Brevet FR2927944A1 — 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. On rencontre deux difficultés principales lors de la désulfatation : La première est de conserver la température du NOxTrap inférieure à une température maximum admissible par le piège pour éviter sa destruction, tout en conservant un niveau de température suffisant pour rendre possible la désorption des SOx. La seconde est de contrôler la sélectivité du soufre. En effet, lors de la purge des SOx, on cherche à éliminer le soufre sous une forme particulière, le SO2, qui est une espèce inodorante. Mais dans certains cas (richesse trop élevée, manque d'OS (c'est-à-dire d'oxygène stocké ou de surface) dans le NOxTrap, durée du créneau riche trop importante), le soufre peut être éliminé par production de H2S et COS, qui sont deux espèces malodorantes et toxiques à forte concentration. L'enjeu du contrôle de la désulfatation est donc de désorber au maximum le soufre sous forme de SO2. Pour ce faire, le contrôle de la désulfatation s'effectue par fractionnement : il s'agit d'une alternance de richesses du mélange à l'entrée du NOx Trap autour de la richesse 1, c'est-à-dire voisine d'un rapport air/carburant stoechiométrique. La phase pauvre (richesse inférieure à 1) permet de réduire la température du NOx Trap (par arrêt momentané de la désulfatation) et de recharger l'OSC du NOx Trap (oxygène stocké sur le piège) par l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement (en effet, la sélectivité SO2 / H2S dépend de la quantité d'OS). La phase riche (richesse voisine de 1) permet quant à elle de réaliser une déSOx effective sous certaines conditions. On a déjà proposé, dans le EP-A-O 962 639, d'estimer 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, suivant lequel on déclenche une purge du pot en oxydes de soufre (SOx) 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, comprend les étapes suivantes : 3 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 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. Cependant, la méthode d'estimation évoquée est encore perfectible, en termes de détermination de la masse exacte d'oxydes de soufre, de coûts liés à la désulfatation du catalyseur, et d'optimisation de la désorption du soufre sous forme de dioxyde de soufre SO2, plutôt que de sulfure d'hydrogène (H2S) ou de sulfure de carbonyle (COS). Ces différents buts sont atteints conformément à la présente invention. II s'agit donc d'un procédé tel qu'exposé ci-dessus, qui est essentiellement remarquable en ce qu'à l'étape b), on évalue, pour ledit pot, la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de 20 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 imprégné sur la surface des moyens d'adsorption dudit pot. 25 La présente invention propose donc de rajouter aux paramètres permettant d'évaluer la vitesse de désulfatation, sa dépendance à la quantité d'oxygène de surface, ou sa simple présence, disponible dans le piège. En effet, selon cette quantité, la vitesse de désulfatation 30 évolue. Ainsi, selon que l'oxygène de surface est présent ou absent, on a affaire aux réactions simplifiées suivantes : • Présence d'oxygène de surface : réducteurs + OS +SOx désorption de SO2. 35 • Absence d'oxygène de surface : réducteurs + SOx -* désorption de H2S + COS. 15 Ceci signifie que tant qu'il y a présence d'OS dans le NOxTRAP, on désorbe les produits soufrés sous forme de SO2. Une fois l'oxygène de surface entièrement consommé, le soufre est alors désorbé sous forme de H2S et COS. A chacune de ces réactions correspond une cinétique qui lui est propre, c'est-à-dire que la vitesse de désorption sera différente selon la réaction. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé : - 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 instantanée (mSox) retenue dans le réacteur, de sorte que cette variation s'exprime de la manière suivante : dmSOx/dt = f(Tcat, Ri, WH, mSOx, m02 stocké). ladite grandeur "mO2 stocké" est déterminée à partir d'un modèle de consommation en oxygène de surface ; - ladite grandeur "mO2 stocké" est déterminée à partir d'une mesure de sonde(s) à oxygène placées en aval et/ou en amont dudit pot. on modélise ledit pot en le subdivisant en n réacteurs contigus, n étant supérieur ou égal à 1 et on associe à chacun d'eux des masses d'oxydes de soufre (SOx) et des températures différentes ; - lesdites températures sont données par des capteurs ou par des modèles de températures. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description serai faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant un dispositif 30 permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma montrant la modélisation d'un catalyseur en quatre réacteurs ; - la figure 3 est un schéma-bloc illustrant les différents paramètres et leurs interactions dans le procédé selon l'invention ; - la figure 4 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 5 est une courbe donnant, également en fonction 5 du temps, l'évolution de la quantité d'oxygène de surface ; - la figure 6 regroupe des courbes montrant, en fonction du temps les cinétiques de désorption des différentes espèces soufrées. 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 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 35 fonctionne en mélange air/carburant pauvre. 6 Le calculateur 2 est par ailleurs dûment programmé pour notamment : -déterminer la valeur courante, à un instant d'échantillonnage i, de la masse d'oxydes de soufre absorbés par le pot 4, à 5 l'aide d'un modèle, -décider le déclenchement et l'arrêt d'une purge en fonction 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 10 mélange air/carburant à une valeur correspondant à un mélange stoechiométrique ou riche, lorsqu'une telle purge est déclenchée, - commander éventuellement une élévation de la température des gaz d'échappement. Ci-après seront décrits la structure et le fonctionnement des 15 moyens nécessaires à l'exécution des différentes fonctions du système. Fonctionnement en stockage On observe ce fonctionnement lorsque le moteur est 20 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 25 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 30 caractériser le chargement en SOx du piège. Ainsi, selon le EP0962639 précité : On définit une efficacité instantanée de stockage de SOx (EFFSOx) de la manière suivante : 35 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 SS/SSC par : SS/SSC = 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 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 VVH (vitesse volumique horaire), 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, WH) 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 25 30 8 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 déstockage des SOx Le déstockage des oxydes de soufre SOx intervient lorsque la richesse des gaz d'échappement dans le NOxTRAP est supérieure ou 10 égale à 1. Comme indiqué plus haut, tant qu'il y a présence d'OS dans le NOxTRAP, on désorbe les produits soufrés sous forme de SO2. Une fois l'oxygène de surface entièrement consommée le soufre est désorbé sous forme de H2S. 15 A chacune de ces réactions correspond une cinétique qui lui est propre, c'est-à-dire que la vitesse de désorption sera différente selon la réaction. La présente invention propose de prendre en compte une grandeur tenant compte de la quantité ou de la présence d'os, pour la 20 détermination de la vitesse de désulfatation dmSOx/dt (ou variation de la masse d'oxydes de soufre purgée par unité de temps) qui s'exprime alors ainsi : dmSOx/dt = f(T, richesse, WH, mSOx, m02 stocké), ce qui correspond aussi au débit de soufre en aval 25 mSOxi = mSOxi-1 + (dmSOx/dt)*DT La prise en compte de l'OSC va ainsi permettre de refléter les deux réactions chimiques exposées plus haut. En effet, chaque réaction chimique possède sa propre 30 cinétique : les espèces réagissent et se forment à une vitesse dépendante de la réaction en jeu et de l'environnement où se situe la réaction. On va ainsi exprimer deux vitesses différentes (puisque mettant en jeu deux réactions différentes l'une après l'autre) selon la présence (ou la quantité) d'oxygène de surface.5 Ceci permet une meilleure description des phénomènes en jeu et donc une meilleure estimation de la quantité de SOx présente dans le piège à chaque instant L'information relative à la quantité ou la simple présence d'oxygène peut être fournie par un modèle de consommation de l'oxygène de surface tel que celui décrit dans la demande française n° FR0506202, ou par l'utilisation de sondes à oxygène en aval et/ou en amont du volume de NOxTRAP. La prise en compte de ce paramètre supplémentaire permet 10 d'améliorer la précision du calcul de la vitesse de désulfatation en différenciant les réactions avec et sans oxygène. Ceci permet une estimation plus précise de la masse de SOx, ainsi que celle de la masse de NOx (directement dépendante de la masse de SOx). De plus, une estimation plus précise des masses de SOx et de 15 NOx permet de limiter la dilution et la surconsommation par une optimisation des phases de régénération du pot catalytique et de leur durée. Enfin, cela rend possible la distinction des espèces soufrées désorbées sous forme de SO2 ou de H2S. Elle permet alors d'estimer la nature des espèces soufrées désorbées et leur débit. Cela permet de 20 mettre à disposition deux informations exploitables pour le contrôle de la désulfatation par fractionnement de richesse, au lieu d'une seule. Ainsi, en comparant les courbes des figures 4 et 5 annexées, on observe que tant que OS conserve une valeur significative (période de temps située avant t1), les oxydes de soufre sont transformés en SO2. Après 25 cette période de temps, ils sont transformés en H2S et COS. En parallèle, la cinétique de désorption de SO2 correspond à la courbe A de la Fig. 6, si on tient compte de la présente d'OS. Elle correspond à la courbe B, si on tient compte de la quantité d'oxygène, la partie BI correspondant à la désorption de SO2, tandis que la partie B2 30 correspond à la désorption de H2S + COS. Discrétisation du volume du pot catalytique en n réacteurs La vitesse de désulfatation étant notamment caractérisée par 35 la température et par la masse de soufre stockée à cet instant, il peut être i0 utile de prendre en compte la répartition de la masse SOx et l'hétérogénéité de température dans toute l'étendue du NOxTrap. En effet, jusqu'à présent, on modélisait la totalité de la masse de SOx stockée par le pot catalytique considéré comme constitué d'un seul 5 et unique volume. La répartition de cette masse était donc considérée homogène dans le piège. Suivant le volume de NOxTRAP modélisé ou la précision escomptée, cette simplification peut-être trop réductrice. C'est pourquoi, afin d'être en mesure de représenter l'impact de cette hétérogénéité sur la 10 physique de la désorption du soufre et son estimation, l'invention se propose de diviser ce réacteur unique en n réacteurs permettant d'associer à chacun d'eux des masses de SOx et des températures différentes. On obtient alors une image discrétisé suivant une dimension de la répartition des SOx dans le NOxTrap. 15 La quantité de soufre de chacune des réacteurs est alors déterminée par l'efficacité de chacun d'eux grâce à la connaissance de leur température, donnée par des capteurs ou des modèles de températures (eux-mêmes discrétisés). Dans l'illustration de la figure 2, le NOxTrap est discrétisé en 4 20 réacteurs. A chacun d'eux correspond une information de température (T1 à T4) qui permet de calculer leur masse de SOx propre (mSOxl à mSOx4). La masse de SOx totale est alors la somme des 4 masses calculées, soit SS = Somme (SSi) Bien entendu, le nombre de réacteurs, peut être différent, 25 pourvu qu'il soit supérieur ou égal à un. Alors, le modèle de chargement devient, pour chaque réacteur : SSi = mSOxi,i+1 = mSOxii + QSOxi.EFFSOxi Avec QSOxi = débit de soufre en amont du réacteur. Pour le premier réacteur, QSOxi = QSOx = débit de soufre moteur ; Pour les autres réacteurs, QSOxi = QSOxAVAL (i-c) = débit de soufre en aval du réacteur précédent, soit : QSOxAVAL (i) = (1-EFFSOx(i)) * QSOxAVAL (i-1) Par ailleurs, le modèle de désulfatation devient, pour chaque réacteur : 30 35 Il dmSOx;/dt = f(Tcat;, Ri, VVH;, mSOx;) et le débit de soufre en aval du piège devient QSOxAVAL = Somme (dmSOx;/dt) Cette prise en compte de la répartition permet une meilleure estimation de la vitesse de désulfatation et donc de la masse de soufre piégée, ce qui permet une optimisation de l'estimation de la masse de NOx stockée. La figure 3 permet de visualiser l'ensemble des paramètres utilisés dans le cadre du présent procédé et les variables qu'ils permettent 10 de déterminer. 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, suivant lequel on déclenche une purge du pot (4) en oxydes de soufre (SOx) 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, et qui comprend les étapes suivantes : a) on évalue, la masse courante (SSi) d'oxydes de soufre 10 adsorbée dans le pot (4), à un instant d'échantillonnage i, en utilisant le modèle : SSi+l = 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 15 dans le pot (4), b) on déclenche une purge du pot (4) quand ladite grandeur franchit un seuil (Si) prédéterminé, fonction de la température (Tcat) du pot (4), caractérisé par le fait 20 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 25 surface" (OS) étant l'oxygène imprégné sur la surface des moyens d'adsorption dudit pot. 2. Procédé selon la revendication 1, 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 30 volumique horaire des gaz (VVH) 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, VVH, mSOx, m02 stocké). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, 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 d'un paramètre tenant compte du vieillissement du matériau constitutif du pot catalytique (vieillissement). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite grandeur "mO2 stocké" est déterminée à partir d'un modèle de consommation en oxygène de surface. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ladite grandeur "mO2 stocké" est déterminée à partir d'une mesure de sonde(s) à oxygène placées en aval et/ou en amont dudit pot. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on modèlise ledit pot (4) en le subdivisant en n réacteurs contigus, n étant supérieur ou égal à 1 et qu'on associe à chacun d'eux des masses d'oxydes de soufre (SOx) et des températures différentes. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdites températures sont données par des capteurs ou par des modèles de températures.