Brevet FR2783280A1 — publié le 20000317

La présente invention est relative à un procédé de commande de purge des oxydes d'azote accumulés dans un pot catalytique de traitement de gaz d'échappement d'un moteur diesel. Un procédé de ce type est décrit dans la demande de brevet français 97 15 775 déposée le 12 décembre 1997 au nom de la Demanderesse. Dans ce document, on peut lire notamment que les lignes d'échappement des moteurs à combustion interne peuvent être équipées de pots catalytiques qui outre les produits nocifs qui sont les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone et les oxydes de souffre, permettent également de traiter les oxydes d'azote (ci-après NOx). Cependant, comme on tend à faire fonctionner le plus souvent les moteurs en les alimentant avec un mélange pauvre qui empêche la réduction dans le pot catalytique des NOx, on a mis au point des procédés permettant de traiter ces oxydes en établissant deux phases de fonctionnement alternant pendant le fonctionnement du moteur. Une première phase consiste alors à accumuler les NOx dans un pot catalytique apte à les stocker pendant que le moteur fonctionne en mélange pauvre, l'autre phase, beaucoup plus courte que la première, étant destinée à régénérer les NOx ainsi accumulés, en alimentant le moteur temporairement avec un mélange stoechiométrique ou sur- stoechiométrique. En d'autres termes, de la sorte pendant la seconde phase du processus, on limite dans la ligne d'échappement la concentration en espèces oxydantes par rapport à la concentration en espèces réductrices comme les hydrocarbures (ci-après HC) ou le monoxyde de carbone (ci-après CO), ce qui facilite l'élimination des NOx. La demande de brevet précitée a surtout pour but de fournir un procédé permettant d'établir alternativement les phases de fonctionnement que l'on vient brièvement d'évoquer en fonction de divers paramètres tels que la température et le taux de remplissage du pot catalytique. On connaît par ailleurs différentes méthodes visant, soit à déterminer la richesse du mélange pendant la phase de régénération du pot catalytique, soit à augmenter la concentration des HC et du CO dans la ligne d'échappement. Par exemple, une façon de passer d'un mélange pauvre à un mélange riche dans le cadre d'un moteur diesel est décrite dans EP 560 991 dans lequel on propose de faire varier la position d'un papillon disposé dans le circuit d'admission du moteur. Pour augmenter la concentration en HC dans la ligne d'échappement, il est connu de post-injecter du carburant, ce qui résulte notamment des documents suivants: FR 95 07 869, JP 61 59 065, JP 61 17 225, JP 61 17 228 et JP 51 69 993. Enfin, dans le but de favoriser l'adsorption à basse température des NOx par le piège, le document EP 597 106 propose de placer un catalyseur d'oxydation en amont de ce piège. L'invention a pour but de fournir un procédé de commande de purge d'un piège des NOx permettant d'améliorer la régénération du piège par une réduction plus efficace des NOx. L'invention a donc pour objet un procédé de commande de purge des oxydes d'azote dans une ligne d'échappement d'un moteur diesel, cette ligne d'échappement comprenant un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement formant piège pour les oxydes d'azote et dans lequel sont stockés les oxydes d'azote pendant des phases de stockage alternant avec des phases de régénération conduisant à la purge du pot catalytique, ledit moteur étant alimenté avec un mélange pauvre pendant les phases de stockage et avec un mélange à richesse augmentée pendant les phases de purge, ce procédé consistant pendant ladite phase de purge à: - accroître le taux de HC dans ladite ligne d'échappement par post-injection de carburant, et - diminuer la concentration en oxygène et augmenter la concentration en monoxyde de carbone des gaz d'échappement dans un catalyseur d'oxydation placé en amont dudit pot catalytique, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste en outre à prélever, sur le collecteur d'échappement dudit moteur, un volume prédéterminée des gaz brûlés et à reinjecter ce volume des gaz d'échappement dans le collecteur d'admission du moteur, et en ce que pendant ladite phase de régénération le débit des gaz ainsi reinjectés est supérieur au débit d'air frais admis dans ledit moteur. Ainsi, grâce au procédé de l'invention, consistant à cumuler, d'une part la diminution du taux d'oxygène dans les gaz d'échappement et l'injection supplémentaire de HC dans la ligne d'échappement et d'autre part une recirculation prédéterminée des gaz d'échappement vers l'admission du moteur par rapport à l'air frais admis, on obtient une meilleure réduction globale des NOx nocifs. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - le procédé consiste à obturer l'admission d'air frais audit moteur pendant ladite phase de régénération; - le volume de gaz brûlés reinjecté est déterminé en fonction d'une cartographie tenant compte d'une limitation à une valeur acceptable, des fumées dans les gaz d'échappement; - ledit moteur étant du type à rampe commune, la post-injection de carburant est effectuée grâce à cette rampe commune; - la post- injection de carburant peut également être effectuée dans ladite ligne d'échappement en amont dudit catalyseur d'oxygène; - la post- injection est déterminée en fonction d'une cartographie établie pour limiter à une valeur acceptable la surconsommation de carburant, tout en assurant la stabilité de la combustion dans le moteur. - en vue de déterminer la richesse du mélange envoyé dans le moteur, on mesure le taux d'oxygène des gaz d'échappement dans ladite ligne d'échappement entre ledit catalyseur et ledit pot catalytique et le résultat de cette mesure est utilisé pour commander la quantité d'air frais envoyée dans le moteur; - le procédé consiste, pendant la phase de stockage, à calculer une donnée de débit des NOx à l'entrée dudit pot catalytique à partir d'une cartographie en fonction du régime dudit moteur et du débit du carburant envoyé dans celui-ci, et en ce que à partir de cette donnée de débit est calculée la quantité de NOx accumulée dans ledit pot catalytique en prenant en compte les températures des gaz d'échappement à l'entrée et à la sortie dudit pot catalytique; - ladite phase de régénération est déclenchée, lorsque la quantité calculée de NOx dépasse une valeur prédéterminée; - pendant ladite phase de régénération, la quantité de NOx régénérée dans ledit pot catalytique est calculée en fonction d'une durée de régénération préétablie et de la richesse mesurée dudit mélange; - à la fin de la phase de régénération, la quantité résiduelle calculée de NOx dans ledit pot catalytique, est utilisée comme base pour le calcul de la quantité de NOx s'accumulant dans ledit pot catalytique pendant la phase de stockage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un système de purge d'un piège de NOx associé à un moteur diesel suralimenté et mettant en oeuvre le procédé selon l'invention à l'aide d'une post-injection de HC dans le moteur lui-même; - la figure 2 est un schéma analogue d'un système dans lequel la post-injection de HC est effectuée dans la ligne d'échappement, également en association avec un moteur diesel suralimenté; - la figure 3 montre un schéma analogue, dans lequel le moteur est à alimentation atmosphérique; - la figure 4 est un graphe illustrant en fonction du temps l'influence d'un catalyseur d'oxydation sur la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement juste en amont du piège de NOx; et - la figure 5 est un schéma fonctionnel illustrant les opérations mises en oeuvre par le procédé de l'invention pendant les phases de stockage et de régénération des NOx dans le piège. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur diesel 1 raccordé à un collecteur d'admission 2 et à un collecteur d'échappement 3. Le moteur est alimenté en carburant en 4, de préférence au moyen d'une rampe commune de distribution de carburant ("common rail"). Le collecteur d'admission est connecté à un refroidisseur 5 d'air de suralimentation par une canalisation 6 dans laquelle sont prévues des première et seconde vannes 7 et 8, à commande automatique respectivement par un actionneur approprié (non représenté). Le refroidisseur 5 reçoit de l'air frais d'un compresseur 9 alimenté en air extérieur à travers un filtre 10, un débitmètre d'air 11 étant prévu entre le compresseur 9 et ce filtre 10. Le collecteur d'échappement 3 est raccordé à une canalisation 12 sur laquelle est branchée une canalisation 13 de recirculation des gaz d'échappement qui est connectée à la vanne 8. La position de celle- ci peut ainsi déterminer le taux de recirculation des gaz d'échappement vers le collecteur d'admission 2. La vanne 7 permet de régler le débit d'air frais admis au moteur 1. La canalisation 12 est connectée à une turbine 14 entraînant le compresseur 9 de la façon bien connue. Cette turbine 14 fait passer les gaz d'échappement provenant du moteur dans un tuyau 15 dans lequel sont insérés successivement un catalyseur d'oxydation 16 et un pot catalytique 17 conçu notamment, de façon également connue en soi, pour pouvoir adsorber les NOx contenus dans les gaz d'échappement. Une sonde à oxygène 18 est placée sur le tuyau 15 entre le catalyseur 16 et le pot catalytique 17. Il est à noter que tous les organes de commande et toutes les sondes de mesure sont raccordés à un calculateur de gestion CG du fonctionnement du moteur 1 à l'aide de lignes électriques appropriées qui sont seulement ébauchées par soucis de simplification. Le système de commande que l'on vient de décrire fonctionne avec une post-injection de HC dans le moteur lui-même, par l'intermédiaire de la rampe commune de distribution (non représentée), cette post-injection étant symbolisée par la flèche 19 tracée dans le rectangle symbolisant le moteur 1. Les instants de post- injection sont gérés par le calculateur de gestion CG selon des règles qui sont encore à décrire. On remarquera que sur les figures 1 à 3, l'écoulement des gaz frais est indiqué par des flèches en traits continus et celui des gaz brûlés par des flèches en traits pointillés, comme précisé par la légende de chacune de ces figures. La figure 2 schématise un système de commande de purge très semblable à celui de la figure 1, la différence résidant dans le fait qu'une postcombustion est prévue non pas dans le moteur 1 lui- même, mais dans le tuyau 15 par l'intermédiaire d'un injecteur 20 dont la commande fait l'objet de règles particulières également encore à décrire. La figure 3 schématise un système de commande de purge pour un moteur à remplissage atmosphérique, les organes analogues à ceux des figures 1 et 2 étant indiqués par les mêmes références numériques. Dans ce cas, la post-injection peut être réalisée dans le moteur 1 comme indiqué en 19 ou également par un injecteur de HC tel que l'injecteur 20 représenté sur la figure 2, mais omis dans la figure 3. La figure 4 est un graphe montrant en fonction du temps, la concentration en oxygène en amont du catalyseur 16 (trait continu) et en aval de ce catalyseur (pointillés), juste avant et juste après une transition T entre une phase de stockage à mélange pauvre (PS, partie gauche du graphe) et une phase de régénération à mélange riche (PD, partie droite du graphe). On voit que le catalyseur 16 apporte une diminution de la concentration en oxygène et par conséquent une augmentation de la concentration en monoxyde de carbone dans les gaz d'échappement avant que ceux-ci ne rentrent dans le pot catalytique, d'o une meilleure réduction des oxydes d'azote. On va maintenant se référer à la figure 5 pour décrire plus précisément les étapes du procédé selon l'invention. Comme déjà indiqué, pendant le fonctionnement du moteur 1, ce procédé consiste à exécuter en alternance deux phases dont l'une est une phase de stockage des NOx et dont l'autre est une phase de régénération des NOx. Chacune des phases implique plusieurs étapes de procédé qui sont exécutées au cours de cycles successifs du calculateur CG associé au moteur 1, ce calculateur gérant, outre le procédé de l'invention, tous les autres processus de fonctionnement du moteur 1, comme son alimentation en carburant, sa régulation de régime etc. A cet effet, au cours de cycles de travail consécutifs, il exécute chaque fois un programme complet de commande avec un récurrence donnée. Le calculateur de gestion CG reçoit d'un certain nombre de capteurs divers paramètres de fonctionnement utilisés pour le procédé selon l'invention. En outre, il comporte plusieurs tables dans lesquelles sont mémorisées des cartographies, relevées de préférence sur banc d'essai. Pendant la phase de stockage des NOx dans le pot catalytique 17, les vannes 7 et 8 sont commandées à l'ouverture par une section de commande du calculateur de gestion CG représentée en SC sur les figures 1 à 3 et 5. Les signaux de commande nécessaires à cet effet sont produits par cette section tant qu'un signal d'activation véhiculé sur une ligne 24 demeure dans un état inactif. Pendant cette phase de stockage, la même section de commande SC n'envoie aucun signal de commande de postinjection, soit à la rampe commune 19, soit à l'injecteur 20. Comme représenté également sur la figure 5, la phase de stockage des NOx consiste à effectuer successivement des cycles de travail qui débutent par une opération d'évaluation 21 consistant à extraire d'une table de cartographie une valeur V1 de débit de NOx à l'entrée du pot catalytique 17, cette table donnant une telle valeur V1 en fonction d'un paramètre Pl qui est le régime du moteur 1 et d'un paramètre P2 qui est le débit du carburant envoyé dans celui-ci. La valeur V1 de débit de NOx est utilisé pour une autre opération 22 du procédé par laquelle le calculateur calcule, à l'aide d'un algorithme approprié, une quantité V2 de NOx accumulée dans le pot catalytique 17 depuis le cycle de travail précédent n-1 du calculateur. Pour ce calcul sont pris en compte la valeur V1, un paramètre P3 représentant la température à l'entrée du pot 17 et un paramètre P4 représentant la température en aval de ce pot 17. La quantité V2 est additionnée à une valeur V3 cumulée depuis les précédents cycles de travail, cette valeur représentant la quantité totale de NOx stockée jusqu'au cycle de travail en cours. Pendant une opération 23 du procédé, la valeur V2 est comparée à une valeur V4 représentant la quantité maximale de NOx que pourra contenir le pot catalytique 17, avant qu'une régénération ne doit être entreprise. Tant que la valeur V2 demeure inférieure à la valeur V4, le processus d'accumulation se poursuit. Cependant, dès que la valeur V4 est franchie, la phase de régénération est enclenchée par le signal qui transite sur la ligne 24, ce signal étant alors activé. Pendant cette phase de régénération, la position de la vanne d'admission 7 est régulée par la section de commande SC qui fait appel à une table 25 enregistrée sous forme de cartographie de limitation de fumées. La vanne 7 peut éventuellement être fermée totalement pendant la phase de purge. La section de commande SC détermine également la position de la vanne 8 de manière à augmenter le débit des gaz recyclés vers l'admission du moteur 1 de telle manière que ce débit soit supérieur à celui de l'air frais passant par la vanne 7. La section de commande détermine également le taux de post-injection en régulant la post- injection, soit au niveau de la rampe commune 19, soit au niveau de l'injecteur 20 placé en amont du catalyseur 16. Cette régulation de post- injection est réalisée moyennant la consultation d'une table 26 dans laquelle sont déposées des valeurs de post-injection limitant la surconsommation et ne nuisant pas à la stabilité de la combustion dans le moteur 1. La sonde à oxygène proportionnel 18 mesure la richesse en aval du catalyseur 16 et la valeur de richesse mesurée est également utilisée par la section de commande SC pour réguler la position de la vanne d'admission 7. Pendant la phase de régénération une opération 27 consiste à déterminer le taux d'efficacité de régénération en fonction d'une information de durée 28 et l'information de richesse 29. Dès que pendant l'opération 27, il est constaté que l'état de chargement du pot catalytique 17 descend en-dessous d'une valeur prédéterminée, un signal de fin de régénération est produit sur la ligne 30 qui véhicule également une information concernant la quantité résiduelle de NOx restant dans le pot catalytique 17 après la phase de régénération, afin de servir de nouvelle base à l'opération de cumul des quantités de NOx stockées dans ce pot catalytique. Le signal de fin de régénération fait démarrer une nouvelle phase de stockage, le signal sur la ligne 24 étant désormais de nouveau dans un état dans lequel il désactive la commande de régénération relative aux vannes 7 et 8 et à la post-injection au niveau de la rampe commune 19 ou de l'injecteur 20. Le procédé selon l'invention implique ainsi une alternance de phases de stockage et de régénération en NOx du pot catalytique 17, la réduction des NOX étant particulièrement efficace en raison du cumul des diverses opérations effectuées par le procédé selon l'invention, tout en limitant l'émission de fumées et la surconsommation. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de purge des oxydes d'azote dans une ligne d'échappement (12, 15) d'un moteur diesel (1), cette ligne d'échappement (12, 15) comprenant un pot catalytique (17) de traitement des gaz d'échappement formant piège pour les oxydes d'azote et dans lequel sont stockés les oxydes d'azote pendant des phases de stockage alternant avec des phases de régénération conduisant à la purge du pot catalytique (17), ledit moteur (1) étant alimenté avec un mélange pauvre pendant les phases de stockage et avec un mélange riche pendant les phases de purge, ce procédé consistant pendant ladite phase de purge à: - accroître le taux de HC dans ladite ligne d'échappement (12, 15) par post-injection de carburant (19, 20), et - diminuer la concentration en oxygène et augmenter la concentration en monoxyde de carbone des gaz d'échappement dans un catalyseur d'oxydation (16) placé en amont dudit pot catalytique (17), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste en outre à prélever, sur le collecteur d'échappement (3) dudit moteur (1), un volume prédéterminée des gaz brûlés et à reinjecter ce volume des gaz d'échappement dans le collecteur d'admission (2) du moteur (1), et en ce que pendant ladite phase de régénération le débit des gaz ainsi reinjectés est supérieur au débit d'air frais admis dans ledit moteur. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à obturer l'admission d'air frais (2) audit moteur pendant ladite phase de régénération. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le volume de gaz brûlés reinjecté est déterminé en fonction d'une cartographie (26) tenant compte d'une limitation à une valeur acceptable, des fumées dans les gaz d'échappement. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit moteur (1) est du type à rampe commune et en ce que la post- injection de carburant est effectuée grâce à cette rampe commune (19). 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la post- injection de carburant (20) est effectuée dans ladite ligne d'échappement (12, 15) en amont dudit catalyseur d'oxygène (16). 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la post- injection est déterminée en fonction d'une cartographie (26) établie pour limiter à une valeur acceptable la surconsommation de carburant, tout en assurant la stabilité de la combustion dans ledit moteur (1). 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 6, caractérisé en ce qu'en vue de déterminer la richesse du mélange envoyé dans le moteur (1), on mesure le taux d'oxygène des gaz d'échappement (18) dans ladite ligne d'échappement (12, ) entre ledit catalyseur (16) et ledit pot catalytique (17) et en ce que le résultat de cette mesure est utilisé pour commander la quantité d'air frais envoyée dans le moteur (1). 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, pendant la phase de stockage à calculer une donnée de débit (V1) des NOx à l'entrée dudit pot catalytique à l'aide d'une cartographie (21) en fonction du régime dudit moteur et du débit du carburant envoyé dans celui-ci (P1, P2), et en ce que à partir de cette donnée de débit (Vl) est calculée la quantité de NOx (V2) accumulée dans ledit pot catalytique (17) en prenant en compte les températures des gaz d'échappement à l'entrée et à la sortie dudit pot catalytique (P3, P4). 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite phase de régénération est déclenchée, lorsque la quantité calculée de NOx dépasse une valeur prédéterminée (V4). 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pendant ladite phase de régénération, la quantité de NOx régénérée dans ledit pot catalytique est calculée (27) en fonction d'une durée de régénération préétablie (28) et de la richesse (29) mesurée dudit mélange. 11. Procédé suivant les revendications 9 et 10 prises ensemble, caractérisé en ce que, à la fin de la phase de régénération, la quantité résiduelle calculée de NOx (V3) dans ledit pot catalytique (17), est utilisée comme base pour le calcul de la quantité de NOx s'accumulant dans ledit pot catalytique pendant la phase de stockage.