Brevet FR3025725A1 — publié le 20160318

PROCÉDÉ DE DÉPOLLUTION DES OXYDES D'AZOTE [0001] L'invention a trait au domaine de la dépollution des gaz rejetés par les moteurs diesel. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs diesels contiennent des éléments polluants dont il est préférable de limiter les rejets dans l'atmosphère. Ces éléments polluants émanent de la combustion du carburant diesel par l'air et comprennent généralement des oxydes d'azote (couramment désignés sous l'acronyme NOx), du monoxyde de carbone (CO), du carburant imbrûlé ou encore des particules de suie. [0003] Une fois la combustion terminée, les gaz d'échappement quittent le moteur puis, après avoir éventuellement alimenté un turbocompresseur (aujourd'hui généralisé sur les véhicules diesel), sont canalisés vers une ligne d'échappement. Le long de la ligne d'échappement, les gaz subissent plusieurs traitements par catalyse et filtration afin qu'en soient au moins partiellement extraits certains éléments nocifs. [0004] L'élimination des NOx des gaz d'échappement se fait couramment par catalyse, au moyen d'un dispositif appelé réducteur catalytique sélectif (ci-après désigné sous son acronyme anglais SCR, correspondant à la dénomination Selective Catalytic Reductor). Un réducteur tel que de l'urée est directement injecté dans le SCR puis transformé en ammoniac en présence de chaleur. Le SCR permet, à l'aide d'une réaction chimique impliquant les NOx et l'ammoniac, de transformer les oxydes d'azote en un mélange de di-azote et d'eau. [0005] L'urée ne se transforme en ammoniac qu'à une certaine température proche de 180°C. En dessous de cette température, il n'est pas possible d'injecter de l'urée car la transformation en ammoniac ne se fera pas. Les véhicules automobiles rejettent donc des quantités de NOx dans l'atmosphère lorsque la plage d'utilisation du véhicule implique que les gaz d'échappement sont à une température inférieure à 180°C. D'ailleurs, ceci arrive systématiquement au démarrage à froid du véhicule. [0006] Ainsi, les constructeurs automobiles ont eu l'idée, en plus du SCR, d'ajouter un adsorbeur de NOx (ci après désigné sous son acronyme anglais LNT, correspondant à la dénomination Lean NOx P018 B164 FR 3025725 2 Trap). Le LNT est situé avant le SCR de telle sorte que les gaz passent d'abord par le LNT puis par le SCR. Le LNT fonctionne à des températures inférieures en comparaison avec le SCR. Typiquement, le LNT adsorbe les NOx à partir de 25°C. Toutefois, le LNT ne peut 5 adsorber indéfiniment. Au fur et à mesure, le LNT se charge de NOx et une fois sa capacité maximale atteinte, les NOx présents dans les gaz d'échappement ne sont plus adsorbés. Le LNT doit alors être régénéré. La régénération se fait en enrichissant le mélange air/carburant de telle sorte que le carburant soit présent dans des proportions supérieures à 10 l'air. Ainsi, les gaz d'échappement contiennent du carburant imbrûlé qui réagit avec les NOx. Le LNT est ainsi régénéré. [0007] De nombreux documents décrivent l'utilisation conjointe d'un LNT et d'un SCR sur une ligne d'échappement, à l'image de la demande de brevet américain publiée sous le numéro US 2012/0222406. Ce 15 document propose une ligne échappement munie d'un catalyseur primaire, d'un LNT et d'un SCR. Le gaz d'échappement passe successivement par le catalyseur primaire puis par le LNT et enfin par le SCR. Lorsque le mélange est pauvre, c'est à dire que la proportion de carburant est inférieure aux proportions stoechiométriques dans les 20 cylindres du moteur, des quantités importantes de NOx sont produites. Inversement, lorsque le mélange est riche, ce qui se traduit par une proportion de carburant supérieure aux proportions stoechiométriques, les gaz d'échappement contiennent des hydrocarbures, du monoxyde de carbone et du dihydrogène. Lorsque le mélange est pauvre, le 25 catalyseur primaire et le LNT se chargent en oxydes d'azote et produisent de l'ammoniac. Toutefois, une partie des oxydes d'azote passe au travers de ces deux dispositifs. Le SCR est par conséquent alimenté en ammoniac produit dans le catalyseur primaire et dans le LNT. Les oxydes d'azote sont alors éliminés par le SCR. Par ailleurs, 30 une fois que leur capacité maximale d'adsorption est atteinte, le catalyseur primaire et le LNT doivent être déchargés. Le mélange est alors enrichi et les NOx sont détachés du LNT sans être éliminés. Le SCR élimine par la suite les NOx détachés du LNT durant la phase d'enrichissement du mélange. 35 [0008] Ce procédé de dépollution n'est pas aussi efficace qu'il semble l'être. En effet, la production d'ammoniac n'est pas possible à tout moment et la quantité produite ne permet pas tout le temps P018 B164 FR 3025725 3 d'alimenter le SCR convenablement. La dépollution est alors grevée par manque d'agent réducteur. Les normes en matière de dépollution étant de plus en plus restrictives, il est nécessaire, de dépolluer quelle que soit l'utilisation faite du véhicule. L'invention a pour objectif de 5 remédier aux inconvénients précités. [0009] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce procédé étant mis en oeuvre au moyen d'un dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur une ligne d'échappement d'un véhicule 10 automobile et comprenant : un adsorbeur d'oxydes d'azote (LNT) muni de moyens de production d'ammoniac par réaction chimique des oxydes d'azote (NOx), un réducteur catalytique sélectif (SCR) situé en aval du LNT 15 dans le sens de déplacement des gaz, un calculateur permettant d'estimer les besoins en ammoniac dans le SCR, une sonde de température permettant de mesurer la température des gaz d'échappement, 20 ce procédé comprenant : une étape d'adsorption des NOx dans le LNT, une étape de production d'ammoniac dans le LNT, une étape d'alimentation du SCR en ammoniac produit dans le LNT, selon les besoins estimés par le calculateur, 25 - une étape de réduction des NOx dans le SCR par réaction chimique des NOx avec l'ammoniac injecté, le procédé comprenant une étape supplémentaire d'injection d'ammoniac dans le SCR lorsque la quantité d'ammoniac produite dans le LNT est décrétée insuffisante, l'ammoniac ainsi injecté étant puisé 30 dans un réservoir auxiliaire de stockage contenant un agent réducteur comprenant de l'ammoniac. [0010] Au sens de l'invention, on comprend par « injection d'ammoniac» le fait d'introduire de l'ammoniac dans le SCR, que ce soit par l'intermédiaire d'une conduite connectée à un réservoir 35 auxiliaire d'agent réducteur et d'un injecteur permettant de doser précisément la quantité d'ammoniac introduite dans la ligne d'échappement en amont du SCR, ou le fait d'introduire l'ammoniac P018 B164 FR 3025725 4 dans le SCR par production d'ammoniac dans le LNT puis introduction de celui-ci dans le SCR dans le flux des gaz d'échappement (et donc sans injecteur dédié pour ce mode d'alimentation). On pourra donc dans le présent texte utiliser le terme injection ou alimentation ou 5 introduction de façon générale, l'introduction via un injecteur spécifique dédié dans la ligne d'échappement en amont du SCT étant sinon spécifiquement précise (dans le cas de figure du réservoir annexe de réducteur). Les termes « amont » ou »aval » se rapportent dans tout le présent texte au sens générale de déplacement des gaz d'échappement 10 depuis la sortie du moteur jusqu'à l'extrémité de la ligne d'échappement vers l'extérieur du véhicule. [0011] Par ailleurs, le terme « un agent réducteur comprenant de l'ammoniac » relatif au réservoir auxiliaire comprend de l'ammoniac ou autre réducteur ou tout agent précurseur d'ammoniac susceptible de 15 relarguer de l'ammoniac, par exemple par activation thermique (de l'urée sous forme liquide ou des sels solides du type chlorure de strontium notamment). De façon générique, on vient donc injecter le cas échéant de l'ammoniac (ou un précurseur d'ammoniac du type urée) depuis le réservoir auxiliaire dans la ligne d'échappement via une 20 conduite, l'injection étant pilotée par un injecteur sous commande du calculateur. [0012] L'injection supplémentaire d'ammoniac (ou de son précurseur, comme indiqué plus haut) provenant d'une source autre que le LNT améliore la dépollution des gaz d'échappement. En effet, lorsque la 25 quantité d'ammoniac produite dans le LNT s'avère insuffisante, le SCR dispose d'une source secondaire d'ammoniac, et ceci au bénéfice de la dépollution. [0013] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : 30 - à chaque fin d'utilisation du véhicule, le calculateur charge le SCR en ammoniac par injection de l'ammoniac produit dans le LNT ; à chaque fin d'utilisation du véhicule, le calculateur détermine la quantité d'ammoniac nécessaire pour charger le SCR, si cette quantité nécessaire est supérieure à la quantité disponible produite par 35 le LNT, le calculateur commande l'injection d'ammoniac à partir du réservoir auxiliaire de stockage ; lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure P018 B164 FR 3025725 5 à environ 150°C et inférieure à environ 180°C, lesNOx contenus dans les gaz d'échappement sont éliminés dans le SCR grâce à l'ammoniac stocké lors d'une précédente utilisation ; lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure 5 à environ 180°C et inférieure à environ 220°C, le calculateur commande, s'il l'estime nécessaire, l'injection d'ammoniac dans le SCR à partir du réservoir auxiliaire de stockage ; lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure à environ 220°C, le LNT produit de l'ammoniac, cet ammoniac est 10 injecté dans le SCR conformément aux estimations du calculateur ; le calculateur lance la régénération du LNT par enrichissement du mélange carburant/comburant dans le moteur. [0014] Il est proposé, en second lieu, un dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur une ligne d'échappement d'un véhicule 15 automobile et comprenant : un adsorbeur d'oxydes d'azote (LNT) muni de moyens de production d'ammoniac par réaction chimique des oxydes d'azote (NOx), un réducteur catalytique sélectif (SCR) situé en aval du LNT 20 dans le sens de déplacement des gaz, des moyens d'injection, dans le SCR, de l'ammoniac produit, un calculateur permettant d'estimer les besoins en ammoniac dans le SCR, une sonde de température permettant d'estimer la 25 température des gaz d'échappement, le dispositif comprenant, en outre, un réservoir auxiliaire de stockage contenant un agent réducteur comprenant de l'ammoniac et un circuit d'injection auxiliaire muni d'un injecteur permettant d'alimenter le SCR à partir du réservoir auxiliaire de stockage. 30 [0015] Il est proposé, en troisième lieu, un véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement, ce dispositif étant apte à opérer selon le procédé tel que précédemment décrit. [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 35 apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en P018 B164 FR 3025725 6 référence à la figure 1 qui illustre schématiquement une représentation fonctionnelle non limitative d'un mode de réalisation. [0017] Sur l'unique figure est représenté, de manière schématique, un moteur 1 à combustion interne ainsi qu'un dispositif 2 de traitement 5 des gaz d'échappement monté sur une ligne 3 d'échappement. Le dispositif 2 de traitement des gaz d'échappement comprend : une vanne 4 de recirculation des gaz d'échappement ci-après dénommée vanne 4 EGR pour Exhaust Gas Recirculation, un adsorbeur 5 d'oxyde d'azote, ci-après dénommé par son 10 acronyme anglais LNT 5 pour Lean NOx Trap, un réducteur 6 catalytique sélectif, ci-après dénommé par son acronyme anglais SCR 6 pour Selective Catalyst Reductor, un circuit 8 d'injection auxiliaire d'ammoniac, un réservoir 9 auxiliaire de stockage, et 15 - une sonde de température (non représentée) permettant de mesurer la température des gaz d'échappement. [0018] Le circuit 8 d'injection auxiliaire est muni d'un injecteur 11 auxiliaire. [0019] Le moteur 1 est alimenté en carburant diesel. Les produits de 20 la combustion contiennent, à la sortie du moteur, des gaz, notamment des oxydes d'azote (NOx), du monoxyde de carbone et des particules de suies. [0020] Dans ce qui suit, l'accent sera porté sur l'élimination des oxydes d'azote. Les oxydes d'azote représentent un enjeu tout 25 particulier pour les constructeurs automobile. Les normes en matière d'émission de NOx sont de plus en plus restrictives et il est important de les éliminer au maximum quelle que soit l'utilisation qui est faite du véhicule et à n'importe quel régime moteur. [0021] A la sortie du moteur 1, une partie des gaz d'échappement est 30 renvoyée grâce à la vanne 4 EGR vers le moteur 1 afin d'être brûlé dans un nouveau cycle de combustion. La recirculation des gaz d'échappement dans le moteur 1 permet d'éliminer une partie des NOx. [0022] Les gaz d'échappement non renvoyés traversent le LNT 5. Le LNT 5 présente une structure en nid d'abeille. Le matériau utilisé est 35 une zéolite. Au passage des gaz d'échappement dans le LNT 5, les oxydes d'azotes sont piégés par la zéolite. Le LNT 5 se charge en oxydes d'azote, et lorsque sa capacité maximale est atteinte, la P018 B164 FR 3025725 7 capacité du LNT 5 à piéger les NOx s'estompe. Il est alors important de régénérer le LNT 5. Typiquement cette opération prend quelques secondes, de l'ordre de 4 à 6 secondes. [0023] La régénération peut prendre plusieurs formes. Dans un mode 5 de réalisation, la régénération est effectuée par réaction chimique dans le LNT 5. Concrètement, le mélange est enrichi, c'est à dire que la quantité de carburant dans le mélange carburant/comburant est augmentée. Par conséquent, les produits de combustion réagissent de manière avantageuse avec les NOx dans le LNT 5 pour former du di- 10 azote et de l'ammoniac. Les NOx sont transformés et le LNT 5 peut à nouveau adsorber. La zéolite est avantageusement revêtue d'une couche de rhodium (Rh). [0024] Durant cette phase où le mélange est enrichi, le LNT 5 produit notamment de l'ammoniac. Nous reviendrons sur l'utilisation de cet 15 ammoniac dans ce qui suit. [0025] L'adsorption des NOx n'est pas totale, une partie de ceux-ci s'échappent du LNT 5 même lorsque celui-ci n'est pas en mode régénération. Ces NOx traversent ensuite le SCR 6. La structure interne du SCR 6 prend également la forme d'un nid d'abeille ce qui permet 20 d'augmenter la surface spécifique d'échange. De cette manière, les réactions chimiques sont améliorées. L'ammoniac injecté dans le SCR 6 réagit avec les NOx pour former de l'eau et du di-azote. [0026] Cette dépollution n'est, cependant, pas parfaite. En effet, le LNT 5 ne produit pas de l'ammoniac à toutes les températures. Celui-ci 25 doit atteindre une température d'environ 220°C, sans quoi il ne fait qu'adsorber les NOx. C'est notamment le cas lors du démarrage à froid, ou dans des conditions d'utilisation à bas régime moteur. [0027] Par conséquent, il est entendu que la part de NOx non captée par le LNT 5 ne peut être éliminée dans le SCR 6 car ce dernier n'est 30 pas alimenté. La réaction chimique entre l'ammoniac et les NOx n'est possible qu'à partir d'une température de 150°C. Toutefois, sur une ligne d'échappement cette température est atteinte rapidement. De plus, il est important de noter que la décomposition de l'urée en ammoniac n'est possible qu'à partir d'une température de 180°C. 35 [0028] Ainsi, au démarrage du véhicule et jusqu'à une température de 150°C, aucune réaction n'est possible dans le SCR 6. Le LNT 5 adsorbe les NOx et une partie de ceux-ci s'échappent inévitablement P018 B164 FR 3025725 8 vers l'atmosphère. Cette partie n'est toutefois pas importante puisque, le LNT 5 n'a pas encore eu le temps de se charger et de perdre en capacité d'adsorption. Au démarrage du véhicule, le LNT peut ainsi capter une grande partie des NOx. 5 [0029] La température de 150°C est atteinte très rapidement dans la ligne d'échappement, et comme précédemment expliqué, cette température permet la réaction entre l'ammoniac et les NOx. Le SCR 6 est dimensionné de telle sorte qu'à chaque fois que le moteur 1 est éteint, de l'ammoniac y est stocké. De la sorte, à chaque nouveau 10 démarrage, et lorsque la température est supérieure à 150°C et inférieure à 180°C l'ammoniac stocké durant une précédente utilisation élimine les NOx non piégés par le LNT. [0030] A partir de 180°C et en dessous de 220°C, le LNT 5 ne produit pas d'ammoniac. L'ammoniac stocké durant une précédente 15 utilisation dans le SCR est à un moment donné totalement consommé. Le risque alors est que des NOx s'échappent du SCR 6. Afin de palier à ce problème, le SCR 6 est alimenté, au besoin, en urée. Il est rappelé que la décomposition de l'urée en ammoniac n'est possible qu'à partir de 180°C. L'alimentation en ammoniac du SCR se fait par 20 l'intermédiaire du circuit 8 d'injection auxiliaire, l'urée étant puisée dans le réservoir 9 auxiliaire de stockage. [0031] Ceci permet d'éviter les émissions de NOx dans les régimes d'utilisation transitoire. A partir de 220°C, le LNT 5 peut alors produire à nouveau de l'ammoniac et alimenter le SCR 6. Lorsque la quantité 25 d'ammoniac produite par le LNT 5 est jugée insuffisante, de l'urée est injectée dans le SCR 6 par le circuit 8 d'injection auxiliaire. [0032] Un calculateur (non représenté) permet de gérer l'alimentation en urée et ammoniac produit. A chaque fin d'utilisation du véhicule, le calculateur commande le remplissage du SCR 6, soit par de l'ammoniac 30 si le LNT en a produit suffisamment ou en urée si ce n'est pas le cas. L'ammoniac ainsi présent dans le SCR 6 pourra être utilisé lors de la prochaine utilisation lorsque la température des gaz d'échappement est comprise entre 150°C et 180°C. [0033] Le calculateur estime également les besoins en ammoniac 35 dans le SCR 6. En fonction de l'utilisation faite du véhicule, le calculateur estime la quantité produite de NOx. L'injection d'ammoniac produit dans le LNT 5 est alors effectuée en fonction de cette P018 B164 FR 3025725 9 estimation. Le calculateur gère également l'injection d'urée dans le SCR 6 lorsque les gaz d'échappement ont atteint la température de 220°C et que l'ammoniac n'est pas produit en quantité suffisante dans le LNT. Le calculateur compense alors les carences de production dans le LNT en 5 ajoutant de l'urée dans le SCR. [0034] Le dispositif 2 et le procédé ainsi décrits ne présentent qu'un aspect de la dépollution, à savoir celle des NOx. En ce qui concerne les autres polluants tels que les particules de suies, d'autres éléments peuvent venir s'ajouter, comme par exemple un filtre à particules. 10 [0035] Un premier avantage du procédé est que l'utilisation de l'urée est optimisée. Autrement dit, 1"ammoniac ne provient pas uniquement du réservoir d'urée, mais est également produit in situ dans le LNT. Par conséquent, l'urée qui est un consommable, est économisé. [0036] Un deuxième avantage est qu'une plus grande partie des NOx 15 est éliminée, notamment pour les régimes transitoires, à savoir au démarrage lorsque la température des gaz d'échappement est inférieure à 180 °C. P018 B164 FR REVENDICATIONS1. Procédé de traitement des gaz d'échappement d'un moteur (1) à combustion interne, ce procédé étant mis en oeuvre au moyen d'un dispositif (2) de traitement des gaz d'échappement monté sur une ligne (3) d'échappement d'un véhicule automobile et comprenant : un adsorbeur (5) d'oxydes d'azote (LNT) muni de moyens de production d'ammoniac par réaction chimique des oxydes d'azote (NOx), un réducteur (6) catalytique sélectif (SCR) situé en aval du LNT (5) dans le sens de déplacement des gaz, un calculateur permettant d'estimer les besoins en ammoniac dans le SCR (6), une sonde de température permettant de mesurer la température des gaz d'échappement, ce procédé comprenant : une étape d'adsorption des NOx dans le LNT (5), une étape de production d'ammoniac dans le LNT (5), une étape d'alimentation du SCR (6) en ammoniac produit dans le LNT (5), selon les besoins estimés par le calculateur, une étape de réduction des NOx dans le SCR (6) par réaction chimique des NOx avec l'ammoniac injecté, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape supplémentaire d'injection d'ammoniac dans le SCR (6) lorsque la quantité d'ammoniac produite dans le LNT (5) est décrété insuffisante, l'ammoniac ainsi injecté tant puisé dans un réservoir (9) auxiliaire de stockage contenant un agent réducteur comprenant de l'ammoniac. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à chaque 30 fin d'utilisation du véhicule, le calculateur charge le SCR (6) en ammoniac par injection de l'ammoniac produit dans le LNT (5). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'à chaque fin d'utilisation du véhicule, le calculateur détermine la quantité 35 d'ammoniac nécessaire pour charger le SCR (6), si cette quantité nécessaire est supérieure à la quantité disponible produite par le LNT P018 B164 FR 3025725 11 (5), le calculateur commande l'injection d'ammoniac à partir du réservoir (9) auxiliaire de stockage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, 5 caractérisé en ce que lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure à environ 150°C et inférieure à environ 180°C, les NOx contenus dans les gaz d'échappement sont éliminés dans le SCR (6) grâce à l'ammoniac stocké lors d'une précédente utilisation. 10 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure à environ 180°C et inférieure à environ 220°C, le calculateur commande, s'il l'estime nécessaire, l'injection d'ammoniac dans le SCR (6) à partir du réservoir (9) auxiliaire de stockage. 15 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lorsque la température des gaz d'échappement est supérieure à environ 220°C, le LNT (5) produit de l'ammoniac, cet ammoniac étant injecté dans le SCR (6) conformément aux estimations 20 du calculateur. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur lance la régénération du LNT (5) par enrichissement du mélange carburant/comburant dans le moteur. 25 8. Dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur une ligne (3) d'échappement d'un véhicule automobile et comprenant : un adsorbeur (5) d'oxydes d'azote (LNT) muni de moyens de production d'ammoniac par réaction chimique des oxydes d'azote 30 (NOx), un réducteur (6) catalytique sélectif (SCR) situé en aval du LNT (5) dans le sens de déplacement des gaz, des moyens d'injection, dans le SCR (6), de l'ammoniac produit, un calculateur permettant d'estimer les besoins en ammoniac 35 dans le SCR (6), une sonde de température permettant d'estimer la température des gaz d'échappement, caractérisé en ce que le dispositif comprend, P018 B164 FR 3025725 12 en outre, un réservoir (9) auxiliaire de stockage contenant un agent réducteur comprenant de l'ammoniac et un circuit (8) d'injection auxiliaire muni d'un injecteur (11) auxiliaire permettant d'alimenter le SCR (6) à partir du réservoir (9) auxiliaire de stockage. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce que celui-ci comprend un dispositif (2) de traitement des gaz d'échappement selon la revendication 8, ce dispositif (2) étant apte à opérer selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 5 10 P018 B164 FR