Brevet FR2933448A1 — publié le 20100108

DISPOSITIF DE PURIFICATION DE GAZ D'ECHAPPEMENT [0001 L'invention concerne la purification des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, et en particulier la purification des gaz d'échappement de moteurs 5 Diesel munis d'un filtre à particules. [0002 Les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne équipant la plupart des véhicules automobiles contiennent un certain nombre de polluants dont il est souhaitable de réduire les rejets dans l'atmosphère (notamment des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, des particules et du dioxyde 10 de carbone). Les réglementations applicables en matière de pollution par des véhicules automobiles abaissent régulièrement les plafonds de rejets acceptables. [0003] Une grande partie des polluants générés par un moteur à combustion interne est due à une combustion incomplète du carburant. Une première stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réduire la quantité des polluants pénétrant 15 dans la ligne d'échappement. Une deuxième stratégie de réduction des rejets polluants consiste à réaliser un post-traitement des gaz traversant la ligne d'échappement. [0004] Pour réaliser un post-traitement, les véhicules sont désormais équipés d'un convertisseur catalytique comprenant : 20 • dans le cas des moteurs dits essence, équipés d'une catalyseur trois-voies, une fonction catalyse d'oxydation (pour oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) et une fonction catalyse de réduction (pour réduire les oxydes d'azote) ou dans le cas des moteurs dits diesel, un catalyseur d'oxydation (pour oxyder le 25 monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés). [0005] Le catalyseur d'oxydation est constitué par un boîtier monté dans la ligne d'échappement. Le boîtier renferme un support ou substrat revêtu d'un matériau actif. Le substrat est généralement constitué d'un corps monolithique en céramique en forme de nid d'abeille formant des canaux destinés à être traversés par les gaz 30 d'échappement. Les principaux composants du corps sont généralement de l'alumine ou des alumino-silicates dopés par de la zircone (cordiérite, mullite, mullite-zircone). Le revêtement en matériaux actifs peut être composé de métaux précieux combinés tels que le platine, le palladium (pour la reduction de CO/HC) et de rhodium (pour la reduction des NOx). [0006] Du fait que les moteurs diesels produisent une plus grande quantité de particules, les lignes d'échappement incluent le plus souvent un filtre à particules destiné à piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies ou de gouttelettes d'huile. Pour éviter l'encrassement du filtre à particules, celui-ci doit être régénéré épisodiquement par brûlage des particules piégées. Le brûlage est réalisé par augmentation de la température des gaz d'échappement au-delà de 550°C. [000n Une technique de régénération du filtre à particules consiste à injecter du carburant pendant la phase de détente du piston, de sorte que les gaz d'échappement sont transitoirement enrichis en carburant imbrûlés qui peut donc s'enflammer dans la ligne d'échappement. La température moyenne des gaz d'échappement étant généralement insuffisante pour provoquer cette inflammation, le filtre à particules est généralement disposé juste en aval du catalyseur d'oxydation. En effet, le catalyseur d'oxydation oxyde les hydrocarbures imbrûlés par une réaction exothermique, ce qui permet de réaliser la combustion des particules piégées par le filtre à particules. [0008] Pour réduire les émissions de monoxyde de carbone, il est souhaitable d'utiliser un catalyseur d'oxydation présentant une densité de canaux élevée. Cependant, un catalyseur d'oxydation présentant une densité de canaux élevée est aisément obstrué par des particules provenant du moteur. La demande de brevet FR 2 890 108 décrit une ligne d'échappement comprenant un premier catalyseur d'oxydation dont la densité de canaux est inférieure à 500 cpsi (canaux par pouce carré), un filtre à particules raccordé à la sortie du premier catalyseur d'oxydation, et un deuxième catalyseur d'oxydation raccordé à la sortie du filtre à particules et dont la densité de canaux est supérieure à 800 cpsi. Le premier catalyseur d'oxydation présente une densité de canaux suffisamment basse pour ne pas être obstrué par les particules, tandis que le deuxième catalyseur d'oxydation présente une densité de canaux suffisamment élevée pour réduire les émissions de monoxyde de carbone. [0009] Une telle ligne d'échappement présente cependant des inconvénients. En effet, une telle ligne d'échappement nécessite une grande quantité d'hydrocarbures imbrûlés pour régénérer le filtre à particules. Il est ensuite difficile d'oxyder toute cette quantité d'hydrocarbures imbrûlés sans que des odeurs ou des fumées soient détectables à l'échappement, ou alors un coûteux filtre à particules catalysé ou un catalyseur d'oxydation amont surdimensionné sont nécessaires. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif de purification de gaz d'échappement, comprenant : un premier catalyseur comprenant un premier support délimitant des canaux d'écoulement de gaz d'échappement, les parois du premier support étant revêtues d'un matériau catalyseur d'oxydation ; un second catalyseur raccordé en aval du premier catalyseur et comprenant un second support délimitant des canaux d'écoulement de gaz d'échappement, les parois du deuxième support étant revêtues d'un matériau catalyseur d'oxydation, le second support présentant une densité de canaux supérieure à celle du premier support et les parois du second support présentant une épaisseur inférieure à celle des parois du premier support ; un filtre à particules raccordé en aval du second catalyseur. [0010] Selon une variante, le dispositif comprend en outre un dispositif d'injection de 20 carburant à l'échappement adapté pour injecter du carburant dans l'écoulement de gaz d'échappement entre les premier et deuxième catalyseurs. [0011] Selon encore une variante, le second support présente une densité de canaux par centimètre carré supérieure à 62, et de préférence comprise entre 77,5 et 108,5. 25 [0012] Selon une autre variante, les parois du second support présentent une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,1 millimètres, et de préférence comprise entre 0,05 et 0,08 millimètres. [0013] Selon encore une autre variante, le second support comprend de la céramique. [0014] Selon une variante, le second support est réalisé en cordiérite. [0015] Selon encore une variante, le matériau catalyseur d'oxydation du second catalyseur comprend de l'alumine imprégnée de métaux précieux. [0016] Selon une autre variante, le second support a une forme de nid d'abeille. [0017] L'invention porte également sur un véhicule, comprenant un moteur Diesel muni d'un circuit d'échappement incluant un dispositif de purification de gaz d'échappement tel que décrit ci-dessus. [0018] Selon une variante, le véhicule comprend un dispositif de régénération du filtre à particules apte à accroître transitoirement la teneur en hydrocarbures imbrûlés 10 dans le second catalyseur. [0019] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 15 . la figure 1 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement raccordée à un moteur diesel ; la figure 2 est une vue en coupe agrandie d'un catalyseur d'oxydation. [0020] L'invention propose un dispositif de purification de gaz échappement 20 comprenant d'amont en aval (la notion d'amont et d'aval étant définie par rapport au sens général d'écoulement des gaz d'échappement) des premiers et deuxième catalyseurs d'oxydation et un filtre à particules. Des supports forment des canaux d'écoulement dans les premier et deuxième catalyseurs. La densité de canaux d'écoulement du deuxième catalyseur est supérieure à celle du premier catalyseur. 25 L'épaisseur de parois dans le deuxième catalyseur est inférieure à celle du premier catalyseur. [0021] Ainsi, le deuxième catalyseur présente un très bon rendement d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés garantissant un niveau de rejet réduit et une bonne régénération du filtre à particules en aval, lors d'une hausse transitoire de la teneur en hydrocarbures imbrûlés. Par ailleurs, le premier catalyseur prémunit le deuxième catalyseur contre un bouchage par des particules de plus grande taille. En outre, un tel résultat est obtenu avec une structure simple et de coût réduit. [0022] La figure 1 représente un moteur à combustion interne diesel 1 muni d'un circuit d'échappement 2 comprenant des organes de post-traitement des gaz d'échappement. Un conduit 3 guide les gaz d'échappement issus du moteur 1 jusqu'à un premier catalyseur d'oxydation 4. Un second catalyseur d'oxydation 5 est raccordé dans le circuit d'échappement 2 en aval du catalyseur 4. Un filtre à particules 6 est raccordé dans le circuit d'échappement 2 en aval du catalyseur 5. [0023] Le premier catalyseur 4 est un catalyseur d'oxydation destiné notamment à oxyder certains rejets polluants. Le premier catalyseur 4 est également destiné à oxyder une partie des hydrocarbures imbrûlés et à être traversé par des particules grasses ou de grande taille. Le premier catalyseur 4 assèche ou fragmente ces particules par la réaction exothermique d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés, ces particules ne risquant alors plus d'obturer le second catalyseur 5 en aval. Le premier catalyseur 4 comprend ainsi un premier support délimitant des canaux d'écoulement de gaz d'échappement à purifier. Le premier support peut être réalisé de façon connue en soi sous forme de nid-d'abeille en métal ou en céramique. Les parois du premier support sont revêtues d'un matériau catalyseur d'oxydation connu en soi. [0024] Le premier catalyseur 4 présentera par exemple une densité de canaux par centimètre carré au plus égale à 62 et présentera par exemple des épaisseurs de 25 parois comprises entre 0,1 mm et 0,175 mm. [0025] Le second catalyseur 5 est un catalyseur d'oxydation notamment destiné à réchauffer le filtre à particules 6 disposé en aval, pour conduire à sa régénération. Le second catalyseur 5 est destiné à oxyder la majeure partie des hydrocarbures imbrûlés traversant le circuit d'échappement, de façon à réaliser une réaction 30 exothermique de régénération et de façon à limiter les fumées et les rejets d'hydrocarbures imbrûlés. [0026] À cet effet, comme illustré à la figure 2, le second catalyseur 5 présente un second support délimitant des canaux d'écoulement 51 des gaz d'échappement. Les parois 52 du second support sont revêtues d'une couche 53 de matériau catalyseur d'oxydation. Le second support présente une densité de canaux supérieure à celle du premier support et ses parois ont une épaisseur inférieure à celle des parois du premier support. Ainsi, la surface d'échanges avec les hydrocarbures imbrûlés est optimisée, ce qui favorise la réaction exothermique d'oxydation. Ceci s'avère particulièrement avantageux lors d'une régénération du filtre à particules 6, généralement accompagnée d'un accroissement transitoire et délibéré de la quantité d'hydrocarbures imbrûlés traversant le second catalyseur 5. La combinaison des premier et deuxième catalyseurs 4 et 5 permet de réaliser un excellent rendement d'oxydation des hydrocarbures imbrûlés sans accroître la quantité de métaux précieux présente dans les revêtements de matériau d'oxydation. Ce rendement d'oxydation permet également d'éviter d'utiliser un filtre à particules catalysé, ce qui limite le coût du circuit d'échappement. [0027] Afin d'optimiser l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés par augmentation de la surface d'échanges, le second support présente avantageusement une densité de canaux par centimètre carré supérieure à 62 (ce qui équivaut à 400 cpsi). Le second support présente de préférence une densité de canaux par centimètre carré comprise entre 77,5 et 108,5, cette densité étant de façon optimale égale à 93. [0028] Afin d'optimiser l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés par augmentation de la surface d'échanges, le second support présente avantageusement des parois 52 présentant une épaisseur inférieure à 0,15 mm (6 millièmes de pouce), de préférence comprise entre 0,05mm (2 millièmes de pouce) et 0,1 mm (4 millièmes de pouce), et de façon optimale comprise entre 0,05 mm et 0,08 mm. [0029] Ces valeurs de densité et d'épaisseurs de parois permettent en outre de conserver une bonne résistance mécanique, ce qui facilite le conditionnement ou la mise en boîte du catalyseur 5. [0030] Le second support pourra être réalisé de façon monolithique et pourra 30 présenter une section en nid-d'abeille. Le second support sera avantageusement réalisé en céramique, notamment de la cordiérite. [0031] Dans le mode de réalisation illustré, un dispositif d'injection de carburant à l'échappement 7 est disposé de façon à injecter du carburant dans la jonction entre les catalyseurs 4 et 5. Lors d'une commande de régénération du filtre à particules, le dispositif 7 permettra d'augmenter transitoirement la quantité d'hydrocarbures imbrûlés traversant le catalyseur 5, et ainsi de réaliser la régénération du filtre à particules 6. D'autres modes de régénération du filtre à particules 6 peuvent également être envisagés, notamment en augmentant transitoirement la richesse du mélange dans le moteur 1, afin d'accroître la quantité d'hydrocarbures imbrûlés émis vers le catalyseur 5. [0032] Le second catalyseur 5 sera avantageusement placé à proximité du filtre à particules 6 afin d'optimiser le transfert de chaleur vers ce filtre 6 et ainsi sa régénération. [0033] La couche 53 de matériau d'oxydation est la phase active du catalyseur 5 et permet la conversion des polluants. Cette couche 53 peut-être une couche d'enduction. Cette couche 53 peut-être composé d'une couche d'alumine imprégnée de métaux précieux. Les métaux précieux pourront notamment être de façon connue en soi du platine et/ou du palladium. [0034] Le premier catalyseur 4 pourra être un pré-catalyseur monté dans le circuit d'échappement 2 à proximité du moteur 1, typiquement dans le compartiment moteur du véhicule. Le second catalyseur 5 pourra être un catalyseur monté dans le circuit d'échappement 2 à distance du moteur 1, typiquement sous le plancher du véhicule. [0035] Bien que non illustré, le circuit d'échappement 2 pourra comprendre un dispositif d'injection d'un additif d'aide à la régénération du filtre à particules. REVENDICATIONS1. Dispositif de purification de gaz d'échappement, comprenant : ^ un premier catalyseur (4) comprenant un premier support délimitant des canaux d'écoulement de gaz d'échappement, les parois du premier support étant revêtues d'un matériau catalyseur d'oxydation ; ^ un second catalyseur (5) raccordé en aval du premier catalyseur et comprenant un second support délimitant des canaux d'écoulement de gaz d'échappement, les parois (52) du deuxième support étant revêtues d'un matériau catalyseur d'oxydation (53), le second support présentant une densité de canaux supérieure à celle du premier support et les parois du second support présentant une épaisseur inférieure à celle des parois du premier support ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filtre à particules (6) raccordé en aval du second catalyseur (5). 2. Dispositif de purification de gaz d'échappement selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif (7) d'injection de carburant à l'échappement adapté pour injecter du carburant dans l'écoulement de gaz d'échappement entre les premier et deuxième catalyseurs. 3. Dispositif de purification de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second support présente une densité de canaux par centimètre carré supérieure à 62, et de préférence comprise entre 77,5 et 108, 5. 4. Dispositif de purification de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les parois du second support présentent une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,1 millimètres, et de préférence comprise entre 0,05 et 0,08 millimètres. 5. Dispositif de purification de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second support comprend de la céramique. 6. Dispositif de purification de gaz d'échappement selon la revendication 5, dans lequel le second support est réalisé en cordiérite. 7. Dispositif de purification de gaz d'échappement selon la revendication 5, dans 40 lequel le matériau catalyseur d'oxydation du second catalyseur (5) comprend de l'alumine imprégnée de métaux précieux.35 8. Dispositif de purification de gaz échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second support a une forme de nid d'abeille. 9. Véhicule, comprenant un moteur Diesel (1) muni d'un circuit d'échappement (2) incluant un dispositif de purification de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10 10. Véhicule selon la revendication 9, comprenant un dispositif de régénération (7) du filtre à particules apte à accroître transitoirement la teneur en hydrocarbures imbrûlés dans le second catalyseur.5