Brevet FR2904360A1 — publié le 20080201

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de régénération d'un filtre à particules et d'élimination du soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote dans une installation de traitement aval des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, selon lequel pour régénérer le filtre à particules on relève la température du filtre à parti-cules par rapport à celle du mode de fonctionnement normal dans au moins un mode de fonctionnement chauffage DPF , et pour l'élimination du soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote, dans au moins un mode de fonctionnement chauffage catalyseur ac- cumulateur NON (X 1) on chauffe le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote et dans un mode de fonctionnement suivant élimination soufre catalyseur accumulateur NON on règle le coefficient lambda des gaz d'échappement sur X Etat de la technique On envisage, voire on utilise déjà de plus en plus des systèmes de traitement aval des gaz d'échappement, combinés avec des filtres à particules (DPF) et des catalyseurs accumulateurs d'oxydes d'azote NON (NSC) de plus en plus pour les moteurs Diesel à cause de la réglementation concernant la réduction des limites d'émission. Toutefois, les filtres à particules ont une capacité d'accumulation limitée et doivent être régénérés périodiquement pour rétablir leur efficacité de nettoyage. Cela se fait de manière caractéristique tous les 250 à 1000 km. Dans le cas des filtres à particules de noir de carbone (filtres à particules), la régénération se fait par élévation de la température des gaz d'échappement à un niveau caractéristique de 550 C jusqu'à 650 C. Cela peut se faire par des actions sur la préparation du mélange alimentant le moteur ou par des actions en aval du moteur. On produit une réaction exothermique qui assure la combus- tion des particules de noir de fumées et le filtre à particules est ainsi régénéré en quelques minutes (par exemple 20 minutes). Dans les systèmes à catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON (catalyseur NSC), selon la teneur en soufre du carburant utilisé et de l'huile du moteur on aura une quantité variable de soufre déposé dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Ce soufre 2904360 2 réduit le nombre de points d'accumulation d'oxyde d'azote NOX dans le catalyseur et détériore ainsi l'efficacité du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX (NSC). Dans ce cas, il faut également effectuer régulièrement une élimination du soufre du catalyseur accumulateur 5 d'oxydes d'azote N0 . De façon caractéristique, cette élimination se fait tous les 2000 à 5000 km. Pour cela, on chauffe le système des gaz d'échappement et ainsi le catalyseur (NSC) également à un niveau de température élevé (ce niveau de température se situe de manière caractéristique entre 600 et 750 C). En plus, au cours des phases à mélange de gaz d'échappement riche (X 1), c'est-à-dire avec un excédent de CO/HC et de H2 par rapport à l'oxygène 02, on expulse du soufre, notamment sous forme d'oxyde de soufre (SO2). Ces deux procédés consomment beaucoup d'énergie et consomment une quantité supplémentaire de carburant par rapport à 15 celle consommée pendant le fonctionnement normal du moteur. Le document DE 19945336 Al décrit un procédé de commande d'une régénération d'un filtre à particules et d'une élimination de soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX ; selon ce procédé, le filtre à particules et le catalyseur accumulateur 20 d'oxydes d'azote NO), font partie d'une installation de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur Diesel. Pour éliminer le soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX il faut avoir une température minimale et un mode de fonctionnement du moteur Diesel pour générer des gaz d'échappement avec un coefficient lambda tel que 1. Pour 25 régénérer le filtre à particules il faut dépasser la température de régénération. La caractéristique de ce document est que d'une part il doit être nécessaire d'éliminer le soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX en cas de dépassement d'un premier seuil Slkat du degré d'accumulation de soufre et d'autre part une nécessité de régénération 30 du filtre à particules en cas de dépassement d'un premier seuil S1par pour le degré d'accumulation. En plus, on ne lance l'opération d'élimination de soufre et la régénération que si les deux premiers seuils S 1 kat, S 1 par sont dépassés dans la mesure où le degré d'accumulation de soufre ne dépasse pas un second seuil S2kat où la charge ne dépasse 35 pas un second seuil S2par. 2904360 3 Le document ci-dessus concerne le déclenchement de l'opération d'élimination de soufre lorsque certains seuils de soufre dans le filtre à particules ou dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON sont dépassés pour la charge en particules ou la charge en 5 soufre. Ce document indique certes également que l'on effectue tout d'abord la régénération du filtre à particules et puis le cas échéant on augmente la température à la température minimale et ensuite on règle le mode de fonctionnement du moteur Diesel sur un coefficient lambda tel que 1. Mais cet état de la technique n'envisage pas de stratégie 10 pour une combinaison complète intentionnelle des deux procédés. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé de régénération d'un filtre à particules et d'élimination du soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON qui soit optimisé du 15 point de vue de diminution de la consommation supplémentaire de carburant et de l'efficacité de l'élimination de soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un procédé du 20 type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'en cas de demande de régénération du filtre à particules ou de demande d'élimination du soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote, on déclenche à la fois une régénération combinée, totale ou partielle du filtre à particules et aussi une élimination du soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote. 25 Le procédé selon l'invention permet vis-à-vis de l'état de la technique d'effectuer de manière précise pendant la désulfatisation également la régénération du filtre à particules, avec dans les cas d'une charge élevée en particules le cas échéant une courte avance nécessaire pour la régénération du filtre à particules. Par ce couplage on réduit significative- 30 ment l'énergie de chauffage nécessaire et ainsi la consommation de carburant. De plus, on augmente l'efficacité du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON car on réduit la charge moyenne en soufre par une fréquence plus élevée des phases d'élimination de soufre, ce qui réduit encore plus les émissions d'oxydes d'azote NON après le cataly- 35 Beur accumulateur d'oxydes d'azote NON. 2904360 4 Si partant tout d'abord du mode de fonctionnement normal on passe au mode de fonctionnement chauffage DPF du filtre à particules jusqu'à la température requise pour la régénération, et si on maintient cette température par un régulateur de température, on a 5 l'avantage de pouvoir respecter la température optimale pour brûler les particules de noir de fumées. Pour la régulation de la température on peut prévoir l'utilisation d'un compensateur de température au niveau du filtre à particules. Une variante préférentielle du procédé prévoit qu'après 10 ou pendant le mode de fonctionnement chauffage DPF on commute sur le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NOx et on prédéfinit une nouvelle température de consigne. Cela per-met de régler une température optimale pour l'élimination de soufre qui est en général supérieure à la température optimale de combustion des 15 particules. Pour éviter des pointes de température qui peuvent être nocives pour la durée de vie du filtre à particules on prévoit qu'avant de commuter sur le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NO), on vérifie les conditions relatives à cette nouvelle tempé- 20 rature de consigne. Ainsi, à titre d'exemple, on peut également exploiter les conditions telles que seuil de masse de particules dépassé vers le bas et/ ou réduction de la réaction exothermique dans le filtre à particules . Cela permet de réaliser un système adaptatif de régénération du filtre à particules. 25 Si pendant le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NOX on règle un coefficient lambda tel que > 1 des gaz d'échappement, on observe la poursuite de la combustion des particules au cours de cette phase. Selon une variante préférentielle du procédé, après avoir 30 atteint la nouvelle température de consigne, on peut alterner entre le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NO), et le mode de fonctionnement élimination soufre catalyseur accumulateur NOX . Dans cette phase d'élimination de soufre on peut observer une élimination significative du soufre du catalyseur accumulateur 35 d'oxydes d'azote NO), grâce à un bref enrichissement des gaz 2904360 5 d'échappement (X 1, on a pour ce niveau de température une poursuite de la combustion des particules. De plus, dans ce mode de fonctionnement mixte il est avantageux dans cette phase de désulfatisation d'éviter la formation de gaz H2S par des phases relativement courtes pour lesquelles on a 1 il est nécessaire de remplir le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX avec de l'oxygène pour éviter la formation de H2S et le cas échéant de réguler de nouveau la température optimale du procédé. Il est avantageux que l'alternance entre le mode de fonc- 15 tionnement chauffage catalyseur accumulateur NOX et le mode de fonctionnement élimination de soufre du catalyseur accumulateur NOX soit prédéfinie pour une alternance de périodes données qui dé-pendent par exemple du point de fonctionnement du moteur à combustion ou des conditions relatives au catalyseur accumulateur d'oxydes 20 d'azote NON. Si la période d'élimination de soufre est prédéfinie de manière fixe et se termine à la fin de cette période, alors indépendamment de la durée d'utilisation du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX et des conditions de fonctionnement du moteur à combus- 25 tion, on aura une désulfatisation totale après une durée suffisamment longue d'élimination de soufre. Il peut être avantageux à la fin de la ré-génération du filtre à particules de poursuivre l'opération d'élimination de soufre pendant une certaine période dépendant du degré d'accumulation de soufre. 30 Il peut être également avantageux, si pour un filtre à particules totalement ou partiellement régénéré et si le rendement de l'élimination de soufre diminue, comme signe d'une élimination (presque) totale du soufre, de terminer la phase d'élimination de soufre, ce qui évite une consommation excessive de carburant. 2904360 6 On obtient un avantage analogue dans le cas d'un filtre à particules totalement ou partiellement régénéré et en cas de dépasse-ment vers le bas d'un seuil fixe prédéfini pour la teneur en soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON en terminant la phase 5 d'élimination de soufre. Il peut être avantageux dans le cas d'un filtre à particules totalement ou partiellement régénéré lorsqu'on atteint une durée cumulée prédéfinie de manière fixe pour l'élimination du soufre, de terminer alors la phase d'élimination de soufre car la durée cumulée de 10 l'élimination de soufre est une mesure de la somme du rendement d'élimination de soufre et la connaissance de l'accumulation de soufre pendant le mode de fonctionnement normal permet d'éviter des phases d'élimination de soufre de durée inutilement longue. Une variante préférentielle prévoit de combiner les condi- 15 tions pour terminer la phase d'élimination de soufre. Cela permet également une élimination de soufre par un procédé adaptatif dépendant de la teneur actuelle en soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON et du mode de fonctionnement du moteur à combustion. Si en cas de dépassement vers le bas d'un seuil fixe pré- 20 défini de la teneur en soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON et d'une régénération non encore complètement terminée du filtre à particules on termine la phase d'élimination de soufre et on poursuit le mode de fonctionnement chauffage DPF . Ce procédé combiné offre l'avantage d'assurer de façon optimale à la fois la régéné- 25 ration du filtre à particules et la désulfatisation du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans 30 lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un moteur à combustion équipé d'une installation de traitement aval des gaz d'échappement correspondant à un exemple d'application du procédé, 2904360 7 - la figure 2 montre le chronogramme de la température dans un filtre à particules et dans un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, - la figure 3 montre le chronogramme pour différents paramètres de 5 fonctionnement, - la figure 4 montre le chronogramme d'une masse de noir de fumées dans un filtre à particules, et - la figure 5 montre le chronogramme de la masse de soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON. 10 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 montre un moteur à combustion 1 composé d'un bloc-moteur 40 et d'un canal d'alimentation en air 10 qui alimente le bloc-moteur 40 avec 15 de l'air comburant ; la quantité d'air dans le canal d'alimentation en air 10 est déterminée par une installation de mesure d'air d'alimentation 20. Les gaz d'échappement du moteur à combustion 1 passent par une installation de nettoyage des gaz d'échappement dont le composant principal est un canal de gaz d'échappement 50 équipé dans le sens de 20 passage des gaz d'échappement, d'un filtre à particules 70 (filtre DPF) et ensuite d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90. En outre, le bloc-moteur 40 comporte une installation de dosage de carburant 30 sous la forme d'un système d'injection de gasoil ; ce système est régulé ou commandé par l'appareil de commande ou de gestion du moteur 25 110. Dans des environnements techniques analogues, le canal des gaz d'échappement 50 peut avoir le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 (catalyseur NSC) en amont du filtre à particules 70 (filtre DPF). On peut également envisager une combinaison entre un catalyseur OSC (Catalyseur de Stockage d'Oxygène), un catalyseur NSC et 30 un filtre DPF. On peut également avoir des combinaisons quelconques de plusieurs composants de même type, (par exemple NSC1, DPF, NSC2, etc...). La régulation d'un mode de fonctionnement du moteur à combustion 1 peut se faire à partir de paramètres de fonctionnement 35 choisis. On peut ainsi envisager de déterminer la composition des gaz 2904360 8 d'échappement à l'aide de sondes lambda 60 et/ou de capteurs d'oxydes d'azote NON, 100 installés dans le canal des gaz d'échappement 50. De plus, on peut par exemple déterminer une température de gaz d'échappement au niveau de l'installation de nettoyage des gaz 5 d'échappement, par exemple entre le filtre à particules 70 et le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 à l'aide d'une ou plusieurs sondes de température 80. A partir des signaux des différentes sondes 60, 80, 100 appliqués à l'appareil de commande de moteur ainsi que des données de l'installation de mesure d'air 20 on peut calculer le mé- 10 lange et commander de manière appropriée l'installation de dosage de carburant 30. Le procédé selon l'invention régénère le filtre à particules 70 et élimine le soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 par une demande de régénération du filtre à particules 70 ou 15 d'une demande d'élimination de soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 en effectuant une régénération combinée à la fois du filtre à particules 70 et du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90. Une demande d'élimination de soufre peut par exemple être déclenchée en cas d'erreur de remplissage du réservoir ou en cas de 20 carburant Diesel à forte teneur en soufre. Tout d'abord, partant du mode de fonctionnement normal 141, on passe en mode de fonctionnement chauffage DPF 142 pour chauffer le filtre à particules 70 à la température nécessaire à la régénération (par exemple entre 550 et 650 C) ; on maintient la température à 25 ce niveau par un régulateur de température. Après être descendu sous le seuil de particules pendant la régénération DPF (Régénération du Filtre à Particules 70) on commute ensuite sur le mode de fonctionne-ment chauffage catalyseur accumulateur NON 143 et on fixe une nouvelle température de consigne (par exemple 600 à 750 C) ; pour 30 éviter des pointes de température avant de commuter sur le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NON 143, on vérifie les conditions relatives à cette nouvelle température de consigne. Pendant le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NON 143 on règle un coefficient lambda dans les gaz 2904360 9 d'échappement tel que > 1. Ainsi, les particules qui subsistent dans le filtre à particules 70 seront brûlées pendant cette phase. Après avoir atteint la nouvelle température de consigne, pendant cette phase d'élimination de soufre on alterne entre le mode de 5 fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NON 143 et le mode de fonctionnement élimination de soufre du catalyseur accumulateur NON 144 ; l'alternance entre le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NON 143 et le mode de fonctionnement élimination de soufre catalyseur accumulateur NON 144 se 10 fait en alternance (de façon caractéristique pendant par exemple 10 s). Les conditions pour terminer l'élimination de soufre peu-vent être différentes selon les indications données dans la liste sui-vante ; ces conditions peuvent également être appliquées de manière combinée. 15 On peut terminer l'élimination de soufre si : - on a atteint une durée fixe prédéfinie pour la phase d'élimination de soufre, et/ou - le degré d'élimination de soufre diminue dans le filtre à particules régénéré 70, et/ou 20 - dans le filtre à particules 70, régénéré on est passé en dessous de seuil prédéfini de manière fixe pour la teneur en soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90, et/ou - dans le filtre à particules 70, régénéré, on a dépassé une durée cumulée, fixe, prédéfinie pour l'élimination du soufre. 25 Le procédé selon l'invention prévoit en outre qu'en cas de dépassement vers le bas d'un seuil fixe prédéfini pour la teneur en soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 et si la régénération du filtre à particules 70 n'est pas complètement terminée, on arrête la phase d'élimination de soufre et on poursuit le mode de 30 fonctionnement chauffage DPF 142. La figure 2 montre à titre d'exemple et en fonction d'une durée 120 minutes l'évolution des températures 130 ( C) dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 (température NSC 131) et dans le filtre à particules 70 (température DPF 132). 2904360 10 La figure 3 représente les différents modes de fonctionnement 140 dans leur succession chronologique comme cela a été décrit ci-dessus. Les figures 4 et 5 montrent en fonction du temps 120 5 (minutes) l'évolution de la masse de particules 150 (g) dans le filtre à particules 70 et de la masse de soufre 160 (g) dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90. Comme cela apparaît à la figure 2, par le passage sur le mode de fonctionnement chauffage DPF 142, la température du filtre 10 à particules 70 et celle du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90 arrivent tout d'abord au-dessus de 500 C. Après avoir atteint cette température optimale pour la combustion des particules, cette combustion commence ce qui est perceptible par la diminution de la masse de particules 150 comme cela apparaît à la figure 4. On atteint 15 l'état filtre à particules vide 151 lorsque la masse de particules 150 atteint un certain seuil (ici par exemple 5 g). Dès avant cet instant, on commute sur le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NON 143. Pendant ce mode de fonctionnement on constate une poursuite de la combustion des particules. Ce n'est qu'avec plu- 20 sieurs alternances sur le mode de fonctionnement élimination soufre catalyseur accumulateur NON 144 que l'on aura une diminution significative de la masse de soufre 160 dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90. Le procédé tel que présenté permet de réduire de manière 25 significative la consommation d'énergie de chauffage et ainsi la con-sommation correspondante de carburant. De plus, on augmente l'efficacité du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON car la charge moyenne en soufre est réduite du fait de fréquences plus élevées des phases d'élimination de soufre ; cela permet de réduire encore plus 30 les émissions d'oxydes d'azote NON en aval du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, 90. 35 REVENDICATIONS 1 ) Procédé de régénération d'un filtre à particules (70) et d'élimination du soufre d'un catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON (90) dans une installation de traitement aval des gaz d'échappement d'un moteur à combustion (1), selon lequel pour régénérer le filtre à particules (70) on relève la température du filtre à particules (70) par rapport à celle du mode de fonctionnement normal (141) dans au moins un mode de fonctionnement chauffage DPF (142) et pour l'élimination du soufre du catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON (90), dans au moins un mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NON (143) (X 1) on chauffe le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON, (90) et dans un mode de fonctionnement suivant élimination soufre catalyseur accumulateur NON (144) on règle le coefficient lambda des gaz d'échappement sur 1 dans le gaz d'échappement. 6 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' 15 après avoir atteint la nouvelle température de consigne on alterne entre le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NOX (143) et le mode de fonctionnement élimination soufre catalyseur accumulateur NOX (144). 20 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on prédéfinit l'alternance entre le mode de fonctionnement chauffage catalyseur accumulateur NOX (143) et le mode de fonctionnement élimination soufre catalyseur accumulateur NO), (144), en alternance 25 pour des intervalles de temps définis qui peuvent par exemple dépendre du point de fonctionnement du moteur à combustion (1) ou des conditions relatives au catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NOX (90). 8 ) Procédé selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que la période d'élimination de soufre est prédéterminée de manière fixe et se termine à la fin de cette période. 9 ) Procédé selon la revendication 1, 35 caractérisé en ce qu' 2904360 13 en cas de filtre à particules (70) totalement ou partiellement régénéré et en cas de diminution du rendement de l'élimination de soufre on ter-mine la phase d'élimination de soufre. 5 10 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour un filtre à particules totalement ou partiellement régénéré et en cas de dépassement vers le bas d'un seuil prédéterminé de manière fixe pour la teneur en soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes 10 d'azote NON, (90) on termine la phase d'élimination de soufre. 11 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on termine la phase d'élimination de soufre lorsque le filtre à particules 15 (70) est totalement ou partiellement régénéré ou lorsqu'on atteint une période cumulée prédéterminée de manière fixe pour l'élimination du soufre. 12 ) Procédé selon la revendication 8, 20 caractérisé en ce qu' on combine les conditions pour terminer la phase d'élimination de soufre. 13 ) Procédé selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce qu' en cas de dépassement vers le bas d'un seuil prédéfini de manière fixe pour la teneur en soufre dans le catalyseur accumulateur d'oxydes d'azote NON (90) et lorsque la régénération du filtre à particules (70) n'est pas encore terminée, on termine la phase d'élimination de soufre 30 et on poursuit le mode de fonctionnement chauffage DPF (142).