Brevet FR3057021A1 — publié le 20180406

DISPOSITIF DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT [0001] La présente invention concerne de manière générale un dispositif de traitement des gaz d'échappement monté sur un véhicule automobile. En particulier, l'invention concerne une unité de traitement des gaz d'échappement destinée à traiter des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique, et en particulier un moteur diesel. Il est connu de traiter les oxydes d'azote des gaz d'échappement en injectant un agent réducteur pour effectuer une réduction catalytique sélective des oxydes d'azote dans une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, afin d'obtenir en sortie de l'eau et de l'azote. [0002] On peut par exemple prévoir une injection d'un mélange contenant de l'urée, qui va se transformer en ammoniac, qui va être stocké et agir en tant que réducteur sur les oxydes d'azote dans l'unité de réduction catalytique sélective. [0003] Cependant, en fonction de la température de l'unité de réduction catalytique sélective, trop faible ou trop élevée, la capacité de stockage d'ammoniac dans l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective peut être insuffisante, si bien que de l'ammoniac peut passer au travers de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective sans y être stocké. Cela peut imposer de limiter en amont l'injection d'urée, ou de prévoir en aval une unité spécifique de traitement de l'ammoniac, pour éviter des rejets d'ammoniac dans l'atmosphère. [0004] Il est connu dans l'art antérieur des dispositifs de traitement des gaz d'échappement, avec par exemple des échangeurs de chaleur pour imposer une température spécifique aux gaz d'échappement, 25 comme par exemple dans le document FR2829797. En contrepartie, ce système présente notamment l'inconvénient d'être complexe, avec 3057021 2 notamment des parois fines, sans toutefois présenter un bon rendement d'échange thermique. [0005] Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout 5 d'abord, de proposer un dispositif de traitement des gaz d'échappement avec une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, qui traite ces oxydes d'azote efficacement, sur une grande plage de température des gaz d'échappement. [0006] Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un 10 dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend des moyens de refroidissement agencés pour refroidir directement au moins une partie d'une structure de l'unité de traitement des oxydes 15 d'azote par réduction catalytique sélective. Le dispositif selon la présente invention permet de refroidir directement la structure de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, ce qui améliore l'efficacité de l'échange thermique, car c'est directement le matériau qui stocke l'ammoniac qui est refroidi. 20 [0007] Avantageusement, les moyens de refroidissement comprennent un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement, et dans lequel une portion du circuit de circulation est formée par la structure de l'unité de traitement des oxydes d'azote. Autrement dit, le circuit de circulation d'un fluide de refroidissement comprend un canal ou un conduit dont une portion (une paroi) est formée directement par la structure de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. Ainsi l'échange thermique est optimal. [0008] Avantageusement, le dispositif de traitement des gaz d'échappement comprend des moyens de régulation avec une vanne de 30 régulation de débit du fluide de refroidissement, de sorte à imposer une température de ladite partie de structure de l'unité de traitement des oxydes 3057021 3 d'azote inférieure à 280°C. La vanne de régulation permet d'ajuster le débit de fluide refroidissement qui passe au travers de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, si bien que l'on peut imposer une température inférieure à 280°C, qui garantit que de l'ammoniac 5 est stocké en bonne quantité dans l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. La structure elle-même de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective reste à une température inférieure à 280°C, ce qui garantit que le matériau constitutif du pain de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique 10 sélective peut stocker correctement l'ammoniac. [0009] Avantageusement, le dispositif de traitement des gaz d'échappement comprend des moyens de chauffage, agencés pour imposer une température supérieure à 220°C à au moins une partie de la structure de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. 15 Les moyens de chauffage, par exemple une résistance électrique, peuvent réchauffer rapidement l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, en particulier lorsque le moteur thermique vient d'être démarré. En conséquence, le matériau constitutif du pain de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective peut stocker 20 rapidement et en quantité suffisante l'ammoniac, puisque sa température atteint rapidement au moins 220°C. [0010] Autrement dit, les moyens de refroidissement et les moyens de chauffage forment des moyens de régulation de la température de la structure même de l'unité de traitement des oxydes d'azote par 25 réduction catalytique sélective, de sorte à imposer une température comprise entre 220°C et 280°C. [0011] Avantageusement, le circuit de circulation comprend au moins un canal traversant l'unité de traitement des oxydes d'azote. Cela permet de réguler la température au coeur de l'unité de traitement des oxydes 30 d'azote par réduction catalytique sélective. [0012] Avantageusement, le circuit de circulation comprend au moins un canal agencé en contact avec une paroi périphérique de l'unité de 3057021 4 traitement des oxydes d'azote. En d'autres termes, l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective est encapsulée dans le circuit de circulation (ou entourée par ce dernier). [0013] Avantageusement, le circuit de circulation fait partie d'un 5 circuit de refroidissement d'un moteur du véhicule automobile. Le circuit de refroidissement du moteur thermique cumule les fonctions : refroidissement du moteur thermique, et de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. [0014] Avantageusement, le dispositif de traitement des gaz 10 d'échappement comprend un matériau agencé pour être en contact avec les gaz d'échappement, et le matériau comprend de la cordiérite et/ou une céramique d'aluminosilicate. [0015] Avantageusement, le circuit de circulation comprend des moyens de mesure de température, agencés pour mesurer une température 15 de l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, et/ou des gaz d'échappement. [0016] Avantageusement, le circuit de circulation comprend une pompe agencée pour imposer un certain débit du fluide de refroidissement, en fonction de la température de l'unité de traitement des oxydes d'azote par 20 réduction catalytique sélective, et/ou des gaz d'échappement. [0017] Un second aspect de l'invention concerne un véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon le premier aspect de l'invention. [0018] Avantageusement, le circuit de circulation prélève le 25 fluide de refroidissement dans un circuit de refroidissement du moteur, en aval du moteur. En régime établi, le fluide de refroidissement sort du moteur thermique 90°C et 105°C environ, et passe ensuite cins l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. [0019] Avantageusement, le circuit de circulation prélève le fluide de refroidissement dans un circuit de refroidissement du moteur, en amont du moteur. En régime établi, le fluide de refroidissement sort du 3057021 5 moteur thermique entre 80°C et 90°C environ, et pase ensuite dans l'unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. [0020] On peut envisager de faire passer l'ensemble du flux de liquide de refroidissement moteur dans l'unité de traitement des oxydes 5 d'azote par réduction catalytique sélective, ou seulement une partie. [0021] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans 10 lesquels : - la figure 1 représente un schéma d'architecture moteur avec une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, selon l'art antérieur, - la figure 2 représente un schéma d'architecture moteur avec 15 une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, selon une première variante de l'invention, - la figure 3 représente un schéma d'architecture moteur avec une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, selon une deuxième variante de l'invention, 20 - la figure 4 représente un schéma d'architecture moteur avec une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, selon une troisième variante de l'invention, - la figure 5 représente une première variante de structure d'une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective 25 selon l'invention, - la figure 6 représente une deuxième variante de structure d'une unité de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective selon l'invention. [0022] La figure 1 représente un moteur thermique 10, équipé 30 d'un circuit d'alimentation 11 et d'une ligne d'échappement 12. Le moteur thermique 10 est du type turbocompressé, c'est-à-dire qu'une turbine 13 3057021 6 installée sur la ligne d'échappement entraîne en rotation un compresseur 14, pour augmenter la pression d'alimentation dans le circuit d'alimentation 11. [0023] Le moteur thermique 10 comprend aussi un circuit de refroidissement moteur avec un échangeur 15 air-eau, connecté au bloc du 5 moteur thermique 10 par des conduits 15a, 15b pour faire circuler un fluide caloporteur. [0024] Afin de traiter les gaz d'échappement dans le cas d'un moteur diesel par exemple, il est prévu d'équiper la ligne d'échappement 12 avec une unité de traitement des gaz d'échappement par catalyse, et en 10 particulier, il est prévu une unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. Bien entendu, il peut être prévu d'autres organes, tels qu'un catalyseur à deux voies (pour traiter les hydrocarbures et le monoxyde de carbone) et un filtre à particules. On peut envisager de combiner ces fonctions sur un même organe. 15 [0025] L'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective est accouplée à une buse d'injection 21 d'un mélange d'urée, qui se décompose en ammoniac, afin de réduire les oxydes d'azote en eau et en azote dans l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. 20 [0026] Dans le cas de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, il est important que le matériau exposé aux gaz d'échappement soit à une température comprise entre 220°C et 280°C, afin de pouvoir stocker une quantité d'ammoniac correcte pour effectuer la réduction catalytique sélective. 25 [0027] Dans le cas d'une charge importante du moteur thermique 10, il se peut que la température de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective excède la température de 280°C environ, ce qui peut provoquer un rejet d'ammoniac en aval de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. Afin d'éviter de devoir installer une unité 30 de traitement de l'ammoniac, ou de stopper l'injection d'urée, l'invention propose de refroidir la structure de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. 3057021 7 [0028] La figure 2 représente une première mise en oeuvre d'une architecture dans laquelle il est prévu de refroidir la structure de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. A cet effet, il est prévu de faire passer le fluide de refroidissement moteur au travers de l'unité de 5 traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, si bien que sa température restera inférieure à la température de consigne. [0029] Dans l'exemple de la figure 2, il est prévu de faire passer tout le flux de liquide de refroidissement moteur dans l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, en prenant le conduit de retour 15b 10 qui part du moteur thermique 10, pour amener le flux vers l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, et avec un conduit 15c qui ramène ensuite le flux à l'échangeur 15. La température du liquide de refroidissement peut être comprise entre 90°C et 106 °C en sortie du bloc moteur, et entre 105°C et 120°C en sortie del'unité de traitement 20 des oxydes 15 d'azote par réduction catalytique sélective. Les risques d'ébullition peuvent être évités en augmentant la pression dans le circuit de refroidissement. Comme représenté, on peut prévoir une sonde T de mesure de la température. [0030] Le reste de l'installation est identique à l'architecture de la figure 1 est ne sera donc pas décrit à nouveau. 20 [0031] La figure 3 représente une deuxième variante de l'invention, avec ici un passage partiel du flux de fluide de refroidissement au travers de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. [0032] En effet, il est prévu une vanne 23 qui permet de réguler 25 le débit dans l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, connectée au reste du circuit par des conduits aller et retour 15d et 15e respectivement. [0033] La vanne 23 permet donc de piloter le débit de fluide de refroidissement, en fonction de la température mesurée par la sonde T. on 30 peut prévoir aussi une pompe spécifique pour piloter le débit de fluide de 3057021 8 refroidissement dans l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. [0034] Le reste de l'installation est identique à l'architecture de la figure 1 est ne sera donc pas décrit à nouveau. 5 [0035] La figure 4 décrit une troisième variante de l'invention, avec ici le fluide de refroidissement qui passe au travers de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective qui est prélevé dans le circuit de refroidissement en amont du bloc moteur. Il y a toujours la vanne 23 pour ajuster le débit de fluide de refroidissement qui sera dirigé vers l'unité de 10 traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective par des conduits 15a' et 15f. [0036] Le reste de l'installation est identique à l'architecture de la figure 1 est ne sera donc pas décrit à nouveau. [0037] Bien entendu, l'échangeur 15 des figures 2, 3 et 4 sera 15 dimensionné en conséquence pour pouvoir évacuer dans l'air ambiant la quantité de chaleur du moteur thermique 10, et de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. [0038] En ce qui concerne cette dernière, les figures 5 et 6 montrent des variantes de sa structure interne. 20 [0039] La figure 5 représente une variante où le circuit de circulation comprend des canaux longitudinaux 25a au sein même de la structure en nid d'abeille, pour faire circuler le fluide de refroidissement de manière parallèle aux canaux 24 de circulation des gaz d'échappement. En conséquence, la structure interne de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique 25 sélective est directement refroidie par le fluide de refroidissement. [0040] La figure 6 représente une variante, dans laquelle l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective est entourée par un canal 25b dans lequel circule le fluide de refroidissement. Bien entendu, on peut cumuler les deux mises en oeuvre des figures 5 et 6. 30 [0041] L'invention, avec le refroidissement direct de la structure de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective 3057021 9 permet d'éviter de perdre de la capacité de stockage d'ammoniac, même si les gaz d'échappement sont chauds, ce qui autorise de placer l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective en amont de la ligne d'échappement 12 (à proximité du moteur thermique 10), et de l'accoupler à un 5 catalyseur 2 voies (monoxyde de carbone et hydrocarbure), et/ou de l'intégrer avec un filtre à particules. [0042] Par ailleurs, on peut prévoir des ailettes de refroidissement autour de l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, pour augmenter sa capacité d'échange thermique, soit avec l'air ambiant, 10 soit avec le fluide de refroidissement. [0043] De plus, il est avantageux de prévoir des moyens de chauffage pour chauffer rapidement l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, lorsque le moteur thermique 10 vient d'être démarré par exemple. En particulier, on peut prévoir d'installer une résistance 15 électrique dans ou autour l'unité de traitement 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, pour en réchauffer rapidement la structure, afin de garantir une température supérieure à 220°C, rapidement après a\oir démarré le moteur thermique 10. [0044] Enfin, on peut prévoir de réaliser l'unité de traitement 20 20 des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective avec un matériau qui minimise les variations de température, c'est-à-dire un matériau conduisant peu la chaleur, tel que de la cordiérite et/ou une céramique d'aluminosilicate. [0045] On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents 25 modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant une unité de traitement (20) des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend des moyens de refroidissement agencés pour refroidir directement au moins une partie d'une structure de l'unité de traitement (20) des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. 2. Dispositif de traitement des gaz d'échappement selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de refroidissement comprennent un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement, et dans lequel une portion du circuit de circulation est formée par la structure de l'unité de traitement (20) des oxydes d'azote . 3. Dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de régulation avec une vanne de régulation de débit du fluide de refroidissement, de sorte à imposer une température de ladite partie de structure de l'unité de traitement (20) des oxydes d'azote inférieure à 280°C. 4. Dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de chauffage, agencés pour imposer une température supérieure à 220°C à al moins une partie de la structure de l'unité de traitement (20) des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective. 5. Dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le circuit de circulation comprend au moins 25 un canal (25a) traversant l'unité de traitement (20) des oxydes d'azote . 6. Dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel le circuit de circulation comprend au moins 3057021 un canal (25b) agencé en contact avec une paroi périphérique de l'unité de traitement (20) des oxydes d'azote . 7. Dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le circuit de circulation fait partie d'un circuit 5 de refroidissement d'un moteur du véhicule automobile. 8. Véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications précédentes. 9. Véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le 10 circuit de circulation prélève le fluide de refroidissement dans un circuit de refroidissement du moteur, en aval du moteur. 10. Véhicule automobile comprenant un dispositif de traitement des gaz d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le circuit de circulation prélève le fluide de refroidissement dans un circuit de 15 refroidissement du moteur, en amont du moteur.