Brevet FR2902828A1 — publié le 20071228

.R442. 12FR. 1 2 JS dpt 1 La présente invention concerne une ligne d'échappement d'un moteur diesel et un procédé de désulfatation d'un NOxTrap de cette ligne, le procédé étant destiné à extraire pendant le fonctionnement du moteur au moins une partie des composés soufrés fixés dans le dit NOxTrap. De nombreux échappements de moteurs diesels de véhicules automobiles peuvent utiliser des dispositifs catalytiques, couramment appelés NOxTrap, capables de piéger les oxydes d'azote NOx en présence d'un excès d'oxygène dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire dans des conditions de richesse inférieures à 1, afin de diminuer le taux d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement issus des véhicules. Toutefois, des composés soufrés, notamment des SOx, provenant du carburant et de l'huile de lubrification, se trouvent présents dans les gaz d'échappement, et sont adsorbés de manière préférentielle sur les sites catalytiques du NOxTrap, bloquant ceux- ci, de sorte qu'une régénération périodique du catalyseur du NOxTrap, c'est-à-dire une purge des SOx, généralement qualifiée de désulfatation, est nécessaire pour que le NOxTrap retrouve son activité de stockage des Nox. Cette régénération consiste à élever la température du NOxTrap au-dessus d'une température minimale de désulfatation, comprise entre 400 et 900 degrés, souvent supérieure à 550 , et à y créer des conditions de richesse supérieures à 1, en injectant des gaz réducteurs dans le NOxTrap. Le document WO 99/00 588 décrit une régénération consistant à élever la température du NOxTrap en faisant fonctionner le moteur avec un mélange plus riche qu'en fonctionnement normal. Cette méthode présente l'inconvénient d'augmenter la consommation de carburant, d'avoir un .R442.12FR.12 JS dpt 2 impact négatif sur le fonctionnement du moteur et l'agrément de conduite du véhicule et peut entraîner une dilution de l'huile moteur. Les documents EP 1 055 806 et EP 1 106 798 décrivent également des systèmes de régénération basés sur la post-injection de carburant, avec les mêmes inconvénients. Le document US 2005/0000 210 décrit un système basé sur l'injection de carburant diesel ou de réformat après avoir élevé la température du NOxTrap par modification de la richesse du mélange alimentant le moteur. Les documents FR 2 838 770 et DE 199 39 807 décrivent des systèmes basés sur l'injection d'hydrogène en amont du NOxTrap, qui nécessitent donc un réservoir spécifique d'hydrogène. Le but de la présente invention est de proposer une méthode de désulfatation non intrusive vis-à-vis du moteur, tout en minimisant la surconsommation de carburant. Ce but est atteint par un procédé de désulfatation d'un NOxTrap d'une ligne d'échappement d'un moteur diesel, ce procédé étant destiné à extraire pendant le fonctionnement du dit moteur au moins une partie des composés soufrés fixés dans ledit NOxTrap, comprenant les étapes suivantes : - production d'un réformat par un dispositif réformeur à partir du carburant du moteur, - préchauffage du NOxTrap par injection du réformat dans le flux des gaz d'échappement, en un point d'injection situé en aval du moteur et en amont du NOxTrap, jusqu'à ce qu'une température de désulfatation prédéterminée soit atteinte dans le dit NOxTrap, puis -dérivation du flux des gaz d'échappement à partir d'un point de dérivation de la ligne d'échappement situé en amont du point d'injection et poursuite de l'injection de réformat dans le NOxTrap pour réaliser la ladite .R442.12FR.I2 JS dpt 3 désulfatation, la richesse du mélange alimentant le moteur diesel n'étant pas affectée dans ce procédé par l'exécution des étapes ci-dessus. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention nécessite donc une ligne d'échappement comportant un by-pass à partir du point de dérivation en amont du NOxTrap et des moyens, tels qu'une vanne à 3 voies, pour dériver les gaz d'échappement via le by-pass, ainsi qu'un réformeur c'est-à-dire un dispositif qui permet de transformer des hydrocarbures, tels que le carburant du moteur diesel, en un mélange de gaz réducteurs appelé réformat, composé principalement de CO, H2 et N2. Le réformat peut être produit par une technique choisie parmi le réformage par oxydation partielle (PDX, Partial OXydation) le réformage par vapeur d'eau (steam reforming), et le réformage auto-thermique (ATR, Auto Thermal Reforming), qui sont des techniques en soi connues. La durée de l'étape de dérivation peut-être prédéterminée, en particulier cette durée peut être comprise entre 10 secondes et 20 minutes. La durée de l'étape de préchauffage peut également être prédéterminée. La durée d'au moins l'une des étapes de préchauffage et/ou de dérivation peut aussi être déterminée par une mesure de température, représentative de la température des sites catalytiques du NoxTrap. À la fin de l'étape de dérivation les gaz d'échappement peuvent être redirigés dans le NOxTrap et la production de réformat peut être stoppée.25 .R442.I2FR.12 JS dpt 4 Selon un autre mode d'exécution, la production de réformat peut être continue pendant que plusieurs étapes de préchauffage et de dérivation alternent par cycles. Avec le procédé selon l'invention, on peut simultanément régénérer un filtre à particules, couramment appelé FàP, agencé dans la ligne d'échappement en aval du NOxTrap, le débit du réformat étant ajusté dans ce mode d'exécution pour atteindre une température de régénération prédéterminée en aval dudit filtre à particules, et les gaz d'échappement dérivés pendant l'étape de désulfatation du NOxTrap étant réintroduits dans la ligne d'échappement en un point de réinjection situé en aval du NOxTrap et en amont du filtre à particules. Ce procédé peut être appliqué à la régénération d'une ligne d'échappement comprenant 2 NOxTraps montés en parallèle, un filtre à particules monté en aval des dits NOxTraps, un système de vannes permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux NOxTraps, en utilisant un système de vannes permettant de distribuer le réformat sortant du réformeur entre deux points d'injection agencés en parallèle en amont respectivement du premier et du deuxième NOxTrap. Chacun des deux NOxTrap peut être alternativement en phase de préchauffage et en phase de désulfatation pendant la régénération du filtre à particules. Dans une telle ligne d'échappement, des purges de NOx de l'un des NOxTrap peuvent être effectuées pendant que l'autre NOxTrap est en phase de désulfatation, par inversion momentanée des systèmes de vannes. .R442.12FR.12 JS dpt 5 D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à l'homme du métier de la description ci-dessous de trois modes d'exécution et des figures accompagnantes, dans lesquelles - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode d'exécution d'une ligne d'échappement - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode d'exécution d'une ligne d'échappement - la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode d'exécution d'une ligne d'échappement. La figure 1 montre une ligne d'échappement comprenant un NOxTrap 6 et 15 un réformeur 4, le flux de réformat, symbolisé par des flèches pointillées, étant injecté dans la ligne d'échappement en un point d'injection 5. Le flux des gaz d'échappement 1 issu du moteur est symbolisé par des flèches en traits pleins à gauche de la figure 1 ; ces gaz peuvent être dérivés vers un by-pass 2 par un système de vannes 3. 20 Pendant l'étape de préchauffage, le réformat est injecté dans le flux des gaz d'échappement qui traversent le NOxTrap 6. Ces gaz d'échappement contenant de l'oxygène, ce dernier oxyde les composants H2 et CO du réformat au contact d'un catalyseur (métal noble) contenu dans le 25 NOxTrap. Cette réaction est fortement exothermique et la chaleur ainsi dégagée permet le chauffage du NOxTrap jusqu'à la température nécessaire pour la désulfatation. Le débit du réformat est contrôlé au moyen d'une boucle de régulation pour atteindre la plage de température voulue. 30 .R442.12FR.12 JS dpt 6 Quand la température de désulfatation, entre 400 C. et 9000 C., par exemple de l'ordre de 650 , est atteinte, tout en continuant l'injection de réformat dans le NOxTrap 6, la vanne 3 est activée pour dériver les gaz d'échappement 1 vers le by-pass 2. Dans ces conditions, le NOxTrap 6 est traversé par un flux de réformat de richesse égale à celle du mélange air/carburant qui alimente le réformeur 4. À titre d'exemple, dans le cas d'une POx diesel, la richesse optimale peut être de 2,9. Dans ces conditions le souffre présent dans le NOxTrap est relargué sous forme de composés tels que H2S, COS et SO2. Cette étape de désulfatation a une durée qui peut aller typiquement de 10 secondes à plusieurs minutes, par exemple 20 minutes. Selon une première variante d'exécution, après une étape de désulfatation, le réformeur est désactivé, et le système de vannes 3 revient en position initiale de sorte que les gaz d'échappement passent à nouveau dans le NOxTrap. Selon une deuxième variante d'exécution, le réformat est injecté en continu dans le NoxTrap pendant une succession de plusieurs étapes. Tout en injectant le réformat, le système de vannes est régulièrement actionné entre les deux positions de sorte que le flux de gaz traversant le NOxTrap alterne entre des phases pauvres et des phases riches. Pendant les phases pauvres les gaz d'échappement passent dans le NOxTrap et le réformat réagit avec l'oxygène de ces gaz à la surface catalytique du NOxTrap (platine ou palladium), la réaction d'oxydation exothermique permettant de maintenir le NOxTrap en température. Pendant les phases riches, les gaz d'échappement sont détournés via le by-pass 2 et le réformat passe seul dans le NOxTrap de sorte que celui-ci se désempoisonne du soufre accumulé. Typiquement la durée de la phase pauvre peut aller de 20 secondes à plusieurs minutes et la durée de la .R442.I2FR.12 JS dpt 7 phase riche de 10 secondes à plusieurs minutes. Les durées de chacune des phases sont ajustées en fonction de la formulation catalytique du NOxTrap et de son comportement thermique. Un des principaux avantages de ce cyclage alterné riche/pauvre comparé à un by-pass continu des gaz d'échappement est une meilleure maîtrise de la température au sein du NOxTrap au cours de la désulfatation. On évite ainsi un vieillissement prématuré du NOxTrap. La désulfatation d'un NOxTrap telle que décrite ci-dessus peut être avantageusement couplée à la régénération d'un filtre à particules. La figure 2 montre une ligne d'échappement comprenant les mêmes éléments 1 6 que ceux de la figure 1. En aval du NOxTrap 6 est monté un filtre à particules catalysé 8. Les gaz d'échappement qui passent dans le by-pass 2 sont amenés via une conduite de dérivation 7 à un point de réinjection 10 en aval du NOxTrap 6 et en amont du filtre à particules 8. La température dans le filtre à particules 8 est mesurée grâce à un capteur de température 9 placé légèrement en aval du filtre 8. La valeur de cette température est envoyée au calculateur 11 du réformeur 4, qui pilote également le système de vannes 3. La régénération du filtre à particules 8 nécessite une température de l'ordre de 600 C. pour initier la combustion des suies piégées par le filtre. Dans une première étape, le système de vannes 3 permettant de dévier les gaz d'échappement dans le by-pass 2 n'est pas activé de sorte que les gaz d'échappement passent dans le NOxTrap 6. On injecte du réformat en 5, qui est oxydé par l'oxygène présent dans les gaz d'échappement au contact du dépôt catalytique du NOxTrap 6. Cette oxydation exothermique du réformat permet à la fois le chauffage du NOxTrap 6 en vue de sa désulfatation et le chauffage du filtre à particules 8 par les gaz d'échappement en aval du NOxTrap. Le débit du réformat est ajusté pour .R442.12FR.12 JS dpt 8 atteindre au niveau du capteur 9 une température de régénération, typiquement de l'ordre de 600 C, suffisante pour permettre l'oxydation des suies stockées dans le filtre 8. Lorsque cette température de régénération est atteinte, le NOxTrap a également atteint une température suffisante pour la désulfatation. Dans une deuxième étape, lorsque la température de régénération du filtre à particules 8 est atteinte, le système de vannes 3 est activé et les gaz d'échappement sont déviés du NOxTrap et passent dans la conduite de dérivation 7. L'injection de réformat est maintenue de sorte que le NOxTrap 6 est soumis à un flux riche en composés réducteurs et se désempoisonne du soufre accumulé en larguant principalement H2S et COS. La durée de cette étape peut être supérieure à 10 minutes. Pendant la désulfatation, une partie importante, voire majoritaire, du réformat ne réagit pas dans le NOxTrap 6, en ressort, se mélange au gaz d'échappement provenant de la conduite de dérivation 7, passe dans le filtre à particules 8, et réagit avec l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement au contact du dépôt catalytique du filtre à particules 8. Cette réaction exothermique permet de maintenir le filtre à particules à sa température de régénération pendant toute la durée de la désulfatation du NOxTrap 6. Pour une régénération totale du filtre à particules 8, la durée de l'injection est typiquement de l'ordre de 20 minutes. Si la durée nécessaire à la désulfatation est très inférieure à la durée nécessaire pour la régénération du filtre à particules, le by-pass peut être désactivé une fois la désulfatation terminée. L'injection de réformat est alors maintenue pour permettre la poursuite de la régénération du filtre à particules 8, le réformat étant oxydé par les gaz d'échappement, .R442.12FR.12 JS dpt 9 soit sur la surface catalytique du NOxTrap si le by-pass a été désactivé, soit directement sur la surface catalytique du filtre à particules si le by-pass est maintenu, de sorte que le filtre à particules 8 est maintenu à température de régénération. L'avantage que présente la deuxième option (by-pass maintenu) est de minimiser la surconsommation de carburant alimentant le réformeur. En effet, le fait d'oxyder simultanément le réformat sur le filtre à particules et de régénérer ses suies permet d'utiliser immédiatement l'énergie libérée par la réaction exothermique d'oxydation du réformat et ainsi de minimiser les pertes thermiques qui ont lieu entre le NOxTrap et le filtre à particule lorsqu'on procède selon la première option. En procédant ainsi, on optimise la pénalité carburant due à l'alimentation du réformeur en fuel. L'odeur de H2S pourrait être un désagrément olfactif dans l'environnement proche du véhicule lors de la désulfatation. Mais comme H2S et COS sont oxydés dans le filtre à particules 8 par les gaz d'échappement, ce problème se trouve résolu. La régénération du filtre à particules peut typiquement être effectuée tous les 500 km parcourus par le véhicule et la désulfatation du NOxTrap est effectuée simultanément. 25 Le procédé selon l'invention peut être appliqué à une ligne d'échappement comportant deux NOxTraps montés en parallèle. Une telle ligne d'échappement est illustrée schématiquement par la figure 3. Sur cette ligne d'échappement, l'injection du réformat peut s'effectuer en amont de chacun des deux NOxTrap 6 et 6b grâce à un système de vannes 12 30 capable de distribuer le réformat sortant du réformeur 4 entre les deux20 .R442.I2FR.12 JS dpt 10 points d'injection 5 et 5b. Le système de vannes 3 peut commuter entre les positions suivantes : - position 1 : les gaz d'échappement passent en totalité dans le NOxTrap 6 - position 2 : les gaz d'échappement passent en totalité dans le 5 NOxTrap 6b - position 3 : les gaz d'échappement sont répartis par moitié entre les NOxTraps 6 et 6b. La régénération s'effectue comme suit : 10 Dans une première étape le système de vannes 3 est en position 1 de sorte que les gaz d'échappement passent en totalité dans le NOxTrap 6. Le réformat est injecté en 5 et oxydé par l'oxygène des gaz d'échappement à la surface catalytique du NOxTrap 6. Cette réaction exothermique sert à la fois à chauffer le NOxTrap 6 à sa température de 15 désulfatation et le filtre à particules 8 à sa température de régénération. Le débit de réformat est ajusté pour atteindre au niveau du capteur 9 en aval du filtre à particules 8 une température suffisante pour permettre l'oxydation des suies dans le filtre, typiquement de 600 C. Lorsque cette température est atteinte, le système de vannes 3 passe en position 2 de 20 manière à dévier les gaz d'échappement dans le NOxTrap 6b et de la, via la conduite 7b dans le filtre à particules 8. Après la commutation du système de vannes 3, l'injection du réformat dans le NOxTrap 6 est maintenue, et celui-ci, à température de 25 désulfatation, se désempoisonne du soufre accumulé en larguant principalement H2S et COS. Pour assurer une désulfatation complète du NOxTrap 6, cette position du système est maintenue pendant une durée de l'ordre de ou supérieure à 10 minutes. .R442.12FR.12 JS dpt 11 Pendant cette phase de désulfatation du NOxTrap 6, les NOx présents dans les gaz d'échappement s'accumulent dans le NOxTrap 6b. Pour que le NOxTrap 6b ne se sature pas en NOx, des purges de NOx du NOxTrap 6b peuvent être effectuées : le système de vannes 3 passe momentanément en position 1 et du réformat est injecté dans le NOxTrap 6b. Pendant la désulfatation, une majeure partie du réformat ressort des NOxTrap et est oxydée à la surface catalytique du filtre à particules 8, de sorte que celui-ci est maintenu à une température suffisante pour l'oxydation des suites pendant toute la régénération. Une fois la régénération du filtre à particules, qui peut prendre de l'ordre de 20 minutes, terminée, le calculateur 11 du réformeur 4 coupe l'injection et le système de vannes passe en une position 3 de façon à répartir le flux des gaz d'échappement dans les deux NOxTrap et permettre le traitement des NOx. Pendant une opération de régénération du filtre à particules, qui se fait typiquement tous les 500 km parcourus par le véhicule, on peut désulfater successivement chacun des deux NOxTrap, par inversion des positions des systèmes de vannes 12 et 3, ou bien désulfater seulement l'un des NOxTrap et désulfater l'autre lors de la prochaine opération de régénération du filtre à particules. Revendications 1. Procédé de désulfatation d'un NOxTrap (6) d'une ligne d'échappement d'un moteur diesel, le dit procédé étant destiné à extraire pendant le fonctionnement du dit moteur au moins une partie des composés soufrés fixés dans le dit NOxTrap, caractérisé par les étapes suivantes : -production d'un réformat par un dispositif réformeur (4) à partir de carburant du dit moteur, - préchauffage de dudit NOxTrap par injection du dit réformat dans le flux des gaz d'échappement en un point d'injection (5) situé en aval du moteur et en amont du NOxTrap, jusqu'à ce qu'une température de désulfatation prédéterminée soit atteinte dans le dit NOxTrap, puis - dérivation du flux des gaz d'échappement à partir d'un point de dérivation de la ligne d'échappement situé en amont du dit point d'injection, et poursuite de l'injection de réformat dans le dit NOxTrap pour réaliser la dite désulfatation, et par le fait que la richesse du mélange alimentant le dit moteur diesel n'est pas affectée par l'exécution des étapes dudit procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de l'étape de dérivation est prédéterminée, en particulier que la durée de l'étape de dérivation est comprise entre 10 secondes et 20 minutes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la durée de l'étape de préchauffage est prédéterminée. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée d'au moins l'une des étapes de préchauffage et/ou de dérivation est 30 déterminée par une mesure de température..R442.12FR.12 JS dpt 13 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que à la fin d'une dite étape de dérivation, les gaz d'échappement sont redirigés dans le NOxTrap (6) et que la production de réformat est arrêtée. 6. Procédé selon l'une des revendications 1- 4, caractérisé en ce qu'une pluralité d'étapes de préchauffage et de dérivation alternent par cycles, et que la production de réformat est continue pendant les dits cycles. 10 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réformat est produit par une technique choisie parmi le réformage par oxydation partielle, le réformage par vapeur d'eau et le réformage auto thermique. 15 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour simultanément régénérer un filtre à particules (8) placé dans la dite ligne d'échappement en aval du dit NOxTrap (6), caractérisé en ce que pendant l'étape de préchauffage du dit NOxTrap, le débit de réformat est ajusté pour atteindre une température de régénération prédéterminée en aval du 20 dit filtre à particules et en ce que pendant ladite étape de désulfatation dudit NOxTrap, les gaz d'échappement sont re- introduits dans la ligne d'échappement en un point de réinjection (10) situé en aval dudit NOxTrap et en amont du dit filtre à particules. 25 9. Utilisation d'un procédé selon la revendication 8 à la régénération d'une ligne d'échappement comprenant deux NOxTraps (6,6b) montés en parallèle, un filtre à particules (8) monté en aval des deux NOxTraps et un système de vannes (3) permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux NOxTraps,5.R442.12FR.12 JS dpt 14 caractérisé par l'utilisation d'un système de vannes (12) permettant de distribuer le réformat sortant du réformeur (4) entre deux points d'injection (5,5b) agencés en parallèle respectivement en amont du premier et du deuxième NOxTrap. 10. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que pendant la régénération du filtre à particules (8) chacun des deux NOxTrap (6,6b) est alternativement en phase de préchauffage et en phase de désulfatation. 10 11. Utilisation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que des purges NOx de chaque NOxTrap sont effectuées pendant que l'autre NOxTrap est en phase de désulfatation, par inversion momentanée des dits systèmes de vannes (3,12). 15 12. Ligne d'échappement de moteurs diesels comportant un NOxTrap (6) et un filtre à particules (8) agencé en aval du dit NOxTrap, caractérisé par la présence d'un dispositif de vanne (3) en amont dudit NOxTrap et d'une conduite de dérivation (7) permettant aux gaz d'échappement de bypasser ledit NOxTrap et d'être réinjectés en amont (10) dudit filtre à 20 particules, par la présence d'un réformeur (4) et par la présence d'un calculateur (11) capable de piloter un procédé selon la revendication 8. 13. Ligne d'échappement de moteurs diesels pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 9 - 11, comprenant deux 25 NOxTraps (6,6b) montés en parallèle, un filtre à particules (8) monté en aval des deux NOxTraps et un système de vanne (3) permettant de distribuer le flux des gaz d'échappement entre les deux NOxTraps, caractérisé par la présence d'un réformeur (4), d'un système de vanne (12) permettant de distribuer le réformat sortant du réformeur (4) entre 30 deux points d'injection (5,5b) agencés en parallèle respectivement en5.R442.12FR.12 JS dpt 15 amont du premier et du deuxième NOxTrap et d'un calculateur (11) mettant en oeuvre le dit procédé. 14. Procédé de régénération d'un filtre à particules (8) d'une ligne d'échappement de moteur diesel selon la revendication 12, caractérisé par les étapes suivantes : production d'un réformat par ledit reformeur (4) à partir de carburant dudit moteur et injection (5) dudit réformat dans ladite ligne d'échappement en aval dudit dispositif de vannes (3), -dérivation du flux des gaz d'échappement dans ladite conduite de dérivation (7) et réinjection des dits gaz dans le filtre à particules (8) - oxydation du réformat par les gaz d'échappement au niveau de la surface active du filtre à particules.15