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FR2939472A3 - Systeme de post-traitement des gaz d'echappement presentant un revetement interieur en zeolithe - Google Patents

Systeme de post-traitement des gaz d'echappement presentant un revetement interieur en zeolithe Download PDF

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FR2939472A3
FR2939472A3 FR0806895A FR0806895A FR2939472A3 FR 2939472 A3 FR2939472 A3 FR 2939472A3 FR 0806895 A FR0806895 A FR 0806895A FR 0806895 A FR0806895 A FR 0806895A FR 2939472 A3 FR2939472 A3 FR 2939472A3
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FR
France
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layer
zeolite
aftertreatment system
impregnation
exhaust
Prior art date
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Withdrawn
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FR0806895A
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English (en)
Inventor
Patrick Matos
Andres Felipe Villegas
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Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
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Abstract

L'invention concerne un système de post-traitement des gaz d'échappement (1) de moteur à combustion interne, comportant une structure (5) définissant une pluralité de conduits d'écoulement de gaz d'échappement, et une couche d'imprégnation recouvrant les parois des conduits d'écoulement. Selon l'invention, le système de post-traitement comporte une couche de zéolithe qui recouvre au moins en partie les parois des conduits de ladite structure.

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le traitement des gaz d'échappement rejetés par les moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un système de post-traitement des gaz d'échappement de moteur à combustion interne, comportant une structure définissant une pluralité de conduits d'écoulement de gaz d'échappement, et une couche d'imprégnation recouvrant les parois des conduits d'écoulement. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation de catalyseurs trois voies, de catalyseurs d'oxydation, de pièges à oxydes d'azote, de filtres à particules... La couche d'imprégnation sera préférentiellement catalytique. Elle pourra toutefois ne pas l'être dans le cas d'un filtre à particules. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant un bloc-moteur équipé de cylindres, une ligne d'admission d'air frais dans les cylindres du bloc-moteur et une ligne d'échappement des gaz d'échappement équipée d'un tel système de post-traitement des gaz d'échappement. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les convertisseurs catalytiques utilisés pour réduire les émissions polluantes des moteurs fonctionnent de manière optimale sur une plage de températures comprise entre 150 et 250 degrés Celsius. Ils présentent donc des performances fortement réduites à température ambiante, juste après le démarrage du moteur ou pendant les phases froides du moteur. En conséquence, la majeure partie des polluants non traités est rejetée hors du moteur dans les minutes qui suivent la phase de démarrage.
L'une des solutions pour améliorer l'efficacité des systèmes de post-traitement est d'augmenter la quantité de métaux précieux ou d'augmenter les volumes de ces systèmes. Néanmoins, étant donné le prix élevé des matériaux précieux utilisés dans les systèmes de post-traitement, par exemple celui des métaux précieux, il est difficile de limiter le phénomène de rejets de polluants à froid par ce biais. En outre, une telle augmentation de volume et/ou de quantité de métaux précieux n'est généralement pas suffisante pour correctement traiter les gaz d'échappement pendant les phases froides du moteur. Il est alors connu d'élever artificiellement la température des gaz d'échappement au démarrage du moteur afin de limiter ces émissions à froid (par exemple par des stratégies de chauffe). Par ailleurs, pour des applications de type régénération du filtre à particules dans les moteurs Diesel, nécessitant une température élevée pour la combustion des suies, il est aussi connu d'augmenter la température des gaz entrant dans le filtre à particules en générant une post-injection de carburant soit dans la chambre de combustion, soit directement dans la ligne d'échappement du moteur. Ce surplus de carburant est oxydé au sein du catalyseur d'oxydation placé en amont du filtre à particules, ce qui entraîne alors une élévation très rapide de la température des gaz d'échappement et permet ainsi d'amorcer la régénération des suies. Ces méthodes génèrent toutefois une surconsommation en carburant et provoquent un accroissement des émissions de dioxyde de carbone. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une nouvelle imprégnation permettant de favoriser le réchauffement du système de post-traitement. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un système de post-traitement des gaz d'échappement tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu une couche de zéolithe qui recouvre au moins en partie les parois des conduits de ladite structure. Cette zéolithe est du type adaptée à générer une exothermicité par adsorption d'eau . C'est en l'espèce un minéral alumino-silicaté dont le réseau cristallin possède des cavités volumineuses dans lesquelles peuvent se loger de nombreuses molécules d'eau. L'adsorption d'eau par la zéolithe s'accompagne d'une libération de chaleur. Une forte chaleur reçue par la zéolithe permet ensuite la désorption de cette eau. Le cycle adsorption/désorption peut être renouvelé indéfiniment. Cette propriété permet donc à la zéolithe de produire de la chaleur selon le principe de la pompe à chaleur.
Ainsi, une simple injection d'eau sur la couche de zéolithe ou l'adsorption de l'eau contenue dans les gaz d'échappement permet d'élever la température de la couche d'imprégnation lors du démarrage du moteur ou pendant les phases froides de son fonctionnement. Cela permet ainsi de chauffer rapidement le système de post-traitement des gaz d'échappement : on pourra ainsi amorcer les convertisseurs catalytiques type catalyseur d'oxydation, catalyseur trois voies, piège à oxydes d'azote, catalyseur SCR, afin d'éviter que dans les minutes qui suivent son démarrage ou pendant les phases froides, le moteur ne génère une pollution importante. La régénération des suies dans le cas du filtre à particules (catalysé ou non) est également favorisée.
Grâce à sa disposition dans le système de post-traitement des gaz d'échappement, la couche de zéolithe génère en outre un encombrement et un poids très réduits.
Dans le cas où le système de post-traitement est un filtre à particules non catalysé, la couche d'imprégnation peut être formée par le substrat lui-même. La zéolithe permet alors de maintenir sa température à une valeur élevée, de manière à favoriser la régénération des particules.
D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du système de post-traitement des gaz d'échappement conforme à l'invention sont les suivantes : - la couche d'imprégnation est une couche d'imprégnation catalytique ; - la couche d'imprégnation comporte un mélange de métaux précieux, dont le platine et/ou le palladium et/ou le rhodium et/ou l'or, et d'oxydes métalliques, dont l'alumine et/ou la cérine et/ou le zircone ; - les couches de zéolithe et d'imprégnation sont confondues ; - les couches de zéolithe et d'imprégnation sont superposées, la couche de zéolithe étant située en dessous de la couche d'imprégnation ; - les couches de zéolithe et d'imprégnation sont superposées, la couche 15 de zéolithe étant située au-dessus de la couche d'imprégnation ; - les couches de zéolithe et d'imprégnation sont en contact direct ; - il est prévu une seconde couche de zéolithe située sous la première couche de zéolithe ; - la seconde couche de zéolithe présente une température d'adsorption 20 d'eau supérieure à la température d'adsorption d'eau de la première couche de zéolithe ; et - la structure est en nid d'abeille, est réalisée en céramique et est logée dans une enveloppe en acier inoxydable. L'invention concerne également un moteur à combustion interne 25 comportant un bloc-moteur équipé de cylindres, une ligne d'admission d'air frais dans les cylindres du bloc-moteur et une ligne d'échappement des gaz d'échappement équipée d'un tel système de post-traitement des gaz d'échappement. Ce moteur pourra avantageusement comporter des moyens d'injection 30 d'eau dans la ligne d'échappement, en amont du système de post-traitement des gaz d'échappement. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et 35 comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention, - la figure 2 est une vue de détail de la zone Il de la figure 1, dans laquelle le système de post-traitement des gaz d'échappement comporte une simple couche de zéolithe, et - la figure 3 est une vue de détail de la zone II de la figure 1, dans laquelle le système de post-traitement des gaz d'échappement comporte deux couches de zéolithe superposées. L'invention s'applique à tout type de moteur à combustion interne rejetant des éléments polluants à traiter, et plus précisément à tout type de moteur à combustion interne à allumage par compression (Diesel). En amont des cylindres, le moteur à combustion interne comporte une ligne d'admission qui prélève de l'air frais dans l'atmosphère et qui amène et répartit cet air frais dans chacun des cylindres du bloc-moteur. Cette ligne d'admission est équipée d'une vanne de régulation du débit d'air frais.
En sortie des cylindres, le moteur à combustion interne comporte une ligne d'échappement de gaz d'échappement qui collecte les gaz d'échappement qui sortent de chacun des cylindres et qui les évacue dans l'atmosphère après les avoir traités et filtrés. Cette ligne d'échappement est à cet effet équipée d'au moins un convertisseur(s) catalytique(s) adapté(s) à traiter les éléments polluants provenant de la combustion du mélange d'air frais et de carburant dans les cylindres. Ici, la ligne d'échappement comporte, d'une part, un catalyseur d'oxydation pour traiter les hydrocarbures imbrûlés HC et le monoxyde de carbone CO contenus dans les gaz d'échappement, et, d'autre part, un filtre à particules pour capter les particules solides en suspension dans ces gaz. En variante, elle pourrait comporter un piège à oxydes d'azote NOx ( Nox-Trap ou catalyseur SCR), ou tout autre type de convertisseur catalytique tel qu'un convertisseur trois voies pour traiter les hydrocarbures imbrûlés HC, les oxydes d'azote NOx et le monoxyde de carbone CO dans le cas d'un moteur à allumage commandé. Le moteur à combustion interne comporte par ailleurs une ligne de recirculation des gaz d'échappement (également appelée ligne EGR) qui prend naissance dans la ligne d'échappement, qui débouche dans la ligne d'admission et qui est équipée d'une vanne de régulation du débit de gaz d'échappement.
Il comporte également des injecteurs de carburant qui débouchent dans les cylindres du moteur à combustion interne ou, en variante, en amont des cylindres, dans la ligne d'admission.
Il comporte enfin une unité de pilotage adaptée à piloter les différents organes du moteur, en particulier ici les vannes de régulation des débits de gaz d'échappement et d'air frais ainsi que les injecteurs de carburant. Sur la figure 1, on a représenté l'un des convertisseurs catalytiques de la ligne d'échappement, à savoir ici son catalyseur d'oxydation. Ce système de post-traitement 1 comporte une enveloppe cylindrique 2 en acier inoxydable présentant des extrémités coniques pourvues d'ouvertures d'entrée 3 et de sortie 4 des gaz d'échappement. Cette enveloppe cylindrique 2 accueille intérieurement une structure en nid d'abeille 5, réalisée en céramique. Cette structure en nid d'abeille 5 définit une pluralité de conduits rectilignes 10 le long desquels s'écoulent les gaz d'échappement. Le nombre et la taille de ces conduits rectilignes 10 sont prévus pour limiter les pertes de charge induites par la présence du système de post-traitement 1 dans la ligne d'échappement.
Classiquement, les parois des conduits rectilignes 10 sont intégralement recouvertes d'une couche d'imprégnation 7, préférentiellement catalytique pour oxyder les éléments polluants contenus dans les gaz d'échappement. Ici, cette couche d'imprégnation catalytique 7 est formée par un mélange de métaux précieux (platine Pt, palladium Pd, rhodium Rh et or Au) et d'oxydes métalliques (alumine Al203, cérine CeO2 et zircone ZrO2). En variante, cette couche d'imprégnation catalytique pourrait bien sûr être formée de matériaux autres. La couche d'imprégnation catalytique 7 présente une température seuil Ts, généralement comprise entre 150 et 250 degrés Celsius, en dessous de laquelle elle présente une efficacité très fortement réduite. Pour forcer la montée rapide en température de la couche d'imprégnation catalytique 7 au-dessus de cette température seuil Ts, le système de post-traitement 1 comporte, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, une couche de zéolithe 6 qui recouvre au moins partiellement les parois des conduits rectilignes 10 de la structure en nid d'abeille 5. Comme le montre la figure 2, cette couche de zéolithe 6 recouvre ici intégralement les parois de l'ensemble des conduits rectilignes 10 de la structure en nid d'abeille 5. En variante, on pourrait prévoir qu'elle ne recouvre qu'une partie des parois des conduits de la structure. Elle pourrait par exemple ne recouvrir que les parties amont de ces parois, c'est-à-dire les parties situées à proximité de l'entrée du système de post-traitement.
Quoi qu'il en soit, lorsqu'elle est arrosée d'eau, la couche de zéolithe 6 libère de la chaleur, ce qui permet de chauffer la couche d'imprégnation catalytique 7. Cette eau se trouve naturellement dans les gaz d'échappement qui traversent les conduits rectilignes 10 de la structure en nid d'abeille 5 du système de post-traitement 1. Toutefois, pour permettre de réchauffer plus rapidement la couche d'imprégnation catalytique 7, le moteur à combustion interne comporte ici des moyens supplémentaires d'injection d'eau dans la ligne d'échappement (non représentés), en amont du système de post-traitement 1. Ces moyens d'injection d'eau pourront par exemple comporter un réservoir d'eau sous pression, raccordé à un injecteur débouchant dans l'ouverture d'entrée 3 du système de post-traitement 1. De tels moyens d'injection pourront ainsi permettre d'arroser la couche de zéolithe 6 au démarrage du moteur, ou pendant les phases froides de son fonctionnement. Les couches de zéolithe 6 et d'imprégnation catalytique 7 peuvent être soit confondues, soit superposées. Telles que représentées sur la figure 2, les couches de zéolithe 6 et d'imprégnation catalytique 7 sont superposées et la couche de zéolithe 6 est située sous la couche d'imprégnation catalytique 7. Bien sûr, selon une variante non représentée, on pourrait prévoir que la couche de zéolithe soit située sur la couche d'imprégnation catalytique. La couche d'imprégnation catalytique 7 est ainsi directement au contact des gaz d'échappement, ce qui lui permet d'oxyder efficacement les éléments polluants contenus dans ces gaz. Elle est ici réalisée pour être perméable à l'eau, de manière que l'eau puisse atteindre la couche de zéolithe 6. La couche de zéolithe 6 est par ailleurs au contact direct de la d'imprégnation catalytique 7, de manière à pouvoir réchauffer efficacement cette dernière lorsqu'elle reçoit de l'eau.
Il existe diverses sortes de zéolithes. La zéolithe utilisée dans le système de post-traitement 1 est ici choisie pour avoir une température d'adsorption d'eau très basse, préférentiellement proche de 0 degré Celsius. Elle peut ainsi libérer de la chaleur très tôt après le démarrage du moteur ou lors de son fonctionnement à froid. Elle est en outre choisie pour chauffer la couche d'imprégnation catalytique 7 à une température supérieure à 100 degrés, préférentiellement égale à 200 degrés. Elle est enfin choisie pour libérer la vapeur d'eau qu'elle a accumulée lorsque la température de la couche d'imprégnation catalytique 7 devient élevée, préférentiellement supérieure à 200 degrés Celsius. Une zéolithe répondant à ces caractéristiques présentera préférentiellement un rapport silicium sur Aluminium (Si/AI) faible, afin qu'elle soit hydrophile et qu'elle puisse adsorber une quantité élevée d'eau (par exemple une zéolithe A, X, Y, etc ...). En fonctionnement, l'unité de pilotage commande les moyens d'injection d'eau de la manière suivante. Au démarrage du moteur à combustion interne ou lors de son fonctionnement à froid, l'unité de pilotage relève la température des gaz d'échappement. Tant que cette température reste inférieure à la température seuil Ts, l'unité de pilotage commande l'injection d'eau dans le système de post-traitement 1. Cette eau traverse alors la couche d'imprégnation catalytique 7 et vient se loger dans les cavités du réseau cristallin de la zéolithe, ce qui a pour effet de produire de la chaleur qui réchauffe la couche d'imprégnation catalytique 7. La montée en température de cette couche d'imprégnation catalytique 7 est rapide, si bien que les éléments polluants contenus dans les gaz d'échappement commencent à être efficacement traités très tôt après le démarrage du moteur ou pendant les phases froides.
Puis, lorsque la température de la couche d'imprégnation catalytique 7 dépasse la température seuil Ts, l'unité de pilotage du moteur stoppe l'injection d'eau. Le moteur continuant de chauffer, l'eau contenue dans la zéolithe s'échappe des cavités de son réseau cristallin et se mêle aux gaz d'échappement rejetés dans l'atmosphère.
Puis, lorsque la température des gaz d'échappement repasse sous la température seuil Ts, par exemple parce que le moteur fonctionne à bas régime, l'unité de pilotage commande à nouveau l'injection d'eau dans les gaz d'échappement. Cette injection permet de maintenir la couche d'imprégnation catalytique 7 à une température aussi élevée que possible. Cette injection est particulièrement avantageuse lorsque le moteur se trouve dans une phase de régénération active de son filtre à particules. Cette phase de régénération active consiste, lorsque le filtre à particules est encombré d'une grande quantité de particules solides, à injecter un excédent de carburant dans les cylindres ou directement dans la ligne d'échappement, ce qui entraîne une phase d'oxydation exothermique du carburant dans le catalyseur d'oxydation ou directement dans le filtre à particules catalysé. Les gaz d'échappement sortent alors du catalyseur d'oxydation avec une température très élevée (500 à 650 degrés Celsius) et entrent dans le filtre à particules en brûlant la majorité des particules solides qui remplissent ce dernier. On comprend que le maintien de la couche d'imprégnation catalytique 7 à très haute température du système de post-traitement des gaz d'échappement permet ainsi de continuer la régénération du filtre, même si le régime du moteur baisse. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. En particulier, comme le montre la figure 3, le système de post-traitement 1 peut comporter une seconde couche de zéolithe 8 située sous la première couche de zéolithe 6. Préférentiellement, cette second couche 8 est réalisée avec une zéolithe d'un type différent de celle utilisée dans la première couche 6, de manière que la seconde couche de zéolithe 8 présente une température d'adsorption d'eau supérieure à celle de la première couche de zéolithe 6. Ainsi, au démarrage du moteur, lorsque l'unité de pilotage commande l'injection d'eau dans le système de post-traitement 1, l'eau ne vient se loger que dans les cavités du réseau cristallin de la zéolithe de la première couche 6. Cette première couche génère alors de la chaleur et réchauffe ainsi non seulement la couche d'imprégnation catalytique 7 mais aussi la seconde couche de zéolithe 8. Puis, la température croissant, la zéolithe de la première couche 6 cesse de produire de la chaleur et commence à rejeter de la vapeur d'eau. Une partie de cette vapeur d'eau s'échappe dans les gaz d'échappement tandis que la partie restante entre dans la zéolithe de la seconde couche 8 et amorce cette dernière.
La seconde couche de zéolithe 8 produit ainsi à son tour de la chaleur. En résumé, ces deux couches distinctes de zéolithe 6, 8 permettent de produire de la chaleur sur une plage de température plus vaste.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) de moteur à combustion interne, comportant une structure (5) définissant une pluralité de conduits (10) d'écoulement de gaz d'échappement, et une couche d'imprégnation (7) recouvrant les parois des conduits (10) d'écoulement, caractérisé en ce qu'il comporte une couche de zéolithe (6) qui recouvre au moins en partie les parois des conduits de ladite structure (5).
  2. 2. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon la revendication précédente, dans lequel la couche d'imprégnation (7) est une couche d'imprégnation catalytique.
  3. 3. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon la revendication précédente, dans lequel la couche d'imprégnation (7) comporte un mélange de métaux précieux, dont le platine (Pt) et/ou le palladium (Pd) et/ou le rhodium (Rh) et/ou l'or (Au), et d'oxydes métalliques, dont l'alumine (AI2O3) et/ou la cérine (CeO2) et/ou le zircone (ZrO2).
  4. 4. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les couches de zéolithe (6) et d'imprégnation (7) sont confondues.
  5. 5. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les couches de zéolithe (6) et d'imprégnation (7) sont superposées, la couche de zéolithe (6) étant située en dessous de la couche d'imprégnation (7).
  6. 6. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les couches de zéolithe et d'imprégnation sont superposées, la couche de zéolithe étant située au-dessus de la couche d'imprégnation.
  7. 7. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel les couches de zéolithe (6 ;
  8. 8) et d'imprégnation (7) sont en contact direct. 8. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu une seconde couche de zéolithe (8) située sous la première couche de zéolithe (6).
  9. 9. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon la revendication précédente, dans lequel la seconde couche de zéolithe (8) présente une température d'adsorption d'eau supérieure à la température d'adsorption d'eau de la première couche de zéolithe (6).
  10. 10. Système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la structure (5) est en nid d'abeille, est réalisée en céramique et est logée dans une enveloppe (2) en acier inoxydable.
  11. 11. Moteur à combustion interne comportant un bloc-moteur équipé de cylindres, une ligne d'admission d'air frais dans les cylindres du bloc-moteur et une ligne d'échappement de gaz d'échappement hors des cylindres, caractérisé en ce que la ligne d'échappement est équipée d'un système de post-traitement des gaz d'échappement (1) selon l'une des revendications précédentes.
  12. 12. Moteur à combustion interne selon la revendication précédente, dans lequel il est prévu des moyens d'injection d'eau dans la ligne d'échappement, en amont du système de post-traitement des gaz d'échappement (1).
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