Brevet FR2927945A1 — 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. Une bonne connaissance de la quantité de soufre stockée permet de diminuer les contraintes liées à son élimination. L'état actuel de la technique ne permet pas de mesurer la quantité de soufre présente dans les gaz d'échappement. Il est donc nécessaire d'estimer sa quantité et sa répartition dans le piège par une modélisation (boucle ouverte), sa mesure ne pouvant pas s'effectuer à l'aide de capteurs. En outre, il est intéressant dans une démarche de réduction des coûts d'utiliser une modélisation plutôt qu'un capteur, même lorsque celui-ci existe. Actuellement, le soufre entrant dans le NOx Trap est évalué à partir de la consommation de carburant et à partir de la consommation d'huile moyenne. La quantité de soufre stockée est une proportion du soufre entrant, cette proportion étant donnée par cartographie en fonction des points de fonctionnement moteur. 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 : 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 30 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 35 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. Il 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 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, ladite variation dmSOx/dt étant toutefois considérée comme égale à zéro tant que la quantité d'oxygène de surface (OS) est différente de zéro. 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 prenant comme postulat le fait que SO2, H2S et COS n'apparaissent qu'à partir du moment où l'OS est entièrement consommé. On suppose alors qu'on a affaire aux deux réactions simplifiées suivantes : • En mode riche et en présence d'OS : réducteurs + OS - * Pas de désulfatation ; • En mode riche et en l'absence d'OS : réducteurs sans OS -* H2S + COS + S02 avec possible reconversion du S02 en H2S + COS (cette réaction est d'autant plus forte que le temps passé dans le catalyseur par le soufre désorbé est important). Ceci signifie que lorsque les conditions de température (environ 700°C) et de mélange (richesse supérieure à 1) sont atteintes, 30 alors : • Tant que l'OS est présent dans le piège, les réducteurs et l'OS vont réagir ensemble, mais il n'y aura pas de désulfatation effective. • Une fois qu'il n'y a plus d'OS dans une partie du NOx Trap, les réducteurs vont alors réagir avec le soufre stocké dans le piège et 35 provoquer la désorption du soufre sous forme de H2S, COS et S02 en suivant une loi cinétique de désorption fonction de différents paramètres (par exemple richesse, température, VVH...) • En milieu globalement pauvre (c'est-à-dire avec présence d'OS ou mélange gazeux pauvre), le soufre (SO2, H2S, COS) se dépose (ou se redépose) sur le piège sous forme S02, en suivant une loi cinétique d'adsorption fonction de différents paramètres (par exemple richesse, température, WH, masse de soufre déjà stockée...) 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, VVH, 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 modèlise 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 sera 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 ; -la figure 7 est une vue schématique d'un catalyseur, sensiblement analogue à la figure 2 ; 10 - la figure 8 est une courbe donnant, en fonction du réacteur du catalyseur de la figure 7, l'évolution de la richesse du mélange traversant ces réacteurs ; - la figure 9 est une courbe donnant, simultanément, l'évolution de l'oxygène de surface ; 15 - enfin, la figure 10 est une courbe donnant une vision des cinétiques en cours sur les deux premiers réacteurs du catalyseur. 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 20 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 25 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 30 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. 35 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 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 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, -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. 25 Fonctionnement en stockaqe On observe ce fonctionnement lorsque le moteur est alimenté en mélange pauvre. 30 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 35 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 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 débit de SOX à la sortie du moteur 1 On définit par ailleurs un taux de remplissage SSISSC 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. 15 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 20 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), fonction du débit des gaz. 25 On affine ainsi le modèle par cette prise en compte. On a alors au final : EFFSOx = f (T, SS/SSC, Ri, WH) 10 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, SSISSC, 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 Le déstockage des oxydes de soufre SOx intervient lorsque la richesse des gaz d'échappement dans le NOxTRAP est supérieure ou égale à 1. L'invention peut se résumer à deux cinétiques (adsorption et désorption) qui se produisent dans les cas suivants : 25 • adsorption sous forme de SO2, si le milieu est globalement pauvre, • désorption sous forme de SO2, H2S, COS, si le milieu est globalement riche. Une troisième cinétique est utilisée, celle de la transformation de SO2 en H2S et COS en présence de catalyseur en milieu globalement 30 riche. Ceci signifie que tant qu'il y a présence d'OSC dans le NOx Trap, il n'y a pas de désorption de produits soufrés. Autrement dit, la vitesse de désulfatation dmSOx/dt est nulle. Une fois que l'OS a été entièrement consommé par les réducteurs, la vitesse prend une valeur qui dépend des 35 paramètres cités précédemment. 10 15 20 En résumé, la vitesse de désulfatation dmSOx/dt s'exprime ainsi : dmSOx/dt = f(T, richesse, WH, mSOx, m02 stocké), ce qui correspond aussi au débit de soufre en aval 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 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. 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 d'améliorer la précision du calcul de la vitesse de désulfatation en 25 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 NOx permet de limiter la dilution et la surconsommation par une 30 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 mettre à disposition deux informations exploitables pour le contrôle de la 35 désulfatation par fractionnement de richesse, au lieu d'une seule. io 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 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 et est nulle, quand on tient compte de la présente d'OS. Elle correspond à la courbe B, et à la courbe C, dès que la valeur de l'OS est égale à zéro, la courbe B correspondant à la cinétique de désorption du SO2, tandis que la courbe C correspond à la cinétique de désorption du H2S. 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, il peut être 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 20 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 25 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. 30 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 des figures 2 et 7, le NOxTrap est discrétisé 35 en 4 réacteurs. A chacun d'eux correspond une information de température (TI à T4) qui permet de calculer leur masse de SOx propre (mSOxl à Il 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, 5 pourvu qu'il soit supérieur ou égal à un. Alors, le modèle de chargement devient, pour chaque réacteur : SS; = mSOx;,i+1 = mSOx;i + QSOx;.EFFSOx; 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 (;_c) = débit de soufre en aval du réacteur précédent, soit : QSOxAVAL (i) = (1-EFFSOx(;)* QSOxAVAL 0-1) Par ailleurs, le modèle de désulfatation devient, pour chaque réacteur : 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. Ainsi, en référence aux figures 7 à 10, on considère que, tant 25 qu'il reste des oxydants (OS) pour réagir avec les réducteurs en excès des gaz dans un réacteur, on estime que le mélange qui atteint les réacteurs suivants est à la stoechiométrie et sans réducteurs pour réduire leur OS. Une fois l'OS consommé sur le premier réacteur, les réducteurs en excès associés à l'oxygène des gaz réagissent pour former 30 SO2 et H2S. Cependant, ce soufre se � restocke � sur les réacteurs suivants tant que ceux-ci ont de l'oxygène de surface pour le réabsorber. Enfin, 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. 10 15 20 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 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 25 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, ladite variation du SOx/dt étant toutefois considérée comme égale à zéro tant que la quantité d'oxygène de surface (OS) est différente de zéro. 30 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 volumique horaire des gaz (VVH) et de la masse d'oxydes de soufreinstantanée (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, 10 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. 15 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. 20 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdites températures sont données par des capteurs ou par des modèles de températures.