Brevet FR3001256A1 — publié le 20140725

LIGNE D'ECHAPPEMENT AVEC ELEMENT A DOUBLE FONCTION DE DEPOLLUTION [0001] L'invention porte sur une ligne d'échappement d'un véhicule automobile comprenant un élément à double fonction de dépollution des particules et des oxydes d'azote. [0002] Le domaine technique de la présente invention est plus particulièrement la dépollution essence d'un véhicule présentant un moteur thermique, notamment pour les moteurs à allumage commandé suralimenté qui exploitent des taux de balayage importants afin de garantir les niveaux de performances souhaitées tout en limitant les risques de dégradation du moteur. La présente invention est cependant aussi valable pour des carburants éthanolés comportant un mélange d'essence et d'éthanol. [0003] Classiquement, dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique à essence, il est prévu au moins un catalyseur, ce catalyseur étant avantageusement un catalyseur à trois voies. Un tel catalyseur trois voies ne convertit les polluants que sur une plage de richesse très étroite autour de la richesse dite 1, cette richesse 1 correspondant à un rapport de masse égal à 14,7 fois moins de masse d'essence que de masse d'air. En effet, pour un catalyseur trois voies, cette plage de fonctionnement correspond à des richesses variant usuellement de +/- 0,005 autour de la richesse 1. Il en va de même pour divers types de catalyseurs avec cependant une plage de fonctionnement un peu plus large, par exemple de +/- 0,01 autour de la richesse 1. [0004] La présente invention trouve une application particulière pour les moteurs à allumage commandé suralimenté. De tels moteurs exploitent des taux de balayage importants afin de garantir les niveaux de performance souhaitée en limitant les risques de dégradation du moteur dus à l'effet de grondement, aussi appelé rumble en langue anglaise. [0005] Ce balayage a pour conséquence de générer une richesse des gaz d'échappement inférieure à 1 en amont du catalyseur de la ligne d'échappement. Avec 30 une richesse inférieure à 1, l'efficacité de conversion des oxydes d'azote est particulièrement réduite. [0006] En parallèle, les moteurs à injection directe d'essence génèrent des particules de façon plus ou moins importantes. Les normes de dépollution devenant de plus en plus sévères, il s'avère nécessaire d'utiliser un élément de dépollution de ces particules. [0007] Un moyen de résoudre la problématique de conversion des émissions d'oxydes d'azote ou NOX est d'utiliser un catalyseur piégeant les oxydes d'azote ou NOX lorsque la richesse du mélange gazeux est inférieure à 1 et en les traitants plus tard lorsque la richesse est supérieure à 1. Ceci est le principe de fonctionnement d'un piège à NOx. [0008] Un moyen de résoudre la problématique des particules est d'utiliser un filtre à particules dont les caractéristiques sont adaptées aux motorisations à allumage 10 commandé. [0009] Actuellement, des pièges à NOx sont disponibles ainsi que des filtres à particules destinés aux applications essence sont en développement. Selon l'état de la technique ces deux problématiques sont résolues par des moyens différents, ce qui pose un problème d'encombrement de la ligne d'échappement et de coût. 15 [0010] En effet, un piège à NOx et un filtre à particules alors utilisés de façon séparée nécessitent un volume d'implantation important qui n'est par exemple pas nécessairement disponible en positionnement sous un turbocompresseur. Un positionnement éloigné, par exemple sous plancher de l'un ou l'autre de ces éléments n'est pas souhaitable étant donné que cela réduirait considérablement ses performances. 20 [0011] Le document FR-A-2 907 847 décrit une ligne d'échappement avec un premier dispositif catalytique de post-traitement des gaz d'échappement comprenant un piège à oxydes d'azote et un second dispositif catalytique étant constitué d'un filtre à particules qui est disposé en aval du piège à oxydes d'azote dans la ligne d'échappement. Ce document illustre bien une ligne d'échappement conformément à l'état de la technique pour laquelle 25 le piège à NOx forme une entité séparée du filtre à particules. [0012] Le problème à la base de la présente invention est de réduire l'encombrement des éléments de dépollution présents sur une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, notamment en ce qui concerne la dépollution en émissions d'oxydes d'azote et le traitement et en particules. 30 [0013] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention une ligne d'échappement de véhicule automobile, s'étendant d'un collecteur d'échappement du moteur thermique en présentant un premier élément de dépollution comprenant au moins un catalyseur, un piège à oxydes d'azote dit piège à NOx et un filtre à particules caractérisée en ce que le piège à NOx et le filtre à particules sont regroupés ensemble dans un même élément de dépollution. [0014] L'effet technique est d'obtenir un fonctionnement d'une ligne d'échappement avec une dépollution qui puisse être efficace aussi bien en conditions de richesse égale ou supérieure à 1 ou en conditions de richesse pauvre, en particulier en ce qui concerne les oxydes d'azote, ceux-ci étant traités de manière insatisfaisante en conditions de richesse pauvre. Ceci est obtenu en regroupant dans un même élément de dépollution le piège à NOx et le filtre à particules, ce qui représente un gain de place et une diminution des coûts de fabrication. Ceci permet d'effectuer une dépollution satisfaisante des gaz d'échappement pour tout type de richesse desdits gaz à la sortie du moteur. [0015] Avantageusement, l'élément de dépollution comprend un support filtrant de filtre à particules, le support filtrant étant imprégné d'un revêtement actif avec des moyens de rétention des oxydes d'azote, ce revêtement formant un piège à NOx. [0016] Avantageusement, les moyens de rétention des oxydes d'azote sont des dépôts d'au moins un élément chimique réagissant avec les oxydes d'azote en donnant un composé chimiquement stable dans des conditions de richesse inférieure à 1 dans la ligne d'échappement. [0017] Avantageusement, dans des conditions de richesse supérieure à 1 en carburant dans la ligne d'échappement, le composé formé par ledit au moins un élément chimique avec les oxydes d'azote est instable, les oxydes d'azote étant libérés, un réducteur étant utilisé pour la réduction des oxydes d'azote pour former de l'azote. [0018] Avantageusement, ledit au moins un élément chimique est le baryum ou un dérivé du baryum. [0019] Avantageusement, le premier élément de dépollution est un catalyseur trois voies. [0020] Avantageusement, le revêtement actif imprégnant le support du filtre à particules de l'élément de dépollution comprend aussi des moyens de rétention du monoxyde de carbone ou CO et des hydrocarbures ou HC dans des conditions de richesse supérieure à 1 en carburant et de libération du monoxyde de carbone et des hydrocarbures dans des conditions de richesse inférieure à 1. [0021] Avantageusement, la ligne comprend au moins une sonde à oxygène disposée en amont du premier élément de dépollution et/ou une sonde à oxygène disposée en amont et/ou en aval du second élément de dépollution [0022] Avantageusement, il est prévu un injecteur d'air disposé sur ladite ligne en amont du second élément de dépollution pour l'injection d'air dans ladite ligne et la combustion des particules retenues dans le filtre à particules de l'élément de dépollution lors d'une régénération. [0023] L'invention concerne enfin un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique présentant une telle ligne d'échappement des gaz sortant dudit moteur. [0024] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une courbe montrant l'efficacité de post-traitement d'un catalyseur en fonction de la richesse du mélange essence/air, - la figure 2 est une représentation schématique d'une vue longitudinale d'une ligne d'échappement selon la présente invention. [0025] En regard de la figure 1, pour un bon fonctionnement du moteur, il est nécessaire d'avoir un rapport carburant/air bien établi, par exemple avec un rapport de masse égal à 14,7 fois plus de masse d'air que de masse d'essence. Avec un tel rapport, il est défini une richesse égale à un. Quand il y a plus d'air par rapport au carburant, la richesse diminue et le mélange carburant/air est dit pauvre. Inversement, quand il y a plus de carburant par rapport à l'air, la richesse augmente et le mélange est dit riche. [0026] Les émissions de gaz pouvant être convertis par un catalyseur concernent essentiellement le monoxyde de carbone ou CO, les hydrocarbures ou HC et les oxydes d'azote ou NON. Les émissions de CO et de HC diminuent pour un mélange pauvre tandis que les oxydes d'azote ou NOX augmentent, ceci en raison de la température de combustion en mélange pauvre qui augmente, un excès d'air étant présent. [0027] La courbe de la figure 1 montre le taux de conversion TC d'un catalyseur en fonction de la richesse R du mélange. Il peut être vu à cette figure que si, à richesse haute, le taux de conversion des oxydes d'azote ou NOX est élevé, le taux de conversion TC des HC baisse par contre fortement de la richesse un vers les richesses supérieures pour devenir faible. Le taux de conversion TC des CO baisse encore plus fortement à richesse supérieure à un. Il est donc très difficile d'avoir simultanément les trois polluants oxydes d'azote ou NOX, HC et CO à leur niveau minimum tout en conservant une richesse R permettant un bon fonctionnement du moteur. [0028] Pour des richesses R dites pauvres, c'est-à-dire avec un excès d'air dans le mélange, les taux de conversion TC de CO et des HC sont relativement élevés. Par contre, les taux de conversion TC sont de plus en plus faibles pour les oxydes d'azote ou NOX quand la valeur de la richesse R baisse. Si comme précédemment mentionné, pour un catalyseur trois voies, son fonctionnement adéquat s'effectue dans une plage Z de richesse étroite de +/- 0,005 autour d'une richesse un, l'efficacité maximale du catalyseur ne dépasse pas une fenêtre de richesse étroite entre 0,995 et 1,005. [0029] La figure 2 montre une vue longitudinale d'une ligne d'échappement 1 selon la présente invention. Cette ligne d'échappement 1 présente une des extrémités entrant dans le collecteur 2 d'échappement du moteur thermique du véhicule. [0030] Dans cette ligne d'échappement 1 conforme à la présente invention, il est prévu un premier élément de dépollution 3, avantageusement sous la forme d'un catalyseur trois voies, pour le traitement des émissions à richesse 1. Ce premier élément de dépollution 3 est avantageusement disposé à proximité du moteur thermique, donc à proximité du collecteur 2 d'échappement. [0031] Il est aussi prévu un second élément de dépollution 5 combinant les fonctions de de filtre à particules et de piège à NOx. Ce second élément de dépollution 5 est disposé en aval du premier élément de dépollution 3. Sa position peut être sous plancher car sur une partie de la ligne d'échappement 1 s'étendant sous le véhicule, ceci sensiblement longitudinalement audit véhicule. Il est cependant préférable que sa position soit relativement proche du collecteur 2 d'échappement. [0032] Enfin, il peut être prévu une injection d'air par un injecteur 4, cet injecteur 4 débouchant dans la ligne d'échappement 1 entre les deux éléments de dépollution 3 et 5. [0033] Avantageusement, il peut être prévu une seconde sonde à oxygène 6a, cette seconde sonde 6a étant disposée en amont de l'injecteur 4 d'air et en aval du premier élément de dépollution 3, avantageusement un catalyseur trois voies, disposé le plus près du moteur des deux éléments de dépollution 3 et 5. [0034] Avantageusement, il peut être prévu une troisième sonde à oxygène, non référencée à la figure 2, cette troisième sonde étant disposée en aval de l'élément de dépollution 5 et donc disposée la plus proche de l'extrémité de sortie de la ligne d'échappement 1 de tous les éléments précédemment décrits. [0035] Les sondes à oxygène 6a, 6b sont surtout destinées au contrôle du bon fonctionnement du moteur thermique. Pour un bon fonctionnement du moteur thermique, une sonde à oxygène 6a, 6b fournit un signal de richesse utilisé pour le fonctionnement du moteur à une valeur de richesse sensiblement égale à 1. A partir du signal délivré par la sonde de richesse, les paramètres de l'injection du moteur sont modifiés pour obtenir une valeur de richesse sensiblement égale à 1. [0036] De telles sondes peuvent donc effectuer des mesures respectives indirectes de la richesse des gaz dans la ligne 1 d'échappement, la richesse dans la ligne 1 d'échappement pouvant décroître après l'injection d'air par l'injecteur 4. [0037] Avantageusement, il peut aussi être prévu un capteur d'oxydes d'azote ou NOx et/ou un capteur de particules, de préférence en aval du second élément de dépollution 5 qui va maintenant être détaillé. Ces capteurs ne sont pas référencés à la figure 2. [0038] La présente invention repose donc sur la combinaison d'un filtre à particules et d'un piège à NOx regroupés dans un même élément de dépollution 5. L'association de ces deux fonctionnalités est réalisée par un dépôt sur ou dans le support filtrant du filtre à particules. Comme il sera ultérieurement détaillé, ce dépôt consiste en une imprégnation du support, cette imprégnation comportant les propriétés nécessaires au piégeage des oxydes d'azote dans des conditions de richesse pauvre en carburant inférieure à 1 suivi plus tard de la libération des oxydes d'azote et à leur traitement dans des conditions de richesse supérieure ou égale à 1. [0039] En effet, conformément à ce qui a été énoncé plus haut, la conversion des oxydes d'azote par le premier élément de dépollution 3 est fortement affaiblie dans ces conditions de richesse pauvre en carburant. [0040] Le filtre à particules de l'élément de dépollution 5 peut être un système poreux composé de cordiérite, mullite ou carbure de silicium ou autres, les canaux étant bouchés alternativement à chaque extrémité. Le filtre à particules s'identifie par la quantité de cellules qu'il contient, son épaisseur de paroi et sa porosité. [0041] Dans l'élément de dépollution 5, le filtre à particules présente un support filtrant pour la rétention des particules, ce qui est une caractéristique commune aux filtres à particules. Ce support filtrant offre avantageusement une surface de contact très importante aux gaz d'échappement afin d'améliorer la capture des particules. Selon une forme préférentielle de réalisation de la présente invention, ce support filtrant est imprégné d'un revêtement actif appelé en anglais washcoat. Ce revêtement actif ou washcoat contient des moyens de rétention ou de stockage des oxydes d'azote ou NOX afin de combiner les fonctions d'un filtre à particules et d'un piège à NOX regroupées dans un seul élément de dépollution 5. [0042] Avantageusement, les moyens de rétention des oxydes d'azote sont des dépôts formant sites d'au moins un élément chimique réagissant avec les oxydes d'azote en donnant un composé chimiquement stable dans des conditions de richesse pauvre en carburant inférieure à 1 dans la ligne d'échappement, ces conditions étant celles pour lesquelles le premier élément de dépollution 3 est le moins efficace pour l'élimination des oxydes d'azote. [0043] Avantageusement, l'élément chimique est au moins du baryum ou un dérivé du baryum. D'autres éléments chimiques peuvent aussi être utilisées à condition de respecter la condition énoncée ci-dessus. [0044] Un piège à NOx comprend avantageusement des sites localisés renfermant des petites quantités d'au moins un élément chimique, avantageusement le baryum ou un de ses dérivés, qui vont capturer les dioxydes d'azote, pour le transformer, dans le cas du baryum, en nitrate de baryum selon la formule suivante : NOx+ Ba -) Ba(NO3)2 [0045] Le nitrate de baryum est stable tant et aussi longtemps qu'on ne le perturbe pas du point de vue thermochimique, ceci dans les conditions de richesse pauvre en carburant dans la ligne d'échappement. Il est donc stocké dans l'élément de dépollution 5 et n'est pas retransformé en conditions de richesse pauvre. Ce sont les sites comprenant des petites quantités de baryum qui, ajoutés sur le support filtrant du filtre à particules par l'intermédiaire du revêtement actif ou washcoat imprégnant le support filtrant du filtre à particules, permettent ce stockage temporaire. [0046] A une étape future du fonctionnement du moteur du véhicule automobile, la richesse dans la ligne 1 d'échappement peut à nouveau redevenir égale à 1 ou être même supérieure. Ceci peut par exemple être dû à un besoin de performance du moteur, un besoin de protéger les composants de la ligne d'échappement ou une stratégie adaptée. Dans ces conditions de richesse égale ou supérieure à 1, le composé, avantageusement du nitrate de baryum, formé par ledit au moins un élément chimique, avantageusement le baryum ou un de ses dérivés, avec les oxydes d'azote devient instable. [0047] Les oxydes d'azote ou NOX sont alors désorbés du revêtement imprégnant le support filtrant du filtre à particules du second élément de dépollution 5, ceci selon la formule chimique suivante : Ba(NO3) NOx + Ba [0048] Ces oxydes d'azote ou NOx, afin d'être éliminés, sont ensuite réduits par un réducteur pour donner de l'azote N2 selon la formule suivante : NOx + réducteur 4 N2 [0049] Ainsi, tant que le moteur fonctionne à richesse égal ou supérieur à 1, avantageusement égale à 1, les polluants CO, HC et NOX sont traités de façon classique par le premier élément de dépollution 3, avantageusement un catalyseur trois voies. Inversement, lorsque l'on est en phase de balayage, donc avec une richesse inférieure à 1 dans la ligne d'échappement, principalement, seuls les polluants CO et HC sont traités efficacement par le premier élément de dépollution 3. [0050] Les oxydes d'azote, non traités par ce premier élément de dépollution 3, sont alors stockés, conformément à la présente invention, dans le second élément de dépollution 5 combinant un filtre à particules et un piège à NOx. [0051] En ce qui concerne le fonctionnement du filtre à particules proprement dit du second élément de dépollution 5, lorsque des particules sont émises, elles sont piégées dans cet élément 5 combinant un filtre à particules et un piège à NOx. Ensuite, lorsque les conditions de régénération du filtre à particules sont présentes, essentiellement une température suffisamment élevée et une présence d'oxygène, les particules stockées, sous forme de suies, sont brûlées. Ceci peut être fait en ouvrant l'injecteur d'air 4 dans la ligne 1 d'échappement ou lors de levés de pied du conducteur associés à des coupures d'injection. [0052] Par analogie à ce qui a été décrit pour un piège à NOx, une variante possible du second élément de dépollution 5 serait de lui adjoindre une fonction de piège pour le traitement d'au moins un élément parmi les CO et HC. Dans ce cas, le piège peut stocker les CO et/ou les HC quand la richesse est supérieure ou égale à 1, cette valeur de richesse étant défavorable à une élimination des CO et HC par le premier élément de dépollution 3, avantageusement sous la forme d'un catalyseur trois voies. Quand la richesse dans la ligne 1 est en-dessous de 1, les CO et/ou les HC peuvent alors être restitués et détruits. Ceci n'est qu'une variante de l'invention et n'est pas son mode préféré de réalisation. [0053] Les avantages de la présente invention sont nombreux. On pourra citer sans être limitatif un meilleur respect des seuils émissions sur tous les points de fonctionnement, donc sur les profils de conduite les plus sévères. De plus, le volume nécessaire à l'implantation des éléments de dépollution est considérablement réduits, un gain en volume, selon les applications pouvant être estimé jusqu'à deux litres, ceci par rapport à une architecture dans laquelle les éléments de dépollution sont disposés de façon séparée. [0054] Un autre avantage est l'avantage économique sur le prix de revient de fabrication de la ligne d'échappement du fait de la réduction du nombre de mise en place des éléments sur la ligne d'échappement. De plus, il est obtenu un gain en montage de la ligne d'échappement et un gain économique sur le prix de revient de fabrication de la ligne d'échappement. [0055] Enfin, la sévérisation des conditions de vie dans lesquelles les émissions sont surveillées va imposer la généralisation de solutions techniques permettant un traitement de dépollution le plus complet possible. Une telle ligne d'échappement selon la présente invention apporte une solution très satisfaisante à cette demande. REVENDICATIONS: 1. Ligne d'échappement (1) de véhicule automobile, s'étendant d'un collecteur (2) d'échappement du moteur thermique en présentant un premier élément de dépollution (3) comprenant au moins un catalyseur, un piège à oxydes d'azote dit piège à NOx et un filtre à particules caractérisée en ce que le piège à NOx et le filtre à particules sont regroupés ensemble dans un même élément de dépollution (5). 2. Ligne (1) selon la revendication 1, dans laquelle l'élément de dépollution (5) comprend un support filtrant de filtre à particules, le support filtrant étant imprégné d'un revêtement actif avec des moyens de rétention des oxydes d'azote, ce revêtement formant un piège à NOx. 3. Ligne (1) selon la revendication 2, dans laquelle les moyens de rétention des oxydes d'azote sont des dépôts d'au moins un élément chimique réagissant avec les oxydes d'azote en donnant un composé chimiquement stable dans des conditions de richesse pauvre en carburant inférieure à 1 dans la ligne (1) d'échappement. 4. Ligne (1) selon la revendication 3, dans laquelle, dans des conditions de richesse égale ou supérieure à 1 en carburant dans la ligne (1) d'échappement, le composé formé par ledit au moins un élément chimique avec les oxydes d'azote est instable, les oxydes d'azote étant libérés, un réducteur étant utilisé pour la réduction des oxydes d'azote pour former de l'azote. 5. Ligne (1) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle ledit au moins un élément chimique est le baryum ou un dérivé du baryum. 6. Ligne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le premier élément de dépollution (3) est un catalyseur trois voies. 7. Ligne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le revêtement actif imprégnant le support du filtre à particules de l'élément de dépollution (5) comprend aussi des moyens de rétention du monoxyde de carbone ou CO et des hydrocarbures ou HC dans des conditions de richesse supérieure à 1 en carburant et de libération du monoxyde de carbone et des hydrocarbures dans des conditions de richesse inférieure à 1. 8. Ligne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, laquelle comprend au moins une sonde à oxygène (6a, 6b) disposée en amont du premier élément de dépollution (5) et/ou une sonde à oxygène disposée en amont et/ou en aval du second élément de dépollution (5). 9. Ligne (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle il est prévu un injecteur (4) d'air disposé sur ladite ligne (1) en amont du second élément de dépollution (5) pour l'injection d'air dans ladite ligne (1) et la combustion des particules retenues dans le filtre à particules de l'élément de dépollution (5) lors d'une régénération. 10. Véhicule automobile équipé d'un moteur thermique présentant une ligne d'échappement (1) des gaz sortant dudit moteur, caractérisé en ce que ladite ligne (1) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.