Brevet FR2802443A1 — publié le 20010622

Installation d'épuration des qaz d'échappement avec catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote et piège à oxyde de soufre et son procédé de fonctionnement L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement comprenant un accumulateur à adsorption d'oxyde d'azote et un piège à oxyde de soufre, lequel - lors des phases de fonctionnement normal, les gaz d'échappement à épurer sont d'abord passés par le piège à SOx puis par l'accumulateur à adsorption de NOx et les phases de fonctionnement normal sont interrompues de temps à autre par des phases de désulfatation visant à désulfater le piège à SOx L'invention concerne également un dispositif d'épuration des gaz d'échappement susceptible de fonctionner selon ce procédé. Les dispositifs d'épuration de gaz d'échappement munis d'un accumulateur à adsorption d'oxyde d'azote (NOx) tel qu'un catalyseur adsorbeur de NOx, sont utilisés en particulier dans les véhicules automobiles munis d'un moteur à combustion, afin de minimiser l'expulsion d'oxyde d'azote par le moteur à combustion. A cette fin, comme on le sait, dans les phases de fonctionnement dans lesquelles règnent des conditions désavantageuses de réduction d'oxyde d'azote, tel qu'en fonctionnement en mélange pauvre, l'oxyde d'azote est soumis à un stockage intermédiaire dans l'accumulateur de NOx, par le biais d'un processus fonctionnant par adsorption, oxyde d'azote qui, ensuite, peut être converti de nouveau en azote pendant une phase de fonctionnement à réduction ultérieure, convenant à cette fin, tel que lorsque l'on fonctionne en mélange riche. On entend ici, tel qu'usuellement, par fonctionnement en mélange pauvre ou en mélange riche, un fonctionnement avec une composition de gaz d'échappement riche en oxygène ou pauvre en oxygène, par exemple ceci étant provoqué par un f 2 fonctionnement moteur avec un taux d'air du moteur maigre ou riche, c'est-à-dire un rapport air/carburant situé au- dessus ou au-dessous de la valeur stoechiométrique, concernant le mélange air/carburant brûlé dans le moteur. Avec le piège à SOx, on évite d'avoir un empoisonnement au soufre de l'adsorbeur de NOx. Ceci vient de ce que, en particulier lorsque le moteur fonctionne en mélange pauvre, du fait du soufre qui est contenu dans les carburants et les huiles moteurs usuelles, il y a présence dans les gaz d'échappement de dioxyde de soufre, qui est capté par l'adsorbeur de NOx, par formation de sulfate, ce qui diminue sa capacité de stockage en NOx. Le piège à SOx, empêche cela par le fait qu'il capte en les piégeant les oxydes de soufre avant l'atteinte de l'accumulateur à adsorption de NOx. Au plus tard lorsque sa capacité d'accumulateur de NOx est épuisée, il est soumis à un processus de désulfatation. Pour obtenir une désulfatation efficace, il est connu de régler des températures de gaz d'échappement élevées, de par exemple plus de 600 C, et de régler un rapport d'air dans les gaz d'échappement qui soit riche, c'est-à-dire inférieur à la valeur stoechiométrique. Dans l'ancienne demande de brevet allemand 199 22 962, non prépubliée, sont décrits un autre procédé spécial permettant de désulfater périodiquement un accumulateur d'oxyde d'azote ou d'oxyde de soufre appartenant à un dispositif d'épuration de gaz d'échappement, ceci en utilisant des moyens d'amenée d'air secondaire. Dans ce procédé, le dispositif d'épuration des gaz d'échappement est exploité pendant une partie de la période de désulfatation de manière que, après atteinte d'une température de désulfatation non prédéterminable, le rapport d'air d'accumulateur, c'est-à-dire le rapport d'air dans les gaz d'échappement ' amenés à l'accumulateur en désulfatation, est commuté de façon oscillatoire, par une modification correspondante de la quantité d'air secondaire amenée, entre une atmosphère oxydante, d'une part, et une atmosphère réductrice, d'autre part. Dans le brevet DE 197 47 222 Cl est décrit un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'épuration de gaz d'échappement pour lequel, selon les besoins, de temps à autre, un catalyseur accumulateur de NOx est désulfaté, c'est-à-dire est débarrassé du sulfate qui s'y est déposé. Le dispositif d'épuration des gaz d'échappement comprend des moyens d'amenée d'air secondaire, avec une conduite d'air secondaire et une pompe d'air secondaire qui, par exemple, peut être commandée par un appareil de commande de moteur. Dans la régénération périodique classique du piège à SOx pose problème le fait que le catalyseur accumulateur de NOx aval est pollué par les composants soufrés dégagés du piège à SOx, ce qui peut mener, dans des cas désavantageux, à un blocage partiel de son aptitude d'accumulateur de NOx par accumulation de sulfate. Le DE 196 02 631 Al décrit un dispositif d'épuration de gaz d'échappement du type du préambule, pour lequel ces problèmes sont maîtrisés par le fait qu'on prévoit dans le système de gaz d'échappement une dérivation qui contourne le catalyseur accumulateur de NOx, dérivation par laquelle les gaz d'échappement sont passés pendant une désulfatation respective du catalyseur accumulateur de Sox, en coutournant le catalyseur accumulateur de NOx. L'invention a comme problème technique la fourniture d'un dispositif d'épuration de gaz d'échappement et un procédé de fonctionnement du type cité au début, qui permettent avec un coût aussi faible que possible d'opérer une désulfatation du piège à SOx sans qu'il ait risque d'un empoisonnement au soufre du catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote. L'invention résout ce problème par la fourniture d'un procédé de fonctionnement caractérisé en ce que, pendant les phases de désulfatation, les gaz d'échappement sont d'abord passés par l'accumulateur à adsorption de NOx puis par le piège à Sox, et par un dispositif d'épuration des gaz d'échappement, en particulier pour un moteur à combustion pour véhicule, comportant - un piège à SOx et - un accumulateur à adsorption de NOx branché de façon en série par rapport au piège à SOx dans un système de gaz d'échappement, caractérisé en ce que - des moyens de commande du sens d'écoulement du flux de gaz d'échappement sont prévus, provoquant, à volonté, d'abord le passage dans le piège SOx puis par l'accumulateur à adsorption de NOx, ou d'abord par l'accumulateur à adsorption de NOx puis par le piège à SOx. Concernant le procédé selon la revendication 1, le sens d'écoulement de gaz d'échappement pendant les phases de désulfatation est choisi autrement que ce qu'il est pendant les phases de fonctionnement normal. Pendant les phases de fonctionnement normal, les gaz d'échappement à épurer sont, comme usuellement, d'abord passés par le piège à SOx, puis ensuite par l'accumulateur à adsorption de NOx. Les constituants à base d'oxyde de soufre, indésirables dans l'accumulateur à adsorption d'oxyde d'azote, des gaz d'échappement restent piégés dans le piège à SOx dans la mesure o la capacité accumulatrice du piège à SOx n'est pas encore épuisée et qu'il n'y a encore aucun comportement indiquant la saturation. Lorsque la phase de désulfatation est choisie, on commute le sens d'écoulement de gaz d'échappement, de manière que les gaz traversent en sens inverse les deux composants d'épuration des gaz d'échappement que sont le piège à SOx et l'accumulateur à adsorption de NOx, c'est-à-dire d'abord en passant par l'accumulateur à adsorption de NOx puis ensuite en étant passés par le piège à SOx. Ceci empêche qu'une pollution de l'accumulateur à adsorption de NOx avec des combinaisons soufrées dégagées se produise pendant la désulfatation du piège à SOx. Dans un procédé, caractérisé en outre par le fait que, pendant les phases de désulfatation, de l'air secondaire est injecté dans les gaz d'échappement, en aval du piège à SOx et les gaz d'échappement enrichis en air secondaire sont amenés à un catalyseur à oxydation, de l'air secondaire est injecté dans les gaz d'échappement pendant la phase de désulfatation, en aval du piège à SOx. L'air secondaire est utilisé pour oxyder les combinaisons soufrées indésirables, dégagées dans le piège à SOx, tels que H2S et COS, ce pourquoi un catalyseur à oxydation est installé en aval du piège à SOx. La revendication 3 caractéristique un dispositif d'épuration des gaz d'échappement qui est équipé d'un piège à SOx, et d'un accumulateur à adsorption de NOx et peut fonctionner selon l'invention. A cette fin, il présente des moyens permettant d'inverser le sens d'écoulement des gaz d'échappement, de manière que le flux de gaz d'échappement soit au choix d'abord passé par le piège à SOx puis par l'accumulateur à adsorption de NOx ou, inversement, puisse être passé par ce dernier et, ensuite, par le piège à SOx. Un mode de réalisation du dispositif d'épuration des gaz d'échappement estcaractérisé en outre par un catalyseur à oxydation monté dans le système de gaz d'échappement, du côté opposé à l'accumulateur d'adsorption de NOx vis à vis du piège à SOx, et des moyens d'amenée d'air secondaire avec un point d'introduction d'air secondaire débouchant dans le système de gaz d'échappement, entre le piège à SOx et le catalyseur à oxydation. Il prévoit à titre d'autres composants un catalyseur à adsorption et des moyens d'amenée d'air secondaire de manière qu'ils conviennent pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 2. Un mode de réalisation avantageux de l'invention est illustré dans les dessins dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement en phase de fonctionnement normal, et la figure 2 représente un dispositif d'épuration des gaz d'échappement de la figure 1 lors d'une phase de fonctionnement en désulfatation. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement une partie, nous intéressant ici, d'un dispositif d'épuration de gaz d'échappement avec un piège à SOx 1, également appelé catalyseur accumulateur SOx, et un adsorbeur d'oxyde d'azote à action catalytique, c'est-à-dire un catalyseur accumulateur de NOx2. Dans l'exemple représenté, le piège à SOx 1 et le catalyseur accumulateur de NOx 2 sont branchés en série dans un boîtier 3 commun, qui est disposé dans un tronçon 4 afférent d'un système de gaz d'échappement assurant le guidage des gaz d'échappement 5 à épurer. En variante, les deux composants d'épuration de gaz d'échappement 1, 2 peuvent être disposés en étant branchés en série dans des boîtiers séparés dans le tronçon 4 du système de gaz d'échappement. De manière caractéristique, le dispositif d'épuration de gaz d'échappement représenté présente des moyens permettant d'inverser le sens d'écoulement des gaz d'échappement s'écoulant dans le tronçon 4 du système de gaz d'échappement, dans lequel sont disposés le piège à SOx 1 et le catalyseur accumulateur de NOx 2. Ces moyens comprennent un point de ramification 6 dans lequel les deux raccordements du tronçon 4 du système de gaz d'échappement, contenant le piège à SOx 1 et le catalyseur accumulateur de NOx 2, se rejoignent avec une conduite d'amenée de gaz d'échappement 7 et une conduite d'évacuation de gaz d'échappement 8. Au point de ramification 6 se trouve un clapet 9 pouvant être commandé, qui est commutable, entre une position de fonctionnement normale, représentée sur la figure 1, et une position de désulfatation, représentée sur la figure 2. Dans la position de fonctionnement normale selon la figure 1, le clapet 9 dirige les gaz d'échappement amenés par la conduite d'amenée 7 dans la partie, dessinée à gauche sur la figure 1, du tronçon 4 de système de gaz d'échappement, si bien qu'ils passent à cet endroit d'abord par le piège à SOx 1 puis par le catalyseur accumulateur de NOx 2 d'o ils sont retournés vers le point de ramification 6 et dirigés dans la conduite d'évacuation 8, par l'effet de guidage de l'écoulement venant du clapet 9. Dans sa position représentée sur la figure 2, le clapet 9, par contre, dirigeait les gaz d'échappement amenés dans la partie droite du tronçon 4 du système de gaz d'échappement, contenant les deux composants d'épuration de gaz d'échappement 1, 2, si bien que les gaz d'échappement s'écoulent d'abord par le catalyseur accumulateur de NOx 2, puis par le piège à SOx 1, d'o ils sont retournés au point de ramification 6 et, de nouveau, guidés dans la conduite 'd'évacuation 8 sous l'effet du clapet 9. En variante au clapet 9, on peut utiliser tout autre moyen de guidage d'écoulement classique qui soit commutable entre deux positions pour, dans une première position, guider les gaz d'échappement dans une première direction et, dans l'autre position, guider dans l'autre direction en passant par le tronçon 4 du système de gaz d'échappement contenant le piège à SOx 1 et le catalyseur accumulateur de NOx 2, par exemple une soupape à quatre voies correspondante ou bien un élément à registre ou à ouverture approprié. En outre, il est évident que, en plus des composants d'épuration des gaz d'échappement qui sont décrits ici, selon les besoins on peut prévoir d'autres composants épurant les gaz d'échappement, en particulier d'autres corps de catalyseur et, par exemple, un catalyseur à trois voies ou un catalyseur à réduction d'oxyde d'azote monté dans la conduite d'évacuation des gaz d'échappement 8. Le dispositif d'épuration de gaz d'échappement construit de cette manière, qui en particulier convient pour épurer les gaz d'échappement pour un moteur à allumage externe ou à moteur diesel d'un véhicule automobile, permet le mode de fonctionnement avantageux suivant. Pendant ce que l'on appelle les phases de fonctionnement normal, le clapet 9 est commandé à sa position de fonctionnement normale de la figure 1. Les gaz d'échappement 5 à épurer atteignent d'abord le piège à SOx 1 qui capte par adsorption les combinaisons soufrées contenues le cas échéant dans les gaz d'échappement, suite à quoi les gaz d'échappement débarrassés du soufre sont amenés au catalyseur accumulateur de NOx 2. Le fonctionnement du catalyseur accumulateur de NOx 2 se distingue alors ensuite, selon qu'il est en fonctionnement en adsorption, pendant la phase de fonctionnement normal, ou bien en fonctionnement en désorption. Dans le fonctionnement en adsorption, le catalyseur accumulateur de NOx 2 capte par voie d'adsorption les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement, tandis que, dans le fonctionnement en désorption, il dégage de nouveau les oxydes d'azote soumis à un stockage intermédiaire par adsorption, qui sont ensuite réduits en azote, ce pourquoi le catalyseur accumulateur de NOx 2 peut agir en catalyseur à réduction des oxydes d'azote ou bien un tel catalyseur peut être branché en aval en tant que corps de catalyseur séparé, comme ceci est usuel à l'homme de l'art. Comme on le sait, le catalyseur accumulateur de NOx 2 est, de préférence, exploité aussi longtemps que possible en fonctionnement en adsorption, dans lequel les gaz d'échappement peuvent avoir une composition correspondant à un mélange maigre, jusqu'à ce que le catalyseur accumulateur de NOx 2 ait atteint un degré de charge ou pollution déterminé, après lequel, lors d'une phase de désorption brève, il est de nouveau débarrassé des oxydes d'azote stockés. Le processus de désorption contient comme on le sait le plus souvent le réglage d'une composition riche pour les gaz d'échappement par exemple par un changement correspondant du mélange air/carburant brûlé par le dispositif de combustion générant des gaz d'échappement et/ou par injection d'un réducteur tel que de l'ammoniac dans les gaz d'échappement, ceci en amont du catalyseur accumulateur de NOx 2. Dans le fonctionnement normal évoqué, ainsi le piège à SO, 1 est positionné en amont du catalyseur accumulateur de NOx 2 et empêche un empoisonnement au soufre de ce dernier. Si, après une longue durée de fonctionnement normal, le piège à SOx 1 a atteint un degré de saturation déterminé, le fonctionnement normal est interrompu par ce que l'on appelle une phase de désulfatation. Pour cela, la commande du clapet 9 est commutée pour passer à sa position de désulfatation de la figure 2, ayant comme conséquence qu'à présent les gaz d'échappement arrivant sont d'abord dirigés par le catalyseur accumulateur de NOx 2, puis ensuite par le piège à SOx 1. En outre, les conditions de désulfatation usuelles sont réglées pour ce qui concerne, par exemple, la composition et la température du flux de gaz d'échappement. Si malgré le piège à SOx 1, il devait y avoir quelques incrustations de soufre dans le catalyseur accumulateur de NOx 2, celui-ci en serait débarrassé pendant le processus de désulfatation. Au reste, le processus de désulfatation provoque un dégagement du soufre introduit sous forme de sulfate dans le piège à SOx 1, si bien que ce piège récupère son aptitude de captation du soufre. Grâce à l'inversion d'écoulement des gaz d'échappement dans le tronçon 4 du système de gaz d'échappement pendant la désulfatation, par rapport à la direction d'écoulement des gaz d'échappement en fonctionnement normal, on obtient que les gaz d'échappement, qui quittent le piège à SOx 1 pendant le processus de désulfatation et sont pollués par le soufre dégagé ou bien les combinaisons soufrées correspondantes, n'arrivent par dans le catalyseur accumulateur de NOx 2. De cette manière, on empêche que, pendant la désulfatation du piège à SOx 1, le soufre s'y étant dégagé puisse s'incruster dans le catalyseur accumulateur de NOx 2. Du fait qu'il est indésirable de façon générale d'avoir une émission à l'environnement des combinaisons soufrées arrivant dans les gaz d'échappement lors de la désulfatation du piège à SOx, 1, combinaisons telles que H2S et/ou COS, on peut prévoir, à titre de possibilité auxiliaire, un catalyseur à oxydation 10 qui, en observant dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement lors de la désulfatation, est disposé derrière le piège à SOx 1, tout en étant encore dans le même tronçon 4 du système de gaz d'échappement, tel qu'indiqué en pointillé sur la figure 2, ou bien disposé dans la conduite d'évacuation de gaz d'échappement 8 raccordée. Pour pouvoir convertir de façon optimale les combinaisons soufrées gênantes dans le catalyseur d'oxydation 10 malgré la composition, en général choisie à une caractéristique riche pour la désulfatation du piège à SOx 1, des gaz d'échappement amenés dans le catalyseur d'oxydation 10, des moyens d'amenée d'air secondaire 11 de type classique sont prévus en plus pour ce cas, tel qu'illustrés en pointillé schématiquement sur la figure 2. Les moyens d'amenée d'air secondaire 11 injectent de l'air à un point d'introduction d'air secondaire 12 placé entre le piège à SOx 1 et le catalyseur à oxydation 10, dans le tronçon 4 du système de gaz d'échappement pendant un processus respectif de désulfatation. De ce fait, on ajoute par mélange, aux gaz d'échappement qui s'écoulent vers le catalyseur à oxydation 10, suffisamment d'oxygène pour produire la conversion des combinaisons soufrées dégagées. Il est évident que, pour commander le fonctionnement du dispositif d'épuration de gaz d'échappement, est prévue une unité de commande non représentée, de conception correspondante qui, par exemple, peut servir simultanément à la commande du dispositif de combustion générant les gaz d'échappement, ce qui est usuel en soi à l'homme de l'art et de ce fait ne demande aucune explication supplémentaire. On voit nettement, d'après les explications ci-dessus au sujet d'un exemple avantageux, que le procédé de fonctionnement selon l'invention et le dispositif d'épuration de gaz d'échappement selon l'invention conviennent pour l'épuration de gaz d'échappement, non seulement d'un moteur pour véhicule, mais également d'un dispositif de combustion stationnaire, l'épuration des gaz d'échappement permettant un fonctionnement périodique en adsorption et en désorption d'un accumulateur à adsorption de NOx, une protection de l'accumulateur à adsorption de NOx contre l'empoisonnement au soufre au moyen d'un piège à SOx associé, et une désulfatation périodique de ce dernier, sans pollution de l'accumulateur à adsorption de NOx par les combinaisons soufrées dégagées. REVEND I CATIONS 1. Procédé de fonctionnement d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement, comprenant un accumulateur à adsorption de NOx et un piège à SOx, dans lequel - lors des phases de fonctionnement normal, les gaz d'échappement à épurer sont d'abord passés par le piège à SOx puis par l'accumulateur à adsorption de NOx et les phases de fonctionnement normal sont interrompues de temps à autre par des phases de désulfatation visant à désulfater le piège à SOx caractérisé en ce que - pendant les phases de désulfatation, les gaz d'échappement sont d'abord passés par l'accumulateur à adsorption de NOx puis par le piège à SOx. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre par le fait que, pendant les phases de désulfatation, de l'air secondaire est injecté dans les gaz d'échappement, en aval du piège à SOx et les gaz d'échappement enrichis en air secondaire sont amenés à un catalyseur à oxydation. 3. Dispositif d'épuration des gaz d'échappement, en particulier pour un moteur à combustion pour véhicule, comportant - un piège à SOx (1) et - un accumulateur à adsorption de NOx (2) branché de façon en série par rapport au piège à SOx dans un système de gaz d'échappement, caractérisé en ce que - des moyens de commande du sens d'écoulement du flux de gaz d'échappement sont prévus, provoquant, à volonté, d'abord le passage dans le piège SOx, (1) puis par l'accumulateur à adsorption de NOx (2), ou d'abord par l'accumulateur à adsorption de NOx puis par le piège à SOx. 4. Dispositif d'épuration des gaz d'échappement selon la revendication 3, caractérisé en outre par - un catalyseur à oxydation (10) monté dans le système de gaz d'échappement, du côté opposé à l'accumulateur d'adsorption de NOx (2) vis à vis du piège à SOx (1), et - des moyens d'amenée d'air secondaire (11) avec un point d'introduction d'air secondaire (12) débouchant dans le système de gaz d'échappement, entre le piège à SOxet le catalyseur à oxydation.