Brevet FR3072123A1 — publié le 20190412

BOÎTE DE MELANGE ET DISPOSITIF DE POST-TRAITEMENT DE GAZ D'ÉCHAPPEMENT L'INCORPORANT [1] L'invention concerne de manière générale la dépollution des gaz d'échappement émis par un moteur thermique. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une boîte de mélange assurant le mélange d'urée-gaz d'échappement dans un dispositif de dépollution d'oxydes d'azote de type à réduction catalytique sélective. L'invention se rapporte également à un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement incluant la boîte de mélange susmentionnée. [2] Dans les véhicules automobiles, les dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement sont devenus aujourd'hui indispensables pour la conformité avec les normes environnementales. Les émissions polluantes règlementées sont notamment le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azote (NOx) et les particules de suies. [3] Le traitement des NOx dans les gaz d'échappement fait appel à des catalyseurs de réduction catalytique sélective dits « SCR » pour « Selective Catalytic Reduction » en anglais. [4] Dans la technologie dite « SCR liquide », il est utilisé un précurseur d'agent réducteur sous forme liquide, tel qu'une solution aqueuse d'urée AdBlue (marque déposée), qui se décompose thermiquement en ammoniac dans la ligne d'échappement. La décomposition de l'urée en ammoniac se fait en deux étapes, à savoir, une étape de thermolyse suivie d'une étape d'hydrolyse. Dans un premier temps, la solution aqueuse d'urée est pulvérisée dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur SCR, et se transforme en urée et en vapeur d'eau sous l'effet de la température des gaz d'échappement. Ensuite, l'urée se transforme en ammoniac NH3 et en acide isocyanique HNCO. A l'intérieur du catalyseur SCR, l'acide isocyanique et l'eau se transforment en ammoniac et en dioxyde de carbone et l'ammoniac réduit ensuite en azote et en eau les NOx présents dans les gaz d'échappement. [5] II est connu de placer une boîte de mélange entre le point d'injection de la solution aqueuse d'urée et le catalyseur SCR, Cette boîte de mélange est destinée à 30 favoriser le mélange de l'urée et des gaz d'échappement avant leur entrée dans le catalyseur SCR. La température des gaz d'échappement doit être au moins de 175°C au 2 niveau du point d'injection de la solution aqueuse d'urée, afin d'éviter des risques de formation de dépôts solides d'urée qui empêchent la pulvérisation d'urée dans les gaz d'échappement et impactent les performances de la réduction des NOx. Cette contrainte sur la température des gaz d'échappement est particulièrement pénalisante lors des 5 démarrages à froid du moteur thermique ou en roulage urbain à faible vitesse. Par ailleurs, le catalyseur SCR est aussi tributaire de la température des gaz d'échappement qui doit être suffisante pour permettre l'activation de celui-ci. [6] Pour éviter la formation de dépôts solides d'urée, il est connu par EP2205836 d'utiliser un moyen de chauffe électrique dans un conduit qui amène la solution aqueuse 10 d'urée jusqu'à son point d'injection dans la ligne d'échappement des gaz. [7] EP2295752 décrit un dispositif de traitement des gaz d'échappement comportant un élément chauffant qui est disposé en aval de l'injecteur dans la ligne d'échappement, avant l'entrée des gaz dans le catalyseur SCR. La présence d'une boîte de mélange entre l'élément chauffant est l'entrée du catalyseur SCR est divulguée aussi dans ce document. 15 [008] Il est souhaitable de proposer une solution nouvelle qui se démarque de celles proposées dans l'état de la technique par les avantages qu'elle apporte, tout en offrant un choix d'architecture supplémentaire pour la conception des dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement. [009] Selon un premier aspect, l'invention concerne une boîte de mélange qui est 20 agencée de sorte à être intégrable dans un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement d'une ligne d'échappement de moteur thermique, le dispositif de post-traitement de gaz d'échappement comportant un dispositif de dépollution d'oxydes d'azote de type à réduction catalytique sélective, la boîte de mélange comprenant un injecteur de solution aqueuse d'urée et une chambre interne contenant une structure de mélange 25 d'urée-gaz d'échappement et dans laquelle débouche une tête d'injection de l'injecteur de solution aqueuse d'urée, et la tête d'injection étant disposée en amont de la structure de mélange d'urée-gaz d'échappement par rapport à une direction d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement de moteur thermique. Conformément à l'invention, la boîte de mélange comprend également un élément chauffant à résistance électrique qui est agencé dans la chambre interne de manière à être traversé par les gaz d'échappement et qui est situé en amont de la tête d'injection. 3 [0010] En plaçant l'élément chauffant à résistance électrique dans le flux des gaz d'échappement, juste avant la tête d'injection de la solution aqueuse d'urée, l'invention permet de porter les gaz d'échappement à une température optimale pour le traitement des NOx. Il est ainsi possible de s'affranchir des conditions de roulage du véhicule et 5 d'obtenir une conversion des NOx efficientes, notamment en roulage urbain ou lors d'un démarrage à froid du moteur thermique. L'invention permet ainsi de convertir les NOx de manière efficiente même sur des profils de roulage très sévères et de respecter des coefficients d'émissions très faibles en roulage réel, dits coefficients RDE pour « Real Driving Emission » en anglais. 10 [0011] Selon une caractéristique particulière, la boîte de mélange comprend également une grille d'entrée de gaz d'échappement qui est disposée entre l'élément chauffant à résistance électrique et la tête d'injection. [0012] Selon une autre caractéristique particulière, dans une boîte de mélange ayant une structure tubulaire, l'élément chauffant à résistance électrique se présente sous la 15 forme d'un disque. [0013] Selon un autre aspect, l'invention concerne un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement d'une ligne d'échappement de moteur thermique, le dispositif de post-traitement de gaz d'échappement comportant un dispositif de dépollution d'oxydes d'azote de type à réduction catalytique sélective. Conformément à l'invention, le dispositif 20 comprend une boîte de mélange telle que décrite brièvement ci-dessus qui est disposée en amont du dispositif de dépollution d'oxydes d'azote et une unité d'alimentation électrique alimentant l'élément chauffant à résistance électrique et qui est pilotée en fonction d'une température des gaz d'échappement. De préférence, la boîte de mélange est disposée accolée à une entrée de gaz d'échappement du dispositif de dépollution 25 d'oxydes d'azote. [0014] Selon une caractéristique particulière, l'unité d'alimentation électrique est pilotée pour l'obtention d'une température des gaz d'échappement de sensiblement 200 à 240°C en amont de la tête d'injection. En plaçant la boîte de mélange selon l'invention juste avant le dispositif de dépollution d'oxydes d'azote à catalyse SCR, les calories fournies par 30 l'élément chauffant à résistance électrique sont aussi mises à profit dans ce dispositif afin de le maintenir dans sa plage de température optimale pour la conversion des NOx. 4 [0015] Selon une autre caractéristique particulière, le dispositif de dépollution d'oxydes d'azote est contenu dans un dispositif compact comprenant un catalyseur de type à réduction catalytique sélective et un filtre à particules intégrant une couche imprégnée de réduction catalytique sélective. 5 [0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, le dispositif de post-traitement de gaz comprend également un catalyseur d'oxydation disposé en amont de la boîte de mélange et incluant un accumulateur passif d'oxydes d'azote. [0017] Selon d'autres aspects, l'invention concerne également une ligne d'échappement de moteur thermique comportant un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement tel 10 que décrit brièvement ci-dessus et un véhicule comportant une telle ligne d'échappement de moteur thermique. [0018] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'une forme de réalisation particulière de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 15 - la Fig.1 est une vue d'ensemble d'une forme de réalisation particulière d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention ; - la Fig.2 est une vue en coupe simplifiée montrant la configuration interne d'une boîte de mélange d'urée-gaz d'échappement incluse dans le dispositif de post-traitement des gaz d'échappement ; et 20 la Fig.3 est un graphique montrant des résultats de relevés de mesure de conversion des NOx en cycle urbain pour un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon l'invention et un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement de la technique antérieure [0019] En référence aux Figs.1 et 2, il est maintenant décrit une forme de réalisation 25 particulière 1 d'un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement 1 selon l'invention qui est destiné au post-traitement des gaz d'échappement EG d'un moteur thermique de type Diesel dans un véhicule. [0020] Comme montré à la Fig.1, le dispositif de post-traitement de gaz d'échappement 1 comprend une ligne d'échappement de gaz LE qui intègre ici un catalyseur d'oxydation 5 2, une boîte de mélange d'urée-gaz d'échappement 3 et un dispositif compact 4 de réduction catalytique sélective et de filtration des particules. [0021] Le catalyseur d'oxydation 2 et disposé en aval de la boîte de mélange 3 et du dispositif compact 4 et reçoit en entrée les gaz chauds d'échappement EG émis par le 5 moteur thermique (non représenté). Le catalyseur d'oxydation 2 est typiquement un catalyseur d'oxydation de type DOC (pour « Diesel Oxydation Catalyst » en anglais) incorporant ici un accumulateur passif de NOx (non représenté), dit PNA pour "Passive NOx Adsorber" en anglais. [0022] La boîte de mélange 3 est placée en amont de l'entrée des gaz d'échappement 10 du dispositif compact 4. La boîte de mélange 3 a pour fonction d'assurer le mélange homogène de l'agent réducteur de Nox dans les gaz d'échappement EG. L'agent réducteur est typiquement l'ammoniac (NH3) qui est contenu dans une solution aqueuse d'urée, telle que l'AdBlue (marque déposée). La solution aqueuse d'urée est introduite dans la boîte de mélange 3 à travers un injecteur 30 qui est montée sur celle-ci. On notera 15 que la boîte de mélange 3 sera de préférence, mais pas exclusivement, placée accolée à l'entrée des gaz d'échappement du dispositif compact 4. L'architecture interne de la boîte de mélange 3 selon l'invention est décrite plus bas en référence à la Fig.2. [0023] Le dispositif compact 4 comprend un catalyseur de type à réduction catalytique sélectif (SCR) 40 et un dispositif 41 dit SCRF, pour « Selective Catalytic Reduction on 20 Filter » en anglais, qui forment un dispositif de dépollution d'oxydes d'azote. Le dispositif SCRF 41 est formé d'un filtre à particules 41 intégrant une couche catalytique SCR, dite « washcoat », qui est imprégnée dans le filtre à particules. Le dispositif compact 4 comporte ainsi une première tranche de dépollution des Nox et une deuxième tranche complétant la dépollution des NOx et assurant aussi la filtration des particules de suies. 25 [0024] Dans l'architecture de ligne d'échappement de gaz de la Fig.1, l'accumulateur PNA contenu dans le catalyseur d'oxydation 2 et les moyens de moyens de réduction catalytique sélective contenus dans le dispositif compact 4 forment un dispositif complet de traitement des oxydes d'azote. [0025] Comme montré à la Fig.2, la boîte de mélange 3 comprend essentiellement 30 l'injecteur 30, un élément chauffant à résistance électrique 31 qui est connecté à une unité d'alimentation électrique 310, une grille d'entrée de gaz d'échappement 32 et une structure de mélange d'urée-gaz d'échappement 33. L'injecteur 30 est monté sur la 6 structure tubulaire de la boîte de mélange 3 et comprend une tête d'injection 300 qui pénètre dans une chambre intérieure 301 de la boîte de mélange 3. [0026] Conformément à l'invention, l'élément chauffant 31 est disposé en amont de la tête d'injection 300, à l'intérieur de la chambre 301. Dans cette forme de réalisation, 5 l'élément chauffant 31 est placé avant la grille d'entrée de gaz d'échappement 32 qui se trouve donc placée entre l'élément chauffant 31 et la tête d'injection 300. [0027] L'élément chauffant 31, qui a ici sensiblement la forme d'un disque cylindre présentant une pluralité d'ouvertures de passage de gaz, est traversé par les gaz d'échappement EG entrant dans la boîte de mélange 3 et porte la température de ceux-ci 10 à une valeur suffisante pour permettre une réduction catalytique sélective efficiente. La température des gaz d'échappement à l'entrée de la boîte de mélange 3 est régulée au moyen de l'élément chauffant 31 qui est alimenté électriquement par l'unité d'alimentation électrique pilotée 310. Typiquement, l'unité d'alimentation électrique pilotée 310 est formée au moyen d'un interrupteur électronique, tel qu'un transistor MOSFET, 15 fonctionnant en tout-ou-rien pour alimenter ou pas l'élément chauffant 31 à partir du réseau d'alimentation électrique du véhicule. [0028] Une commande d'alimentation d'élément chauffant CD est fournie par l'unité de contrôle moteur (non représentée) du véhicule. L'unité de contrôle moteur régule la température des gaz d'échappement EG entrant dans la boîte de mélange 3 en fonction 20 d'une valeur de consigne prédéterminée de température minimale qui sera dans tous les cas supérieurs à 175°C. Typiquement, cette valeur cb consigne de température minimale sera sensiblement de 240°C de manière à obtenir une conversion des NOx satisfaisante. Une mesure de la température des gaz GE en amont de la boîte de mélange 3 est fournie à l'unité de contrôle moteur par un capteur de température (non représenté) afin d'assurer 25 cette régulation de température minimale. [0029] Comme montré à la Fig.2, dans la chambre 301, l'injecteur 30 pulvérise un jet de solution aqueuse d'urée 302 sur les gaz EG qui ont été chauffés à la température appropriée par l'élément chauffant 31. La structure de mélange 33 assure un mélange homogène de la solution aqueuse d'urée pulvérisée avec les gaz EG. 30 [0030] La Fig.3 montre des résultats de relevés de mesure de conversion des NOx en cycle urbain pour le dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon l'invention 1 dans lequel l'élément chauffant est placé en amont de l'injecteur de solution aqueuse 7 d'urée et un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement 1pA de la technique antérieure avec un catalyseur SCR chauffé électriquement, c'est-à-dire avec une chauffe en aval de l'injecteur de solution aqueuse d'urée. Ces relevés ont été effectués avec une puissance de chauffe de 600 W et une température inférieure à 240°C à l'intérieur du 5 catalyseur SCR. Les résultats obtenus sont d'environ 95% pour le dispositif 1 selon l'invention et 90% pour le dispositif 1 PA de la technique antérieure. [0031] L'invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, REVENDICATIONS1. Boîte de mélange (3) qui est agencée de sorte à être intégrable dans un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement (1) d'une ligne d'échappement de moteur thermique (LE), ledit dispositif de post-traitement de gaz d'échappement (1) comportant un dispositif de dépollution d'oxydes d'azote (4) de type à réduction catalytique sélective, ladite boîte de mélange (3) comprenant un injecteur de solution aqueuse d'urée (30) et une chambre interne (301) contenant une structure de mélange d'urée-gaz d'échappement (33) et dans laquelle débouche une tête d'injection (300) dudit injecteur de solution aqueuse d'urée (30), ladite tête d'injection (300) étant disposée en amont de ladite structure de mélange d'urée- gaz d'échappement (33) par rapport à une direction d'écoulement des gaz d'échappement (EG) dans ladite ligne d'échappement de moteur thermique (LE), caractérisée en ce qu'elle comprend également un élément chauffant à résistance électrique (31) qui est agencé dans ladite chambre interne (301) et de manière à être traversé par lesdits gaz d'échappement (EG) et qui est situé en amont de ladite tête d'injection (300). 2. Boîte de mélange selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend également une grille d'entrée de gaz d'échappement (32) qui est disposée entre ledit élément chauffant à résistance électrique (31) et ladite tête d'injection (300). 3. Boîte de mélange selon la revendication 1 ou 2, ayant une structure tubulaire, caractérisée en ce que ledit élément chauffant à résistance électrique (31) se présente sous la forme d'un disque. 4. Dispositif de post-traitement de gaz d'échappement (1) d'une ligne d'échappement de moteur thermique (LE), ledit dispositif de post-traitement de gaz d'échappement (1) comportant un dispositif de dépollution d'oxydes d'azote (4) de type à réduction catalytique sélective, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte de mélange (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 qui est disposée en amont dudit dispositif de dépollution d'oxydes d'azote (4) et une unité d'alimentation électrique (310) alimentant l'élément chauffant à résistance électrique (31) et qui est pilotée (CD) en fonction d'une température des gaz d'échappement. 9 5. Dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite unité d'alimentation électrique (310) est pilotée pour l'obtention d'une température des gaz d'échappement de 200 à 240°C en amont de ladite tête d'injection (300). 5 6. Dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite boîte de mélange (3) est disposée accolée à une entrée de gaz d'échappement dudit dispositif de dépollution d'oxydes d'azote (4). 7. Dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de dépollution d'oxydes 10 d'azote est contenu dans un dispositif compact (4) comprenant un catalyseur de type à réduction catalytique sélective (40) et un filtre à particules (41) intégrant une couche imprégnée de réduction catalytique sélective. 8. Dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que qu'il comprend également un 15 catalyseur d'oxydation (2) disposé en amont de ladite boîte de mélange (3) et incluant un accumulateur passif d'oxydes d'azote (PNA) 9. Ligne d'échappement de moteur thermique (LE), caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de post-traitement de gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 4 à 8. 20 10. Véhicule comportant un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement de moteur thermique (LE) selon la revendication 9.