Brevet FR2937882A1 — publié le 20100507

PROCEDE DE DIMENSIONNEMENT D'UN CATALYSEUR D'OXYDATION [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 5 moteurs Diesel. [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 10 dioxyde de carbone). [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 dans la ligne d'échappement. Une deuxième stratégie de réduction des rejets 15 polluants consiste à réaliser un post-traitement des gaz traversant la ligne d'échappement. [0004] Pour réaliser un post-traitement, la plupart des véhicules sont désormais équipés d'un convertisseur catalytique comprenant un catalyseur d'oxydation (pour oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés) et un catalyseur de 20 réduction (pour réduire les oxydes d'azote). [0005] Le catalyseur d'oxydation comprend 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 25 d'échappement. Les principaux composants du corps sont généralement de l'alumine ou des alumino-silicates dopés par de la zircone (cordiérite, mullite, mullitezircone). Le revêtement en matériaux actifs peut être composé de métaux précieux combinés tels que le platine, le palladium ou le rhodium. [0006] Les réglementations applicables en matière de pollution par des véhicules 30 automobiles abaissent régulièrement les plafonds de rejets acceptables. Par conséquent, une plus grande quantité de métaux précieux est nécessaire dans le catalyseur d'oxydation afin d'accroître le rendement d'oxydation. Ces matériaux étant particulièrement coûteux, cela conduit à un renchérissement non négligeable du catalyseur d'oxydation. Par ailleurs, l'augmentation de la quantité de métaux précieux s'avère parfois insuffisante pour accroître suffisamment le rendement d'oxydation. [0007] 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. [000si 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 imbrûlé 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. [0009] Même si les normes de rejet du moteur sont respectées, la régénération peut conduire transitoirement à l'émission de fumée et d'odeurs perceptibles, ce qui est mal perçu par les utilisateurs. L'augmentation de la quantité de métaux précieux dans les catalyseurs d'oxydation permet d'éviter des fumées et des odeurs d'hydrocarbures pendant la régénération du filtre à particules, au détriment d'un surcoût de ce catalyseur. Une augmentation raisonnable de la quantité de métaux précieux ne permet cependant pas de réduire suffisamment ces rejets transitoires durant la régénération. [0010 L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un procédé de dimensionnement d'un catalyseur d'oxydation d'un moteur à combustion interne diesel, comprenant les étapes de détermination par l'intermédiaire d'un calculateur d'une première longueur d'un support du catalyseur recouvert d'un matériau catalyseur d'oxydation et d'une quantité dudit matériau devant recouvrir le support, ladite première longueur et ladite quantité garantissant en sortie de catalyseur un niveau de rejet de gaz polluant inférieur à un seuil prédéfini; et, d'une deuxième longueur du support du catalyseur, et selon laquelle est repartie ladite quantité de matériau. [0011] En d'autres termes, l'invention consiste à � étirer � le catalyseur, sans pour autant modifier la quantité de matériaux catalyseurs, autrement dit essentiellement de métaux précieux utilisés. Ces matériaux catalyseurs peuvent être répartis de façon homogène sur toute la longueur du catalyseur ou non, mais en conservant le même schéma de répartition. [0012] Dans une variante, ladite première longueur peut être calculée pour correspondre à un multiple compris entre 1 et 1,5 de la cylindrée du moteur. [0013] Dans une variante, on prévoit d'équiper le moteur de n supports, chacun 15 d'une longueur égale à 1/n de la deuxième longueur telle que calculée selon l'invention. [0014] Selon une variante, ledit seuil prédéfini de rejet est le seuil de rejet de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés défini selon une première norme, 20 tel que par exemple la norme dite Euro5, applicable à partir de 2009 pour des véhicules commercialisé en Europe. [0015] Selon encore une variante, ledit seuil prédéfini de rejet est le seuil de rejet cumulé sur un cycle de roulage prédéfini, tel que par exemple un cycle MVEG dudit moteur. 25 [0016] Selon une autre variante, ledit seuil prédéfini de rejet est un seuil de rejet de fumées et d'hydrocarbures imbrûlés en sortie d'un filtre à particules placé en aval du catalyseur durant une étape de régénération de ce filtre à particules. [0017] Selon encore une autre variante, ladite deuxième longueur est supérieure d'au moins 50 millimètres à la première longueur. 30 [0018] Selon une variante, ladite deuxième longueur est supérieure d'au plus 110 millimètres à la première longueur. [0019] L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un véhicule automobile, comprenant le dimensionnement d'un catalyseur par un procédé tel que décrit ci-dessus ; la fabrication dudit catalyseur présentant un support ayant ladite longueur et incluant ladite quantité de matériaux catalyseur d'oxydation ; et, l'assemblage dudit catalyseur sur la ligne d'échappement dudit moteur à combustion interne prédéterminé. [0020] Selon une variante, ledit support est constitué de céramique. [0021] Selon encore une variante, le matériau catalyseur d'oxydation comprend des métaux précieux. [0022] 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 : • la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur diesel et de son circuit 15 d'échappement comprenant un catalyseur d'oxydation et un filtre à particules ; • la figure 2 est une vue en section transversale agrandie d'un catalyseur d'oxydation. [0023] L'invention propose de dimensionner un catalyseur d'oxydation de moteur à 20 combustion interne. L'invention propose de déterminer par l'intermédiaire d'un calculateur électronique les paramètres de dimensionnement suivant : • une première longueur d'un support de catalyseur recouvert d'un matériau catalyseur d'oxydation et une quantité de ce matériau devant recouvrir le support, cette première longueur et cette quantité garantissant en sortie de catalyseur un 25 niveau de rejets de gaz polluants inférieur à un seuil prédéfini pour des gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne prédéterminé ; • une deuxième longueur du support de catalyseur, cette deuxième longueur étant supérieure d'au moins 20 mm à la première longueur, et cette deuxième longueur étant une longueur minimale du support du catalyseur à adjoindre au moteur10 lorsque ce support est revêtu de ladite quantité déterminée de matériau catalyseur d'oxydation. [0024] Ainsi, le catalyseur d'oxydation fabriquée selon ce dimensionnement présentera un rendement d'oxydation sensiblement accru, pour une même quantité de matériau catalyseur d'oxydation. Ce catalyseur d'oxydation associé au moteur pour lequel il a été dimensionné permettra alors d'éliminer la perception d'odeur ou de fumées à l'échappement. Ceci s'avère particulièrement avantageux lorsque le circuit d'échappement comprend un filtre à particules régénéré. Un filtre à particules catalysé n'est notamment pas indispensable, ce qui permet également de réduire les émissions polluantes d'oxydes d'azote. [0025] 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 catalyseur d'oxydation 4. Un filtre à particules 5 est raccordé dans le circuit d'échappement 2 en aval du catalyseur 4. Dans le mode de réalisation illustré, un dispositif d'injection de carburant à l'échappement 6 est disposé de façon à injecter du carburant dans le conduit 3 en amont du catalyseur 4 (la notion d'amont et d'aval étant définie par rapport au sens général d'écoulement des gaz d'échappement). Le dispositif d'injection de carburant 6 permet d'accroître transitoirement la quantité d'hydrocarbures imbrûlés traversant le catalyseur 4, et ainsi de réaliser la régénération du filtre à particules 5. D'autres modes de régénération du filtre à particules 5 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 4. [0026] La figure 2 représente une vue en section transversale du catalyseur d'oxydation 4. Le catalyseur d'oxydation 4 présente un support dont les parois 42 délimitent une multitude de conduits 41 d'écoulement des gaz d'échappement. Les parois 42 sont revêtues d'une couche de matériau catalyseur d'oxydation 43 connue en soi. [0027] La longueur du support du catalyseur d'oxydation définit la longueur entre l'entrée et la sortie des conduits 41 dont les parois 42 sont recouvertes de matériau catalyseur d'oxydation. Le support du catalyseur 4 pourra présenter une forme cylindrique. Le support pourra être réalisé de façon monolithique et pourra présenter une section en nid-d'abeille. Le support sera avantageusement réalisé en céramique, notamment de la cordiérite. [0028] Le matériau catalyseur d'oxydation pourra comprendre de façon connue en soi du palladium ou du platine ou une combinaison de ces métaux précieux. La quantité de matériau catalyseur d'oxydation déterminée correspondra typiquement au poids de métaux précieux à appliquer sur le support du catalyseur 4. [0029] Le dimensionnement déterminant la première longueur du support et la quantité de matériaux catalyseur d'oxydation recouvrant le support est effectué de sorte que cette première longueur et cette quantité de matériau garantisse à la sortie du catalyseur 4 un niveau de rejet de gaz polluants inférieur à un seuil prédéfini pour des gaz d'échappement provenant du moteur 1. [0030] Le seuil de rejet sera par exemple un seuil de rejet d'hydrocarbures imbrûlés ou de monoxyde de carbone fixé par une réglementation. Ce seuil de rejet pourra notamment être le seuil de rejet fixé par la norme Euro 5. Ce seuil de rejet définit notamment les quantités d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone admissibles après un roulage de 160 000 km du véhicule. Les rejets en sortie du catalyseur 4 pourront notamment être basés sur un cycle MVEG du moteur 1. [0031] Le seuil de rejet utilisé pour le dimensionnement pourra également être la non perception de fumées ou d'odeurs en sortie de l'échappement, et en particulier en sortie du filtre à particules, pour un catalyseur ayant subi un roulage de 210 000 km, voire 240 000 km. [0032] Une première règle empirique de dimensionnement de la première longueur du support du catalyseur 4 peut être la suivante : à partir d'une cylindrée connue du moteur, on multiplie cette cylindrée par 1,25 pour obtenir le volume d'un catalyseur d'oxydation adéquat. Avec un support de catalyseur cylindrique d'un diamètre prédéfini de 144 millimètres, on en déduit la première longueur de ce support. Par exemple, pour un moteur de 2 litres de cylindrée, on en déduit un volume de catalyseur de 2,5 litres. On en déduit une première longueur du support de 153 millimètres. En cas de présence d'un pré-catalyseur d'oxydation dans le circuit d'échappement 2, on pourra exiger que le volume du pré-catalyseur soit au moins égal à 0,6 fois la cylindrée du moteur, et que la somme des volumes du pré-catalyseur et du catalyseur d'oxydation soit supérieure à 1,25 fois la cylindrée du moteur. [0033] Pour cette première longueur déterminée, on déduit ensuite empiriquement une quantité de métaux précieux à inclure dans le catalyseur 4 pour respecter le seuil prédéfini. Lorsque plusieurs seuils de rejet prédéfinis sont pris en compte pour dimensionner le catalyseur 4, on retiendra la quantité de métaux précieux permettant de satisfaire à l'ensemble de ces seuils de rejet pour la première longueur déterminée. Pour satisfaire aux normes d'émissions euro 5, on déterminera par exemple une quantité de platine de 10 grammes dans l'exemple qui précède, en association avec le support ayant une première longueur de 153 mm. [0034] On détermine ensuite une seconde longueur du support du catalyseur 4, cette seconde longueur étant la longueur minimale du support du catalyseur 4 que l'on souhaite réaliser en utilisant la quantité de métaux précieux déterminée auparavant. Dans l'exemple qui précède, la seconde longueur sera de 180 mm, soit plus de 20 mm de plus que la première longueur de 153 mm. [0035] Afin d'accroître encore le rendement d'oxydation du catalyseur 4, la deuxième longueur déterminée pour le support sera avantageusement supérieure d'au moins 50 millimètres à la première longueur pour la quantité de métaux précieux déterminée. Pour limiter le coût et l'encombrement du catalyseur 4, la deuxième longueur sera au plus supérieure de 110 mm à la première longueur. [0036] Bien que la figure 1 n'illustre qu'un catalyseur d'oxydation 4, le catalyseur d'oxydation pourra également se décomposer en un pré-catalyseur situé typiquement à proximité du moteur à combustion interne et un catalyseur d'oxydation situé sous le châssis du véhicule. La deuxième longueur déterminée correspondra à la somme de la longueur minimum du support du pré-catalyseur et de la longueur minimum du support du catalyseur sous châssis. Le dispositif d'injection de carburant à l'échappement 6 pourra avantageusement être placé entre le pré-catalyseur et le catalyseur d'oxydation 4.30 REVENDICATIONS1. Catalyseur d'oxydation (4) d'un moteur obtenu de la manière suivante : • Détermination d'au moins une première longueur d'un support du catalyseur (4) recouvert d'un matériau catalyseur d'oxydation (43) et d'une quantité dudit matériau devant recouvrir le support, ladite première longueur et ladite quantité garantissant en sortie de catalyseur un niveau de rejet de gaz polluant inférieur à un seuil prédéfini; • Détermination d'une deuxième longueur du support du catalyseur, cette deuxième longueur étant supérieure d'au moins 20 millimètres à la première longueur, • Répartition de ladite quantité de matériau sur l'ensemble de la deuxième longueur. 2. Catalyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première longueur est telle que le volume du catalyseur est compris entre 1 et 1,5 fois la cylindrée du moteur. 3. Catalyseur selon la revendication 1 ou la revendication 2, constitué par n supports de catalyseur, dont la longueur totale additionnée correspond à ladite deuxième longueur. 4. Catalyseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit seuil prédéfini de rejet est le seuil de rejet de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés défini selon une première norme. 5. Catalyseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit seuil prédéfini de rejet est le seuil de rejet cumulé sur un cycle de roulage prédéfini. 6. Catalyseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit seuil prédéfini de rejet est un seuil de rejet de fumées et d'hydrocarbures imbrûlés en sortie d'un filtre à particules (5) placé en aval du catalyseur (4) durant une étape de régénération de ce filtre à particules (5). 7. Catalyseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite deuxième longueur est supérieure d'au moins 50 millimètres à la première longueur. 35 8. Catalyseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite deuxième longueur est supérieure d'au plus 110 millimètres à la première longueur. 9. Procédé de fabrication d'un véhicule automobile, comprenant le la fabrication d'un catalyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et, l'assemblage dudit catalyseur sur la ligne d'échappement (2) dudit moteur à combustion interne (1) prédéterminé. 10. Procédé de fabrication d'un véhicule automobile selon la revendication 9, dans lequel le matériau catalyseur d'oxydation comprend des métaux précieux.