Brevet FR2921429A1 — publié le 20090327

B07-2794FR - AxC/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système et procédé de désulfatation d'un piège à oxydes d'azote pour moteur à combustion interne Invention de : RISPAL Xavier GIRODON Alain Système et procédé de désulfatation d'un piège à oxydes d'azote pour moteur à combustion interne La présente invention est relative à la désulfatation des pièges à oxydes d'azote montés dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion interne, notamment du type Diesel, utilisés sur les véhicules automobiles. Afin de répondre à la baisse des seuils admissibles pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, on dispose dans la ligne d'échappement des moteurs, des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement de plus en plus complexes. Ces systèmes de post-traitement permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote en plus du traitement du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Ces systèmes de post-traitement, contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel qui joue son rôle d'une manière continue, fonctionnent de manière discontinue. En effet, pendant le fonctionnement normal du moteur, ces systèmes agissent comme des pièges pour les polluants qui ne sont pas traités. Puis, au cours de phases dites de régénération, les polluants sont éliminés par une élévation de température convenable. Une telle augmentation de température peut être par exemple obtenue par une modification du fonctionnement du moteur, en augmentant la richesse du mélange alimentant le moteur. Parmi ces systèmes de post-traitement, on peut citer en particulier les pièges à oxydes d'azote qui sont utilisés pour les moteurs à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre, c'est-à-dire avec un excès d'oxygène. Le but de ces pièges à oxydes d'azote est de stocker les oxydes d'azote sur une phase catalytique qui peut être par exemple réalisée à base de sels de baryum et de cérium. Lorsqu'on détecte un remplissage convenable du piège à oxydes d'azote, on peut alors déclencher une phase de régénération pour éliminer les oxydes d'azote préalablement stockés. Le carburant alimentant le moteur à combustion ainsi que les lubrifiants utilisés contiennent une certaine proportion de soufre qui se retrouve dans les gaz d'échappement. Ce soufre présente la particularité de former, au contact de la phase catalytique utilisée dans le piège à oxydes d'azote, des sulfates stables qui se fixent sur les sites de stockage des oxydes d'azote qui sont adsorbés sous forme de nitrates dans le piège. La capacité de stockage du piège à oxydes d'azote se trouve ainsi réduite. Les sulfates formés étant chimiquement plus stables que les nitrates, il est nécessaire d'utiliser des températures plus importantes pour éliminer ces sulfates. Une phase de désulfatation nécessite donc de soumettre le piège à oxydes d'azote, en milieu riche, à des températures nettement plus importantes que celles qui seraient nécessaires pour obtenir l'élimination des nitrates stockés dans le piège à oxydes d'azote. Pour éviter que ces températures élevées ne détériorent la phase catalytique, on procède généralement par fractionnement, c'est-à-dire que l'on fait alterner des périodes de montée en température avec des périodes d'abaissement de la température. A cet effet on pilote le fonctionnement du moteur alternativement selon des créneaux avec une alimentation en mélange riche, et des créneaux avec une alimentation en mélange pauvre. Pendant les périodes de fonctionnement en mélange riche, la température est montée jusqu'à un niveau suffisant pour éliminer le soufre du piège à oxydes d'azote. La durée de ces périodes est choisie suffisamment faible pour éviter la détérioration de la phase catalytique ainsi que l'émission d'hydrogène sulfuré (H2S), gaz particulièrement malodorant. La période de fonctionnement en mélange pauvre qui suit immédiatement la période de fonctionnement en mélange riche permet de refroidir le matériau catalytique. Pendant ces périodes de refroidissement, le soufre n'est bien entendu pas éliminé. Un tel fonctionnement par fractionnement permet de maintenir la température au sein du piège à oxydes d'azote au dessous d'un seuil qui entraînerait une dégradation du matériau catalytique qu'il contient. La demande de brevet allemand DE 198 027 195 (Volkswagen) décrit un procédé de désulfatation par fractionnement pour un piège à oxydes d'azote du type catalytique prévoyant un fonctionnement du moteur, alternativement en mélange riche et en mélange pauvre. Comme expliqué dans ce document, un fonctionnement du moteur en mélange riche entraîne une formation plus rapide d'anhydride sulfureux (SO2) lors de la désulfatation. Toutefois, une durée trop importante de cette période de fonctionnement en mélange riche provoque l'apparition d'hydrogène sulfureux (H2S) par une réaction chimique de cinétique plus lente. Dans ce document, il est donc préconisé de ne faire fonctionner le moteur en mélange riche que pendant une durée courte de l'ordre de 0,5 à 10 secondes, ce qui entraîne une forte émission de S02 sans émission de H2S puis de revenir à un fonctionnement en mélange pauvre pour éviter la formation de H2S avant de procéder à un ou plusieurs autres cycles identiques jusqu'à parvenir à la désulfatation complète. Les demandes de brevets français 2 862 702 et 2 862 703 (PSA) décrivent des stratégies similaires de pilotage du moteur en vue d'une désulfatation d'un piège à oxydes d'azote. De tels procédés de désulfatation par fractionnement présentent néanmoins l'inconvénient d'une efficacité moins importante, de sorte que la désulfatation complète nécessite une période de temps plus longue entraînant une plus grande perturbation du fonctionnement normal du moteur. La demande de brevet français 2 880 066 (RENAULT) décrit un système et un procédé de pilotage de la quantité des gaz d'échappement recyclés dans un moteur à combustion interne de type Diesel fonctionnant avec une richesse supérieure à 1 dans le but de contrôler la température des gaz d'échappement. De cette manière, il devient possible de régénérer un piège à oxydes d'azote sans qu'une augmentation trop importante de la température des gaz d'échappement risque de compromettre les différents composants montés dans la ligne d'échappement. Ce document ne s'intéresse pas à la question de la désulfatation d'un piège à oxydes d'azote. La présente invention a pour objet d'améliorer une phase de désulfatation d'un piège à oxydes d'azote de façon à obtenir une élimination du soufre plus rapide et dans de meilleures conditions. L'invention permet une meilleure efficacité de la désulfatation sans entraîner d'augmentation inadmissible de la température dans le matériau catalytique présent dans le piège à oxydes d'azote. Dans un mode de réalisation, il est proposé un système de désulfatation d'un piège à oxydes d'azote monté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne du type Diesel pour véhicule automobile, équipé d'une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement avec une vanne de recirculation commandée. Le système comprend des moyens de commande pour déclencher une phase de désulfatation et pour commander, au cours de la phase de désulfatation, le fonctionnement du moteur, alternativement avec un mélange riche et avec un mélange pauvre. Le système comprend en outre des moyens de pilotage de la vanne de recirculation pour augmenter la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes précitées de fonctionnement du moteur avec un mélange riche lors d'une phase de désulfatation. La quantité d'oxygène contenue dans les gaz d'échappement produits pendant les périodes de fonctionnement du moteur avec un mélange riche est ainsi augmentée ce qui accélère les réactions exothermiques et augmente la température dans le piège à oxydes d'azote lors de ces périodes. I1 en résulte une meilleure efficacité de la désulfatation par émission de S02 lors des périodes de fonctionnement du moteur en mélange riche. Lors des périodes de fonctionnement du moteur en mélange pauvre, qui suivent les périodes précédentes dans le cycle de désulfatation, le pilotage de la vanne de recirculation peut être à nouveau actionné pour revenir à la quantité de gaz d'échappement recyclés qui existait avant la période de fonctionnement du moteur avec un mélange riche. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation décrit à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé. Sur ce dessin, on a représenté schématiquement en coupe différents éléments d'un moteur à combustion interne du type Diesel pour véhicule automobile. Comme illustré, le moteur comprend un cylindre 1 à l'intérieur duquel se déplace un piston 2 sous l'action d'une bielle 3 entraînée par un vilebrequin 4. Un lubrifiant 5 subsiste en partie basse du carter 6. Du carburant, schématisé par la flèche 8 et provenant d'une chambre commune à haute pression non illustrée sur la figure, est injecté dans la chambre de combustion 7 au dessus du piston 1 par un injecteur 8a. De l'air frais schématisé par la flèche 9 est amené à un débitmètre 10 puis traverse un compresseur 11 qui fait partie d'un turbocompresseur comportant, sur un arbre commun 12, également une turbine 13. L'air comprimé par le turbocompresseur 11 traverse un échangeur de chaleur 14 qui permet d'abaisser sa température avant d'être amené par une conduite d'admission 15 dans la chambre de combustion 7 en fonction de la position d'une soupape d'admission 17. Un volet orientable 18 est monté dans la conduite d'admission 15 et permet de réguler le débit d'air admis dans le moteur. Les gaz d'échappement s'écoulent en sortie de la chambre de combustion 7 par la conduite d'échappement 19 avant d'être amenés à l'entrée de la turbine 13 qui permet l'entraînement du compresseur 11. Une soupape d'échappement 20 commande la sortie des gaz d'échappement en fonction du cycle du moteur. Le moteur est également équipé d'une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement comportant une conduite de recirculation 21 piquée sur la conduite d'échappement 19 et comportant un échangeur de chaleur 22 pour le refroidissement des gaz d'échappement. La conduite 21 comporte également une vanne de recirculation commandée 23 (dite vanne EGR pour � Exhaust Gaz Recirculation �) permettant de réguler la quantité de gaz d'échappement recyclés (EGR) dans la chambre de combustion 7. La conduite de recirculation débouche, après la vanne EGR 23, dans la conduite d'admission 15 en aval du volet orientable 18. Une conduite de by-pass 24 avec une vanne de by-pass 25 est également prévue pour, dans certaines conditions de fonctionnement, ne pas faire transiter les gaz d'échappement à travers l'échangeur de chaleur 22. A la sortie de la turbine 13, les gaz d'échappement pénètrent dans la ligne d'échappement 26 qui comporte un piège à oxydes d'azote 27 qui peut être muni d'un élément catalyseur intégré ou, dans l'exemple illustré, être associé à un organe catalyseur séparé 28. Le contrôle du fonctionnement du moteur est assuré par une unité de contrôle électronique 29 qui reçoit des informations en provenance de différents capteurs dont certains ont été représentés sur la figure. Ainsi, le débit d'air admis mesuré par le débitmètre 10 est amené par la connexion 30 à l'unité électronique de contrôle 29. De la même manière, un capteur 31 mesure la pression dans la conduite d'admission 15 et transmet un signal par la connexion 32. Un capteur 33 mesure la température dans le cylindre 1 et transmet un signal par la connexion 34. Un capteur 35 mesure l'angle du vilebrequin 4 et transmet un signal par la connexion 36. Un capteur 37 mesure la température dans la conduite d'échappement 19 en amont de la turbine 13 et transmet un signal par la connexion 38. Tous ces signaux sont reçus par l'unité de contrôle électronique 29 qui est capable d'émettre des signaux de commande, notamment pour l'injection de carburant par l'injecteur 8, ainsi que pour la position du volet d'air 18 par l'intermédiaire d'une connexion de commande 39 et pour la position de la vanne de recirculation EGR 23 par une connexion de commande 40. L'unité de contrôle électronique 29 comprend des moyens de mémorisation et des moyens de calcul permettant d'assurer le fonctionnement des différents organes du moteur. On a représenté schématiquement à l'intérieur de l'unité de contrôle électronique 29, un bloc 41 qui permet la mémorisation d'une cartographie de pilotage du volet d'air 18 et de la vanne de recirculation EGR 23 en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que la charge et le régime de rotation. Cette cartographie permet le contrôle du moteur pour un fonctionnement normal. On a également représenté un bloc 42 qui schématise des moyens de commande capables de déclencher une phase de désulfatation du piège à oxydes d'azote 27, et de commander, au cours de cette phase de désulfatation, un fonctionnement du moteur par fractionnement, c'est-à-dire alternativement avec un mélange riche et avec un mélange pauvre. Les moyens 42 sont également capables, conformément à l'invention, d'agir sur la commande d'ouverture de la vanne de recirculation 23 afin d'augmenter la quantité des gaz d'échappement recyclés (EGR) dans la chambre de combustion 7, pendant les périodes de fonctionnement en mélange riche de la phase de désulfatation. De cette manière on augmente le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement et on intensifie l'effet exothermique produit par les réactions d'élimination du soufre contenu dans le piège à oxydes d'azote 27. La commande d'ouverture de la vanne de recirculation 23 peut être effectuée de façon que l'augmentation de la quantité de gaz d'échappement recyclés soit plus importante dans les périodes de fonctionnement en mélange riche du début de la phase de désulfatation et moins importante pendant les périodes de fonctionnement du moteur en mélange riche proche de la fin de la phase de désulfatation. La variation de la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes de fonctionnement en mélange riche peut être progressive ou au contraire être faite par paliers. On peut avantageusement tenir compte de la température régnant dans le piège à oxydes d'azote 27, mesurée au moyen d'un capteur non représenté sur la figure, pour piloter l'ouverture de la vanne de recirculation 23. Le pilotage de la vanne de recirculation 23 pendant la phase de désulfatation par fractionnement de façon à augmenter le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement pendant les périodes de fonctionnement en mélange riche, permet d'augmenter l'efficacité de la désulfatation pendant ces périodes de fonctionnement en mélange riche. En effet, l'introduction dans la chambre de combustion d'une quantité plus importante de gaz d'échappement EGR, qui sont inertes vis-à-vis de la combustion, ralentit la combustion qui est ainsi moins complète qu'en fonctionnement normal du moteur. Cela augmente la quantité résiduelle d'oxygène dans les gaz d'échappement traversant ensuite le piège à oxydes d'azote 27. L'augmentation d'oxygène dans les gaz d'échappement entraîne, du fait des réactions exothermiques avec le soufre piégé sous forme de sulfates dans le piège à oxydes d'azote 27, une augmentation de la température à l'intérieur dudit piège. Cette augmentation de température favorise l'opération de désulfatation. Les périodes de fonctionnement en mélange pauvre permettent de maintenir la température à l'intérieur du piège à oxydes d'azote à un niveau inférieur au seuil qui risquerait d'entraîner la dégradation du catalyseur ou du piège à oxydes d'azote lui-même. Le pilotage de la vanne de recirculation 23 pendant les périodes de fonctionnement en mélange pauvre peut être tel que la quantité de gaz d'échappement recyclés est ramenée à sa valeur normale correspondant au fonctionnement normal du moteur. Dans certains cas on peut toutefois maintenir la position de la vanne de recirculation 23 correspondant à la quantité augmentée de gaz d'échappement recyclés comme pour les périodes de fonctionnement en mélange riche. La durée des périodes alternatives de la désulfatation par fractionnement est généralement comprise entre 1 et 60 secondes et la durée totale de la désulfatation peut être comprise entre 20 et 1000 secondes. REVENDICATIONS 1. Système de désulfatation d'un piège à oxydes d'azote monté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) du type Diesel pour véhicule automobile, équipé d'une boucle (21) de recirculation partielle des gaz d'échappement avec une vanne de recirculation commandée (23), comprenant des moyens de commande pour déclencher une phase de désulfatation et pour commander, au cours de la phase de désulfatation, le fonctionnement du moteur alternativement avec un mélange riche et avec un mélange pauvre, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de pilotage (42) de la vanne de recirculation (23) pour augmenter la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes précitées de fonctionnement du moteur avec un mélange riche lors d'une phase de désulfatation . 2. Système selon la revendication précédente pour un moteur équipé d'un volet orientable (18) monté dans la conduite (15) d'admission d'air du moteur, comprenant des moyens (41) pour mémoriser une cartographie de pilotage du volet et de la vanne de recirculation en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur pour un fonctionnement normal du moteur, les moyens de commande précités étant capables de modifier ledit pilotage lors d'une phase de désulfatation. 3. Procédé de désulfatation d'un piège à oxydes d'azote monté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne du type Diesel pour véhicule automobile, équipé d'une boucle de recirculation partielle des gaz d'échappement, dans lequel on commande, au cours d'une phase de désulfatation, le fonctionnement du moteur alternativement avec un mélange riche et avec un mélange pauvre, caractérisé par le fait qu'on augmente la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes précitées de fonctionnement du moteur avec un mélange riche. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel l'augmentation de la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes defonctionnement du moteur avec un mélange riche est moins importante à la fin de la phase de désulfatation par rapport au début de la phase de désulfatation. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'augmentation de la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes de fonctionnement du moteur avec un mélange riche est progressivement diminuée au cours de la phase de désulfatation. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel on pilote l'augmentation de la quantité de gaz d'échappement recyclés pendant les périodes de fonctionnement du moteur avec un mélange riche, en fonction de la température atteinte dans le piège à oxydes d'azote.