Brevet FR2956154A1 — publié le 20110812

Ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs d'échappement de moteur à combustion interne et plus particulièrement à la dépollution par système catalytique. Arrière-plan technologique Depuis de nombreuses années, les constructeurs de véhicules automobiles à moteur thermique font beaucoup d'efforts pour réduire l'émission dans l'atmosphère de composés chimiques nuisibles à l'environnement produits par les moteurs thermiques lors de la combustion du carburant. Parmi ces composés, on trouve notamment le dioxyde de carbone CO2 ainsi que les oxydes d'azote, principalement le monoxyde NO et le dioxyde NO2 d'azote, désignés ensemble sous l'abréviation NON. Notons que la production d'oxydes d'azote est plus importante pour les moteurs Diesel que pour les moteurs à essence du fait de leur température de combustion plus élevée. Pour limiter l'émission des oxydes d'azote dans l'atmosphère, une solution actuellement utilisée consiste à placer sur la ligne d'échappement du véhicule un système de traitement des NON, appelé système SCR (« Selective Catalytic Reduction »), ayant pour fonction de réduire chimiquement les oxydes d'azote en molécules de di-azote et en vapeur d'eau au moyen d'un agent réducteur. En pratique, l'agent réducteur est injecté dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur spécifique SCR dans lequel se produit la réaction de réduction. Cependant, il n'est pas envisageable d'embarquer pour des raisons de sécurité et d'autonomie de l'ammoniac gazeux ou une solution aqueuse d'ammoniac. Parmi les technologies permettant d'embarquer une source d'ammoniac, il est connu par exemple d'utiliser des précurseurs de l'ammoniac, autrement dit des solutions apte à produire, après réaction chimique de l'ammoniac gazeux. Parmi les précurseurs de l'ammoniac connus, il se trouve les solutions aqueuses d'urée ou encore les solutions de formiate de guanidinium. Ainsi, lorsque l'on met en oeuvre une solution aqueuse d'urée, la production d'ammoniac gazeux dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur de réduction des oxydes d'azote est obtenue à partir de la décomposition de l'urée par 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 gaz carbonique. Cependant, la décomposition du précurseur de l'ammoniac en ammoniac nécessite de prévoir dans la ligne d'échappement une distance importante entre le point d'injection du précurseur et le catalyseur de réduction sélective afin d'obtenir la conversion totale en ammoniac et un mélange le plus abouti possible avec les gaz d'échappement. L'ensemble n'est donc pas compact et ne convient pas quand l'espace disponible dans la ligne d'échappement d'un véhicule automobile est de plus en plus contraint. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant une nouvelle ligne d'échappement permettant une décomposition du précurseur de l'ammoniac et un mélange homogène avec les gaz d'échappement sur une courte distance entre le point d'injection du précurseur de l'ammoniac et la section d'entrée des gaz d'échappement dans le catalyseur de réduction sélective. L'invention concerne donc une ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit principal s'étendant selon un axe longitudinal et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote, des moyens d'injection d'un précurseur de l'ammoniac dans le conduit principal disposés, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur, un mélangeur statique disposé entre les moyens d'injection et le catalyseur, caractérisée en ce que le mélangeur statique comprend une mousse céramique disposée dans le conduit principal entre les moyens d'injection et le catalyseur de réduction sélective, ladite mousse comprenant un revêtement catalytique de décomposition du précurseur de l'ammoniac en ammoniac dans la porosité de la mousse céramique. Par cette solution on combine ainsi avantageusement une intensification du mélange et une accélération de la décomposition du précurseur de l'ammoniac, ce qui autorise le rapprochement du moyen d'injection et du catalyseur de réduction sélective et donc un compactage de l'ensemble. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De préférence, pour des raisons économiques, la mousse céramique est à base de titane, d'alumine, de zircone ou en carbure de silicium. De préférence, la mousse céramique présente une porosité comprise entre 20% et 80% et de préférence encore dans cet intervalle une porosité supérieure 60%, afin d'obtenir un bon compromis entre les pertes de charges et la diffusion des gaz d'échappement et du précurseur. De préférence, la mousse céramique présente, relativement à l'axe longitudinal du conduit principal, une épaisseur comprise entre 1cm et 15 cm et de préférence encore comprise entre 1 cm et 5 cm, pour plus de compacité. Dans une variante les moyens d'injection d'agent réducteur comportent au moins un conduit d'amenée débouchant dans le conduit principal par au moins un orifice d'injection de précurseur de l'ammoniac, ce qui permet d'améliorer la distribution initiale de l'agent réducteur dans les gaz d'échappement, ce qui contribue à réduire la distance de mélange et de diffusion de l'agent réducteur. De préférence, le catalyseur de décomposition du précurseur de l'ammoniac est choisi parmi: -une zircone, -une zircone sulfatée, -une zircone tungstènée, -un oxyde de titane, de zircone, d'aluminium ou un mélange de ces oxydes, -un oxyde mixte zircone-praséodyme, -un alumine comprenant de l'oxyde de lanthane et dopé par du niobium ou de l'oxyde de silicium, -un oxyde zircone-silice-titane. De préférence, le précurseur de l'ammoniac est choisi parmi une solution aqueuse d'urée, une solution de formiate de guanidinium. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement de l'invention des gaz de combustion produits par ledit moteur. Brève description des dessins 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 à la figure unique dans laquelle : - La figure 1 est une représentation schématique. Description détaillée 10 La figure 1 présente une portion de ligne d'échappement de gaz brûlés produits par un moteur à combustion interne, non représenté ici. La ligne d'échappement comprend un conduit 1 principal, s'étendant selon un axe longitudinal XX, dans lequel circule un flux 2 de gaz brûlés encore nommé gaz d'échappement et raccordé à un catalyseur 3 de réduction sélective (ou SCR), pour la réduction des oxydes d'azote NOx présents dans 15 les gaz d'échappement, par réaction catalytique sélective entre les NOx et un précurseur de l'ammoniac. Le catalyseur 3 est doté d'une face d'entrée 4 des gaz d'échappement sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal XX. 20 En amont du catalyseur 3 SCR, relativement au sens d'écoulement des gaz d'échappement, sont disposés des moyens d'injection du précurseur de l'ammoniac comprenant un conduit 5 d'amenée d'un flux 6 de précurseur de l'ammoniac. Le conduit d'amenée 5 traverse le conduit 1 principal pour déboucher dans ce dernier et permettre 25 l'injection du précurseur de l'ammoniac par un orifice d'injection 7. Conformément à l'invention, il est prévu de disposer dans le conduit principal 1 entre les moyens d'injection et le catalyseur 3 de réduction sélective, une mousse céramique 8, faisant office de mélangeur statique, ladite mousse céramique 8 comprenant un 30 revêtement catalytique de décomposition du précurseur de l'ammoniac en ammoniac dans la porosité de la mousse céramique. Cette mousse céramique 8 peut avoir la forme d'une tranche cylindrique dans le sens de l'axe longitudinal XX et vient occuper l'intégralité de la section de passage des gaz 35 d'échappement dans le conduit 1 principal.5 De préférence, pour des raisons économiques, le précurseur de l'ammoniac est une solution aqueuse d'urée ou encore une solution de formiate de guanidinium. La tranche de mousse céramique 8 présente une face 9 d'entrée des gaz d'échappement et une face 10 de sortie des gaz d'échappement et a de préférence une épaisseur ep, prise entre ces deux faces 9, 10, selon une cote prise parallèlement à l'axe longitudinal XX, comprise entre 1 cm et 5 cm. Afin d'utiliser une mousse céramique 8 courante et économique, de préférence, la mousse céramique 8 est à base de titane, d'alumine, de zircone ou en carbure de silicium. La face 10 de sortie de la mousse céramique 8 peut être disposée à une première distance D, de la face 4 d'entrée des gaz d'échappement dans le catalyseur 3 SCR, selon une cote prise parallèlement à l'axe longitudinal XX, pouvant être comprise entre 1 cm et 50 cm et de préférence entre 1 et 15 cm pour plus de compacité. L'orifice d'injection 7 de l'ammoniac peut être disposé à une seconde distance D2 de la face 9 d'entrée de la tranche de mousse céramique 8, selon une cote prise parallèlement à l'axe longitudinal XX, comprise entre 1 et 5 cm. De préférence, le pain 8 de mousse céramique présente une porosité P comprise entre 20% et 80% et de préférence encore comprise entre 60% et 80%, afin d'obtenir un bon compromis entre les pertes de charge et la performance de mélange gaz d'échappement/ ammoniac de la mousse céramique 8. Par porosité P, on entend une grandeur exprimée ici en % et définie par la relation suivante : p = Vlol ù Vmc Vtol , avec Vlol, le volume total d'un échantillon de mousse céramique 8 et Vmc le volume de matière céramique contenu dans ledit échantillon. En raison de sa porosité P, la structure interne de la mousse céramique oppose à la circulation des gaz d'échappement et de l'ammoniac une multitude d'obstacle qui favorise (1) 100 non seulement l'homogénéisation de l'ammoniac avec les gaz d'échappement mais aussi la diffusion du mélange en cours dans une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal XX. L'invention permet avantageusement d'obtenir un mélangeur statique rigide, de grande résistance thermique, inerte chimiquement face aux gaz d'échappement, de porosité homogène dans une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal XX. Le mode de réalisation décrit en figure 1 n'est pas limitatif. Selon une variante, le dispositif de l'invention peut comprendre plusieurs conduit 5 d'amenée débouchant dans le conduit 1 principal par au moins un orifice d'injection du précurseur de l'ammoniac, afin de favoriser la répartition initiale du précurseur de l'ammoniac dans la section de passage des gaz d'échappement et de réduire encore la longueur de mélange et donc la distance globale entre les orifices d'injection du précurseur de l'ammoniac et la face 4 d'entrée du catalyseur 3 SCR. Revendications1. Ligne d'échappement pour un moteur à combustion interne comprenant un conduit (1) principal s'étendant selon un axe longitudinal (XX) et amenant les gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne vers un catalyseur (3) de réduction sélective des oxydes d'azote, des moyens d'injection d'un précurseur de l'ammoniac dans le conduit (1) principal disposés, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en amont du catalyseur (3), un mélangeur statique disposé entre les moyens d'injection et le catalyseur (3), caractérisée en ce que le mélangeur statique comprend une mousse céramique (8) disposée dans le conduit principal entre les moyens d'injection et le catalyseur (3) de réduction sélective, ladite mousse (8) comprenant un revêtement catalytique de décomposition du précurseur de l'ammoniac en ammoniac dans la porosité de la mousse céramique. 2. Ligne d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) est à base de titane, d'alumine, de zircone ou en carbure de silicium. 3. Ligne d'échappement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) présente une porosité comprise entre 20% et 80%. 4. Ligne d'échappement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) présente une porosité supérieure 60%. 5. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la mousse céramique (8) présente, relativement à l'axe longitudinal (XX) du conduit (1) principal, une épaisseur (ep) comprise entre 1 cm et 15 cm et de préférence comprise entre 1 et 5 cm. 6. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'injection d'agent réducteur comportent au moins un conduit (5) d'amenée débouchant dans le conduit principal par au moins un orifice (7) d'injection de précurseur de l'ammoniac. 7. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le catalyseur de décomposition du précurseur de l'ammoniac est choisi parmi : -une zircone, -une zircone sulfatée, -une zircone tungstènée, -un oxyde de titane, de zircone, d'aluminium ou un mélange de ces oxydes, -un oxyde mixte zircone-praséodyme, -un alumine comprenant de l'oxyde de lanthane et dopé par du niobium ou de l'oxyde de silicium, -un oxyde zircone-silice-titane. 8. Ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le précurseur de l'ammoniac est choisi parmi une solution aqueuse d'urée, une solution de formiate de guanidinium. 9. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement des gaz de combustion produits par ledit moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes.