Brevet FR2937376A1 — publié le 20100423

PROCEDE DE PURGE D'UN PIEGE A OXYDES D'AZOTE ET LIGNE D'ECHAPPEMENT ASSOCIEE [0001] L'invention porte sur le domaine du traitement des polluants des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, et plus particulièrement des oxydes d'azotes. [0002] Les moteurs à combustion, et particulièrement les moteurs fonctionnant en mélange pauvre, c'est-à-dire avec une richesse moyenne du mélange carburé inférieure à 1, ce qui est typiquement le cas des moteur Diesel ou des moteurs à allumage commandé fonctionnant en mode dit stratifié, produisent lors de leur fonctionnement des oxydes d'azote (NOx) qui sont des polluants dont les émissions sont réglementées. [0003] Afin d'atteindre les seuils réglementaires, en plus d'une calibration adéquate du moteur, le traitement des gaz d'échappement par des moyens spécifiques dits moyens de post-traitement peut être nécessaire. Déjà introduites de façon marginale par certains constructeurs automobiles, les technologies de post-traitement des NOx pour moteurs fonctionnant en mélange pauvre sont amenées à se répandre au sein de la production automobile. Elles sont en effet rendues nécessaires, notamment pour les moteur Diesel, par certains niveaux de normes d'émissions polluantes (par exemple les normes Euro VI pour l'Europe, ou Tier 2 bin 5 pour les Etats-Unis). Dans certains cas, selon la norme visée et les émissions à la source du véhicule (c'est-à-dire les émissions du moteur implanté sur le véhicule, en l'absence de moyen de post-traitement des gaz d'échappement), un niveau d'efficacité de conversion des NOx modéré (30 à 50%) peut être suffisant. [0004] Par ailleurs, notons que l'emploi de certains moyens de post-traitement entraine une consommation supplémentaire de carburant. De fait, et notamment pour limiter les émissions de dioxyde de carbone (CO2), il convient de traiter les NOx avec une pénalité en consommation la plus faible possible. [0005] Une technologie de post-traitement des NOx est appelée le � piège à NOx �. Ce dispositif fonctionne de la manière suivante : une formulation catalytique spécifique déposée sur un substrat catalytique classique permet d'absorber et de stocker les NOx au sein du catalyseur lorsque le moteur fonctionne en mode pauvre (mode de fonctionnement classique d'un moteur Diesel, ou à allumage commandé en mélange pauvre). Des passages périodiques du moteur en mode riche (richesse en sortie moteur supérieure à 1) sur une durée de quelques secondes permettent de déstocker les NOx et de les convertir en N2. Ces période de fonctionnement du moteur en mode riche sont appelées � purges du piège à oxydes d'azote � ou plus simplement � purges DeNOx �. Le piège à NOx permet classiquement de convertir 50 à 70% des oxydes d'azote émis en sortie du moteur, et cela même après une longue période d'utilisation du piège à NOx, c'est à dire dans le cas d'un piège à NOx vieilli par son utilisation. [0006] Les passages en mode riche sont obtenus par une dégradation du rendement du moteur (par sous-calage des injections), un vannage à l'admission de l'air dans le moteur, et, pour un moteur Diesel, en effectuant des post-injections, c'est-à-dire des injections tardives de carburant dans la chambre de combustion, typiquement à la fin du cycle de combustion, voire en fin de détente ou en début de phase d'échappement. [0007] Cependant, l'emploi d'un piège à NOx pose de nombreux problèmes. Tout d'abord, le passage en mode riche est source de surconsommation importante. En outre, pour avoir une purge DeNOx rapide et totale d'un piège à NOx (afin de minimiser la pénalité consommation), il est nécessaire d'avoir une richesse à l'échappement élevée qui entraîne une surémission d'hydrocarbures imbrûlés (HC), qui sont également des polluants réglementés. Cette surémission limite le nombre de purges admissibles et leur durée, ce qui limite de facto l'efficacité du piège à NOx. Pour un moteur Diesel, le passage en mode riche du moteur est source d'encrassement de sa ligne d'air, et aussi d'instabilité dans son fonctionnement. Enfin l'utilisation de la post-injection, indispensable au passage en riche pour un moteur Diesel entraine une dilution de l'huile de lubrification du moteur par le gazole, ce qui va aussi limiter le nombre de purges admissibles et leur durée, ce qui limite donc l'efficacité globale que peut atteindre le piège à NOx. La dilution de l'huile par le carburant entraîne une dégradation des propriétés de l'huile. Le fonctionnement avec une huile dégradée entraînant une usure prématurée du moteur, ceci impose de réduire l'intervalle de vidange du circuit de lubrification du moteur. [0008] Par ailleurs, pour des moteurs munis d'un filtre à particules de suie, qui nécessitent une régénération périodique par échauffement, des technologies d'introduction de carburant dans le circuit d'échappement ont été développées notamment ou réduire le phénomène de dilution de l'huile de lubrification par le carburant. Ces technologies consistent à remplacer la post-injection dans les cylindres du moteur par l'introduction directe à l'échappement de carburant. Ainsi la dilution de l'huile par le carburant va être réduite pendant les régénérations du filtre à particules. Dans le cadre d'un moteur à combustion dont la ligne d'échappement est équipé d'un piège à oxydes d'azotes, elle peut l'être aussi lors des purges DeNOx. [0009] En réponse à la problématique de dilution de l'huile par le carburant, de surconsommation et de surémissions d'hydrocarbure lors des purges d'un piège à oxydes d'azote, l'invention propose un dispositif et un procédé d'utilisation de ce dispositif permettant l'introduction optimisée de carburant à l'échappement pour réduire fortement la dilution liée au passage du moteur en mode riche pour la purge d'un piège à NOx, optimiser la vitesse de purge et ainsi réduire la pénalité consommation. [0010] Plus précisément, l'invention porte sur un procédé de purge d'un substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, caractérisé en ce qu'on ménage une répartition hétérogène de la richesse des gaz d'échappement en entrée dudit substrat, la richesse moyenne des gaz d'échappement en sortie du substrat étant inférieure à 1. Ainsi, l'invention propose d'assurer une répartition de richesse hétérogène dans les gaz d'échappement entrant dans le piège à NOx lors de la purge de celui-ci. Cette répartition hétérogène permet une purge efficace sur une part du piège à NOx, tout en conservant des gaz d'échappement globalement pauvres, pouvant être traités efficacement en aval du piège à NOx par un catalyseur d'oxydation. [0011] De préférence, pendant les phases de purges, on assure l'arrivée de gaz d'échappement de richesse supérieure à 1, et de préférence supérieure à 1,05 , sur au moins une zone prédéterminée de la face d'entrée du substrat, dite zone riche, et l'arrivée de gaz d'échappement de richesse inférieure à 1 sur au moins une zone prédéterminée de la face d'entrée du substrat, dite zone pauvre. Dans les canaux du substrat débouchant en zone riche, la purge sera efficace. Cependant, des hydrocarbures imbrûlés pourront s'échapper des canaux correspondant, en sortie du substrat. Dans la zone pauvre, la purge sera incomplète voire inexistante. Les oxydes d'azotes sont peu ou pas traités par les canaux du substrat en regard de la zone pauvre. Cependant, les gaz pauvres sortant des canaux en regard de la zone pauvre du substrat assurent une richesse globale des gaz en sortie du substrat inférieure à un, ce qui permet un traitement facile des hydrocarbures imbrûlés par un catalyseur d'oxydation classique. [0012] De préférence on assure en regard de la zone pauvre l'arrivée de gaz d'échappement ayant une richesse comprise entre 0,7 et 0,9. Cela permet tout à la fois d'assurer un bon fonctionnement du moteur (cette richesse correspondant à la richesse des gaz d'échappement en sortie du moteur) et d'assurer la pauvreté globale des gaz en sortie du substrat faisant piège à NOx. [0013] De préférence, la surface de la zone riche représente 50% à 90% de la surface totale de la face d'entrée du substrat. Ainsi, l'efficacité substrat imprégné est supérieure à celle d'un catalyseur De-Nox, tandis qu'on assure la pauvreté des gaz en sortie du substrat. [0014] L'invention porte également sur une ligne d'échappement d'un moteur à combustion comportant un substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, en amont duquel est installé un moyen d'introduction de carburant dans la ligne d'échappement, caractérisée en ce que le moyen d'introduction de carburant comporte un moyen tel que la répartition du carburant introduit par le moyen d'introduction de carburant est hétérogène en entrée du substrat. Une ligne d'échappement ainsi constituée va permettre l'application du procédé précédemment exposé, et d'atteindre un haut niveau de dépollution des gaz d'échappement. [0015] Dans une variante de l'invention, le moyen d'introduction du carburant est un dispositif d'injection sous pression orienté vers le substrat et dont le cône d'injection n'intercepte qu'une partie de la face d'entrée du substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, partie dite zone riche. Ainsi, on obtient un moyen simple de définir la zone riche, et les technologies mises en jeu sont robustes et largement connues. [0016] Dans une autre variante, le moyen d'introduction de carburant présente des moyens de canalisation du flux des gaz d'échappement enrichis, de sorte que le flux des gaz d'échappement enrichis n'intercepte qu'une partie de la face d'entrée du substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, partie dite zone riche. Ces moyens peuvent être entre autres des conduits, des parois ou des ailettes permettant que les gaz enrichis ne se mélangent pas aux gaz d'échappement pauvres avant d'atteindre la face d'entrée du substrat portant une imprégnation faisant piège à NOx. [0017] Préférentiellement, le moyen d'introduction de carburant est disposé à une distance inférieure à 30cm de la face d'entrée du substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote. Au-delà de cette distance et en l'absence de moyens spécifiques évitant le mélange des flux gazeux dans la ligne, on constate généralement une grande homogénéisation des gaz, néfaste à la bonne réalisation de l'invention. [0018] Dans une variante de l'invention, le substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote porte l'imprégnation faisant piège à oxydes d'azote uniquement dans les canaux du substrat débouchant dans la zone riche de la face d'entrée dudit substrat. Ceci permet d'économiser le coût de l'imprégnation faisant piège à NOx en regard de la zone pauvre de la face d'entrée du substrat, les canaux en regard de cette zone pauvre ayant, même en présence d'une imprégnation faisant piège à NOx, une efficacité réduite à nulle dans le traitement des oxydes d'azote. [0019] Dans une variante de l'invention, le substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote est un filtre à particules. L'association des deux fonctions sur une même brique de traitement permet un gain en encombrement, en masse, et un gain économique par la réduction du nombre de pains catalytiques. [0020] Préférentiellement, la ligne comporte en outre une brique catalytique en aval du substrat portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, apte au traitement des hydrocarbures imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement. Les gaz, globalement pauvres sortant du substrat faisant piège à NOx peuvent ainsi être efficacement dépollués. [0021] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : • La figure 1 présente l'architecture générale d'un moteur et de sa ligne d'échappement, permettant la mise en jeu de l'invention. • La figure 2 présente schématiquement la répartition de richesse des gaz sur la face d'entrée du substrat portant une imprégnation faisant piège à NOx, selon une variante de l'invention. • La figure 3 présente sur un graphe la répartition de richesse le long d'un diamètre de la face d'entrée du piège à NOx, selon une variante de l'invention. [0022] La figure 1 présente l'une des architectures de ligne d'échappement permettant la réalisation de l'invention. On entend les notions d'amont et d'aval selon le sens de circulation des gaz dans le circuit d'échappement, du moteur vers la sortie de la ligne d'échappement. La ligne d'échappement du moteur 1 comporte un substrat catalytique 2 portant d'une imprégnation faisant piège à NOx (que l'on désignera de façon équivalente � piège à NOx� 2) et, en amont du substrat catalytique 2 un dispositif d'introduction de carburant à l'échappement 3. Dans l'architecture ici représentée, en aval du substrat catalytique 2 est disposée une seconde brique catalytique 4 portant une formulation permettant l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HO). [0023] Selon la variante de l'invention ici représentée, le dispositif d'introduction de carburant à l'échappement 3 permet d'obtenir une distribution hétérogène de la concentration d'hydrocarbures sur la face d'entrée du substrat portant d'une imprégnation faisant piège à NOx 2. [0024] Pour cela, le dispositif d'introduction de carburant peut être un dispositif d'injection sous pression orienté vers le catalyseur et dont le cône d'injection ne couvre qu'une partie de la face du catalyseur. [0025] Par ailleurs, quel que soit le dispositif d'introduction de carburant dans la ligne d'échappement du moteur 1, et notamment s'il s'agit d'un système d'introduction de vapeurs de carburant, il est possible d'obtenir la répartition de richesse hétérogène recherchée dans les gaz d'échappement en garantissant un champ de vitesses hétérogène dans les gaz d'échappement, et en injectant le liquide ou la vapeur dans une certaine zone du flux qui ne permet pas une diffusion (c'est-à-dire un mélange dans l'ensemble du flux gazeux) suffisante des hydrocarbures introduits avant d'atteindre substrat portant une imprégnation faisant piège à NOx 2. [0026] Un tel flux hétérogène dans les gaz d'échappement peut être obtenu par exemple par la forme même des canalisations d'échappement ou la mise en place de dispositifs spécifiques comme des ailettes, parois, ou canaux à l'intérieur de ces canalisations. Il est également possible de séparer le flux des gaz d'échappement par une tubulure interne au circuit d'échappement. En l'absence de moyen spécifique pour guider les flux de gaz d'échappement riches vers le piège à NOx, le dispositif d'introduction de carburant sera positionné à proximité (typiquement à moins de 30cm) de la face d'entrée du piège à NOx afin de limiter la diffusion des gaz d'échappement enrichis dans les gaz d'échappement pauvres avant l'arrivée à l'entré du piège à NOx. [0027] Notons que de nombreuses variantes d'architectures de ligne d'échappement permettent la réalisation de la présente invention. Typiquement, et de manière non exhaustive : • Le substrat portant une imprégnation faisant piège à NOx 2 ou celui de la seconde brique catalytique 4 peut être un filtre à particules. • D'autres briques catalytiques peuvent être présentes dans la ligne d'échappement : en amont du dispositif d'introduction de carburant 3, entre le piège à NOx 2 et la seconde brique catalytique 4, ou en aval de la seconde brique catalytique 4. • Un filtre à particule peut être présent dans la ligne d'échappement en amont du dispositif d'introduction de carburant 3, entre le piège à NOx 2 et la seconde brique catalytique 4, ou en aval de la seconde brique catalytique 4 [0028] La figure 2 présente schématiquement la répartition de richesse des gaz d'échappement sur face d'entrée du piège à NOx lors de ses purges, selon l'un des modes de réalisation de l'invention. [0029] La répartition de la richesse des gaz d'échappement entrant dans le piège à NOx pendant ses purges présente selon l'invention la particularité d'être hétérogène. Plus spécifiquement, on s'assure que des gaz d'échappement présentant une richesse supérieure à 1 vont se présenter sur la face d'entrée du piège à NOx dans une zone (ou un ensemble de zones) prédéterminée dite zone riche A. De façon corolaire, la face d'entrée de piège à NOx présente également une zone pauvre B (ou un ensemble de zones pauvres) en face de laquelle vont se présenter des gaz d'échappement présentant une richesse inférieure à 1. [0030] Globalement, on cherche préférentiellement à ce que les gaz d'échappement restent pauvres à la sortie du moteur 1, mais aussi en moyenne en aval du piège à NOx 2. Ceci permet de traiter efficacement les hydrocarbures imbrûlés. [0031] Cependant, le fait que les gaz présentent localement une richesse supérieure à 1 sur une fraction du pain catalytique 2 imprégné d'une formulation piège à NOx permet d'avoir une efficacité du piège à NOx suffisante pour atteindre les normes d'émissions polluantes dans de nombreux cas de figure. [0032] La figure 3 illustre sur un graphe les richesses locales et moyenne le long d'un diamètre de la face d'entrée du pain catalytique faisant piège à NOx 2. [0033] Dans cet exemple, la richesse des gaz d'échappement à la sortie du moteur 1 est de 0,75. Avec une richesse de cet ordre, la dilution du lubrifiant du moteur 1 par le carburant, la pénalité en termes de consommation, l'encrassement de la ligne d'air et l'instabilité de fonctionnement restent faibles. La richesse des gaz d'échappement d'un moteur Diesel est généralement comprise entre 0,3 et 0,9. Dans le cadre de l'invention, on visera à obtenir pendant les purges du piège à oxydes d'azote une richesse moyenne en sortie du moteur comprise entre 0,7 et 0,90, car une telle richesse permet d'éviter de générer un exotherme trop important dans le circuit d'échappement du fait de l'oxydation des HC. [0034] L'ajout de gazole à l'échappement de façon hétérogène permet de passer localement à une richesse supérieure à 1, et plus précisément à 1,08 dans l'exemple ici représenté. [0035] Typiquement, et tel que représenté sur les figures 2 et 3, on peut avoir une zone riche A représentant environ 60% de la surface totale de la face d'entrée du piège à NOx et sur laquelle arrivent des gaz d'échappement présentant une richesse de 1,08, et une zone pauvre B représentant environ 30% de la surface totale de la face d'entrée du piège à NOx et sur laquelle arrivent des gaz d'échappement présentant une richesse de 0,75 (richesse en sortie du moteur 1). Les 10% restant sont les zones intermédiaires entre la zone riche A et la zone pauvre B, ces zones étant proche de la richesse 1 (stoechiométrie). [0036] Dans cette configuration, la richesse globale à l'échappement est alors de 0,95, ce qui permet de garantir une efficacité du DOC suffisante pour traiter les HC. [0037] La richesse sur une grande partie du pain catalytique est suffisante pour permettre une purge rapide et efficace du piège à NOx. En se basant sur une efficacité nominale de conversion de 50% des NOx par le piège à NOx et le système catalytique, une efficacité de conversion des NOx supérieure à 30% est accessible par la variante de l'invention représentée (60% d'une efficacité de 50%). [0038] Pour la mise en jeu de la présente invention, il est donc possible de partir de l'efficacité nominale supposée du piège à oxydes d'azote pour déterminer la surface à allouer à la zone riche A. [0039] Il est ainsi possible, selon le taux d'enrichissement des gaz d'échappement et la définition de la taille de zone riche A en entrée du piège à NOx, de moduler l'efficacité de conversion des NOx du système de post-traitement du moteur, tout en limitant la surconsommation et en traitant néanmoins les hydrocarbures imbrûlés de façon efficace. [0040] Selon le principe précédemment décrit, de nombreuses variantes de l'invention sont envisageables, notamment et de façon non limitative : • Le substrat faisant piège à NOx 2 peut être imprégné avec une formulation zonée, sur laquelle la formulation de type piège à NOx n'est présente que dans la zone correspondant à la zone riche A (dans les canaux débouchant sur la zone riche A), typiquement au centre du la brique. • Il est possible de n'utiliser le procédé mettant en jeu l'introduction de carburant à l'échappement selon l'invention que dans certaines plages de fonctionnement du moteur, lorsque le passage du moteur en mode riche est difficile, par exemple du fait des problèmes de dilution, de stabilité, d'encrassement, etc. Lorsque le passage en mode riche n'est pas problématique, il est alors effectué uniquement par post-injection et limitation de l'admission d'air. [0041] Même si l'application préférentielle de l'invention concerne les moteurs Diesel, la technologie décrite est aussi envisageable pour un moteur à allumage commandé (généralement, un moteur à essence) fonctionnant en mélange pauvre. L'injection de gazole ou de vapeurs de gazole est alors remplacée par l'introduction d'essence ou de vapeurs d'essence à l'échappement selon le même principe (distribution hétérogène sur la face du piège à NOx), et permet de la même manière une purge du piège à NOx rapide et un post-traitement efficace des hydrocarbures imbrûlés. Revendications: 1. Procédé de purge d'un substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1), caractérisé en ce qu'on ménage une répartition hétérogène de la richesse des gaz d'échappement en entrée dudit substrat (2), la richesse moyenne des gaz d'échappement en sortie substrat (2) étant inférieure à 1. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant les phases de purges, on assure l'arrivée de gaz d'échappement de richesse supérieure à 1, et de préférence supérieure à 1,05 , sur au moins une zone prédéterminée de la face d'entrée du substrat (2), dite zone riche (A), et l'arrivée de gaz d'échappement de richesse inférieure à 1 sur au moins une zone prédéterminée de la face d'entrée du substrat (2), dite zone pauvre (B). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on assure en regard de la zone pauvre (B) l'arrivée de gaz d'échappement ayant une richesse comprise entre 0,7 et 0,9. 4. Procédé selon revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de la zone riche (A) représente 50% à 90% de la surface totale de la face d'entrée du substrat (2). 5. Ligne d'échappement d'un moteur à combustion (1) comportant un substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, en amont duquel est installé un moyen d'introduction de carburant (3) dans la ligne d'échappement, caractérisée en ce que le moyen d'introduction de carburant comporte un moyen tel que la répartition du carburant introduit par le moyen d'introduction de carburant (3) est hétérogène en entrée du substrat (2). 6. Ligne d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyen d'introduction du carburant (3) est un dispositif d'injection sous pression orienté vers le substrat (2) et dont le cône d'injection n'intercepte qu'une partie de la face d'entrée du substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, partie dite zone riche (A). 7. Ligne d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyen d'introduction de carburant (3) présente des moyens de canalisation du flux des gazd'échappement enrichis, de sorte que le flux des gaz d'échappement enrichis n'intercepte qu'une partie de la face d'entrée du substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, partie dite zone riche (A). 8. Ligne d'échappement selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que le moyen d'introduction de carburant (3) est disposé à une distance inférieure à 30cm de la face d'entrée du substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote. 9. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote porte l'imprégnation faisant piège à oxydes d'azote uniquement dans les canaux du substrat débouchant dans la zone riche (A) de la face d'entrée dudit substrat. 10. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que le substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote est un filtre à particules. 11. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une brique catalytique (4) en aval du substrat (2) portant une imprégnation faisant piège à oxydes d'azote, ladite brique étant apte au traitement des hydrocarbures imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement.