Brevet FR3017899A1 — publié le 20150828

STRUCTURE DE FILTRATION D'UN GAZ ET DE REDUCTION DES OXYDES D'AZOTE [0001] L'invention porte sur une structure de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote convenant pour filtrer des particules contenues à l'intérieur de gaz d'échappement circulant à l'intérieur d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. [0002] Un véhicule automobile est équipé d'un moteur à combustion pour pourvoir à son déplacement. Le moteur à combustion interne génère des gaz d'échappement qui sont évacués vers un environnement extérieur hors du moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'une ligne d'échappement. Les gaz d'échappement comprennent des oxydes d'azotes qu'il est souhaitable de réduire préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur. La ligne d'échappement loge un catalyseur de réduction pour réduire les oxydes d'azote. [0003] Le document W02009144573 décrit un catalyseur de purification comprenant une couche de catalyseur amont et une couche de catalyseur aval, la couche de catalyseur aval comportant une capacité thermique aval qui est supérieure à une capacité thermique amont que comporte la couche thermique amont. La capacité thermique amont est par exemple comprise entre 40% et 75% de la capacité thermique aval. Le catalyseur de purification est placé en amont d'un filtre à particules à l'intérieur de la ligne d'échappement. [0004] Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de filtration des particules et de réduction d'oxydes d'azote véhiculés par des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile léger, simple à réaliser et peu couteux. [0005] Pour atteindre ce but, il est prévu selon l'invention une structure de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote apte à filtrer des particules contenues à l'intérieur de gaz d'échappement circulant à l'intérieur d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, la structure comprenant une première face et une deuxième face, la première face comportant une première conductivité thermique, la deuxième face comportant une deuxième conductivité thermique, caractérisé en ce que la première conductivité thermique est strictement inférieure à la deuxième conductivité thermique. [0006] De préférence, la structure de filtration présente une évolution de sa conductivité thermique sa première face et sa seconde face selon une fonction en escalier croissante à partir de la première face. [0007] Dans une variante, la structure de filtration comprend une première tranche comportant la première face, la première tranche étant dans un premier substrat ayant une conductivité thermique de l'ordre de 1,1 W/(m.K) à 25°C à +/- 10% près et une deuxième tranche comportant une deuxième face, la deuxième zone étant dans un deuxième substrat ayant une conductivité thermique de l'ordre de 25 W/(m.K) à 25°C à +/- 10% près. [0008] De préférence, la première tranche représente entre 30% et 70% de la longueur de ladite structure et la deuxième tranche le reste de la longueur de ladite structure. [0009] De préférence encore, la première tranche représente 50% de la longueur de ladite structure et la deuxième tranche le reste de la longueur de ladite structure. [0010] Dans une variante, la première tranche présente une capacité thermique comprise entre 450 J/(kg.K) et 550 J/(kg.K) et que la deuxième tranche présente une capacité thermique comprise entre entre 650 J/(kg.K) et 850 J/(kg.K). [0011] L'invention concerne aussi un procédé d'obtention d'une structure de filtration de l'invention comprenant : -la fourniture de la structure complète dans un premier substrat présentant la conductivité thermique attendue d'une des tranches, -l'imprégnation de l'autre tranche d'une solution destinée à donner la conductivité thermique attendue à ladite autre tranche subissant le trempage, - 1"imprégnation de la structure par un revêtement catalytique de réduction des oxydes d'azote. [0012] L'invention concerne aussi un procédé d'obtention d'une structure de filtration de l'invention, dans lequel l'étape d'imprégnation de l'autre tranche est aussi destinée à donner la capacité thermique attendue à ladite autre tranche subissant le trempage. [0013] L'invention concerne encore un moteur à combustion interne équipé d'une ligne d'échappement, logeant une structure de filtration selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. [0014] L'invention concerne enfin un véhicule automobile équipé d'un tel moteur à combustion interne. [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 : [0016] La figure 1 est une illustration schématique d'une ligne d'échappement logeant une structure de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote de la présente invention. [0017] La figure 2 est une courbe illustrant l'évolution de la conductivité thermique d'une structure de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote de la présente invention. [0018] La figure 3 présente une modélisation comparant trois structures de filtration dont une selon l'invention et deux selon l'art antérieur, et présentant en fonction de la quantité de suies présentes dans la structure, le temps requis pour obtenir une régénération faite à 70%. [0019] La figure 4 présente une modélisation comparant les trois structures de filtration et présentant en fonction de la quantité de suies présentes dans la structure, la température maximale subie par la structure. [0020] La figure 5 présente une modélisation comparant les trois structures de filtration et présentant en fonction du temps écoulé l'évolution de la masse de suies présentes dans la structure ainsi que l'évolution de la température de la structure. [0021] Sur la figure 1, un véhicule automobile est équipé d'un moteur à combustion interne 1 pour pourvoir à son déplacement. Le moteur à combustion interne 1 génère des gaz d'échappement 2 qui sont évacués vers un environnement extérieur 3 hors du moteur à combustion interne 1 par l'intermédiaire d'une ligne d'échappement 4. Les gaz d'échappement 2 comprennent des oxydes d'azotes qui sont réduits préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur 3. A cet effet, la ligne d'échappement 4 loge un système de post-traitement 5 des gaz d'échappement 2. Le système de post-traitement 5 comprend successivement, selon un sens de circulation 6 des gaz d'échappement 2 à l'intérieur de la ligne d'échappement 4, un catalyseur d'oxydation 7 des oxydes d'azote et une structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote. Le catalyseur d'oxydation 7 est prévu pour oxyder les oxydes d'azote. [0022] La structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote comprend une formulation catalytique apte à réduire les oxydes d'azote en présence d'un agent réducteur, préalablement à leur évacuation vers l'environnement extérieur 3. Pour faciliter une telle réduction, la ligne d'échappement 4 est donc équipée d'un injecteur 9 d'un agent réducteur 10, tel que de l'ammoniac, un précurseur de l'ammoniac ou analogue. La structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote constitue un filtre à particules qui est destiné à retenir des particules ou des suies contenues dans les gaz d'échappement. La structure 8 comporte des canaux parallèles obstrués en alternance de manière à forcer les gaz d'échappement à entrer par des canaux d'entrée, puis à traverser les parois séparatrices poreuses pour ressortir par des canaux de sortie des gaz d'échappement. La structure 8 peut se présenter sous la forme d'un bloc unique ou d'un bloc résultant de l'assemblage de plusieurs briques ou barreaux. Une telle structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote communément désigné sous l'appellation anglo-saxonne SCRF pour « Selective Catalytic Reductor Filter » soit un filtre catalytique réducteur sélectif. [0023] La structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote est préférentiellement dans un matériau encore désigné substrat en céramique, telle qu'une céramique de titanate d'aluminium, de carbure de silicium ou analogue tel que de la cordiérite. La structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote présente avantageusement une structure en nid d'abeille pour optimiser conjointement la fonction de filtration et de réduction des oxydes d'azote. [0024] Sur la figure 2, la structure 8 comprend une première face 8a et une deuxième face 8b qui sont ménagées en vis-à-vis l'une de l'autre. En position d'utilisation à l'intérieur de la ligne d'échappement 4, la première face 8a de la structure 8 forme une face amont de la structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote et la deuxième face 8b forme une face aval de la structure 8 de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote. Autrement dit, selon le sens de circulation 6 des gaz d'échappement 2 à l'intérieur de la ligne d'échappement 4, les gaz d'échappement 2 traversent en premier lieu la première face 8a puis la deuxième face 8b. Autrement dit encore, en position d'utilisation à l'intérieur de la ligne d'échappement 4, la première face 8a de la structure 8 forme une face d'entrée des gaz d'échappement 2 à l'intérieur de la structure 8 tandis que la deuxième face 8b forme une face de sortie des gaz d'échappement 2 hors de la structure 8. [0025] La première face 8a comporte une première conductivité thermique Xmin tandis que la deuxième face 8b comporte une deuxième conductivité thermique Xmax- Selon la présente invention, la première conductivité thermique Xmin est strictement inférieure à la deuxième conductivité thermique Xmax- [0026] Selon une forme particulière de réalisation, comme illustré sur la figure 2, la structure 8 présente une évolution de sa conductivité thermique X entre sa première face, 8a, et sa seconde face, 8b, selon une fonction en escalier croissante à partir de la première face 8a. Sur la figure 2, la fonction en escalier ne comprend qu'une marche, mais elle pourrait en variante comprendre plus d'une marche. Cette fonction en escalier peut alors être obtenue par l'association successive de tranches de substrat de conductivité thermique croissante. [0027] Le premier substrat 51 est par exemple un titanate d'aluminium ou tout matériau ayant une conductivité thermique de l'ordre de 1,1 W/(m.K) à 25°C à +/- 10%. Le deuxième substrat S2 est par exemple un carbure de silicium, ou tout matériau ayant une conductivité thermique de l'ordre de 25 W/(m.K) à 25°C à +/- 10% [0028] La figure 3 présente une modélisation comparant trois structures de filtration. Les structures de filtration selon l'art antérieur désignées par les références 30 et 31 sont respectivement des structures de filtration 100% carbure de silicium (SiC) et 100% titanate d'aluminium (AT) tandis que la structure de filtration selon l'invention, désignée par la référence 32, est de 50% titanate d'aluminium (AT) suivi de 50% de carbure de silicium (SiC). En référence à la figure 2, le titanate d'aluminium représente une première tranche Z1 de la structure de filtration 8 tandis que le carbure de silicium représente la seconde tranche Z2 de la structure de filtration 8. La première tranche Z1 comprend la première face 8a tandis que la deuxième tranche Z2 comprend la deuxième face 8b. Dans cet exemple, il faut comprendre par 50% titanate d'aluminium (AT) suivi de 50% de carbure de silicium (SiC) une structure 8 dont la première moitié de la longueur de la structure 8 correspondant à la tranche Z1 est en titanate d'aluminium et l'autre moitié de la longueur de la structure 8 correspondant à la tranche Z2 est en carbure de silicium. [0029] La figure 3 présente en fonction de la quantité de suies présentes dans la structure, le temps requis pour obtenir une régénération, c'est à dire une élimination des suies, réalisée à 70%. La quantité de suies est ici adimensionnée par une masse limite en suie, notée MLS, stockée dans la structure 8 de filtration avant régénération : 1 MSL représente une charge nominale, tandis que qu'une valeur supérieure à 1 représente une surcharge de suies dans la structure 8 de filtration. Cependant une telle surcharge peut subvenir dans certaines situations de vie du fonctionnement du véhicule automobile. On observe sur la figure 3 que la régénération de la structure en titanate d'aluminium 31 de l'art antérieur est beaucoup plus rapide que la structure en carbure de silicium 30. La structure 32 de l'invention est très proche du comportement de la structure en titanate d'aluminium 31. [0030] Si l'on regarde maintenant la figure 4, les structures de filtration selon l'art antérieur, désignées cette fois par les références 40 et 41 sont respectivement des structures de filtration 100% carbure de silicium (SiC) et 100% titanate d'aluminium (AT) tandis que la structure de filtration selon l'invention, désignée par la référence 42, est de 50% titanate d'aluminium (AT) suivi de 50% de carbure de silicium (SiC). On observe sur la figure 4 que la température maximale subie par la structure est plus importante dans la structure 41 en titanate d'aluminium du fait de sa faible conductivité thermique tandis que pour la structure 40 en carbure de silicium les températures sont plus faibles. La structure 42 de l'invention se comporte jusqu'à 1,5 MSL comme la structure 40 en carbure de silicium, ce qui permet de tolérer un surchargement en suie de la structure tout en limitant la température maximale subie par ladite structure, ce qui permet de protéger le revêtement catalytique d'une dégradation thermique ainsi que la tenue mécanique de la structure. [0031] Si l'on regarde maintenant la figure 5, les courbes 50, 51, 52 désignent l'évolution temporelle de la masse de suie, ms, respectivement dans la structure de filtration 100% carbure de silicium (SiC), 100% titanate d'aluminium (AT), et 50% titanate d'aluminium (AT) suivi de 50% de carbure de silicium (SiC). Les courbes 50', 51', 52' désignent l'évolution temporelle de la température, Trg, durant la régénération respectivement dans la structure de filtration 100% carbure de silicium (SiC), 100% titanate d'aluminium (AT), et 50% titanate d'aluminium (AT) suivi de 50% de carbure de silicium (SiC). [0032] On observe encore sur la figure 5 qu'avec la structure de l'invention, il y a un réel gain sur la vitesse de combustion des suies, donc de la durée de la régénération, ce qui permet une baisse du CO2 et de consommation du carburant ainsi que sur la température de régénération observée dans la structure. [0033] On voit bien que la structure de l'invention, dans ce mode de réalisation avec 50% titanate d'aluminium, suivi de 50% de carbure de silicium est particulièrement avantageuse pour des chargements en suies jusqu'à 1,5 MSL. Une répartition différente par exemple dans laquelle la première tranche Z1 représente entre 30% et 70% de la longueur de ladite structure 8 et la deuxième tranche Z2 le reste de la longueur de ladite structure 8 peut permettre une optimisation pour des chargements supérieurs à 1,5 MSL permettant de limiter la température maximale pour ces valeurs de surcharge en suie avant régénération. [0034] Il est aussi prévu d'accorder la capacité thermique de la structure 8. Ainsi avantageusement on peut prévoir que la première tranche, Z1, présente une capacité thermique comprise entre 450 J/(kg.K) et 550 J/(kg.K) et que la deuxième tranche, Z2, présente une capacité thermique comprise entre 650 J/(kg.K) et 850 J/(kg.K). [0035] Un premier procédé d'obtention de la structure 8 de l'invention selon l'exemple de réalisation présenté comprend l'assemblage d'une première tranche Z1 du premier substrat à une deuxième tranche Z2 du deuxième substrat ainsi qu'une étape d'imprégnation de la structure par un revêtement catalytique de réduction des oxydes d'azote. [0036] Un autre procédé d'obtention de la structure 8 de l'invention selon l'exemple de réalisation présenté comprend la fourniture de la structure complète dans un premier substrat présentant la conductivité thermique attendue d'une des tranches Z1 ou Z2, l'imprégnation, par exemple par trempage, de l'autre tranche d'une solution destinée à donner la conductivité thermique attendue à ladite autre tranche subissant le trempage. L'imprégnation peut aussi permettre de donner la capacité thermique attendue. Le procédé comprend aussi une étape d'imprégnation de la structure par un revêtement catalytique de réduction des oxydes d'azote. Par exemple, la structure complète peut être en titanate d'aluminium et l'on vient faire une imprégnation de la deuxième tranche Z2 par une solution à base de carbure de silicium et permettant de donner à la deuxième tranche Z2, une conductivité thermique supérieure à la première tranche Z1 en titanate d'aluminium. [0037] Il résulte de l'ensemble de ces dispositions que la première zone Z1 est optimisée pour réaliser une réduction des oxydes d'azote contenus à l'intérieur des gaz d'échappement 2 à faible température, par exemple inférieure à 150°C [0038] Il résulte également de l'ensemble de ces dispositions que la deuxième zone Z2 est optimisée pour une tenue thermique de la structure 8 lors d'une étape de régénération de la présente invention, en vue de brûler des suies et particules stockées à l'intérieur de la structure 8. [0039] II résulte encore de l'ensemble de ces dispositions que la deuxième zone Z2 est optimisée pour capter un excès d'agent réducteur 10 délivré à l'intérieur de la ligne d'échappement 4 par l'intermédiaire de l'injecteur 9. [0040] L'invention permet d'obtenir une structure de filtration de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote léger, simple à réaliser et peu couteuse. REVENDICATIONS: 1. Structure de filtration (8) de gaz chargés en particules et de réduction des oxydes d'azote apte à filtrer des particules contenues à l'intérieur de gaz d'échappement (2) circulant à l'intérieur d'une ligne d'échappement (4) d'un moteur à combustion interne (1) d'un véhicule automobile, la structure (8) comprenant une première face (8a) et une deuxième face (8b), la première face (8a) comportant une première conductivité thermique (Xmin), la deuxième face (8b) comportant une deuxième conductivité thermique (Xmax), caractérisé en ce que la première conductivité thermique (Xmin)est strictement inférieure à la deuxième conductivité thermique (Xmax)- 2. Structure de filtration (8) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'elle présente une évolution de sa conductivité thermique (X) entre sa première face (8a) et sa seconde face (8b) selon une fonction en escalier croissante à partir de la première face (8a). 3. Structure de filtration (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend une première tranche (Z1) comportant la première face (8a), la première tranche (Z1) étant dans un premier substrat (51) ayant une conductivité thermique de l'ordre de 1,1 W/(m.K) à 25°C à +/- 10% près et une deuxième tranche (Z2) comportant une deuxième face (8b), la deuxième zone (Z2) étant dans un deuxième substrat (S2) ayant une conductivité thermique de l'ordre de 25 W/(m.K) à 25°C à +/- 10% près. 4. Structure de filtration (8) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première tranche (Z1) représente entre 30% et 70% de la longueur de ladite structure (8) et la deuxième tranche (Z2) le reste de la longueur de ladite structure (8). 5. Structure de filtration (8) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première tranche (Z1) représente 50% de la longueur de ladite structure (8) et la deuxième tranche (Z2) le reste de la longueur de ladite structure (8). 6. Structure de filtration (8) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la première tranche (Z1) présente une capacité thermique comprise entre 450 J/(kg.K) et 550 J/(kg.K) et que la deuxième tranche (Z2) présente une capacité thermique comprise entre entre 650 J/(kg.K) et 850 J/(kg.K). 7. Procédé d'obtention d'une structure de filtration (8) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend : -la fourniture de la structure complète dans un premier substrat présentant la conductivité thermique attendue d'une des tranches (Z1, Z2), -l'imprégnation de l'autre tranche d'une solution destinée à donner la conductivité thermique attendue à ladite autre tranche subissant le trempage, - 1"imprégnation de la structure par un revêtement catalytique de réduction des oxydes d'azote. 8. Procédé d'obtention d'une structure de filtration (8) selon la revendication 7, la revendication 6 s'appliquant, caractérisé en ce que l'étape d'imprégnation de l'autre tranche est aussi destinée à donner la capacité thermique attendue à ladite autre tranche subissant le trempage. 9. Moteur à combustion interne (1) équipé d'une ligne d'échappement (4), caractérisé en ce que la ligne d'échappement (4) loge une structure de filtration (8) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne (1) selon la revendication précédente.