Brevet FR2881177A1 — publié le 20060728

L'invention concerne les lignes d'échappement des moteurs de véhicule. Les normes législatives de plus en plus exigeantes imposent l'incorporation dans la ligne d'échappement de système de post-traitement. Pour l'obtention de très faibles niveaux d'émission, notamment concernant les oxydes d'azote, il est possible d'avoir recours à un piège à NOx. Pour l'élimination des particules responsables des fumées noires en diesel, on utilise communément un filtre à particules. Dans le cas spécifique du diesel, l'élimination simultanée des oxydes d'azote et des particules passe par l'utilisation conjointe d'un piège à NOx et d'un filtre à particules. L'agencement préféré pour cette réalisation consiste en une localisation du filtre à particules derrière le piège à NOx. Le fonctionnement d'un système de post-traitement de type piège à NOx se décompose en deux parties: Tout d'abord, on procède à l'accumulation des oxydes d'azote émis par le moteur dans le piège à NOx. Au bout d'un certain temps, l'espace disponible pour le stockage des NOx diminue, et il faut alors procéder à une étape de régénération, qui permet d'une part de transformer les NOx stockés en composés non polluants et de les évacuer, et d'autre part, de réinitialiser la capacité de stockage à sa valeur initiale, afin de pouvoir reprendre le processus de stockage. L'étape de régénération est obtenue par un changement de mode de fonctionnement du moteur, qui permet pendant cette période d'obtenir des conditions gazeuses dans lesquelles les quantités d'éléments réducteur sont considérablement augmentées. On parle de richesse supérieure à 1. L'élimination des oxydes d'azote ne se conçoit donc que dans un contexte d'alternance de phases de stockage des NOx, s'opérant lors du fonctionnement normal du moteur, et de durée longue, et de phases de régénération, nécessitant un basculement du moteur pour obtenir une richesse supérieure à 1, et dont les durées sont 10 à 1000 fois inférieures à celles des phases précédentes. Le carburant des moteurs à combustion interne contient une proportion non nulle de soufre. Lors de la combustion dans la chambre de combustion, le processus d'oxydation et les conditions thermodynamiques favorables vont transformer les espèces soufrées en composés SO2, qui se retrouvent sous forme de gaz à l'échappement, à coté des oxydes d'azote. Les oxydes d'azote (NOx) et les espèces soufrées formées (SO2) possèdent alors des propriétés très proches, et le SO2 va se stocker sur le piège à NOx, en lieu et place des oxydes d'azote. La capacité de stockage de ce dernier normalement dédiée aux oxydes d'azote va alors diminuer progressivement, jusqu'à devenir nulle, si on laisse l'empoisonnement au soufre aller à son terme. En effet, lors des étapes de réduction des NOx (évoquées cidessus), les conditions générées ne sont pas suffisantes pour permettre un déstockage en parallèle des espèces soufrées. Les espèces NOx sont donc éliminées de la surface du piège, mais les espèces soufrées restent en place. Le processus étant cumulatif, l'enchaînement de ces étapes fait que la capacité de stockage dédiée aux NOx va progressivement diminuer, jusqu'à une potentielle annulation complète. Pour éradiquer le phénomène, il faut donc périodiquement générer un processus de désulfuration qui permet d'éliminer en totalité les espèces 20 soufrées retenues à la surface du piège à NOx. Ce processus de désulfuration, connu en lui-même, est obtenu en combinant au niveau du piège à NOx des conditions de température élevées avec un excès de composés à caractère réducteur. Ces conditions sont en règle générale atteintes par modification de la calibration moteur, bien qu'il soit possible d'injecter directement dans la ligne d'échappement les composés réducteur nécessaires et/ou d'utiliser un artifice de chauffage annexe pour provoquer l'élévation en température des gaz d'échappement. Dans ces conditions, les espèces soufrés sont effectivement évacuées du piège à NOx, mais le sont sous forme d'un composé particulièrement malodorant: l'H2S ou sulfure d'hydrogène. En fonction des quantités d'H2S et des conditions de roulage du véhicule, la situation peut être vécue comme totalement nauséabonde et inacceptable par le conducteur. Aucune solution aujourd'hui ne permet d'éradiquer totalement le 5 phénomène: - Les alternances de phase riches et pauvres nécessitent des stratégies de contrôle moteur très évoluées, et sont intrusives vis-à-vis de l'agrément de conduite du véhicule; - Les autres solutions catalytiques sont restées à l'état de concept, leur mise en oeuvre industrielle ayant rapidement montré leur inefficacité ; - Les solutions les plus efficaces sont celles qui visent à effectuer très souvent ces étapes de désulfuration, alors que la quantité de soufre contenue dans le piège à NOx est faible. La proportion d'H2S étant alors directement proportionnelle à la quantité de soufre initialement stockée, les émissions d'H2S sont plus faibles et peuvent rester sous le seuil olfactif. L'inconvénient de cette solution est que le véhicule devient alors au global plus polluant, et que l'augmentation de consommation qui s'ensuit est importante. Ainsi, on peut énumérer comme suit les différentes pistes 2 0 actuellement suivies. Groupe 1: Limitation des émissions de H2S par calibration moteur II peut être envisagé de faire faire au moteur des alternances très rapides de mode pauvre (mode conventionnel) et de mode riche afin de limiter la quantité d'H2S formée à des valeurs inférieures au seuil olfactif. Parfois, il a été envisagé de procéder à la désulfuration en faisant tourner une partie des cylindres en mode pauvre (mode normal ou conventionnel) et le reste des cylindres en mode riche afin de générer les conditions requises pour le processus de désulfuration. La limitation des émissions d'H2S a aussi été envisagée par 30 optimisation des calibrations et des conditions de désulfuration. Groupe 2: Limitation des émissions de H2S par voie catalytique D'autres études se sont intéressées à la recherche d'un formulation de piège à NOx qui n'est pas sensible au soufre, et donc sélective vis-à-vis du stockage des oxydes d'azote. Pour limiter les quantités de SO2 vues par le piège à NOx, des SOx-Trap ont été envisagées. Ils seraient localisés devant le piège à NOx et stockeraient les composés soufrés (SO2) avant que ceux-ci n'atteignent le piège à NOx. Groupe 3: Elimination de l'H2S formé et limitation des émissions de H2S par voie catalytique Enfin, une fois que l'on constate la formation d'H2S, il a été envisagé d'ajouter une autre fonction catalytique dans la ligne d'échappement, contenant un composé capable de retransformer les émissions d'H2S en éléments non odorants. Un but de l'invention est d'améliorer la désulfuration sans nuire aux 15 performances du moteur. A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé de commande d'un moteur de véhicule, dans lequel on introduit dans un conduit d'échappement en aval d'un piège à oxydes d'azote un oxydant apte à transformer du sulfure d'hydrogène en dioxyde de soufre. Le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - on introduit l'oxydant en amont d'au moins un organe de traitement catalytique; - l'oxydant est de l'oxygène; - l'introduction comprend une introduction d'air; l'introduction comprend une introduction d'eau oxygénée; et l'introduction comprend une introduction d'ozone. On prévoit également selon l'invention un moteur de véhicule comprenant un piège à oxydes d'azote, et des moyens pour introduire dans 30 un conduit d'échappement en aval du piège un oxydant apte à transformer du sulfure d'hydrogène en dioxyde de soufre. Le moteur pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - il comprend en outre au moins un organe de traitement catalytique, s'étendant en aval des moyens d'introduction; -le ou chaque organe de traitement est choisi dans le groupe constitué par: un filtre à particules; et - un catalyseur d'oxydation; et - les moyens d'introduction comprennent une pompe à air. D"autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 11 est une vue schématique d'une ligne d'échappement d'un véhicule comprenant un moteur selon l'invention; et la figure 2 est un diagramme montrant l'évolution de la teneur en sulfure d'hydrogène dans les gaz d'échappement lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention et lors de la mise en oeuvre d'un procédé de l'art antérieur par comparaison. On a illustré à la figure 1 une ligne d'échappement d'un moteur d'un véhicule automobile selon l'invention. Le moteur 2 est ici un moteur à explosion de type diesel et comprend classiquement une culasse 4 comprenant plusieurs chambres de combustion 6, par exemple au nombre de quatre. En aval de la culasse 4, le moteur comprend dans le présent exemple une turbine 8 d'un turbocompresseur du moteur. Cette turbine est mise en rnouvement par les gaz d'échappement sortant des chambres de combustion afin de comprimer les gaz ou le mélange entrant dans le circuit d'admission du moteur. En aval de la turbine 8, le moteur 2 comprend un organe de posttraitement catalytique 10 des gaz d'échappement, formé par un piège à oxydes d'azote (NOx). En aval du piège 10, le moteur selon l'invention comprend en l'espèce en outre au moins un organe de traitement catalytique. II s'agit ici d'un filtre à particules catalytique 12. Enfin, le moteur 2 comprend en aval de l'organe 12 un pot 5 d'échappement 14. Les éléments 4, 8, 10, 12 et 14 qui viennent d'être présentés s'étendent à la suite les uns des autres et en aval les uns des autres dans cet ordre d'énumération par référence au sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. Conformément à l'invention, le moteur comprend en l'espèce des moyens pour introduire dans la ligne d'échappement un oxydant apte à transformer en dioxyde de soufre le sulfure d'hydrogène émis par le piège à NOx 10 lors de sa régénération. L'oxydant utilisé dans le présent exemple est l'oxygène de l'air atmosphérique. Les moyens 16 comprennent donc en 15 l'espèce une pompe à air injectant dans la ligne d'échappement de l'air atmosphérique. Dans des variantes de réalisation, on pourrait remplacer cette injection d'air par une injection d'ozone ou d'eau oxygénée. Comme illustré sur la figure 1, l'introduction d'air a lieu en aval du 20 piège à Nox 10 et en amont du ou des organes de traitement catalytique supplémentaires 12. Le moteur 2 comprend un calculateur de commande. Le calculateur est agencé pour mettre en oeuvre les étapes suivantes lors du procédé de l'invention visant à la désulfuration du piège 10. Ce procédé est mis en oeuvre lors de la régénération du piège à NOx 10. Dans une première étape, le calculateur détecte un besoin d'une désulfuration du piège à Nox 10. Dans une deuxième étape, le calculateur détermine si les conditions de fonctionnement du véhicule, en particulier les conditions de roulage, sont 30 compatibles avec la mise en oeuvre du procédé de désulfuration. Si la réponse est négative, la mise en oeuvre de ce procédé est reportée jusqu'à l'apparition de conditions favorables. Si la réponse est affirmative, le calculateur met en oeuvre l'étape suivante qui comprend une modification des réglages du moteur pour 5 générer au niveau du piège à Nox 10 les conditions requises pour la désulfuration. Dans le présent exemple, lors du processus de désulfuration, le moteur fonctionne à température élevée et est réglé pour tourner à une richesse supérieure à 1. Cela signifie que le moteur est alimenté avec un mélange gazeux dont la proportion en carburant excède les proportions stoechiométriques. (II serait néanmoins possible comme mentionné cidessus de provoquer artificiellement ces conditions de richesse en amenant en amont du piège à NOx 10 une quantité de réducteurs nécessaire). Dans ces conditions, sachant que la richesse est supérieure à 1, l'oxygène est présent en quantité inférieure aux espèces réductrices. Au niveau du piège à NOx 10, une fraction de ces réducteurs va alors être utilisée pour convertir le soufre stocké dans le piège sous forme de sulfate en H2S qui s'échappe dans la ligne 2 en direction de l'aval. Derrière le piège 10, on va donc globalement retrouver du sulfure d'hydrogène dans un environnement normalement exempt d'oxygène. La pompe 16 permet alors d'apporter de l'oxygène dans cet environnement gazeux à proximité du sulfure d'hydrogène ainsi émis. Et effectivement, dès que la désulfuration a été initiée, le calculateur a mis en action la pompe à air 16 pour introduire dans la ligne d'échappement l'oxygène nécessaire. Les conditions thermiques étant favorables, (la température étant élevée) on retrouve au niveau de l'organe 12 le sulfure d'hydrogène qui réagit avec l'oxygène pour former du dioxyde de soufre (SO2) qui est un composé inodore. En l'absence de moyens d'introduction à l'échappement de l'oxygène nécessaire, cette transformation n'aurait pas lieu. Le dioxyde de soufre s'échappe ensuite hors du véhicule. Dès que la désulfuration est considérée comme terminée, le calculateur procède à l'arrêt de la pompe 16 et replace le réglage du moteur à son point nominal. La fin de la désulfuration est déterminée par le calculateur soit par cartographie de la durée du processus de désulfuration dans le calculateur, soit par une réponse d'un capteur de gaz dont le signal est corroboré à une fin de désulfuration. La figure 2 illustre la comparaison des émissions de sulfure d'hydrogène (en parties par million en ordonnée), en fonction du temps (en abscisse), dans le cas du procédé de l'invention suivant la courbe 1 et dans le cas d'un procédé de l'art antérieur suivant la courbe 2. On observe qu'avec l'invention, les émissions de sulfure d'hydrogène sont considérablement réduites par rapport à l'art antérieur. Ainsi, l'invention permet d'augmenter artificiellement la teneur en oxygène dans la ligne d'échappement lors du processus de désulfuration du 15 piège à Nox, processus qui se déroule en mélange riche. Naturellement, on prévoira que la pompe à air 16 permet l'injection de l'oxygène en quantité contrôlée. Ainsi, l'invention vise à retraiter a posteriori le sulfure d'hydrogène émis par le piège 10 et issu du processus de désulfuration en bénéficiant de la présence de l'organe 12. Ce post-traitement mis en oeuvre par l'invention permet de lever toutes les contraintes de mise au point présentes dans l'art antérieur pour limiter les émissions de sulfure d'hydrogène. On laisse ainsi la désulfuration s'opérer de manière optimale sans nuire aux performances du véhicule. On pourra prévoir que l'organe 12 sous la forme du filtre à particules catalytique est remplacé par un catalyseur d'oxydation ou une combinaison d'un catalyseur d'oxydation et d'un filtre à particules catalytique. On pourra disposer dans la ligne d'échappement d'autres éléments de posttraitement en amont du piège à NOx ou en aval de l'organe 12. On pourra remplacer la pompe à air par un autre dispositif permettant d'introduire des espèces à caractère fortement oxydant. Dans un autre mode de réalisation, les conditions de richesse et de thermique élevées et nécessaires au processus de désulfuration pourront être assurées par des artifices localisés en amont du piège à NOx. II s'agira par exemple d'un injecteur de carburant ou, plus généralement, de composés réducteurs pour créer les conditions de richesse requises ainsi que d'un réchauffeur d'air pour élever la température de la ligne d'échappement. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. io REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un moteur de véhicule, caractérisé en ce qu'on introduit dans un conduit d'échappement en aval d'un piège (10) à oxydes d'azote un oxydant apte à transformer du sulfure d'hydrogène en dioxyde de soufre. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on introduit l'oxydant en amont d'au moins un organe (12) de traitement catalytique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxydant est de l'oxygène. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'introduction comprend une introduction d'air. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'introduction comprend une introduction d'eau oxygénée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'introduction comprend une introduction d'ozone. 7. Moteur (2) de véhicule comprenant un piège (10) à oxydes d'azote, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (16) pour introduire dans un conduit d'échappement en aval du piège un oxydant apte à transformer du sulfure d'hydrogène en dioxyde de soufre. Il 8. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un organe (12) de traitement catalytique, s'étendant en aval des moyens d'introduction (16). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le ou chaque organe de traitement (12) est choisi dans le groupe constitué par: - un filtre à particules; et - un catalyseur d'oxydation. 1C). Moteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les moyens d'introduction (16) comprennent une pompe à air.