Brevet FR2927946A1 — publié le 20090828

La présente invention est relative à un procédé de commande de purge en oxydes de soufre d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes à catalyseur, de post-traitement des gaz de plus en plus complexes, sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre. Ceux-ci permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote, en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Contrairement à un catalyseur d'oxydation traditionnel, ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est-à-dire qu'en fonctionnement normal, ils piègent les polluants, mais ne les traitent que lors des phases de régénération. Ainsi, pour être régénérés, ces pièges nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux thermique et/ou de richesse nécessaires. La capacité de stockage d'un catalyseur comportant un piège à oxydes d'azote (ou NOx) est altérée au cours du temps par la présence de soufre dans les gaz d'échappement. Celui-ci étant en effet présent dans le carburant et l'huile, il se retrouve dans les gaz d'échappement. Il est piégé sur les sites de réaction du piège, diminuant ainsi le nombre de sites réactifs pour les NOx. Autrement dit, l'efficacité d'un piège à NOx décroît avec l'accumulation du soufre dans celui-ci. De même que pour les NOx, il est nécessaire après avoir franchi un certain seuil de chargement, d'éliminer (ou désorber) le soufre pour redonner au piège de l'efficacité en terme d'absorption de NOx. Ce procédé, nommé � désulfatation � ou encore � déSOx �, nécessite un milieu réducteur (mélange riche) à l'instar des purges NOx, mais aussi un niveau thermique élevé dans le piège (� NOx-Trap �) (de l'ordre de 700°C). Cette opération a des impacts en termes de tenue mécanique du moteur (thermique extrême des différents organes), de dilution de carburant dans l'huile et de consommation. De plus, les conditions de fonctionnement sont difficiles à obtenir sur véhicule. La difficulté principale de la désulfatation est de conserver la température du NOxtrap inférieure à une température maximum admissible pour éviter sa destruction, tout en conservant un niveau thermique suffisant pour rendre possible la désorption des SOx. Pour ce faire, le contrôle de la désulfatation s'effectue en maintenant la température avec un débit de gaz riche en continu ou par une alternance de richesses du mélange à l'entrée du NOxtrap autour de la richesse 1. La phase pauvre (richesse inférieure à 1) permet alors de réduire la température du NOxtrap (par arrêt momentané de la désulfatation) et de recharger l'oxygène de surface (en abrégé OS, c'est à dire oxygène stocké sur le piège) du NOxtrap par l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement (l'émission en aval du piège de dioxyde de soufre S02 ou de sulfure d'hydrogène H2S dépend de la quantité d'OS) et de la richesse des gaz. La phase riche permet, quant à elle, de réaliser la déSOx effective sous certaines conditions. On a déjà proposé, dans le EP-A-O 962 639, d'estimer 20 l'empoisonnement au soufre d'un catalyseur. Ce procédé de commande de purge en oxydes de soufre (SOx) d'un pot catalytique de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit pot comprenant des moyens d'adsorption d'oxydes de soufre (SOx) contenus dans ces gaz, comprend les étapes 25 suivantes : a) on évalue, la masse courante (SSi) d'oxydes de soufre adsorbée dans le pot à un instant d'échantillonnage i, en utilisant le modèle : SSi+1 = SSi + Qsox . EFFSOX 30 où Qsox est le débit d'oxydes de soufre dans l'échappement du moteur et EFFSOX est l'efficacité instantanée de stockage des oxydes de soufre dans le pot, b) on déclenche une purge du pot quand ladite grandeur franchit un seuil (Si) prédéterminé, fonction de la température (Tcat) du pot, 35 par un accroissement de la richesse (Ri) d'un mélange air/carburant d'alimentation du moteur, à partir d'une richesse correspondant à un mélange pauvre ou stoechiométrique, c) à une alternance d'injections d'un mélange riche (Ri>1) puis pauvre (Ri Actuellement, une des méthodes employées pour le contrôle du fractionnement est la calibration de temps (cartographie des durées riche / pauvre en fonction des points de fonctionnement du moteur, avec des limites en température). Cela signifie que l'on fixe des durées prédéterminées pour chaque phase de mélange, qui sont estimées lors de la mise au point du contrôle. La présente invention vise à encore améliorer ce procédé par une prise en compte de l'OS à chaque instant. Il s'agit donc d'un procédé tel qu'exposé ci-dessus, qui est essentiellement remarquable en ce que : d) à l'étape b), on évalue, pour ledit pot, la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt en fonction de la température du pot (Tcat), de la richesse (Ri) du mélange air/carburant, ainsi qu'en fonction d'une grandeur "mO2 stocké" qui tient compte de la quantité ou de la présence d'oxygène de surface (OS), cet "oxygène de surface" (OS) étant l'oxygène stocké ou adsorbé sur la surface des moyens d'adsorption dudit pot, e) on considère que la désorption du soufre s'effectue sous forme SO2 seulement quand la dite richesse est supérieure à 1 et en présence d'oxygène ; f) on passe d'un mélange riche (Ri>1) à un mélange pauvre (Ri 1) lorsqu'un second seuil prédéterminé d'oxygène de surface (OS) est 30 atteint, le second seuil étant supérieur au premier. De ce fait, les conditions le passage d'une richesse à l'autre vont dépendre de la quantité d'oxygène présente dans le piège. Cela permet d'obtenir une vitesse de désulfatation plus élevée, de diminuer le temps de désulfatation total, ainsi que les surcoûts associés 35 (dilution, surconsommation), et de minimiser l'émission d'H2S. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé : - le premier seuil est égal à zéro ; - à l'étape f), la quantité d'oxygène (OS) est donnée par un 5 modèle de consommation de cet oxygène de surface ou par au moins une sonde à oxygène ; - on utilise une sonde placée en aval dudit pot et éventuellement une autre placée en amont ; -on évalue, pour ledit pot, la variation de la masse d'oxydes 10 de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt également en fonction de la vitesse volumique horaire des gaz (WH) et de la masse d'oxydes de soufre instantanée (mSOx) retenue dans le réacteur, de sorte que cette variation s'exprime de la manière suivante : dmSOx/dt = f(Tcat, Ri, WH, mSOx, mO2 stocké) 15 - on évalue, pour ledit pot, la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt également en fonction d'un paramètre tenant compte du vieillissement du matériau constitutif du pot catalytique (Vieillissement). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 20 apparaîtront à la lecture détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; 25 - la figure 2 représente des courbes montrant, en fonction du temps, l'évolution des débits d'espèce soufrée en aval du pot catalytique selon que de l'oxygène de surface est présent ou non ; - la figure 3 est une courbe donnant, également en fonction du temps, l'évolution de la quantité d'oxygène de surface ; 30 - la figure 4 est une courbe montant l'évolution parallèle de la richesse du mélange injecté. A la figure 1 est schématisé un moteur à combustion interne 1, dont le fonctionnement est géré par un calculateur électronique numérique 2. La chambre de combustion est raccordée à une ligne 35 d'échappement 3. Un pot catalytique 4 de traitement des gaz d'échappement est monté dans la ligne 3, et il est prévu une vanne de commande 5 du débit d'air entrant dans le moteur telle qu'un papillon des gaz motorisé par exemple. Le moteur essence ou diesel comprend aussi plusieurs injecteurs de carburant 6 disposés de manière à pouvoir injecter du carburant dans la chambre de combustion susceptible de faire fonctionner le moteur en mélange pauvre (fonctionnement normal). Le calculateur 2 commande le fonctionnement de l'injecteur 6 et de la vanne 5 pour régler la composition du mélange air/carburant d'alimentation du moteur, de telle manière que la richesse de ce mélange soit momentanément supérieure à 1 (fonctionnement en purge du pot 4) dans la chambre de combustion. Le calculateur 2 peut éventuellement commander un injecteur additionnel 7 de carburant placé dans la ligne d'échappement 3. Un capteur 8 délivré au calculateur 2 un signal représentatif de la température Tcat du pot catalytique 4 ou de la température des gaz entrant dans le pot. D'autres capteurs (non représentés) délivrent au calculateur des signaux représentatifs d'autres grandeurs classiquement utilisées pour gérer le fonctionnement du moteur : régime du moteur, pression d'admission d'air, etc. Le pot catalytique 4 est naturellement du type comprenant des moyens d'adsorption d'oxydes d'azote et de soufre lorsque le moteur fonctionne en mélange air/carburant pauvre. Le calculateur 2 est par ailleurs dûment programmé pour 25 notamment : - déterminer la valeur courante, à un instant d'échantillonnage i, de la masse d'oxydes de soufre absorbés par le pot 4, à l'aide d'un modèle, - décider le déclenchement et l'arrêt d'une purge en fonction 30 de la masse d'oxydes de soufre stockés dans le pot 4 et de la température de celui-ci, ceci à l'aide d'un système expert, - commander alors l'établissement de la richesse du mélange air/carburant à une valeur correspondant à un mélange stoechiométrique ou riche, lorsqu'une telle purge est déclenchée, 35 - commander éventuellement une élévation de la température des gaz d'échappement. Ci-après seront décrits la structure et le fonctionnement des moyens nécessaires à l'exécution des différentes fonctions du système. Fonctionnement en stockaqe On observe ce fonctionnement lorsque le moteur est alimenté en mélange pauvre. Le calcul du débit de soufre provenant du moteur s'effectue à partir de la connaissance des teneurs en soufre du carburant et de l'huile nécessaire à la lubrification du moteur. Les teneurs en soufre étant connues, l'estimation des débits de carburant et de consommation d'huile permettent d'évaluer la quantité de soufre contenue dans les gaz d'échappement en sortie du moteur. A partir de cette donnée, on estime la quantité de soufre qui peut être piégée dans le piège à NOx (NOxTrap). Pour cela, on définit une efficacité de chargement qui sert à caractériser le chargement en SOx du piège. Ainsi, selon le EP-0 962 639 précité : On définit une efficacité instantanée de stockage de SOx (EFFSOx) de la manière suivante : EFFSOX = 1 - débit de SOx à la sortie de la ligne d'échappement 3 débit de SOX à la sortie du moteur 1 On définit par ailleurs un taux de remplissage SSISSC par : SSISSC = masse de SOx stockée (SS) masse maximum de SOx stockable (SSC) avec SS= SOx Storage = mSOx, c'est-à-dire la masse de soufre piégée dans le NOxTRAP à l'instant t. SSC = SOx Storage Capacity, c'est-à-dire la capacité de stockage en SOx, valeur spécifique au NOxTRAP, identifiée et cartographiée, variant avec la température du catalyseur Tcat. D'après le brevet précité, l'efficacité de stockage EFFSOx est 5 fonction des paramètres suivants : la température du catalyseur Tcat, le rapport de la masse de SOx stockée SS sur la masse de SOx maximum stockable SSC et la richesse du carburant Ri. Il est possible de prendre en compte, en plus des paramètres précités, le temps de séjour des gaz ou WH (vitesse volumique horaire), 10 fonction du débit des gaz. On affine ainsi le modèle par cette prise en compte. On a alors au final : EFFSOx = f (T, SSISSC, Ri, VVH) On peut aussi tenir de prendre en compte également le vieillissement thermique du monolithe dans l'estimation de l'efficacité de chargement en soufre. EFFSOx devient alors : EFFSOx = f (T, SS/SSC, richesse, WH, Vieillissement) Au final, en mode chargement, on a à l'instant i : SS = mSOx;+1 = mSOx; + QSOx.EFFSOx Cela permet par ailleurs d'estimer le débit de soufre en aval du NOxTRAP, en mode chargement : Ce débit s'exprime de la manière suivante : QSOxAVAL = (1-EFFSOx) *QSOx Fonctionnement en déstockaqe des SOx Selon que l'oxygène de surface est présent ou absent, on a affaire aux réactions simplifiées suivantes : 15 20 25 30 35 • Présence d'oxygène de surface : réducteurs + OS + SOx -* désorption de S02. • Absence d'oxygène de surface : réducteurs + SOx -* désorption de H2S + COS. Ceci signifie que lorsque les conditions de température (environ 700°C) et de mélange (richesse >1) sont atteintes, alors : • tant que de l'OS est présent dans le piège, les réducteurs et l'OS réagissent et provoquent la désorption du soufre sous forme de SO2 • une fois qu'il n'y a plus d'OS dans le piège, les réducteurs réagissent avec le soufre stocké dans le piège et produisent du H2S et du COS. En se basant sur les réactions exposées précédemment, la présente invention pose les conditions de fractionnement de la désulfatation (basculement d'un mélange riche à mélange pauvre et inversement). Le fractionnement se base sur la prise en compte de la quantité d'OSC présente dans le NOx Trap. Cette information peut provenir indifféremment de modèles d'estimation de l'OS et / ou de sondes (sonde à 02 binaire, sonde à 02 proportionnelle, NOx). Condition de passaqe d'un mélanqe riche à un mélanqe pauvre : En mélange riche (c'est-à-dire Richesse >1), l'OS est consommée par les réducteurs provoquant la désorption du soufre sous 25 forme de SO2. Le passage de riche à pauvre s'effectue lorsqu'il n'y a plus d'OS présent dans le NOx Trap. L'information de la quantité de l'OS peut être indifféremment issue d'un modèle de consommation de l'OS ou d'une sonde de richesse en aval (et éventuellement en amont). 30 Condition de passaqe d'un mélanqe pauvre à un mélanqe riche : En mélange pauvre (c'est-à-dire Richesse Par ailleurs, dans l'hypothèse de cinétique de désulfatation en présence d'oxygène résiduel plus forte que sans, un fractionnement de richesse adapté à la consommation/régénération de l'OSC sur un volume (amont) inférieure à celui du NOxTRAP - correspondant par ailleurs au volume principalement empoisonné par le soufre û permet aussi d'optimiser la production de SO2 et la vitesse de désulfatation et ainsi de diminuer le temps de désulfatation totale et les coûts associés (dilution, surconsommation, ...). La présente invention offre une meilleure précision du contrôle par la prise en compte directe de la quantité d'OS, modélisée ou fournie via les sondes à oxygène, afin d'optimiser la vitesse de désulfatation, sélectivité des émissions de produits soufrés et lescoûts associés à la désulfatation. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de purge en oxydes de soufre (SOx) d'un pot catalytique (4) de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1), ledit pot (4) comprenant des moyens d'adsorption d'oxydes de soufre (SOx) contenus dans ces gaz, qui comprend les étapes suivantes : a) on évalue, la masse courante (SSi) d'oxydes de soufre adsorbée dans le pot (6), à un instant d'échantillonnage i, en utilisant le modèle : SSi+1 = SSi + Qsox. EFFSOX où Qsox est le débit d'oxydes de soufre dans l'échappement du moteur (1) et EFFSOX est l'efficacité instantanée de stockage des oxydes de soufre dans le pot (6), b) on déclenche une purge du pot (4) quand ladite grandeur franchit un seuil (Si) prédéterminé, fonction de la température (Tcat) du pot (4), par un accroissement de la richesse (Ri) d'un mélange air/carburant d'alimentation du moteur, à partir d'une richesse correspondant à un mélange pauvre ou stoechiométrique, c) on procède à une alternance d'injections d'un mélange riche (Ri>1) puis pauvre (Ri 1) à un mélange pauvre (Ri 1) lorsqu'un second seuil prédéterminé d'oxygène de surface (OS) est atteint, le second seuil étant supérieur au premier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 5 le premier seuil est égal à zéro. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait, à l'étape f) la quantité d'oxygène de surface (OS) est donnée par un modèle de consommation de cet oxygène de surface ou par au moins une sonde à oxygène. 10 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on utilise une sonde placée en aval dudit pot et éventuellement une autre placée en amont. 5. selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on utilise une sonde placée en aval dudit pot et éventuellement une autre 15 placée en amont. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que on évalue, pour ledit pot, la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt également en fonction de la vitesse volumique horaire des gaz (WH) et de la masse d'oxydes de soufre 20 instantanée (mSOx) retenue dans le réacteur, de sorte que cette variation s'exprime de la manière suivante : dmSOx/dt = f(Tcat, Ri, WH, mSOx, mO2 stocké). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on évalue, pour ledit pot, la variation de la masse 25 d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt également en fonction d'un paramètre tenant compte du vieillissement du matériau constitutif du pot catalytique (vieillissement)