Brevet FR3049005A1 — publié le 20170922

DISPOSITIF DE TRAITEMENT DE GAZ D'ECHAPPEMENT [1] La présente invention concerne de manière générale un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne tel qu'un moteur diesel, destiné à réduire un taux d'ammoniac présent dans les gaz d'échappement, et à équiper une ligne d'échappement montée sur un véhicule automobile. [2] Le document W02015093603(A1) divulgue un système de traitement de gaz d'échappement, qui comprend une unité de de réduction catalytique sélective, ou « SCR » pour « Selective Catalytic Reduction » en anglais, qui consiste à réduire les NOx par introduction d'un agent réducteur (ou d'un précurseur d'un tel agent réducteur) dans les gaz d'échappement par réactions catalysées. Il peut par exemple s'agir d'une solution d'urée, dont la décomposition va permettre l'obtention d'ammoniac qui servira d'agent réducteur. En aval de cette unité SCR, se trouve une unité de traitement des fuites d'ammoniac qui est un catalyseur de traitement des fuites ou excès d'ammoniac NH3 par oxydation de l'ammoniac en oxydes d'azote NOx puis la réduction desdits NOx au moins en azote N2, que l'on pourra dans la suite du présent texte désigner sous le terme d'unité ASC. « ASC » est l'acronyme en anglais du terme « Ammonia Slip Catalyst » ou catalyseur des fuites en ammoniac en français. [003] Toutefois, cette unité de traitement des fuites d'ammoniac ou unité ASC présente un volume important et il faut prévoir un espace adéquat sous plancher pour loger une telle unité ASC. De plus, il se peut que dans certains scénarios de fonctionnement moteur sévère (remorquage, pente en montagne...), il y ait beaucoup d'ammoniac inutilisé en sortie de l'unité SCR, et l'unité ASC peut ne pas être en mesure de traiter complétement cet ammoniac qui sera alors rejeté dans l'atmosphère. Prévoir une unité ASC suffisamment volumineuse pour tous les cas de figure augmenterait les coûts et/ou aurait pour conséquence de modifier les 3049005 2 châssis de véhicule pour pouvoir loger une telle unité dans un tunnel de ligne d'échappement par exemple. [4] Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients des documents de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, 5 de proposer un dispositif de traitement des gaz d'échappement efficace pour traiter tout l'ammoniac présent, sans pour autant augmenter le volume et/ou le coût global du dispositif. [5] Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant : 10 - au moins une unité de traitement d'ammoniac agencée pour être placée en série le long d'une ligne d'échappement, comprenant une entrée de gaz d'échappement et une sortie de gaz d'échappement, (elle est par exemple apte à transformer entre l'entrée de gaz d'échappement et la sortie de gaz d'échappement de l'ammoniac présent dans les gaz d'échappement en au moins une autre 15 substance, notamment au moins partiellement en azote, ou, éventuellement, à le stocker au moins temporairement) tel que le dispositif de traitement comprend en outre : - au moins une boucle de recirculation agencée pour prélever des gaz d'échappement en aval de la sortie de ladite au moins une unité de traitement 20 d'ammoniac et les réinjecter dans la ligne d'échappement, en amont de l'entrée de ladite au moins une unité de traitement d'ammoniac. [6] II est ainsi possible de faire passer les gaz d'échappement plusieurs fois dans l'unité de traitement d'ammoniac, pour augmenter un taux d'oxydation ou de transformation catalytique de l'ammoniac en azote et en eau. Cela peut permettre 25 également de faire chauffer plus vite l'unité de traitement d'ammoniac en début de fonctionnement du moteur, car une recirculation permet alors de transférer plus de chaleur depuis les gaz d'échappement vers l'unité de traitement d'ammoniac. [7] Autrement dit, l'invention propose de recirculer des gaz d'échappement spécifiquement dans l'unité de traitement d'ammoniac. Dans sa définition la plus 3049005 3 simple, la boucle de recirculation n'englobe que l'unité de traitement d'ammoniac, et non plusieurs éléments de la ligne d'échappement. [8] Avantageusement, le dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend une vanne agencée en aval de la sortie de gaz d'échappement de ladite 5 au moins une unité de traitement d'ammoniac, pour ouvrir ou fermer au moins partiellement ladite au moins une boucle de recirculation. Une telle vanne permet de réguler le taux de recirculation, depuis aucune recirculation jusqu'à un taux de recirculation qui peut être de 50% du débit total par exemple. [9] On comprend le terme « vanne » au sens large, comme tout moyen 10 d'obturation passive ou pilotable de ladite boucle de recirculation. Dans le cas de figure où elle est pilotable, elle est connectée au moins à un calculateur embarqué sur le véhicule, lui-même connecté à un ou plusieurs capteurs. [0010] Avantageusement, le dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend au moins une sonde de mesure d'un taux d'ammoniac dans les gaz 15 d'échappement en aval de la sortie de gaz d'échappement de ladite au moins une unité de traitement d'ammoniac. Un tel capteur de mesure du taux d'ammoniac permet de vérifier si le taux d'ammoniac est inférieur à une valeur telle que 10 ppm par exemple, et de décider de réguler ou non le taux de recirculation. [0011] Avantageusement, la vanne est agencée entre la sonde de mesure 20 d'ammoniac, et l'unité de traitement d'ammoniac. [0012] Avantageusement, le dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend au moins un tube de Venturi en amont de l'entrée de gaz d'échappement, et dans lequel la boucle de recirculation est connectée au niveau du tube de Venturi pour réinjecter les gaz d'échappement dans la ligne 25 d'échappement. Un tel tube de Venturi aura pour effet d'accélérer les gaz d'échappement au niveau de son col, et créera ainsi une dépression qui peut aspirer les gaz d'échappement de la boucle de recirculation. [0013] Avantageusement, le tube de Venturi comprend un déflecteur en amont d'une connexion avec la boucle de recirculation. Un tel déflecteur peut augmenter 30 l'effet Venturi, en limitant les risques de reflux. Le déflecteur, ainsi que la 3049005 4 connexion avec la boucle de recirculation se situent au niveau du col du tube de Venturi. [0014] Avantageusement, le dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend une ligne d'alimentation en air frais sous pression et connectée à la 5 boucle de recirculation pour augmenter une vitesse de recirculation. Une telle ligne d'alimentation en air sous pression, injecté dans la ligne d'échappement, peut créer ou augmenter un effet Venturi et aspirer ainsi les gaz de la boucle de recirculation, en amont de l'unité de traitement d'ammoniac. [0015] Avantageusement, la ligne d'alimentation en air frais est connectée en 10 amont à une zone de refroidissement moteur ou à un collecteur d'admission du moteur alimenté par un turbocompresseur. L'invention propose d'utiliser avantageusement des sources d'air sous pression déjà existante sous capot (une zone de refroidissement directement alimentée par des écopes ou ouvertures en façade est pressurisée dès que le véhicule est en mouvement). 15 [0016] Avantageusement, le dispositif de traitement de gaz d'échappement comprend une vanne de commande agencée pour réguler un débit d'air frais dans la ligne d'alimentation en air frais. L'air n'est injecté dans la ligne d'échappement que s'il y a besoin de faire recirculer des gaz d'échappement. [0017] Avantageusement, le dispositif de traitement de gaz d'échappement 20 comprend une turbine agencée pour augmenter une vitesse de recirculation dans la boucle de recirculation. [0018] Avantageusement, la turbine est entraînée par des gaz d'échappement de la ligne d'échappement. [0019] Un autre aspect de l'invention est une ligne d'échappement d'un moteur 25 thermique comprenant au moins un dispositif de traitement de gaz d'échappement selon le premier aspect de l'invention. Avantageusement,la ligne d'échappement comprend éventuellement un dispositif de traitement des oxydes d'azote (NO, NO2, ...) en amont dudit dispositif de traitement de gaz d'échappement. L'invention permet de traiter efficacement de l'ammoniac présent dans les gaz d'échappement, et qui n'aurait pas complétement réagi avec des oxydes d'azote. 3049005 5 [0020] Un autre aspect de l'invention est un véhicule automobile comprenant au moins un dispositif de traitement de gaz d'échappement selon le premier aspect de l'invention. [0021] Un autre aspect de l'invention est un procédé de traitement de gaz 5 d'échappement comprenant les étapes consistant à : - transformer au moins partiellement en azote de l'ammoniac dans une unité de traitement d'ammoniac placée en série dans une ligne d'échappement de véhicule, - prélever des gaz d'échappement en aval de l'unité de traitement d'ammoniac, 10 - réinjecter en amont de l'unité de traitement d'ammoniac lesdits gaz d'échappement prélevés. [0022] Avantageusement, le procédé de traitement de gaz d'échappement comprend une étape consistant à mesurer un taux d'ammoniac dans les gaz d'échappement, et dans lequel les étapes consistant à prélever les gaz 15 d'échappement et les réinjecter ne sont effectuées que si le taux d'ammoniac est supérieur à une valeur prédéterminée, telle que 10 ppm. Selon l'invention, on vient prélever, le cas échéant, la quantité de gaz d'échappement voulu en pilotant les moyens d'ouverture et de fermeture de la boucle de recirculation du type vanne (par exemple de type tout ou rien ou, de préférence, de type progressive). 20 [0023] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique d'une ligne d'échappement d'un 25 moteur à combustion interne, comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'invention ; - la figure 2 représente un détail de la ligne d'échappement de la figure 1. [0024] La figure 1 représente une ligne d'échappement très simplifiée, raccordée à un moteur à combustion interne 100 du type moteur diesel, et qui comprend 30 notamment, d'amont en aval : - une unité d'injection 40 d'urée, 3049005 6 - une unité de réduction des NOx ou unité SCR, - une sonde de mesure 30 d'un taux de NOx - une unité de traitement d'ammoniac ou unité ASC, - une boucle de recirculation 10 des gaz d'échappement en parallèle de l'unité 5 ASC - une sonde de mesure 20 d'un taux d'ammoniac. [0025] La ligne d'échappement peut bien entendu comprendre d'autres éléments, tels que de sondes de température, un turbine entraînant un turbo, une vanne de recirculation des gaz d'échappement (du type EGR) pour réinjecter des gaz 10 d'échappement dans un collecteur d'admission du moteur 100, un filtre à particules, un silencieux... on peut également prévoir une unité SCR assurant une fonction de filtre à particules. [0026] Comme déjà évoqué, l'unité d'injection 40 d'urée et l'unité de réduction des NOx ou unité SCR, servent à réduire les oxydes d'azote NOx produits lors du 15 fonctionnement du moteur 100. [0027] En particulier, l'unité SCR traite les oxydes d'azote. Le principe de la réduction de ces NOx par SCR peut se décomposer en deux grandes étapes : - 1 > Formation du réducteur (NH3) à partir d'Adblue ® qui est un mélange d'urée à 32,5% et d'eau injecté dans la ligne d'échappement par l'unité d'injection 20 40: - (NH2)2C0 NH3 + HNCO (R1) thermolyse de l'urée - HNCO + H2O NH3 + CO2 (R2) hydrolyse de l'acide isocyanique La décomposition de l'urée, injectée par l'unité d'injection 40 dans une boîte de mélange en amont de l'unité SCR peut se faire en deux étapes : une première 25 appelée « thermolyse » qui forme une molécule de NH3 et une molécule d'acide isocyanique (HNCO) et une seconde qui forme la seconde molécule de NH3 à partir de l'hydrolyse de l'acide isocyanique. Cette étape permet de former le réducteur indispensable au fonctionnement de la réduction SCR. 3049005 7 - 2 > Réduction catalytique sélective des NON par NH3 par les revêtements SCR de l'unité SCR: - 4 NO + 02+ 4 NH3 4 N2 + 6 H2O (R3) SCR standard - NO + NO2 + 2 NH3 2 N2 + 3 H2O (R4) SCR à cinétique rapide 5 - 6 NO2 + 8 NH3 7 N2 + 12 H2O (R5) SCR à cinétique lente [0028] Plusieurs réactions peuvent avoir lieu (R3 à R5), mais la conversion optimale et recherchée des NON est obtenue grâce à la réaction (R4) dont la cinétique est la plus rapide. [0029] Le catalyseur de l'unité SCR peut être à base de zéolithes échangées au 10 fer, comme les zéolithes p, la fer-ferriérite, la ZSM5, Le substrat de l'unité SCR 6 peut être plutôt en cordiérite. [0030] En aval de l'unité SCR se trouve l'unité de traitement d'ammoniac ou unité ASC. Dans l'exemple discuté, on a choisi une unité de type ASC, dont la structure présentent deux couches d'imprégnation : une couche C2 qui assure la fonction 15 d'oxydation du NH3 en NON et une couche Cl qui assure la fonction de réduction des NON par NH3 en azote N2. [0031] La composition de l'unité ASC est ainsi la suivante : la couche Cl (celle qui est en contact avec les gaz d'échappement) correspond à un revêtement catalytique de type SCR et la couche inférieure C2 (celle qui est en contact avec 20 les parois du substrat catalytique) contient des métaux précieux (de préférence du palladium (Pd) en très faible quantité, entre 0,5 et 5 g/ft3 , soit entre 0,5g et 5g par volume de 38,48 cm3, (idéalement de 1 g à 2g) déposés sur Alumine. Le fonctionnement de l'unité ASC est le suivant : l'ammoniac résiduel pénètre dans la couche Cl et se stocke dans cette couche en partie. Le reste de l'ammoniac 25 traverse cette couche Cl et pénètre dans la couche C2 dont les métaux précieux (Pd) favorisent l'oxydation de l'ammoniac NH3 en NON. Lorsque les NON ressortent du revêtement catalytique d'oxydation de la couche C2, ils repassent nécessairement par la couche Cl où est stocké le NH3. La réaction de réduction des NON par le NH3 peut alors avoir lieu. Les NON sont ainsi convertis en azote 30 (N2) avant de ressortir de cette unité ASC. 3049005 8 [0032] En sortie de la ligne d'échappement, on n'a donc pas, ou quasiment pas, de risque d'émissions d'ammoniac dans l'atmosphère grâce à cette unité ASC. [0033] Cependant, en cas d'utilisation sévère du moteur 100, il se peut que l'unité ASC ne puisse pas traiter tout l'ammoniac entrant dans l'unité ASC. Afin d'éviter 5 une augmentation de volume de l'unité ASC, l'invention propose d'implanter une boucle de recirculation 10 des gaz d'échappement en parallèle de l'unité ASC. En effet, une telle recirculation des gaz d'échappement dans l'unité ASC aidera à oxyder la plus grande partie de l'ammoniac présent dans les gaz d'échappement. [0034] Une vanne de recirculation 11 peut être prévue en aval de l'unité ASC, dans 10 la ligne d'échappement pour forcer (en obturant par exemple jusqu'à 50% de la section de la ligne d'échappement) une partie des gaz d'échappement à aller dans la boucle de recirculation 10, et ainsi être redirigés vers l'entrée de l'unité ASC. Il est avantageux d'opérer cette recirculation seulement en cas de besoin, c'est-à-dire s'il y a un excès d'ammoniac dans les gaz d'échappement en sortie d'unité 15 ASC, et à cet effet, l'invention propose d'implanter une sonde de mesure 20 d'un taux d'ammoniac, en aval de l'unité ASC. Cette sonde de mesure 20 d'un taux d'ammoniac, ainsi que la vanne de recirculation 11 peuvent être connectées à un calculateur moteur pour ouvrir au moins partiellement la boucle de recirculation 10 uniquement lorsque le taux d'ammoniac rejeté dans l'atmosphère dépasse un 20 seuil donné, par exemple un taux de 10 ppm. [0035] La figure 2 représente en détail l'environnement de l'unité ASC, et en particulier des options de l'invention qui peuvent améliorer la recirculation des gaz d'échappement dans la boucle de recirculation 10. En effet, la vanne de recirculation 11 régule le débit dans la boucle de recirculation 10, mais en raison 25 des contre pressions que cela peut occasionner, le débit de recirculation peut ne pas être suffisant. [0036] Une première option peut consister à implanter un tube de Venturi 12 juste en amont de l'entrée de l'unité ASC. Ainsi, la vitesse moyenne V1 des gaz d'échappement sera localement augmentée jusqu'à V2 au niveau du col du tube 30 de Venturi 12, ce qui diminue la pression à cet endroit, et y connecter la boucle de 3049005 9 recirculation 10 va provoquer une aspiration des gaz d'échappement depuis l'aval de l'unité ASC vers le col du tube de Venturi 12 via la boucle de recirculation 10. [0037] On peut prévoir un déflecteur dans le col de tube de Venturi 12, ou juste en amont de celui-ci pour assurer la connexion de la boucle de recirculation 10 et 5 éviter les phénomènes de reflux dans cette dernière. Un tel déflecteur peut être une tôle dans le tube de Venturi 12 qui n'occupe qu'une portion angulaire de la section transversale du conduit. [0038] Une deuxième option peut consister à injecter de l'air sous pression via une ligne d'alimentation en air frais 13, régulée par une vanne d'appoint 14. La ligne 10 d'alimentation en air frais 13 peut très bien prélever de l'air frais à un endroit sous capot où existe une pression dynamique (comme en aval d'une écope en face avant véhicule), ou bien dans un collecteur d'admission du moteur 100, en aval d'un compresseur ou turbo. Cette injection en air sous pression peut être réalisée au niveau de la jonction entre la boucle de recirculation 10 et la ligne 15 d'échappement et va entraîner les gaz d'échappement transitant dans la boucle de recirculation 10. Comme représenté sur la figure 2, cette ligne d'alimentation en air frais 13 peut être également connectée au niveau du col du tube de Venturi 12, mais cela n'est pas obligatoire. [0039] Une troisième option peut consister à intégrer une turbine 15 dans la boucle 20 de recirculation 10 pour y augmenter le débit de recirculation des gaz d'échappement. Très avantageusement, la turbine 15 est motorisée par les gaz d'échappement transitant dans la ligne d'échappement. [0040] Bien entendu, la vanne d'appoint 14, la vanne de recirculation 11, la turbine 15 peuvent être pilotées par un calculateur, en fonction du taux d'ammoniac que 25 mesure la sonde de mesure 20 d'un taux d'ammoniac. [0041] En conclusion, la boucle de recirculation 10 permet de conserver un volume faible pour l'unit ASC, tout en augmentant l'efficacité du traitement de l'ammoniac par cette unité. 3049005 -10- [0042] On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. En particulier, il est fait 5 référence à une unité ASC pour traiter l'ammoniac encore présent dans les gaz d'échappement, mais l'invention n'est pas limitée à cette technologie. On peut utiliser l'invention pour faire recirculer des gaz d'échappement sur tout type d'unité de traitement de l'ammoniac. 10 REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant : - au moins une unité de traitement d'ammoniac (ASC) agencée pour être placée 5 en série le long d'une ligne d'échappement, comprenant une entrée de gaz d'échappement et une sortie de gaz d'échappement, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend en outre : - au moins une boucle de recirculation (10) agencée pour prélever des gaz d'échappement en aval de la sortie de ladite au moins une unité de traitement 10 d'ammoniac (ASC) et les réinjecter dans la ligne d'échappement, en amont de l'entrée de ladite au moins une unité de traitement d'ammoniac (ASC). 2. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon la revendication précédente, comprenant une vanne (11) agencée en aval de la sortie de gaz d'échappement de ladite au moins une unité de traitement d'ammoniac (ASC), 15 pour ouvrir ou fermer au moins partiellement ladite au moins une boucle de recirculation (10). 3. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins une sonde de mesure (20) d'un taux d'ammoniac dans les gaz d'échappement en aval de la sortie de gaz 20 d'échappement de ladite au moins une unité de traitement d'ammoniac (ASC). 4. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon la revendication précédente, dans sa dépendance à la revendication 2, dans lequel la vanne (11) est agencée entre la sonde de mesure d'ammoniac et l'unité de traitement d'ammoniac (ASC). 3049005 -12- 5. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un tube de Venturi (12) en amont de l'entrée de gaz d'échappement, et dans lequel la boucle de recirculation (10) est connectée au niveau du tube de Venturi (12) pour réinjecter les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. 6. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon la revendication précédente, dans lequel le tube de Venturi (12) comprend un déflecteur en amont d'une connexion avec la boucle de recirculation (10). 7. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant une ligne d'alimentation en air frais (13) sous pression et connectée à la boucle de recirculation (10) pour augmenter une vitesse de recirculation. 8. Dispositif de traitement de gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant une turbine (15) agencée pour 15 augmenter une vitesse de recirculation dans la boucle de recirculation (10). 9. Ligne d'échappement d'un moteur thermique, caractérisée en ce qu'elle comprend le dispositif selon l'une des revendications précédentes. 10. Procédé de traitement de gaz d'échappement comprenant les étapes suivantes : 20 - transformer au moins partiellement de l'ammoniac dans une unité de traitement d'ammoniac (ASC) placée en série dans une ligne d'échappement de véhicule, - prélever des gaz d'échappement en aval de l'unité de traitement d'ammoniac (ASC), - réinjecter en amont de l'unité de traitement d'ammoniac (ASC) lesdits gaz 25 d'échappement prélevés.