Brevet FR3065486A1 — publié le 20181026

PROCEDE DE DESULFATATION D'UN PIEGE A NOX D'UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE [001] La présente invention concerne un système et un procédé d'élimination des SOx (Oxydes de Soufre). [002] De façon connue, un moteur thermique de véhicule automobile est associé à des moyens de traitement de ses gaz d'échappement pour réduire la quantité de polluants rejetée dans l'atmosphère et notamment la quantité d'oxyde d'azote, ou NOx. C'est notamment le cas des moteurs Diesel, qui fonctionnent en conditions normales en mode de combustion pauvre. [003] A cet effet, le moteur thermique peut être associé à un piège à NOx agencé dans la ligne d'échappement de celui-ci, et adapté pour stocker les NOx sous la forme de nitrate sur des sites spécifiques de stockage, tels que du baryum par exemple. [4] Afin de régénérer le piège à NOx, le dispositif d'alimentation en carburant du moteur est basculé en mode riche (richesse un peu supérieure à 1), afin que le moteur libère dans la ligne d'échappement une quantité suffisante de réducteurs des NOx contenus dans le piège, tels que HC et CO. Les NOx sont alors réduits sous la forme de N2 et les sites de stockage libérés pour un nouveau stockage de NOx. On parle de « DeN0x ». [5] Or, ces sites de stockage sont également aptes à stocker des oxydes de soufre, ou SOx, lorsqu'ils sont exposés à du SOx généré par le moteur à partir du soufre contenu dans le carburant et l'huile de lubrification du moteur. Le piège se sature ainsi progressivement en SOx, ce qui a pour effet de réduire ses performances catalytiques. Il est donc nécessaire de purger régulièrement le piège afin d'éliminer les SOx qui y sont stockés. [006] Or, du fait de la grande stabilité thermodynamique et chimique des SOx, le seul basculement en mode DeN0x du moteur ne suffit pas pour réduire ceux-ci. A cette fin, il est également nécessaire d'élever la température du piège jusqu'à des températures élevées, d'au moins 550°C. 3065486 2 [007] Afin de désulfater le piège à NOx, d'éliminer les SOx donc, il existe un autre traitement que le traitement « DeN0x », appelé « DeS0x ». Lors de ce traitement, on adopte un mode de combustion sous forme d'une alternance de phases de modes de combustion riches, comme une « DeN0x », ou avec une combustion dont la richesse est 5 encore un peu plus élevée (jusqu'à 1,2), et de phases chaudes, où la richesse reste cependant élevée (mais inférieure à 1). La durée de chaque phase est d'environ d'une à deux dizaines de secondes, sur un temps complet de 600 secondes, pour une quantité d'environ 1g de soufre à traiter. On peut notamment se reporter au brevet W02007/090976 pour la description d'un traitement de désulfatation de ce type. 10 [008] Le principal défaut d'un tel traitement de désulfatation, dit « DeS0x », est la surconsommation en carburant, obtenue par un profil d'injection inhabituel. En effet, la phase en mode riche a besoin d'un excès de carburant par rapport au mélange comburant/carburant habituellement adopté en mode de combustion normal. Cependant, cette phase en mode riche est incontournable, car c'est la seule qui engendre la réaction 15 chimique permettant de traiter les SOx. [009] La phase chaude (nécessaire pour éviter la formation de H2S, gaz nauséabond qui apparait si la phase riche est trop longue, et pour garder une température interne du LNT importante) correspond à des températures aux alentours de 550 à 700°C, selon la technologie du piège à NOx utilisée. Elle est également gourmande en carburant, et 20 nécessite, pour atteindre ces températures, de faire une ou plusieurs post-injections de carburant. [0010] L'impact négatif de ces traitements de désulfatation est donc double : le besoin de richesse et de températures élevées engendre un surplus de consommation de carburant. En outre, avec un profil d'injection décalé, une partie du carburant non injecté 25 dans le bol du piston est diffusée par les segments du piston directement dans le carter d'huile moteur, engendrant de la dilution. Cette dilution implique une diminution des intervalles de vidange. [0011] L'invention a alors pour but un procédé amélioré de désulfatation des pièges à NOx. Elle a notamment pour but un tel procédé, qui soit moins consommateur en carburant et/ou qui engendre un risque moindre de dilution. 3065486 3 [0012] L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de désulfatation d'un piège à NOx d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique, ledit procédé comprenant une alternance d'au moins une phase de combustion du moteur en mode riche et d'au moins une phase d'augmentation ou de maintien de la température des gaz d'échappement dans 5 le piège à NOx en mode pauvre (richesse inférieure à 1 mais de préférence proche de 1), tel que ladite phase de conservation de la température s'effectue par activation de moyens de chauffage électriques associés audit piège à NOx. [0013] Avec l'invention, on vient donc chauffer les gaz échappement qui traversent le piège à NOx pendant la phase chaude du traitement de désulfatation, non pas en 10 modifiant les conditions de combustion et d'injection de carburant du moteur, mais en chauffant les gaz d'échappement sur la ligne d'échappement avant qu'ils ne traversent le piège à NOx ou lors de leur traversée du piège à NOx. En chauffant ainsi les gaz d'échappement pendant les phases « chaudes, on peut conserver les réglages normaux du moteur tout en atteignant, dans le piège à NOx, la température cible permettant la 15 désulfatation sans créer du H2S : on obtient ainsi une consommation en carburant maîtrisée, et on diminue le risque d'accroissement de la dilution (note pour Véronique : on fait quand même de la dilution pendant la phase riche) puisqu'il n'est plus nécessaire de faire des post-injections de carburant. Et limiter/éviter une surconsommation en carburant en phases « chaudes » n'est pas négligeable, car, dans le procédé de désulfatation, les 20 phases « chaudes » en mode pauvre sont de durée plus longue que les phases en mode riche : globalement, on peut considérer que sur un cycle complet de désulfatation, on abaisse la surconsommation en carburant d'environ 2/3. [0014] Avantageusement, l'activation des moyens de chauffage électrique s'effectue par un calculateur pilotant leur alimentation électrique et ajustant la puissance électrique 25 fournie par l'alimentation électrique pour atteindre ou maintenir une température des gaz d'échappement cible T(cible) pendant un intervalle de temps cible t(cible) lors de la phase d'augmentation ou maintien de la température des gaz d'échappement dans le piège à NOx en phase pauvre. [0015] II peut s'agir d'un calculateur dédié, ou, préférablement, du calculateur pilotant le 30 contrôle commande du moteur thermique (appelé également usuellement Unité de Contrôle). 3065486 4 [0016] De préférence, le calculateur, pour ajuster la puissance électrique, prend en compte la température des gaz d'échappement, par mesure par un capteur de température ou par estimation à l'aide d'une cartographie. Le pilotage peut se faire en tout ou rien, en activant périodiquement le chauffage, ou en modulant la puissance de chauffe 5 en modulant l'alimentation électrique. [0017] La mesure de température peut se faire par un capteur situé sur la ligne d'échappement à proximité immédiate du piège à NOx. Le capteur peut aussi être situé sur la ligne dans une zone plus éloignée du piège à NOx, et, dans ce cas, le calculateur est capable de déduire de la température mesurée en un point de la ligne celle qui est au 10 niveau du piège à NOx par estimation. [0018] La température cible T(cible) à atteindre pour les gaz d'échappement lors de la phase en mode pauvre est d'au moins 550°C, notammert comprise dans la gamme 550°C-700°C. il s'agit ici de la température des ga dans la zone du piège à NOx. La température est à choisir dans cette gamme selon le type de piège à NOx utilisé, selon la 15 nature du catalyseur et sa quantité dans le piège. [0019] Le procédé de désulfatation selon l'invention dure de préférence entre 5 et 15 minutes, avec notamment une alternance d'au moins 2 à 15 phases en mode riche et d'au moins 2 à 15 phases en mode pauvre. [0020] Avantageusement, chaque phase en mode pauvre dure au moins 5 secondes, 20 notamment entre 5 et 20 secondes. Avantageusement, chaque mode riche dure au moins 5 secondes, notamment entre 5 et 20 secondes. [0021] De préférence, le procédé selon l'invention est déclenché quand le taux de SOx dans le piège à NOx atteint au moins 0,5 g/litre, et notamment 1 g/litre ou 1,5 g/litre. Ce taux est généralement estimé par une cartographie, la quantité de soufre présente dans 25 l'huile et le carburant étant connue de base, l'estimation pouvant alors se faire directement par la quantité de carburant utilisé. [0022] De préférence, la phase de combustion du moteur en mode riche correspond à un ajustement de la richesse à une valeur d'au moins 1,02 et d'au plus 1,2. De préférence, la phase en mode pauvre correspond à la richesse utilisée dans le mode de combustion 30 classique du moteur (à savoir hors mode régénération du filtre à particules, hors mode de 3065486 5 chauffe éventuelle d'un catalyseur etc...), qui dépend donc du régime moteur et de la charge moteur appliquée. [0023] Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de chauffage électrique comprennent un composant en matériau électriquement conducteur disposé dans la ligne 5 d'échappement en amont du piège à NOx et traversé par les gaz d'échappement. On préfère disposer ce matériau en amont et au plus près du piège à NOx, afin d'éviter au mieux les déperditions thermiques entre la zone de chauffage et le piège à NOx. [0024] On comprend dans l'ensemble du présent texte les termes « amont » et « aval » en référence au sens d'écoulement général des gaz d'échappement dans la ligne 10 d'échappement, depuis le moteur jusqu'à la canule de sortie de la ligne. [0025] Le composant en matériau électriquement conducteur peut être sous forme d'un disque de section analogue à celle de la zone de la ligne d'échappement où il est implanté, disque percé de canaux permettant aux gaz d'échappement de le traverser et connecté à une alimentation électrique. 15 [0026] Avantageusement, le matériau électriquement conducteur en question est disposé dans une enveloppe commune avec celle du piège à NOx. Il est ainsi au plus près du piège à NOx. [0027] Alternativement (ou cumulativement), les moyens de chauffage électrique peuvent aussi comprendre un matériau électriquement conducteur, sous forme d'un film 20 continu ou discontinu ou sous forme de grille, disposé dans/autour d'une zone de la ligne d'échappement en amont du piège à NOx ou autour du piège à NOx. Ils viennent donc chauffer les gaz de façon périphérique. [0028] De préférence, le matériau électriquement conducteur est isolé électriquement des parois de la ligne d'échappement, notamment par une nappe de matériau isolant 25 électriquement. Les parois de la ligne sont en effet généralement métalliques. [0029] Selon une variante, le matériau électriquement conducteur peut être solidarisé mécaniquement au piège à NOx. C'est notamment le cas quand le matériau est sous forme d'un disque percé de canaux : on peut alors disposer « en série » le matériau chauffant puis le piège, à courte distance l'un de l'autre, en les liant mécaniquement l'un à 3065486 6 l'autre, par exemple par des broches isolantes maintenant une distance constante entre eux deux. [0030] L'invention a également pour objet un ensemble comprenant un moteur thermique raccordé à une ligne d'échappement intégrant un piège à NOx, des moyens de 5 chauffage électrique associés audit piège à NOx et un calculateur pilotant lesdits moyens de chauffage électrique, ledit ensemble mettant en oeuvre le procédé précédemment décrit. [0031] L'invention a également pour objet tout véhicule, notamment tout véhicule automobile, muni de l'ensemble précité. 10 [0032] L'invention est décrite plus en détails ci-après en référence aux figures relatives à un mode de réalisation non limitatif se rapportant à la désulfatation d'un piège à NOx dans la ligne d'échappement d'un moteur Diesel d'un véhicule automobile : - la figure 1 représente très schématiquement un procédé de désulfatation du piège à NOx; 15 - la figure 2 représente également très schématiquement la ligne d'échappement dans laquelle est monté le piège à NOx, et les moyens de chauffage associés audit piège conformément à l'invention. [0033] Les références reprises d'une figure à l'autre désignent des mêmes composants, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l'échelle. Les 20 figures restent très schématiques pour en faciliter la lecture. [0034] La figure 1 est donc la représentation d'une portion d'un cycle de désulfatation d'un piège à NOx conventionnel équipant la ligne d'échappement d'un moteur thermique, ici pour cet exemple de type Diesel. En abscisse, est représenté le temps en secondes. En ordonnée, est indiqué, sur l'axe de gauche la température en degrés Celsius, et sur 25 l'axe de droite la quantité, en ppm, de SOx traités du piège à NOx [0035] Ce procédé de désulfatation du piège à NOx est déclenché quand un taux de SOx à partir de 0.5g/I est atteint, taux estimé par une cartographie. Il consiste à alterner des phases A de combustion du moteur en mode riche, avec une richesse supérieure à 1 (notamment comprise entre 1,02 et 1,2) et des phases B dites « chaudes » où la richesse 3065486 7 est celle du mode de combustion normale, avec une richesse par exemple inférieure et proche de 1 (appelé mode « pauvre »). Le procédé complet dure en moyenne une dizaine de minutes, qui dépend de la quantité de SOx à traiter. On voit en partie basse du graphe le taux de traitement des S0x, qui présente des pics (cerclés sur la figure) lors de ces 5 phases B. [0036] Dans l'invention, et tel que représenté sur la figure 2, on modifie la ligne d'échappement pour opérer les phases « chaudes » B sans obtenir la surchauffe des gaz d'échappement par des post-injections coûteuses en carburant et augmentant le risque de dilution. 10 [0037] La figure 2 représente le moteur thermique M, relié à sa ligne d'échappement L, qui intègre un piège à NOx 1 dans une enveloppe 2 de section plus grande que le reste de la ligne et raccordée au reste de la ligne par des cônes de raccordement 3a,3b (le terme « cône » étant utilisé car ici la section de la ligne d'échappement L et celle de l'enveloppe 2 sont différentes mais toutes les deux cylindriques, et il prend donc la forme d'un tronçon 15 de cône, mais si la section de la ligne ou de l'enveloppe n'était pas cylindrique, naturellement il ne s'agirait plus d'un cône stricto sensu). Les flèches f indiquent le sens d'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne L depuis le moteur M. La ligne d'échappement L peut par ailleurs intégrer un certain nombre d'autres dispositifs de traitement des gaz à part le piège à NOx, comme un filtre à particules, un catalyseur 20 d'oxydation, un catalyseur de réduction sélective des NOx etc... Ces différents dispositifs ne seront pas décrits en détails ici. [0038] Le piège à NOx 2 utilisé dans l'exemple selon l'invention est constitué d'un support en nid d'abeille de type cordiérite sur lequel est déposée une phase catalytique comprenant des éléments favorisant le stockage tels que, mais pas uniquement, des 25 oxydes simples ou mixtes de baryum et/ou de magnésium. On rappelle ci-dessous rapidement son fonctionnement vis-à-vis des NOx en prenant un catalyseur à base de baryum: En mélange pauvre, le piège à NOx va stocker les NOx en réalisant deux réactions en série : 30 NO +1/2 02 NO2 3065486 8 2 NO2 + « Ba » Ba(NO3)2 En mélange riche, le piège à NOx déstocke et traite une partie au moins des NOx en réalisant deux autres réactions en série : Ba(NO3)2 NOx + « Ba » 5 NOx + « réducteurs» (HO, CO..) N2 [0039] L'invention propose donc d'associer au piège à NOx des moyens de chauffage électrique : en amont du piège à NOx 1, sur la ligne d'échappement, on a disposé selon l'invention un matériau conducteur, en métal, sous forme d'un disque 4 percé d'une multitude de canaux parallèles à l'axe longitudinal de la ligne d'échappement et disposé 10 perpendiculairement à celle-ci, pour contraindre les gaz à passer par ces canaux. Ce disque, par exemple, peut être constitué de plusieurs enroulements de feuillards métalliques, qui définissent des canaux permettant aux gaz d'échappement de le traverser. Il peut être très compact (entre 8 et 12 mm, notamment entre 9 et 11 mm d'épaisseur seulement). 15 [0040] Entre ce disque 4 et les parois de la ligne L est interposée une nappe 5 en matériau isolant électriquement. Ce disque 4 est par ailleurs connecté électriquement à une électrode 6, c'est-à-dire une amenée de courant (à travers la nappe isolante), elle-même reliée à une alimentation électrique et pilotée par le calculateur C pilotant le fonctionnement du moteur M. L'alimentation électrique provient d'une batterie. 20 [0041] Quand le calculateur C déclenche un procédé de désulfatation du piège à NOx, il va, pour chaque phase chaude, activer la chauffe du disque 4 en pilotant la puissance électrique de son alimentation électrique pour que la température cible, par exemple 600°C, soit atteinte dans le piège à NOx pendant tcute la durée de la phase chaude : soit le pilotage se fait en tout ou rien par un interrupteur « on/off » disposé entre la batterie 25 (non représentée) et l'électrode 6, soit le pilotage se fait en modulant la puissance fournie avec un interrupteur ad hoc. Le calculateur ajuste ainsi la puissance électrique à fournir pour atteindre la température cible, en prenant en compte la température des gaz d'échappement issus de la combustion (par un modèle calibré, ou bien par une sonde de température). Lorsque le temps calibré pour la phase chaude B se termine, le calculateur 30 C stoppe l'alimentation électrique au disque chauffant 4, et bascule sur le mode de la 3065486 9 phase riche A. Lorsque celle-ci se termine, il relance le déclenchement de la chauffe de la même façon qu'évoqué précédemment, et ce jusqu'à la prochaine phase riche, et ce jusqu'à la fin de la désulfatation du piège. [0042] D'autres variantes sont possibles pour réaliser les moyens de chauffage 5 électrique. Si on conserve le disque 4, on peut aussi le placer juste en amont du piège à NOx dans la même enveloppe 2, par exemple en maintenant un écartement constant entre eux par des broches isolantes venant les solidariser l'un à l'autre mécaniquement à leurs périphéries. On en modifie alors éventuellement le dimensionnement (section plus grande, longueur éventuellement raccourcie) 10 [0043] On peut aussi utiliser des moyens de chauffage sous une autre forme : la matrice du piège à NOx peut être modifiée pour être conductrice électriquement elle-même, par dopage de la matrice, par exemple en choisissant une matrice SiC dopée à l'azote ou en choisissant une matrice métallique. On peut alors prévoir des amenés de courant directement sur le piège à NOx. 15 [0044] On peut aussi utiliser des moyens de chauffage sous forme d'un revêtement conducteur (métallique) ou d'une gaine métallique ou d'un réseau de fils métalliques ou d'une grille métallique qui vient entourer le piège à NOx et/ou qui vient entourer une zone de l'enveloppe du piège à NOx en amont ou une zone en amont de l'enveloppe 2 sur la ligne d'échappement L. 20 [0045] On peut aussi placer, comme le disque 4, une grille métallique ou des fils métalliques en travers de la section de la ligne d'échappement L. [0046] En conclusion, grâce aux moyens de chauffe électrique du piège à NOx selon l'invention, il est possible de désulfater le piège à NOx en perturbant sensiblement moins le contrôle commande du moteur, puisque les phases chaudes B sont obtenues sans 25 modifier les conditions normales de combustion du moteur, en restant en mode pauvre : on peut ainsi se passer du besoin de sur-injection décalée pendant ces phases. REVENDICATIONS1. Procédé de désulfatation d'un piège à NOx (1) d'une ligne d'échappement (L) d'un moteur thermique (M), ledit procédé comprenant une alternance d'au moins une phase de combustion du moteur en mode riche (A) et d'au moins une phase d'augmentation ou de maintien de la température des gaz d'échappement dans le piège à NOx en mode pauvre (B), caractérisé en ce que ladite phase d'augmentation ou de maintien de la température s'effectue par activation de moyens de chauffage électrique (4) associés audit piège à NOx (1). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'activation des moyens de chauffage électrique (4) s'effectue par un calculateur (C) pilotant leur alimentation électrique et ajustant la puissance électrique fournie par l'alimentation électrique pour atteindre une température des gaz d'échappement cible T(cible) pendant un intervalle de temps cible t(cible) lors de la phase (B) d'augmentation ou de maintien de la température des gaz d'échappement dans le piège à NOx en phase pauvre. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calculateur (C), pour ajuster la puissance électrique, prend en compte la température des gaz d'échappement, par mesure par un capteur de température ou par estimation par une cartographie. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température cible T(cible) à atteindre pour les gaz d'échappement lors de la phase en mode pauvre (B) est d'au moins 550°C, notamment comprise dans la gamme 550 °C-700°C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il dure entre 5 et 15 minutes, avec de préférence une alternance d'au moins 2 à 15 phases en mode riche (A) et d'au moins 2 à 15 phases en mode pauvre (B). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de combustion du moteur en mode riche (A) correspond à un ajustement de la 3065486 11 richesse à une valeur d'au moins 1,02 et d'au plus 1, 2, et en ce que la phase en mode pauvre (B) correspond à la richesse subie lors de la combustion normale du moteur suivant son régime moteur et sa charge appliquée. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les 5 moyens de chauffage électrique comprennent un composant en matériau électriquement conducteur disposé dans la ligne d'échappement en amont du piège à NOx (1) et traversé par les gaz d'échappement. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le composant en matériau électriquement conducteur est sous forme d'un disque (4) de section 10 analogue à celle de la zone de la ligne d'échappement (L) où il est implanté, disque percé de canaux et connecté à une alimentation électrique. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de chauffage électrique comprennent un matériau électriquement conducteur, sous forme d'un film continu ou discontinu ou sous forme de grille, disposé dans une zone de la 15 ligne d'échappement (L) en amont du piège à NOx (1) ou autour du piège à NOx. 10. Ensemble comprenant un moteur thermique (M) raccordé à une ligne d'échappement (L) intégrant un piège à NOx (1), des moyens de chauffage électrique (4) associés audit piège à NOx et un calculateur (C) pilotant lesdits moyens de chauffage électrique, caractérisé en ce que ledit ensemble met en oeuvre le procédé selon l'une 20 des revendications précédentes.