Brevet FR2940921A1 — publié le 20100716

DISPOSITIF DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR [000l] La présente invention concerne un dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un moteur, notamment d'un moteur à combustion interne de véhicule. [0002] La combustion de combustible fossile comme le pétrole ou le charbon dans un système de combustion, en particulier le carburant dans un moteur, peut entraîner la production en quantité non négligeable de polluants qui peuvent être déchargés par l'échappement dans l'environnement et y causer des dégâts. Parmi ces polluants, les oxydes d'azote (appelés NOx) posent un problème particulier puisque ces gaz sont soupçonnés d'être un des facteurs qui contribuent à la formation des pluies acides et à la déforestation. En outre, les NOx sont liés à des problèmes de santé pour les humains et sont un élément clé de la formation de � smog � (nuage de pollution) dans les villes. La législation impose des niveaux de rigueur croissante pour leur réduction et/ou leur élimination de sources fixes ou mobiles. [0003] Pour cela, une solution ayant fait la preuve de son efficacité est l'utilisation d'une source d'ammoniac (NH3), telle que l'urée aqueuse, qui est introduite dans les gaz d'échappement et qui réagit avec les NOx sur un catalyseur dans un système de dénitrification (DeNox) pour former de l'azote N2 inerte et de l'eau H2O. [0004] Par exemple, le document US 5 209 062 propose de faire passer les gaz d'échappement d'un moteur diesel à travers un mélangeur statique doté d'un revêtement catalytique, de l'urée étant injectée dans les gaz d'échappement en amont du mélangeur. [0005] Par ailleurs, le document US 2007/0051096 propose de disposer successivement sur une ligne d'échappement un système pré-catalytique pour catalyser la conversion du monoxyde d'azote en dioxyde d'azote, puis un système catalytique pour la réduction des NOx. L'agent réducteur est injecté avant le système pré-catalytique ou entre celui-ci et le système catalytique, selon la température. [0006] Le document US 2007/0245718 décrit une ligne d'échappement dotée de moyens d'injection d'agent réducteur et d'un système de traitement catalytique des NOx, un mélangeur statique étant prévu entre ces deux éléments. Différentes géométries de mélangeurs sont décrites. [0007] D'autre part, il est également connu que la décomposition de l'urée implique deux réactions successives : • la thermolyse de l'urée, qui produit une mole d'ammoniac et une mole d'acide isocyanique par mole d'urée ; puis • l'hydrolyse de l'acide isocyanique, qui produit une mole d'ammoniac et une mole de dioxyde de carbone par molécule d'acide isocyanique. [0008] Pour les applications sur véhicule, l'étape cinétiquement limitante est l'hydrolyse de l'acide isocyanique. [0009] On connaît divers catalyseurs de l'hydrolyse de l'acide isocyanique. Dans les applications automobiles, on emploie en général des catalyseurs à base d'oxyde de titane rutile, sous forme de brique céramique disposée en amont du catalyseur principal prévu pour la dénitrification. L'inclusion d'un tel catalyseur supplémentaire dans une ligne d'échappement implique toutefois une complexification de la ligne d'échappement (et donc un surcoût), et elle peut également perturber l'écoulement gazeux. [ooio] Aussi, il existe un besoin de mettre au point une ligne d'échappement améliorée, dans laquelle une plus grande proportion de l'urée injectée est effectivement utile pour la réduction des NOx, et ce de manière plus simple, moins onéreuse, et sans perturber l'écoulement gazeux. [0011] Pour cela, l'invention propose un dispositif de traitement de gaz d'échappement comprenant une ligne d'échappement dans laquelle sont disposés des moyens d'injection d'urée, en aval de ces moyens d'injection d'urée, un mélangeur et en aval du mélangeur, un système de dénitrification catalytique, caractérisé en ce que le mélangeur étant au moins pour partie revêtu d' un catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique. [0012] Dans une variante, le mélangeur est un mélangeur statique. [0013] Dans une variante, le mélangeur comporte des éléments mélangeurs et le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est déposé sur au moins une partie de la surface des éléments mélangeurs. [0014] Dans une variante, le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est à base d'oxydes métalliques. [0015] Dans une variante, le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique présente une surface spécifique d'au moins 20 m2/g après un traitement à 650°C, de préférence, d'au moins 50 m2/g après un traitement à 700°C et de préférence encore, d'au moins 80 m2/g après un traitement à 700°C [0016] Dans une variante, le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est choisi parmi les zircones, les zircones sulfatées, les zircones tungstées, les oxydes mixtes zircone / praséodyme, les alumines stabilisées par de l'oxyde de lanthane éventuellement dopées par du niobium et / ou de l'oxyde de silicium, les oxydes zircone û silice û titane, et les combinaisons de ceux-ci. [0017] Dans une variante, le système de dénitrification catalytique comprend un système acide solide à base d'oxyde de vanadium, à base d'oxyde de tungstène et d'oxyde de titane ou d'oxyde de vanadium, à base d'oxyde de molybdène et d'oxyde de titane, ou à base de zéolites échangées par un élément tel que le fer ou le cuivre ou le cérium. [0018] L'invention a également pour objet un véhicule comprenant un dispositif de traitement de gaz d'échappement tel que défini précédemment. [0019] L'invention a par ailleurs également pour objet un procédé de traitement de gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote, le procédé comprenant successivement l'injection d'urée dans les gaz d'échappement ; le mélange des gaz d'échappement au moyen d'un mélangeur ; la dénitrification catalytique des gaz d'échappement ; le mélangeur étant revêtu d'un catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique. [0020] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins qui montrent : • Figure 1 : représentation schématique d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'invention. • Figure 2 : un exemple de mélangeur statique pouvant convenir pour la mise en oeuvre de l'invention. [0021] En faisant référence à la figure 1, un dispositif de traitement de gaz d'échappement 7 selon l'invention est branché en sortie d'une source de gaz d'échappement, par exemple en sortie d'un moteur 1, qui peut notamment être un moteur à combustion interne, essence ou diesel, ces gaz d'échappement pouvant notamment comporter des oxydes d'azote généralement dénotés NOx. [0022] Le dispositif de traitement de gaz d'échappement 7 comprend une ligne d'échappement 2. Des moyens d'injection d'urée 3 sont prévus sur la ligne d'échappement 2. Ces moyens d'injection d'urée 3 sont généralement connectés à un réservoir d'urée 4 qui alimente en urée les moyens d'injection d'urée 3. Par � urée � on entend en général dans le cadre de l'invention une solution d'urée aqueuse. Toutefois � l'injection d'urée �, au sens de la présente demande, couvre également l'injection, en tout ou en partie, des produits de la thermolyse de l'urée (ammoniac et acide isocyanique). En d'autres termes, au sens de la présente demande, � l'injection d'urée � peut signifier l'injection d'urée non thermolysée (auquel cas la thermolyse de l'urée intervient après injection), ou l'injection d'urée partiellement thermolysée (injection d'un mélange d'urée, d'ammoniac et d'acide isocyanique), ou encore l'injection d'urée totalement thermolysée (injection d'un mélange d'ammoniac et d'acide isocyanique). [0023] Les moyens d'injection d'urée 3 peuvent comprendre par exemple un injecteur ou un atomiseur ou un évaporateur. [0024] Le dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens de chauffage (non représentés) afin de mener à bien la thermolyse de l'urée, si nécessaire. [0025] En aval des moyens d'injection d'urée 3, par rapport à la direction d'écoulement du gaz (représentée par une flèche), un système de dénitrification catalytique 6 est prévu. Ce système de dénitrification catalytique 6 est adapté à effectuer la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement grâce à l'ammoniac produit par la décomposition de l'urée. [0026] Le système de dénitrification catalytique 6 est de tout type connu dans le domaine. Il comprend un catalyseur qui peut notamment être un système acide solide à base d'oxyde de vanadium, à base d'oxyde de tungstène et d'oxyde de titane ou d'oxyde de vanadium, à base d'oxyde de molybdène et d'oxyde de titane, ou à base de zéolites échangées par un élément métallique tel que le fer ou le cuivre ou le cérium . [0027] Toujours sur la ligne d'échappement 2, entre les moyens d'injection d'urée 3 et le système de dénitrification catalytique 6, on prévoit un mélangeur 5. [0028] Le mélangeur 5 peut être tout mélangeur susceptible de mélanger un flux gazeux contenant éventuellement des gouttelettes de liquide. Il peut s'agir en particulier d'un mélangeur dynamique, notamment un mélangeur rotatif comportant un stator et un rotor servant d'élément mélangeur, entrainé directement par les gaz d'échappement ou par un arbre motorisé. Mais de préférence, le mélangeur 5 est un mélangeur statique. [0029] Par � mélangeur statique � on entend ici une portion de la ligne d'échappement 2 dotée d'un insert portant au moins un élément mélangeur fixe (solidaire de la ligne d'échappement 2). Un exemple d'insert est proposé à la figure 2, qui reprend une architecture d'insert proposée à la figure 10 de la demande de brevet US 2007245718, et qui comporte en l'occurrence 6 pattes 8 formant des éléments mélangeurs. Ces éléments mélangeurs forment une structuration du mélangeur 5, et peuvent être par exemple de forme hélicoïdale, lamellaire, ou encore consister en une garniture de mousse rigide alvéolaire à porosité ouverte. Toute géométrie de mélangeur statique peut être appropriée. [0030] Selon l'invention, le mélangeur 5 û ou du moins une partie des éléments mélangeurs de celui-ci, est revêtu d'un catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique. Ainsi, le traitement des gaz d'échappement est optimisé. En effet, le mélange des gaz avec l'urée et / ou ses produits de décomposition, ammoniac et acide isocyanique, est effectué concomitamment à l'hydrolyse de l'acide isocyanique assistée par catalyse. Ainsi, une plus grande partie de l'urée utilisée est convertie en ammoniac et est donc effectivement utile pour la réduction ultérieure des NOx, et ce de manière plus simple, moins onéreuse que dans l'état de la technique. De plus, on n'induit pas de perte de charge ou de perturbation de l'écoulement gazeux, contrairement à ce qui serait le cas si l'on incluait un module spécifique pour la catalyse de l'hydrolyse de l'acide isocyanique dans la ligne d'échappement, en plus du mélangeur. En outre, la présence du catalyseur au niveau du mélangeur 5 lui-même permet d'optimiser le contact entre l'acide isocyanique présent dans le flux des gaz d'échappement et le catalyseur. En sortie du mélangeur 5, l'ammoniac (produit ultime de la décomposition de l'urée) est intimement mélangé avec les gaz d'échappement, ce qui facilite la réduction ultérieure des NOx. [0031] Le mélangeur 5 peut être revêtu du catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique selon toute méthode connue de l'homme du métier. En particulier, ledit catalyseur est avantageusement déposé sur tout ou partie de la surface du mélangeur 5 qui est en contact avec le flux de gaz d'échappement. Plus particulièrement, ledit catalyseur peut être déposé sur tout ou partie de la surface des éléments mélangeants du mélangeur. [0032] Le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est choisi parmi l'ensemble des matériaux catalytiques appropriés pour catalyser l'hydrolyse de l'acide isocyanique, ensemble que l'homme du métier peut aisément déterminer. [0033] Selon un mode de réalisation préféré, le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est choisi parmi les matériaux catalytiques qui présentent en outre une bonne stabilité. Afin d'estimer la stabilité des matériaux catalytiques, on peut les soumettre à un vieillissement ex situ, typiquement en les soumettant à une température de l'ordre de 700°C. En effet, la plupart des matériaux catalytiques subissent une réduction de leur surface spécifique à une température élevée. Le vieillissement ex situ permet de vérifier quels matériaux conservent une surface spécifique suffisante dans ces conditions de traitement : de tels matériaux conservent également une bonne surface spécifique lorsque le dispositif selon l'invention est en fonctionnement. [0034] Selon un mode de réalisation, le choix du catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est donc tel que le catalyseur présente une surface spécifique d'au moins 20 m2/g après un traitement à 700°C. [0035] Selon un mode de réalisation, le choix du catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est donc tel que le catalyseur présente une surface spécifique d'au moins 50 m2/g après un traitement à 700°C. [0036] Selon un mode de réalisation, le choix du catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est donc tel que le catalyseur présente une surface spécifique d'au moins 80 m2/g après un traitement à 700°C. [0037] Cette stabilité améliorée par rapport à l'état de la technique (en particulier par rapport aux catalyseurs à base d'oxyde de titane rutile) permet une meilleure durabilité du dispositif selon l'invention. [0038] En particulier, le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique peut être choisi parmi les matériaux suivants, qui présentent une stabilité satisfaisante : les zircones, les zircones sulfatées, les zircones tungstées, les oxydes mixtes zircone / praséodyme, les alumines stabilisées par de l'oxyde de lanthane éventuellement dopées par du niobium et / ou de l'oxyde de silicium, les oxydes zircone ù silice ù titane, et les combinaisons de ceux-ci. [0039] Le dispositif selon l'invention peut être intégré dans un véhicule, notamment une voiture. Dans ce cas, le dispositif selon l'invention vient en remplacement d'une ligne d'échappement classique. Il peut alors comporter tous autres éléments supplémentaires appropriés au fonctionnement du véhicule. [0040] Le dispositif selon l'invention permet de mettre en oeuvre le procédé de traitement de gaz d'échappement selon l'invention. [0041] Selon ce procédé, les gaz d'échappement, qui contiennent un ou plusieurs oxydes d'azote, sont soumis aux étapes suivantes : • injection d'urée (et / ou des produits de thermolyse de celle-ci) ; • mélange de l'urée (et / ou des produits de thermolyse de celle-ci) et des gaz d'échappement au moyen d'un mélangeur ; • hydrolyse de l'acide isocyanique produit par thermolyse de l'urée, ladite hydrolyse étant catalysée par un catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique déposé sur le 5 mélangeur ; • dénitrification des gaz d'échappement, par réduction des oxydes d'azote au moyen de l'ammoniac produit par la décomposition de l'urée et l'hydrolyse de l'acide isocyanique, ladite dénitrification étant catalysée par un second catalyseur (catalyseur du système de dénitrification 6). REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement de gaz d'échappement (7) comprenant une ligne d'échappement (2) dans laquelle sont disposés des moyens d'injection d'urée (3), en aval de ces moyens d'injection d'urée (3), un mélangeur (5) et en aval du mélangeur (5), un système de dénitrification catalytique (6), caractérisé en ce que le mélangeur (5) étant au moins pour partie revêtu d' un catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique. 2. Dispositif de traitement de gaz d'échappement (7) selon la revendication 1, dans lequel le mélangeur (5) est un mélangeur statique. 3. Dispositif de traitement de gaz d'échappement (7) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le mélangeur (5) comporte des éléments mélangeurs, le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique étant déposé sur au moins une partie de la surface des éléments mélangeurs. 4. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est à base d'oxydes métalliques. 5. Dispositif de traitement de gaz d'échappement (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique présente une surface spécifique d'au moins 20 m2/g après un traitement à 650°C. 6. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique présente une surface spécifique d'au moins 50 m2/g après un traitement à 700°C. 7. Dispositif de traitement des gaz d'échappement (7) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique est choisi parmi les zircones, les zircones sulfatées, les zircones tungstées, les oxydes mixtes zircone / praséodyme, les alumines stabilisées par de l'oxyde de lanthane éventuellement dopées par du niobium et / ou de l'oxyde de silicium, les oxydes zircone û silice û titane, et les combinaisons de ceux-ci. 8. Dispositif de traitement de gaz d'échappement (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de dénitrification catalytique (6) comprend un système acide solide à base d'oxyde de vanadium, à base d'oxyde de tungstène et d'oxyde de titane ou d'oxyde de vanadium, à base d'oxyde de molybdène et d'oxyde de titane, ou à base de zéolites échangées par un élément tel que le fer ou le cuivre ou le cérium. 9. Véhicule comprenant le dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Procédé de traitement de gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote, le procédé comprenant successivement l'injection d'urée dans les gaz d'échappement ; le mélange des gaz d'échappement au moyen d'un mélangeur ; la dénitrification catalytique des gaz d'échappement ; le mélangeur étant revêtu d'un catalyseur de l'hydrolyse de l'acide isocyanique.20