Brevet FR2904364A1 — publié le 20080201

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de détermination de décharge de soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, dans une installation de post-traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, selon lequel on règle les conditions de décharge de soufre dans le moteur à combustion in-terne, en générant un excédent d'agent réducteur dans le moteur à combustion interne. Etat de la technique Dans le cas des moteurs diesel, la réglementation con-cernant la limite d'émission basse est de plus en plus accentuée pour les systèmes de post-traitement de gaz d'échappement combinés, à filtre à particule (DPF) et catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON (NSC) ; certaines réglementations sont déjà en vigueur. Les filtres à particule présentent néanmoins une limite de capacité d'accumulation et doivent être régénérés à des intervalles déterminés pour récupérer l'effet de nettoyage. Cela se fait de manière caractéristique tous les 250 à 1 000 km et pour cela on lance des mesures pour la préparation du mélange alimentant le moteur ou par des mesures dans l'environnement du moteur pour lancer la régénération en augmentant la température des gaz d'échappement à des niveaux caractéristiques de l'ordre de 550 C-650 C. Cela se traduit par une réaction exothermique qui brûle les particules de fumées (noir de fumées) et régénère le filtre à particule en quelques minutes (par exemple 20 minutes). Dans le cas d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON fonctionnant dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, le catalyseur accumule totalement ou en partie les oxydes d'azote des gaz d'échappement aussi longtemps qu'il règne dans les gaz d'échappement un excédent d'oxygène, c'est-à-dire que l'on est en mode de fonctionnement maigre avec un coefficient > 1. De plus, la propriété d'accumulation dépend également d'autres paramètres de fonctionnement tels que la température de la matière de l'accumulateur, le débit volumique des gaz d'échappement et le niveau de remplissage de l'accumulateur. De plus, la capacité à recevoir des 2904364 2 oxydes d'azote subit un processus de vieillissement dépendant surtout des températures de fonctionnement élevées. Les oxydes d'azote accumulés dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON pendant que le moteur fonctionne avec 5 un mélange pauvre sont libérés au cours de l'opération dite de régénération des oxydes d'azote NON de la matière qui les accumule pour être convertis en azote par un agent réducteur approprié. Pour cela, on fait brièvement fonctionner le moteur à combustion interne avec un excédent de carburant ou encore on effectue un dosage excédentaire en 10 agent réducteur en amont du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Une telle régénération doit habituellement être faite après quelques minutes. A côté de la propriété de combiner des oxydes d'azote venant de gaz d'échappement maigres, le matériau accumulateur prend 15 également les oxydes de soufre (SON) contenus dans les gaz d'échappement. Suivant la teneur en soufre du carburant utilisé et de l'huile du moteur, on aura ainsi une quantité variable de soufre stockée dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Le soufre réduit le nombre de points d'accumulation d'oxydes d'azote NON dans le cata- 20 lyseur et détériore ainsi l'efficacité du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON (NSC). Dans ce contexte il s'agit d'un empoisonnement au soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Au cours de l'opération de régénération pour les oxydes d'azote NON comme décrit ci-dessus, qui se fait habituellement à des températures de l'ordre de 200 25 à 600 C, il n'est toutefois pas possible de maintenir la fixation du soufre sur le matériau accumulateur. En conséquence, pendant le fonctionnement du moteur avec un carburant à teneur en soufre particulièrement faible (de manière caractéristique 10 ppm), résultant de la combustion de carburant 30 et de l'huile du moteur, on aura une quantité tellement importante de soufre dans le matériau d'accumulation que le système de post-traitement des gaz d'échappement ne suffit plus pour assurer les con-versions requises d'oxydes d'azote et respecter les limites d'émission. Pour cette raison, il faut régulièrement procéder à une élimination de soufre (appelée schématiquement procédure DeSON) du catalyseur ac- 2904364 3 cumulateur d'oxydes d'azote NOX pour éviter la détérioration conséquente de la capacité de stockage d'oxydes d'azote NOX. Lorsqu'on utilise du carburant à faible teneur en soufre (10 ppm), le catalyseur NSC nécessitera une telle opération DeSOx tous 5 les 2000 à 5000 km. Le système des gaz d'échappement sera alors chauffé à un niveau de température élevé comme pour la régénération du filtre à particule et dans ce cas le niveau de température dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NO), sera de façon caractéristique compris entre 600 et 800 C. En plus, une fois atteint le niveau de io température, grâce à des phases avec un mélange de gaz d'échappement riches (X 1), c'est-à-dire avec un excédent de CO/HC et H2 par rapport à 02, on crée des conditions d'élimination du soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX. Les combinaisons de soufre dans le matériau d'accumulation peuvent être cassées et être ex- 15 pulsées par exemple sous la forme de dioxyde de soufre (SO2), de carbonylsulfure (COS) et/ou d'hydrogène sulfuré (H2S). Toutefois, parmi ces combinaisons, seul le dioxyde de soufre (SO2) est un composé qu'il est possible de rejeter. C'est pourquoi il faut soit composer la composition des gaz d'échappement pour le mode de régénération, de façon ap- 20 propriée, soit faire la conduite du procédé avec une commande de temps appropriée pour éviter en particulier le dégagement d'hydrogène sulfuré (H2S). Pour la conduite du procédé, en pratique, la difficulté est celle d'un fonctionnement non stationnaire du moteur ou des conditions 25 de roulage variables de sorte que vis-à-vis des situations suivantes : - composition de l'agent réducteur dans les gaz riches, - température du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX, -débit massique des gaz d'échappement on n'aura jamais de conditions constantes. Dans le cas d'une simple 30 commande dans le temps du procédé d'élimination de soufre, après une certaine durée minimale du procédé, on suppose l'élimination complète du soufre hors du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX. En cas d'arrêt prématuré du procédé on peut certes calculer une élimination partielle de soufre mais toutefois dans le cas d'une simple com- 35 mande de temps, selon l'état de la technique, la précision ne sera 2904364 4 suffisante que pour des conditions de fonctionnement stationnaires du moteur. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procé- 5 dé de détermination de la décharge de soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOI pour mieux évaluer l'effet de l'élimination de soufre, assurée par le processus de désulfuration dans le cas de conditions de fonctionnement non stationnaires. Exposé et avantages de l'invention 10 A cet effet, la présente invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on définit une quantité de dé-charge d'oxydes de soufre SOI, par un calcul de décharge de SOI, modélisé à partir du flux d'agent réducteur et à partir d'autres paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne. 15 Ce procédé permet de mieux tenir compte des effets dynamiques pour l'élimination du soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOI et de pouvoir prévoir d'une façon plus précise l'action consécutive du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOI sur la réduction des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, ce qui 20 permet une conduite de procédé plus efficace et ainsi plus économe en carburant. Si on détermine le débit d'agent réducteur dans les gaz d'échappement pendant la décharge de soufre dans un champ de caractéristiques d'agent réducteur, sous-tendu entre l'état de fonctionne-25 ment, la vitesse de rotation et le couple du moteur à combustion interne, cela présente l'avantage de prévoir d'une manière très précise le débit d'agent réducteur nécessaire à l'élimination du soufre. Cela per-met de tenir compte des conditions dynamiques pour la détermination du débit d'agent réducteur. 30 Dans les conditions de fonctionnement de l'opération d'élimination de soufre, il faut régler une certaine valeur du coefficient lambda. Si l'on n'atteint pas les valeurs de consigne du coefficient lambda ou si en mode de fonctionnement dynamique il arrive que l'on génère dans les gaz d'échappement un flux d'agent réducteur plus im- 35 portant ou plus faible, celui-ci risquerait de fausser le calcul de 2904364 5 l'élimination de soufre. C'est pourquoi il est avantageux de corriger le flux d'agent réducteur par une correction du coefficient lambda calculée à partir d'une déviation partant d'une valeur de consigne du coefficient lambda et d'une valeur réelle du coefficient lambda. 5 Pour éviter l'hydrogène sulfuré (H2S), une variante préférentielle du procédé prévoit d'intégrer le flux d'agent réducteur corrigé par la correction du coefficient lambda et lorsqu'on atteint un seuil d'agent réducteur prédéfini, d'arrêter après un temps prédéfini les conditions de fonctionnement créant le flux d'agent réducteur dans les gaz 10 d'échappement. L'ouverture de la liaison chimique du soufre sur la matière d'accumulation est une réaction fortement dépendante de la température de sorte qu'il est particulièrement avantageux de corriger le flux d'agent réducteur par une correction de température calculée à 15 partir de la température du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Cela permet notamment de tenir compte de l'efficacité de l'élimination du soufre en fonction de la température. Une variante du procédé prévoit de déterminer la correction de température en effectuant de manière répétée l'élimination de 20 soufre à des températures différentes et de comparer l'effet. Cela permet de détecter des effets supplémentaires liés au vieillissement et de s'adapter de manière appropriée. Au début d'une opération d'élimination de soufre, l'agent réducteur rencontre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote 25 NOx, tout d'abord des quantités importantes de composants sulfurés accumulés en surface. Au cours de la poursuite du procédé, l'agent réducteur doit pénétrer plus profondément dans le matériau accumulateur pour rencontrer d'autres combinaisons de soufres. C'est pourquoi le niveau de l'élimination de soufre diminue de manière exponentielle en 30 fonction du temps bien que les autres paramètres de fonctionnement tels que ceux déjà décrits ci-dessus restent constants. Pour copier ce comportement sous la forme d'un modèle il est avantageux de corriger le flux d'agent réducteur par une correction progressive DeSON concernant le processus d'élimination de soufre, correction calculée de façon 35 proportionnelle selon la durée de l'élimination du soufre. 2904364 6 Une variante avantageuse du procédé prévoit d'effectuer le calcul de l'élimination d'oxydes de soufre SOI sous la forme d'un pro-gramme exécuté dans l'appareil de gestion du moteur. Cela permet des variations très souples de la stratégie de calcul de l'élimination de sou- 5 fre par des mises à jour appropriées du programme. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : 10 - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion in-terne équipé d'une installation de post-traitement de gaz d'échappement correspondant à un exemple d'application du procédé, et - la figure 2 est une vue schématique du calcul de l'élimination 15 d'oxydes de soufre SOI. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre à titre d'exemple l'environnement technique dans lequel s'exécute le procédé de l'invention. La figure 1 montre un moteur à combustion interne 1 formé d'un bloc moteur 40 et 20 d'un canal d'alimentation en air 10 assurant l'alimentation en air comburant du bloc moteur 40 ; la quantité d'air se définit dans le canal d'alimentation en air 10 par une installation de mesure d'air 20. Les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1 sont évacués par une installation de nettoyage des gaz d'échappement dont le composant 25 principal de l'exemple de réalisation présenté est un canal de gaz d'échappement 50. Dans le sens de passage des gaz d'échappement, le canal de gaz d'échappement comporte un filtre à particule 70 (DPF) et ensuite un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOI 90. Le bloc moteur 40 comporte également une installation de dosage de carburant 30 30 sous la forme d'un système d'injection diesel régulé ou commandé par un appareil de gestion de moteur 110. La régulation du mode de fonctionnement du moteur à combustion interne 1 peut se faire à l'aide de paramètres de fonctionnement sélectionnés. C'est ainsi que l'on peut par exemple envisager, à 35 l'aide de sondes lambda 60 et/ou de capteurs d'oxydes d'azote NOI 100, 2904364 7 installés dans le canal des gaz d'échappement 50, de déterminer la composition des gaz d'échappement. En outre, par exemple avec la température des gaz d'échappement au niveau de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement, par exemple entre le filtre à particule 70 5 et le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX 90, on peut déterminer la température des gaz d'échappement à l'aide d'une ou plusieurs sondes de température 80. A partir des signaux des différentes sondes 60, 80, 100, reliées à l'appareil de gestion de moteur 110 et aussi avec les données fournies par l'installation de mesure d'air 20 on peut cal- 10 culer le mélange et commander de manière appropriée l'installation de dosage de carburant 30. Selon l'invention, il est prévu d'effectuer un calcul de décharge ou d'élimination des oxydes de soufre SOX 120 comme programme dans l'appareil de gestion de moteur 110. L'évacuation de soufre au cours d'un processus 15 d'élimination de soufre, (procédé DeSoX) nécessaire pour la régénération du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX 90 dépend principalement des éléments suivants : -composition de l'agent réducteur du gaz riche, - température du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX 90, 20 - débit massique de gaz d'échappement, - quantité globale de soufre accumulée, - progression du processus. Dans le cas du processus d'élimination de soufre, tous les paramètres cités ci-dessus varient en permanence. 25 Un modèle de décharge approprié traite la relation entre l'élimination de soufre et les conditions représentées schématiquement dans l'ordinogramme de la figure 2. Le procédé selon l'invention prévoit de régler les conditions régnant dans les gaz d'échappement pour une élimination de sou- 30 fre, selon lesquelles on génère un flux d'agent réducteur 122 dans les gaz d'échappement. On détermine une quantité d'élimination d'oxydes de soufre SOx 126, de manière modélisée à partir d'un flux d'agent réducteur 122 ainsi que d'autres paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 1 ; le flux d'agent réducteur 122 contenu 35 dans les gaz d'échappement se détermine pendant la décharge de soufre 2904364 8 à partir du champ de caractéristiques d'agent réducteur 121 sous-tendu par l'état de fonctionnement, la vitesse de rotation et le couple fourni par le moteur à combustion interne 1. Dans une première étape de correction on corrige le flux 5 d'agent réducteur 122 avec une correction de coefficient lambda 123 que l'on calcule à partir de la déviation entre le coefficient lambda de consigne pour l'élimination de soufre et la valeur réelle du coefficient lambda. Dans cette phase d'élimination de soufre, par un bref enrichissement des gaz d'échappement (X REVENDICATIONS 1 ) Procédé de détermination de la décharge de soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NO), (90), dans une installation de post-traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1), selon lequel on règle les conditions de décharge de soufre dans le moteur à combustion interne (1), en générant un excédent d'agent réducteur (122) dans le moteur à combustion interne (1), caractérisé en ce qu' on définit une quantité de décharge d'oxydes de soufre SOX (126), par un calcul de décharge de SOX (120), modélisé à partir du flux d'agent réducteur (122) et à partir d'autres paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne (1). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au cours de la décharge de soufre on détermine le flux d'agent réducteur (122) dans les gaz d'échappement à partir d'un champ de caractéristiques d'agent réducteur (121), sous-tendu par l'état de fonctionnement, la vitesse de rotation et le couple du moteur à corn- bustion interne (1). 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on corrige le flux d'agent réducteur (122) par une correction du coeffi- cient lambda (123), calculée à partir de la déviation entre un coefficient lambda de consigne et un coefficient lambda réel. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on intègre le flux d'agent réducteur (122) corrigé par la correction du coefficient lambda (123) et lorsqu'on atteint un seuil d'agent réducteur prédéfini (127), on arrête après un temps prédéfini les conditions de fonctionnement générant le flux d'agent réducteur (122) dans les gaz d'échappement. 2904364 11 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on corrige le flux d'agent réducteur (122) par une correction de température (124) calculée à partir de la température du catalyseur accumus lateur d'oxydes d'azote NOX (90). 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on détermine la correction de température (124) en répétant la désulfu-10 risation à des températures différentes et en comparant l'effet. 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on corrige le flux d'agent réducteur (122) en fonction du processus de 15 désulfuration avec une correction progressive DeSOx (125) proportionnelle à la durée de désulfurisation. 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 20 on effectue le calcul de la décharge d'oxydes de soufre SOx (120) comme programme dans un appareil de gestion de moteur (110). 25