Brevet FR3104037A1 — publié le 20210611

Monolithe imprégné pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant un substrat de catalyse (7) et une couche d’imprégnation (8) comportant au moins un composé métallique du groupe platine PGM. En outre, la couche d’imprégnation (8) est répartie de façon inégale sur le substrat de catalyse (7) de sorte que la quantité du composé PGM dans une première zone (9) du substrat de catalyse (7) sujette à une première température du flux des gaz d’échappement est supérieure à la quantité du composé PGM d’une deuxième zone (10) sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. Figure pour l’abrégé : Fig 3 Monolithe imprégné pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile et procédé de fabrication associé La présente invention concerne, de manière générale, la réduction des émissions de polluants lors du démarrage à froid d’un moteur à combustion interne de véhicule automobile par la réduction du temps d’amorçage du catalyseur dont est pourvu le véhicule. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un monolithe imprégné pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile et à un procédé d’obtention d’un tel monolithe imprégné. Généralement, au moins un dispositif de traitement des gaz de combustion, dit brique catalytique, est monté sur la ligne d’échappement du moteur et son fonctionnement permet de réduire l’émission de particules nocives, d’oxydes d’azote (NOx), de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures (HC) imbrûlés lors de la combustion de carburant (gazole ou essence) à des températures élevées. Il peut s’agir d’un catalyseur trois voies ou d’un monolithe filtrant imprégné (aussi bien pour les filtres à particules, que les Nox-trap, HC-trap ou autre). Classiquement, le système de traitement comprend une pluralité de substrats de catalyse, des monolithes, disposés entre un collecteur d’admission et un collecteur d’échappement, et réalisant chacun la conversion d’un type de polluant spécifique lorsque les gaz d’échappement débouchant du collecteur d’admission les traversent. L’efficacité du catalyseur est liée à sa température. Lorsque le catalyseur est froid, c’est-à-dire à une température inférieure à sa température d’amorçage, celui-ci n’est pas ou peu actif. En conséquence, le démarrage à froid et le fonctionnement lors des premières secondes du moteur engendrent une émission supérieure de polluants dans l’atmosphère. Les performances du dispositif de traitement et la température d’amorçage dépendent de nombreux paramètres tels que les propriétés du monolithe (la longueur, l’épaisseur de la paroi, la densité de cellules, etc.) mais aussi les caractéristiques du flux des gaz d’échappement telles que la vitesse, la température et la distribution du flux. Ces facteurs ont également une influence sur le vieillissement du dispositif de post-traitement. Dans le but de réduire la température d’amorçage, il est connu d’appliquer sur le substrat de catalyse une couche d’imprégnation comportant un composé métallique de groupe du platine (PGM). Cependant, une mauvaise distribution de la vitesse des gaz peut engendrer une distribution inhomogène de la température dans le substrat de catalyse. Le substrat de catalyse monte alors moins rapidement en température dans les zones où la vitesse du flux des gaz d’échappement est plus faible et, en conséquence, la température d’amorçage est atteinte moins rapidement. L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un monolithe imprégné pour dispositif de traitement permettant de réduire son temps d’amorçage et par conséquent les émissions de polluants, ainsi que réduire son vieillissement prématuré. Il est donc proposé un monolithe imprégné, filtrant ou non, pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant un substrat de catalyse et une couche d’imprégnation comportant au moins un composé métallique du groupe platine PGM. En outre, la couche d’imprégnation est répartie de façon inégale sur le substrat de catalyse de sorte que la quantité du composé PGM dans une première zone du substrat de catalyse sujette à une première température du flux des gaz d’échappement est supérieure à la quantité du composé PGM d’une deuxième zone sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. Avantageusement, le moteur est un moteur à essence. Selon une caractéristique, la quantité du composé PGM peut être répartie de façon inégale sur le substrat de catalyse dans un plan transversal du substrat de catalyse. De préférence, la couche d’imprégnation est disposée sur toute la longueur du substrat de catalyse. Avantageusement, la première zone est une zone sujette à une température supérieure ou égale à une température prédéterminée. L’invention concerne aussi un dispositif de traitement pour système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant un ou plusieurs monolithes imprégnés disposés entre un collecteur d’admission et un collecteur d’échappement des gaz d’échappement. En outre, le dispositif de traitement comprend au moins un monolithe imprégné comme décrit précédemment. Avantageusement, le monolithe imprégné comme décrit précédemment peut être disposé en regard dudit collecteur d’admission des gaz d’échappement du dispositif de traitement. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un monolithe imprégné pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant le dépôt sur un substrat de catalyse d’une couche d’imprégnation comportant un composé métallique du groupe du platine PGM. En outre, la couche d’imprégnation est déposée de façon inégale sur le substrat de catalyse de sorte que la quantité du composé PGM dans une première zone sujette à une première température du flux des gaz d’échappement est supérieure à la quantité du composé PGM d’une deuxième zone du substrat de catalyse sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. Avantageusement, la couche d’imprégnation est déposée de façon inégale dans un plan transversal du substrat de catalyse. De préférence, la couche d’imprégnation est déposée sur toute la longueur du substrat de catalyse. Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche d’imprégnation est réalisé en au moins deux étapes : le dépôt d’une première couche comportant un composé métallique du groupe du platine PGM sur l’ensemble des première et deuxième zones du substrat de catalyse puis le dépôt d’une deuxième couche comportant un composé métallique du groupe du platine PGM sur la première zone uniquement. D’autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés sur lequel : est une représentation schématique d’un dispositif de traitement pour le traitement des gaz d’échappement d’un véhicule automobile, conforme à l’invention. est une vue en coupe d’un monolithe imprégné selon un premier mode de réalisation du dispositif de traitement illustré à la figure 1, selon le plan II-II, conforme à l’invention. est une vue en perspective d’un monolithe imprégné selon un second mode de réalisation, conforme à l’invention. illustre des répartitions thermiques A et B à deux points de fonctionnement différents du moteur. La figure 1 représente un dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile, désigné par la référence générale 1. Le dispositif de traitement illustré est un catalyseur trois voies pour moteur à combustion interne. Il comprend une pluralité de monolithes imprégnés disposés entre un collecteur d’admission 2 et un collecteur d’échappement 3. Dans l’exemple illustré, le dispositif de traitement comprend des premier, deuxième et troisième monolithes imprégnés, respectivement référencés 4, 5 et 6. Les gaz d’échappement traités par le dispositif de traitement 1, admis par le collecteur d’admission 2, traversent l’ensemble des monolithes imprégnés 4, 5 et 6 et sont évacués par le collecteur d’échappement 3. Le premier monolithe imprégné 4, disposé en regard du collecteur d’admission 2, comprend un substrat de catalyse 7, de préférence un monolithe cylindrique, par exemple en céramique ou en métal. La distribution de la vitesse du flux des gaz d’échappement sortant du collecteur d’admission 2 est irrégulière et dépend de la forme de ce dernier. Or la forme irrégulière de ce collecteur 2 conduit à une répartition inégale de la température des gaz d’échappement de sorte que différentes zones du substrat de catalyse sujettes à des températures différentes peuvent être identifiées. Comme cela est illustré sur les figures 2 et 3, le premier monolithe imprégné 4 comprend une couche d’imprégnation 8 comportant au moins un composé métallique du groupe platine dit « PGM » de l’anglais Platinum Group Metals. Par composé métallique du groupe platine, on entend un composé comportant au moins un élément parmi les éléments suivants : le ruthénium, le rhodium, le palladium, l’osmium, l’iridium, le platine et le rhénium. La couche d’imprégnation 8 est répartie de façon inégale dans le substrat de catalyse 7. En effet, une première zone 9 du substrat de catalyse 7 sujette à une première température du flux des gaz d’échappement. Dans le substrat de catalyse 7 illustré, on peut identifier deux zones 9 et 10 sujettes à des températures de flux des gaz d’échappement différentes. La première zone 9 du substrat de catalyse 7 est sujette à une première température du flux des gaz d’échappement et la deuxième zone 10 est sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. La quantité du composé PGM dans la première zone 9 du substrat de catalyse 7 est supérieure à la quantité du composé PGM de la deuxième zone 10. De préférence, la quantité du composé PGM est répartie de façon inégale sur le substrat de catalyse 7 lorsque l’on considère un plan transversal du substrat de catalyse 7. De préférence encore, la couche d’imprégnation 8 est disposée sur toute la longueur du substrat de catalyse 7. On pourra prévoir que la première zone 9 au niveau de laquelle la couche d’imprégnation 8 comprend une quantité en composé PGM supérieure à la deuxième zone 10 soit une zone sujette à une température supérieure ou égale à une température prédéterminée, par exemple une température élevée, avantageusement comprise entre 250 et 450 °C. La quantité en composé PGM de la couche d’imprégnation 8 pourra être proportionnelle à la température à laquelle est sujette la zone sur laquelle la couche d’imprégnation est appliquée, notamment à partir d’une température seuil de l’ordre de 250°C. La forme et la localisation des première et deuxième zones 9 et 10 dépendent de la forme du collecteur d’admission 2. Selon l’exemple de la figure 2, la première zone 9 s’étend dans la portion inférieure du substrat de catalyse 7, alors qu’à l’exemple illustré à la figure 3, la première zone 9 s’étend dans la portion centrale du substrat de catalyse 7. Bien entendu, la répartition de la quantité en composé PGM sur le substrat de catalyse 7 peut être réalisée sur plus de deux zones, si le substrat de catalyse 7 est par exemple sujet à plus de deux températures différentes, du fait d’une répartition de température complexe avec plusieurs zones de sur-températures relatives dues à la forme de la ligne du conduit d’échappement. La répartition de la température est connue par simulation tridimensionnelle de dynamique des fluides ou par essai et dépend du conduit d’échappement mais ne varie pas avec le temps ce qui permet, une fois la répartition de température évaluée, de définir les zones 8 et 9, de les positionner et calibrer leurs dimensions. Dans le cas de répartition thermique différente A et B en fonction du point de fonctionnement, c’est-à-dire de la charge et du régime moteur, comme illustré en figure 4 on sélectionnera la répartition obtenue pour le point de fonctionnement le plus sévère, à savoir la répartition qui présente une zone de température >850°C la plus large, ici celle du cas B, de manière à imprégner davantage les zones de haute température, correspondant aux basses vitesses, pour réduire les émissions polluantes à froid et améliorer le vieillissement de la brique. Pour évaluer la distribution thermique on peut utiliser le coefficient γ gamma d’arrosage entre 0 et 1 : où S est la surface, [T] est la température au niveau d’une maille et [T]mean est la température moyenne sur la surface. Selon un mode de réalisation, un monolithe imprégné selon l’invention peut être fabriqué par dépôt sur un substrat de catalyse 7 de la couche d’imprégnation 8 comportant un composé métallique du groupe du platine PGM. La couche d’imprégnation 8 est déposée de façon inégale sur le substrat de catalyse 7 en fonction de la distribution de température du substrat 7 de sorte que la quantité du composé PGM dans une première zone sujette à une première température du flux des gaz d’échappement est supérieure à la quantité du composé PGM d’une deuxième zone du substrat de catalyse sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. Avantageusement, la couche d’imprégnation 8 peut être déposée de façon inégale dans un plan transversal du substrat de catalyse et, de préférence, déposée sur toute la longueur du substrat de catalyse. Dans l’exemple illustré, le dépôt de la couche d’imprégnation 8 est réalisé en deux étapes. Tout d’abord, une première couche d’une composition d’imprégnation comportant un composé métallique du groupe du platine PGM est déposée sur l’ensemble des première et deuxième zones 9, 10 du substrat de catalyse. Ensuite, une deuxième couche de composition d’imprégnation comportant un composé métallique du groupe du platine PGM est déposée sur la première zone 9 uniquement. Bien entendu, on pourra prévoir que le dépôt soit réalisé en un nombre d’étapes supérieur à deux si l’on souhaite réaliser plus de deux zones dont la quantité en composé PGM est différente. La quantité en composé PGM des première et deuxième couches sera prédéterminée en fonction de la température, dont la répartition aura été préalablement déterminée, à laquelle sont sujettes les premières et deuxièmes zones 9 et 10. Préférentiellement, la première étape de dépôt d’une première couche de composition d’imprégnation 8 est réalisée sur toute la longueur du substrat 7 soit dans le sens de la sortie vers l’entrée du monolithe, soit dans le sens inverse, ou encore en alternant les deux sens en retournant le monolithe en cours de première étape de dépôt, alors que la seconde étape de dépôt d’une seconde couche de composition d’imprégnation est réalisée dans le sens de l’entrée vers la sortie du monolithe avec un système de jet de liquide d’imprégnation adapté à la répartition thermique, c’est-à-dire que le jet est distribué de manière variable en fonction de la température de la zone, la tête de douche de distribution du système de jet a donc une distribution inhomogène des trous, une dimension et une inclinaison de chaque trou de la tête de douche conformées en fonction de la répartition thermique de manière à appliquer la seconde couche de composition d’imprégnation dans les zones prédéterminées de sur-température relatives du substrat 7, le substrat étant fixe. En alternative à l’imprégnation par jet inhomogène de la tête de douche, le substrat 7 peut aussi être orienté dynamiquement pendant les étapes d’imprégnation pour répartir la couche différemment en fonction des positions des zones 9, 10. Ce procédé s’applique à tout type de substrat 7, qu’il soit céramique ou métallique, indépendamment du nombre de cellules par unité de surface, de l’épaisseur de paroi ou de sa porosité. Les zones comprenant une quantité de composé PGM supérieure, la première zone 9 dans l’exemple illustré, permettent d’abaisser la température d’amorçage, qui sera donc atteinte plus vite, permettant de réduire l’émission de polluants, en particulier durant les premières secondes du démarrage du véhicule. La vérification de la correcte répartition de la couche d’imprégnation 8 sur le substrat 7 peut être faite par examen matériel en contrôlant la masse de PGM utilisés en local sur la zone avec une densité supérieure en PGM et en global sur le monolithe via un contrôle destructif, par exemple par spectroscopie d'émission à plasma inductif ou fluorescence rayon X, ou par examen fonctionnel en contrôlant la température d’amorçage obtenue, par exemple sur banc gaz synthétique. Préférentiellement, le procédé est au moins appliqué au premier monolithe imprégné 4 puisque c’est celui qui traite les émissions à froid et le plus sensible en termes de vieillissement prématuré quand son arrosage n’est pas homogène. Ainsi, la quantité de composé PGM étant adaptée à la température à laquelle est sujette la zone considérée du substrat de catalyse 7, la présente invention permet de prévenir le vieillissement prématuré du monolithe imprégné 4. Néanmoins, on pourra prévoir que les monolithes imprégnés 5 et/ou 6 soient obtenus selon un mode de réalisation du procédé de fabrication tel que décrit précédemment si l’arrosage de ces monolithes imprégnés 5 et/ou 6 n’est pas homogène, c’est-à-dire notamment que la distribution thermique dans ces monolithes imprégnés n’est pas homogène. On pourra également prévoir que le monolithe imprégné 4 soit adapté dans un dispositif de traitement comprenant des monolithes imprégnés en position dite sous turbo, ou « close coupled » en anglais, sur la ligne d’échappement. En effet, on peut également prévoir des monolithes imprégnés en position sous plancher (ou « underfloor » en anglais) cependant de manière générale les températures élevées sont davantage liées à la position sous turbo de par la difficulté d’arrosage liée à des architectures contraintes en compacité. L’invention permet d’adapter le monolithe imprégné 4 à la distribution de flux des gaz, et notamment à l’inhomogénéité thermique du substrat 7, notamment sous forme de monolithe, pour améliorer la performance de la catalyse, avec la géométrie de la ligne d’échappement existante sans avoir à la modifier, et en utilisant un seul type de couche d’imprégnation, ce qui évite la gestion de diversité et les potentielles difficulté de voisinage entre différents types de couches d’imprégnation. Monolithe imprégné pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant un substrat de catalyse (7) et une couche d’imprégnation (8), ladite couche d’imprégnation (8) comportant au moins un composé métallique du groupe platine PGM, caractérisé en ce que la couche d’imprégnation (8) est répartie de façon inégale sur le substrat de catalyse (7) de sorte que la quantité du composé PGM dans une première zone (9) du substrat de catalyse (7) sujette à une première température du flux des gaz d’échappement est supérieure à la quantité du composé PGM d’une deuxième zone (10) du substrat de catalyse (7) sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. Monolithe imprégné selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité du composé PGM est répartie de façon inégale sur le substrat de catalyse (7) dans un plan transversal du substrat de catalyse (7). Monolithe imprégné selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche d’imprégnation (8) est disposée sur toute la longueur du substrat de catalyse (7). Monolithe imprégné selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première zone (9) est sujette à une température supérieure ou égale à une température prédéterminée. Dispositif de traitement pour système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant un ou plusieurs monolithes imprégnés (4, 5, 6) disposés entre un collecteur d’admission (2) et un collecteur d’échappement (3) des gaz d’échappement, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un monolithe imprégné (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Dispositif de traitement selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’un monolithe imprégné (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 est disposé en regard dudit collecteur d’admission (2) des gaz d’échappement du dispositif de traitement. Procédé de fabrication d’un monolithe imprégné (4) pour dispositif de traitement d’un système d’échappement de moteur de véhicule automobile, comprenant le dépôt sur un substrat de catalyse (7) d’une couche d’imprégnation (8) comportant un composé métallique du groupe du platine PGM, caractérisé en ce que la couche d’imprégnation (8) est déposée de façon inégale sur le substrat de catalyse (7) de sorte que la quantité du composé PGM dans une première zone (9) sujette à une première température du flux des gaz d’échappement est supérieure à la quantité du composé PGM d’une deuxième zone (10) du substrat de catalyse (7) sujette à une deuxième température du flux des gaz d’échappement inférieure à la première température. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche d’imprégnation (8) est déposée de façon inégale dans un plan transversal du substrat de catalyse (7). Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la couche d’imprégnation (8) est déposée sur toute la longueur du substrat de catalyse (7). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le dépôt de la couche d’imprégnation (8) est réalisé en au moins deux étapes : le dépôt d’une première couche comportant un composé métallique du groupe du platine PGM sur l’ensemble des première et deuxième zones (9, 10) du substrat de catalyse (7) puis le dépôt d’une deuxième couche comportant un composé métallique du groupe du platine PGM sur la première zone (9) uniquement.