Brevet FR2933446A1 — publié le 20100108

REN099FR / PJ8794 - 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 REN099FR / PJ8794 - 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 600CC, 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 650'0, et un milieu REN099FR / PJ8794 - 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 REN099FR / PJ8794 - 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 REN099FR / PJ8794 - 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 peut n'être initiée durant la régénération du filtre à particules qu'après vérification que la masse restante de particules dans le filtre à particules est en dessous d'un seuil prédéfini qui permet de limiter le risque d'atteindre une température non supportable au sein du filtre à particules après initiation de la désulfuration. L'étape de vérification peut comprendre d'autres vérifications de conditions physiques parmi lesquelles la vérification que la température avant l'entrée dans la turbine est assez faible pour ne pas endommager la turbine, et/ou 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 conditions nécessaires pour la désulfuration, et/ ou vérification de la compatibilité du rapport de boîte de vitesse enclenché. La désulfuration du NOx-Trap peut être systématiquement réalisée au cours d'une phase de régénération du filtre à particules. Le procédé de désulfuration 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. 30 REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 6 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. L'invention repose 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, 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 défini précédemment. Enfin, l'invention repose sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un tel groupe motopropulseur. 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 ; REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 7 la figure 2 représente schématiquement le procédé mis en oeuvre selon un 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 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 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. 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 mesurer la température des gaz d'échappement, une sonde à oxygène qui 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 REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 8 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 ce chevauchement est possible sans risque de détérioration du filtre à particules, c'est-à-dire sans que la température au sein du filtre à particules ne dépasse une valeur maximale autorisée prédéfinie. Ainsi, le chevauchement entre la désulfuration et la régénération a lieu dès que possible 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, une condition est vérifiée périodiquement à l'étape E3 pour déterminer quand il est possible de déclencher la désulfuration au cours de la régénération. L'étape E3 consiste à vérifier si certaines conditions � physiques � sont respectées, dont la condition essentielle est 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 REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 9 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 t 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. En variante, cette température maximale autorisée pourrait être déterminée par tout autre moyen. Cette température maximale 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 la température avant l'entrée dans la turbine est assez faible pour ne pas endommager la turbine ; - Vérification que les températures au sein du NOx-Trap et du filtre à particules sont assez faibles pour ne pas détériorer les catalyseurs ; - Vérification que le point de fonctionnement permet d'assurer la faisabilité de la désulfuration ; REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 10 Vérification du rapport de boîte de vitesse enclenché. Lorsque la condition à l'étape E3 est vérifiée, la désulfuration est exécutée à l'étape E4. Elle commence par la mise en oeuvre d'un créneau riche, selon les explications précédentes, selon une durée prédéfinie. 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 T1, aboutissant à une température en entrée du FAP de l'ordre de 600'C. 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 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 (entre 700 et 750 t) et une température minimale T2 (entre 600 et 650 t), 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 REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 11 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. Selon ce mode d'exécution préféré de l'invention, toutes les désulfurations du NOx-Trap sont systématiquement effectuées ainsi au cours d'une régénération du filtre à particules, selon le procédé décrit précédemment. 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 fortement réduites. REN099FR / PJ8794 - dépôt DA 12