11. Le sens de passage des gaz d'échappement à travers le tuyau d'échappement 5 est indiqué par des flèches (sans références). Le filtre à particules pour moteur Diesel n'est pas représenté ; ce filtre est normalement installé en aval du catalyseur d'oxydation 7 par exemple entre le catalyseur d'oxydation 7 et une sou-pape de dosage 13 servant à alimenter le catalyseur SCR 11 en agent réducteur ; en amont du catalyseur SCR 11, le tuyau d'échappement 5 est équipé d'une soupape de dosage 13 pour l'agent réducteur. La sou-pape de dosage 13 injecte à la demande de l'agent réducteur l'état gazeux en amont du catalyseur SCR 11 dans le tuyau d'échappement 5. Le moteur à combustion interne 1 comporte un colleteur d'admission 15. Le collecteur d'admission 15 est équipé en option d'une soupape de limitation de pression 17. En outre, le tuyau d'échappement 5 comporte en amont du catalyseur d'oxydation 7, une autre soupape de limitation de pression 19. Le catalyseur d'oxydation 7 et le catalyseur SCR 11 sont équipés chacun d'un capteur de température 21, 23. En aval du catalyseur SCR 11, le tuyau d'échappement 5 comporte un ca- talyseur d'oxydes d'azote NON. L'ammoniac insufflé par la soupape de dosage 13 est stockée dans un réservoir 27. Comme matière de stockage, on a les matières évoquées dans le préambule de la présente description. Le réservoir 27 comporte un moyen de chauffage électri- que par résistance 29 relié par l'intermédiaire de lignes de branchement 31, 32 au réseau électrique embarqué. Un capteur de température 35 équipe le réservoir 27. L'ammoniac du réservoir 27 est transporté par des conduites 37 résistant aux pressions vers la soupape de dosage 13 ou les soupapes de limitation de pression 19 et 17. La conduite 37 est équipée d'un capteur de pression 39. Les capteurs 21, 23, 25, 35, 39 sont reliés par des lignes de transmission de signaux (ces lignes ne sont pas référencées) à un appareil de commande 41 du moteur à combustion interne. La même remarque s'applique également aux soupapes de limitation de pression 17 et 19 et à la soupape de dosage 13.L'appareil de commande 41 traite non seulement les signaux de sortie des cap- 7 teurs mais un grand nombre d'entrées pour commander (ou gérer) le moteur à combustion interne 1. En variante, on peut utiliser un appareil de commande ou de gestion, distinct, qui sera relié aux actionneurs et capteurs tels que décrits. Selon l'invention, la pression dans le système, notamment dans le réservoir 27 et dans la conduite 37 est surveillée en continu par le capteur de pression 39. Dès qu'une première valeur limite de pression PGR1 est dépassée dans le réservoir, la soupape de dosage 13 s'ouvre pour permettre à l'ammoniac à l'état gazeux de s'échapper du système et ainsi réduire la pression dans le réservoir accumulateur 27 et dans la conduite 37. La conversion de l'ammoniac en composés inoffensifs se produit déjà selon l'état de la technique dans le catalyseur SCR. En même temps, la commande du moteur à combustion interne 1 sera modifiée pour obtenir de plus fortes émissions d'oxydes d'azote NO. pour utiliser ainsi la quantité excédentaire d'ammoniac avec les oxydes d'azote No. fournis avec les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1. Si maintenant à titre d'exemple, par suite d'un défaut technique, le chauffage électrique 29 reste activé accidentellement et que la pression du système dépasse une seconde valeur limite de pression PGR2, la soupape de limitation de pression ou, en variante, la sou-pape de limitation de pression 17 sera ouverte et ainsi une quantité encore plus importante d'ammoniac en excédent pourra s'échapper du réservoir 27. Si le moteur à combustion interne comporte une soupape de limitation de pression 19 en amont du catalyseur d'oxydation 7, l'ammoniac insufflé à travers la soupape de limitation de pression 19 dans le catalyseur d'oxydation 7, qui de façon générale comporte des revêtements en métaux nobles, peut être décomposé au moins en par- tie. Un autre partie de l'ammoniac non encore transformé sera décom- posé de façon connue dans le catalyseur SCR 11. Une variante consiste à insuffler l'ammoniac en excédent à l'aide de la soupape de limitation de pression 17 dans le collecteur d'admission 15 du moteur. Comme l'ammoniac est combustible, il pourra participer à la combustion dans le moteur 1 pour être décompo- 8 sé et transformé. Pour que la décomposition de l'ammoniac dans le moteur à combustion interne 1 ne représente pas un apport supplémentaire de couple, on réduit de façon correspondante la quantité de carburant injecté pour que le conducteur du véhicule ne soit pas confronté à une variation inattendue du couple fourni par le moteur à combustion interne. Pour toujours assurer que le chauffage électrique 29 est coupé du réseau électrique, l'invention prévoit des moyens de coupure redondants. Ces moyens de coupure redondants sont un moyen de coupure côté bas 43 de la ligne électrique 31 et un moyen de coupure côté haut 45 de la ligne électrique 33. Le fonctionnement de tels moyens de coupure 43, 45 connus selon l'état de la technique ne nécessite pas de description détaillée. L'installation de traitement des gaz d'échappement 3 et le procédé selon l'invention ont l'avantage en premier lieu d'éviter que des pressions de niveau inacceptable ne s'établisse dans le système, notamment dans le réservoir 27 et dans la conduite 37. Cela est fait de façon efficace selon deux niveaux. Dans un premier niveau (P > PGR1), l'ammoniac en excédent sera évacué par la soupape de dosage 13. Si malgré cette mesure la pression continue d'augmenter dans le système, lorsqu'on atteint une seconde valeur limite de pression (P > PGR2), on ouvre une soupape de limitation de pression supplémentaire 17 ou 19 on injecte ainsi l'ammoniac en excédent dans le collecteur d'admission 15 ou dans le tuyau d'échappement 5 en amont du catalyseur d'oxydation 7. En outre, le procédé selon l'invention prévoit de couper de manière redondante la cause d'une libération accidentelle d'ammoniac. Pour cela, le chauffage électrique 29 comporte une cou-pure côté bas 43 et une coupure côté haut 45. Ainsi, même si l'un des deux moyens de coupure 43 ou 45 est défectueux, cela garantit néanmoins la coupure du chauffage électrique 29 évitant le dégagement inutile d'ammoniac excédentaire.35 REVENDICATIONS1 °) Installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un tuyau d'échappement (5) équipé d'un catalyseur SCR (11), une soupape de dosage (13) pour injecter un agent réducteur à l'état gazeux dans le tuyau d'échappement (5) ainsi qu'un réservoir (27), susceptible d'être chauffé, pour un agent réducteur, caractérisée par une soupape de limitation de pression (17, 19) et l'entrée de la soupape de limitation de pression (17, 19) reçoit la pression régnant dans le réservoir (27). 2°) Installation de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' une sortie de la soupape de limitation de pression (19) débouche dans le tuyau d'échappement (5) en amont du catalyseur d'oxydation (7). 3°) Installation de traitement des gaz d'échappement selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisée en ce que la sortie de la soupape de limitation de pression (17) débouche dans le collecteur d'admission (15) du moteur à combustion interne (1). 4°) Installation de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir (27) comporte un chauffage électrique (29) et des moyens redondants pour couper le chauffage électrique (29). 5°) Installation de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisée par une coupure côté bas (43) et une coupure côté haut (45) du chauffage électrique (29). 10 6°) Installation de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisée par un capteur de pression (39) entre le réservoir (27) et la soupape de do- sage (13). 7°) Installation de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisée par un capteur de température (35) équipant le réservoir (27). 8°) Procédé de gestion d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) équipée d'un tuyau d'échappement (5), d'un catalyseur SCR (11), d'une soupape de dosage (13) pour injecter un agent réducteur à l'état gazeux dans le tuyau d'échappement (5), et d'un réservoir (27) susceptible d'être chauffé pour l'agent réducteur, caractérisé en ce qu' on ouvre la soupape de dosage (13) lorsqu'une valeur limite de pression (PGR1) est dépassée dans le réservoir (27). 9°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on commande le moteur à combustion interne pour augmenter les émissions brutes d'oxydes d'azote (NO.) si la première valeur limite de pression (PGR1) est dépassée. 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on neutralise un coefficient de recirculation des gaz d'échappement et/ou l'instant d'injection comme grandeur de réglage pour augmenter les émissions brutes d'oxydes d'azote (NO.). 11 °) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' 11 on ouvre une soupape de limitation de pression (17, 19) si la pression régnant dans le réservoir (27) dépasse une seconde valeur limite de pression (PGR2), et par la soupape de limitation de pression (17, 19), on évacue l'ammoniac en excédent dans le collecteur d'admission (15) et/ou en amont d'un catalyseur d'oxydation (17) dans le tuyau d'échappement (5) du moteur à combustion interne (1). 12°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on neutralise de manière redondante le chauffage électrique (29) du réservoir (27), notamment en commandant une coupure côté bas (43) et une coupure côté (45) du chauffage électrique (29) si une pression (p) de niveau non acceptable se produit dans le réservoir (27). 13°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' un message d'erreur est émis et/ou mémorisé dans l'appareil de commande (41) du moteur à combustion interne si une pression (p) de ni- veau trop élevé se produit dans le réservoir (27). 14°) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu' on réduit la quantité de carburant injectée dans le moteur à combus- tion interne (1) lorsque l'ammoniac est évacué dans le collecteur d'admission (15) du moteur à combustion interne (1).30