Brevet FR2957530A1 — publié le 20110923

DISPOSITIF DE PIEGEAGE D'OXYDES D'AZOTE La présente invention concerne un dispositif de piégeage d'oxydes d'azote dans un moteur de véhicule automobile à combustion interne. Elle concerne également un véhicule automobile comprenant un tel dispositif. Dans le domaine de la dépollution, de manière à répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion interne fonctionnant en mélange pauvre. Ces dispositifs permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote (NO,) 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 de thermique et/ou de richesse nécessaires. Parmi ces systèmes de post-traitement, un système particulièrement utilisé est le piège à oxydes d'azote, appelé aussi piège à NO, ou « NO, Trap » en langue anglaise. Le piège à oxydes d'azote capte en continu les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement générés par le moteur à combustion interne. Il est nécessaire de régénérer périodiquement le piège à oxyde d'azote pour le décharger, ce qui s'effectue à l'aide d'une opération dite de purge au cours de laquelle les oxydes d'azote sont réduits. Il est connu d'effectuer cette purge en commandant temporairement une augmentation de la richesse du moteur, telle que la richesse des gaz d'échappement en amont du piège à oxydes d'azote soit supérieure à 1 et la concentration en oxygène faible. Un système classiquement utilisé comprend un premier piège à oxydes d'azote, un deuxième piège à oxydes d'azote disposé en aval du premier piège à oxyde d'azote ainsi qu'un filtre à particules disposé entre le premier et le deuxième piège à oxydes d'azote. Une difficulté consiste à contrôler efficacement la quantité d'oxydes d'azote présents en aval du deuxième piège à oxydes d'azote. L'invention vise à atteindre cet objectif. L'invention a ainsi pour objet un dispositif de piégeage d'oxydes d'azote dans un moteur de véhicule automobile à combustion interne comprenant un collecteur d'admission et un collecteur d'échappement, le dispositif comprenant en aval du moteur un premier piège à oxydes d'azote, un deuxième piège à oxydes d'azote disposé en aval du premier piège à oxyde d'azote ainsi qu'un filtre à particules disposé entre le premier et le deuxième piège à oxydes d'azote. Le dispositif selon l'invention comprend en outre un premier circuit de recirculation de gaz d'échappement reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission, un deuxième circuit de recirculation de gaz d'échappement reliant une zone située en aval du filtre à particules à une zone située en amont du collecteur d'admission, chaque circuit de recirculation étant muni d'une vanne pouvant être en position fermée, de manière à interrompre la circulation de gaz d'échappement dans le circuit, ou en position ouverte, de manière à permettre la circulation de gaz d'échappement dans le circuit. Le dispositif selon l'invention comprend également des moyens de commande aptes à régler la quantité d'oxydes d'azote présents en aval du deuxième piège à oxydes d'azote par la commande des vannes des premier et deuxième circuit de recirculation, en fonction de la capacité de stockage du premier et du deuxième piège à oxydes d'azote. La quantité d'oxydes d'azote peut ainsi être réglée en utilisant les deux circuits de recirculation de gaz d'échappement. La commande s'effectue en fonction de la capacité de stockage des deux pièges, de manière à optimiser le réglage. Les moyens de commande peuvent être aptes à régler la consommation de carburant du moteur par la commande des vannes des premier et deuxième circuit de recirculation. Les moyens de commande peuvent être aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée et si la capacité de stockage du premier piège à oxydes d'azote est à une capacité élevée supérieure à une valeur prédéterminée, à commander la fermeture de la vanne du deuxième circuit de recirculation et l'ouverture de la vanne du premier circuit de recirculation. Les moyens de commande peuvent être aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée et si la capacité de stockage du premier piège à oxydes d'azote est à une capacité intermédiaire comprise entre deux valeurs prédéterminées, à commander l'ouverture des vannes du premier et du deuxième circuit de recirculation. Les moyens de commande peuvent être aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée et si la capacité de stockage du premier piège à oxydes d'azote est à une capacité basse inférieure à une valeur prédéterminée, à commander l'ouverture de la vanne du deuxième circuit de recirculation et la fermeture de la vanne du premier circuit de recirculation, ou à commander l'ouverture des vannes du premier et du deuxième circuit de recirculation. Les moyens de commande peuvent être aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée et si la capacité de stockage du premier piège à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée, à commander la fermeture de la vanne du deuxième circuit de recirculation et l'ouverture de la vanne du premier circuit de recirculation. Les moyens de commande peuvent être aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée et si la capacité de stockage du premier piège à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée, à commander l'ouverture de la vanne du deuxième circuit de recirculation et la fermeture de la vanne du premier circuit de recirculation. Les moyens de commande peuvent être aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée et si la capacité de stockage du premier piège à oxydes d'azote est comprise entre deux valeurs prédéterminées, à commander l'ouverture des vannes du premier et du deuxième circuit de recirculation. L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant 5 un dispositif décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 10 - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme utile à la compréhension de l'invention, - la figure 3 est un diagramme sous forme de schéma-bloc illustrant un mode de mise en oeuvre du dispositif de l'invention, et - la figure 4 est un diagramme sous forme de schéma-bloc illustrant 15 une variante du mode de mise en oeuvre de la figure 3. Le dispositif 1 de piégeage d'oxydes d'azote, tel qu'illustré à la figure 1, comprend successivement dans la ligne d'échappement 2 d'un moteur à combustion interne un premier piège à oxydes d'azote 3, un filtre à particules 4 et un deuxième piège à oxydes d'azote 5. Le dispositif 1 comprend 20 en outre un système particulier de recirculation des gaz d'échappement. En vue de réduire les émissions d'oxydes d'azote (NO,), il est connu d'équiper les moteurs thermiques à combustion interne d'un système à recirculation de gaz d'échappement, également appelé EGR pour « Exhaust Gas Recirculation » en langue anglaise. 25 Le principe d'un système EGR consiste à prélever une partie des gaz d'échappement, comportant des gaz inertes, pour la faire recirculer dans le circuit d'admission. La présence en zone d'admission des gaz inertes des gaz d'échappement permet de ralentir la vitesse de combustion et d'absorber les calories, et entraîne ainsi une baisse de l'émission d'oxydes d'azote. Les gaz 30 d'échappement peuvent être prélevés directement en sortie de moteur. On parle dans ce cas de mode EGR haute pression. Les gaz d'échappement peuvent également être prélevés en aval du filtre à particules. On parle dans ce cas de mode EGR basse pression. La recirculation des gaz d'échappement en aval des éléments de post-traitement est particulièrement intéressante, car les gaz prélevés contiennent moins de suies, ce qui permet de limiter l'encrassement du système EGR et d'abaisser le niveau d'émission de NO, par abaissement de la température et augmentation de la quantité de gaz recirculé. Lorsque les températures des gaz d'échappement sont faibles, notamment lors du démarrage du véhicule, on utilise plutôt le mode EGR haute pression, de manière à faire monter en température le moteur le plus rapidement possible, dans le but de réduire la consommation de carburant. En effet, les gaz d'échappement en mode EGR haute pression sortent chauds du collecteur d'échappement et sont immédiatement envoyés à l'admission. Le dispositif 1 comprend à la fois un circuit EGR haute pression 6 et un circuit EGR basse pression 7. Chacun des deux circuits EGR 6,7 comprend une vanne de pilotage 6a,7a permettant de doser la quantité d'EGR circulant dans chacun des deux circuits 6,7. Le graphique de la figure 2 montre la capacité de stockage de chaque piège à oxydes d'azote en fonction de la température en amont du premier piège à oxydes d'azote. On remarque que selon la température, les oxydes d'azote ne sont pas piégés en intégralité, d'où l'intérêt du dispositif selon l'invention qui permet d'étendre la plage de stockage des oxydes d'azote. On fait en sorte que les courbes d'efficacité de stockage des deux pièges soient complémentaires. En effet : - le deuxième piège à oxydes d'azote met plus longtemps à atteindre sa température minimale d'efficacité que le premier piège à oxydes d'azote, - le premier piège à oxydes d'azote stocke mieux les NO, à froid car il atteint plus vite sa zone d'efficacité optimale, - le deuxième piège à oxydes d'azote stocke mieux les NO, à chaud car il se trouve dans sa zone d'efficacité optimale lorsque le premier piège à oxydes d'azote, alors trop chaud, est sorti de sa zone optimale. L'invention consiste à contrôler les débits d'EGR haute pression et d'EGR basse pression de telle manière que les quantités globales d'oxydes d'azote présentes à l'échappement du système complet soient aussi faibles que possible. L'invention décrit également une manière de concevoir et contrôler le système pour obtenir une balance optimisée entre consommation de carburant (production de CO2) et coût du système (volume total de piège à oxydes d'azote) pour un objectif donné d'émissions de NO, dans la ligne d'échappement. Un mode de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est illustré à la figure 3. En dessous d'un seuil d'efficacité Eff2 du deuxième piège à oxydes d'azote, notamment lorsque sa température est trop faible, par exemple en dessous d'une température de l'ordre de 100°C, il n'est pas possible de l'utiliser pour stocker les oxydes d'azote. Dans ce cas, on considère l'état du premier piège à oxydes d'azote. Si celui-ci se trouve dans des conditions l'amenant à une efficacité supérieure à un seuil Effl, on choisit de n'utiliser que le circuit EGR haute pression et les consignes d'air (air frais et EGR) sont issues d'un premier jeu de calibration A. L'efficacité du premier piège à oxydes d'azote dépend de plusieurs paramètres modélisés ou mesurés. Parmi ceux-ci on trouve essentiellement : la quantité d'oxydes d'azote stockée, la température, la masse de soufre et le vieillissement du premier piège à oxydes d'azote. Le fait d'utiliser le circuit d'EGR haute pression permet de limiter le débit de gaz traversant le premier piège à oxydes d'azote et ceci améliore son efficacité de stockage. De plus, les pertes thermiques dans la ligne d'échappement sont alors réduites et cela permet une mise en thermique plus rapide du deuxième piège à oxydes d'azote. Si l'efficacité du premier piège à oxydes d'azote n'est pas supérieure à Effl, on compare son efficacité potentielle à un second seuil Effl' inférieur à Effl. Si le premier piège à oxydes d'azote se trouve dans un état où son efficacité est comprise entre Effl et Effl', on utilise de manière simultanée les deux circuits EGR haute pression et EGR basse pression grâce à un deuxième jeu de calibration B. L'utilisation du circuit d'EGR basse pression permet de limiter le débit d'oxydes d'azote à la sortie du moteur afin de limiter la quantité à stocker par le premier piège à oxydes d'azote. L'utilisation du circuit d'EGR haute pression permet de poursuivre la montée en température du deuxième piège à oxydes d'azote et d'optimiser le stockage d'oxydes d'azote du premier piège à oxydes d'azote grâce à un débit de gaz modéré à ses bornes. Si le premier piège à oxydes d'azote NT1 a une efficacité trop faible (inférieure à Effi'), étant donné que l'on est dans une configuration où le deuxième piège à oxydes d'azote ne peut pas traiter les oxyde d'azote non plus, il devient important de limiter autant que possible le débit des oxydes d'azote issus du moteur. Pour cela, on utilise un troisième jeu de calibration C basé sur l'utilisation du circuit d'EGR basse pression ou sur l'utilisation simultanée du circuit d'EGR haute pression et du circuit EGR basse pression, ce qui permet d'obtenir des taux d'EGR aussi élevés que possible sous contrainte des autres polluants et d'autres prestations. Dans une configuration où le deuxième piège à oxydes d'azote est en mesure de traiter les oxydes d'azote, c'est-à-dire pour l'essentiel s'il présente une température suffisante, on distingue deux configurations. Si le premier piège à oxydes d'azote a une efficacité potentielle élevée (supérieure à Effi"), on va utiliser le circuit EGR haute pression et son jeu de calibration E associé. Ceci permet de tirer profit du premier piège à oxydes d'azote pour stocker les oxydes d'azote, tout en utilisant des taux d'EGR faibles qui permettent de limiter la consommation de carburant du moteur et donc les émissions de CO2. A l'inverse, si le premier piège à oxydes d'azote n'est pas en mesure d'être efficace, on utilise le circuit EGR basse pression grâce à un dernier jeu de calibration D. Cela permet de limiter la production d'oxydes d'azote du moteur d'une part et de traiter ceux qui sont produits d'autre part. On aboutit ainsi à un bon compromis global. Dans le cas où l'efficacité du deuxième piège à oxydes d'azote est supérieure à Eff2 et où l'efficacité du premier piège à oxydes d'azote est inférieure à Effi", il est possible de mettre en place une zone intermédiaire dans laquelle le premier piège à oxydes d'azote a une efficacité moyenne supérieure à un seuil mais inférieure à Effi". Dans ce cas, on utilise simultanément les deux circuits EGR basse pression et EGR haute pression (jeu de calibration F). Ceci permet une transition plus douce entre les différents états. Il est en particulier probable qu'au moment du basculement de l'utilisation du circuit EGR haute pression vers l'utilisation du circuit EGR basse pression, le premier piège à oxydes d'azote désorbe des oxydes d'azote, difficiles à stocker de manière massive par le deuxième piège à oxydes d'azote. D'autre part, dans cette zone intermédiaire, un compromis judicieux peut être trouvé entre consommation de carburant et émissions d'oxydes d'azote. Dans une variante, tel qu'illustré à la figure 4, on suppose qu'il est impossible de faire fonctionner simultanément le circuit EGR haute pression et le circuit EGR basse pression. Dans la zone où l'efficacité du deuxième piège à oxydes d'azote est supérieure à Eff2 et où l'efficacité du premier piège à oxydes d'azote est inférieure à Effi", on se laisse la liberté de pouvoir choisir entre 2 types de calibration : CO2 (jeu de calibration G) ou oxydes d'azote (jeu de calibration D). Le critère de choix entre ces deux jeux de calibration D et G dépend de paramètres tels que par exemple la vitesse du véhicule ou le régime ou la charge du moteur. Les conditions de réalisations des purges des pièges à oxydes d'azote lors du passage à une richesse du moteur égale à 1 figurent dans le tableau suivant. Conditions de purges Conditions de purges favorables pour le premier défavorables pour le premier piège piège Conditions de purges Utilisation d'une purge Utilisation d'une calibration de favorables pour le permettant le traitement des purge adaptée au traitement deuxième piège NOx dans les deux pièges à NOx des NOx sur le deuxième piège (purge longue) uniquement (richesse élevée pour apporter rapidement des réducteurs sur le deuxième piège) Conditions de purges Utilisation d'une calibration de Pas de purge défavorables pour le purge adaptée au traitement deuxième piège des NOx sur le premier piège uniquement (avec peu d'hydrocarbures en sortie de moteur pour une bonne efficacité sur le premier piège et limitée en durée pour éviter une désorption sur le deuxième piège) Tableau 1 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de piégeage d'oxydes d'azote dans un moteur de véhicule automobile à combustion interne comprenant un collecteur d'admission et un collecteur d'échappement, le dispositif (1) comprenant en aval du moteur un premier piège (3) à oxydes d'azote, un deuxième piège (5) à oxydes d'azote disposé en aval du premier piège (3) à oxyde d'azote ainsi qu'un filtre à particules (4) disposé entre le premier (3) et le deuxième piège (5) à oxydes d'azote, caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend en outre un premier circuit (6) de recirculation de gaz d'échappement reliant le collecteur d'échappement au collecteur d'admission, un deuxième circuit (7) de recirculation de gaz d'échappement reliant une zone située en aval du filtre à particules (4) à une zone située en amont du collecteur d'admission, chaque circuit de recirculation (6,7) étant muni d'une vanne (6a,7a) pouvant être en position fermée, de manière à interrompre la circulation de gaz d'échappement dans le circuit (6,7), ou en position ouverte, de manière à permettre la circulation de gaz d'échappement dans le circuit (6,7), et en ce que le dispositif (1) comprend des moyens de commande aptes à régler la quantité d'oxydes d'azote présents en aval du deuxième piège (5) à oxydes d'azote par la commande des vannes (6a,7a) des premier (6) et deuxième (7) circuit de recirculation, en fonction de la capacité de stockage du premier (3) et du deuxième (5) piège à oxydes d'azote. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande sont également aptes à régler la consommation de carburant du moteur par la commande des vannes (6a,7a) des premier (6) et deuxième (7) circuit de recirculation. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège (5) à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée (Eff2) et si la capacité de stockage du premier piège (3) à oxydes d'azote est à une capacité élevée supérieure à une valeur prédéterminée (Eff1), à commander la fermeture de la vanne (7a) du deuxième circuit (7) de recirculation et l'ouverture de la vanne (6a) du premier circuit (6a) de recirculation. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège (5) à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée (Eff2) et si la capacité de stockage du premier piège (3) à oxydes d'azote est à une capacité intermédiaire comprise entre deux valeurs prédéterminées (Effl',Eff1), à commander l'ouverture des vannes (6a,7a) du premier (6) et du deuxième (7) circuit de recirculation. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège (5) à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée (Eff2) et si la capacité de stockage du premier piège (3) à oxydes d'azote est à une capacité basse inférieure à une valeur prédéterminée (Eff1'), à commander l'ouverture de la vanne (7a) du deuxième circuit (7) de recirculation et la fermeture de la vanne (6a) du premier circuit (6) de recirculation, ou à commander l'ouverture des vannes (6a,7a) du premier (3) et du deuxième (5) circuit de recirculation. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes, si la capacité de stockage du deuxième (5) piège à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée (Eff2) et si la capacité de stockage du premier piège (3) à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée (Eff1 "), à commander la fermeture de la vanne du deuxième circuit de recirculation et l'ouverture de la vanne (6a) du premier circuit (6a) de recirculation. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège (5) à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée (Eff2) et si la capacité de stockage du premier piège (3) à oxydes d'azote est inférieure à une valeur prédéterminée (Eff1 "), à commander l'ouverture de la vanne (7a) du deuxième circuit (7) de recirculation et la fermeture de la vanne du premier circuit de recirculation. 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes, si la capacité de stockage du deuxième piège (5) à oxydes d'azote est supérieure à une valeur prédéterminée (Eff2) et si la capacité de stockage du premier (3) piège à oxydes d'azote est comprise entre deux valeurs prédéterminées (Eff1 "',Eff1 "), à commander l'ouverture des vannes (6a,7a) du premier (3) et du deuxième (5) circuit de recirculation. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 8.