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FR2909707A1 - Dispositif de traitement du methane contenu dans les gaz d'echappement emis par un moteur a combustion interne, et procede associe - Google Patents

Dispositif de traitement du methane contenu dans les gaz d'echappement emis par un moteur a combustion interne, et procede associe Download PDF

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FR2909707A1
FR2909707A1 FR0655431A FR0655431A FR2909707A1 FR 2909707 A1 FR2909707 A1 FR 2909707A1 FR 0655431 A FR0655431 A FR 0655431A FR 0655431 A FR0655431 A FR 0655431A FR 2909707 A1 FR2909707 A1 FR 2909707A1
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combustion engine
plasma
catalytic
storage means
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FR0655431A
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English (en)
Inventor
Xavier Jeandel
Karine Lombaert
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Renault SA
Original Assignee
Renault SA
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Publication date
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Priority to PCT/EP2007/063449 priority patent/WO2008071624A1/fr
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Abstract

L'invention propose un dispositif de traitement 6 du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne 2 comprenant :- un réacteur plasma 7 comprenant au moins deux électrodes alimentées par des moyens électriques et capable de produire un plasma, et- un moyen catalytique 8 capable de traiter du méthane, le moyen catalytique 8 étant monté de manière à être en contact avec au moins une partie du plasma produit par le réacteur plasma 7 et avec au moins une partie du méthane émis par le moteur à combustion interne 2.

Description

1 Dispositif de traitement du méthane contenu dans les gaz d'échappement
émis par un moteur à combustion interne, et procédé associé.
La présente invention concerne un dispositif de traitement du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne. Elle concerne également un procédé de traitement du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un tel moteur.
A l'heure actuelle, les hydrocarbures contenus dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne sont traités par oxydation catalytique réalisée au niveau d'un système catalytique comprenant du platine et/ou du palladium. De tels systèmes sont décrits par exemple dans les demandes de brevets WO 0 180 977 et WO 0 043 469, ou bien encore dans les brevets JP 7 317 565 et JP 4 193 327. Si ce traitement par oxydation catalytique s'avère efficace pour la dégradation des hydrocarbures lourds, il ne permet cependant pas l'élimination du méthane contenu dans les gaz d'échappement.
En effet, la dégradation par oxydation catalytique du méthane requiert une température de gaz d'échappement proche de 500 C. Or une telle température est rarement atteinte par les gaz d'échappement, voire n'est jamais atteinte dans les conditions de roulage en milieu urbain.
Par ailleurs, les recherches actuelles portant notamment sur la combustion homogène du gasoil indiquent que parmi les gaz d'échappement générés par cette combustion homogène, on retrouve une proportion massique particulièrement importante de méthane, pouvant atteindre 10 à 20 % de la masse totale des hydrocarbures émis.
Or, parmi les actions engagées dans le domaine de la lutte pour préserver et même améliorer l'environnement, la dépollution de l'air constitue une action majeure. En particulier pour ce qui concerne les motorisations diesel, l'élimination du méthane contenu dans les gaz 2909707 2 d'échappement devient un objectif prioritaire qui sera probablement encadré par des normes futures de plus en plus strictes dans le domaine. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif 5 permettant de traiter le méthane émis par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur diesel, pour diminuer de manière efficace et significative la quantité de méthane relâché dans l'air et ce, quelles que soient les conditions de circulation des véhicules, en milieu urbain ou sur autoroute.
10 Selon l'invention, le dispositif de traitement du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne comprend : - un réacteur plasma comprenant au moins deux électrodes alimentées par des moyens électriques et capable de produire un plasma, et - un moyen catalytique capable de traiter du méthane, le moyen catalytique étant monté de manière à être en contact avec au moins une partie du plasma produit par le réacteur plasma et avec au moins une partie du méthane émis par le moteur à combustion interne. Le dispositif selon l'invention est donc spécifique au traitement du méthane. Le méthane n'est pas dégradé par les systèmes de dépollution classiques et on le retrouve donc dans les gaz d'échappement, en aval des systèmes catalytiques classiques.
25 Le dispositif permet de traiter le méthane à l'aide d'un moyen catalytique et sans nécessiter d'augmentation de température, par exemple de 500 C. En effet, les espèces très oxydantes générées par le plasma vont augmenter l'activité du moyen catalytique et permettre le traitement du méthane à des températures inférieures à 500 C par 30 exemple. Ce dispositif présente en outre l'avantage d'être disposé de préférence en fin de ligne de traitement des gaz d'échappement, en aval des systèmes catalytiques classiques, modifiant donc peu le processus industriel associé. I1 peut bien évidemment être installé sur 15 20 2909707 3 des lignes de fabrication de véhicules neufs mais également sur des véhicules déjà mis en circulation. En fonctionnement stationnaire, le moyen catalytique réalise une oxydation catalytique du méthane, les conditions d'activation du 5 catalyseur par les espèces formées par le réacteur plasma étant suffisantes pour que la réaction : CH4 + 2 02 -* CO2 + 2 H2O se produise. Le moyen catalytique peut comprendre notamment un 10 catalyseur choisi parmi les métaux de transition, les métaux précieux, les pérovskites et les spinelles. Les pérovskites sont des composés cristallins dont la formule générale s'écrit sous la forme ABO3, et les spinelles sont des composés cristallins dont la formule générale s'écrit sous la forme 15 AB2O4. Pour les deux types de composés cristallins, A représente un cation choisi parmi les terres rares, les alcalins ou les alcalino-terreux ; B représente un cation choisi parmi les métaux de transition et peut être substitué. Le catalyseur peut également être choisi parmi le platine, le 20 palladium, et le rhodium. Préférentiellement, le moyen catalytique comprend un catalyseur disposé sur un support tel que de l'alumine, une zircone, des terres rares, des composés alcalins, des oxydes de terres rares ou encore des composés alcalino-terreux.
25 Préférentiellement, le réacteur plasma comprend également un matériau diélectrique placé entre les deux électrodes. Le matériau diélectrique est utilisé ici pour permettre de générer une décharge plasma homogène et uniforme en surface. Préférentiellement, le réacteur plasma est monté en contact 30 avec le moyen catalytique. En particulier, le matériau diélectrique placé entre les deux électrodes peut être le support du moyen catalytique, par exemple une zircone. On obtient ainsi un dispositif unitaire au sein duquel sont rassemblés le réacteur plasma et le moyen catalytique. Ce mode de 2909707 4 réalisation dans lequel le réacteur plasma et le moyen catalytique sont placés dans un volume unique permet d'activer le moyen catalytique avec des radicaux fortement oxydants, mais à faible durée de vie, générés par le réacteur plasma.
5 Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de traitement comprend également un moyen de stockage adapté à adsorber du méthane émis par le moteur à combustion interne et adapté à désorber thermiquement le méthane adsorbé, le moyen catalytique étant monté de manière à être en contact avec au moins une partie du méthane 10 désorbé par le moyen de stockage. Le moyen de stockage peut être monté en amont ou en contact avec le moyen catalytique, de manière à ce que le méthane désorbé par le moyen de stockage puisse être traité par le moyen catalytique. On entend par désorber thermiquement le fait que, au-delà 15 d'une température définie, le moyen de stockage désorbe le méthane adsorbé. L'augmentation de température peut avoir lieu par contrôle moteur ou par utilisation du réacteur plasma. L'utilisation du contrôle moteur permet d'augmenter la température des gaz d'échappement 20 traversant le moyen de stockage. L'utilisation de réacteur plasma permet d'augmenter la température des gaz d'échappement lorsqu'ils traversent le réacteur plasma. Ainsi, lorsque la désorption thermique se fait par utilisation du réacteur plasma, le moyen de stockage sera placé en contact ou en aval du réacteur plasma, de manière à être 25 traversé par les gaz d'échappement chauffés par le réacteur plasma. La présente invention concerne également un procédé de traitement du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, le procédé comprenant : - une étape de formation d'un plasma, et 30 - une étape de traitement du méthane comprenant la mise en contact d'au moins une partie du plasma formé et d'au moins une partie du méthane émis par le moteur à combustion avec un moyen catalytique.
2909707 5 L'étape de traitement du méthane peut être réalisée par oxydation catalytique en présence d'un catalyseur choisi parmi les métaux de transition, les métaux précieux, les pérovskites et les spinelles.
5 Plus particulièrement, le catalyseur peut être choisi parmi le platine, le palladium, et le rhodium. Comme on l'a vu précédemment, le catalyseur peut être disposé sur un support tel que de l'alumine, une zircone, des terres rares, des composés alcalins, des oxydes de terres rares ou encore des composés 10 alcalino-terreux. Selon un mode de mise en oeuvre, le procédé comprend : - avant l'étape de formation d'un plasma, une étape d'adsorption dans un moyen de stockage, de méthane émis par le moteur à combustion interne, et 15 - avant l'étape de traitement du méthane, une étape de désorption thermique du méthane adsorbé dans le moyen de stockage. L'étape de désorption thermique du méthane adsorbé dans le moyen de stockage est mise en oeuvre par une élévation de la température des gaz d'échappement jusqu'à une valeur de température 20 égale ou supérieure à la température de désorption du méthane par le moyen de stockage. On entend par température de désorption du méthane la température pour laquelle se produit la libération des molécules de méthane adsorbées dans le moyen de stockage.
25 Pour obtenir l'élévation de la température des gaz d'échappement jusqu'à une valeur de température égale ou supérieure à la température de désorption du méthane, on peut procéder au moins de deux façons différentes : - par un contrôle moteur en modifiant le mode de 30 combustion du moteur sans changer de point de fonctionnement du moteur en régime et en couple ; - par utilisation du réacteur plasma qui va augmenter localement la température au voisinage des électrodes.
2909707 6 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisations nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 représentent deux modes de réalisation d'un dispositif de traitement du 5 méthane selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 est représentée une ligne d'échappement 1 des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne 2, par 10 exemple diesel, d'un véhicule. La ligne d'échappement 1 est équipée de différents dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement émis par le moteur 2. Parmi ces différents dispositifs, on peut citer par exemple un catalyseur d'oxydation 3 monté en aval du moteur 2, ainsi qu'un filtre à particules catalysé 4 disposé en aval du catalyseur 15 d'oxydation 3 et permettant de traiter les particules de suie. En aval du filtre à particules catalysé 4, se trouve un système de traitement des oxydes d'azote (NOx) 5 destiné à traiter les différents oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement. Le système de traitement des NOx peut être par exemple un piège à NOx ou bien un système de 20 réduction catalytique utilisant différents agents réducteurs. En aval du système de traitement des NOx 5, est monté un dispositif de traitement du méthane 6 conforme à la présente invention. Le dispositif de traitement du méthane 6 comprend, d'une part, un réacteur plasma 7 monté en aval du système de traitement des 25 NOx 5 et, d'autre part, un moyen catalytique 8 monté en aval du réacteur plasma 7. Le dispositif de traitement du méthane 6 est monté en aval des autres dispositifs de traitement des gaz d'échappement de la ligne de traitement 1. En particulier, le dispositif de traitement 6 est monté en 30 fin de la ligne de traitement 1 afin de limiter sa consommation énergétique. En effet, en fin de la ligne de traitement 1, il ne reste principalement que du méthane parmi les hydrocarbures à traiter. Le réacteur plasma 7 est constitué d'une alimentation haute tension et de plusieurs paires d'électrodes. Chaque paire d'électrodes 2909707 7 est séparée par un matériau diélectrique et on pourra relier l'une des électrodes de chaque paire à l'alimentation haute tension et l'autre électrode de chaque paire à la masse. Le moyen catalytique 8 comprend un catalyseur qui, lorsqu'il 5 est activé au préalable par les espèces très oxydantes générées par le réacteur plasma 7, permet de traiter du méthane. Ainsi, le moyen catalytique 8 est capable de traiter du méthane à des températures inférieures à 500 C. Le moyen catalytique 8 est capable de traiter du méthane à des températures inférieures à 400 C, en particulier à des 10 températures comprises entre 150 C et 350 C. Le réacteur plasma 7 et le moyen catalytique 8 peuvent également être réalisés dans un volume unique. Dans ce cas, le moyen catalytique est directement en contact avec les espèces oxydantes formées par le réacteur plasma, et plus particulièrement celles 15 présentant une faible durée de vie comme les radicaux fortement oxydants. Un calculateur 9 du véhicule permet de commander le réacteur plasma 7 afin de traiter le méthane. En particulier, le calculateur 9 du véhicule peut mettre en oeuvre le traitement du méthane, soit de 20 manière continue, soit de manière séquentielle. Dans le cas d'un traitement continu, on pourra notamment faire varier l'énergie d'alimentation du réacteur plasma 7 en fonction de la quantité de méthane estimée ou mesurée dans les gaz d'échappement. Dans le cas d'une utilisation séquentielle, le réacteur plasma 7 ne fonctionnera que 25 sur les points de fonctionnement moteur les plus favorables et les plus pénalisants en méthane. On pourra ainsi par exemple traiter le méthane émis dans le cas d'une régénération d'un piège à NOx ou encore lorsque les émissions en méthane du moteur 2 évaluées par le calculateur 9 dépassent un seuil prédéfini, par exemple une 30 concentration en méthane dans les gaz d'échappement supérieure à 1%. Ainsi, les gaz d'échappement traversent dans un premier temps le réacteur plasma 7. Lorsque le réacteur plasma 7 est en fonctionnement, les gaz d'échappement se chargent d'espèces oxydantes puis sont acheminés vers le moyen catalytique 8. Le moyen 2909707 8 catalytique 8 est alors activé par les espèces oxydantes contenues dans les gaz d'échappement et peut traiter le méthane contenu également dans les gaz d'échappement. Sur la figure 2 est représenté un deuxième mode de réalisation 5 dans lequel les éléments communs au premier mode de réalisation portent les mêmes références. Dans le deuxième mode de réalisation, la ligne d'échappement 1 comprend un moyen de stockage 11. Le moyen de stockage a pour but de piéger et stocker, par adsorption, le méthane contenu dans les 10 gaz d'échappement, puis de libérer le méthane par désorption afin de permettre son traitement par le moyen catalytique 8. Le moyen de stockage 11 et le moyen catalytique 8 peuvent ne constituer qu'un seul volume. Le moyen de stockage 11 peut comprendre par exemple un 15 matériau solide poreux appartenant à la famille des matériaux microporeux et constitué de microcavités ou pores répartis dans une phase solide. Le matériau solide poreux présente par exemple une taille de pores comprise entre 0,4 et 1,6 nm. Pour augmenter également la capacité de stockage du méthane 20 dans le matériau solide poreux, on pourra le choisir de telle sorte que l'épaisseur de matière séparant deux pores dudit matériau soit de l'ordre de la taille des pores. La combinaison des deux paramètres, à savoir taille des pores et épaisseur de matière entre ceux-ci telles que définies ci-dessus, constitue une optimisation de structure pour le 25 matériau solide poreux. Le matériau solide poreux peut être choisi parmi les zéolites, composés qui sont fréquemment utilisés dans le domaine de la catalyse et de la pétrochimie. Le matériau solide poreux peut aussi être constitué de charbons 30 actifs. Les charbons actifs, souvent utilisés pour la purification de l'air, présentent une très grande surface interne et une structure microporeuse leur conférant une grande capacité d'adsorption. Ils peuvent donc présenter une grande capacité de stockage de méthane en particulier à basses températures.
2909707 9 Le matériau solide poreux peut enfin être un nanomatériau. Les nanomatériaux sont des matériaux réalisés à partir d'éléments dont la taille de particules peut varier entre 1 et 100 nm, leur permettant d'acquérir des propriétés particulières. De tels matériaux sont en 5 particulier de plus en plus étudiés dans les domaines de la catalyse et de la filtration. La désorption du méthane par le moyen de stockage 11 se fait par augmentation de la température du moyen de stockage. I1 s'agit d'une désorption thermique pouvant être réalisée par exemple par une 10 élévation de la température des gaz d'échappement jusqu'à une valeur de température égale ou supérieure à la température de désorption du méthane. Après la désorption thermique du méthane, le matériau solide poreux du moyen de stockage 11 peut de nouveau adsorber et stocker 15 le méthane des gaz d'échappement. La désorption thermique peut être mise en oeuvre en fonction de différents facteurs. Parmi ces facteurs, on peut citer celui relatif à la quantité de méthane stocké dans le moyen de stockage 11. Une telle information quant à la capacité de stockage du méthane peut être 20 notamment fournie par le calculateur 9 du véhicule au moyen d'un estimateur d'émission de méthane. Lorsque la quantité de méthane stocké a atteint la capacité maximale de stockage du moyen de stockage 11, il devient nécessaire de déclencher l'étape de formation d'un plasma et l'étape de traitement du méthane, soit pour traiter le 25 méthane émis par le moteur 2 qui ne peut plus être adsorbé par le moyen de stockage, soit en vue d'une désorption du méthane contenu dans le moyen de stockage. On peut également envisager l'utilisation d'un capteur de méthane qui détecterait les fuites liées à la saturation du moyen de stockage.
30 Un autre facteur peut être la valeur de la température de gaz d'échappement. En effet, il est intéressant d'anticiper l'hypothèse selon laquelle la température de ces gaz d'échappement s'approcherait de la valeur de température de désorption Tdésorp du méthane et provoquerait la désorption du méthane. On peut en conséquence 2909707 10 prévoir de mettre en oeuvre l'étape de désorption thermique du méthane lorsque la température des gaz d'échappement atteint une température de consigne donnée, par exemple : 0,7 x Tdésorp. Ainsi, le deuxième mode de réalisation comprend un capteur de température 10, 5 par exemple un thermocouple, monté entre le réacteur plasma 7 et le moyen de stockage 11. Le capteur 10 permet d'indiquer au calculateur 9 du véhicule, la température des gaz d'échappement telle que mesurée à l'entrée du moyen de stockage 11 et d'anticiper une éventuelle désorption du méthane.
10 Lorsqu'une désorption du moyen de stockage 11 doit être réalisée, le calculateur 9 déclenche le fonctionnement du réacteur plasma 7 et commande, par exemple, l'augmentation de la température des gaz d'échappement. Cette augmentation de température peut être réalisée par contrôle moteur, ou bien par le réacteur plasma 7 lui- 15 même qui va augmenter, à proximité de ses électrodes, la température des gaz d'échappement qui le traversent. L'augmentation de la température du moyen de stockage 11 entraîne la désorption thermique du méthane stocké qui est acheminé, en même temps que les espèces oxydantes produites par le réacteur 20 plasma 7, vers le moyen catalytique 8. Le catalyseur du moyen 8 est alors activé et permet de traiter le méthane désorbé. Lorsque la purge du moyen de stockage 11 est terminée, le calculateur 9 du véhicule arrête le fonctionnement du réacteur plasma 7 et stoppe, le cas échéant, le contrôle moteur.
25 Selon un autre mode de réalisation, le réacteur plasma 7 peut être couplé au moyen de stockage 11 et au moyen catalytique 8 pour ne former qu'un seul volume. Le procédé de traitement du méthane se fait alors sans l'étape de désorption thermique : ce sont les espèces générées par le plasma qui vont directement réagir avec le méthane 30 adsorbé. On traite ainsi de manière séquentielle le méthane émis par le moteur 2, par alternance de phases de stockage et de purge du moyen de stockage 11.
2909707 11 Pour les deux modes de réalisation, le réacteur plasma 7 peut également être disposé en dehors de la ligne d'échappement 1. Dans ce cas, le réacteur plasma est monté dans un circuit de circulation d'un gaz, par exemple de l'air, indépendant de la ligne d'échappement 1.
5 Les espèces oxydantes générées par le réacteur plasma sont alors acheminées vers le moyen catalytique en parallèle des gaz d'échappement. Les modes de réalisation précédents peuvent s'appliquer à tout type de combustion diesel ou essence, et à tout mode de combustion 10 comme par exemple les combustions HCCI (en anglais : homogeneous charge compression ignition ), PCCI (en anglais premixed charge compression ignition ), GDI (en anglais : gasoline direct ignition ), NADI (en anglais : narrow angle direct injection ) ou encore CAI (en anglais : controlled auto-ignition ).
15 En d'autres termes, le dispositif selon l'invention permet d'abaisser la température de conversion du méthane. En particulier, le méthane peut être oxydé dès les faibles températures, en moyenne inférieures à 350 C, et à des forts débits pouvant aller jusqu'à 300kg/heure. On obtient ainsi par exemple une conversion supérieure à 20 50% dès 200 C pour une puissance fournie de 13,5 watts. De plus, l'invention peut aussi s'appliquer aux hydrocarbures dont l'oxydation à basse température est difficile et dont la teneur dans les gaz d'échappement est faible.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de traitement (6) du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne (2), caractérisé en ce qu'il comprend : - un réacteur plasma (7) comprenant au moins deux électrodes alimentées par des moyens électriques et capable de produire un plasma, et - un moyen catalytique (8) capable de traiter du méthane, le moyen catalytique (8) étant monté de manière à être en contact avec au moins une partie du plasma produit par le réacteur plasma (7) et avec au moins une partie du méthane émis par le moteur à combustion interne (2).
2. Dispositif (6) selon la revendication 1 dans lequel le moyen catalytique (8) comprend un catalyseur choisi parmi les métaux de transition, les pérovskites et les spinelles.
3. Dispositif (6) selon la revendication 2 dans lequel le catalyseur est choisi parmi le platine, le palladium et le rhodium.
4. Dispositif (6) selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le moyen catalytique (8) comprend un catalyseur disposé sur un support tel que de l'alumine, une zircone, des terres rares, des composés alcalins, des oxydes de terres rares ou encore des composés alcalino-terreux.
5. Dispositif (6) selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le réacteur plasma (7) comprend un matériau diélectrique placé entre les deux électrodes.
6. Dispositif (6) selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le réacteur plasma (7) est monté en contact avec le moyen catalytique (8).
7. Dispositif (6) selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant également un moyen de stockage (11) adapté à adsorber du 2909707 13 méthane émis par le moteur à combustion interne (2) et adapté à désorber thermiquement le méthane adsorbé, le moyen catalytique (8) étant monté de manière à être en contact avec au moins une partie du méthane désorbé par le moyen de stockage (11). 5
8. Procédé de traitement du méthane contenu dans les gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de formation d'un plasma, et - une étape de traitement du méthane comprenant la mise en contact 10 d'au moins une partie du plasma formé et d'au moins une partie du méthane émis par le moteur à combustion avec un moyen catalytique (8).
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le moyen catalytique (8) comprend un catalyseur choisi parmi les métaux de 15 transition, les pérovskites et les spinelles.
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel le catalyseur est choisi parmi le platine, le palladium et le rhodium.
11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10 comprenant, : - avant l'étape de formation d'un plasma, une étape d'adsorption dans 20 un moyen de stockage (11), de méthane émis par le moteur à combustion interne, et -avant l'étape de traitement du méthane, une étape de désorption thermique du méthane adsorbé dans le moyen de stockage (11).
12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel, dans l'étape 25 de désorption thermique du méthane adsorbé dans le moyen de stockage (11), on élève la température des gaz d'échappement jusqu'à une valeur de température égale ou supérieure à la température de désorption du méthane par le moyen de stockage (11).
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