Brevet FR2941874A1 — publié le 20100813

La présente invention se rapporte à un procédé pour l'épuration de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Elle vise plus particulièrement un procédé de traitement des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à autoallumage, notamment de type Diesel, mais n'écarte en aucune manière un tel procédé pour les moteurs à allumage commandé (Gaz ou Essence) présentant des phases de fonctionnement non stoechiométrique. Elle se rapporte plus particulièrement à un procédé visant à éliminer, en grande partie, les oxydes d'azote (NO et NO2), plus communément baptisés NOx, que contiennent ces gaz d'échappement. Comme cela est décrit dans le document FR 2 831 077, il est déjà connu une installation pour éliminer les NOx contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne pouvant fonctionner avec une alternance de modes de combustion pauvre et de combustion riche. Cette installation connue comprend, dans le sens de circulation des gaz d'échappement le long de la ligne d'échappement, un catalyseur trois voies, dit catalyseur triple effet, un piège à NOx, un catalyseur RCS et un conduit de contournement du piège permettant de mettre en communication la sortie du catalyseur triple effet avec l'entrée du catalyseur RCS. Le catalyseur triple effet a pour fonction de traiter, par oxydation, les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO) contenus dans les gaz d'échappement. De plus, dans des conditions particulières de fonctionnement du moteur (alternance de mélange carburé pauvre et riche), les oxydes d'azote (NOx), également présents dans ces gaz d'échappement, peuvent être en partie réduits, durant les phases riches, grâce à l'action des phases catalytiques contenues dans ce catalyseur. Le piège à NOx permet de retenir les NOx contenus dans les gaz d'échappement qui le traversent. Généralement, ce piège est composé d'un support imprégné d'une phase catalytique active comprenant un métal précieux, par exemple du platine, qui permet de convertir le NO en NO2 et un matériau adsorbant, par exemple du baryum, qui va retenir les NOx sur sa surface. Le catalyseur RCS (Réduction Catalytique Sélective) permet, en association avec le catalyseur triple effet, de réduire sélectivement les NOx en azote (N2). Ceci se réalise grâce au NH3 qui provient du catalyseur triple effet par le conduit de contournement et qui est emmagasiné dans le catalyseur RCS. Pour pouvoir maintenir l'activité de stockage des NOx d'une manière 15 durable par le piège à NOx, il est nécessaire de procéder périodiquement à une étape de régénération de ce piège (ou purge). Dans la plupart des dispositifs utilisant un piège à NOx, y compris celui décrit dans FR 2 831 077, cette régénération se réalise sous des conditions 20 prédéterminées de fonctionnement du moteur. Plus précisément, celle-ci s'effectue avec une température suffisante des gaz d'échappement en même temps qu'une composition globalement réductrice de ces gaz grâce à un mélange carburé à une richesse supérieure à la stoechiométrie. Ceci a pour but de désorber les NOx présents dans le piège à NOx. Ces NOx désorbés 25 traversent ensuite le catalyseur RCS dans lequel ils réagissent avec le NH3 pour être réduit en N2. Ce N2, qui est un composé inoffensif pour l'homme, est par la suite évacué dans l'atmosphère. Cependant, ce dispositif présente un inconvénient dans le fait qu'il 30 nécessite la présence d'un catalyseur présentant une fonction oxydante pour pouvoir assurer l'oxydation en NO2 des NOx des gaz d'échappement, oxydation nécessaire au fonctionnement du piège à NOx. De plus, il est nécessaire d'avoir un conduit de contournement pour envoyer les gaz d'échappement traités par le catalyseur triple effet directement au catalyseur RCS. Ceci augmente de manière non négligeable le coût d'un tel traitement tout en rendant complexe l'installation d'épuration. En outre, la température des gaz d'échappement chute fortement tout au long de la ligne d'échappement de par la traversée de ces gaz au travers des différents catalyseurs et piège. Par cela, le temps nécessaire pour obtenir les températures de fonctionnement de ces différents éléments est augmenté avec, pour conséquence, le rejet dans l'atmosphère de gaz d'échappement non traités. La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci dessus grâce à un procédé pour l'épuration de gaz d'échappement utilisant une installation de traitement de ces gaz avec un minimum d'éléments constitutifs et qui soit opérationnel de manière quasi constante et rapide lors de la mise en action du véhicule. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de traitement des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant une ligne d'échappement avec un piège à NOx et un catalyseur à réduction catalytique sélective, caractérisé en ce qu'il consiste à déstocker thermiquement les oxydes d'azote captés par ledit piège avec des gaz d'échappement comportant une composition non réductrice et à traiter au moins les oxydes d'azote déstockés par ledit catalyseur. Ce procédé peut consister à déstocker les oxydes d'azote pour une température des gaz supérieure à 300 °C. Ce procédé peut consister à traiter en outre les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement par le catalyseur à réduction catalytique sélective.30 Ce procédé peut consister à injecter un agent réducteur pour traiter les oxydes d'azote par le catalyseur. Ce procédé peut consister à injecter un agent réducteur constitué d'un composé générant de l'ammoniac par décomposition. Ce procédé peut consister à injecter un agent réducteur constitué d'un composé hydrocarboné. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : la figure 1 qui illustre de manière schématique une installation de traitement des gaz d'échappement selon l'invention dans une première configuration de fonctionnement et - la figure 2 qui montre l'installation de la figure 1 dans une deuxième configuration de fonctionnement. Sur la figure 1, l'installation 10 de traitement des polluants contenus dans des gaz d'échappement comprend une ligne d'échappement 12 parcourue par des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne (non représenté). Cette installation comprend, dans les sens de circulation des gaz d'échappement entre une entrée E et une sortie S, un piège à NOx 14 suivi d'un catalyseur RCS (Réduction Catalytique Sélective) 16. Le piège 14 comprend, comme cela est généralement connu, une enveloppe 18 logeant un corps poreux 20 traversé par les gaz d'échappement entre une boîte d'entrée 22 et une boîte de sortie 24. La boîte d'entrée 22 est connectée à une portion d'entrée de gaz d'échappement 26 de la ligne d'échappement. Ce corps poreux, qui est généralement composé d'un support imprégné d'un métal précieux, comme un monolithe à base de mélanges d'oxydes imprégné de platine, permet d'oxyder le NO en NO2 par le métal précieux ainsi que de stocker les NOx par adsorption sur une masse adsorbante de formulation appropriée. Avantageusement, ce piège comporte des caractéristiques qui sont adaptées pour obtenir une efficacité maximale de piégeage des NOx à des températures inférieures à celles communément appliquées pour de tels pièges. Plus précisément, ce type de piège comporte un support imprégné de phases actives permettant le piégeage des NOx dès les plus basses températures, généralement inférieures à 150°C environ. Le catalyseur RCS comprend également un fourreau tubulaire 28 avec un collecteur d'entrée 30 recevant les gaz d'échappement au travers d'une portion 32 de ligne d'échappement le reliant à la boîte de sortie 24 du piège à NOx. Ce fourreau porte aussi un collecteur de sortie 34 des gaz d'échappement qui est lui même relié à une portion de sortie de gaz d'échappement 36 de la ligne d'échappement. Le fourreau loge, entre son collecteur d'entrée et son collecteur de sortie, un corps poreux 38, de préférence monolithique, traversé par les gaz d'échappement et contenant une ou plusieurs phases catalytiques destinés à agir sur les NOx et plus particulièrement sur le NO2. Cette installation comprend également des moyens d'injection 40 d'un agent réducteur pour le catalyseur RCS. Ces moyens comprennent un injecteur 42 relié à un circuit d'injection (non représenté) qui comporte tous les éléments (réservoir, pompe, ...) pour réaliser une telle injection. Cet injecteur est placé sur la portion 32 de ligne d'échappement (donc en amont du catalyseur RCS) d'une façon telle que son nez débouche dans la ligne d'échappement pour pulvériser l'agent réducteur en direction du collecteur d'entrée 30. Avantageusement, l'agent réducteur est de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition, comme de l'urée, mais il peut être utilisé tout autre agent, comme un hydrocarbure ou un composé hydrocarboné, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, ... Dans le cas de l'exemple décrit dans la présente invention, il sera fait mention de l'urée comme agent réducteur. Ainsi, dans la phase de démarrage de l'installation, comme illustré à titre d'exemple sur la figure 1, la température des gaz d'échappement qui parviennent à l'entrée E de la ligne est inférieure à un seuil permettant de rendre opérationnel le catalyseur RCS mais suffisante pour activer la fonction piégeage du piège à NOx (inférieure à environ 150°C). Dans ce cas, les gaz d'échappement traversent le piège à NOx 14 entre sa boîte d'entrée 22 et sa boîte de sortie 24. Lors de cette traversée, les NOx présents dans ces gaz sont capturés en grande partie par le piège et stockés dans celui-ci. Ces gaz, débarrassés d'une grande partie, voire de la totalité, des NOx qu'ils contenaient initialement, parcourent ensuite la portion 32 de la ligne d'échappement, où l'injecteur d'agent réducteur est inactif, pour aboutir dans le collecteur d'entrée 30 du catalyseur RCS. Ces gaz, qui peuvent cependant présenter une très faible teneur en NOx, traversent ce catalyseur RCS entre son collecteur d'entrée 30 et son collecteur de sortie 34 pour être évacués dans l'atmosphère par la portion de sortie 36 de la ligne d'échappement. Compte tenu de la faible température des gaz d'échappement, la quantité minime de NOx non stockée sur le piège à NOx et encore contenue dans les gaz n'est pas traitée chimiquement par le catalyseur RCS mais ces gaz permettent d'augmenter la température de ce catalyseur par la chaleur qu'ils véhiculent. Lors de la poursuite du fonctionnement de l'installation, avec la montée en température des gaz d'échappement, les gaz d'échappement arrivent dans le collecteur d'entrée 30 du catalyseur RCS avec une température suffisante pour rendre opérationnel ce catalyseur (supérieur à environ 150°C) mais qui est inférieure à un seuil conduisant à un déstockage des NOx contenus dans le piège. Dans ce cas, les NOx des gaz d'échappement traversant le piège continuent à être stockés en partie dans ce piège avec une efficacité décroissante de ce piège jusqu'à sa saturation. Pour les NOx non stockés qui traversent le piège, ceux -ci sont oxydés en NO2. A partir de cette température, le catalyseur RCS peut alors réduire les NOx non stockés par le piège à NOx grâce au NH3 préalablement stocké à la surface du catalyseur RCS, lors de phases de fonctionnement antérieures, et dans ce cas, sans que l'injecteur d'agent réducteur 42 ne soit activé. Par contre, en l'absence de NH3 préalablement stocké ou dès que celui-ci est entièrement consommé, la réduction des NOx non stockés peut être obtenue en activant l'injecteur d'agent réducteur 42 qui permet d'injecter de l'urée dans la portion 32 de ligne 30. Cette urée, sous l'effet de la chaleur des gaz d'échappement, se décompose en un élément ammoniaqué nécessaire à la catalyse RCS, essentiellement en ammoniac (NH3). Cet ammoniac se mélange avec les gaz d'échappement dans la portion 32 et dans le collecteur d'entrée 30 du catalyseur RCS. Ce mélange traverse ensuite le corps 38 du catalyseur RCS dans lequel les NOx contenus dans les gaz d'échappement réagissent chimiquement avec le NH3 sur les phases catalytiques du catalyseur et sont transformés principalement en azote (N2). Dés que le piège a atteint sa saturation, les NOx ne sont plus stockés sur le piège et le traversent en étant oxydés en NO2. Comme précédemment mentionné, l'injecteur d'urée est opérationnel pour injecter de l'urée dans la portion 32 de ligne 30. L'ammoniac provenant de l'urée se mélange avec les gaz d'échappement et les NOx contenus dans ces gaz d'échappement sont transformés principalement en N2. Préférentiellement, des moyens de mesure de la quantité de NOx présente dans les gaz d'échappement, comme une sonde à NOx, permettent de connaître à tout moment la quantité de NOx (ou de NO2) sortant du piège et d'adapter la quantité d'agent réducteur à injecter afin d'obtenir l'efficacité désirée. Avantageusement, de tels moyens de mesure peuvent être remplacés ou associés à un modèle prédictif installé dans le calculateur moteur et ainsi se dispenser de ces moyens de mesure. Ces gaz dépollués parviennent ensuite au collecteur de sortie 34 d'où ils sont évacués dans l'atmosphère par la portion de sortie 36 de la ligne d'échappement. Comme cela est largement connu, il est nécessaire d'assurer la purge du piège dés qu'il a atteint sa saturation, ou peu avant que sa capacité de stockage ne soit saturée, de manière à pouvoir assurer la continuité de l'activité de ce piège. Habituellement, ceci se réalise avec une température des gaz d'échappement comprise entre 200°C et 500° C et une composition globalement réductrice de ces gaz grâce à un mélange riche. De par le passage des gaz d'échappement à une richesse supérieure à la stoechiométrie, les NOx adsorbés sur ce piège sont déstockés du piège. Grâce à la présence d'éléments réducteurs contenus dans ce mélange riche (CO, HC, H2), les NOx déstockés et ceux qui continuent à traverser ce piège sont transformés en grande partie en N2 pour être ensuite évacués dans l'atmosphère. Dans le cas de la présente invention, il est avantageusement utilisé le fait que la purge du piège est réalisé en utilisant uniquement la température des gaz d'échappement (300°C à 500° C) tout en se dispensant des phases de fonctionnement en mélange riche avec une composition réductrice, comme mentionné ci-dessus. En effet, la capacité maximale du piège est obtenue grâce à une formulation adaptée à une température de l'ordre de 200-300 °C. Dès que la température des gaz devient supérieure à cette valeur, la capacité du piège diminue pour atteindre une valeur nulle à partir d'une température de l'ordre de 350-400°C. Ainsi la diminution de la capacité du piège, lorsque la température dépasse les 300°C, conduit à un déstockage thermique des NOx contenus dans le piège. Ceci a pour avantage de réduire de manière significative la consommation du moteur et de réduire les émissions de CO2, en supprimant le recours à des phases de fonctionnement en mélange riche du moteur. Ainsi, lors de cette purge, les NOx contenus dans le piège sont déstockés sous l'effet de la température des gaz d'échappement. Ces NOx déstockés ainsi que ceux qui sont contenus dans les gaz qui traversent ce piège sont envoyés vers l'entrée 30 du catalyseur RCS. L'injecteur d'urée 42 est alors rendu opérationnel pour injecter de l'urée dans la portion 32 de ligne 30. Les gaz d'échappement contenant les NOx se mélangent à l'urée puis traversent le catalyseur RCS. A la sortie de ce catalyseur, les NOx contenus initialement dans les gaz d'échappement sont, en majeure partie, transformés en azote. A titre d'exemple de ce qui précède, l'efficacité et plus particulièrement la capacité de stockage du piège à NOx varie en fonction de la température de ce piège, température qui est transmise par les gaz d'échappement qui le traversent. Comme mentionné plus haut, les caractéristiques de ce piège sont 25 élaborées pour qu'il puisse fonctionner à basse température avec une efficacité de piégeage pour des températures de l'ordre de 150°C. A partir de cela, compte tenu de la largeur de sa plage de fonctionnement, son efficacité va décroître à partir d'une température voisine de 300°C pour atteindre une valeur quasiment nulle à partir d'une température haute, aux 30 environs de 350-400°C. Dans ce cas, non seulement les NOx contenus dans les gaz qui traversent ce piége ne seront plus stockés sur ce piège mais les NOx déjà stockés seront déstockés thermiquement du piège. Dans ce cas, le piège se retrouvera complètement vide de tout NOx au delà de la température haute de 400°C. II apparaît donc qu'une purge du piège à NOx par un fonctionnement en mélange riche n'est plus nécessaire car cette purge se réalise automatiquement thermiquement lors de la montée en température de la ligne échappement. Grâce à l'invention, les NOx contenus dans les gaz d'échappement sont constamment traités par l'installation, soit par stockage sur le piège, soit par réaction avec le catalyseur RCS, soit par les deux (stockage et réaction). Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, l'installation sera pourvue de tous moyens permettant de déceler la température des gaz d'échappement, comme des capteurs de température placés avantageusement dans la boite d'entrée 22 et le collecteur d'entrée 30, ainsi que tous moyens visant à évaluer l'état de saturation du piège à NOx, comme une sonde à NOx placée préférentiellement en aval du piège. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe toutes variantes et tous équivalents. REVENDICATIONS1) Procédé de traitement des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant une ligne d'échappement (12) avec un piège à NOx (14) et un catalyseur à réduction catalytique sélective (16), caractérisé en ce qu'il consiste à déstocker thermiquement les oxydes d'azote captés par ledit piège avec des gaz d'échappement comportant une composition non réductrice et à traiter au moins les oxydes d'azote déstockés par ledit catalyseur. 2) Procédé de traitement des oxydes d'azote selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à déstocker les oxydes d'azote pour une température des gaz supérieure à 300 °C 3) Procédé de traitement des oxydes d'azote selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à traiter en outre les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement par le catalyseur (16). 4) Procédé de traitement des oxydes d'azote selon l'une des 20 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un agent réducteur pour traiter les oxydes d'azote par le catalyseur. 5) Procédé de traitement des oxydes d'azote selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un agent 25 réducteur constitué d'un composé générant de l'ammoniac par décomposition. 6) Procédé de traitement des oxydes d'azote selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un agent réducteur constitué d'un composé hydrocarboné. 30