Brevet FR2796102A1 — publié le 20010112

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PURGE EN OXYDES DE SOUFRE D'UN POT CATALYTIQUE DE TRAITEMENT DES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention est relative à un procédé de purge en oxydes de soufre d'un pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote, pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, par réglage de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation du moteur à une valeur prédéterminée et chauffage du pot à une température supérieure ou égale à une température prédéterminée. On connaît de la demande de brevet français n 98 06961, déposée le 3 juin 1998 par la demanderesse, un procédé de commande d'une purge en oxydes de soufre (SOx) d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce pot comprenant des moyens d'adsorption, ou de "piégeage", des oxydes d'azote et, accessoirement, de soufre contenus dans ces gaz d'échappement lorsque le moteur est alimenté avec un mélange air/carburant dit "pauvre", c'est-à-dire dont la richesse en carburant est inférieure à la stoechiométrie. On déclenche une purge du pot en oxydes de soufre par un accroissement de la richesse en carburant du mélange air/carburant. Suivant ce procédé, on évalue, à l'aide d'un modèle, une grandeur représentative de la quantité d'oxydes de soufre stockée dans le pot et on déclenche une purge du pot quand cette grandeur franchit un seuil prédéterminé, fonction de la température du pot. La grandeur prise en compte peut être constituée par la masse d'oxydes de soufre stockée dans le pot, l'efficacité de stockage des oxydes de soufre ou le taux de remplissage du pot en oxydes de soufre. On se reportera à la demande précitée pour plus de détails concernant le calcul de ces grandeurs à l'aide d'un modèle. On décrit encore dans cette demande de brevet des moyens qui permettent, lors d'une purge du pot déclenchée à une température inférieure à ladite température prédéterminée, de réchauffer ce pot jusqu'à cette température. Pour ce faire, on propose de retarder l'instant d'allumage du mélange air/carburant et/ou de brûler une quantité supplémentaire de carburant, injectée pendant la phase de détente ou d'échappement des gaz brûlés. On connaît aussi du brevet des Etats Unis d'Amérique n 5 758 493 un procédé de purge en oxydes de soufre d'un pot catalytique du type à piégeage des oxydes d'azote décrit ci-dessus, suivant lequel on porte la température du pot à celle qui convient pour une telle purge en déclenchant une réaction d'oxydo-réduction exothermique dans le pot. Pour ce faire, les cylindres du moteur produisant les gaz d'échappement traités dans ce pot sont divisés en deux moitiés, les cylindres de l'une de ces moitiés étant alimentés avec un mélange air/carburant riche alors que les cylindres de l'autre moitié sont alimentés avec un mélange air/carburant pauvre, les gaz d'échappement produits par ces deux moitiés étant guidés séparément vers le pot, où ils se mélangent. Comme les gaz d'échappement de la première moitié sont riches en espèces chimiques réductrices (hydrocarbures imbrûlés HC, monoxyde de carbone CO) alors que ceux de la deuxième moitié sont riches en oxygène, il se produit dans le pot une réaction d'oxydo-réduction exothermique qui chauffe le pot jusqu'à la température convenant à la purge du pot en oxydes de soufre, par accroissement temporaire de la richesse moyenne du mélange air/carburant d'alimentation du moteur. On a observé que l'efficacité de ce mode de chauffage du pot décroît quand le pot vieillit ou quand le débit des gaz d'échappement croît. Par ailleurs, selon le procédé décrit dans US 5 758 493, tous les cylindres d'une même moitié sont alimentés soit en mélange air/carburant pauvre, soit en mélange air/carburant riche. Le mode d'alimentation décrit des cylindres ne maximise pas la formation de monoxyde de carbone dans les cylindres alimentés en mélange riche, alors que c'est cette espèce chimique réductrice qui est la plus efficace pour purger le pot en oxydes de soufre. La présente invention a précisément pour but de fournir un procédé de purge en oxydes de soufre d'un pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote, faisant intervenir un chauffage du pot par une réaction d'oxydo réduction exothermique pour porter le pot à la température convenable, ce procédé étant corrigé des inconvénients explicités ci-dessus des procédés connus de la technique antérieure. La présente invention a aussi pour but de réaliser un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de purge en oxydes de soufre d'un pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote, pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, par réglage de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation du moteur à une valeur (RsoX) prédéterminée et chauffage du pot à une température supérieure ou égale à une température prédéterminée, procédé suivant lequel, pour ce chauffage, on alimente au moins des premier et deuxième groupes de cylindres du moteur avec des mélanges air/carburant réglés pour que les gaz d'échappement des cylindres du premier groupe contiennent un excès d'espèces chimiques oxydantes alors que les gaz d'échappement des cylindres du deuxième groupe contiennent un excès d'espèces chimiques réductrices, de manière à provoquer une réaction d'oxydo- réduction exothermique propre à chauffer ledit pot à ladite température prédéterminée, ce procédé étant remarquable en ce qu'on alimente au moins un des cylindres du deuxième groupe avec un mélange air/carburant de richesse élevée de manière à maximiser la production de monoxyde de carbone réducteur par ce cylindre, alors que le ou les autres cylindres du même groupe sont alimentés avec des mélanges pauvres ou stoechiométriques, de manière à régler la richesse moyenne du mélange air/carburant d'alimentation des cylindres du moteur à ladite valeur de richesse (R,,,) prédéterminée. Comme on le verra plus loin en détail, en variant ainsi la richesse du mélange air/carburant d'alimentation des divers cylindres du deuxième groupe, produisant des gaz d'échappement riches en espèces chimiques réductrices, notamment le monoxyde de carbone, on favorise la production de cette espèce chimique et donc le chauffage du pot tiré de la réaction d'oxydo-réduction à laquelle elle participe ainsi que l'efficacité de la purge du pot en oxydes de soufre. Suivant une autre caractéristique du procédé selon l'invention, la réaction d'oxydo-réduction s'opère dans le pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote et dans un conduit commun aux gaz d'échappement sortant des premier et deuxième groupes de cylindres. Suivant encore une autre caractéristique du procédé selon l'invention, au moins un des groupes de cylindres comprend des premier et deuxième sous-groupes de cylindres dont les gaz d'échappement sont riches en espèces chimiques oxydantes et en espèces chimiques réductrices, respectivement, de manière à autoriser une réaction d'oxydo-réduction exothermique dans un pot catalytique d'amorçage recueillant les gaz d'échappement des cylindres desdits premier et deuxième sous-groupes, en amont du conduit commun, ladite réaction exothermique contribuant au chauffage dudit pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote placé en aval dudit conduit. En réchauffant complémentairement ainsi les gaz d'échappement dans le pot d'amorçage et ce conduit, on peut contrer les effets d'un vieillissement du pot à piégeage des oxydes d'azote ou d'un accroissement du débit de gaz d'échappement à traiter dans ce pot, comme on le verra plus loin. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma partiel d'un moteur à combustion interne et de moyens de commande du fonctionnement de ce moteur, et - la figure 2 est un schéma d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention. On a représenté schématiquement à la figure 1 du dessin annexé un moteur à combustion interne, par l'un de ses cylindres 1 équipé d'un piston 2, de soupapes d'admission 3 et d'échappement 4 et d'actionneurs tels qu'un injecteur de carburant 5, une bougie d'allumage 6 et une vanne 7 de commande du débit d'air entrant dans le cylindre, par l'intermédiaire d'une tubulure d'admission 8. Un calculateur 9 gère classiquement le fonctionnement du moteur en traitant des informations venues de divers capteurs, telles que le régime N du moteur, le couple C demandé par le conducteur d'un véhicule propulsé par ledit moteur, etc, etc... On retrouve la vanne 7 et la tubulure 8 dans le dispositif schématisé à la figure 2 où le moteur M représenté comprend une pluralité 11,12,... ln de cylindres, n pouvant être paire ou impair. Les gaz d'échappement produits par la combustion d'un mélange air/carburant dans les cylindres 1i (i de 1 à n) sont recueillis par deux tubulures d'échappement 91,92 associées chacune à un groupe A ou B de cylindres du moteur. C'est ainsi que, dans le mode de réalisation représenté à la figure 2 à titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, les cylindres 11 à 13 (groupe A) débitent des gaz d'échappement dans la tubulure 91 alors que les cylindres 19 à 15 (groupe B) débitent dans la tubulure 92. Les gaz ainsi collectés sont mélangés en amont d'un conduit 10 raccordé à l'entrée d'un pot catalytique trifonctionnel 11 de traitement des gaz d'échappement. Optionnellement, les gaz collectés par les tubulures 91 et 92 peuvent d'abord traverser des pots catalytiques 121,122 respectivement, dits "d'amorçage" traitant, comme cela est bien connu, les gaz d'échappement lorsque le pot catalytique principal 11 n'a pas atteint une température suffisante pour fonctionner efficacement, comme c'est le cas lors d'un démarrage à froid du moteur, par exemple. Le pot 11 comprend des moyens de stockage d'oxydes d'azote NOx quand le moteur est alimenté avec un mélange air/carburant "pauvre" en carburant, les oxydes d'azote stockés étant périodiquement désorbés pour éviter la saturation de sa capacité de stockage. Les oxydes d'azote désorbés sont alors réduits dans le pot 11 en une espèce chimique inoffensive (azote). Les oxydes de soufre contenus dans les gaz d'échappement sont également stockés dans le pot 11, dans les mêmes conditions que les oxydes d'azote. Ils réduisent alors la capacité de stockage du pot 11 en oxydes d'azote et doivent donc être aussi périodiquement désorbés et traités. La purge du pot en oxydes de soufre doit cependant s'opérer, pour être efficace, à une richesse de purge Rsox prédéterminée du mélange air/carburant et à une température du pot supérieure à celle qui autorise la purge du pot en oxydes d'azote. Le calculateur 9 est dûment programmé pour commander ces opérations de purge en oxydes d'azote et en oxydes de soufre. A titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, on pourra se reporter à la demande de brevet français n 97 15775 et à la demande de brevet français n 98 06961 précitée, toutes deux déposées au nom de la demanderesse, pour plus de détails sur des stratégies de commande de purge en oxydes d'azote et en oxydes de soufre respectivement, susceptibles d'être mises en oeuvre par le calculateur 9. Lorsque le calculateur 9 déclenche une purge en oxydes de soufre du pot, il convient que le pot soit porté à une température élevée (supérieure à 650 C). Si ce n'est pas le cas, il faut porter rapidement le pot à cette température pour rendre la purge possible, par un accroissement temporaire à la valeur Rsox de la richesse moyenne du mélange air/carburant d'alimentation du moteur, commandée par le calculateur par un réglage approprié du temps d'ouverture des injecteurs de carburant tels que 5 et de la vanne 7 de réglage du débit d'air admis dans le moteur. Pour ce faire, on réchauffe le pot 11 en y provoquant sélectivement une réaction d'oxydo-réduction exothermique entre un excès d'espèces chimiques oxydantes (oxygène) contenues dans les gaz d'échappement des cylindres du groupe A et un excès d'espèces chimiques réductrices (HC, CO) contenues dans les gaz d'échappement des cylindres du groupe B. Pour ce faire, selon les enseignements de US 5 758 493 précité, on pourrait régler la richesse en carburant du mélange air/carburant de tous les cylindres du groupe A à une valeur correspondant à un mélange pauvre et la richesse correspondante pour tous les cylindres du groupe B à une valeur correspondant à un mélange riche. Ce procédé d'alimentation des cylindres du groupe B n'est pas favorable à une production maximale de monoxyde de carbone, alors que c'est là l'espèce réductrice la plus efficace pour assurer la purge du pot en oxydes de soufre et pour diminuer la surconsommation de carburant qu'exige le chauffage du pot catalytique 11. Suivant la présente invention, on obtient cette production maximale de monoxyde carbone en alimentant un des cylindres du groupe B, par exemple le cylindre 14, avec un mélange air/carburant de richesse en carburant élevée ou très élevée (comprise entre 1,3 et 1,5 par exemple). Pour compenser ce fort enrichissement du mélange air/carburant d'alimentation du cylindre 14 et maintenir la richesse moyenne du mélange air/carburant d'alimentation du moteur à la valeur de purge convenable Rsox (comprise entre 1 et 1,1 par exemple) autorisant en outre une combustion correcte du mélange air/carburant, il convient naturellement de réduire en proportion la richesse du mélange qui alimente l'autre cylindre (15) du groupe B, alors alimenté avec un mélange pauvre ou stoechiométrique, par exemple. Suivant la présente invention, les richesses des mélanges air/carburant d'alimentation des cylindres du moteur et les instants d'allumage de ces mélanges sont commandés par le calculateur 9 de manière que les puissances produites par les combustions dans les différents cylindres soient identiques, que le pot 11 atteigne la température souhaitée pour la purge en oxydes de soufre et que la richesse moyenne soit égale à Rgox, comme on l'a vu plus haut. Pour cela, le calculateur tire les masses de carburant à injecter et les avances à l'allumage requises de tables mises en mémoire, et ceci cylindre par cylindre. Les paramètres d'entrée de ces tables peuvent être le régime N du moteur et/ou le couple C demandé par le conducteur. Ce dernier peut être géré par le calculateur à l'aide de la vanne 7. La réaction d'oxydo-réduction exothermique obtenue comme indiqué ci-dessus peut se développer, bien entendu, non seulement dans le pot 11 mais aussi dans le conduit 10 où les espèces chimiques oxydantes et réductrices en cause sont rassemblées, avant d'entrer dans le pot 11. La réaction d'oxydo-réduction alors obtenue dans le conduit 10 et dans le pot 11 permet normalement d'atteindre la température de pot convenant à la purge en oxydes de soufre, quand une telle purge est commandée par le calculateur 9. Comme on l'a vu plus haut, on a observé cependant que ce résultat n'était pas atteint quand le pot 11 a subi les effets du vieillissement ou quand le débit de gaz d'échappement du moteur est particulièrement élevé. En effet, le pot ne parvient pas alors à oxyder complètement les réducteurs en excès provenant des cylindres du groupe B. Pour compenser la perte thermique alors observée dans le pot, la présente invention permet de préchauffer les gaz qui vont passer dans le pot 11 pendant leur passage dans les pots d'amorçage 121 et 122 et dans le conduit 10. Pour ce faire, le calculateur 9 commande sélectivement l'alimentation de certains cylindres du groupe A avec un mélange riche, le mélange moyen passant dans l'ensemble des cylindres de ce groupe restant pauvre. L'excès d'espèces chimiques réductrices sortant du cylindre brûlant un mélange riche se mélange alors, dans le pot d'amorçage 121, avec un excès d'espèces chimiques oxydantes provenant des autres cylindres, ce qui provoque dans ce pot et, éventuellement, dans le conduit 10, une réaction d'oxydo-réduction exothermique qui préchauffe les gaz d'échappement avant leur entrée dans le pot 11. De même, le calculateur 9 peut commander l'alimentation de certains cylindres du groupe B en mélange pauvre, le mélange moyen restant riche, de manière à provoquer une réaction d'oxydo-réduction exothermique dans le pot d'amorçage 122. Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre le but annoncé, à savoir assurer un chauffage du pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote convenant à une purge de ce pot en oxydes de soufre, celle-ci étant facilitée par le procédé de production décrit de monoxyde de carbone et étant optimisée du point de vue de la consommation en carburant requise par cette purge, tout en étant aussi adaptée éventuellement à un pot catalytique vieilli ou à un débit de gaz d'échappement particulièrement élevé. En outre, la stratégie décrite ci-dessus de commande de l'alimentation du moteur, cylindre par cylindre, permet de chauffer le pot 11 à la température requise sans risque de destruction des pots d'amorçace 121,122. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que les pots catalytiques 121,122 pourraient être physiquement réunis, les flux de gaz qui les traversent restant isolés l'un de l'autre. REVENDICATIONS 1. Procédé de purge en oxydes de soufre (SOx) d'un pot catalytique (11) à piégeage des oxydes d'azote (NOx), pour le traitement des gaz d'échappement d'un moteur (M) à combustion interne par réglage de la richesse du mélange air/carburant d'alimentation du moteur à une valeur (Rgox) prédéterminée et chauffage du pot à une température supérieure ou égale à une température prédéterminée, procédé suivant lequel, pour ce chauffage, on alimente au moins des premier (A) et deuxième (B) groupes de cylindres (1i) du moteur avec des mélanges air/carburant réglés pour que les gaz d'échappement des cylindres du premier groupe (A) contiennent un excès d'espèces chimiques oxydantes alors que les gaz d'échappement des cylindres du deuxième groupe (B) contiennent un excès d'espèces chimiques réductrices, caractérisé en ce qu'on alimente au moins un (1q) des cylindres du deuxième groupe (B) avec un mélange air/carburant de richesse élevée de manière à maximiser la production de monoxyde de carbone (CO) réducteur par ce cylindre, alors que le ou les autres cylindres (15) du même groupe sont alimentés avec des mélanges pauvres ou stoechiométriques, de manière à régler la richesse moyenne du mélange air/carburant d'alimentation des cylindres du moteur (M) à ladite valeur de richesse (Rsox) prédéterminée. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ladite réaction d'oxydo-réduction s'opère dans le pot catalytique à piégeage des oxydes d'azote et dans un conduit commun aux gaz d'échappement sortant des premier et deuxième groupes de cylindres. 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'un au moins desdits groupes (A,B) de cylindres comprend des premier et deuxième sous- groupes de cylindres dont les gaz d'échappement sont riches en espèces chimiques oxydantes et en espèces chimiques réductrices, respectivement, de manière à autoriser une réaction d'oxydo-réduction exothermique dans un pot catalytique d'amorçage (12,12') recueillant les gaz d'échappement des cylindres desdits premier et deuxième sous-groupes, en amont du conduit (10) commun, ladite réaction exothermique contribuant au chauffage dudit pot (11) catalytique à piégeage des oxydes d'azote placé en aval dudit conduit. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des première (91) et deuxième (92) tubulures conçues pour recueillir les gaz d'échappement d'un premier groupe (A) et d'un deuxième groupe (B) respectivement de cylindres (1i) du moteur, un conduit (10) pour réunir les deux courants de gaz d'échappement ainsi recueillis, en amont du pot catalytique (11), à piégeage des oxydes d'azote, des moyens (5,7,9) de commande de la richesse en carburant du mélange air/carburant d'alimentation des cylindres des deux groupes (A, B), propres à assurer la présence, dans les gaz d'échappement des groupes (A) et (B) de cylindres, d'un excès d'espèces chimiques oxydantes et d'un excès d'espèces chimiques réductrices respectivement, lesdits moyens de commande alimentant en outre au moins un (14) des cylindres du groupe (B) avec un mélange air/carburant de richesse élevée propre à maximiser la production de monoxyde de carbone (CO) dans les gaz d'échappement dudit cylindre (14), tout en maintenant la richesse moyenne dudit mélange dans les cylindres du groupe (B) à une valeur prédéterminée. 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre chacune des tubulures (91) et (92) et le pot (11) un pot catalytique d'amorçage (121),(122), respectivement, lesdits moyens de commande (5,7,9) assurant l'alimentation des cylindres des deux groupes (A) et (B) cylindre par cylindre, de manière à provoquer sélectivement une réaction d'oxydo-réduction exothermique dans lesdits pots d'amorçage (121, 122) . 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que ladite réaction d'oxydo-réduction se développe aussi dans un conduit (10) rassemblant les gaz d'échappement des deux groupes (A) et B) de cylindres pour les injecter dans ledit pot (11) à piégeage des oxydes d'azote.