Brevet FR2927943A1 — 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. Un autre problème se pose dans les catalyseurs exposés à de fortes températures. Il s'agit du vieillissement de la phase catalytique, qui se traduit principalement par une réduction irréversible de la surface spécifique de traitement des gaz et une augmentation de la température d'amorçage des réactions catalytiques. Celui-ci a un fort impact sur l'efficacité et la capacité de chargement en NOx, en soufre et en oxygène ainsi qu'en efficacité de régénération du piège (réduction de NOx et désulfatation). Une bonne connaissance de la quantité de soufre stockée en chargement comme en désulfatation permet de diminuer les contraintes liées à son élimination. Cependant, il n'existe pas de capteurs embarqués permettant de mesurer les espèces soufrées. Cette quantité de soufre doit donc être évaluée par calcul. On a déjà proposé, par le document EP-A-O 962 639, 15 d'estimer l'empoisonnement en soufre d'un catalyseur. 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 20 sulfure d'hydrogène (H2S) ou de sulfure de carbonyle (COS). Ces différents buts sont atteints conformément à la présente invention. Ainsi, elle concerne un procédé de commande de purge en oxydes de soufre (SOx) d'un pot catalytique de traitement des gaz 25 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 30 mélange pauvre ou stoechiométrique, et qui comprend les étapes 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 : 35 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 5 franchit un seuil (Si) prédéterminé, fonction de la température (Tcat) du pot, caractérisé par le fait qu'on détermine EFFSOX à partir d'une valeur tirée d'une table ou d'une formule dont les entrées sont la température (Tcat), le taux de remplissage (SS/SSC) en oxydes de soufre du pot, la richesse (Ri) du mélange 10 air/carburant et au moins l'une des entrées additionnelles suivantes : la vitesse volumique horaire des gaz (WH) et un paramètre tenant compte du vieillissement du matériau constitutif du pot catalytique (Vieillissement). Ainsi, en ajoutant une ou deux variables supplémentaires pour la détermination de EFFSOX, on en améliore le calcul. 15 Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - on prend en compte d'une seule desdites entrées additionnelles ; - on prend en compte lesdites deux entrées additionnelles ; 20 - à l'étape a), on estime le débit en oxydes de soufre (QSOx aval) circulant en aval du pot par la relation : QSOx aval = (1-EFFSOx)*QSOX amont, où QSOX amont est le débit en oxydes de soufre circulant en amont du pot ; 25 - à l'étape b), c'est à dire lors d'une purge du pot, on évalue la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) stockée par unité de temps dmSOx/dt en fonction de la température du catalyseur (Tcat), de la richesse (Ri) du mélange air/carburant, de la vitesse volumique horaire des gaz (WH) et de la masse d'oxydes de soufre instantanée (mSox) retenue dans 30 le pot, soit dmSOx/dt = f(Tcat, Ri, VVH,mSOx) ; et on en déduit la masse totale (SS) d'oxydes de soufre stockée dans le pot à un instant i à partir de la relation SS = mSox;+1 = mSOx; + dmSOx; ; - on modèlise ledit pot en le subdivisant en n réacteurs 35 contigus, n étant supérieur ou égal à 2 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 ; - pour évaluer la masse courante (SSi) d'oxydes de soufre adsorbés, à un instant d'échantillonnage i, d'un des réacteurs j, j étant 5 compris entre 1 et n, on utilise le modèle : SSii(j) = mSOx;(j-1) + QSOx; . EFFSOx; où QSOx; est le débit instantané d'oxydes de soufre en amont dudit réacteur, et EFFSOX; est l'efficacité instantanée de stockage des oxydes de soufre dans le pot ; 10 - à l'étape b), on évalue, pour un réacteur j, la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt en fonction de la température du réacteur (Tcati), de la richesse (Ri) du mélange air/carburant, de la vitesse volumique horaire des gaz (VVH) et de la masse d'oxydes de soufre instantanée (mSox) retenue dans le réacteur, 15 soit dmSOx;/dt = f(Tcat;, Ri, VVH;, mSOx;), et qu'on en déduit le débit d'oxydes de soufre en aval de ce réacteur par la relation : QSOx aval = somme (dmSOx/dt) ; - on évalue la dite variation dmSOx/dt en prenant en compte également soit la concentration en oxygène des gaz dans le réacteur, soit 20 une information binaire liée à la présence, respectivement l'absence d'oxygène dans les gaz du réacteur ; - on évalue la dite variation dmSOx/dt en prenant en compte également un paramètre lié au vieillissement du monolithe dudit réacteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 25 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 ; 30 - 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. A la figure 1 est schématisé un moteur à combustion interne 35 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 25 fonctionne en mélange air/carburant pauvre. 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 30 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 35 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 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. 10 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 15 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. 20 Ainsi, selon le EP0962639 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 débi 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. 25 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. Selon la présente invention, on prend de plus en compte le temps de séjour des gaz ou VVH (vitesse volumique horaire), fonction du 10 débit des gaz. On affine ainsi le modèle par cette prise en compte. On a alors au final : EFFSOx = f (T, SSISSC, Ri, WH) Par ailleurs, la présente invention propose 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 La présente invention 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 15 20 25 30 Le déstockage des oxydes de soufre SOx intervient lorsque la richesse des gaz d'échappement dans le NOxTRAP est supérieure ou égale à 1. D'après le brevet précité, la variation de la masse de SOx (dmSOx/dt) stockée par unité de temps est fonction de la température du catalyseur Tcat, de la richesse Ri et du débit des gaz (ou VVH). La présente invention y ajoute la dépendance à la masse de SOx instantanée contenue dans le piège mSOx (ou SS). On obtient alors au final : dmSox/dt = f(Tcat, Ri, WH, mSOx) SS = mSOxi+1 = mSOxi + dmSOxi L'invention permet par ailleurs d'estimer le débit de soufre en aval du NOxTRAP en mode désorption : QSOxaval = dmSOx/dt Discrétisation du volume du pot catalytique en n réacteurs La vitesse de désulfatation étant notamment caractérisée par la température et par la masse de soufre stockée à cet instant, la présente invention se propose de prend 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 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 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. La quantité de soufre de chacune des réacteurs est alors 35 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 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, pourvu qu'il soit supérieur ou égal à deux. 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 15 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 20 réacteur : dmSOxi/dt = f(Tcati, Ri, VVHi, mSOxi) et le débit de soufre en aval du piège devient QSOxAVAL = Somme (dmSOxi/dt) Cette prise en compte de la répartition permet une meilleure 25 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. Prise en compte de la présence d'O2 dans les qaz 30 d'échappement : L'un des paramètres les plus influant sur la vitesse de désulfatation est la température locale dans le NOxTrap. Suivant le mode de réalisation du milieu gazeux riche pour la 35 désulfatation, il reste une proportion d'oxygène dans les gaz qui n'a pas réagi. Cet oxygène oxyde une partie des réducteurs présents en excès au io contact de la phase catalytique du NOxTRAP et génère ainsi localement un exotherme participant fortement à la désorption du soufre. En présence d'éléments catalytiques dans le NOxtTRAP et suivant les conditions de température de débit de gaz, de volume de NOxTRAP et de la concentration en oxygène résiduel dans les gaz, l'oxygène peut-être entièrement consommé de sorte que la partie aval du piège ne voit qu'un milieu riche et pas d'exotherme locale. La présente invention propose de caractériser des vitesses de désulfatation différentes en fonction ou non de la présence d'oxygène dans les gaz dans le réacteur, cette information pouvant être fournie par un modèle de consommation de l'oxygène. Au final, le modèle de désultatation devient : dmSOx;/dt = f(Tcat;, Ri, VVH;, mSOx;, [021) où [O2]i est soit la concentration en oxygène des gaz dans le réacteur, soit 15 une information binaire informant de la présence ou non d'oxygène. Prise en compte du vieillissement Le procédé selon l'invention est encore amélioré en prenant 20 compte le vieillissement thermique de la phase catalytique dans l'estimation de l'efficacité de désulfatation. Ce paramètre de vieillissement est donné par un estimateur décrit dans le document FR-A-2 878 961 au nom du présent demandeur. On a alors : 25 dmSOx;/dt = f(Tcat;, Ri, VVH;, mSOx;, [021, Vieillissement) La figure 3 permet de visualiser l'ensemble des paramètres utilisés dans le cadre du présent procédé et les variables qu'ils permettent de déterminer. Les avantages procurés par le procédé selon l'invention sont 30 les suivants : - l'ajout de paramètres supplémentaires permet une meilleure estimation de la masse de SOx contenue dans le piège. - la discrétisation du piège en plusieurs réacteurs permet de rendre compte de la répartition de la masse de SOx dans la longueur du 35 piège. 2927943 Il - la prise en compte de l'oxygène des gaz dans les réactions de désulfatation, qui permet une estimation plus précise de la masse de SOx. - la prise en compte du vieillissement permet d'ajouter un 5 paramètre impactant l'efficacité de chargement et de déchargement des SOx, et d'améliorer la précision du modèle d'estimation d'empoisonnement au soufre. Ces améliorations permettent d'améliorer l'estimation de la masse de SOx, ainsi que celle de la masse de NOx (directement 10 dépendante de la masse de SOx). De plus, une estimation plus précise des masses de SOx et de NOx permet de limiter les coûts associés aux régénérations, tels que la dilution et la surconsommation, par une optimisation des durées de désulfatation. Enfin, l'estimation du débit de soufre en aval du piège, en chargement comme en désulfatation, permet de connaître le débit de soufre entrant dans un système de post-traitement placé en aval. 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 adsorbée dans le pot (4), à un instant d'échantillonnage i, en utilisant le modèle : SSi- F1 = SSi + Qsox . EFFSOX où Qsox est le débit d'oxydes de soufre dans l'échappement du moteur (1) 15 et EFFSOX est l'efficacité instantanée de stockage des oxydes de soufre 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), 20 caractérisé par le fait qu'on détermine EFFSOX à partir d'une valeur tirée d'une table ou d'une formule dont les entrées sont la température (Tcat), le taux de remplissage (SS/SSC) en oxydes de soufre du pot (4), la richesse (Ri) du mélange air/carburant et au moins l'une des entrées additionnelles suivantes : la 25 vitesse volumique horaire des gaz (WH) et un paramètre tenant compte du vieillissement du matériau constitutif du pot catalytique (Vieillissement). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on prend en compte d'une seule desdites entrées additionnelles. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 30 l'on prend en compte lesdites deux entrées additionnelles. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'à l'étape a), on estime le débit en oxydes de soufre (QSOx aval) circulant en aval du pot par la relation : QSOx aval = (1-EFFSOx)*QSOX amont,où QSOX amont est le débit en oxydes de soufre circulant en amont du pot (4). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'à l'étape b), c'est à dire lors d'une purge du pot (4), on évalue la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) stockée par unité de temps dmSOx/dt en fonction de la température du catalyseur (Tcat), de la richesse (Ri) du mélange air/carburant, de la vitesse volumique horaire des gaz (WH) et de la masse d'oxydes de soufre instantanée (mSox) retenue dans le pot (4), soit dmSOx/dt = f(Tcat, Ri, WH,mSOx), et qu'on en déduit la masse totale (SS) d'oxydes de soufre stockée dans le pot à partir de la relation SS = mSox;+1 = mSOx; + dmSOx;. 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 2 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 20 de températures. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que, pour évaluer la masse courante (SSi) d'oxydes de soufre adsorbés, à un instant d'échantillonnage i, d'un des réacteurs j, j étant compris entre 1 et n on utilise le modèle : 25 SSii(j) = mSOx;(j-1) + Qsox; . EFFSOx; où Qsox; est le débit instantané d'oxydes de soufre en amont dudit réacteur j, et EFFSOX; est l'efficacité instantanée de stockage des oxydes de soufre dans le pot (4). 9. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé 30 par le fait que, à l'étape b), on évalue, pour un réacteur j, la variation de la masse d'oxydes de soufre (SOx) purgée par unité de temps dmSOx/dt en fonction de la température du réacteur (Tcati), de la richesse (Ri) du mélange air/carburant, de la vitesse volumique horaire (VVH) et de la masse d'oxydes de soufre instantanée (mSox) retenue dans le réacteur, 35 soit dmSOx/dt = f(Tcat, Ri, WH,mSOx),et qu'on en déduit le débit d'oxydes de soufre en aval de ce réacteur par la relation : QSOx aval = somme (dmSOx/dt). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'on évalue la dite variation dmSOx/dt en prenant en compte également soit la concentration en oxygène des gaz dans le réacteur j, soit une information binaire liée à la présence, respectivement l'absence d'oxygène dans les gaz du réacteur j. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait qu'on évalue la dite variation dmSOx/dt en prenant en compte 10 également un paramètre lié au vieillissement du monolithe dudit réacteur j.