Brevet FR2933447A1 — publié le 20100108

REN098FR - dépôt DA 1 L'invention concerne un procédé de désulfuration d'un NOx-Trap, dispositif de post-traitement de gaz d'échappement émis par un moteur interne d'un véhicule automobile. Elle concerne aussi un groupe motopropulseur équipé d'un NOx-Trap et un véhicule automobile en tant que tels mettant en oeuvre un tel procédé de désulfuration. L'invention est particulièrement adaptée aux véhicules automobiles équipés d'un moteur diesel. Les moteurs à combustion interne, et plus particulièrement les moteurs de type diesel, rejettent dans l'atmosphère des éléments polluants comme des particules polluantes, des oxydes d'azote, du soufre, du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Pour réduire l'émission de ces éléments polluants, des dispositifs de post-traitement sont disposés sur la ligne d'échappement et ont pour fonction de piéger ces éléments. Un premier dispositif de post traitement est un piège à oxydes d'azote, généralement appelé par sa dénomination anglo-saxonne � NOx-Trap � : ce dispositif retient chimiquement les oxydes d'azote (NO et NO2) produits par le moteur. Un second dispositif de post traitement est un filtre à particules, dont la fonction est de piéger mécaniquement les particules polluantes comme les suies sortant de la chambre de combustion. Classiquement, ces dispositifs de post-traitement fonctionnent de manière périodique, en deux phases. Lors d'une première phase, ils stockent des éléments polluants émis par le moteur, et lors d'une deuxième phase dite de régénération, ces éléments polluants sont éliminés. La régénération d'un NOx-Trap consiste à réduire les oxydes d'azote en diazote N2 et dioxyde de carbone CO2, lorsqu'un seuil prédéterminé de chargement en NOx est atteint. De manière similaire, la régénération du filtre à particules consiste à brûler les particules stockées, dès que la masse de particules REN098FR - dépôt DA 2 dans le filtre devient trop importante. Pour cela, une stratégie spécifique d'injection de carburant permet d'élever la température dans le filtre à particules à une valeur élevée, à environ 600t, pe rmettant ainsi de brûler les particules stockées. Les phases de régénération s'effectuent lorsque le moteur fonctionne, sans que le conducteur du véhicule en ait conscience. Ces phases de régénération sont nécessaires car lorsque les dispositifs de post-traitement atteignent une certaine charge, ils ne remplissent plus leur fonction. De plus, les particules accumulées dans le filtre à particules finissent par entraîner une contre-pression importante à l'échappement du moteur, ainsi qu'une augmentation de la pression différentielle aux bornes du filtre à particules, ce qui diminue considérablement les performances du moteur. D'autre part, du soufre présent dans l'échappement altère aussi avec le temps le fonctionnement du NOx-Trap. En effet, pendant le fonctionnement du moteur, le soufre initialement présent dans le carburant et l'huile se retrouve dans les gaz d'échappement sous forme de dioxyde de soufre SO2, qui est alors adsorbé par le NOx-Trap sur les sites d'adsorption prévus pour les oxydes d'azote NOx, diminuant ainsi la capacité de stockage des NOx. De plus, le soufre adsorbé n'est pas déstocké pendant les purges en NOx des phases de régénération du NOx-Trap. Par conséquent, l'efficacité d'un piège à NOx décroît avec l'accumulation du soufre. Ainsi, une phase de désulfuration du NOx-Trap est aussi périodiquement mise en oeuvre pour le purger des produits soufrés, en complément de la régénération du NOx-Trap explicitée précédemment. La désulfuration nécessite une thermique très élevée au sein du NOx-30 Trap, soit une température en général supérieure à 650`C, et un milieu REN098FR - dépôt DA 3 riche (excès de réducteurs) pendant une durée qui peut aller de plusieurs secondes à plusieurs dizaines de secondes. Pour respecter ces conditions de purge, des stratégies spécifiques d'injection de carburant sont mises en place. Dans les deux phases de régénération du filtre à particules et de la désulfuration du NOx-Trap, une forte augmentation de la température des gaz d'échappement est nécessaire, obtenue par une stratégie d'injection spécifique comme une injection retardée de carburant dans les chambres de combustion du moteur. On peut en particulier injecter du carburant juste après le point mort haut lors de la phase de détente, ce qui a pour effet d'augmenter la température des gaz à l'échappement. En variante, il est également possible de prévoir une ou plusieurs injections tardives, c'est-à-dire nettement après le point mort haut ou une introduction de carburant directement dans la ligne d'échappement via l'utilisation d'un cinquième injecteur ou d'un vaporisateur à l'échappement. Le carburant ainsi injecté ne brûle pas dans la chambre de combustion du moteur, mais, par exemple, dans un dispositif catalytique également prévu dans la ligne d'échappement, augmentant ainsi la température des gaz traversant ensuite le filtre à particules. Cela induit une augmentation de la consommation en carburant. D'autre part, il apparaît aussi un phénomène de dilution de carburant dans l'huile moteur. Ainsi, il est avantageux de limiter au mieux le nombre et la durée de ces phases à haute température. La solution courante de l'état de la technique consiste à déclencher la régénération du filtre à particules et la désulfuration du NOx-Trap de manière indépendante, en fonction de la masse de particules stockées d'une part et de la quantité de soufre emmagasinée d'autre part. Si par REN098FR - dépôt DA 4 hasard les deux phases sont nécessaires simultanément, alors la régénération du filtre à particules se fait en priorité, la désulfuration venant ensuite, après la fin de la régénération. Pour améliorer cette solution, le document US20050050884 propose une solution consistant à réaliser une désulfuration immédiatement après la fin de la régénération du filtre à particules quand c'est possible, pour profiter de la température déjà élevée des gaz d'échappement et réduire le temps nécessaire pour la phase de désulfuration. Toutefois, la durée globale pour réaliser ces deux purges consécutives reste trop importante. Selon une autre solution décrite dans le document WO200641545, la désulfuration et la régénération du filtre à particules sont réalisées simultanément. Cette solution présente l'inconvénient d'être très risquée car la désulfuration entraîne une forte hausse de température qui risque d'entraîner une surchauffe et un emballement de la combustion du filtre à particules, risquant de le détériorer. Ces solutions ne sont donc pas satisfaisantes et il existe un besoin d'une 20 autre solution améliorée de gestion de la régénération et de la désulfuration. Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une autre solution de gestion de la désulfuration et/ou de la régénération d'un dispositif de post-25 traitement de gaz d'échappement d'un véhicule automobile. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de désulfuration d'un NOx-Trap pour le post-traitement de gaz d'échappement émis par un moteur interne d'un véhicule automobile, comprenant une étape de régénération 30 d'un filtre à particules, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de REN098FR - dépôt DA 5 désulfuration du NOx-Trap qui est initiée pendant la régénération du filtre à particules, après le commencement de la régénération du filtre à particules et avant la fin de cette régénération, de sorte que la désulfuration du NOx-Trap et la régénération du filtre à particules sont effectuées partiellement simultanément, la désulfuration du NOx-Trap étant initiée durant la régénération du filtre à particules dès que les deux conditions traitées aux deux étapes suivantes sont vérifiées: -vérification que la masse restante de particules dans le filtre à particules est en dessous d'un seuil prédéfini qui permet de limiter le 10 risque d'atteindre une température non supportable au sein du filtre à particules après initiation de la désulfuration ; -vérification que la masse de soufre présente dans le NOx-Trap est suffisante pour qu'une désulfuration soit utile. 15 La première étape de vérification peut comprendre d'autres vérifications de conditions physiques parmi lesquelles la vérification que les températures au sein du NOx-Trap et du filtre à particules sont assez faibles pour ne pas détériorer les catalyseurs, et/ou vérification que le point de fonctionnement du moteur permet d'assurer la faisabilité des 20 conditions nécessaires pour la désulfuration, et/ ou vérification de la compatibilité du rapport de boîte de vitesse enclenché. La seconde étape de vérification peut comprendre d'autres vérifications de l'utilité d'initier la désulfuration pendant la régénération à partir de 25 paramètres choisis parmi le chargement en soufre du NOx-Trap et/ou le chargement en suies du filtre à particules et/ou le point de fonctionnement du moteur et/ou la reconnaissance de profil de roulage afin d'estimer l'efficacité et le gain du cumul de la régénération et de la désulfuration, la désulfuration n'étant engagée qu'au-delà d'un gain minimal prédéfini. 30 REN098FR - dépôt DA 6 Le procédé peut comprendre une étape préalable de vérification que la masse de particules stockées dans le filtre à particules soit inférieure à une valeur seuil prédéfinie avant de lancer la régénération du filtre à particules. De plus, le procédé de désulfuration peut comprendre une phase de régénération du filtre à particules réalisée jusqu'à ce que la température en entrée du filtre à particules atteigne une valeur stabilisée, puis initiation de la désulfuration du NOx-Trap pendant la régénération et réalisation simultanée de la régénération du filtre à particules et de la désulfuration du NOx-Trap de sorte que la température interne du NOx-Trap oscille entre une valeur minimale définie par les périodes pauvres de la désulfuration et une valeur maximale définie par les périodes riches de la désulfuration, de sorte que cette température interne du NOx-Trap maximale n'engendre pas de dépassement de la température maximale admissible par le filtre à particules. Le procédé de désulfuration peut en outre comprendre une étape consistant à exécuter une désulfuration indépendante s'il existe un besoin 20 de désulfuration hors d'un besoin de régénération. L'invention porte aussi sur un groupe motopropulseur pour véhicule automobile, comprenant un moteur et une conduite d'échappement pour conduire les gaz d'échappement vers un NOx-Trap et un filtre à particules, 25 caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande électronique ECU qui met en oeuvre de manière automatique le procédé de désulfuration tel que décrit précédemment. L'invention porte aussi sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il 30 comprend un tel groupe motopropulseur. REN098FR - dépôt DA 7 Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente schématiquement un groupe motopropulseur selon l'invention ; la figure 2 représente schématiquement le procédé mis en oeuvre selon un 10 mode d'exécution de l'invention; la figure 3 représente schématiquement la variation de la température maximale autorisée par un filtre à particules en fonction de sa charge en particules ; la figure 4 représente la variation de la température interne du NOx-Trap 15 en fonction du temps lors de la mise en oeuvre du procédé selon le mode d'exécution de l'invention. La figure 1 illustre schématiquement un groupe motopropulseur selon l'invention. Ce dispositif comprend un moteur diesel 1, alimenté en air 20 arrivant par une conduite d'admission 2 et en carburant par un système d'injection 6. En sortie du moteur, les gaz d'échappement sont conduits par une conduite d'échappement 3 et traversent successivement un NOx-Trap 4 puis un filtre à particules 5. 25 Le dispositif comprend de plus une unité de commande électronique (ECU) 10, composée d'éléments matériel (harware) et/ou logiciel (software), qui se présente généralement sous la forme d'un ordinateur de bord. Cette unité ECU reçoit des données de différents capteurs, non représentés, comme par exemple un capteur de température pour 30 mesurer la température des gaz d'échappement, une sonde à oxygène qui REN098FR - dépôt DA 8 mesure la quantité d'oxygène dans les gaz d'échappement, un capteur de température disposé en entrée du filtre à particules de sorte de mesurer la température des gaz d'échappement au niveau de ce filtre, un capteur de pression différentielle monté aux bornes du filtre à particules. A partir de ces données et/ou de modèles mémorisés, l'unité ECU met en oeuvre un procédé de gestion du groupe motopropulseur et notamment de gestion de la désulfuration et de la régénération des dispositifs de post-traitement 4, 5. Pour cela, elle pilote par exemple les différentes vannes et injecteurs du dispositif. Ce procédé est explicité par la suite. Le concept de l'invention est d'autoriser le déclenchement d'une désulfuration pendant une régénération du filtre à particules, à partir du moment où à la fois certaines conditions physiques et certaines conditions d'utilité sont réunies. Ainsi, le chevauchement entre la désulfuration et la régénération a lieu après une première phase de régénération seule. Ainsi, le procédé de l'invention, mis en oeuvre par un automate, tel qu'illustré sur la figure 2, comprend une première étape El consistant à déterminer si les conditions sont réunies pour lancer la régénération du filtre à particules. Pour cela, la masse de particules MP stockées dans le filtre à particules est évaluée selon une méthode connue de l'état de la technique, et si elle dépasse un seuil prédéfini SMP alors la régénération du filtre à particules peut être réalisée à l'étape E2. De plus, en parallèle de cette régénération de l'étape E2, deux conditions sont vérifiées périodiquement aux étapes E3 et E3' pour déterminer si il faut déclencher la désulfuration au cours de la régénération. La première condition, traitée à l'étape E3, consiste à vérifier si certaines conditions � physiques � sont respectées, dont la condition essentielle est REN098FR - dépôt DA 9 que la masse de particules MP présente dans le filtre à particules soit descendue en dessous d'un seuil d'emballement SE prédéfini. En effet, La désulfuration consiste en l'alternance de créneaux riches et de créneaux pauvres. La désulfuration commence par un créneau riche, dans lequel un fort excès de réducteurs est présent dans les gaz d'échappement, permettant notamment de consommer l'oxygène résiduel des gaz d'échappement. Lors d'un créneau riche, la température en entrée du filtre à particules 5 est très élevée, au-dessus de 100 à 150 cc de celle normalement prévue pour sa phase de régénération. La courbe de la figure 3 illustre la température maximale autorisée par le filtre à particules, qui dépend fortement de la masse de particules présente dans le filtre. Au-delà de cette température maximale, la combustion au sein du filtre à particules devient incontrôlée et finit par endommager, voire détruire, le filtre à particules. Cela explique pourquoi le procédé repose sur la définition d'un seuil d'emballement, qui correspond à un choix de masse restante de particules SE dans le filtre à particules, qui correspond aussi à une température maximale autorisée par le filtre, avant de lancer éventuellement une désulfuration. Ce seuil d'emballement représente donc un compromis entre d'une part le souhait d'initier le plus rapidement possible la désulfuration pendant la régénération du filtre à particules pour réduire le temps total des phases de régénération et de désulfuration et d'autre part la suppression du risque d'emballement de la régénération qui risque d'endommager le filtre à particules. Selon des variantes de réalisation, d'autres conditions physiques peuvent être vérifiées lors de cette première étape E3 parmi lesquelles : - Vérification que les températures au sein du NOx-Trap et du filtre à particules sont assez faibles pour ne pas détériorer les catalyseurs ; REN098FR - dépôt DA 10 - Vérification que le point de fonctionnement permet d'assurer la faisabilité des conditions voulues (zone de désulfuration) - Vérification du rapport de boîte de vitesse enclenché. En parallèle de l'étape E3, le procédé traite une seconde condition vérifiée à l'étape E3', qui détermine l'utilité de déclencher une désulfuration. Pour cela, il met en oeuvre un procédé d'estimation de l'efficacité ou de l'utilité du cumul de la désulfuration et de la régénération. Par exemple, l'utilité de déclencher la désulfuration peut être déterminée par une masse de soufre stockée dans le NOx-Trap supérieure à un seuil, ce seuil pouvant dépendre du profil actuel de roulage. On pourra aussi, par exemple, calculer l'efficacité de désulfuration théorique que l'on aurait eue sur une fenêtre glissante des 5 à 10 dernières minutes, si on avait alors déclenché des créneaux à richesse supérieure à 1. Ce calcul permet d'estimer si les conditions actuelles de fonctionnement sont adaptées à une désulfuration. En option, il peut aussi estimer le coût total en dilution, lié aux stratégies d'injection. De même que précédemment, on peut par exemple, calculer la dilution introduite théorique sur les 5 à 10 dernières minutes, si on avait alors déclenché des créneaux à richesse supérieure à 1. Ce calcul permet d'estimer si les conditions actuelles de fonctionnement ne sont pas trop coûteuses en dilution dans le mode de désulfuration. L'utilité est donc déterminée à partir de paramètres choisis parmi lesquels le chargement en soufre du NOx-Trap, le chargement en suies du filtre à particules, - le point de fonctionnement du moteur, - la reconnaissance de profil de roulage.30 REN098FR - dépôt DA 11 Ces conditions d'utilité permettent d'estimer s'il est intéressant de déclencher une désulfuration, en termes d'efficacité de désulfuration et/ou de coût de dilution. Ainsi, les conditions physiques correspondent aux conditions pour lesquelles on peut réaliser un créneau richesse supérieure à 1 sans endommager le système ; les conditions d'utilité correspondent aux conditions pour lesquelles un algorithme estime le moment où il est opportun de lancer un créneau à richesse supérieure à 1. Lorsque les deux conditions vérifiées aux étapes E3 et E3' sont vérifiées, la désulfuration est exécutée à l'étape E4. Elle commence par la mise en oeuvre d'un créneau riche, selon les explications précédentes. La fin du créneau pauvre qui suit, dont le réglage est semblable à celui de la phase de régénération du filtre à particules, est alors déterminée soit par un critère en température, soit par une durée maximale prédéfinie. Cette alternance de périodes riche et pauvre se répète alors jusqu'à la fin de la désulfuration. La figure 4 illustre la variation de la température interne du NOx-Trap lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans une première période t1, seule la régénération est mise en oeuvre et la température interne du NOx-Trap augmente progressivement jusqu'à atteindre une température proche de Ti, aboutissant à une température en entrée du Filtre à Particules de l'ordre de 600 0C. A l'instant t2, la désulfuration est initiée, alors que la régénération est toujours en cours. La désulfuration profite ainsi de conditions favorables pour son commencement puisque la température des gaz d'échappement est déjà très élevée du fait de la régénération. A titre d'exemple, le temps t2 correspondra à un avancement de la régénération du filtre à particules entre 0 et 60%. La masse de suies pour déclencher une régénération (SMP) sera classiquement comprise entre 6 et 10g/L. Le seuil de suies REN098FR - dépôt DA 12 maximum pour déclencher des créneaux riches sera compris, selon la température entre 4 et 6 g/L. Pendant la période t3, la régénération et la désulfuration sont mises en oeuvre simultanément : la température interne du NOx-Trap oscille alors entre une température maximale T3 et une température minimale T2, selon des périodes de montée 12 correspondant aux périodes dites riches de la désulfuration et des périodes de descente 13, correspondant aux périodes dites pauvres. Le seuil de déclenchement de la désulfuration a été fixé tel que la température interne du NOx-Trap T3 n'engendre pas de dépassement de la température maximale admissible en entrée du filtre à particules définie par la figure 3. En parallèle du procédé décrit ci-dessus, l'automate de gestion de la désulfuration vérifie aussi le besoin d'une désulfuration hors de toute régénération du filtre à particules, par exemple en vérifiant que la masse de soufre accumulée dépasse un seuil prédéfini, puis exécute la désulfuration de manière indépendante si ce besoin est vérifié et la désulfuration possible. Cette partie du procédé n'est pas représentée sur la figure 2 pour des raisons de simplification. Finalement, l'invention présente les avantages suivants : - la voie d'échappement subit un temps total de périodes de chauffe réduit, ce qui diminue grandement la dilution de gazole dans l'huile ; le temps total de la régénération et de la désulfuration est fortement réduit puisque ces deux purges sont réalisées en partie simultanément. Selon l'invention, ce temps peut être divisé par deux approximativement. Cela réduit donc la période de chauffe de la ligne d'échappement ; - la dilution d'huile et la consommation du véhicule automobile sont 30 fortement réduites. Revendications1. Procédé de désulfuration d'un piège à NOx (4) pour le post-traitement de gaz d'échappement émis par un moteur interne d'un véhicule automobile, comprenant une étape (E2) de régénération d'un filtre à particules (5), caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E4) de désulfuration du piège à NOx qui est initiée pendant la régénération du filtre à particules (5), après le commencement de la régénération du filtre à particules (5) et avant la fin de cette régénération, de sorte que la désulfuration du piège à NOx (4) et la régénération du filtre à particules (5) sont effectuées partiellement simultanément, la désulfuration du piège à NOx (4) étant initiée durant la régénération du filtre à particules (5) dès que les deux conditions traitées aux deux étapes (E3, E3') suivantes sont vérifiées: -vérification (E3) que la masse restante de particules (MP) dans le filtre à particules (5) est en dessous d'un seuil prédéfini (SE) qui permet de limiter le risque d'atteindre une température non supportable au sein du filtre à particules après initiation de la désulfuration ; -vérification (E3') que la masse de soufre présente dans le piège à 20 NOx (4) est suffisante pour qu'une désulfuration soit utile. 2. Procédé de désulfuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape de vérification (E3) comprend d'autres vérifications de conditions physiques parmi lesquelles la vérification que les 25 températures au sein du piège à NOx et du filtre à particules sont assez faibles pour ne pas détériorer les catalyseurs, et/ou vérification que le point de fonctionnement du moteur permet d'assurer la faisabilité des conditions nécessaires pour la désulfuration, et/ ou vérification de la compatibilité du rapport de boîte de vitesse enclenché. 30REN098FR - dépôt DA 14 3. Procédé de désulfuration selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde étape de vérification (E3') comprend d'autres vérifications de l'utilité d'initier la désulfuration pendant la régénération à partir de paramètres choisis parmi le chargement en soufre du piège à NOx et/ou le chargement en suies du filtre à particules et/ou le point de fonctionnement du moteur et/ou la reconnaissance de profil de roulage afin d'estimer l'efficacité et le gain du cumul de la régénération et de la désulfuration, la désulfuration n'étant engagée qu'au-delà d'un gain minimal prédéfini. 4. Procédé de désulfuration selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable (E1) de vérification que la masse de particules (MP) stockées dans le filtre à particules soit inférieure à une valeur seuil prédéfinie (SMP) avant de lancer la régénération (E2) du filtre à particules. 5. Procédé de désulfuration selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une phase (t1) de régénération du filtre à particules (5) réalisée jusqu'à ce que la température en entrée du filtre à particules atteigne une valeur stabilisée (T1), puis initiation de la désulfuration du piège à NOx pendant la régénération et réalisation simultanée de la régénération du filtre à particules (5) et de la désulfuration du piège à NOx (t3) de sorte que la température interne du piège à NOx oscille entre une valeur minimale (T2) définie par les périodes pauvres de la désulfuration et une valeur maximale (T3) définie par les périodes riches de la désulfuration, de sorte que cette température interne du piège à NOx maximale (T3) n'engendre pas de dépassement de la température maximale admissible par le filtre à particules (5).REN098FR - dépôt DA 15 6. Procédé de désulfuration selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à exécuter une désulfuration indépendante s'il existe un besoin de désulfuration hors d'un besoin de régénération. 7. Groupe motopropulseur pour véhicule automobile, comprenant un moteur (1) et une conduite d'échappement (3) pour conduire les gaz d'échappement vers un piège à NOx (4) et un filtre à particules (5), caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande électronique 10 ECU (10) qui met en oeuvre de manière automatique le procédé de désulfuration selon l'une des revendications précédentes. 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un groupe motopropulseur selon la revendication précédente. 15