Brevet FR2970297A1 — publié le 20120713

LIGNE D'ECHAPPEMENT EQUIPANT UN MOTEUR THERMIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE ET METHODE D'EPURATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT [000l L'invention est du domaine de l'épuration de gaz d'échappement produits par un moteur thermique équipant un véhicule automobile. Elle a pour objet une ligne d'échappement agencée pour diminuer des émissions de dioxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement. Elle a aussi pour objet une méthode pour diminuer de telles émissions. [0002 Le document US2009/0158719 (HALLSTROM et al) décrit une ligne d'échappement équipant un moteur thermique, tel qu'un moteur Diesel, d'un véhicule automobile. La ligne d'échappement comprend un conduit de circulation des gaz d'échappement qui s'étend entre une extrémité amont du conduit, qui est en relation aéraulique avec le moteur thermique, et une extrémité aval du conduit, qui est en relation aéraulique avec l'air libre. Le moteur thermique produit des composants nocifs, tels que des hydrocarbures imbrûlés, du monoxyde de carbone et des oxydes d'azote (NOx, x étant égal à 1 et/ou 2). [0009] Le conduit est équipé d'organes pour traiter les gaz d'échappement et épurer ces derniers des composants nocifs préalablement au rejet des gaz d'échappement à l'air libre. De tels organes comprennent successivement un premier catalyseur d'oxydation, un filtre à particules, un catalyseur de réduction et un deuxième catalyseur d'oxydation. Le premier catalyseur d'oxydation permet une combustion des hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et en eau. Le filtre à particules est apte à retenir des particules solides. Le catalyseur de réduction est prévu pour réduire les oxydes d'azote (NOx) en azote. Une telle réduction est obtenue à partir de l'introduction d'ammoniac ou d'un précurseur d'ammoniac à l'intérieur du conduit, et plus particulièrement en amont de l'organe de réduction. Le deuxième catalyseur d'oxydation permet d'oxyder un excès d'ammoniac préalablement à sa libération à l'air libre. [0004] Une telle ligne d'échappement mérite d'être améliorée, pour réduire une émission de dioxyde d'azote à l'air libre. De plus, une telle ligne d'échappement mérite d'être améliorée, y compris lorsque cette dernière est déjà implantée sur un véhicule automobile. [000s] Le but de la présente invention est de proposer une ligne d'échappement agencée pour réduire une émission à l'air libre de dioxyde d'azote produits par un moteur thermique équipant le véhicule automobile, une telle amélioration étant souhaitée la plus simple possible et la moins onéreuse possible, pour être aisément mise en oeuvre sur un véhicule automobile quelconque, en impliquant le moins de modifications possibles sur un véhicule automobile ancien. [0006] Une ligne d'échappement de la présente invention est une ligne d'échappement équipant un moteur thermique d'un véhicule automobile. La ligne d'échappement comporte une zone chaude et une zone froide. La ligne d'échappement comprend un conduit de circulation de gaz d'échappement logeant au moins deux catalyseurs d'oxydation, dont un premier catalyseur d'oxydation logé à l'origine à l'intérieur de la zone chaude. [0007] Selon la présente invention, un deuxième catalyseur d'oxydation est logé à l'intérieur de la zone froide. [0008] Le deuxième catalyseur d'oxydation est par exemple avantageusement logé à l'intérieur d'un silencieux que comporte la zone froide. [0009] Le deuxième catalyseur d'oxydation est par exemple avantageusement disposé en aval d'une zone souple que comporte la ligne d'échappement. [oolo] Le deuxième catalyseur d'oxydation est par exemple avantageusement disposé en aval d'un filtre à particules que comporte la ligne d'échappement. [0011] Le deuxième catalyseur d'oxydation constitue avantageusement un organe réducteur de dioxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement. [0012] De préférence, le deuxième catalyseur d'oxydation, optimisé pour réduire le dioxyde d'azote à basse température, est apte à réduire le dioxyde d'azote à une température inférieure à 150°C. [0013] Le premier catalyseur d'oxydation et le deuxième catalyseur d'oxydation sont par exemple de même type. [0014] Selon la présente invention, une méthode d'épuration des gaz d'échappement circulant à l'intérieur du conduit que comprend une telle ligne d'échappement est principalement reconnaissable en ce que la méthode comprend successivement : une opération d'oxydation de monoxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement qui est réalisée à l'intérieur de la zone chaude, puis - une opération de réduction de dioxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement qui est réalisée à l'intérieur de la zone froide. [0015] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : - La fig.1 est une illustration schématique d'une ligne d'échappement de la présente invention. - La fig.2 est une courbe illustrant la température à l'intérieur d'un silencieux 20 au cours d'un cycle de conduite automobile du type « MVEG » pour « Motor Vehicle Emissions Group ». [0016] Sur la fig.1, un véhicule automobile est équipé d'un moteur thermique 1 fonctionnant en mélange pauvre, tel qu'un moteur Diesel. Le moteur thermique 1 est pourvu d'une ligne d'échappement 2 qui est destinée à évacuer des gaz 25 d'échappement 3 produits par le moteur thermique 1 vers l'extérieur 4 du véhicule automobile. La ligne d'échappement 2 comprend un conduit 5 de circulation des gaz d'échappement 3, qui s'étend depuis le moteur thermique 1 vers l'extérieur 4 du véhicule automobile. Plus particulièrement, le conduit 5 comporte une extrémité amont 6 qui est en relation aéraulique avec le moteur thermique 1 et une extrémité aval 7 qui débouche vers l'extérieur 4 du véhicule automobile, c'est-à-dire à l'air libre. Les termes « amont » et « aval » sont à considérer selon un sens d'écoulement 8 des gaz d'échappement 3 à l'intérieur du conduit 5, c'est-à-dire depuis le moteur thermique 1 vers l'extérieur 4 du véhicule automobile. [001] Selon le sens d'écoulement 8 des gaz d'échappement 3 à l'intérieur du conduit 5, la ligne d'échappement 2 comprend successivement au moins un premier catalyseur d'oxydation DOC1, un filtre à particules FAP et un deuxième catalyseur d'oxydation DOC2. [ools] Le premier catalyseur d'oxydation DOC1 et le filtre à particules FAP sont disposés en une zone chaude ZC de la ligne d'échappement 2. La zone chaude ZC est notamment située sous un turbocompresseur T équipant le moteur thermique 1. La zone chaude ZC est pourvue de l'extrémité amont 6 de la ligne d'échappement 2, de telle sorte que les gaz d'échappement 3 circulant à l'intérieur de la zone chaude ZC sont typiquement portés à une température supérieure à 180 °C. [0019] A cette température, le premier catalyseur d'oxydation DOC1 permet une oxydation d'hydrocarbures imbrûlés HC, de monoxyde de carbone CO et de monoxyde d'azote NO que comportent les gaz d'échappement 3. Plus particulièrement, le premier catalyseur d'oxydation DOC1 permet la réaction [1] suivante : [1] NO+1/202-> NO2 [0020] Il en résulte, en sortie du premier catalyseur d'oxydation DOC1 selon le sens d'écoulement 8 des gaz d'échappement 3 à l'intérieur du conduit 5, une augmentation d'une concentration en dioxyde d'azote NO2 et consécutivement une augmentation d'un ratio R défini comme le rapport entre la concentration en dioxyde d'azote NO2 et une somme des concentrations respectives des différents oxydes d'azote (NOX, x étant égal à 1 et 2). [0021] Le filtre à particules FAP est prévu pour retenir des particules portées par les gaz d'échappement 3. Le filtre à particules FAP permet une combustion de telles particules de manière continue et/ou discrète. [0022] Le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 est disposé à l'intérieur d'une zone froide ZF de la ligne d'échappement 2. La zone froide ZF est notamment située en sous-caisse C du véhicule automobile. La zone froide ZF est située en aval de la zone chaude ZC. La zone froide ZF est pourvue de l'extrémité aval 7 de la ligne d'échappement 2, de telle sorte que les gaz d'échappement 3 circulant à l'intérieur de la zone froide ZF sont portés à une température inférieure à 150°C. [0023] A cette température, le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 permet une réduction du dioxyde d'azote NO2 selon la réaction [2] suivante : [2] NO2 + CO/H2/HC -> NO + CO2/H2O Le réactif CO/H2/HC mentionné ci-dessus est notamment constitué d'un résidu non-oxydé issu du premier catalyseur d'oxydation DOC1. [0024] II en résulte une consommation avantageuse de dioxyde d'azote NO2 à l'intérieur du deuxième catalyseur d'oxydation DOC2, et consécutivement une diminution du ratio R. Une telle diminution est particulièrement recherchée en raison du fait que le dioxyde d'azote NO2 est plus toxique que le monoxyde d'azote NO. De plus, si le dioxyde d'azote NO2 est la forme thermodynamiquement stable des oxydes d'azote (NOX) à température ambiante, c'est-à-dire à une température inférieure à 50°C, la cinétique de la transformation du monoxyde d'azote NO en dioxyde d'azote NO2 est lente à faible concentration. Il est donc particulièrement avantageux de limiter des émissions directes de dioxyde d'azote NO2 en sortie de la ligne d'échappement 2. [0025] Ces dispositions sont de plus particulièrement avantageuses dans le sens où le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 est un système passif ne nécessitant aucun contrôle spécifique et aucun capteur particulier, de telle sorte qu'un tel deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 est susceptible d'être installé sur la ligne d'échappement 2 d'un véhicule automobile quelconque, sans avoir à modifier un dispositif électronique de contrôle des gaz d'échappement 3 et sans avoir à réaliser des modifications structurelles importantes sur la ligne d'échappement 2. Il en découle une adaptabilité d'un tel deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 sur un véhicule automobile d'une ancienneté quelconque et à moindre coût pour une diminution conséquente des émissions directes de dioxyde d'azote NO2 en sortie de la ligne d'échappement 2. Autrement dit, à partir de la mise en oeuvre de la présente invention, il est possible de rapporter un deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 sur une ligne d'échappement 2 qui en est initialement dépourvue, pour minimiser les émissions directes de dioxyde d'azote NO2 d'un véhicule automobile existant. [0026] Ainsi, et selon une caractéristique particulièrement avantageuse de la présente invention, le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 est susceptible d'être aisément implanté à l'intérieur d'un silencieux 9 équipant la ligne d'échappement 2. Le silencieux 9 est situé en zone froide ZF de la ligne d'échappement 2, à proximité de l'extrémité aval 7 de la ligne d'échappement 2. Le silencieux 9 est indifféremment un silencieux intermédiaire prévu pour faire chuter la température des gaz d'échappement 3 ou un silencieux arrière destiné à atténuer des perturbations sonores. L'implantation du deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 à l'intérieur du silencieux 9 ne perturbe pas la fonction de ce dernier. [0027] La ligne d'échappement 2 comprend préférentiellement une zone souple ZS qui facilite l'implantation de la ligne d'échappement 2 sur le véhicule automobile, à partir d'une déformation de la zone souple ZS. La zone chaude ZC et la zone froide ZF sont avantageusement réparties de part et d'autre de la zone souple ZS le long de la ligne d'échappement 2. [0028] A l'instar du premier catalyseur d'oxydation DOC1, le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 est par exemple un réacteur réalisé en acier inoxydable logeant une structure en nid d'abeille réalisée en céramique. Cette structure est traversée par les gaz d'échappement 3 et est recouverte d'une couche de métaux précieux, du type alumine, cérine, palladium, platine, rhodium ou une combinaison de ces derniers. La structure en nid d'abeille offre une surface d'échange importante entre les gaz d'échappement 3 et la couche de métaux précieux, cette dernière constituant un catalyseur de la réduction du dioxyde d'azote NO2 selon la réaction [2] ci-dessus. Il en découle un avantage de la présente invention qui réside dans le fait que le premier catalyseur d'oxydation DOC1 et le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 peuvent aussi être identiques, et donc interchangeables, ce qui diminue les coûts de fabrication et de stockage. Ces dispositions sont telles que les fonctions respectives du premier catalyseur d'oxydation DOC1 et du deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 sont induites par les positionnements respectifs du premier catalyseur d'oxydation DOC1 et du deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 à l'intérieur de la ligne d'échappement 2. Dans une telle configuration, les rôles respectifs du premier catalyseur d'oxydation DOC1 et du deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 sont induits par une influence antagoniste de la température sur les réactions d'oxydoréduction du dioxyde d'azote NO2. Ainsi, en mode de roulage urbain du véhicule automobile, le premier catalyseur d'oxydation DOC1 est généralement porté à une température supérieure à 180°C tandis que le deuxième catalyseur d'oxydation DOC2 reste à une température inférieure à 150°C. On pourra se reporter à la fig.2 qui illustre la température des gaz d'échappement 3 en zone froide ZF, et plus particulièrement à l'intérieur du silencieux 9 d'un véhicule automobile du type Euro IV, au cours d'un cycle de conduite automobile du type « MVEG » pour « Motor Vehicle Emissions Group ». On observe que, sur une première partie du cycle comprise entre 0 s et 780 s (illustrant une conduite en zone urbaine), la température des gaz d'échappement 3 à l'intérieur du silencieux 9 est inférieure à 150°C. [0029] Selon diverses variantes de réalisation, la ligne d'échappement 2 est susceptible d'être équipée d'au moins un catalyseur de réduction apte à réduire les oxydes d'azote et/ou au moins un mélangeur pour faciliter un mélange entre les gaz d'échappement 3 et des réactifs, tels que l'ammoniac et/ou un précurseur de l'ammoniac, qui sont introduits à l'intérieur du conduit 5, notamment en amont du catalyseur de réduction. REVENDICATIONS1. Ligne d'échappement (2) équipant un moteur thermique (1) d'un véhicule automobile, la ligne d'échappement (2) comportant une zone chaude (ZC) et une zone froide (ZF), la ligne d'échappement (2) comprenant un conduit (5) de circulation de gaz d'échappement (3) logeant au moins deux catalyseurs d'oxydation (DOC1, DOC2), dont un premier catalyseur d'oxydation (DOC1) logé à l'intérieur de la zone chaude (ZC), caractérisée en ce qu'un deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) est logé à l'intérieur de la zone froide (ZF). 2. Ligne d'échappement (2) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) est logé à l'intérieur d'un silencieux (9) que comporte la zone froide (ZF). 3. Ligne d'échappement (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) est disposé en aval d'une zone souple (ZS) que comporte la ligne d'échappement (2). 4. Ligne d'échappement (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) est disposé en aval d'un filtre à particules (FAP) que comporte la ligne d'échappement (2). 5. Ligne d'échappement (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) constitue un organe réducteur de dioxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement (3). 6. Ligne d'échappement (2) selon la revendication 5, caractérisée en ce que le deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) est apte à réduire le dioxyde d'azote à une température inférieure à 150°C. 7. Ligne d'échappement (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier catalyseur d'oxydation (DOC1) et le deuxième catalyseur d'oxydation (DOC2) sont de même type. 8. Méthode d'épuration des gaz d'échappement (3) circulant à l'intérieur du conduit (5) que comprend une ligne d'échappement (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la méthode comprend successivement : - une opération d'oxydation de monoxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement (3) qui est réalisée à l'intérieur de la zone chaude (ZC), une opération de réduction de dioxyde d'azote contenu à l'intérieur des gaz d'échappement (3) qui est réalisée à l'intérieur de la zone froide (ZF).