Brevet FR3088958A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : SYSTÈME OPTIMISE DE POST- TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention se situe dans le domaine de la dépollution des gaz d'échappement de moteur thermique. Plus précisément, l'invention porte sur un système optimisé de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les lignes d'échappement de moteurs thermiques de type diesel. [0002] Les émissions polluantes des moteurs thermiques équipant les véhicules automobiles sont réglementées par des normes. Les polluants réglementés sont, selon la technologie de moteur thermique considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azote (NOx), et les particules qui sont formées lors de la combustion du carburant dans la chambre de combustion puis émises à l'échappement. [0003] H est connu d'employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d'échappement des moteurs thermique pour en limiter les émissions de polluants. [0004] Comme cela est représenté sur la figure 1, un système 10 de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique 11 comporte un organe catalyseur d'oxydation 12 (ou "DOC" pour "Diesel Oxidation Catalyst" en anglais) permettant le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d'azote. [0005] Pour les véhicules équipés de moteurs 11 diesel, on utilise un système de réduction catalytique sélective 13 (ou "SCR" pour "Selective Catalytic Reduction" en anglais) qui permet de réduire les oxydes d'azote à l'aide d'un réducteur tel que de l'ammoniac dans les gaz d'échappement par réactions catalysées. [0006] A cet effet, un injecteur 14 associé à un réservoir 15 injecte un agent réducteur qui est un précurseur de l'ammoniac, par exemple de l'urée (NH2)2CO, dont la décomposition va permettre l'obtention d'ammoniac qui servira de réducteur. [0007] L'ammoniac (NH3) est obtenu par pyrolyse et hydrolyse de l'urée dans ligne d'échappement selon les réactions suivantes: (NH,),C0 HNCO + NH3 : pyrolyse à 120°C HNCO + H,0 CO, + NH3 : hydrolyse à 180°C [0008] Le réducteur généré permet de réduire les oxydes d'azote par réaction dans un organe 16 catalyseur SCR, c'est-à-dire un substrat portant une imprégnation catalytique apte à favoriser la réduction des oxydes d'azote par le réducteur. [0009] En présence d'oxygène, l'ammoniac (NH3) transformera les oxydes d'azote (NOx) en 2 azote (N,) et en eau (H,0), suivant les principales réactions suivantes: [0010] 4 NO+4NH3-F02 4N2-F6H20 [0011] 6 NO2+ 8NH3 71\12-F6H,0 2 NO+ 2 NO,-F 8NH3 41\12-F6H,0 [0012] Le catalyseur d'oxydation DOC ou PNA 12 (pour "Passive NOx Adsorbers" en anglais ou adsorheur passif des oxydes d'azote en français) disposé en amont du catalyseur SCR 16 permet d'augmenter le rapport entre une quantité de dioxyde d'azote divisée par une quantité de monoxyde d'azote (NO,/NO) contenus dans des gaz d'échappement et ainsi d'accroître l'efficacité de conversion notamment à basse température en tenant compte du fait que la réaction du dioxyde d'azote (NO,) avec l'ammoniac (NH3) est plus rapide que la réaction du monoxyde d'azote (NO) avec l'ammoniac (NH3), selon la réaction suivante : NO +1/2 02 -> NO, [0013] Un filtre à particules 17 permet de piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies à hase de carbone, et/ou de gouttelettes d'huile. Ces particules ont typiquement une taille comprise entre quelques nanomètres et un micromètre. Des sondes de pression 18 disposées en amont et en aval du filtre à particules 17 permettent de déterminer un niveau de chargement en suies du filtre 17 afin qu'un calculateur moteur 23 puisse piloter une régénération du filtre 17 lorsque le niveau de chargement dépasse un seuil. [0014] Des sondes 19 de détection d'oxydes d'azote disposées respectivement en aval du moteur 11 et en aval du filtre à particules 17 permettent au calculateur moteur 23 de réguler la quantité d'urée injectée en fonction de la quantité d'oxydes d'azote émise par le moteur 11 et des conditions de fonctionnement du moteur thermique 11. [0015] On observe que l'ammoniac injecté n'est pas totalement converti, de sorte qu'il a tendance à s'échapper dans l'environnement. On parle alors d'un phénomène dit de "NUL slip" en anglais. Dans le but de réduire les fuites d'ammoniac dans l'environnement, on utilise une brique catalytique 20 de type ASC (pour "Armnonia Slip Catalyst" en anglais). Elle permet de réduire significativement le niveau d'émission d'ammoniac en excès par l'intermédiaire d'un matériau, notamment un métal précieux, qui favorise l'oxydation de l'ammoniac à un certain niveau de température des gaz d'échappement. [0016] Lors du démarrage du moteur thermique, les conditions thermiques ne sont pas suf- fisantes pour obtenir un traitement efficace des oxydes d'azote. Afin d'améliorer le rendement de traitement des oxydes d'azote à froid, il est connu d'utiliser des pièges à oxydes d'azote aptes à stocker les oxydes d'azote lorsque la température de la ligne d'échappement est basse pour les libérer ensuite lorsque la température de la ligne d'échappement a augmenté. Généralement, le piège à oxydes d'azote, qui présente une grande capacité de stockage des oxydes d'azote, est disposé en entrée de la ligne 3 d'échappement. Toutefois, une telle configuration nécessite de prévoir des stratégies complexes de régénération peu performantes et source de consommation de carburant. [0017] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un système de post-traitement des gaz d'échappement d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile, comportant: - un organe catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote au moyen d'un réducteur, tel que de l'ammoniac, - un injecteur d'un agent réducteur positionné en amont de l'organe catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, - un filtre à particules, - une brique catalytique de stockage de réducteur, caractérisé en ce que le système de post-traitement comporte en outre un organe catalyseur de stockage, d'oxydation, et de réduction d'oxydes d'azote disposé en aval de la brique catalytique de stockage de réducteur. [0018] L'invention permet ainsi de couvrir les faiblesses de performances du système de dé- pollution qui nécessite de disposer de conditions thermiques suffisantes pour le traitement les particules polluantes. En effet, après avoir été piégés, les oxydes d'azote sont traités par les fuites d'ammoniac issues de la brique catalytique de stockage de réducteur dans certaines conditions de roulage. On assure ainsi une purge de l'organe catalyseur de stockage des oxydes d'azote afin de conserver sa capacité de stockage sans qu'il soit nécessaire de prévoir une stratégie complexe de régénération lorsque son chargement en oxydes d'azote dépasse un seuil. [0019] Selon une réalisation, un organe catalyseur d'oxydation est disposé en amont de l'organe catalyseur de réduction catalytique sélective pour augmenter un rapport entre une quantité de dioxyde d'azote et une quantité de monoxyde d'azote contenus dans les gaz d'échappement. [0020] Selon une réalisation, l'organe catalyseur de stockage, d'oxydation, et de réduction d'oxydes d'azote est réalisé à base d'un matériau chargé en métaux précieux. [0021] Selon une réalisation, les métaux précieux sont choisis notamment parmi les matériaux suivants: platine, palladium, et rhodium. [0022] Selon une réalisation, l'organe catalyseur de stockage, d'oxydation, et de réduction d'oxydes d'azote présente un grammage en matériaux précieux compris entre 0.002 et 1.90 g/cm3. [0023] Selon une réalisation, des sondes de pression sont disposées en amont et en aval du filtre à particules pour pouvoir déterminer un niveau de chargement en suies dudit filtre à particules. [0024] Selon une réalisation, des sondes de détection d'oxydes d'azote sont disposées en aval du moteur thermique et en aval du filtre à particules. [0025] L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en cc qu'il comporte un système de post-traitement des gaz d'échappement tel que précédemment défini. [0026] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0027] [fig.1] , déjà décrite, montre une représentation schématique d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique selon l'état de la technique; [0028] [fig.2] montre une représentation schématique d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique selon la présente invention; [0029] [fig.3a] est une représentation schématique illustrant le fonctionnement de l'organe catalyseur de stockage, d'oxydation, et de réduction d'oxydes d'azote du système de post-traitement selon l'invention; [0030] [fig.3b] est une représentation schématique illustrant le fonctionnement de l'organe catalyseur de stockage, d'oxydation, et de réduction d'oxydes d'azote du système de post-traitement selon l'invention; [0031] [fig.4] montre des représentations graphiques permettant de comparer les performances entre une ligne d'échappement équipée d'un organe catalyseur selon l'invention de stockage des oxydes d'azote et une ligne d'échappement qui en est dépourvue. [0032] Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0033] Dans la description qui suit, les termes amont et aval sont entendus par référence au sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement du moteur thermique. [0034] La figure 2 montre un système 10 de post-traitement des gaz d'échappement de moteur thermique 11 comportant un organe catalyseur d'oxydation 12 (ou "DOC" pour "Diesel Oxidation Catalyst" en anglais) permettant le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d'azote. [0035] Pour les véhicules équipés de moteurs 11 diesel, on utilise un système de réduction catalytique sélective 13 (ou "SCR" pour "Selective Catalytic Reduction" en anglais) qui permet de réduire les oxydes d'azote à l'aide d'un réducteur tel que de l'ammoniac dans les gaz d'échappement par réactions catalysées. [0036] A cet effet, un injecteur 14 associé à un réservoir 15 injecte un agent réducteur qui est un précurseur de l'ammoniac, par exemple de l'urée (Nif),CO, dont la décomposition va permettre l'obtention d'ammoniac qui servira de réducteur. [0037] L'ammoniac (NH3) est obtenu par pyrolyse et hydrolyse de l'urée dans la ligne d'échappement selon les réactions suivantes: (NH2)2C0 -> HNCO + NH3: pyrolyse à 120°C HNCO +H20 -, CO2+ NH3: hydrolyse à 180°C [0038] Le réducteur généré permet de réduire les oxydes d'azote par réaction dans un organe catalyseur SCR 16, c'est-à-dire un substrat portant une imprégnation catalytique apte à favoriser la réduction des oxydes d'azote par le réducteur. [0039] En présence d'oxygène, l'ammoniac NH3 transformera les oxydes d'azote (NOx) en azote (N2) et en eau (H,0), suivant les principales réactions suivantes : [0040] 4 NO+4NH3+02 4N2-F6H20 [0041] 6 NO2+ 8NH3 71\1,-F6H,0 2 NO+ 2 MI+ 8N143 4N2+61120 [0042] Le catalyseur d'oxydation DOC 12 disposé en amont du catalyseur SCR 16 permet d'augmenter le rapport entre une quantité de dioxyde d'azote divisée par une quantité de monoxyde d'azote (NO2/NO) contenus dans les gaz d'échappement et ainsi d'accroître l'efficacité de conversion notamment à basse température en tenant compte du fait que la réaction de dioxyde d'azote (NO2) avec l'ammoniac (NH3) est plus rapide que la réaction du monoxyde d'azote (NO) avec l'ammoniac (NH3), selon la réaction suivante : NO + 1/2 02 -> NO, [0043] Un filtre à particules 17 permet de piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement de suies à base de carbone, et/ou de gouttelettes d'huile. Ces particules ont typiquement une taille comprise entre quelques nanomètres et un micromètre. Des sondes de pression 18 disposées en amont et en aval du filtre à particules 17 permettent de déterminer un niveau de chargement en suies du filtre 17 afin qu'un calculateur moteur 23 puisse piloter une régénération du filtre 17 lorsque le niveau de chargement dépasse un seuil. [0044] Des sondes 19 de détection d'oxydes d'azote disposées respectivement en aval du moteur 11 et en aval du filtre à particules 17 permettent au calculateur moteur 23 de réguler la quantité d'urée injectée en fonction de la quantité d'oxydes d'azote émise par le moteur 11 et des conditions de fonctionnement du moteur thermique 11. [0045] Une brique catalytique 20 de stockage de réducteur dite brique de type ASC (pour "Ammonia Slip Catalyst" en anglais) est disposée en aval du filtre à particules 17. Elle permet de réduire significativement le niveau d'émission d'ammoniac en excès par l'intermédiaire d'un matériau, notamment un métal précieux, qui favorise l'oxydation de l'ammoniac à un certain niveau de température des gaz d'échappement. [0046] Le système 10 de post-traitement comporte en outre un organe catalyseur 21 de 6 stockage et de réduction d'oxydes d'azote. Cet organe catalyseur 21, par exemple de type LNT (pour "Lean NOX Trap" en anglais), est disposé en aval de la brique catalytique 20. [0047] L'organe catalyseur 21 est réalisé à base d'un matériau stockant 24 chargés en métaux précieux. Les métaux précieux sont choisis notamment parmi les matériaux suivants: platine (Pt), palladium (Pd), et rhodium (Rh). [0048] L'organe catalyseur 21 présente un grammage en métaux précieux adapté en fonction des performances de traitement de la ligne d'échappement et des configurations architecturales du véhicule automobile. Un grammage en matériaux précieux est notamment compris entre 0.002 et 1.90 g/cm3. [0049] Pendant les phases de fonctionnement pendant lesquelles la thermique est in- suffisante pour que le système puissent dépolluer, les oxydes d'azote sont oxydés et stockés sous la forme de nitrates ou nitrites dans le matériau 24, tel que montré sur la figure 3a. [0050] Lors du passage dans les conditions de débits de gaz d'échappement et de conditions thermiques favorables, le déstockage des oxydes d'azote s'effectue par la réduction des oxydes d'azote en azote (N2) grâce au réducteur (NH3) présents dans la ligne d'échappement, tel que le montre la figure 3h. [0051] La figure 4 est une représentation graphique de en fonction du temps t, de la température T dans la ligne d'échappement exprimée en degrés Celsius (cf. courbe Cl), de vitesse V du véhicule automobile exprimée en km/h (cf courbe C2), de la quantité d'oxydes (l'azote rejetée dans l'atmosphère pour un système de post-traitement de l'état de l'art dépourvu d'organe catalyseur 21 (cf courbe C3), de la quantité d'oxydes d'azote rejetée dans l'atmosphère pour un système de post-traitement selon l'invention muni d'un organe catalyseur 21 (cf. courbe C4), et de la quantité de réducteur (NH3) rejetée par la brique catalytique 20 (cf courbe C5). [0052] On observe que lors de la phase de démarrage P0, le rejet d'oxydes (l'azote est réduit par rapport à une ligne d'échappement classique grâce à la présence de l'organe catalyseur 21 qui permet de stocker les oxydes d'azote. Le niveau d'émission réduit est ensuite maintenu sur toute la durée du trajet. [0053] Lors des phases de roulage sur autoroute PI, P2, P3 à haute vitesse, on observe des pics de rejets de réducteur qui vont permettre une réduction efficace des oxydes d'azote contenus dans l'organe catalyseur 21 en azote du fait des bonnes conditions de température. [0054] La présence de l'organe catalyseur 21 supplémentaire permet ainsi de tirer profit du phénomène d'émission de réducteur (phénomène de "NH3 slip" en anglais) dans certaines conditions de roulage pour purger régulièrement au moins une partie des oxydes d'azote contenus dans l'organe catalyseur 21 afin de conserver la capacité de 7 stockage dudit organe catalyseur 21 tout au long du fonctionnement du moteur thermique. 8