FR2818309A1 - Procede de pilotage d'un systeme de traitement des gaz d'echappement - Google Patents

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Abstract

L'invention propose un procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) d'un moteur (12) à combustion, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à mélange pauvre, pour la purge du soufre stocké dans un piège à oxydes d'azote (16) qui est agencé dans une ligne (14) dans laquelle s'écoulent les gaz d'échappement (G) du moteur (12), caractérisé en ce qu'on augmente la température du piège à oxydes d'azote (16) jusqu'à une température supérieure ou égale à la température de purge du soufre stocké dans le piège à oxydes d'azote (16), et en ce qu'on modifie la composition des gaz d'échappement (G) qui traversent le piège à oxydes d'azote (16) pour qu'ils soient alternativement réducteurs et oxydants.

Description

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"Procédé de pilotage d'un système de traitement des gaz d'échappement"
L'invention concerne un procédé de pilotage d'un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé de pilotage d'un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à mélange pauvre, qui comporte un piège à oxydes d'azote qui est disposé dans une ligne dans laquelle s'écoule les gaz d'échappement du moteur.
Les moteurs diesels et certains moteurs récents émettent des substances polluantes telles que des hydrocarbures imbrûlés, des oxydes de carbone et des oxydes d'azote.
On connaît des systèmes de traitement des gaz d'échappement, tels que des pots catalytiques, qui permettent de diminuer l'émission de telles substances polluantes.
Les pots catalytiques ont pour fonction de transformer les espèces chimiques polluantes en espèces moins polluantes.
Un catalyseur, appelé catalyseur à trois voies ou trifonctionnel, est souvent utilisé. Dans certaines conditions il oxyde les hydrocarbures imbrûlés, ainsi que les oxydes de carbone, en dioxydes de carbone et il peut aussi réduire les oxydes d'azote.
Cependant, les moteurs à combustion interne fonctionnent en mélange pauvre ne présentent que rarement les conditions permettant de réduire les oxydes d'azote.
On définit un mélange pauvre comme étant un mélange d'air et de carburant pour lequel la richesse est inférieure à 1, c'est-à-dire qu'il comporte plus de 14,6 grammes d'air pour 1 gramme de carburant. Un mélange riche est un mélange d'air et de carburant pour lequel la richesse est supérieure à 1. Une richesse de mélange égale à 1 est appelée richesse stoechiométrique.
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Pour éviter qu'une trop grande quantité d'oxydes d'azote soit émise dans l'atmosphère, il est connu d'agencer dans le conduit d'échappement un catalyseur appelé piège à oxydes d'azote. Un tel catalyseur permet le stockage des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement lorsque le mélange aircarburant provenant du moteur est pauvre.
La capacité de stockage d'un tel catalyseur est diminuée par la présence de soufre dans le carburant. En effet, le soufre se fixe sur les zones catalytiques destinées à piéger les oxydes d'azote, et réduit de ce fait son efficacité. On dit alors que le piège à oxydes d'azote est empoisonné.
De façon à supprimer cet empoisonnement, plusieurs solutions peuvent être utilisées.
Il est connu de réaliser la purge du soufre du piège à oxydes d'azote, c'est-à-dire de libérer le soufre stocké dans le piège à oxydes d'azote. La purge nécessite que la température du piège à oxydes d'azote soit supérieure à sa température de purge du soufre, et que les gaz d'échappement qui traversent le piège soient réducteurs.
Un tel procédé de purge du piège à oxydes d'azote nécessite une importante quantité d'énergie supplémentaire pour chauffer le piège oxydes d'azote à la température de purge. De plus, il faut apporter une importante quantité de substances réductrices, telles que du carburant, pour que les gaz d'échappement soient réducteurs et qu'ils permettent la libération du soufre stocké dans le piège.
Il est aussi connu d'agencer un autre catalyseur, appelé piège à soufre, dans le conduit d'échappement, en amont du piège à oxydes d'azote.
Un tel catalyseur permet de piéger le soufre contenu dans les gaz d'échappement lorsque que la richesse du carburant est inférieure à 1.
La capacité d'absorption du piège à soufre est limitée. Il est donc nécessaire de réaliser des purges périodiques de façon
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à le régénérer. La purge consiste à augmenter la température des gaz échappement jusqu'à une température déterminée et à contrôler la composition des gaz d'échappement pour qu'ils soient réducteurs et qui permettent la libération des oxydes d'azote stockés.
Cependant, une partie du soufre libéré traverse le piège à oxydes d'azote situé en aval. Cette partie est alors absorbée par certaines zones catalytiques du piège à oxydes d'azote. Ceci provoque à nouveau l'empoisonnement du piège à oxydes d'azote.
Une telle réalisation augmente l'encombrement de la ligne d'échappement. De plus, elle nécessite une importante quantité d'énergie pour permettre la phase de purge du piège à soufre.
De façon à remédier à ces inconvénients, l'invention propose un procédé qui réduit de façon importante les quantités d'énergie et de substances réductrices à fournir pour purger le piège à oxydes d'azote.
Pour ce faire l'invention propose un procédé de pilotage d'un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à mélange pauvre, pour la purge du soufre stocké dans un piège à oxydes d'azote qui est agencé dans une ligne dans laquelle s'écoulent les gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce qu'on augmente la température du piège à oxydes d'azote jusqu'à une température supérieure ou égale à la température de purge du soufre stocké dans le piège à oxydes d'azote, et en ce qu'on modifie la composition des gaz d'échappement qui traversent le piège pour qu'ils soient alternativement réducteurs et oxydants.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la modification de la composition des gaz d'échappement est réalisée par injection d'une substance réductrice dans les gaz d'échappement en amont du piège à oxydes d'azote ;
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Figure img00040001

- la modification de la composition des gaz d'échappement est réalisée par modification de la richesse du mélange air/carburant jusqu'à des valeurs supérieure et inférieure à la richesse stoechiométrique respectivement ; - au moins une zone du piège à oxydes d'azote est utilisée comme résistance de chauffage pour augmenter la température du piège à une température supérieure ou égale à la température de purge du soufre stocké ; - la température du piège à oxydes d'azote est augmentée par augmentation de la température des gaz d'échappement qui le traverse ; - la température des gaz d'échappement est augmentée par des moyens de chauffage additionnels tels qu'une résistance électrique de chauffage ; - la température des gaz d'échappement est augmentée par augmentation de la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion du moteur ; - la température des gaz d'échappement est augmentée par la commande du début de l'injection du carburant dans une chambre de combustion d'au moins un cylindre du moteur ; - le début de l'injection du carburant est déphasé par rapport au passage du piston au point mort haut dans le cylindre ; - le début de l'injection du carburant est retardé d'une durée prédéterminée en fonction du point de fonctionnement du moteur ; - la température des gaz d'échappement est augmentée par la postcombustion d'une quantité prédéterminée de carburant.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement une ligne d'échappement d'un moteur à combustion équipée d'un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion ;
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Figure img00050001

- la figure 2 représente schématiquement l'évolution de la richesse des gaz d'échappement lors d'une phase de purge du système de traitement selon le procédé de l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement l'évolution de la température d'un piège à oxydes d'azotes du système de traitement lors d'une phase de purge du système de traitement selon le procédé de l'invention.
On a représenté sur la figure 1 un système de traitement 10 des gaz d'échappement G d'un moteur à combustion 12.
Le moteur 12 peut être un moteur diesel ou un moteur à essence fonctionnant en mélange pauvre tel qu'un moteur à essence à injection directe.
Une ligne 14 d'échappement permet l'écoulement des gaz G du moteur 12 vers l'atmosphère. Un système de traitement 10 destiné à purifier les gaz d'échappement G est agencé à l'intérieur de la ligne 14. Il se compose principalement d'un catalyseur 16 situé dans une chambre 18.
Le catalyseur 16 est constitué d'une structure sur laquelle est déposée une substance permettant de stocker les oxydes d'azote lorsque les gaz d'échappement G sont oxydants et de les libérer lorsque les gaz d'échappement G sont réducteurs-. Dans la suite de la description, le catalyseur 16 sera donc appelé piège à oxydes d'azotes 16.
Ladite substance stocke aussi les oxydes de soufre qui sont contenus dans les gaz d'échappement lorsqu'ils sont oxydants. Les oxydes de soufre sont stockés sous forme de sulfates.
Le catalyseur 16 peut aussi comporter une substance qui permet de réduire les oxydes d'azote lorsque le mélange aircarburant est riche.
Le catalyseur 16 peut encore comporter des substances permettant d'oxyder des hydrocarbures imbrûlés, ainsi que les oxydes de carbone présents dans les gaz d'échappement qui circulent dans la ligne 14.
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Le catalyseur 16 est ici réalisé en un seul élément structurel qui permet de remplir une ou plusieurs des fonctions décrites ci-dessus.
Selon une variante, le catalyseur 16 peut être constitué de plusieurs éléments structurels permettant chacun de remplir une ou plusieurs des fonctions décrites ci-dessus.
Le stockage des oxydes de soufre par le piège à oxydes d'azote 16, c'est-à-dire son empoisonnement, réduit fortement l'efficacité de stockage des oxydes d'azote du piège 16. Ainsi, il est nécessaire de purger périodiquement les oxydes de soufre stockés par le piège 16.
De façon connue, la purge consiste à augmenter la température des gaz d'échappement à une valeur supérieure à une valeur de seuil qui peut être de l'ordre de 600 cC. De plus, les gaz d'échappement qui traversent le piège oxydes d'azote 16 doivent être réducteurs.
La durée de la phase de purge est importante.
Il est possible de diminuer cette durée en augmentant la température du piège à oxydes d'azote 16. En effet, l'augmentation de la température facilite la libération du soufre. Cependant, l'augmentation de la température nécessite une augmentation de la quantité d'énergie supplémentaire à fournir pour le chauffage des gaz d'échappement.
De façon à minimiser la consommation supplémentaire d'énergie et de substances réductrices, le procédé selon l'invention propose d'augmenter la température T du piège à oxydes d'azote 16 jusqu'à une première température T1 supérieure ou égale à la température Tp de purge du soufre stocké dans le piège à oxydes d'azote 16, et de modifier la composition des gaz d'échappement qui traversent le piège pour qu'ils soient alternativement réducteurs et oxydants.
La modification de la composition des gaz échappement peut être obtenue par injection d'une substance réductrice dans les gaz d'échappement G en amont du piège à oxydes d'azote 16.
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Cette injection peut être réalisée par un injecteur 20 agencé en amont du piège à oxydes d'azote 16 conformément à la figure 1.
L'injection peut aussi consister en une modification de la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion du moteur 12 de façon modifier la richesse du mélange air/carburant jusqu'à des valeurs supérieure ou inférieure à la richesse stoechiométrique du mélange.
Un tel procédé permet de réduire de façon importante la consommation supplémentaire d'énergie et de substances réductrices lors de la purge du piège à oxydes d'azote 16.
En effet, l'alternance de la composition des gaz d'échappement provoque deux phénomènes principaux.
Le premier consiste en une augmentation de la température T des gaz d'échappement jusqu'à une seconde température T2 supérieure à la première température Tl, lors du passage d'un milieu réducteur à un milieu oxydant.
Lorsque les gaz d'échappement G sont réducteurs, au niveau du piège 16 à oxydes d'azotes, cela signifie que leur richesse R est supérieure à 1, lorsqu'ils sont oxydants cela signifie que la richesse est inférieure à 1.
Lors du passage d'une richesse Ri supérieure à 1, à une richesse R2 inférieure à 1, conformément à la figure 2, il se produit des réactions d'oxydation de substances telles que le monoxyde d'azote, le monoxyde d'hydrogène, le dihydrogène dont les produits sont notamment de l'eau, et du dioxyde de carbone.
Pendant une certaine durée dl, ces réactions d'oxydation sont exothermiques, c'est-à-dire qu'elles dégagent de la chaleur. Cette chaleur permet d'augmenter la température des gaz d'échappement et par conséquent la température T du piège à oxydes d'azote 16, conformément à la figure 3. L'augmentation de température qui facilite la libération des sulfates est obtenue sans consommation supplémentaire d'énergie. De plus, l'apport de
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substances réductrices est réduit pour permettre le passage des gaz d'échappement à la richesse R2 inférieure à 1.
Après une certaine durée prédéterminée, les réactions d'oxydation sont endothermiques, c'est-à-dire qu'elles absorbent de la chaleur.
De façon à optimiser le procédé, les gaz d'échappement G sont à la richesse R2 inférieure à la richesse Rs stoechiométrique pendant une première durée dl, puis la richesse est augmentée jusqu'à la richesse Ri supérieure à la richesse Rs stoechiométrique. La première durée di est inférieure, ou est avantageusement égale, à la durée prédéterminée pendant laquelle les réactions d'oxydation sont exothermiques.
De façon à libérer les oxydes de soufre stockés dans le piège à oxydes d'azote 16, il est nécessaire que les gaz d'échappement soient globalement réducteurs au cours de la phase de purge du piège 16.
Ainsi, la richesse des gaz d'échappement est augmentée à une richesse Ri supérieure à la richesse stoechiométrique Rs durant une seconde durée d2. La seconde durée dz est déterminée pour qu'un maximum d'oxydes de soufre soit libéré, c'est-à-dire notamment que l'alternance de richesses permette une température T maximale du piège à oxydes d'azote 16 pour un apport supplémentaire d'énergie, fourni par les moyens additionnels, qui est minimal.
En plus de la production de chaleur, le passage des gaz d'échappement d'un milieu réducteur à un milieu oxydant, c'est à dire d'une richesse supérieure à 1 à une richesse inférieure à 1, lors de la phase de purge du piège 16 à oxydes d'azote, facilite la libération des oxydes de soufre stockés.
En effet, lors de la phase de purge des oxydes de soufre en milieu réducteur, une première partie des sulfates stockés dans le piège 16 est décomposée puis est libérée, une seconde partie est transformée en sulfures par migration sur certaines
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substances du piège à oxydes d'azote 16. Les sulfures ainsi formés ne peuvent être libérés en milieu réducteur.
L'alternance de la composition des gaz d'échappement entre les gaz réducteurs et les gaz oxydants est réalisée tant que le piège à oxydes d'azote 16 contient une quantité de sulfates supérieure à une valeur de seuil prédéterminée.
Le passage en milieu oxydant permet de les oxyder à nouveau en sulfates qui peuvent alors être désorbés lorsque les gaz d'échappement deviennent réducteurs.
Il est intéressant de remarquer que les sulfates formés à partir des sulfures sont moins stables thermiquement, c'est-à-dire qu'ils peuvent être libérés à une température inférieure à la température de libération des sulfates formés directement à partir des oxydes de soufre.
Ainsi, l'alternance de la composition des gaz d'échappement entre les gaz réducteurs et les gaz oxydants permet d'une part d'augmenter leur température, ce qui favorise la libération des oxydes de soufre stockés dans le piège à oxydes d'azote 16, et, d'autre part permet de faciliter la libération de la seconde partie des oxydes de soufre stockés puis transformés en sulfures dans le piège à oxydes d'azote 16.
La durée de la phase de purge du piège à oxydes d'azote 16 est ainsi diminuée, ce qui diminue par conséquent la consommation supplémentaire d'énergie et de substances réductrices, lors de la phase de purge.
De façon à déterminer l'instant initial t, et l'instant final tf de la phase de purge du piège à oxydes d'azote 16, la ligne 14 d'échappement peut aussi être équipée de capteurs 22 tels que des capteurs de pression ou des capteurs de composition des gaz.
Les capteurs 22 peuvent être situés en amont et en aval du piège 16 et être reliés à un système électronique de traitement d'informations 24, conformément à la figure 1.
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Les capteurs 22 de composition permettent de déterminer la différence de teneur des gaz d'échappement G en oxydes de soufre entre l'entrée et la sortie du piège à oxydes d'azote 16.
Lorsque la différence de teneur en oxydes de soufre est inférieure à une première différence prédéterminée, le système électronique de traitement 24 permet de déclencher la phase de purge du piège à oxydes d'azotes 16.
En effet, cela signifie qu'une quantité importante d'oxydes d'azote présente dans les gaz d'échappement G en amont du piège à oxydes d'azote 16 est toujours présente en aval du piège 16, c'est-à-dire que l'efficacité du piège 16 est faible. L'efficacité réduite est notamment provoquée par l'empoisonnement du piège 16 par les oxydes de soufre.
Lorsque les capteurs 22 sont des capteurs de pression, ils déterminent la perte de charge provoquée par le piège 16 à oxydes d'azote dans la ligne 14 d'échappement. Lorsque la valeur de la perte de charge mesurée par les capteurs 22 dépasse une première valeur prédéterminée, le système électronique de traitement 24 permet de déclencher la phase de purge du piège à oxydes d'azotes 16.
L'instant final tf de la phase de purge du piège à oxydes d'azote 16 est déterminée lorsque la différence de teneur en oxydes de soufre devient supérieure à une seconde différence prédéterminée ou inférieure à une première valeur prédéterminée selon que les capteurs 22 sont des capteurs de composition ou de pression respectivement.
Le procédé de pilotage du système de traitement 10 selon l'invention qui permet de purger le soufre stocké dans le piège à oxydes d'azote 16 permet aussi de purger, au moins partiellement, les oxydes d'azote stockés dans le piège à oxydes d'azote 16.
De façon à augmenter la température du piège à oxydes d'azote 16 jusqu'à la température Ti supérieure ou égale à la température Tp de purge du soufre, il est possible d'utiliser une
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zone du piège comme résistance de chauffage. Pour ce faire, cette zone du piège 16 doit présenter une résistance électrique qui peut être une portion de sa structure.
Cette zone est raccordée à une source d'alimentation électrique, non représentée, qui délivre un courant qui provoque l'échauffement de ladite zone du piège 16 et augmente la température du piège 16.
Selon une variante, la température du piège est augmentée par augmentation de la température des gaz d'échappement G qui le traversent.
La température des gaz d'échappement G peut être augmentée par des moyens de chauffage additionnels tels qu'une résistance électrique de chauffage, non représentée, qui sont agencés dans la ligne 14 d'échappement en amont du piège à oxydes d'azote 16.
La température des gaz d'échappement G peut aussi être augmentée par augmentation de la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion du moteur 12 ou par la commande du début de l'injection du carburant dans une chambre de combustion d'au moins un cylindre du moteur 12.
Selon cette alternative, le début de l'injection du carburant peut être déphasé par rapport au passage du piston au point mort haut dans le cylindre.
Le déphasage de l'injection du carburant peut consister en un retard d'une durée qui est prédéterminée en fonction du point de fonctionnement du moteur 12.
La température des gaz d'échappement G peut encore être augmentée par la postcombustion d'une quantité prédéterminée de carburant.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) d'un moteur (12) à combustion, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à mélange pauvre, pour la purge du soufre stocké dans un piège à oxydes d'azote (16) qui est agencé dans une ligne (14) dans laquelle s'écoulent les gaz d'échappement (G) du moteur (12), caractérisé en ce qu'on augmente la température (T) du piège à oxydes d'azote (16) jusqu'à une température (tri) supérieure ou égale à la température (Tp) de purge du soufre stocké dans le piège à oxydes d'azote (16), et en ce qu'on modifie la composition des gaz d'échappement (G) qui traversent le piège à oxydes d'azote (16) pour qu'ils soient alternativement réducteurs et oxydants.
  2. 2. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la modification de la composition des gaz d'échappement (G) est réalisée par injection d'une substance réductrice dans les gaz d'échappement (G) en amont du piège à oxydes d'azote (16).
  3. 3. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la modification de la composition des gaz d'échappement (G) est réalisée par modification de la richesse (R) du mélange air carburant jusqu'à des valeurs supérieure (Ri) et inférieure (ruz) à la richesse (Rs) stoechiométrique respectivement.
  4. 4. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une zone du piège à oxydes d'azote (16) est utilisée comme résistance de chauffage pour augmenter la température (T) du piège à une température (tri) supérieure ou égale à la température (Tp) de purge du soufre stocké.
    <Desc/Clms Page number 13>
  5. 5. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température (T) du piège à oxydes d'azote (16) est augmentée par augmentation de la température des gaz d'échappement (G) qui le traverse.
  6. 6. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température des gaz d'échappement (G) est augmentée par des moyens de chauffage additionnels tels qu'une résistance électrique de chauffage.
  7. 7. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz échappement (G) selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la température des gaz d'échappement (G) est augmentée par augmentation de la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion du moteur (12).
  8. 8. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la température des gaz d'échappement (G) est augmentée par la commande du début de l'injection du carburant dans une chambre de combustion d'au moins un cylindre du moteur (12).
  9. 9. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le début de l'injection du carburant est déphasé par rapport au passage du piston au point mort haut dans le cylindre.
  10. 10. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le début de l'injection du carburant est retardé d'une durée prédéterminée en fonction du point de fonctionnement du moteur (12).
    <Desc/Clms Page number 14>
  11. 11. Procédé de pilotage d'un système de traitement (10) des gaz d'échappement (G) selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que la température des gaz d'échappement (G) est augmentée par la postcombustion d'une quantité prédéterminée de carburant.
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