Brevet FR3029800A1 — publié le 20160617

La présente invention se rapporte à un produit pour la dépollution des gaz d'échappement, notamment de moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile, et un procédé de dépollution des gaz d'échappement utilisant ce produit. Elle vise plus particulièrement un procédé pour traiter les polluants contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne de type Diesel, notamment pour véhicule automobile, mais n'écarte en aucune manière un tel procédé pour les moteurs à allumage commandé, tels que ceux fonctionnant avec un carburant gazeux ou avec de l'essence, et en particulier en mélange pauvre. Comme cela est connu, les gaz d'échappement de ces moteurs contiennent de nombreux polluants, tels que des hydrocarbures imbrûlés (HC), du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote (NO et NO2) plus communément baptisés sous le terme de NOx, et en sus des particules. Il est communément admis que les NOx sont le résultat de la combustion qui se déroule à des températures élevées et en présence d'oxygène. Ces conditions sont généralement rencontrées lors de tous types de combustions, particulièrement celles ayant lieu en mélange pauvre, comme celles avec injection directe en mélange pauvre, quel que soit le carburant utilisé. Or, les NOx présentent un inconvénient majeur car ils ont un impact néfaste directement sur la santé de l'être humain, particulièrement le NO2, et indirectement par la formation secondaire d'ozone troposphérique. Afin de respecter les normes d'émissions de polluants et de préserver l'environnement et la santé humaine, il est devenu nécessaire de traiter ces polluants avant de rejeter les gaz d'échappement dans l'atmosphère. Comme cela est généralement connu, ceci est réalisé grâce à un traitement en dépollution des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement du moteur. 3029800 2 Ainsi, pour traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone pour des moteurs fonctionnant en mélange pauvre, des moyens de catalyse, tels qu'un catalyseur d'oxydation, sont placés sur la ligne d'échappement. 5 En ce qui concerne les gaz d'échappement, en particulier d'un moteur Diesel, un filtre à particules est avantageusement placé sur cette ligne de manière à capter puis à éliminer les particules présentes dans les gaz d'échappement et éviter ainsi qu'elles soient rejetées dans l'atmosphère. Ce filtre, qui peut être également un filtre catalysé, doit être régénéré 10 périodiquement afin qu'il conserve toutes ses capacités de filtration en réalisant une combustion des particules retenues dans ce filtre. Ces opérations de régénération consistent principalement en une augmentation de la température du filtre, qui peuvent soit se produire spontanément lors d'une utilisation du moteur à forte charge, soit être générées au moyen d'une oxydation exothermique sur un 15 catalyseur placé en amont du filtre d'espèces chimiques réductrices issues de la combustion ou d'une injection directement à l'échappement déclenchées par le contrôle moteur. En ce qui concerne les NOx, les gaz d'échappement traversent également 20 d'autres moyens de catalyse, notamment des catalyseurs du type catalyseur RCS (pour Réduction Catalytique Sélective). Ce catalyseur RCS permet de réduire sélectivement les NOx en azote grâce à l'action d'un agent réducteur. Cet agent réducteur, qui est généralement injecté en amont du catalyseur RCS, peut être de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par 25 décomposition, comme de l'urée, ou être un hydrocarbure provenant d'une substance hydrocarbonée oxygénée ou non. Actuellement, la technique la plus répandue pour la dépollution des NOx est la catalyse RCS par l'ammoniac. 30 Cet ammoniac est obtenu indirectement par décomposition d'un précurseur injecté sous forme liquide, généralement de l'urée en solution aqueuse à 32,5%m plus connu sous la dénomination commerciale nommée "AdBlue" ou "DEF". Ainsi, la solution d'urée est injectée dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur RCS. L'eau contenue dans cette solution est rapidement vaporisée 3029800 3 sous l'effet de la température des gaz d'échappement, puis chaque molécule d'urée se décompose suivant deux étapes en deux molécules d'ammoniac : (NH2)2C0 (urée) NH3 (ammoniac) + HNCO (acide isocyanique) - (1) HNCO + H2O NH3 + CO2 - (2) 5 Alternativement de l'ammoniac peut être directement injecté à l'état gazeux dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur RCS. Comme cela est mieux decrit dans le document EP 2 541 012, le systeme 10 pour dépolluer des gaz d'échappement comprend une ligne d'échappement comportant un moyen de dépollution combinant un filtre à particules et un catalyseur avec réduction catalytique sélective (RCS), cet ensemble étant dénommé filtre catalysé RCS ou filtre FRCS, un réservoir unique contenant un mélange d'un additif pour la régénération du filtre à particules et d'un réducteur 15 pour l'élimination des NOx présents dans ce moyen de dépollution et un injecteur pour introduire ce mélange en amont du filtre FRCS. Ce système bien que donnant satisfaction présente néammoins des inconvénients non négligeables. 20 En effet, le système décrit dans le document EP 2 541 012 se limite à utiliser un additif de régénération contenant une capacité de stockage d'oxygène. Un tel additif ne présente que peu d'avantage dans un milieu déjà riche en oxygène, comme cela est le cas pour une ligne d'échappement de moteur 25 fonctionnant en mélange pauvre. En outre, il est décrit que la phase catalytique du catalyseur RCS est protégée uniquement lorsque celle-ci est enduite dans un filtre à particules. Cela exclut de fait les configurations pour lesquelles les fonctions de filtration 30 des particules et de réduction catalytique des NOx par RCS sont réalisées sur des éléments dissociés. De plus, le système décrit ne concerne que des situations pour lesquelles la température des gaz d'échappement est élevée. 3029800 4 Dès lors, la combustion des particules est susceptible d'augmenter encore la température au sein du filtre FRCS, ce qui peut entraîner une détérioration de la phase catalytique. 5 La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés grâce à un produit et un procédé qui permettent de réaliser la dépollution des gaz d'échappement d'une manière simple et efficace. A cet effet, la présente invention concerne un produit pour la dépollution de gaz 10 d'échappement, notamment de moteur à combustion interne, ledit produit étant un mélange d'un additif pour le traitement des particules et d'un agent réducteur pour l'élimination des oxydes d'azote (NOx), caractérisé en ce que le produit comprend un mélange d'un agent réducteur contenant de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition, ou un hydrocarbure provenant d'une 15 substance hydrocarbonée oxygénée ou non, et d'un additif pour catalyser l'oxydation des particules. Le produit peut comprendre au moins un composé métallique. 20 Le composé métallique peut être un composé organométallique. Le composé métallique peut être un métal choisi parmi les éléments sodium, potassium, magnésium, calcium, baryum, strontium, titane, cérium, chrome, molybdène, manganèse, fer, rubidium, cobalt, rhodium, nickel, palladium, platine, 25 cuivre, argent ou est un mélange d'au moins deux de ces éléments. Le composé organométallique peut comprendre le ferrocène. Le composé métallique peut être un composé métallique inorganique. 30 Le composé métallique inorganique peut être un composé choisi parmi les fluorures, les chlorures, les bromures, les iodures, les oxydes, les nitrates, les 3029800 5 sulfates, les phosphates, les hydrures, les carbonates, les nitrures ou un mélange d'au moins deux de ces composés. L'invention concerne également un pprocédé de dépollution des gaz 5 d'échappement circulant dans une ligne d'échappement, notamment d'un moteur à combustion interne, et utilisant le produit tel que mentionné ci-dessus, ladite ligne comprenant un moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (NOx), un moyen d'élimination de particules, et des moyens d'introduction du produit dans la ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste : 10 - à déterminer la température des gaz d'échappement et - dès que cette température de gaz a atteint un seuil permettant le démarrage du traitement des oxydes d'azote par ledit moyen, à introduire le produit dans la ligne d'échappement. 15 Le procédé peut consister à introduire de manière régulière le produit dans la ligne d'échappement. Le procédé peut consister à contrôler le débit du produit injecté en fonction de la quantité de NOx. 20 Le procédé peut consister à combiner, en un seul élément, le moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote et le moyen d'élimination de particules en un filtre catalysé RCS. 25 Le procédé peut consister à placer le moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote en avant du moyen d'élimination de particules. Le procédé peut consister à placer le moyen d'élimination de particules en 30 avant du moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. Le procédé peut consister à placer au moins catalyseur supplémentaire dans la ligne d'échappement. 3029800 6 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : 5 - la figure 1 qui montre une installation utilisant le produit et le procédé selon l'invention ; - la figure 2 qui illustre une première variante de la figure 1 et - la figure 3 qui est une autre variante de la figure 1. 10 Cette installation de traitement en dépollution des gaz d'échappement comprend une ligne d'échappement 10 véhiculant les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne 12, par exemple pour véhicule automobile. Par moteur à combustion interne, il est entendu un moteur Diesel, mais cela 15 n'écarte en aucune manière tous les autres moteurs à combustion interne, comme les moteurs fonctionnant à l'essence ou au gaz. Comme mieux visible sur la figure 1, la ligne d'échappement 10 comprend, dans le sens de circulation des gaz d'échappement allant de son entrée 14 au 20 voisinage du collecteur d'échappement 16 du moteur vers sa sortie 18 à l'air libre, au moins un moyen de captation et d'élimination des particules présentes dans les gaz d'échappement ainsi qu'un moyen de réduction des NOx contenus également dans ces gaz. Avantageusement mais non obligatoirement, ces moyens sont combinés en 25 un seul élément qui est plus connu sous le terme de filtre catalysé RCS 20 ou filtre FRCS. De manière préférentielle, ce filtre FRCS 20 est placé en aval d'un catalyseur d'oxydation 22 qui a pour fonction de traiter les hydrocarbures imbrûlés et le 30 monoxyde de carbone contenus dans les gaz d'échappement avant que ces derniers ne traversent le filtre FRCS. Ce catalyseur d'oxydation 22 a également pour fonction de convertir partiellement le monoxyde d'azote en dioxyde d'azote, le cas idéal étant d'avoir 3029800 7 une répartition équimolaire entre le monoxyde d'azote et le dioxyde d'azote à l'entrée du filtre FRCS afin d'en maximiser son efficacité. La ligne d'échappement comprend un moyen d'introduction, 5 préférentiellement un injecteur 24, d'un mélange d'un additif pour la régénération des particules et d'un agent réducteur pour l'élimination des NOx. Cet injecteur est placé en amont du filtre FRCS et au voisinage de son entrée 26 de façon à ce que ce mélange puisse se combiner de façon la plus homogène possible avec les gaz d'échappement avant leur introduction dans le 10 filtre FRCS. Comme cela est généralement connu, la ligne comporte un moyen de détermination de pression différentielle 28 entre l'entrée 26 du filtre FRCS et sa sortie 30. 15 A titre d'exemple ce moyen comprend un capteur de pression amont 32 placé au niveau de l'entrée 26 du filtre FRCS et mesurant la pression des gaz d'échappement à cette entrée, un autre capteur 34, dit capteur aval, placé à la sortie 30 de ce filtre FRCS et mesurant la pression des gaz d'échappement à cette sortie, et un organe de calcul 36 pour déterminer la différence de pression entre 20 l'entrée et la sortie du filtre FRCS. Ceci permet de connaitre le taux de colmatage par les particules du filtre FRCS. De manière connue en soi, la ligne d'échappement porte un capteur de température (non représenté) placé sur la ligne d'échappement, et plus 25 particulièrement à l'entrée du filtre FRCS, pour connaître à tout moment la température des gaz d'échappement qui circulent dans cette ligne. Alternativement, il peut être prévu d'utiliser des moyens logiques et/ou informatiques qui permettent d'estimer à tout moment la température des gaz d'échappement qui circulent dans la ligne. 30 Cette ligne peut également porter un capteur de NOx (non représenté) placé à la sortie du filtre FRCS 20 pour connaître à tout moment la quantité des NOx qui sort du filtre FRCS. 3029800 8 De même, il peut être également prévu d'utiliser des moyens logiques et/ou informatiques qui permettent d'estimer à tout moment cette quantité de NOx. Le mélange introduit dans la ligne d'échappement par l'injecteur 24 est 5 amené par un conduit 38 raccordant cet injecteur à un réservoir 40 contenant ce mélange. Ce mélange est amené à circuler entre le réservoir et l'injecteur sous l'effet d'un moyen de pompage, comme une pompe doseuse 42. Le mélange contenu dans le réservoir comprend un agent réducteur pour les 10 NOx, qui peut être de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition, comme de l'urée, ou qui peut être un hydrocarbure provenant d'une substance hydrocarbonée oxygénée ou non, et un additif de type catalytique pour le traitement des particules et plus particulièrement un additif pour catalyser l'oxydation de ces particules. 15 L'additif de type catalytique pour le traitement des particules peut être un composé métallique. Ce composé métallique peut être un composé organométallique, comme par exemple le ferrocène. Le métal de ce composé organométallique peut être du sodium, du potassium, du magnésium, du calcium, du baryum, du strontium, du 20 titane, du cérium, du chrome, du molybdène, du manganèse, du fer, du rubidium, du cobalt, du rhodium, du nickel, du palladium, du platine, du cuivre, de l'argent ou bien un mélange d'au moins deux de ces éléments. Ce composé métallique peut être un composé métallique inorganique, comme par exemple le chlorure de nickel. De façon plus générale, ce composé 25 métallique inorganique peut faire partie de la famille des fluorures, des chlorures, des bromures, des iodures, des oxydes, des nitrates, des sulfates, des phosphates, des hydrures, des carbonates, des nitrures ou un mélange de ces composés. 30 Pour le fonctionnement, le calculateur-moteur que comporte habituellement tout moteur connait à tout moment la température des gaz d'échappement et la quantité des NOx en sortie du filtre FRCS. 3029800 9 Dès que la température des gaz d'échappement a atteint un seuil permettant le démarrage de la fonction de traitement des NOx du filtre FRCS 20, le mélange contenu dans le réservoir 30 est introduit de manière régulière dans la ligne d'échappement par l'injecteur 24 en amont du filtre FRCS. 5 De manière avantageuse, la quantité du mélange injecté dans la ligne d'échappement est sensiblement proportionnelle à la formation de NOx et est déterminée par le calculateur-moteur. 10 L'injection de ce mélange en amont du filtre FRCS tout au long de la phase de chargement du filtre à particules permet un mélange intime entre l'additif catalytique de régénération et les particules à l'intérieur du filtre FRCS. La combinaison de l'activité catalytique de l'additif et le contact intime entre les particules et cet additif catalytique permet d'abaisser la température à laquelle 15 démarre la combustion des particules afin de la rendre compatible avec les températures usuellement rencontrées à l'échappement des moteurs, si besoin après ajout d'une post-injection qui va s'oxyder sur le catalyseur d'oxydation 22 et produire un dégagement de chaleur au niveau de l'entrée 26 du filtre FRCS. 20 La variante de la figure 2 se distingue de la figure 1 par le fait que le filtre FRCS de la figure 1, qui est en un seul élément, est remplacé par au moins deux moyens de traitement des gaz d'échappement. L'un des moyens est un catalyseur du type catalyseur RCS 44 qui est suivi par un autre moyen qui est un filtre à particules 46. 25 Dans cette configuration, l'injecteur 24 est placé en amont du catalyseur RCS A l'inverse, comme illustré sur la variante de la figure 3, l'un des moyens est un filtre à particules 46 qui est suivi par un autre moyen qui est un catalyseur du 30 type catalyseur RCS 44. Dans cette autre configuration, l'injecteur 24 est en amont du filtre à particules 464. 3029800 10 La ligne d'échappement comprend, aussi bien pour la variante de la figure 2 que celle de la figure 3, un injecteur 24 du mélange décrit plus haut comprenant un additif pour la régénération des particules du filtre à particules et un agent réducteur pour l'élimination des NOx par le catalyseur RCS 44 5 Cet injecteur est placé en amont du moyen de traitement des gaz d'échappement (catalyseur RCS 44 ou un filtre à particules 46) le plus proche du catalyseur d'oxydation 22. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, la ligne 10 d'échappement comprenant le filtre FRCS 20 ou la ligne d'échappement comprenant un catalyseur RCS 44 et un filtre à particules 46 peut comporter des catalyseurs supplémentaires, par exemple un catalyseur SCR en plus du filtre FRCS, et/ou un catalyseur de clean-up, etc. 15 REVENDICATIONS1) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement, notamment de moteur à combustion interne, ledit produit étant un mélange d'un additif pour le traitement des particules et d'un agent réducteur pour l'élimination des oxydes d'azote (NOx), caractérisé en ce que le produit comprend un mélange d'un agent réducteur contenant de l'ammoniac ou un composé générant de l'ammoniac par décomposition, ou un hydrocarbure provenant d'une substance hydrocarbonée oxygénée ou non, et d'un additif pour catalyser l'oxydation des particules. 2) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un composé métallique. 3) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 2, pour lequel le composé métallique est un composé organométallique. 4) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé métallique est un métal choisi parmi les éléments sodium, potassium, magnésium, calcium, baryum, strontium, titane, cérium, chrome, molybdène, manganèse, fer, rubidium, cobalt, rhodium, nickel, palladium, platine, cuivre, argent ou est un mélange d'au moins deux de ces éléments. 5) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composé organométallique comprend le ferrocène. 6) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé métallique est un composé métallique inorganique. 7) Produit pour la dépollution de gaz d'échappement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le composé métallique inorganique est un composé choisi parmi les fluorures, les chlorures, les bromures, les iodures, les oxydes, les 3029800 12 nitrates, les sulfates, les phosphates, les hydrures, les carbonates, les nitrures ou un mélange d'au moins deux de ces composés. 8) Procédé de dépollution des gaz d'échappement circulant dans une ligne 5 d'échappement (10), notamment d'un moteur à combustion interne, et utilisant le produit selon l'un des revendications précédentes, ladite ligne comprenant un moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (NOx), un moyen d'élimination de particules, et des moyens d'introduction (24, 38, 40) du produit dans la ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste : 10 - à déterminer la température des gaz d'échappement et - dès que cette température de gaz a atteint un seuil permettant le démarrage du traitement des oxydes d'azote par ledit moyen, à introduire le produit dans la ligne d'échappement. 15 9) Procédé de dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire de manière régulière le produit dans la ligne d'échappement. 10) Procédé de dépollution des gaz d'échappement selon la revendication 8 20 ou 9, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler le débit du produit injecté en fonction de la quantité de NOx. 11) Procédé de dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à combiner, en un seul 25 élément, le moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote et le moyen d'élimination de particules en un filtre catalysé RCS (20). 12) Procédé de dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications 8 ou 10, caractérisé en ce qu'il consiste à placer le moyen de 30 catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (44) en avant du moyen d'élimination de particules (46). 13) Procédé de dépollution des gaz d'échappement selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à placer le moyen 3029800 13 d'élimination de particules (46) en avant du moyen de catalyse à réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (44). 14) Procédé de dépollution des gaz d'échappement selon l'une des 5 revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à placer au moins catalyseur supplémentaire dans la ligne d'échappement.