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FR3043430B1 - Dispositif de post-traitement des gaz d’echappement d’un moteur thermique - Google Patents

Dispositif de post-traitement des gaz d’echappement d’un moteur thermique Download PDF

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FR3043430B1
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Abstract

L'invention porte sur un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1) qui comporte, d'amont en aval : • un organe catalyseur d'oxydation amont 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) ; • un organe catalyseur d'oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx (5).

Description

DISPOSITIF DE POST-TRAITEMENT DES GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN MOTEUR THERMIQUE
[001] L’invention est relative à des moyens de traitement des polluants des gaz d’échappement des moteurs thermiques.
[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’azote (NOx, c’est-à-dire NO et NO2) 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 émissions 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] Il est ainsi connu du brevet FR 2 945 962 un dispositif de post-traitement comprenant un organe SCR utilisant un catalyseur sous forme d’une zéolithe acide non ou très faiblement échangée, qui présente une capacité à stocker plus d’ammoniac à basse température que d’autres zéolithes du type zéolithe échangée. Cependant, elle ne garantit pas d’éviter totalement la fuite d’ammoniac en sortie de ligne d’échappement, notamment par désorption d’ammoniac à haute température.
[0016] 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.
[0017] 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 amont 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 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 ; > un organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx.
[0018] Selon un mode de réalisation de l’invention, l’organe catalyseur d’oxydation amont comprend un matériau adsorbeur d’oxydes d’azote PNA.
[0019] De préférence, l’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx comprend un métal ou des métaux oxydant(s), choisis parmi Pt et/ou Pd et des matériaux de stockage des NOx sous forme de nitrates et/ou de nitrites.
[0020] Avantageusement, l’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx selon l’invention comprend un/des matériau(x) de stockage des NOx sous forme de nitrates et/ou de nitrites à partir d’éléments à propriétés basiques, notamment sous forme d'oxyde(s) ou d'aluminate(s) de métaux tels que du baryum Ba, du néodyme Nd, du lanthane La ou du praséodyme Pr, ou sous forme d’oxydes mixtes métalliques tels que des solutions solides de Ce-Zr-Pr, Zr-Ce-La, Zr-Pr, Ce-Zr-La-Pr, Al-Ba, Al-Ba-Ce ou Al-La-Ce.
[0021] L’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx de l’invention est notamment dépourvu de rhodium.
[0022] Selon un mode de réalisation, l’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx de l’invention est sous forme d’une matrice ou « nid d’abeille >> sur les parois de laquelle est déposé un revêtement catalytique sous forme d’une couche ou d’un empilement de couches.
[0023] Un mode de réalisation préféré de l’invention consiste en ce que les moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote, comprennent : - un organe de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote NOx dédié, et - un revêtement de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx sur un organe filtre à particules, ledit organe catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote étant de préférence d’une longueur au moins deux fois plus petite, notamment au moins 2,2 à 3 fois plus petite que la longueur du filtre à particules.
[0024] De préférence, l’organe catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote présente une longueur d’au plus 80 mm, notamment d’au plus 76 mm, de préférence comprise entre 45 et 55 mm.
[0025] L’invention a également pour objet une ligne d’échappement d’un moteur thermique, qui intègre le dispositif de post-traitement décrit précédemment.
[0026] L’invention a également pour objet un véhicule automobile délimitant un espace sous capot et un espace sous caisse, et comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement selon la revendication précédente, tel le moteur et le dispositif de post-traitement de la ligne d’échappement sont disposés dans l’espace sous capot.
[0027] Alternativement, l’invention a également pour objet un véhicule automobile délimitant un espace sous capot et un espace sous caisse, et comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement décrite plus haut, tel que : - le moteur, l’organe catalyseur d’oxydation amont DOC ou un organe piège à NOx LNT, l’embouchure d’un moyen d’introduction de réducteur ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote SCR, les moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote et l’organe filtre à particules sont disposés dans l’espace sous capot, - et l’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx est disposé dans l’espace sous caisse.
[0028] L’invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre du dispositif de post-traitement décrit précédemment, tel que : - on sous-injecte le réducteur ou le précurseur de réducteur, par l’embouchure du moyen d’introduction de réducteur ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote SCR, de façon à saturer en NOx l’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx, - puis on sur-injecte le réducteur ou le précurseur de réducteur pour convertir par réduction le maximum de NOx, le NH3 en excès en sortie du filtre à particules étant alors traité par oxydation par l’organe catalyseur d’oxydation aval à fonction de stockage des NOx tant que ledit organe contient des NOx stockés.
[0029] L’invention propose donc l’ajout d’un catalyseur d’oxydation, apte à stocker les NOx tout au bout de l’architecture du dispositif de post-traitement. Il s’est avéré que ce type de matériau catalytique,, permettait de traiter très efficacement les éventuelles fuites d’ammoniac résiduelles, selon les mécanismes réactionnels qui seront détaillés par la suite. Très avantageusement, ce type de matériau est simple à produire, simple à intégrer à la ligne d’échappement et simple à mettre en œuvre pour participer au traitement des gaz d’échappement. L’invention a ainsi trouvé une nouvelle utilisation et une nouvelle localisation aux matériaux catalyseur d’oxydation, généralement disposés tout en amont des dispositifs de post-traitement.
[0030] Le dispositif de post-traitement peut aussi comporter un capteur 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 le catalyseur d’oxydation aval, et éventuellement un autre capteur NOx en amont de l’organe catalyseur d’oxydation amont DOC / du piège à NOx LNT, et/ou un autre capteur de NOx en aval du catalyseur d’oxydation aval. Le capteur « amont >>, en amont du catalyseur amont DOC ou du piège à NOx, peut aussi être remplacé par une modélisation le cas échéant.
[0031] De préférence, l’organe catalyseur d’oxydation amont 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 NO2/NOx est égal ou voisin de 0,5 (on comprend par « voisin >> une variation de par exemple +/-15% autour de cette valeur).
[0032] De préférence, le catalyseur du filtre à particules, quand celui-ci en est muni, est à base de zéolithe(s) échangée(s) au cuivre.
[0033] 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).
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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.
[0038] 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 amont 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 le catalyseur d’oxydation aval 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 le catalyseur d’oxydation aval traitant les fuites d’ammoniac pour le préserver de thermiques trop sévères qui pourraient engendrer une dégradation de son efficacité.
[0039] 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 peut se trouver en outre complété par le catalyseur d’oxydation aval pour traiter l’ammoniac, puisqu’il est aussi apte à stocker les NOx.
[0040] 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 un dispositif de post-traitement selon un exemple de l’invention ; - les figures 2 et 3 représentent le dispositif de post-traitement selon l’invention selon deux variantes de réalisation ; - la figure 4 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 5 est un graphe permettant de visualiser les températures à la sortie de certains des organes constituant le dispositif de post-traitement de l’invention dans un cycle de roulage donné.
[0041] Les références reprises d’une figure à l’autre désignent les mêmes composants, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l’échelle. Les figures restent très schématiques pour en faciliter la lecture.
[0042] 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 d’écoulement que l’on utilise les termes « amont » et « aval ».
[0043] Selon un premier exemple, ce dispositif de post-traitement comporte, d’amont en aval, un premier organe 2 catalyseur d’oxydation amont (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 d’oxydation aval DOCnox à fonction de stockage des NOx 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.
[0044] 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 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.
[0045] 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 NOx 9, 9’ et 9”. A noter que l’un au moins de ces capteurs 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.
[0046] 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.
[0047] 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).
[0048] 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.
[0049] 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.
[0050] 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.
[0051] L’invention propose l’ajout de l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox à fonction de stockage des NOx 5 dans la partie la plus en aval du dispositif de posttraitement des gaz d’échappement : cet organe va permettre de traiter les fuites résiduelles d’ammoniac en sortie de ligne d’échappement sans modifier les performances de réduction des NOx, comme expliqué ci-après : [0052] Lorsque le moteur est sollicité pour des raisons de besoin en puissance ou de hautes vitesses par exemple, les émissions de NOx sont d’autant plus élevées que le véhicule est lourd (notamment quand son poids dépasse 1500 kg). En effet, plus le véhicule est lourd, plus les températures atteintes dans le moteur sont élevées et plus les quantités de NOx formées sont importantes (mécanisme dit de Zeldovich). Pour compenser ces émissions de NOx plus élevées, le calculateur modifie la quantité d’urée à injecter en respectant le rapport stoechiométrique de la réaction (R2) ci-dessous, qui est celle que l’on cherche à favoriser : (R1) SCR standard (R2) SCR à cinétique rapide (R3) SCR haute température [0053] La conséquence de cette augmentation de NOx à traiter par l’organe SCR 3 et le catalyseur SCR du filtre à particules SCRF 4 est une augmentation de la quantité injectée d’urée. Or, l’urée n’agit pas directement sur les NOx pour les réduire en azote (N2) mais doit préalablement se décomposer (cf. réactions R4 et R5 ci-dessous) en NH3, ce dernier
étant ensuite stocké dans la phase active (appelée aussi « washcoat ») de l’organe SCR 3 et du catalyseur SCR du filtre à particules SCRF 4. (R4) thermolyse de l’urée (R5) hydrolyse de l’acide isocyanique [0054] On comprend ainsi qu’il existe une phase de stockage d’ammoniac NH3 dans les catalyseurs SCR 3 et SCRF 4, préalablement à la conversion des NOx en N2, grâce à ce même NH3 généré à partir de l’urée. Ce stockage d’ammoniac représenté par un critère appelé « capacité de stockage de NH3 » évolue suivant différents paramètres, comme les caractéristiques intrinsèques du revêtement catalytique SCR, son état (neuf ou vieilli), la température intra-catalyseur, voire le temps de séjour des gaz dans le catalyseur (ce dernier paramètre étant plutôt de second ordre)...
[0055] Pour un catalyseur SCR donné, son état de vieillissement peut donc jouer : plus il est vieilli, plus il tend à perdre de sa capacité de stockage d’ammoniac.
[0056] Il existe ainsi des types de catalyseur SCR qui présentent des capacités de stockage de NH3 plus ou moins grande : la capacité de stockage des catalyseurs SCR de type zéolithe non échangée est généralement supérieure à la capacité de stockage des catalyseurs SCR de type zéolithe échangée au cuivre, elle-même généralement supérieure à la capacité de stockage des catalyseurs SCR de type zéolithe échangée au fer, par exemple.
[0057] Comme représenté en figure 4, pour un catalyseur SCR donné présentant un état de vieillissement donné, la capacité de stockage d’ammoniac de celui-ci évolue en fonction de la température intra-SCR 3 ou intra-SCRF4. La figure représente un graphe avec en abscisse la température en °C et en ordonnée la masse d’ammoniac stockée par le catalyseur SCR, masse exprimée en mg/l de catalyseur, pour cette exemple, un catalyseur de type zéolithe échangée au fer. . On observe, à la lecture de ce graphe, une baisse de cette capacité de stockage avec la température, baisse liée au phénomène de thermo-désorption de l’ammoniac.
[0058] Il est également à noter que l’oxydation du NH3 en NOx se produit à partir de 450 à 500°C environ.
[0059] On comprend ainsi qu’il existe des situations de vie où des émissions de NH3 à la canule, c’est-à-dire à l’extrémité avale de la ligne d’échappement, peuvent apparaître, notamment : - quand le NH3 peut se « destocker >> du catalyseur SCR par thermo-désorption sans réagir avec les NOx
- (c’est redondant avec les deux autres situations ci-dessous)- quand les quantités de NH3 sont trop importantes par rapport à la capacité de stockage du catalyseur SCR - quand le catalyseur SCR a vieilli thermiquement et a perdu de sa capacité de stockage d’ammoniac [0060] Les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement doivent être contrôlés en efficacité tout au long de la vie du véhicule (c’est ce qu’on appelle le diagnostic embarqué ou « OBD >> pour l’acronyme des termes anglais correspondants « On Board Diagnosis »). Aussi existe-t-il différentes procédures qui permettent de mettre le système en défaut : - en « sous-injectant >> de l’urée et donc de l’ammoniac, le système doit être capable de détecter une moindre efficacité de traitement des NOx, - ou, au contraire, en « sur-injectant >> de l’urée et en créant spécifiquement des émissions de NH3 en aval du système SCR 3 /SCRF 4, le système doit être capable de les détecter. Dans ce dernier cas, le diagnostic du système étant réalisé grâce au capteur situé en aval du système SCR 3 /SCRF 4, la présente invention élimine cette fuite d’ammoniac en aval de l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx 5, et donc à la canule du véhicule.
[0061] L’efficacité optimale en réduction des NOx par la combinaison SCR 3 /SCRF 4 (cf. la réaction R2 mentionnée plus haut) implique une injection suffisante de NH3, à savoir a = NH3/NOx = 1 (valeur dépendant de la stœchiométrie des réactions R1, R2, R3). Mais pour être certain d’avoir la bonne quantité de NH3 dans l’organe SCR 3 et/ou le filtre SCRF 4, il peut être judicieux de se mettre légèrement en excès de NH3, avec a > 1. Dans ce cas, des fuites d’ammoniac apparaîtront à la sortie du système SCR 3 /SCRF 4, émissions qu’il faudra également traiter avant l’extrémité de la ligne d’échappement.
[0062] Plus le véhicule est lourd, plus ces phases à risques (quantités injectées d’urée très importantes pour « répondre >> aux quantités de NOx produites par le moteur, capacité de stockage de NH3 réduite du fait des thermiques élevées, etc..) peuvent se produire et être responsables de fuites d’ammoniac à la canule.
[0063] Une manière de traiter ces émissions/fuites résiduelles de NH3 est d’ajouter dans la ligne d’échappement en aval des systèmes de traitement des NOx un catalyseur de traitement spécifique. L’invention a donc ajouté, en aval des organes SCR et SCRF, l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox à fonction de stockage des NOx 5 qui s’inspire des pièges à NOx (ou « Lean NOx Trap >> ou LNT en anglais).
[0064] Les caractéristiques du piège à NOx sont les suivantes. Le revêtement catalytique contient généralement trois couches, une pour le platine, une pour le palladium et une dernière pour le rhodium. Il contient également des matériaux de stockage des oxydes d’azote sous forme de nitrates et/ou de nitrites. Ces matériaux ont recours à des éléments chimiques à propriétés basiques tels que du baryum (baryum sous forme d'oxydes ou d'aluminates), du néodyme (Nd), du lanthane (La) ou du praséodyme (Pr). Des oxydes mixtes tels que des solutions solides de Ce-Zr-Pr, Zr-Ce-La, Zr-Pr, Ce-Zr-La-Pr, Al-Ba, Al-Ba-Ce ou Al-La-Ce peuvent également être utilisées.
[0065] Le fonctionnement classique d’un piège à NOx est le suivant : - il oxyde NO en NO2 grâce au platine et/ou au palladium, car le monoxyde d’azote est largement majoritaire (90%) dans les oxydes d’azote (NOx) qui sortent du moteur. - il stocke les oxydes d’azote sous forme de nitrates (NO3 ) sur les sites du baryum (Ba(NO3)2) - une fois que tous les sites de stockage sont saturés, une « régénération >> du piège à NOx est déclenchée pour nettoyer la surface catalytique de ses nitrates et les convertir en azote (N2) [0066] Cette « régénération >> est rendue possible par l’augmentation de la richesse du moteur générant un excès d’espèces réductrices dans le piège à NOx (HC et CO/H2 principalement). Cet excès de réducteur convertit les nitrates stockés en azote (N2) grâce au rhodium. Le piège à NOx ainsi nettoyé (ou régénéré), la richesse revient à un niveau normal pour un moteur Diesel à savoir 0,15 à 0,35, et la phase de stockage des NOx peut reprendre. Cette succession de modes pauvres et de modes riches est à optimiser en fonction des besoins (niveau de NOx sortie moteur à traiter, capacité de stockage du piège à NOx...). A noter que les capacités à stocker les NOx, comme à les réduire, dépendent d’un grand nombre de paramètres (caractéristiques intrinsèques du piège à NOx, état de vieillissement, niveau thermique dans l’organe...).
[0067] L’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx de l’invention est en fait partiellement un piège à NOx, qu’on modifie pour un autre objectif : dans l’invention, la capacité de stockage des NOx d’un piège à NOx est utile, mais il n’est pas nécessaire, en revanche, d’avoir du rhodium, puisque la réduction des nitrates stockés (pour régénérer le piège à NOx) ne sera pas assurée par des purges riches (et donc par CO/H2 et HC sur rh) mais par le NH3, émis en sortie des organes SCR 3 /SCRF 4, selon les réactions R2 et/ou R3 précédemment décrites.
[0068] Le fonctionnement de l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox (proche d’un piège à NOx mais sans rhodium) peut ainsi être le suivant : - 1) on sous-injecte en urée pour réduire les quantités disponibles de NH3 dans les organes SCR 3 / SCRF 4 et limiter de fait leur efficacité pour traiter les NOx. Cette opération vise à remplir/saturer l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox 5 en nitrates puisqu’une partie dans ce cas des NOx ne sera pas traitée par le système SCR 3 /SCRF 4. Le capteur NOx en aval de l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox 5 pourrait aider à mieux contrôler cette phase pour éviter d’émettre des NOx inutilement à la canule, - 2) on sur-injecte ensuite légèrement en urée (a > 1) pour atteindre l’optimum d’efficacité de conversion des NOx par le NH3, le léger excès de NH3 en sortie du système SCR 3 /SCRF 4 étant alors traité par les nitrates stockés dans l’organe catalyseur d’oxydation DOCnox situé en aval, - 3) une fois que l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox est vidé de ses nitrates consommés par l’opération précédente 2), il n’est donc plus capable d’oxyder les émissions de NH3. Cependant, il n’y aura pas d’émissions de NH3 à la canule car le NH3 sera alors oxydé par l’oxygène sur l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox pour former des NOx. Dès que les conditions de fonctionnement moteur le permettent, on reprend l’opération 1).
[0069] Cette solution permet donc d’éviter tout risque de fuites de NH3 à la canule. Et dans le cas où une quantité résiduelle de NH3 apparaîtrait en sortie du système SCR 3 /SCRF 4, elle serait aussitôt oxydée.
[0070] En positionnant l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx « derrière >> le système SCR 3 /SCRF 4, en aval de celui-ci, c’est-à-dire plus loin dans la ligne d’échappement, on le protège du vieillissement thermique, ce qui est très avantageux en terme de durabilité. Par ailleurs, les températures atteintes dans l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx 5 étant modérées par rapport à celles atteintes par les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement en sortie moteur, sa capacité de stockage est favorisée. En effet, jusqu’à 350 à 400 °C, sa capacté à stocker les NOx sous forme de nitrates est satisfaisante. Et puisque ce système a également besoin d’un certain niveau de température pour stocker les NOx (l’oxydation du NO en NO2 nécessaire au stockage se fait à partir de 120 à 130°C), on peut utiliser un substrat métallique pour l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox qui est associé à des moyens de chauffage, par exemple une résistance chauffante. Ce système peut ainsi stocker, lors du démarrage à froid du moteur, les NOx qui n’auraient pas été stockés par un catalyseur en sortie moteur voire traités par l’organe SCR 3 non encore amorcé. Avec un bon contrôle thermique de l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox, la ligne d’échappement peut ainsi stocker les NOx dès le démarrage du moteur, tout en assurant parfaitement leur conversion à plus haute température et tout en évitant les fuites de NH3 à la canule.
[0071] Les figures 2 et 3 représentent différentes variantes des organes 2, 3, 4 et 5, qui, par commodité de représentation, sont tous représentés disposés dans une unique enveloppe. Cependant l’organe 5 peut tout aussi bien être dans une enveloppe distincte, plus en aval dans la ligne d’échappement, cette configuration étant d’ailleurs préférée.
[0072] La figure 2 représente un premier mode de réalisation se décomposant en deux variantes : - dans une première variante A , l’organe 2 est un DOC/PNA, l’organe 3 est un organe SCR mince (longueur bien inférieure à celle du filtre à particules), l’organe 4 est le filtre à particules muni d’un revêtement SCR dit SCRF, et l’organe 5 est le catalyseur d’oxydation aval apte à stocker les NOx ; - dans une deuxième variante B, l’organe 2 est un piège à NOx LNT.
[0073] La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation se déclinant également en deux variantes : - dans une première variante C, l’organe 2 est un DOC /PNA, l’organe dédié SCR 3 est supprimé et la réduction SCR des NOx ne se fait que par le filtre à particules 4 à revêtement SCR dit SCRF, qui, de préférence, présente une longueur supérieure au filtre à particules du premier mode de réalisation (et/ou une quantité de revêtement SCR supérieure) ; - la deuxième variante D consiste à remplacer le DOC/PNA 2 par un piège à NOx LNT 2.
[0074] La figure 5 est un graphe, avec en abscisse le temps exprimé en minutes, et en ordonnée (axe à gauche) d’une part la température en °C mesurée par un thermocouple, d’autre part (axe à droite) la vitesse du véhicule automobile équipé du moteur 1 en km/h/ de fonctionnement du moteur 1. La courbe C1 est la courbe de température mesurée en sortie de l’organe 2, la courbe C2 est la courbe de la température représentative de la température dans l’organe 5. On vérifie avec ce graphe qu’en positionnant l’organe 5 loin dans la ligne d’échappement, après le filtre à particules, les températures subies par cet organe 5 sont modérées, le protégeant effectivement d’un vieillissement thermique prématuré et préservant sa capacité à stocker les NOx [0075] En conclusion, le matériau catalytique d’oxydation avec stockage des NOx ajouté selon l’invention dans la partie la plus aval du dispositif de post-traitement a un impact très positif sur les fuites d’ammoniac, ainsi que sur les émissions de NOx dans une large gamme de températures.
[0076] Son ajout ne complexifie pas de manière notable l’architecture du dispositif de post-traitement des gaz d’échappement dans son ensemble (ni sa mise en oeuvre).
[0077] En lui-même, c’est un organe simple dans sa composition et sa fabrication, puisque s’inspirant de la composition d’un piège à NOx, mais en la simplifiant (puisqu’il contient au moins un composant de moins, le rhodium ou autre métal noble de fonction équivalente).

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 amont 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) ; • un organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx (5).
  2. 2. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’organe catalyseur d’oxydation amont (2) comprend un matériau adsorbeur d’oxydes d’azote PNA.
  3. 3. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx (5) comprend un métal ou des métaux oxydant(s), choisis parmi Pt et/ou Pd et des matériaux de stockage des NOx sous forme de nitrates et/ou de nitrites.
  4. 4. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox à fonction de stockage des NOx (5) comprend un/des matériau(x) de stockage des NOx sous forme de nitrates et/ou de nitrites à partir d’éléments à propriétés basiques, notamment sous forme d'oxyde(s) ou d'aluminate(s) de métaux tels que du baryum Ba, du néodyme Nd, du lanthane La ou du praséodyme Pr, ou sous forme d’oxydes mixtes métalliques tels que des solutions solides de Ce-Zr-Pr, Zr-Ce-La, Zr-Pr, Ce-Zr-La-Pr, Al-Ba, Al-Ba-Ce ou Al-La-Ce.
  5. 5. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNox à fonction de stockage des NOx (5) est dépourvu de rhodium.
  6. 6. Dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote, comprennent : - un organe de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote NOx (3) dédié, et - un revêtement de réduction catalytique sélective SCRF des oxydes d’azote NOx sur un organe filtre à particules (4), et en ce que ledit organe catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote (6) est d’une longueur au moins deux fois plus petite (L1), notamment au moins 2,2 à 3 fois plus petite que la longueur (L2) du filtre à particules (7).
  7. 7. Ligne d’échappement d’un moteur thermique, caractérisée en ce qu’elle intègre le dispositif de post-traitement selon l’une des revendications précédentes.
  8. 8. Véhicule automobile délimitant un espace sous capot et un espace sous caisse, et comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur et le dispositif de posttraitement de la ligne d’échappement sont disposés dans l’espace sous capot.
  9. 9. Véhicule automobile délimitant un espace sous capot et un espace sous caisse, et comportant un moteur thermique raccordé à la ligne d’échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce que : - le moteur, l’organe catalyseur d’oxydation amont DOC (2) ou un organe piège à NOx LNT, l’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, les moyens de réduction catalytique sélective SCR des oxydes d’azote et l’organe filtre à particules (4) sont disposés dans l’espace sous capot, - et en ce que l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx (5) est disposé dans l’espace sous caisse.
  10. 10. Procédé de mise en œuvre du dispositif de post-traitement selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que : - on sous-injecte le réducteur ou le précurseur de réducteur, par l’embouchure du moyen d’introduction (6) de réducteur ou de précurseur d’un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxÿdes d’azote SCR, de façon à saturer en NOx l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCnox à fonction de stockage des NOx (5), - puis on sur-injecte le réducteur ou le précurseur de réducteur pour convertir par réduction le maximum de NOx, le NH3 en excès en sortie du filtre à particules étant alors traité par oxydation par l’organe catalyseur d’oxydation aval DOCNOx à fonction de stockage des NOx (5) tant que ledit organe contient des NOx stockés.
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