Brevet FR3019294A1 — publié le 20151002

PROCEDE D'EVALUATION D'UN SYSTEME DE DECOMPOSITION ET DE MELANGE D'UN AGENT REDUCTEUR POUR SYSTEME DE REDUCTION CATALYTIQUE [0001] La présente invention porte sur un procédé d'évaluation d'un système de décomposition et de mélange d'un agent réducteur pour système de réduction catalytique. [0002] Dans un contexte de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur diesel, les systèmes de réduction catalytique sélective (ou SCR acronyme pour "Sélective Catalyst Réduction" en anglais) visent à réduire les oxydes d'azote (NOx) contenus dans les gaz d'échappement. [0003] Le fonctionnement du système SCR est basé sur une réaction chimique entre les oxydes d'azote et un réducteur prenant classiquement la forme d'ammoniac. L'injection de l'ammoniac dans la ligne d'échappement est généralement réalisée par l'intermédiaire d'une autre espèce chimique, telle que l'urée solubilisée dans de l'eau. [0004] Plus précisément, la solution d'urée injectée dans la ligne d'échappement se vaporise dans un premier temps pour se transformer en urée solide et en vapeur d'eau. Ensuite, l'urée se transforme en ammoniac (NH3) et en acide isocyanique (HNCO) dans le cadre d'une thermolyse. L'acide isocyanique et l'eau se transforment en ammoniac et en dioxyde de carbone à l'intérieur d'un catalyseur implanté sur la ligne d'échappement. L'ammoniac assure ensuite une réduction des oxydes d'azote (NOx) rejetés par le moteur en azote et en eau. [0005] Par ailleurs, il est connu d'installer un système de décomposition et de mélange de l'agent réducteur en amont du catalyseur. Un tel système pourra par exemple comporter des parois internes s'enroulant en forme de spirale pour augmenter la distance parcourue par les gaz d'échappement entre le point d'injection et le catalyseur, comme cela est décrit dans le document FR-2947003. Cela facilite le mélange avec les gaz d'échappement ainsi que l'évaporation des gouttelettes de la solution d'agent réducteur. D'autres systèmes de décomposition basés sur des technologies différentes sont également connus. La présente invention vise à caractériser l'efficacité d'un tel système. [0006] Le document FR-2982363 enseigne de réaliser des essais d'endurance sur un élément d'une ligne d'échappement équipée d'un système de type SCR. L'élément testé peut prendre la forme d'un système de mélange. A cet effet, le procédé comporte une étape de mesure de l'encrassement en masse de l'élément au cours d'un cycle prédéfini, une étape de détermination de paramètres d'essai accélérés permettant de générer un encrassement analogue à celui généré lors du cycle prédéfini mais sur une période plus courte ainsi qu'une étape d'application d'une succession de phases d'encrassement accélérées. Toutefois, un tel procédé ne permet pas de caractériser l'efficacité de la boîte de mélange en termes de traitement des oxydes d'azote. [0007] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé d'évaluation sur banc moteur d'un système de décomposition et de mélange d'un agent réducteur monté en amont d'un catalyseur de système de réduction catalytique implanté sur une ligne d'échappement de moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape d'élimination de cristaux d'agent réducteur résiduels et d'ammoniac éventuellement présents dans ledit catalyseur, - une étape de stabilisation en température de ladite ligne d'échappement, - une étape d'injection d'oxydes d'azote et d'agent réducteur pendant une durée prédéterminée, - une étape de mesure en amont dudit système de décomposition et de mélange d'un agent réducteur et en aval dudit catalyseur d'une quantité d'oxydes d'azote, ainsi que d'une quantité d'ammoniac et d'acide isocyanique, et - une étape de caractérisation dudit système de décomposition et de mélange en fonction des mesures effectuées précédemment. [0008] L'invention permet ainsi, dans des conditions de fonctionnement figées du système de réduction catalytique, d'analyser les performances du système de décomposition et de mélange, dans la mesure où il s'agit du seul élément de la chaîne qui aura une influence sur l'efficacité de traitement des oxydes d'azote. [0009] Selon une mise en oeuvre, l'étape de caractérisation est effectuée par détermination d'un premier critère, dit critère d'efficacité de la décomposition de l'agent réducteur, calculé à partir des quantités d'oxydes d'azote mesurées en amont dudit système de décomposition et de mélange d'un agent réducteur et en aval dudit catalyseur, ainsi que d'un deuxième critère, dit critère d'arrosage du catalyseur par ledit système de décomposition et de mélange d'un agent réducteur, déterminé à partir des quantités mesurées d'ammoniac et d'acide isocyanique. [0010] Selon une mise en oeuvre, un rapport entre une quantité de dioxydes d'azote et l'ensemble de la quantité d'oxydes d'azote injectée vaut 0.5. Cela permet d'optimiser le rendement du système SCR. [0011] Selon une mise en oeuvre, l'étape d'élimination de cristaux d'agent réducteur est 5 effectuée par élévation d'une température d'un gaz circulant dans ladite ligne d'échappement jusqu'à une température d'au moins 400 °C pendant une durée d'au moins 10 minutes. [0012] Selon une mise en oeuvre, la valeur stabilisée de la température de la ligne d'échappement est comprise entre 140°C et 400°C. 10 [0013] Selon une mise en oeuvre, la durée prédéterminée pendant laquelle sont réalisées les étapes d'injection et de mesure est de l'ordre de 15 min. [0014] Selon une mise en oeuvre, un rapport entre une quantité d'agent réducteur injecté et une quantité d'oxydes d'azote est compris entre 1,5 et 5. [0015] Selon une mise en oeuvre, la valeur stabilisée de la température de ladite ligne 15 d'échappement, la quantité d'oxydes d'azote injectés, et le rapport entre une quantité d'agent réducteur injecté et une quantité d'oxydes d'azote dépendent du moteur thermique et d'une réglementation visée. [0016] Selon une mise en oeuvre, lors de l'étape d'injection d'oxydes d'azote et d'agent réducteur, ledit procédé comporte également l'étape d'injecter de l'oxygène, de l'eau, et de 20 l'azote dans ladite ligne d'échappement. On reconstitue ainsi le mélange de gaz dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique. [0017] Selon une mise en oeuvre, l'agent réducteur est une solution d'urée. [0018] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif 25 mais nullement limitatif de l'invention : - La figure 1 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement avec laquelle est mis en oeuvre le procédé d'évaluation selon la présente invention; - La figure 2 est un diagramme des étapes principales du procédé d'évaluation du système de décomposition et de mélange d'agent réducteur selon la présente invention; - La figure 3 est une représentation graphique du rendement du système SCR pour deux modèles différents de système de décomposition et de mélange d'agent réducteur. [0019] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0020] La figure 1 représente une ligne d'échappement 1 d'un moteur thermique sur laquelle est implanté un catalyseur 3 d'oxydation diesel (DOC) permettant l'oxydation d'hydrocarbure et de monoxyde d'azote en dioxyde d'azote et en eau. La ligne 1 comporte également un catalyseur 5 de système de réduction catalytique (SCR). [0021] Un injecteur 6 associé à un système 8 de décomposition et de mélange de l'agent réducteur est intercalé entre le catalyseur 3 d'oxydation diesel (DOC) et le catalyseur 5. Cet injecteur 6 pourra être muni d'un organe chauffant prenant par exemple de préférence la forme d'une résistance ou d'une bobine de chauffage par induction. On pourra se référer au document FR1352168 pour plus de détails sur la structure d'un tel injecteur. [0022] Le système 8 pourra prendre par exemple la forme du système décrit dans le document FR-2947003 comportant des parois internes s'enroulant en forme de spirale pour augmenter la distance parcourue par les gaz d'échappement entre le point d'injection et le catalyseur 5. Cela facilite le mélange avec les gaz d'échappement ainsi que l'évaporation des gouttelettes de la solution d'agent réducteur. Alternativement, le système 8 basé sur une autre technologie pourra présenter une autre configuration. Le choix de la configuration du système 8 dépend de l'application envisagée. [0023] La solution d'agent réducteur injectée dans la ligne d'échappement 1 au niveau du système 8 est de préférence constituée d'urée solubilisée dans de l'eau. L'urée pourra prendre par exemple l'une de ses formes communes énumérées dans le document EP-0975417. Le pourcentage massique de l'urée dans la solution est par exemple de l'ordre de 33%. [0024] La dépollution est alors réalisée en deux réactions : une réaction de dissociation d'urée en ammoniac et une réaction de réduction des oxydes d'azote par l'ammoniaque. [0025] La réaction de dissociation d'urée en ammoniaque est la suivante: (NH2)2C0 HNCO + NH3 HNCO + H2O CO2 + NH3 [0026] La réaction de réduction des oxydes d'azote par l'ammoniaque est la suivante : 4NH3 + 4N0 + 02 4N2 + 6 H2O 2NH3 + NO + NO2 2N2 + 3 H2O 4NH3 + 2 NO2 + 02 3N2 + 6 H2O [0027] On décrit ci-après, en référence à la figure 2, les différentes étapes du procédé d'évaluation du système 8 de décomposition et de mélange réalisées sur banc moteur. Les différents gaz injectés pourront être acheminés dans la ligne 1 par un dispositif 10 adapté comportant un ensemble de tuyaux reliés à des stockeurs contenant lesdits gaz. Alternativement, il serait aussi possible de commander de manière adaptée un moteur thermique monté en bout de ligne d'échappement 1. [0028] Plus précisément, le procédé comporte une étape 100 d'élimination de cristaux d'agent réducteur résiduels et d'ammoniac éventuellement présents dans le catalyseur 5. Cette étape est effectuée par élévation d'une température de gaz circulant dans la ligne d'échappement 1 à une température d'au moins 400 degrés Celsius pendant une durée d'au moins 10 minutes. Ce gaz pourra par exemple être de l'air injecté ou un gaz d'échappement reconstitué La ligne d'échappement 1 est stabilisée, dans une étape 101, à une température donnée. La valeur stabilisée de la température des gaz d'échappement est comprise entre 140°C et 400°C. [0029] Une quantité oxydes d'azote et d'agent réducteur est ensuite injectée, dans une étape 102, pendant une durée prédéterminée par exemple de l'ordre de 15 min. [0030] Le rapport entre la quantité de dioxydes d'azote et l'ensemble de la quantité d'oxydes d'azote injectée vaut de préférence 0.5. Autrement dit, autant de molécules de dioxyde d'azote et de molécules de monoxyde d'azote sont injectées en amont du système 8. Un tel mélange est obtenu grâce à l'utilisation d'un catalyseur DOC 3 neuf, ou alternativement en retirant le catalyseur DOC 3 et en injectant directement dans la ligne 1 un mélange d'oxydes d'azote répondant ce critère via le dispositif de tuyauterie. [0031] Par ailleurs, un rapport a entre une quantité d'agent réducteur injecté et une quantité d'oxydes d'azote est compris entre 1,5 et 5. Ainsi, pour un coefficient valant 2, on a deux fois plus de molécules d'agent réducteur que de molécules d'oxydes d'azote. [0032] Les conditions de fonctionnement du système SCR sont ainsi optimum, en sorte que seules les performances du système 8 ont une influence sur l'efficacité de traitement des oxydes d'azote. [0033] De l'oxygène et de l'eau ainsi que de l'azote sont également injectés dans la ligne d'échappement 1. L'oxygène et l'eau représentent respectivement environ 20% et 10% du gaz circulant dans la ligne d'échappement 1, tandis que le reste du gaz est de l'azote. [0034] La valeur stabilisée de température de la ligne d'échappement 1, la quantité de d'oxydes d'azote injectés, et le rapport a dépendent du moteur thermique et de la réglementation visée. [0035] Pendant la phase d'injection, un analyseur 11 implanté en amont du système 8 de décomposition et de mélange réalise une mesure de la quantité d'oxydes d'azote (NO et NO2) dans une étape 103. Par ailleurs, un analyseur 12 implanté en aval du catalyseur 5 réalise une mesure d'une quantité d'oxydes d'azote (NO et NO2), ainsi que d'une quantité d'ammoniac (NH3) et d'acide isocyanique (HNCO). [0036] Le système 8 de décomposition et de mélange est ensuite caractérisé au cours d'une étape 104 en fonction des mesures effectuées précédemment. [0037] A cet effet, un premier critère, dit critère d'efficacité de la décomposition de l'agent réducteur est calculé à partir des quantités d'oxydes d'azote mesurées en amont du système 8 de mélange et en aval du catalyseur 5. Plus précisément, le critère d'efficacité Ceff est déterminé en pourcents par la formule suivante: Ceff=100x[(CNOX amont-CNOX aval)/CNOX amont] CNOX amont et CNOX aval étant les concentrations d'oxydes d'azote mesurées respectivement en amont du système 8 de décomposition et de mélange et en aval du catalyseur 5. [0038] La figure 3 qui illustre l'évolution en fonction du temps de l'efficacité de deux systèmes 8A et 8B met en évidence que le système 8B est moins performant que le système 8A. Cela est dû notamment au fait que le système 8B décompose moins bien que le système 8A, en sorte que le système 8B présente une plus grande inertie que le système 8A avant d'effectuer efficacement la décomposition et l'arrosage de l'Adblue. [0039] En outre, un deuxième critère, dit critère d'arrosage du catalyseur 5 par ledit système 8 du mélange est déterminé à partir des quantités mesurées d'ammoniac et d'acide isocyanique. On caractérise ici la capacité du système 8 à arroser de manière homogène le catalyseur 5, car dans le cas où le système 8 oriente le flux de gaz de sortie exclusivement dans une zone restreinte du catalyseur 5, ce dernier se sature rapidement en ammoniac, ce qui entraîne un rejet d'ammoniac et d'acide isocyanique (HNCO) et donc une diminution du rendement du traitement des oxydes d'azote. [0040] Il sera ainsi possible d'évaluer une pluralité de systèmes 8 de mélange en les implantant successivement dans la ligne d'échappement 1, ou en les faisant fonctionner en parallèle dans des lignes d'échappement 1 suivant les mêmes conditions de fonctionnement. Le système 8 de décomposition et de mélange retenu sera celui qui est le plus performant en termes d'efficacité de traitement des oxydes d'azote et d'arrosage du catalyseur 5. [0041] Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution par tous autres équivalents.15 REVENDICATIONS: 1. Procédé d'évaluation sur banc moteur d'un système (8) de décomposition et de mélange d'un agent réducteur monté en amont d'un catalyseur (5) de système de réduction catalytique implanté sur une ligne d'échappement (1) de moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape (100) d'élimination de cristaux d'agent réducteur résiduels et d'ammoniac éventuellement présents dans ledit catalyseur (5), - une étape (101) de stabilisation en température de ladite ligne d'échappement (1), - une étape (102) d'injection d'oxydes d'azote et d'agent réducteur pendant une durée prédéterminée, - une étape (103) de mesure en amont dudit système (8) de décomposition et de mélange d'un agent réducteur et en aval dudit catalyseur (5) d'une quantité d'oxydes d'azote, ainsi que d'une quantité d'ammoniac et d'acide isocyanique, et - une étape (104) de caractérisation dudit système (8) de décomposition et de mélange en fonction des mesures effectuées précédemment. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de caractérisation est effectuée par détermination d'un premier critère, dit critère d'efficacité de la décomposition de l'agent réducteur, calculé à partir des quantités d'oxydes d'azote mesurées en amont dudit système (8) de décomposition et de mélange d'un agent réducteur et en aval dudit catalyseur (5), ainsi que d'un deuxième critère, dit critère d'arrosage du catalyseur (5) par ledit système (8) de décomposition et de mélange d'un agent réducteur, déterminé à partir des quantités mesurées d'ammoniac et d'acide isocyanique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un rapport entre une quantité de dioxyde d'azote et l'ensemble de la quantité d'oxydes d'azote injecté vaut 0.5. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape d'élimination de cristaux d'agent réducteur est effectuée par élévation d'une température d'un gaz circulant dans ladite ligne d'échappement (1) jusqu'à une température d'au moins 400 °C pendant une durée d'ai moins 10 minutes. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur stabilisée de la température de la ligne d'échappement est comprise entre 140°C et 400°C. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la durée prédéterminée pendant laquelle sont réalisées les étapes d'injection (102) et de mesure (103) est de l'ordre de 15 min. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un rapport (a) entre une quantité d'agent réducteur injecté et une quantité d'oxydes d'azote est compris entre 1,5 et 5. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une valeur stabilisée de la température de ladite ligne d'échappement (1), la quantité d'oxydes d'azote injectés, et le rapport (a) entre une quantité d'agent réducteur injecté et une quantité d'oxydes d'azote dépendent du moteur thermique et d'une réglementation visée. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lors de l'étape d'injection (102) d'oxydes d'azote et d'agent réducteur, ledit procédé comporte également l'étape d'injecter de l'oxygène, de l'eau, et de l'azote dans ladite ligne d'échappement (1). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'agent réducteur est une solution d'urée.20