Brevet FR3029967A1 — publié le 20160617

SYSTÈME DE POST-TRAITEMENT D'ÉMISSIONS POLLUANTES D'UN MOTEUR À DEUX TEMPS PAR UNE RÉDUCTION CATALYTIQUE SÉLECTIVE AVEC HYDROCARBURES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine du traitement des émissions polluantes de moteurs à deux temps, et notamment des moteurs à deux temps à lumières, particulièrement du type à allumage commandé, par exemple essence. L'invention peut trouver des applications dans différents domaines de l'industrie, et en particulier pour des moteurs à deux temps utilisés notamment dans le domaine des véhicules automobiles. Elle concerne plus précisément un système de post-traitement d'émissions polluantes d'un moteur à deux temps, configuré pour mettre en oeuvre une réduction catalytique sélective utilisant des hydrocarbures en tant que réducteurs, un ensemble comportant un tel système de post-traitement et un moteur à deux temps, ainsi qu'un procédé de post-traitement d'émissions polluantes d'un moteur à deux temps associé. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De nos jours, le besoin de concevoir des moteurs thermiques compacts, notamment pour l'hybridation des véhicules, et le besoin de prévoir des moteurs à faible coût pour des véhicules légers, destinés en particulier aux marchés émergents, relancent l'intérêt des moteurs à deux temps pour des applications dans le domaine des véhicules automobiles. En effet, le moteur à deux temps présente de nombreux avantages, notamment en termes de simplicité (peu de pièces en mouvement), de forte densité de puissance et de coût limité. Néanmoins, l'utilisation des moteurs à deux temps implique la production d'émissions polluantes conséquentes qui ne permettent généralement pas de satisfaire aux normes imposées. 3029967 2 Aussi, quand bien même le moteur à deux temps présente les avantages rappelés ci-dessus et également un intérêt certain en termes de consommation de carburant, et donc d'émissions de dioxyde de carbone, la gestion de ses émissions polluantes reste problématique. 5 Il est par conséquent nécessaire de prévoir un système de post-traitement des émissions polluantes d'un moteur à deux temps qui doit tout particulièrement tenir compte des conditions d'échappement des gaz décrites ci-après. D'une part, les hydrocarbures (HC) issus de combustions incomplètes (faibles charges), de court-circuitage d'une partie de la charge directement à l'échappement ou 10 de la combustion du lubrifiant atteignent au total des niveaux qui sont deux à trois fois supérieurs à ceux issus d'un moteur à quatre temps traditionnel. D'autre part, du fait d'un court-circuitage important, le mélange gazeux au niveau de l'échappement est globalement pauvre, ce qui rend inopérante une catalyse trois voies, en particulier pour le traitement des oxydes d'azote (NOx). Des solutions ont déjà été proposées dans l'art 15 antérieur pour permettre la dépollution d'un moteur à deux temps. Ainsi, par exemple, le brevet européen EP 0 497 034 B1 propose de réaliser une réduction des oxydes d'azote sur un catalyseur à base de zéolithes échangées par utilisation d'hydrocarbures issus de la combustion. Toutefois, les technologies d'injection décrites dans ce brevet ne sont pas véritablement adaptées aux applications visées par 20 l'invention, et aucune gestion du rapport entre hydrocarbures et oxydes d'azote, ni de la température du catalyseur, n'est mentionnée. En outre, la demande de brevet américain US 2010/0293926 Al propose d'utiliser la technologie de réduction catalytique sélective avec un moteur quatre temps à allumage commandé en choisissant les hydrocarbures en tant que réducteurs. Il y est en 25 particulier décrit les divers moyens envisageables pour générer les hydrocarbures, par réglage du moteur. Cependant, le type de moteur et les applications concernées par ce document divergent de l'invention. 3029967 3 EXPOSÉ DE L'INVENTION Il existe par conséquent un besoin pour concevoir un système alternatif de post-traitement d'émissions polluantes, en particulier des oxydes d'azote (NOx), d'un moteur à deux temps. 5 L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un système de post-traitement d'émissions polluantes d'un moteur à deux temps, configuré pour mettre en oeuvre une réduction catalytique sélective des oxydes d'azote présents dans les émissions 10 polluantes du moteur en utilisant des hydrocarbures en tant que réducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte : - une unité de réduction catalytique sélective, destinée à être située en sortie du moteur à deux temps, dans laquelle la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote présents dans lesdites émissions polluantes est mise en oeuvre, 15 - une unité d'injection d'hydrocarbures pour introduire des hydrocarbures dans le moteur dont les hydrocarbures imbrûlés en sortie du moteur sont des réducteurs lors de la réduction catalytique sélective, - des moyens de contrôle pour adapter la quantité d'hydrocarbures introduite par l'unité d'injection d'hydrocarbures dans le moteur de sorte que : 20 ^ le rapport entre la quantité d'hydrocarbures imbrûlés, exprimée en partie par million carbone (ppmC), et la quantité d'oxydes d'azote, exprimée en partie par million (ppm), soit compris entre 2 et 10, notamment entre 2 et 4, ^ la température des gaz d'échappement soit comprise entre 300 et 500°C. Les moyens de contrôle peuvent être configurés de sorte que le rapport entre 25 la quantité d'hydrocarbures imbrûlés et la quantité d'oxydes d'azote soit supérieur à 3, notamment de l'ordre de 4. Les hydrocarbures, utilisés en tant que réducteurs pour la réduction catalytique sélective, comportent des coupes légères inférieures à C5 et/ou des paraffines (n-déca ne). 3029967 4 Les hydrocarbures utilisés en tant que réducteurs pour la réduction catalytique sélective, peuvent comporter des alcools, comme par exemple l'éthanol. L'unité de réduction catalytique sélective peut utiliser, en tant que catalyseurs, de l'argent (Ag) sur de l'alumine (A1203). 5 Le système peut comporter en outre une unité de catalyseur d'oxydation, en sortie de l'unité de réduction catalytique sélective, pour le traitement par oxydation d'émissions polluantes autres que les oxydes d'azote, notamment les hydrocarbures résiduels en sortie de l'unité de réduction catalytique sélective. L'unité de catalyseur d'oxydation peut être à base de métaux précieux tels 10 que platine (Pt) et/ou palladium (Pd) sur de l'alumine. L'invention concerne également un ensemble qui peut comporter : - un moteur à deux temps, - un système de post-traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes des émissions polluantes dudit moteur à deux temps. 15 Le moteur à deux temps peut être un moteur à lumières du type essence. Grâce à l'invention, il peut être possible de réaliser efficacement la dépollution d'un moteur à deux temps, notamment un moteur à deux temps du type essence à lumières, par la mise en oeuvre d'une catalyse à réduction sélective par les hydrocarbures (HC-SCR), c'est-à-dire une réduction passive catalytique sélective des 20 oxydes d'azote présents dans les émissions polluantes par des hydrocarbures émis par le moteur. En particulier, il peut être possible d'optimiser la réduction des oxydes d'azote présents dans les émissions polluantes d'un moteur à deux temps en agissant via la combustion sur le rapport entre hydrocarbures (HC) et oxydes d'azote (NOx), et 25 également sur la température des gaz d'échappement. Il est ainsi possible d'optimiser le couple moteur 2T / catalyseur HC-SCR grâce à un réglage spécifique du moteur 2T favorisant des températures et des ratios HC sur NOx propices à la réaction de HC-SCR. De plus, l'utilisation de la HC-SCR pour un moteur à deux temps présente un coût réduit (possibilité d'absence d'injection dédiée), une passivité dans l'utilisation (pas d'actionneur ni de gestion dédiée du système de post-traitement), une bonne durabilité 3029967 5 et une bonne efficacité, pouvant être supérieure à 50 % pour les fortes charges en oxydes d'azote. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée 5 qui va suivre, d'un exemple de principe non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen de la figure 1, unique, schématique et partielle, du dessin annexé, illustrant, un exemple d'ensemble comportant un moteur à deux temps et un système de post-traitement conforme à l'invention. Sur cette figure 1, unique, les différentes parties représentées ne le sont pas 10 nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre la figure plus lisible. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER On a illustré schématiquement en référence à la figure 1 un exemple de principe général d'un ensemble 10 comportant un moteur à deux temps 12 et un système 14 de post-traitement des émissions polluantes de ce moteur à deux temps. 15 Ce moteur est avantageusement un moteur à deux temps, notamment à lumières, particulièrement du type à allumage commandé, par exemple essence. De façon avantageuse, ce système 14 de post-traitement selon l'invention est configuré pour mettre en oeuvre une catalyse à réduction sélective par les hydrocarbures (HC-SCR) en sortie du moteur à deux temps 12, c'est-à-dire une réduction catalytique 20 sélective (RCS) des oxydes d'azote (NOx) présents dans les émissions polluantes du moteur à deux temps, en utilisant des hydrocarbures (HC) en tant que réducteurs. Pour ce faire, comme on peut le voir sur la figure 1, le système 14 comporte une unité de réduction catalytique sélective 16, qui est située, en sortie du moteur à deux temps, dans la ligne d'échappement 18. Dans cette unité de réduction catalytique 25 sélective 16, les oxydes d'azote issus du moteur à deux temps sont réduits par une HC- SCR. La réduction catalytique sélective (RCS) est couramment désignée par l'acronyme SCR pour « Selective Catalytic Reduction » en anglais. De plus, la mise en 3029967 6 oeuvre d'une réduction catalytique sélective (RCS) avec des hydrocarbures (HC) en tant que réducteurs est communément désignée par l'acronyme HC-SCR, qui est utilisé dans la suite de la description. De plus, le système 14 comporte également une unité d'injection 5 d'hydrocarbures 20. Cette unité permet d'injecter les hydrocarbures HC, soit directement dans la chambre de combustion du moteur pour qu'ils se mélangent avec le comburant (généralement de l'air) qui y est présent (injection directe) en formant un mélange carburé dans cette chambre, soit dans la tubulure d'admission de ce moteur pour qu'ils se 10 mélangent avec le comburant qui circule de façon à former un mélange carburé qui est ensuite dirigé dans la chambre de combustion du moteur (injection indirecte). Cette unité permet ainsi d'injecter des hydrocarbures HC dont les hydrocarbures imbrûlés seront utilisés en tant que réducteurs lors de la réduction catalytique sélective pour l'unité de réduction catalytique sélective 16. 15 Par ailleurs, de façon avantageuse, le système 14 comporte aussi des moyens de contrôle 22 pour commander la quantité d'hydrocarbures introduite dans la chambre de combustion du moteur par l'unité d'injection d'hydrocarbures 20 au travers d'une ligne de commande 24. Ces moyens de contrôle reçoivent également des informations provenant de 20 moyens de mesure de la température des gaz d'échappement 26. Ces moyens comprennent un capteur de température 28 avantageusement placé dans la ligne d'échappement, une ligne de transmission 30 du signal provenant du capteur vers une unité de calcul 32 et une ligne de transmission 34 de l'information du capteur vers les moyens de contrôle 22. 25 Ainsi, en fonction de la sollicitation de 12 par l'utilisateur de demande de puissance pour le moteur, les moyens de contrôle commanderont la quantité d'hydrocarbures à introduire dans le moteur par l'unité 20 de façon à répondre à cette demande en puissance de l'utilisateur, de façon à ce que le rapport entre la quantité d'hydrocarbures imbrûlés provenant du moteur, exprimée en ppmC, et la quantité 30 d'oxydes d'azote, exprimée en ppm, émise par ce moteur soit compris entre 2 et 10, et 3029967 7 notamment entre 2 et 4, voire de l'ordre de 4 pour une configuration optimale, et de façon à ce que la température des gaz d'échappement introduits dans l'unité de réduction catalytique sélective 16 soit comprise entre 300 et 500°C. Cette unité d'injection d'hydrocarbures est ainsi reliée au moteur à deux 5 temps, de sorte que les hydrocarbures introduits dans l'unité de réduction catalytique sélective 16 proviennent directement du moteur à deux temps. De façon avantageuse, les hydrocarbures de l'unité d'injection d'hydrocarbures, utilisés en tant que réducteurs pour la réduction catalytique sélective, comportent des coupes légères inférieures à C5 et/ou des paraffines (n-décane) et/ou des 10 alcools comme par exemple l'éthanol. En outre, en tant que catalyseur pour la HC-SCR, l'unité de réduction catalytique sélective 16 utilise préférentiellement de l'argent (Ag), par exemple à 2 % en masse, sur de l'alumine (A1203). Par ailleurs, comme représenté, le système de post-traitement 14 selon 15 l'invention peut comporter une unité de catalyseur d'oxydation 36 en sortie de l'unité de réduction catalytique sélective 16. Cette unité de catalyseur d'oxydation 36 permet le traitement par oxydation d'émissions polluantes autres que les oxydes d'azote, et en particulier celui des hydrocarbures imbrûlés résiduels en sortie de l'unité de réduction catalytique sélective 20 et des sous-produits indésirables, tels que par exemple l'ammoniac (NH3), le cyanure d'hydrogène (HCN), des aldéhydes ou encore des hydrocarbures partiellement oxydés. Cette unité de catalyseur d'oxydation peut avantageusement être constituée de métaux précieux tels que le platine (Pt) et/ou le palladium (Pd) sur de l'alumine (A1203). 25 Il a été constaté que, pour ce qui concerne l'utilisation des hydrocarbures comme réducteurs, les hydrocarbures à chaîne aromatique sont des mauvais réducteurs et peuvent provoquer une désactivation lente ; les paraffines à courte chaîne sont de bons réducteurs à température élevée et provoquent une désactivation modérée ; les paraffines à longue chaîne sont de bons réducteurs ; les alcools sont de très bons 30 réducteurs mais peuvent engendrer la création d'ammoniac (NH3) et de cyanure 3029967 8 d'hydrogène (HCN). Un carburant du commerce étant un assemblage de toutes les molécules précédemment citées, les performances peuvent être plus ou moins intéressantes en fonction du choix de ce carburant. Il est également à noter que plus le volume de catalyseur utilisé est important, meilleure est la réduction des oxydes d'azote. 5 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Système (14) de post-traitement d'émissions polluantes d'un moteur à deux temps (12), configuré pour mettre en oeuvre une réduction catalytique sélective (RCS) des oxydes d'azote (NOx) présents dans les émissions polluantes du moteur en utilisant des hydrocarbures (HC) en tant que réducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte : - une unité de réduction catalytique sélective (16), destinée à être située en sortie du moteur à deux temps (12), dans laquelle la réduction catalytique sélective (RCS) des oxydes d'azote (NOx) présents dans lesdites émissions polluantes est mise en oeuvre, - une unité d'injection d'hydrocarbures (20) pour introduire des hydrocarbures (HC) dans le moteur dont les hydrocarbures imbrûlés en sortie du moteur sont des réducteurs lors de la réduction catalytique sélective (RCS), - des moyens de contrôle (22) pour adapter la quantité d'hydrocarbures (HC) introduite par l'unité d'injection d'hydrocarbures (20) dans le moteur de sorte que : ^ le rapport entre la quantité d'hydrocarbures (HC) imbrûlés, exprimée en partie par million carbone (ppmC), et la quantité d'oxydes d'azote (NOx), exprimée en partie par million (ppm), soit compris entre 2 et 10, notamment entre 2 et 4, ^ la température des gaz d'échappement soit comprise entre 300 et 500°C. 2. Système (14) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (22) sont configurés de sorte que le rapport entre la quantité d'hydrocarbures (HC) imbrûlés et la quantité d'oxydes d'azote (NOx) soit supérieur à 3, notamment de l'ordre de 4. 3. Système (14) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les hydrocarbures (HC), utilisés en tant que réducteurs pour la réduction catalytique 3029967 10 sélective (RCS), comportent des coupes légères inférieures à C5 et/ou des paraffines (n-déca ne). 4. Système (14) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que 5 les hydrocarbures (HC), utilisés en tant que réducteurs pour la réduction catalytique sélective, comportent des alcools, comme par exemple l'éthanol. 5. Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de réduction catalytique sélective (16) utilise, en tant que 10 catalyseurs, de l'argent (Ag) sur de l'alumine (A1203). 6. Système (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une unité de catalyseur d'oxydation (36) en sortie de l'unité de réduction catalytique sélective (16), pour le traitement par oxydation 15 d'émissions polluantes autres que les oxydes d'azote (NOx), notamment les hydrocarbures (HC) résiduels en sortie de l'unité de réduction catalytique sélective (16). 7. Système (14) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de catalyseur d'oxydation (36) est à base de métaux précieux tels que platine (Pt) et/ou 20 palladium (Pd) sur de l'alumine. 8. Ensemble (10), caractérisé en ce qu'il comporte : un moteur à deux temps (12), un système (14) de post-traitement selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes des émissions polluantes dudit moteur à deux temps (2). 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moteur à deux temps (12) est un moteur à lumières du type essence.