FR3041032A1 - Dispositif de post-traitement des gaz d’echappement d’un moteur a combustion - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1) qui comporte: • un organe catalyseur d'oxydation DOC (2) ou un organe piège à NOx LNT ; • une embouchure d'un moyen d'introduction (6) de réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote SCR ; • des moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d'azote, lesdits moyens comprenant : - un organe de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d'azote NOx (3) dédié ; et/ou - un revêtement de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d'azote NOx sur un organe filtre à particules (4); • l'organe filtre à particules (4) ; • des moyens de traitement des fuites d'ammoniac (5) ASC par oxydation de l'ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote, lesdits moyens comportant n revêtement(s) catalytique(s) et intégrant également un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx.

Description

DISPOSITIF DE POST-TRAITEMENT DES GAZ D’ECHAPPEMENT

D’UN MOTEUR A COMBUSTION

[001] L’invention est relative à des moyens de traitement des polluants des gaz d’échappement des moteurs à combustion.

[002] Les émissions polluantes des moteurs à combustion équipant les véhicules automobiles sont réglementées par des normes. Les polluants réglementés sont, selon la technologie de moteur à combustion considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d’azotes (NOx, c’est-à-dire NO et N02) et les particules (PM), qui sont formés lors de la combustion du carburant dans la chambre de combustion puis émis à l’échappement.

[003] Il est connu d’employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d’échappement des moteurs à combustion pour en limiter les émissions de polluants réglementés. Un catalyseur d’oxydation permet le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d’azote ; un filtre à particules peut être employé pour le traitement des particules de suie.

[004] On désigne de manière générale ce type de dispositif par le terme de dispositif de « post-traitement » des gaz d’échappement.

[005] Pour satisfaire aux normes anti-pollution sur les émissions d’oxydes d’azote (NOx), un système spécifique de post-traitement peut être introduit dans la ligne d’échappement des véhicules, notamment des véhicules équipés de moteurs Diesel. Pour le traitement des oxydes d’azote (NOx), on connaît des technologies de réduction catalytique sélective, ou « SCR » pour « Sélective Catalytic Réduction » en anglais, qui consistent à réduire les NOx par introduction d’un agent réducteur (ou d’un précurseur d’un tel agent réducteur) dans les gaz d’échappement par réactions catalysées. Il peut par exemple s’agir d’une solution d’urée, dont la décomposition va permettre l’obtention d’ammoniac qui servira d’agent réducteur, mais également d’un réducteur ou d’un précurseur d’un tel réducteur sous forme gazeuse. On parlera dans la suite du présent document d’une manière générale de « réducteur » pour désigner un agent réducteur ou un précurseur d’agent réducteur.

[006] L’agent réducteur généré permet de réduire les oxydes d’azotes par réaction dans un catalyseur SCR, c'est-à-dire un substrat portant une imprégnation catalytique apte à favoriser la réduction des NOx par l’agent réducteur.

[007] Les normes européennes, notamment, tendent à devenir de plus en plus sévères. Et les solutions pour réduire les émissions de polluants en sortie de ligne d’échappement pour respecter les normes actuelles se révéleront insuffisantes au vu des évolutions de normes prévues au-delà de 2017.

[008] En effet, la première étape de la norme, Euro 6b (entrée en vigueur en septembre 2014) a conduit les constructeurs automobiles à choisir entre différentes options pour réduire plus spécifiquement les émission de NOx : - la réduction des NOx « à la source », au niveau du fonctionnement même du moteur, via des technologies de type recyclage des gaz d’échappement dans le moteur, recyclage appelé aussi technologie EGR selon l’acronyme du terme anglais correspondant à « Exhaust Gas Recirculation » haute et basse pression, par exemple ; - la réduction des NOx au niveau de la ligne d’échappement via une technologie de traitement catalytique séquentiel appelée « piège à NOx » ; - la réduction des NOx au niveau de la ligne d’échappement également, via une technologie de traitement continu appelée « réduction catalytique sélective » telle que brièvement décrite plus haut (SCR) ; voire en cumulant plusieurs de ces solutions.

[009] Si ces solutions permettent de satisfaire cette première étape dans l’évolution de la norme (Euro6b), elles ne sont pas forcément capables de satisfaire la seconde étape qui s’annonce encore plus sévère (Euro 6c, entrée en vigueur prévue en septembre 2017), avec des mesures de polluants sur un nouveau cycle de roulage dit « WLTC » (pour «Worldwide Harmonized Light vehicles Test Cycle » en anglais, soit cycle de test harmonisé pour véhicules légers en français), contenant plus de phases transitoires que le cycle d’homologation actuel (dit « MVEG » pour Motor Vehicle Emissions Group en anglais, soit groupe d’émissions pour véhicules motorisés en français), mais aussi des mesures hors cycle (appelées « RDE » pour Real Driving Emission ou émissions en conditions réelles de conduite) devraient être instaurées.

[0010] Pour répondre notamment aux risques d’émissions trop élevées de NOx hors cycle, différentes solutions technologiques et architectures peuvent être envisagées. Elles ont leurs avantages et leurs inconvénients. Mais la technologie de traitement des oxydes d’azote la plus efficace est la réduction catalytique sélective (SCR) car elle est efficace dans des plages de température et de débit de gaz plus étendues que celles d’un piège à NOx, l’autre solution de post-traitement.

[0011] Par ailleurs, s’ajoutent des contraintes d’implantation du dispositif de posttraitement. En effet, de façon générale, les systèmes catalytiques utilisés sont d’autant plus efficaces que la température des gaz d’échappement qui les traversent est élevée (jusqu’à un certain point). Ils s’amorceront alors d’autant plus vite après le démarrage du moteur que la température des gaz d’échappement augmente rapidement. On a donc intérêt à implanter les dispositifs de post-traitement au plus près du moteur, c’est-à-dire au plus près du collecteur des gaz d’échappement, sous capot, alors même que cet environnement est en général très encombré. Les dispositifs de post-traitement se doivent donc d’être aussi compacts que possible sans nuire à leurs performances.

[0012] Dans tout le présent texte, on comprend les termes « amont» et « aval » en fonction de la direction générale d’écoulement des gaz d’échappement dans la ligne d’échappement intégrant les organes de post-traitement, depuis le moteur jusqu’à la canule d’extrémité de la ligne d’échappement.

[0013] Il est, par exemple, connu de la demande de brevet WO 2011/089330 un dispositif de post-traitement regroupant dans une même enveloppe plusieurs organes qui vont être successivement traversés par les gaz d’échappement. Il y est proposé, notamment, une série d’organes comprenant d’amont en aval : - un catalyseur d’oxydation, - un injecteur d’agent réducteur de type urée, - un mélangeur dont le rôle est de mélanger intimement les gouttelettes d’urée injectées dans l’enveloppe traversée par les gaz, de façon à se décomposer en ammoniac de manière aussi homogène que possible sur toute la section droite de l’enveloppe, - un organe SCR, - un filtre à particules (appelé FAP par la suite). Il y est également proposé une alternative, consistant à remplacer l’organe SCR et le FAP, par un FAP qui est imprégné d’un catalyseur de réduction des NOx et qui remplit ainsi à la fois la fonction de filtre des suies et de réduction des NOx (appelé SCRF par la suite).

[0014] En outre, des contraintes supplémentaires apparaissent quand le véhicule automobile est un véhicule dit « lourd » (plus de 1500 kg), qu’il soit un véhicule pour particulier ou de type utilitaire. En effet, dans les mêmes conditions de roulage qu’un véhicule moins lourd, le véhicule « lourd » aura des conditions de température plus élevées à l’échappement à gérer, et des quantités plus importantes à traiter de NOx générés dans le moteur. Pour compenser ces émissions de NOx plus élevées, les quantités d’agent réducteur à injecter dans la ligne d’échappement (par exemple de l’urée se décomposant en ammoniac) devront être plus importantes aussi, puisque ces quantités sont dictées par la stœchiométrie des réactions de NOx par l’ammoniac. Les températures plus élevées des gaz en sortie moteur favorisent par ailleurs la thermo-désorption de l’ammoniac stocké dans les organes SCR (et/ou SCRF), et peuvent en outre contribuer à la dégradation de leurs phases catalytiques actives pouvant induire une diminution de leur capacité de stockage en ammoniac. La conjugaison de températures plus élevées et d’une quantité plus importante d’urée (ou d’ammoniac) à injecter sur la ligne induit un risque accru d’émissions d’ammoniac qui n’aurait pas réagi en bout de ligne d’échappement. Or les fuites d’ammoniac en bout de ligne d’échappement sont malodorantes, et peuvent incommoder, notamment si le véhicule est dans un espace confiné de type parking fermé.

[0015] L’invention a alors pour but de concevoir un post-traitement des gaz d’échappement de moteur thermique qui remédie aux inconvénients précités. Elle a notamment pour but d’améliorer les dispositifs existants pour permettre de respecter des normes plus sévères en matière d’émissions de polluants, et plus particulièrement concernant les émissions de NOx dans des conditions de roulage non stabilisées du type roulage urbain et/ou dans une plage de températures élargies, tout en limitant au maximum d’éventuelles fuites d’agent réducteur des NOx non réagi en bout de ligne d’échappement. Avantageusement, elle a aussi pour but d’obtenir un dispositif de posttraitement plus performant et qui reste, en outre, compact.

[0016] L’invention a tout d’abord pour objet un dispositif de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion, qui comporte, d’amont en aval : - un organe catalyseur d’oxydation DOC ou un organe piège à NOx LNT ; - une embouchure d’un moyen d’introduction de réducteur ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote SCR ; - des moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote, lesdits moyens comprenant : > un organe de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote NOx (6) dédié, et/ou > un revêtement de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx sur un organe filtre à particules ; - l’organe filtre à particules ; - des moyens de traitement des fuites d’ammoniac (dit ASC) par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote, lesdits moyens comportant n revêtement(s) catalytique(s) et intégrant également un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx (dit PNA), qui est dans un revêtement dédié ou qui est incorporé dans le ou un des n revêtements.

[0017] «ASC» est l’acronyme anglais du terme « Ammonia Slip Catalyst » ou catalyseur des fuites en ammoniac en français.

[0018] L’invention propose donc d’améliorer les moyens de traitement des fuites d’ammoniac et leur ajoutant une fonction d’adsorbeur passif des NOx.

[0019] Ainsi, de par leur fonction première, ces moyens de traitement sont capables de piéger l’ammoniac en excès en bout de ligne d’échappement, et d’éviter qu’il ne soit donc relargué. Le traitement de l’ammoniac se fait généralement en deux étapes, avec, dans un mode de réalisation le plus répandu, un empilement de deux couches : - la couche supérieure (celle qui est en contact avec les gaz d’échappement), qui correspond à un revêtement catalytique de type SCR et opère une réduction, et - la couche inférieure (celle qui est en contact avec les parois du substrat contient des métaux (déposés sur alumine par exemple), qui opère une oxydation. Le fonctionnement de l’organe ASC est le suivant : l’ammoniac résiduel pénètre dans la couche supérieure et se stocke dans cette couche en partie. Le reste de l’ammoniac traverse cette couche supérieure et pénètre dans la couche inférieure dont les métaux précieux (Pd par exemple) favorisent l’oxydation de l’ammoniac NH3 en NOx. Lorsque les NOx ressortent du revêtement catalytique SCR, ils repassent nécessairement par la couche supérieure où est stocké le NH3. La réaction de réduction des NOx par le NH3 peut alors avoir lieu. Les NOx sont ainsi convertis en azote (N2) avant de ressortir de ce catalyseur.

[0020] Cependant, si, dans le principe, ces moyens de traitement de NH3 sont efficaces, dans la pratique ils ne garantissent pas nécessairement un traitement suffisant de l’ammoniac résiduel pour que les émissions de NH3 en bout de ligne restent en dessous du niveau décelable, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur.

[0021] L’invention propose donc d’ajouter un matériau adsorbeur passif des NOx, dont l’acronyme usuel anglais est PNA pour « Passive NOx Adsorber » à ces moyens de traitement de NH3 résiduel. Ce type de matériau PNA présente la capacité d’adsorber des NOx dans une certaine gamme de températures (typiquement jusqu’à 150 ou 200°C), et de les désorber au-delà. Il est ainsi connu de le placer dans un dispositif de posttraitement des gaz d’échappement en amont d’un organe SCR, de façon à stocker temporairement les NOX au démarrage du moteur (quand les gaz d’échappement sont encore « froids ») pour attendre que l’organe SCR devienne efficace (quand les gaz d’échappement deviennent suffisamment chauds, par exemple à partir de 200 ou 300°C). Les NOx stockés « à froid » dans le PNA sont ensuite traités « à chaud » par l’organe SCR.

[0022] Mais la présente invention en fait un usage différent, puisque le PNA est ici disposé à l’extrémité aval du dispositif de post-traitement, en aval de l’organe SCR donc, et qu’il est en outre intégré au dispositif de traitement des NH3 résiduels, ce qui a des effets très bénéfiques, conjointement vis-à-vis des NOx et vis-à-vis du NH3 résiduel. En effet, avec cette configuration, les NOx qui restent/resteraient présents dans les gaz d’échappement en partie aval du dispositif de post-traitement peuvent être stockés dans le matériau PNA, et être ainsi disponibles pour réagir avec le NH3 résiduel des gaz d’échappement qui entre dans les moyens de traitement du NH3 ou qui est déjà stocké dans la couche SCR. Le PNA contribue ainsi à éliminer à la fois les NOx résiduels et les NH3 résiduels. Contrairement aux pièges à NOx de type LNT évoqués plus haut, il ne nécessite pas de passages périodiques d’un régime moteur pauvre à un régime moteur riche. Il fonctionne (adsorption/désorption des NOx) uniquement en fonction de la température. En choisissant de façon appropriée la température de désorption des NOx du PNA et celle de NH3de la couche SCR, on peut avoir une réaction optimale pour les traiter simultanément. On augmente significativement la sélectivité de la conversion de NH3 en N2 en présence de NOx, existante déjà dans les dispositifs de traitement de NH3 résiduel connus.

[0023] Globalement, on peut noter que les quatre réactions principales dans un ASC sont les suivantes (exprimées de façon non stoechiométrique) : NH3 + 02 ~) N2 (réaction majeure) NH3 + 02 ~) N20 (réaction à éviter/limiter) NH3 + 02 --) NOx (réaction présente) NH3 + NOx ~) N2 (réaction présente) [0024] Le terme « Passive NOx Adsorber >> est à comprendre dans l’invention de façon large, pour désigner la fonction de stockage des NOx dans un DOC.

[0025] Dans le ASC, il y a un réducteur présent (NH3) dans le ASC, qui est capable de traiter les NOx. Le NH3 et les HC sont des réducteurs qui jouent le même rôle, qui est de traiter les NOx.

[0026] Donc, le stockage des NOx dans un ASC selon l’invention pourrait aussi être appelé « actif >> plutôt que « passif >>, dans la mesure où les NOx sont détruits avec un réducteur, comme dans un piège à NOx de type LNT (pour Lean NOx Trap).

[0027] Avantageusement, selon un premier mode de réalisation, les moyens de traitement des fuites d’ammoniac comprennent une matrice sur les parois de laquelle est déposé un revêtement commun comprenant un premier matériau de réduction catalytique sélective SCR et un deuxième matériau d’oxydation.

[0028] Avantageusement, selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de traitement des fuites d’ammoniac comprennent une matrice sur les parois de laquelle est déposé un empilement de revêtements dont un premier revêtement, dit revêtement supérieur, comprenant un premier matériau de réduction catalytique sélective SCR et un deuxième revêtement, dit revêtement inférieur, comprenant un deuxième matériau d’oxydation.

[0029] Que ce soit avec le premier ou le deuxième de ces modes de réalisation, l’empilement comprend de préférence un revêtement dédié supplémentaire comprenant un matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx, notamment disposé sous le revêtement inférieur ou sous le revêtement commun.

[0030] Selon une variante du deuxième mode de réalisation, le deuxième revêtement comprenant un deuxième matériau d’oxydation est un revêtement commun qui comprend également le matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx.

[0031] Selon l’un ou l’autre de ces modes de réalisation, le revêtement ou l’un des revêtements, notamment le revêtement comprenant le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx, peut être déposé sur une partie seulement des parois de la matrice, notamment que sur une partie aval ou que sur une partie amont. On parle alors parfois de « zoning >> en anglais, pour décrire un dépôt de revêtement que sur une zone pré définie.

[0032] De même, le revêtement ou l’un des revêtements, notamment le revêtement comprenant le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx, peut présenter une épaisseur variable, avec notamment une épaisseur croissant ou décroissant depuis l’amont vers l’aval sur les parois de la matrice.

[0033] De préférence, le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx des moyens de traitement des fuites d’ammoniac ASC comprend un dérivé de type nitrate ou oxyde d’un métal alcalin ou alcalino-terreux ou de métal rare ou de métal de transition, et comprend notamment un mélange d’oxydes de cérium et de zirconium et éventuellement de baryum.

[0034] De préférence, le matériau de réduction catalytique sélective SCR des moyens de traitement des fuites d’ammoniac ASC comprend une zéolithe avec des sites échangés par du fer ou du cuivre, comme de la chabazite échangée au cuivre.

[0035] De préférence, le matériau d’oxydation des moyens de traitement des fuites d’ammoniac ASC comprend un métal précieux, notamment au moins un des métaux Rh, Pt et Pd, éventuellement associé à un oxyde de métal de transition ou d’aluminium, et comprend notamment un mélange Rh Pt Pd.

[0036] Avantageusement, la température de désorption des NOx du matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx est choisie inférieure ou égale à, ou voisine de, la température de désorption de NH3 des moyens de traitement des fuites d’ammoniac. Ainsi, on augmente les chances que le NH3 et les NOx réagissent entre eux dans les moyens de traitement ASC de l’invention puisqu’ils vont désorber dans les mêmes gammes de températures.

[0037] Avantageusement, les températures de désorption des NOx et du NH3 sont d’au moins 300°C.

[0038] L’invention a également pour objet une ligne d’échappement (d’un moteur thermique), qui comporte le dispositif de post-traitement décrit précédemment.

[0039] Optionnellement, l’action de l’organe de traitement des fuites d’ammoniac est complétée par un revêtement de traitement des fuites d’ammoniac intégré au filtre à particules, de préférence dans sa partie aval.

[0040] Le dispositif de post-traitement peut aussi comporter un capteur de NOx entre l’organe filtre à particules muni d’un revêtement catalyseur de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx ou l’organe SCR et les moyens de traitement des fuites d’ammoniac ASC, et éventuellement un autre capteur de NOx en amont de l’organe catalyseur d’oxydation DOC / du piège à NOx LNT, et/ou un autre capteur de NOx en aval de l’organe de traitement des fuites d’ammoniac. Le capteur « amont », en amont du catalyseur DOC ou du piège à NOx, peut aussi être remplacé par une modélisation le cas échéant.

[0041] De préférence, l’organe catalyseur d’oxydation présente un catalyseur dont la quantité de métaux nobles est ajustée de façon à obtenir en sortie de l’organe des gaz d’échappement dont le ratio N02/N0x est égal ou voisin de 0,5 (on comprend par « voisin >> une variation de par exemple +/-15% autour de cette valeur).

[0042] De préférence, le catalyseur du filtre à particules, quand celui-ci en est muni, est à base de zéolithe(s) échangée(s) au cuivre.

[0043] A noter que les zéolithes échangées au Cuivre proposées pour le SCRF et/ou échangées au fer pour le catalyseur de l’organe catalyseur de réduction catalytique SCR sont par exemple à base de zéolithes de type chabazite, ferriérite ou aluminosilicates hydratés (ZMS5), et peuvent contenir également au moins un des oxydes suivants : oxyde de cérium (Ce), de zirconium (Zr), ou encore au moins un des métaux suivants : du niobium (Nb), du tungstène (W), du titane (Ti).

[0044] Avantageusement, le dispositif de post-traitement selon l’invention comprend également un organe mélangeur des gaz d’échappement et du réducteur et/ou du précurseur du réducteur entre l’embouchure du moyen d’introduction de réducteur et/ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote SCR et l’organe catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote intégré au filtre à particules SCRF.

[0045] Ce mélangeur a pour fonction de mélanger aussi bien que possible les gaz d’échappement avec le réducteur ou le précurseur de réducteur, cela étant notamment très utile quand le précurseur est de type liquide, comme de l’urée en phase aqueuse.

[0046] L’invention s’applique également à l’injection directe du gaz réducteur, comme de l’ammoniac, qui vient alimenter la ligne d’échappement à partir d’une ou plusieurs cartouches de sel (notamment de type SrCI2) apte à adsorber l’ammoniac et à le relarguer par activation thermique, de façon connue (technologie appelée communément SCR « solide »), et, dans ce cas-là, le mélangeur est moins nécessaire.

[0047] L’invention a également pour objet, dans un premier mode de réalisation, un véhicule automobile délimitant un espace sous capot, qui contient ce qu’on désigne usuellement par le terme compartiment moteur, et un espace sous caisse, et comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement précédente, tel que le moteur et le dispositif de post-traitement de la ligne d’échappement sont disposés dans l’espace sous capot. On a ainsi tous les organes de dépollution groupés, de façon compacte, au plus près du moteur.

[0048] L’invention a également pour objet, dans un deuxième mode de réalisation, un véhicule automobile délimitant un espace sous capot et un espace sous caisse, et comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement précédente, tel que le moteur, l’organe catalyseur d’oxydation DOC ou le piège à NOx LNT, l’embouchure, et l’organe filtre à particules muni d’un revêtement catalyseur de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx du dispositif de post-traitement de la ligne d’échappement sont disposés dans l’espace sous capot, et tel que l’organe de traitement des fuites d’ammoniac est disposé dans l’espace sous caisse. On regroupe ainsi au plus près du moteur les organes de dépollution ayant besoin d’une température de gaz d’échappement élevée et on éloigne du moteur l’organe de traitement des fuites d’ammoniac pour le préserver de thermiques trop sévères qui pourraient engendrer une dégradation de son efficacité.

[0049] L’invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre d’un véhicule automobile comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement telle que décrite plus haut, le traitement des NOx étant assuré par deux systèmes, d’une part l’organe piège à NOx quand il est utilisé, et d’autre part l’ensemble SCR et/ou SCRF, et, selon la disponibilité de l’agent réducteur sur véhicule, on adapte la pondération de traitement des NOx entre l’un ou l’autre des systèmes. Avec l’invention, le traitement des NOX se trouve en outre complété par le matériau PNA de l’organe de traitement de l’ammoniac.

[0050] L’invention est décrite plus en détail ci-après en référence aux figures relatives à un exemple de réalisation non limitatif se rapportant à un dispositif de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur diesel : - la figure 1 représente schématiquement un moteur et sa ligne d’échappement d’un véhicule automobile comportant le dispositif de post-traitement selon un exemple de l’invention ; - la figure 2 représente un schéma de structure des moyens de traitement du NFI3 résiduel du dispositif de post-traitement de la figure 1 ; - la figure 3 est un graphe représentant les fuites de NH3 résiduel en fonction de la température pendant le fonctionnement en conditions normales du dispositif de posttraitement de l’exemple selon l’invention ; - la figure 4 est un graphe permettant de visualiser le gain en émissions de NOx du dispositif de post-traitement de l’exemple selon l’invention.

[0051] Les références reprises d’une figure à l’autre désignent des mêmes composants, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l’échelle. Les figures restent très schématiques pour en faciliter la lecture.

[0052] La figure 1 représente le dispositif de post-traitement de l’invention intégré dans la ligne d’échappement 10 d’un moteur thermique 1. Ce dispositif comporte une série d’organes qui peuvent être rassemblés dans différentes configurations, soit dans une seule enveloppe commune raccordée à la ligne, soit en plusieurs enveloppes raccordées à la ligne et dans lesquelles sont répartis les différents organes. Le flux général d’écoulement des gaz d’échappement depuis le moteur 1 jusqu’à l’extrémité de la ligne d’échappement 10 est symbolisé par la flèche F, et c’est en référence à ce sens s’écoulement que l’on utilise les termes « amont » et « aval ».

[0053] Ce dispositif de post-traitement comporte, d’amont en aval, un premier organe 2 catalyseur d’oxydation (DOC), un organe SCR 3, un filtre à particules (FAP) 4 éventuellement muni d’un revêtement catalytique SCR (on le désigne alors usuellement sous l’abréviation SCRF), et un organe catalyseur de traitement des fuites de NFI3 résiduel 5. Il comporte aussi un injecteur 6 de précurseur d’ammoniac (sous forme d’urée en phase aqueuse) apte à injecter le précurseur sur la ligne d’échappement 10 en amont de l’organe SCR 3 et, de façon connue, en connexion fluidique avec un réservoir 7 de précurseur. Il comporte aussi un mélangeur non représenté (appelé aussi boîte de mélange), déjà connu, notamment de la demande de brevet WO 2011/089330, qui va assurer un mélange suffisamment intime entre les gouttes d’urée et les gaz d’échappement pour faciliter la décomposition de l’urée.

[0054] Le catalyseur d’oxydation 2 peut être remplacé/complété fonctionnellement par un piège à NOx, par exemple constitué d’un support en nid d’abeille de type cordiérite oui sur lequel est déposée une phase catalytique comprenant des éléments favorisant le stockage tels que, mais pas uniquement, des oxydes simples ou mixtes de baryum et/ou de magnésium.

[0055] Le pilotage de l’injection se fait par l’unité de contrôle commande 8 (du type ordinateur de bord), notamment à l’aide des informations collectées et remontées à l’unité de contrôle par les capteurs de NOx 9, 9’ et 9”. A noter que l’un au moins de ces capteurs de NOx et notamment le premier, 9, peut être supprimé et remplacé par des moyens d’estimation du taux de NOx dans le flux des gaz d’échappement, notamment à l’aide de cartographies moteur préétablies.

[0056] L’unité de contrôle commande 8 utilise également les informations de pression collectées et remontées par des capteurs de pression 11, 11’ disposés de part et d’autre du filtre à particules 4, notamment pour piloter la régénération du filtre à particules. Elle utilise également les informations de température remontées par le thermocouple 12 disposé entre le DOC 2 et l’organe SCR 3.

[0057] Si on détaille les différents organes maintenant, la première « brique » de ce dispositif de post-traitement est donc le catalyseur d’oxydation 2, qui oxyde les espèces réductrices que sont le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC).

[0058] Il est constitué d’un support en nid d’abeille de type cordiérite sur lequel est déposée une phase active catalytique (« washcoat ») contenant des métaux précieux pour catalyser les réactions d’oxydation de CO, HC et NO. Cette phase comporte également des oxydes tels que l’alumine dopée par différents stabilisants (lanthane, cérium, zirconium, titane, silicium, etc...). Sur ces oxydes, des métaux précieux (Pt, Pd,Rh,Ru,Re Au) sont déposés afin de catalyser les réactions d’oxydation dès les basses températures. Des composés acides tels que des zéolithes sont aussi ajoutés. Leur aptitude au stockage des hydrocarbures à basse température et leur déstockage à haute température permet d’améliorer le traitement des HC lors des phases froides. On peut ajouter à ces fonctions (oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés et stockage de ces derniers à basse température) une fonction de stockage des oxydes d’azote, NOx également à basse température. Cette fonction de stockage est assurée par l’introduction de matériaux de type oxydes simples ou mixtes à caractère basique tels que par exemple, les oxydes de cérium ou de baryum entre autres.

[0059] Le filtre à particules SCRF 4 traite aussi les oxydes d’azote en étant également muni d’un revêtement SCR, en complément de l’organe SCR 3 dédié.

[0060] Le catalyseur SCR de l’organe SCR 3 dédié et/ou du filtre à particules 4 est à base de zéolithes au cuivre, comme la chabazite, β, la cuivre-ferriérite, la ZSM5... C’est le meilleur choix, notamment le SCRF 4, pour que le catalyseur du filtre à particules reste efficace même à très haute température (qu’il résiste aux régénérations du filtre notamment). Le support poreux du filtre 4 est plutôt en carbure de silicium SiC.

[0061] Le catalyseur de traitement des fuites en ammoniac 5 est de type ASC, dont la structure et le mode de fonctionnement sont illustrées à la figure 2. Il présente généralement deux couches d’imprégnation, quand il ne comprend pas la modification proposée par l’invention, à savoir une couche C2 qui assure la fonction d’oxydation du NH3en NOx et une couche C1 qui assure la fonction de réduction des NOx par NH3.

[0062] La composition de l’organe ASC 5 est ainsi la suivante : la couche supérieure C1 (celle qui est en contact avec les gaz d’échappement) correspond à un revêtement catalytique de type SCR(favorisant les réactions de réduction) et la couche inférieure C2 (celle qui est en contact avec les parois du substrat) favorise les réactions d’oxydation et contient des métaux précieux (de préférence du palladium en très faible quantité, entre 0,5 et 5 g/ft3, idéalement de 1 à 2) déposés sur alumine. Le fonctionnement de l’organe 5 ASC non modifié selon l’invention est le suivant : l’ammoniac résiduel pénètre dans la couche C1 et se stocke dans cette couche en partie. Le reste de l’ammoniac traverse cette couche C1 et pénètre dans la couche C2 dont les métaux précieux (Pd) favorisent l’oxydation de l’ammoniac NH3 en NOx. Lorsque les NOx ressortent du revêtement catalytique SCR de la couche C2, ils repassent nécessairement par la couche C1 où est stocké le NH3. La réaction de réduction des NOx par le NH3 peut alors avoir lieu. Les NOx sont ainsi convertis en azote (N2) avant de ressortir de ce catalyseur 5.

[0063] La modification apportée par l’invention à l’organe ASC 5 consiste à ajouter à cet empilement de deux couches un matériau adsorbeur passif de NOx (PNA). Soit on ajoute une troisième couche, au-dessus de la couche supérieure C1 ou en dessous de la couche inférieure C2 ou entre les deux couches, soit on vient intégrer le matériau PNA dans l’une des couches C1 ou C2. Ici, on a choisi dans cet exemple d’intégrer un matériau PNA dans la couche favorisant l’oxydation, la couche inférieure C2 (alternativement, il peut être intégré à la couche réductrice, la couche supérieure C1).

[0064] Alternativement, on peut avoir des organes ASC monocouches, où le revêtement réducteur (SCR) et le revêtement oxydant (métaux nobles) sont associés en un revêtement commun. Dans ce cas, le matériau supplémentaire PNA selon l’invention peut soit être intégré dans ce revêtement commun, soit être compris dans un revêtement dédié, qu’on dispose sur ou sous le revêtement commun.

[0065] Pour le matériau SCR de la couche supérieure C1, on peut choisir les matériaux SCR déjà mentionnés pour l’organe SCR 3 dédié.

[0066] Pour le matériau d’oxydation de la couche inférieure C2, on peut choisir un matériau parmi Al203, Ti02, Zr02, Ce02, Y203 avec des métaux nobles comme Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Au, Ag, des métaux de transition (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) et des pièges à HC comme des zéolithes, des métaux alcalins ou alcalino-terreux, des perovskites ....

[0067] Pour le matériau PNA de la même couche inférieure, on peut choisir (a) des oxydes de métal comme les métaux alcalins, alcalino-terreux, métaux rares, métaux de transition ou tout oxyde mixte d’au moins deux de ces métaux, et (b) des zéolites, notamment de métal dopé préférentiellement avec Al, Ce, Zr, Cu, Fe, Mn, W et des oxydes de cuivre et leur mélange. D’autres matériaux peuvent convenir, comme les oxydes de lanthanides et/ou d’actinides.

[0068] Ici, l’ASC de l’exemple comporte une matrice en cordiérite, le matériau d’oxydation est choisi en un mélange Pt-Pd avec un ratio 1-1 et est déposé sur la matrice dans une quantité correspondant à 10 grammes/pied3, le matériau SCR est choisi en chabazite échangée au cuivre dans une quantité correspondant à 10Og/l, et le matériau PNA est choisi en un oxyde mixte CeOx-ZrOx-BaOx dans une quantité correspondant à 10Og/l.

[0069] La figure 3 est un graphe, avec en abscisse le temps exprimé en minutes, et en ordonné (axe à droite) d’une part la température en °C mesurée par le thermocouple, d’autre part (axe à gauche) la quantité exprimée en ppm de fuite de NFI3 résiduel en bout de ligne d’échappement 10 en conditions normales de fonctionnement du moteur 1.

[0070] La courbe A correspond à l’architecture du dispositif de post-traitement décrit plus haut, mais avec un ASC à deux couches (conventionnel) sans matériau PNA, alors que la courbe B correspond à l’architecture selon l’invention, où l’ASC a été modifié pour inclure un matériau PNA. La courbe A montre qu’il reste des fuites de NH3 avec un pic vers 25 minutes mais encore 50 ppm après 50 minutes. Au contraire, la courbe B de l’exemple de l’invention ne présent pas un tel pic et le taux de fuite de NH3 résiduel devient nul ou quasi-nul après 20 minutes. Le matériau PNA de l’ASC a donc bien un effet mesurable et très efficace sur les fuites d’ammoniac résiduelles, qu’il parvient à supprimer (ou à rendre négligeables).

[0071] La figure 4 est un graphe avec en abscisse le temps exprimé en secondes, et en ordonnées (axe à droite) la température en °C ; et (axe à gauche) le taux de NOx en bout de ligne d’échappement en ppm. La courbe A’ correspond à l’architecture sans matériau PNA dans l’organe de traitement des NH3 résiduels, la courbe B’ correspond à l’architecture selon l’invention : la zone hachurée qui sépare les deux courbes correspond au gain en émissions de NOx obtenu avec l’invention : la ligne d’échappement n’émet plus ou quasiment plus de NOx à basse température, et les émissions restent inférieures au-delà de 400°C.

[0072] En conclusion, le matériau PNA ajouté dans la partie la plus aval du dispositif de post-traitement a un impact très positif sur les fuites d’ammoniac et sur les émissions de NOx dans une large gamme de températures. L’invention permet d’augmenter la sélectivité de la conversion des NH3 en N2 en présence de NOx.

[0073] Et son ajout ne complexifie pas de manière notable la fabrication (et la mise en oeuvre) de l’organe de traitement des NH3 résiduels, puisqu’il suffit d’ajouter un composant de plus ou un revêtement de plus dans des revêtements existants / dans un organe existant.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion (1) caractérisé en ce qu’il comporte, d’amont en aval : • un organe catalyseur d’oxydation DOC (2) ou un organe piège à NOx LNT ; • une embouchure d’un moyen d’introduction (6) de réducteur ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote SCR ; • des moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote, lesdits moyens comprenant : - un organe de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote NOx (3) dédié, et/ou - un revêtement de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx sur un organe filtre à particules (4); • l’organe filtre à particules (4) • des moyens de traitement des fuites d’ammoniac (5) ASC par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote, lesdits moyens comportant n revêtement(s) catalytique(s) (C1,C2) et intégrant également un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA, qui est dans un revêtement dédié ou qui est incorporé dans le ou un des n revêtements.
2. 2. Dispositif de post-traitement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de traitement des fuites d’ammoniac (5) comprennent une matrice sur les parois de laquelle est déposé un revêtement commun comprenant un premier matériau de réduction catalytique sélective SCR et un deuxième matériau d’oxydation.
3. 3. Dispositif de post-traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement des fuites d’ammoniac (5) comprennent une matrice sur les parois de laquelle est déposé un empilement de revêtements dont un premier revêtement, dit revêtement supérieur, comprenant un premier matériau de réduction catalytique sélective SCR et un deuxième revêtement, dit revêtement inférieur, comprenant un deuxième matériau d’oxydation.
4. 4. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l’empilement comprend un revêtement dédié supplémentaire comprenant un matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx, notamment disposé sous le revêtement inférieur ou sous le revêtement commun.
5. 5. Dispositif de post-traitement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième revêtement comprenant un deuxième matériau d’oxydation est un revêtement commun qui comprend également le matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx.
6. 6. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le revêtement ou l’un des revêtements, notamment le revêtement comprenant le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx, est déposé sur une partie seulement des parois de la matrice, notamment que sur une partie aval ou que sur une partie amont.
7. 7. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le revêtement ou l’un des revêtements, notamment le revêtement comprenant le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx, présente une épaisseur variable, avec notamment une épaisseur croissant ou décroissant depuis l’amont vers l’aval sur les parois de la matrice.
8. 8. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx des moyens de traitement des fuites d’ammoniac (5) ASC comprend un dérivé de type nitrate ou oxyde d’un métal alcalin ou alcalino-terreux ou de métal rare ou de métal de transition, et comprend notamment un mélange d’oxydes de cérium et de zirconium et éventuellement de baryum.
9. 9. Dispositif de post-traitement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de réduction catalytique sélective SCR des moyens de traitement des fuites d’ammoniac (5) ASC comprend une zéolithe avec des sites échangés par du fer ou du cuivre, comme de la chabazite échangée au cuivre.
10. 10. Dispositif de post-traitement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau d’oxydation des moyens de traitement des fuites d’ammoniac (5) ASC comprend un métal précieux, notamment au moins un des métaux Rh, Pt et Pd, éventuellement associé à un oxyde de métal de transition ou d’aluminium, et comprend notamment un mélange Rh Pt Pd.