Brevet FR3028286A1 — publié le 20160513

DISPOSITIF DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN VEHICULE AUTOMOBILE [0001] L'invention concerne les dispositifs de réduction des oxydes d'azote à l'échappement des véhicules automobile. [0002] La réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ou SCR pour Selective Catalytic Reduction selon la terminologie anglophone, notamment par l'ammoniac, est l'un des procédés utilisés par l'industrie automobile pour éliminer les oxydes d'azotes émis par les moteurs diesel. Le procédé consiste à réduire les oxydes d'azote par l'ammoniac sur un catalyseur SCR. On connait également la réduction d'oxydes d'azotes mise en oeuvre par un catalyseur de réduction d'oxydes d'azote de type catalyseur trois voies dans le cas d'un moteur à essence. D'un point de vue réglementaire et pour des raisons de sécurité, l'ammoniac ne peut être embarqué en tant que tel dans un véhicule. Par conséquent, l'une des solutions est d'embarquer une solution aqueuse d'urée ou UWS pour Urea Water Solution dans la terminologie anglophone, constituée de 67,5 (3/0 d'eau et 32,5 (3/0 d'urée. Cette solution est injectée en amont du catalyseur de réduction d'oxydes d'azote par un injecteur pour favoriser son atomisation et de ce fait sa décomposition. L'ammoniac est issu de la décomposition de l'UWS en passant par 3 étapes successives : [0003] L'évaporation de l'eau : (NH2)2C0 (aq) (NH2)2C0 (g) + 6,9 H20 [0004] La thermolyse de l'urée : (NH2)2C0 (I) NH3 (g) + HNCO (g) [0005] Et l'hydrolyse de l'acide isocyanique : HNCO (g) + H20 (g) NH3 (g) + CO2 (g) [0006] Seulement, la bonne décomposition de l'urée aqueuse et son mélange au gaz d'échappement sont limités par trois phénomènes. Un premier phénomène limitant réside dans la température à laquelle l'urée est exposée. En effet l'urée ne se décompose pas en dessous de 133°C, la phase de thermolyse ne s'opérait pas pour de telles températures. Un autre phénomène limitant est la présence de réactions secondaires. En phase vapeur et à des températures intermédiaires, l'urée se transforme en acide isocyanique qui lui-même se transforme en d'autres produits tels que biuret, triuret, acide cyanurique, etc. Ces derniers peuvent évoluer vers des polymères et former des dépôts dans la ligne d'échappement. Un troisième phénomène réside dans les quantités faibles puisque dépendant proportionnellement de la quantité de NOx à traiter. Il est difficile de produire l'ammoniac en faible quantité. [0007] Une façon efficace de faciliter la décomposition de l'urée aqueuse et de prévenir la formation de produits indésirables est de catalyser la décomposition d'urée aqueuse et de réaliser un pré-mélange. La solution consiste alors à chauffer l'urée aqueuse, à catalyser la réaction pour orienter la réaction vers l'hydrolyse sans formation de produits secondaires, et à diluer et mélanger l'urée décomposée avec des gaz d'échappement avant introduction du mélange dans la ligne d'échappement. [0008] De plus, pour permettre un traitement des oxydes d'azote dès les basses températures, c'est-à-dire au démarrage du véhicule à moteur froid ou en régime de ralenti notamment en situation d'embouteillage, il est important que la solution d'urée aqueuse soit décomposée très rapidement pour que le système SCR ou plus généralement le catalyseur de réduction d'oxydes d'azote soit fonctionnel dès les basses températures, c'est à dire notamment pour des températures inférieures à 160°C. [0009] On a également proposé, dans le document EP 1 481 719, de mélanger l'urée aqueuse décomposée avec des gaz prélevés sur la ligne d'échappement. Néanmoins l'utilisation des gaz prélevés sur la ligne d'échappement s'avère provoquer un encrassement des différents organes mis en oeuvre, et notamment de l'injecteur d'urée aqueuse disposé en amont du catalyseur de décomposition de l'urée. La durée de vie des différents organes de la ligne d'échappement tend alors à se réduire. Un tel dispositif présente en outre un encombrement important. [0010] L'objectif de l'invention est de proposer un dispositif catalytique déporté pour décomposer rapidement l'urée aqueuse en ammoniac, pré-mélanger l'ammoniac avec des gaz d'échappement hors de la ligne d'échappement, et introduire l'ammoniac gazeux ainsi dilué en amont du catalyseur de réduction d'oxydes d'azote tel que le catalyseur SCR, lequel dispositif soit particulièrement efficace en termes de dépollution, simple de réalisation, et permette d'éviter un encrassement rapide de l'injecteur d'urée aqueuse et des différents organes de la ligne d'échappement. Un autre but de l'invention est de proposer un tel dispositif qui soit d'un encombrement réduit. [0011] Cet objectif est atteint selon l'invention grâce à un dispositif de traitement de gaz d'échappement de véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement, un catalyseur de réduction d'oxydes d'azote disposé sur la ligne d'échappement, une ligne de dérivation d'au moins une partie des gaz d'échappement hors de la ligne d'échappement laquelle ligne de dérivation comprend deux piquages sur la ligne d'échappement dont un piquage de prélèvement de gaz d'échappement et un piquage de retour de gaz d'échappement de sorte que ladite au moins une partie des gaz d'échappement sort de la ligne d'échappement et pénètre dans la ligne de dérivation par le piquage de prélèvement et ladite au moins une partie des gaz d'échappement sort de la ligne de dérivation et pénètre dans la ligne d'échappement par le piquage de retour, le dispositif comprenant en outre un dispositif de décomposition d'agent réducteur d'oxydes d'azote en ammoniac disposé sur la ligne de dérivation, le dispositif de décomposition d'agent réducteur comprenant un injecteur d'agent réducteur et un catalyseur d'une réaction de décomposition de l'agent réducteur, caractérisé en ce que le piquage de prélèvement des gaz d'échappement est disposé en aval du piquage de retour des gaz d'échappement en référence à un flux des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. [0012] Avantageusement, l'agent réducteur d'oxydes d'azote est de l'urée aqueuse. [0013] Avantageusement, le piquage de prélèvement est disposé en aval du catalyseur de réduction d'oxydes d'azote. [0014] Avantageusement, le dispositif comporte un filtre à particules et le piquage de prélèvement est disposé en aval du filtre à particules. [0015] Avantageusement, l'injecteur d'agent réducteur d'oxydes d'azote est un injecteur à double flux lequel est configuré pour injecter simultanément l'agent réducteur d'oxydes d'azote et les gaz d'échappement prélevés sur la ligne d'échappement. [0016] Avantageusement, le dispositif comporte un réchauffeur électrique du catalyseur de la réaction de décomposition de l'agent réducteur. [0017] Avantageusement, le dispositif comporte un aménagement de pilotage d'ampleur de flux de ladite au moins une partie des gaz d'échappement prélevée sur la ligne d'échappement. [0018] L'invention concerne également un moteur de véhicule automobile comprenant un tel dispositif de traitement des gaz d'échappement [0019] Le moteur est un avantageusement un moteur diesel. [0020] L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un tel moteur. [0021] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure unique annexée, laquelle représente un dispositif de réduction des oxydes d'azote selon un mode de réalisation de l'invention. [0022] Le dispositif représenté sur la figure fait usage d'un principe de fonctionnement selon lequel on décompose, en amont de la ligne d'échappement, l'urée aqueuse en ammoniac gazeux, avant que l'ammoniac ne soit introduite dans la ligne d'échappement. Pour la décomposition de l'urée aqueuse, on utilise ici un catalyseur d'hydrolyse de type TiO2 / Cordierite. [0023] Sur la figure 1, on a représenté sous la référence 1 une ligne d'échappement, laquelle évacue les gaz d'échappement produits par un bloc moteur 2. La ligne d'échappement 1 comporte un catalyseur d'oxydation diesel 3 ou DOC pour Diesel Oxydation Catalyst selon la terminologie anglo-saxonne. En aval du DOC 3 est disposé un catalyseur SCR 4 puis un filtre à particules 5. Dans le cas d'un véhicule à essence, c'est-à-dire un véhicule ayant un moteur à allumage commandé, on remplace le catalyseur SCR par un catalyseur de réduction d'oxydes d'azote faisant partie d'un catalyseur trois voies. [0024] Le dispositif comporte en outre un réservoir d'urée aqueuse 6 lequel dessert une conduite d'amenée de l'urée aqueuse 7. [0025] Une ligne de dérivation 8 s'étend depuis un piquage 9 sur la ligne d'échappement 1 et comporte un dispositif de décomposition qui sera décrit ci-après, lequel dispositif de décomposition est alimenté par la conduite d'amenée de l'urée aqueuse 7 et par les gaz d'échappement prélevés. La ligne de dérivation rejoint ensuite la ligne d'échappement par une piquage de retour 10 où elle injecte l'ammoniac issu de la décomposition de l'urée aqueuse dans la ligne d'échappement 1. [0026] Le dispositif de décomposition de l'urée comporte un injecteur d'urée aqueuse 11 et un catalyseur de décomposition de l'urée aqueuse 12. Les gaz d'échappement prélevés sur la ligne d'échappement rejoignent la ligne d'amenée de l'urée aqueuse 7 en entrée de l'injecteur 11 lequel injecte l'urée et les gaz d'échappement prélevés de la ligne d'échappement sur le catalyseur 12 lequel est ici un catalyseur d'hydrolyse. Le catalyseur d'hydrolyse 12 est ici un catalyseur de type TiO2 / Cordierite. L'injecteur 11 est préférentiellement un injecteur à double flux ou injecteur « co-flow » selon la terminologie anglophone, pour injecter simultanément l'agent réducteur d'oxydes d'azote et les gaz d'échappement. Un tel injecteur présente l'avantage de permettre un mélange très homogène des gaz d'échappement et de l'urée dès la sortie de l'injecteur, permettant ainsi l'arrivée d'un mélange déjà homogénéisé sur le catalyseur d'hydrolyse 12. [0027] Le dispositif de décomposition comporte en outre, en aval du catalyseur d'hydrolyse 12, une chambre de pré-mélange 13 dont le rôle est de permettre un brassage des gaz d'échappement avec l'ammoniac nouvellement générée par la décomposition de l'urée. La ligne de dérivation 8 s'étend ensuite en aval de la chambre de pré-mélange 13 pour former le piquage 10 par lequel elle injecte le mélange ainsi formé dans la ligne d'échappement 1. La ligne de dérivation 8 forme à cet effet un injecteur d'ammoniac 14 par lequel elle génère une diffusion rapide de l'ammoniac dans la ligne d'échappement 1. Une vanne actionnable 15 disposée en aval du piquage 9 de prélèvement des gaz d'échappement permet d'obturer partiellement ou totalement la sortie de la ligne d'échappement 1 pour orienter les gaz d'échappement dans la ligne de dérivation 8. La vanne actionnable 15 peut en variante être remplacée par un déflecteur orientable disposé au niveau du piquage de prélèvement 9. Il existe également une soupape de dosage de l'urée aqueuse, et donc de l'ammoniac, à injecter en amont de l'injecteur d'agent réducteur pilotée par une unité de commande. Une telle vanne 15 ou un tel déflecteur orientable constituent un aménagement, ou en d'autres termes des moyens, de pilotage de l'ampleur du flux de gaz d'échappement envoyé dans la ligne de dérivation 8. La vanne 15 constitue un aménagement de pilotage actif tandis que le déflecteur orientable constitue un aménagement de pilotage passif. [0028] Les gaz d'échappement prélevés sur la ligne d'échappement 1 permettent d'améliorer l'atomisation et l'évaporation de l'urée aqueuse. En outre ils diluent l'ammoniac NH3 de façon à réaliser un pré-mélange dans la chambre 13 dédiée à cet effet avant introduction de ce mélange dans la ligne d'échappement. Les gaz d'échappement prélevés ont en outre pour effet de réchauffer le catalyseur 12 afin de porter ce dernier à la température de fonctionnement du processus de décomposition de l'urée aqueuse. Une température du catalyseur proche ou inférieure à 160 ou 180°C est ainsi adéquate. Le catalyseur 12 permet de décomposer l'urée aqueuse selon les trois réactions de décomposition : l'évaporation, la thermolyse et l'hydrolyse. L'ammoniac NH3 gazeuse ainsi formée est alors mélangée puis introduite à l'intérieur de la ligne d'échappement en amont du catalyseur SCR. [0029] Le dispositif décrit ici comporte cependant un réchauffeur électrique du catalyseur 12, lequel réchauffeur permet de porter rapidement le catalyseur à sa température de fonctionnement et de jouir au plus vite de l'effet de dépollution par l'action de l'ammoniac au démarrage du véhicule. Au moment du démarrage du moteur ou à basses vitesses, les gaz d'échappement n'étant pas suffisamment chauds, un tel réchauffeur d'appoint tel qu'une résistance électrique vient aider à monter rapidement en température le catalyseur 12. [0030] De manière particulièrement avantageuse ici, les gaz d'échappement prélevés sur la ligne d'échappement 1 et mélangés à l'urée aqueuse sont spécifiquement prélevés en aval du piquage 10 de retour des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. Une telle disposition s'avère diminuer fortement l'encrassement généré par ces gaz dans le dispositif de décomposition de l'urée, et notamment s'avère limiter fortement l'encrassement de l'injecteur 11. De plus, le fait de prélever les gaz d'échappement en aval plutôt qu'en amont de l'injecteur d'ammoniac 14 permet une réduction de l'encombrement du dispositif, le piquage dans les parties aval de la ligne d'échappement s'avérant plus aisé à positionner qu'un piquage en partie amont. [0031] De manière particulièrement avantageuse, les gaz d'échappement sont prélevés en aval du catalyseur SCR 4 et encore plus préférentiellement en aval du catalyseur SCR 4 et du filtre à particules 5, de telle sorte que les gaz prélevés et mélangés à l'urée sont des gaz dépollués qui sont particulièrement efficaces à protéger le dispositif de décomposition et notamment l'injecteur d'urée aqueuse 11 contre un encrassement prématuré. Le piquage de prélèvement 9 est donc idéalement placé en aval de l'ensemble des dispositifs de dépollution, bien qu'en aval de l'injecteur 14 où ces gaz prélevés sont eux-mêmes réinjectés. [0032] Le présent dispositif, décrit ici pour la décomposition de l'urée aqueuse en ammoniac, est avantageux pour la décomposition en ammoniac de tout autre type d'agent réducteur d'oxydes d'azotes, tel qu'un agent réducteur d'oxydes d'azote à base d'amine.10 REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement de gaz d'échappement de véhicule automobile, comprenant une ligne d'échappement (1), un catalyseur de réduction d'oxydes d'azote (4) disposé sur la ligne d'échappement (1), une ligne de dérivation (8) d'au moins une partie des gaz d'échappement hors de la ligne d'échappement (1) laquelle ligne de dérivation (8) comprend deux piquages (9,10) sur la ligne d'échappement (1) dont un piquage de prélèvement (9) de gaz d'échappement et un piquage de retour (10) de gaz d'échappement de sorte que ladite au moins une partie des gaz d'échappement sort de la ligne d'échappement (1) et pénètre dans la ligne de dérivation (8) par le piquage de prélèvement (9) et ladite au moins une partie des gaz d'échappement sort de la ligne de dérivation (8) et pénètre dans la ligne d'échappement (1) par le piquage de retour (10), le dispositif comprenant en outre un dispositif de décomposition (11,12,13) d'agent réducteur d'oxydes d'azote en ammoniac disposé sur la ligne de dérivation (8), le dispositif de décomposition d'agent réducteur (11,12,13) comprenant un injecteur d'agent réducteur (11) et un catalyseur (12) d'une réaction de décomposition de l'agent réducteur, caractérisé en ce que le piquage de prélèvement des gaz d'échappement (9) est disposé en aval du piquage de retour des gaz d'échappement (10) en référence à un flux des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent réducteur d'oxydes d'azote est de l'urée aqueuse. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le piquage de prélèvement (9) est disposé en aval du catalyseur de réduction d'oxydes d'azote (4). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre à particules (5) et le piquage de prélèvement (9) est disposé en aval du filtre à particules (5). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur d'agent réducteur d'oxydes d'azote (11) est un injecteur à double flux lequel est configuré pour injecter simultanément l'agent réducteur d'oxydes d'azote et les gaz d'échappement (9) prélevés sur la ligne d'échappement (1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un réchauffeur électrique du catalyseur de la réaction de décomposition de l'agent réducteur (12). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un aménagement de pilotage d'ampleur de flux de ladite au moins une partie des gaz d'échappement prélevée (9) sur la ligne d'échappement (1). 8. Moteur de véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Moteur de véhicule automobile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur est un moteur diesel. 10. Véhicule automobile comprenant un moteur selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9. 10