FR2998331A1 - Ensemble de traitement de gaz - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble de traitement de gaz comprenant un substrat (2) comportant entre une face (3) d'entrée des gaz et une face (4) de sortie des gaz, des canaux (5) adjacents de passage des gaz, caractérisé en ce que l'ensemble de traitement de gaz comprend de plus à l'intérieur d'au moins un canal (5) au moins un élément (8) en saillie de la paroi inerte du canal (5) comportant une composition chimique destinée au traitement des gaz.

Description

ENSEMBLE DE TRAITEMENT DE GAZ Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la dépollution des gaz, en particulier des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement à un ensemble de traitement de gaz. Arrière-plan technologique Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes dites Euro VI, relatives aux niveaux d'émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, notamment Diesel, deviennent de plus en plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne les oxydes d'azote (NOx). On connait comme technologie permettant de réduire les émissions d'oxydes d'azote générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne, le piégeage des oxydes d'azote, la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ou encore la recirculation de gaz d'échappement dans la chambre de combustion du moteur. Alors que la recirculation des gaz d'échappement vise à empêcher la formation des oxydes d'azote dans la chambre de combustion, le procédé de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote élimine les oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement. La réduction catalytique sélective utilise un additif appelé agent réducteur injecté dans les gaz d'échappement. La réduction des oxydes d'azote avec cet agent réducteur s'effectue en présence d'un catalyseur approprié pour former des composés inoffensifs (N2, H2O). L'ammoniac (NH3) s'est révélé être l'agent réducteur efficace. L'additif peut aussi être un précurseur de l'ammoniac, par exemple de l'urée qui se décompose dans l'échappement pour libérer l'ammoniac. Cette technique de réduction catalytique sélective peut être mise en oeuvre au moyen d'un dispositif catalytique approprié encore désigné catalyseur SCR (pour l'acronyme anglais « Selective Catalytic Reduction ») placé dans une ligne d'échappement relié au moteur à combustion interne, l'additif étant en pratique, introduit dans la ligne d'échappement en amont du dispositif catalytique SCR dans lequel se produit la réaction de réduction. Un tel dispositif catalytique se compose d'un substrat imprégné en surface d'une composition catalytique apte à faire réagir les oxydes d'azote avec l'agent réducteur. Le substrat peut être en céramique, par exemple de la cordiérite.

Un tel dispositif catalytique peut encore être disposé dans la ligne d'échappement, relativement au sens de circulation des gaz d'échappement en amont ou en aval d'un filtre à particules, encore désigné sous le sigle FAP pour retenir les particules de suie, leur élimination s'effectuant lors d'une phase dite de régénération pendant laquelle la suie accumulée est brûlée. Un filtre à particules se compose d'une structure formée d'un grand nombre de canaux creux dans lesquels passent les gaz d'échappement. Ces canaux sont fermés alternativement pour que les gaz d'échappement chargés de particules soient obligés de passer à travers les parois poreuses du corps en forme de nid d'abeille. Une telle structure filtrante peut être en céramique, par exemple en carbure de silicium.

La ligne d'échappement dispose dans ce cas de deux organes de dépollution disposés en série, ce qui est désavantageux du point de vue du coût et de la longueur d'implantation. De plus les conditions de température élevées requises pour garantir la régénération du filtre à particules sont plus difficiles à respecter avec les deux organes en série en raison du décrément thermique important des gaz d'échappement dû à la longueur d'implantation. On connait, par exemple du document US2010287915A un système SCR/FAP intégré pour lequel les parois des canaux de sortie du filtre à particules sont revêtus d'une composition catalytique SCR. On connait encore, par exemple du document W011128026A un système SCR/FAP intégré dans lequel pour lequel les parois poreuses sont imprégnées d'une composition catalytique pour la réduction sélective des oxydes d'azote.

Cependant le revêtement ou l'imprégnation de la composition catalytique dans paroi poreuse du filtre à particules peut avoir pour inconvénient d'augmenter la perte de charge du filtre à particules ce qui pénalise le fonctionnement du moteur et la détection d'une éventuelle fissuration du filtre ou d'une décision de régénération qui le plus souvent sont diagnostiquée à partir d'un relevé de pression différentielle, donc de la perte de charge, du filtre. L'objectif de l'invention est donc de proposer un dispositif de traitement des gaz d'échappement générés notamment par un moteur thermique qui assure la fonction de filtre à particules et la fonction d'élimination des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective sans perte de charge dégradée et compact afin de ne pas favoriser le refroidissement des gaz d'échappement.

Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un ensemble de traitement des gaz comprenant un substrat comportant, entre une face d'entrée des gaz et une face de sortie des gaz, des canaux adjacents de passage des gaz, caractérisé en ce que l'ensemble de traitement de gaz comprend de plus à l'intérieur d'au moins un canal au moins un élément en saillie de la paroi inerte du canal, ledit élément comportant une composition chimique destinée au traitement des gaz. De cette manière, la composition chimique destinée au traitement des gaz étant concentrée transversalement par rapport à l'axe du canal et non plus étendue sur la paroi interne, une autre fonction de traitement des gaz peut être utilisée sur la paroi interne sans être pénalisé par la composition chimique et sans devoir augmenter substantiellement le volume du substrat.

Dans une variante, l'ensemble de traitement de gaz comporte un insert comprenant l'élément en saillie. De préférence, l'élément en saillie se présente sous la forme d'une hélicoïde.

Dans une variante, l'insert comprend une paroi tubulaire. De préférence, l'insert comprend deux demi-coquilles, les deux demi-coquilles une fois réunies formant la paroi tubulaire de l'insert.

De préférence encore, les deux demi-coquilles comprennent des éléments en saillie se présentant sous la forme de parois transversales en demi-disques, les demi-disques se présentant en quinconce une fois les deux demi-coquilles réunies. Dans une variante, les deux demi-coquilles comprennent des éléments en saillie formant dans chaque demi-coquille une demi-hélicoïde, les deux demi-hélicoïdes formant une hélicoïde une fois les deux demi-coquilles réunies. Dans une autre variante dans laquelle les canaux sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémité pour délimiter des canaux d'entrée s'ouvrant suivant la face d'entrée des gaz et des canaux de sortie s'ouvrant suivant la face de sortie des gaz, l'élément en saillie est disposé dans un canal d'entrée.

Dans une variante, la composition chimique est disposée sur l'élément en saillie de sorte à faire face au flux de gaz traversant le canal. Dans une autre variante, la composition chimique est appropriée à la réduction sélective des oxydes d'azote. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'ensemble de traitement des gaz de l'invention. - La figure 2 est une vue schématique partielle agrandie d'un canal de l'ensemble de traitement des gaz de l'invention. - La figure 3 présente une premier mode de réalisation d'insert de l'ensemble de traitement des gaz de l'invention. - La figure 4 présente une première variante d'insert à deux demi-coquilles de l'ensemble de traitement des gaz de l'invention. - La figure 5 présente une seconde variante d'insert à deux demi-coquilles de l'ensemble de traitement des gaz de l'invention en perspective et en vue de face, les deux demi-coquilles assemblées. - La figure 6 présente une troisième variante d'insert de l'ensemble de traitement des gaz de l'invention. Description détaillée La figure 1 présente un premier mode de réalisation d'un ensemble de traitement des gaz selon l'invention. Dans ce premier mode de réalisation, l'ensemble de traitement des gaz comprend une structure du type filtre à particules. Les filtres à particule permettent le traitement des gaz et l'élimination des suies typiquement issues des gaz d'échappement d'un moteur thermique en particulier de type Diesel.

Plus précisément un tel ensemble de traitement des gaz comprend un substrat 2 encore désigné support. Le substrat peut être une céramique poreuse telle que du carbure de silicium avec une porosité qui se situe autour de 50%, avec une taille moyenne de pores d'approximativement 10 pm. Le substrat 2 comporte une face 3 d'entrée des gaz permettant l'admission des gaz d'échappement à traiter et une face 4 des gaz de sortie permettant l'évacuation des gaz d'échappement traités. Le substrat 2 présente généralement une structure en nid d'abeille, autrement dit le substrat 2 comporte entre sa face 3 d'entrée des gaz et sa face 4 de sortie des gaz, des conduits ou canaux 5 adjacents de passage des gaz, d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses. Les canaux 5 peuvent être de section diverses par exemple être de section carrée ou circulaire. Les canaux 5 sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémité pour délimiter des canaux 5a d'entrée s'ouvrant suivant la face 3 d'entrée des gaz et des canaux 5b de sortie s'ouvrant suivant la face 4 de sortie des gaz. De plus, les canaux 5 sont alternativement obturés, par exemple par des bouchons 6 en céramique dans un ordre tel que les gaz d'échappement dont le sens de circulation est illustré par les flèches 7, au cours de la traversée du substrat 2, sont contraints de traverser les parois latérales des canaux 5a d'entrée pour rejoindre les canaux 5b de sortie. De cette manière, les particules ou suies se déposent contenues dans les gaz d'échappement et s'accumulent sur les parois poreuses du substrat 2 du côté des canaux d'entrée 5a. Comme l'illustre la figure 2, conformément au principe de l'invention, l'ensemble de traitement des gaz comprend à l'intérieur d'au moins un canal 5a au moins un élément 8 en saillie de la paroi inerte dudit canal 5a. L'élément 8 en saillie comporte une composition chimique 9 destinée au traitement de gaz à dépolluer, c'est-à-dire une composition chimique apte supprimer au moins un composé présent dans les gaz et jugé polluant, par exemple par capture ou décomposition, par exemple décomposition catalytique, dudit composé. La composition chimique est de préférence disposée en surface de l'élément 8 en saillie, par exemple sous la forme d'un revêtement obtenu par imprégnation de surface. Cette disposition particulière permet d'avoir une composition chimique 9 déposée ailleurs que sur la paroi interne du canal 5, en fait sur une excroissance transversale à l'axe du canal, donc d'avoir une composition chimique disposé de sorte à présenter une surface de réaction, Sr, avec les gaz supérieure à la surface, Se, prise par l'élément 8 en saillie sur la paroi interne du canal 5a et donc d'assurer une fonction supplémentaire de traitement des gaz sans pénaliser la perte de charge substrat 2. L'élément 8 en saillie peut avoir diverses formes telles d'un picot, une dent, une collerette.... On peut prévoir d'avoir plusieurs éléments dans plusieurs canaux pour augmenter la surface totale de réaction et donc l'efficacité du traitement.

De préférence, la composition chimique comprend une composition catalytique appropriée à la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote par réaction avec un agent réducteur ajouté aux gaz d'échappement. On obtient ainsi un ensemble de traitement des gaz qui intègre pour un même volume d'enveloppe la fonction filtre à particules et catalyseur de réduction sélective des oxydes d'azote. De plus, la disposition selon l'invention de la composition catalytique sur l'élément en saillie permet d'ajouter la fonction de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote tout en ne dégradant que très peu la perte de charge du filtre à particules car la prise de surface de l'élément 8 en saillie est faible. L'agent réducteur peut être par exemple de l'ammoniac ou un précurseur de l'ammoniac comme de l'urée.

La figure 1 montre des éléments 8 en saillie disposés avantageusement dans les canaux 5a d'entrée. Il est également possible de disposer des éléments 8 en saillie comportant la composition chimique dans les canaux 5b de sortie, cependant l'effet du traitement des gaz par la composition chimique peut être limité par la paroi filtrante, par exemple dans le cas où les gaz ont été additivés d'un agent réducteur, car le substrat 2 peut dans ce cas retenir par filtration le passage d'une partie de l'agent réducteur. Comme le montre encore la figure 2, la composition 9 chimique peut être disposée de sorte à faire face au flux de gaz traversant le canal 5. En effet, les reflux de gaz sur la partie de l'élément 8 en saillie qui fait dos au flux de gaz sont limités. Cette disposition permet ainsi de limiter la quantité de composition chimique utilisée donc de réduire le coût sans trop pénaliser la fonction de traitement des gaz assurée par la composition chimique.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'ensemble de traitement des gaz comporte un insert comprenant l'élément 8 en saillie. Un tel mode de réalisation est avantageux car il permet, par une opération d'assemblage, d'ajouter aisément au substrat les éléments 8 comportant la composition chimique 9. Il permet aussi d'avoir une liberté totale du choix des canaux à aménager avec des inserts, ce qui permet d'optimiser le nombre et la disposition des inserts dans les canaux en fonction de l'efficacité recherchée du traitement des gaz.

Dans une premier mode de réalisation d'insert 10 présentée en figure 3, l'insert 10 comprend une paroi 11 tubulaire. La paroi 11 tubulaire est ajourée au moins à l'extrémité destinée à être du côté de la face 3 d'entrée ou de la face 4 de sortie (figure 1) selon le montage prévu. Les éléments 8 en saillie sont disposés à l'intérieur de l'insert 10 tubulaire sur la paroi, par exemple comme illustrée par la figure 3 dans un alignement en peigne de picots. La section transversale de l'insert 10 présente de préférence la même forme géométrique que celle du canal du substrat 2 destiné à recevoir ledit insert 10. L'assemblage est alors réalisé en faisant coulisser l'insert 10 dans le canal du substrat. La paroi 11 de l'insert 10 est poreuse de sorte à pouvoir laisser passer les gaz d'échappement à travers le substrat 2. La paroi de l'insert 10 peut être dans une céramique poreuse. Une première variante d'insert 10 est présentée en figure 4. Cette variante diffère du premier mode de réalisation d'insert 10 présenté à la figure 3 en ce qu'il comprend deux demi-coquilles 10a, 10b, les deux demi-coquilles 10a, 10b une fois réunies formant la paroi tubulaire de l'insert 10. Le fait d'avoir une configuration en deux demi-coquilles permet une fabrication plus simple de l'insert avec ses éléments 8 en saillie et une réalisation plus simple du dépôt de la composition chimique.

Une seconde variante d'insert 10 est présentée en figure 5. Cette seconde variante diffère de la première variante d'insert 10 présenté à la figure 4 en ce que les deux demi-coquilles 10a, 10b comprennent des éléments 8 en saillie se présentant sous la forme de paroi transversale en demi-disques, les demi-disques se présentant en quinconce une fois les deux demi-coquilles 10a, 10b réunies. Cette configuration est peu pénalisante sur les pertes de charge dans le canal et permet une surface de réaction importante. Une troisième variante d'insert 10 est présentée en figure 6. Cette troisième variante diffère de la première variante d'insert 10 présenté à la figure 4 en ce que les deux demi-coquilles 10a, 10b, comprennent des éléments 8 en saillie formant dans chaque demi- coquilles 10a, 10b, une demi-hélicoïde, les deux demi-hélicoïdes formant une hélicoïde une fois les deux demi-coquilles 10a, 10b réunies. Cette configuration autorise une surface de réaction importante. On peut prévoir des demi-hélicoïdes axialement évidées, de sorte à former un évidement central lorsque les deux demi-coquilles 10a, 10b sont réunies.

Dans un autre mode de réalisation (non représenté) de l'insert, celui-ci comporte l'élément 8 comprenant la composition chimique de traitement des gaz. Dans ce mode de réalisation l'insert ne comprend pas de paroi tubulaire. A l'assemblage, l'insert vient se mettre en place dans son canal, l'élément comportant la composition chimique venant au contact de la paroi interne du canal et assurant le maintien de l'insert dans son canal. Dans ce mode de réalisation, l'insert peut comprendre un élément 8 se présentant sous la forme d'une hélicoïde dont les bords assure le contact avec la paroi interne du canal. On peut également prévoir une hélicoïde comprenant un évidement central. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment. Dans un autre mode de réalisation de l'ensemble de traitement des gaz, celui-ci peut comporter entre une face d'entrée des gaz et une face de sortie des gaz, des canaux adjacents de passage des gaz ouverts à leurs deux extrémités.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble de traitement de gaz comprenant un substrat (2) comportant, entre une face (3) d'entrée des gaz et une face (4) de sortie des gaz, des canaux (5) adjacents de passage des gaz, caractérisé en ce que l'ensemble de traitement de gaz comprend de plus à l'intérieur d'au moins un canal (5, 5a) au moins un élément (8) en saillie de la paroi inerte du canal (5), ledit élément (8) comportant une composition chimique (9) destinée au traitement des gaz.
2. 2. Ensemble de traitement de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un insert comprenant l'élément (8) en saillie.
3. 3. Ensemble de traitement de gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément (8) en saillie se présente sous la forme d'une hélicoïde.
4. 4. Ensemble de traitement de gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'insert (10) comprend une paroi (11) tubulaire.
5. 5. Ensemble de traitement de gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'insert (10) comprend deux demi-coquilles (10a, 10b), les deux demi-coquilles (10a, 10b) une fois réunies formant la paroi tubulaire de l'insert (10).
6. 6. Ensemble de traitement de gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles (10a, 10b) comprennent des éléments (8) en saillie se présentant sous la forme de parois transversales en demi-disques, les demi-disques se présentant en quinconce une fois les deux demi-coquilles (10a, 10b) réunies.
7. 7. Ensemble de traitement de gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles (10a, 10b) comprennent des éléments (8) en saillie formant dans chaque demi-coquille (10a, 10b) une demi-hélicoïde, les deux demi-hélicoïdes formant une hélicoïde une fois les deux demi-coquilles (10a, 10b) réunies.
8. 8. Ensemble de traitement de gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (5) étant obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémité pour délimiter des canaux (5a) d'entrée s'ouvrant suivant la face (3) d'entrée des gaz et des canaux (5b) de sortie s'ouvrant suivant la face (4) de sortie des gaz, l'élément (8) en saillie est disposé dans un canal (5a) d'entrée.
9. 9. Ensemble de traitement de gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition chimique (9) est disposée sur l'élément (8) en saillie de sorte à faire face au flux de gaz traversant le canal (5).
10. 10. Ensemble de traitement de gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition chimique est appropriée à la réduction sélective des oxydes d'azote.