FR3042813A1 - 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, qui comporte: • un filtre à particules (3) • une pluralité de modules catalytiques (6), chaque module comportant - des moyens de traitement d'ammoniac ASC par oxydation de l'ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote - et également un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA, ledit dispositif comportant au moins un desdits modules catalytiques en amont du filtre à particules et au moins un desdits modules catalytiques en aval du filtre à particules.

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 piège à NOx ; un filtre à particules peut être employé pour le traitement des particules de suie.

[004] 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.

[005] On désigne de manière générale ce type d’architectures regroupant un certain nombre d’organes de dépollution aux fonctions complémentaires par le terme de dispositif de « post-traitement >> des gaz d’échappement.

[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] Des contraintes supplémentaires apparaissent, notamment 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. C’est la raison pour laquelle on envisage d’intégrer aussi en bout de ligne d’échappement des moyens de traitement des fuites d’ammoniac (dit « ASC >>, qui est l’acronyme anglais du terme « Ammonia Slip Catalyst » ou catalyseur des fuites en ammoniac en français).

[0015] On comprend de ce qui précède que les architectures de traitement des gaz d’échappement se complexifient de plus en plus, pour traiter l’ensemble des polluants, et qu’il est nécessaire de les adapter constamment en fonction à la fois du type de moteur thermique, de l’implantation à prévoir dans chaque nouveau véhicule, et, bien sûr, de révolution des réglementations, qui sont de plus en plus exigeantes.

[0016] L’invention a alors pour but la mise au point d’une nouvelle architecture de traitement des gaz d’échappement qui soit de conception plus simple, tout en étant apte à respecter les réglementations en vigueur et à venir.

[0017] Subsidiairement, l’invention a également 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 post-traitement qui reste, en outre, compact.

[0018] L’invention a pour objet un dispositif de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion qui comporte: - un filtre à particules - une pluralité de modules catalytiques, chaque module comportant - des moyens de traitement d’ammoniac ASC par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote - et également un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA, ledit dispositif comportant au moins un desdits modules catalytiques en amont du filtre à particules et au moins un desdits modules catalytiques en aval du filtre à particules.

[0019] L’invention s’est donc attachée à définir un module catalytique « standard », dont on va pouvoir régler le nombre (au moins deux) et, qui, avec le filtre à particules, va permettre de définir une architecture de traitement des gaz d’échappement « type » permettant de gérer l’ensemble des polluants contenus dans ces gaz : - du fait de la composition même de ces gaz en sortie du moteur,- du fait de réactifs injectés en excès sur la ligne d’échappement, - et même du fait de polluants qui seraient générés in situ dans la ligne d’échappement.

[0020] On remplace ainsi une architecture connue du type (DOC ou Piège à NOx/SCR/filtre à particules/ ASC) par une architecture modulaire, où le filtre à particules se trouve entre deux modules catalytiques au moins. Les ajustements ne consistent plus qu’à choisir le nombre et l’emplacement (en amont ou en aval du filtre à particules) de ces modules catalytiques. De cette façon, on peut produire de façon standardisée ces modules, puis les agencer en fonction des besoins spécifiques à chaque moteur, à chaque véhicule ou encore à chaque type de roulage. La fabrication et le montage sur ligne de l’ensemble de l’architecture s’en trouve extrêmement simplifiés, sans sacrifier les performances, comme détaillé plus loin.

[0021] L’architecture selon l’invention s’applique aussi bien aux véhicules à moteur thermique de particuliers qu’aux véhicules utilitaires ou autres, elle autorise une flexibilité dans le positionnement des modules catalytiques, selon l’espace disponible et selon les différentes conditions thermiques le long de la ligne d’échappement pour chaque véhicule.

[0022] La performance en matière de traitement des espèces jugées polluantes est remarquable : - grâce au catalyseur adsorbeur passif de NOx (dit PNA) des modules, on définit un volume modulable de stockage des NOx(selon le nombre de modules et leurs dispositions sur la ligne d’échappement) ; - grâce aux moyens de traitement d’ammoniac ASC des modules, on définit un volume modulable de stockage du NH3 et des fuites de NH3; - grâce à la combinaison du catalyseur adsorbeur passif de NOx PNA et des moyens de traitement d’ammoniac ASC, on obtient une capacité à traiter les NOx ; -grâce au catalyseur adsorbeur passif de NOx (dit PNA) des modules, on réduit les teneurs en HC.

[0023] Le filtre à particules, quant à lui, continue à remplir son rôle de filtre mécanique. Il peut en outre être fonctionnalisé avec un revêtement SCR pour augmenter la capacité de l’architecture à traiter les NOx.

[0024] De préférence, les moyens de traitement d’ammoniac ASC par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote, comportant n revêtement(s) catalytique(s), et le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA est dans un revêtement dédié ou est incorporé dans le ou un des n revêtements.

[0025] Avantageusement, le dispositif de post-traitement selon l’invention comprend, d’amont en aval, successivement un premier module catalytique puis un deuxième module catalytique, puis le filtre à particules, puis un troisième module catalytique.

[0026] De préférence, selon un 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.

[0027] De préférence, selon un autre 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.

[0028] Avantageusement, l’empilement précité comprend un revêtement dédié supplémentaire comprenant un matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx, notamment disposé sous le revêtement inférieur ou sous le revêtement commun.

[0029] Selon une variante, le deuxième revêtement mentionné précédemment comprenant un deuxième matériau d’oxydation est un revêtement commun qui comprend également le matériau catalyseur adsorbeur passif des NOx.

[0030] Avantageusement, le revêtement ou l’un des revêtements pré-mentionnés, 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.

[0031] Avantageusement, le revêtement ou l’un des revêtements pré-mentionnés, 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.

[0032] De préférence, le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx des moyens de traitement 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.

[0033] De préférence, le matériau de réduction catalytique sélective SCR des moyens de traitement d’ammoniac ASC comprend une zéolithe avec des sites échangés par du fer ou du cuivre, comme de la chabazite échangée au cuivre.

[0034] De préférence, le matériau d’oxydation des moyens de traitement 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.

[0035] Avantageusement, le dispositif de post-traitement selon l’invention comprend un moyen d’introduction de réducteur ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote SCR débouchant en amont d’un des modules catalytiques ou en amont du filtre à particules.

[0036] Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de post-traitement selon l’invention comprend, d’amont en aval, un premier module catalytique, un moyen d’introduction de réducteur ou de précurseur de réducteur, un deuxième module catalytique, un filtre à particules, un troisième module catalytique et éventuellement au moins un autre module catalytique intermédiaire disposé en amont et/ou en aval du filtre à particules.

[0037] Selon une variante, le filtre à particules est muni d’un revêtement catalyseur de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx.

[0038] L’invention a également pour objet une ligne d’échappement intégrant le dispositif de post-traitement selon l’invention tel que décrit précédemment.

[0039] De préférence, le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx des moyens de traitement 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.

[0040] 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.

[0041] 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.

[0042] 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/NOx est égal ou voisin de 0,5 (on comprend par « voisin » une variation de par exemple +/-15% autour de cette valeur).

[0043] De préférence, le catalyseur du filtre à particules, quand celui-ci en est muni, est à base de zéolithe(s) échangée(s) au cuivre.

[0044] 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).

[0045] 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.

[0046] 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.

[0047] 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.

[0048] Au moins une des briques est placée en position sous capot, et au moins une des briques est placée en position sous caisse. La brique intermédiaire peut être placée soit en position sous capot, soit en position sous caisse, selon les contraintes d’implantation du véhicule et/ou du profil thermique de la ligne d’échappement et de l’objectif d’émissions à atteindre.

[0049] 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 la ligne d’échappement d’un moteur thermique d’un véhicule automobile comportant le dispositif de post-traitement selon un exemple d’architecture de traitement des gaz d’échappement de type conventionnel ; - la figure 2 représente schématiquement la ligne d’échappement d’un moteur thermique d’un véhicule automobile comportant le dispositif de post-traitement selon un exemple d’architecture de traitement des gaz d’échappement de l’invention avec modules catalytiques ; - la figure 3 représente un schéma de structure d’un des modules catalytiques utilisés dans l’architecture de l’invention selon la figure 2 ; - la figure 4 est un graphe représentant la ligne de dépollution de la figure 2 selon une répartition en zones thermiques depuis le moteur ; - la figure 5 est un graphe permettant de visualiser le gain en émissions de NOx du dispositif de post-traitement de l’exemple selon l’invention.

[0050] 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.

[0051] La figure 1 représente un dispositif de post-traitement conventionnel intégré dans la ligne d’échappement L d’un moteur thermique (non représenté). 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 jusqu’à l’extrémité de la ligne d’échappement L est symbolisé par la flèche F, et c’est en référence à ce sens d’écoulement que l’on utilise les termes « amont » et « aval » tout au long du présent texte.

[0052] Ce dispositif de post-traitement conventionnel comporte, d’amont en aval, un premier organe 1 catalyseur d’oxydation (DOC), un organe SCR 2, un filtre à particules (FAP) 3 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 ASC 4. Il comporte aussi un injecteur 5 de précurseur d’ammoniac (sous forme d’urée en phase aqueuse) apte à injecter le précurseur sur la ligne d’échappement L en amont de l’organe SCR 2 et, de façon connue, en connexion fluidique avec un réservoir de précurseur (non représenté). Il peut aussi comporter 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.

[0053] Le pilotage de l’injection se fait par une unité de contrôle commande non représentée (du type ordinateur de bord), notamment à l’aide des informations collectées et remontées à l’unité de contrôle par des capteurs de NOx et/ou des moyens d’estimation du taux de NOx dans le flux des gaz d’échappement, notamment à l’aide de cartographies moteur préétablies.

[0054] L’unité de contrôle commande utilise également les informations de pression collectées et remontées par des capteurs de pression disposés de part et d’autre du filtre à particules 3, notamment pour piloter la régénération du filtre à particules. Elle peut aussi utiliser les informations de température remontées par un thermocouple disposé entre le DOC 1 et l’organe SCR 2.

[0055] 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).

[0056] 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.

[0057] Le filtre à particules SCRF 3 traite aussi les oxydes d’azote en étant également muni d’un revêtement SCR, en complément de l’organe SCR 2 dédié.

[0058] Le catalyseur SCR de l’organe SCR 2 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 3, 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 3 est plutôt en carbure de silicium SiC.

[0059] Le catalyseur de traitement des fuites en ammoniac 4 est de type ASC, dont la structure et le mode de fonctionnement sont illustrées à la figure 3. Il présente généralement deux couches d’imprégnation, 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.

[0060] La composition de l’organe ASC 4 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.

[0061] La figure 1 utilise des symboles en forme de ronds du gris clair au noir pour les espèces chimiques impliquées dans le traitement des gaz, en tant que réactifs ou en tant qu’espèces présentes dans les gaz d’échappement, à savoir l’ammoniac NH3, les NOx sous forme de NO et de N02, N2, et les fuites d’ammoniac qui subsistent en aval du filtre à particules par une injection en excès d’urée en amont de celui-ci par l’injecteur 5. Les pointillés référencés U à la figure sortant de l’injecteur 5 symbolisent les gouttelettes d’urée. Le fonctionnement des différents organes de traitement est le suivant : [0062] Sur véhicule, le réducteur employé est donc une solution aqueuse d’urée (NH2CONH2) qui, injectée à l’échappement, va libérer de l’ammoniac par une réaction d’hydrolyse.

[0063] Le catalyseur d’oxydation DOC 1 placé en amont permet d’augmenter le rapport N02/NO des gaz d’échappement et ainsi d’accroître l’efficacité de conversion notamment à basse température, en tenant compte du fait que la réaction de N02 avec NH3 est plus rapide que la réaction de NO avec NH3, selon la réaction suivante : NO + 1/2 02 -*· N02 [0064] Le réducteur utilisé est l’ammoniac NH3, obtenu par pyrolyse / hydrolyse de l’urée dans la ligne d’échappement L selon les réactions suivantes :

(NH2)2CO —> HNCO + NH3 : pyrolyse à 120°C

HNCO + H20 -*· C02 + NH3 : hydrolyse à 180°C

[0065] Sur les véhicules de type diesel plus particulièrement, le principe de réduction des NOx consiste à ajouter un agent réducteur dans les gaz d’échappement, à savoir de l’ammoniac NH3, qui, en présence d’oxygène, transforme les NOx en azote N2 et en eau H20. Pour favoriser la réaction, la présence d’un agent catalyseur de type SCR 3 ainsi qu’un certain niveau de température sont nécessaires.

[0066] Les réactions en jeu principales sont les suivantes :

[0067] Cependant, le NH3 injecté n’est pas totalement converti en azote N2, et il a tendance à se retrouver en excès, à s’échapper dans l’environnement par l’extrémité aval de la ligne d’échappement. Dans ce cas, on parle de NH3 « slip », c’est-à-dire de fuites d’ammoniac.

[0068] Dans le but de réduire les émissions de NH3 « slip », l’organe catalytique 4 de type A.S.C. est prévu, qui permet de réduire significativement le niveau d’émission du NH3 slip, en contenant des métaux précieux qui favorisent l’oxydation du NH3.

[0069] La mise au point du système pour une application véhicule va nécessiter de calibrer la quantité d’urée injectée en fonction de la quantité de NOx émise par le moteur, de la température d’échappement et des caractéristiques du catalyseur.

[0070] La figure 2 représente une architecture de traitement des gaz modifiée selon l’invention de la façon suivante : on a remplacé les organes 1,2,4 dédiés, tous différents les uns des autres, par trois modules catalytiques 6 identiques entre eux. Deux modules 6 sont disposés en amont du filtre à particules 3, de part et d’autre de l’injecteur d’urée 5, et le troisième se trouve en aval du filtre à particules 3.

[0071] Chaque module catalytique 6 comprend : - d’une part des moyens de traitement d’ammoniac ASC par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote, - et d’autre part un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA.

[0072] Le PNA fonctionne de la façon suivante : les NOx sont stockés à froid et désorbés à chaud tout en conservant la fonctionnalité d’un catalyseur d’oxydation DOC (c’est-à-dire qu’il peut aussi traiter le CO et les HC).

[0073] Si on reprend la figure 3 représentant un organe de traitement de NH3, l’invention vient lui adjoindre 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).

[0074] 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.

[0075] Pour le matériau SCR de la couche supérieure C1, on peut choisir les matériaux SCR déjà mentionnés pour l’organe SCR 3 dédié.

[0076] 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 pérovskites ....

[0077] 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.

[0078] 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.

[0079] L’invention utilise donc des modules catalytiques standards « ASC-PNA », qui intègrent quatre technologies en une seule « brique » : Ils fonctionnent en tant que catalyseur d’oxydation, de catalyseur de réduction, de stockage des NOx et de stockage des NFI3. Par exemple, si du NO passe au travers d’un desdits modules, il est susceptible d’être oxydé en N02 par la fonction d’oxydation et donc d’être traité par le NFI3 stocké.

[0080] Plus on ajoute ce type de module, plus on augmente la capacité du dispositif de post-traitement des gaz d’échappement de traiter les NOx, CO et FIC et de réduire les fuites de NFI3 (« NFI3 slip »).

[0081] La figure 4 est une représentation simplifiée d’une ligne d’échappement conventionnelle avec les niveaux thermiques des gaz d’échappement associés à chaque zone : elle représente trois zones, la zone Z1 proche de la sortie moteur, puis les zones Z2 et Z3, d’amont en aval sur la ligne d’échappement L.

[0082] La figure 5 illustre les capacités de stockage des NOx selon le positionnement des modules catalytiques de l’invention dans l’une ou l’autre des trois zones Z1, Z2 ou Z3 de niveaux thermiques représentées en figure 4. En abscisse, est représenté le temps en secondes, selon un cycle donné, en ordonnées selon l’axe à gauche la température de la zone en question en °C ; en ordonnés selon l’axe àdroite, la vitesse du véhicule en km/h, avec la courbe correspondante C(v). Les courbes C(Z1), C(Z2) et C(Z3) se rapportent aux résultats mesurés pour chacune des zones en questions - dans la zone Z1, on peut stocker des NOx jusqu’à 40% du cycle, - dans la zone Z2, pendant 50% du cycle, - et dans la zone Z3, 100% du cycle. On illustre ainsi que c’est le positionnement de l’organe dans la ligne d’échappement qui conditionne son profil thermique, et donc sa faculté à stocker les NOx sur tout ou partie du cycle.

[0083] Dans les architectures de post-traitement des gaz d’échappement, on pouvait avoir un matériau PNA dans une zone thermique de type Z1 (en amont). Avec l’invention, on peut avoir plusieurs matériaux de type PNA répartis dans la ligne, dans les zones Z1 et Z2 et Z3. La capacité globale de stockage des NOx du matériau PNA de chacune des zones Z1, Z2, Z3 peut s’élever à au moins 0,4g, et on peut adapter le matériau pour augmenter encore cette capacité.

[0084] En munissant chacune des trois zones Z1, Z2, Z3 d’un module catalytique 6 selon l’architecture décrite à la figure 2, on constate que : - Dans la zone Z1, durant 40% du cycle WLTC (ou lors d’un démarrage à froid) environ les NOx peuvent être stockés - Dans la zone Z2, durant 50% du cycle environ les NOx peuvent être stockés - Dans la zone Z3, durant 100% du cycle environ les NOx peuvent être stockés [0085] Cette triple capacité de stockage cumulé réduit significativement les niveaux d’émission des polluants, avec, en plus, la possibilité dans chaque zone d’avoir la possibilité de stockage des NH3, d’avoir la fonction d’oxydation et celle de réduction simultanément.

[0086] On peut, selon le type de roulage, le type de moteur et le type de véhicule, en suite moduler le nombre et l’emplacement sur la ligne des modules catalytiques standardisés selon l’invention, ce qui offre toute la flexibilité nécessaire pour un niveau de performances élevés, tout en simplifiant grandement sa réalisation.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de post-traitement des gaz d’échappement d’un moteur à combustion caractérisé en ce qu’il comporte: • un filtre à particules (3) • une pluralité de modules catalytiques (6), chaque module comportant des moyens de traitement d’ammoniac ASC par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote - et également un matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA, et en ce que ledit dispositif comporte au moins un desdits modules catalytiques en amont du filtre à particules et au moins un desdits modules catalytiques en aval du filtre à particules.
2. 2. Dispositif de post-traitement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de traitement d’ammoniac ASC par oxydation de l’ammoniac en NOx puis réduction desdits NOx en azote, comportant n revêtement(s) catalytique(s) (C1 ,C2) et en ce que le matériau catalytique adsorbeur passif de NOx dit PNA est dans un revêtement dédié ou est incorporé dans le ou un des n revêtements.
3. 3. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, d’amont en aval, successivement un premier module catalytique puis un deuxième module catalytique (6) , puis le filtre à particules (3) , puis un troisième module catalytique (6).
4. 4. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 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.
5. 5. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 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.
6. 6. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications 4 ou 5, 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.
7. 7. Dispositif de post-traitement selon la revendication 5, 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.
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 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.
9. 9. Dispositif de post-traitement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau de réduction catalytique sélective SCR des moyens de traitement d’ammoniac 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 5, caractérisé en ce que le matériau d’oxydation des moyens de traitement 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.