FR2935020A1 - Procede pour la desulfuration d'un catalyseur d'oxydation apte a pieger des oxydes d'azote - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour la désulfuration d'un catalyseur d'oxydation apte à piéger des oxydes d'azote, ledit catalyseur étant disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et comportant une face amont et une face avale relativement au sens de circulation des gaz d'échappement. Il comporte une étape de purge en oxydes de soufre au cours de laquelle on fait varier la richesse d'un mélange air/carburant en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement, la richesse moyenne des phases riches et pauvres étant sensiblement supérieure à 1 sur la face avale du catalyseur d'oxydation.

Description

PROCEDE POUR LA DESULFURATION D'UN CATALYSEUR D'OXYDATION APTE A PIEGER DES OXYDES D'AZOTE

La présente invention concerne, d'une manière générale, les dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur diesel, et, en particulier, un procédé pour la désulfuration d'un catalyseur d'oxydation apte à piéger des oxydes d'azote.

Pour 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. Ceux-ci permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azotes 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.

Les pièges à oxydes d'azote ont par exemple pour rôle de stocker les oxydes d'azote produits par le moteur diesel puis de les réduire, c'est-à-dire de les convertir en diazote et dioxyde de carbone, lors d'une phase de régénération ou purge lorsqu'un seuil prédéterminé est atteint. Le fonctionnement d'un tel piège est appelé fonctionnement alternatif. La capacité de stockage d'un piège à oxydes d'azote est cependant altérée au cours du temps par la présence de soufre dans l'échappement. Ce soufre est présent dans le carburant et l'huile et se dépose sur les sites de réaction des oxydes d'azote, ce qui diminue le volume de stockage des oxydes d'azote. L'efficacité d'un piège à oxydes d'azote décroît donc avec l'accumulation du soufre dans celui-ci. Pour traiter ce problème, une régénération en produits soufrés, appelée désulfuration est lancée. Cette désulfuration nécessite une température élevée au sein du piège à oxydes d'azote, en général supérieure à 600°C, et un milieu riche, c'est-à-dire contenant un excès de réducteurs, pendant plusieurs dizaines de secondes.

Actuellement, pour obtenir une désulfuration efficace, on maintient un état riche avec une durée sensiblement de l'ordre de 20s, et on interrompt cet état pour réguler la température du piège à oxydes d'azote et limiter les émissions de sulfure d'hydrogène H2S. En effet, pour des points de fonctionnement du moteur à moyennes et fortes charges, la température en mode riche est généralement plus élevée que la température maximale admissible par le piège à oxydes d'azote. Ainsi, les phases riches sont interrompues par une phase pauvre de refroidissement. Pour réduire les émissions de sulfure d'hydrogène H2S, on interrompt les créneaux riches par un créneau pauvre avant l'apparition des émissions de sulfure d'hydrogène H2S, ce qui permet de recharger en oxygène le piège à oxydes d'azote, et de favoriser la désulfuration sous forme de dioxyde de soufre SO2, et on limite la richesse RI des créneaux richesse. Ce type de désulfuration comporte donc deux états distincts, avec des moments où la richesse dans le piège à oxydes d'azote est riche (phase de désulfuration) et des moments où la richesse dans le piège à oxydes d'azote est pauvre. Toutefois, pour des points de fonctionnement du moteur à faible débit et à faible charge, cette désulfuration est peu ou pas efficace, car il n'est pas nécessaire de refroidir le piège à oxydes d'azote, il faut au contraire augmenter sa température qui est généralement insuffisante dans ces cas-là. De plus, les désulfurations effectuées en de tels points de fonctionnement produisent des concentrations élevées en sulfure d'hydrogène car le débit des gaz d'échappement dans le piège à oxydes d'azote est faible, favorisant ainsi la transformation chimique du dioxyde de soufre SO2 en sulfure d'hydrogène H2S. La durée des créneaux riches ne permet de réduire la formation des émissions de sulfure d'hydrogène H2S. Les solutions actuelles ne permettent pas d'effectuer des purges efficaces sans sulfure d'hydrogène H2S, et augmentent la dilution. L'utilisation d'un dispositif supplémentaire de traitement dans la ligne d'échappement tel qu'un piège à sulfure d'hydrogène est coûteuse. Par ailleurs, le traitement des sulfures d'hydrogène par ce genre de dispositif est peu efficace puisque l'élévation de la température dans le piège à sulfure d'hydrogène H2S est très lente, sensiblement de l'ordre de 100S pour stabiliser le piège à sulfure d'hydrogène H2S à sensiblement plus de 400°C.

Afin de pallier les inconvénients précités, un but de la présente invention propose d'améliorer les désulfurations effectuées pour des points de fonctionnement du moteur à faible charge et à faible régime et propose un procédé de désulfuration pour ces points de fonctionnement, pour lesquels la température est en général insuffisante et ne permet pas d'obtenir une bonne efficacité de traitement du soufre.

Dans ce but, la présente invention propose un procédé pour la désulfuration d'un catalyseur d'oxydation apte à piéger des oxydes d'azote, ledit catalyseur étant disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et comportant une face amont et une face avale relativement au sens de circulation des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de purge en oxydes de soufre au cours de laquelle on fait varier la richesse d'un mélange air/carburant en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement, la richesse moyenne des phases riches et pauvres étant sensiblement supérieure à 1 sur la face amont du catalyseur d'oxydation.

Un tel procédé permet d'accélérer l'élévation de la température du piège à oxydes d'azote pendant la phase de chauffe et de désulfuration tout en réduisant voire en évitant la formation de sulfure d'hydrogène H2S.

Selon d'autres caractéristiques, - on peut maintenir un milieu sensiblement riche sur la face avale du piège à oxyde d'azotes, - on peut fractionner la richesse du mélange air/carburant avec des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres avec une fréquence sensiblement de l'ordre de 1Hz, - l'élévation de richesse du mélange peut se faire en injectant du carburant en amont du système de post traitement, - l'élévation de richesse du mélange peut se faire par post-injection de carburant dans le moteur, - le procédé peut comporter une étape d'élévation de la température du catalyseur d'oxydation précédant l'étape de purge en oxydes de soufre au cours de laquelle on fait varier la richesse du mélange air/carburant en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement, - le procédé peut être mis en oeuvre pour des points de fonctionnement du moteur à faible charge et à faible régime, la pression moyenne effective étant sensiblement comprise entre 1,5 bars et 5 bars, - le procédé peut être mis en oeuvre pour des points de fonctionnement du moteur à charge moyenne et à forte charge, la pression moyenne effective étant sensiblement supérieure à 5 bars et sensiblement inférieure ou égales à 12 bars.

L'invention concerne également un dispositif de post-traitement disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, le dispositif mettant en oeuvre un tel procédé et comportant des moyens de mesure de la richesse du mélange air/carburant, des moyens pour faire varier la richesse du mélange air/carburant, des moyens pour mettre en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riche et pauvre indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement.

L'invention concerne également un véhicule comportant un tel dispositif de post-traitement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre l'évolution de la température sur la face amont d'un piège à oxyde d'azote lors d'une transition riche/pauvre des gaz d'échappement 15 d'un moteur à combustion interne, - la figure 2 illustre une architecture de post traitement mettant en oeuvre le procédé de régénération suivant l'invention.

20 Dans la suite de la description, on considérera qu'un moteur à combustion à faible charge/régime a un régime moteur sensiblement compris entre 1250 tr/min (tours par minute) et 3250 tr/min pour des PME (pression moyenne effective) sensiblement comprises entre 1,5 bars et 5 bars. 25 A la figure 1, on a représenté la variation de température d'un monolithe (cl), pendant une phase de test, à faible vitesse volumique horaire (rapport entre le débit des gaz et le volume du catalyseur, qui traduit le temps de 30 contact des gaz avec le catalyseur), lors d'une transition riche/pauvre. Lors de la transition riche/pauvre (Trp), la température du monolithe augmente avant de décroître vers une température stabilisée de l'état pauvre. Cette phase est exploitée afin d'accroître la vitesse de chauffe du monolithe. En fractionnant rapidement la richesse en deux créneaux riches et pauvres, l'échauffement du monolithe est optimisé, contrairement à un chauffage du système de post traitement réalisé à une richesse constante de l'ordre de 2= 0, 99. Il est donc possible avec cette stratégie, de réduire de l'ordre de 50% le temps de chauffe dans des conditions de roulage difficiles, c'est-à-dire à bas régime et faible charge. On diminue ainsi le temps de chauffe et la dilution du carburant dans l'huile, optimisant ainsi la gestion globale des prestations dépollution / consommation et dilution de gazole dans l'huile.

A la figure 2, on a représenté un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne 2. Le dispositif de post-traitement est disposé à la sortie d'un moteur à combustion interne 2, et comporte un catalyseur d'oxydation apte à piéger les oxydes d'azote 3 et un filtre à particules 4. Le catalyseur d'oxydation apte à piéger les oxydes d'azote 3 comporte une face amont 31 et une face avale 32 relativement au sens de circulation des gaz d'échappement. La température du dispositif de post traitement est contrôlée à l'entrée du piège à oxyde d'azote 3 par une première sonde de température 5 et à l'entrée du filtre à particule 4 grâce à une dernière sonde de température 6.

L'état du piège à oxyde d'azote 3 et donc le besoin ou non de régénérer le piège est contrôlé à l'aide d'une sonde à oxygène 7 placée à la sortie du piège. L'encrassement du filtre à particules 4 quant à lui est contrôlé grâce à un système de mesure de la pression différentielle 9 entre l'entrée du filtre à particules et sa sortie. Afin d'élever la richesse des gaz dans le dispositif de post-traitement, un injecteur additionnel de carburant 10 est placé à l'entrée du piège à oxyde d'azote 3 dans cet exemple. L'élévation de richesse du mélange peut également être effectuée par post-injection de carburant dans les cylindres. Le fractionnement de la richesse du mélange air/carburant est mesurée à l'aide d'une sonde à oxygène 13 placée en amont du piège à oxydes d'azote 3 et de l'injecteur additionnel de carburant 10. Une unité de contrôle électronique 12 dûment programmée assure le contrôle du système d'injection principale et, en particulier, surveille l'encrassement des systèmes de post- traitement, c'est-à-dire du filtre à particules 4 à partir de la pression différentielle régnant de part et d'autre du filtre. Lorsqu'il est détecté que le filtre doit être régénéré, il est procédé à une élévation de température du filtre jusqu'à une température de régénération. Cette élévation de température est par exemple obtenue en injectant un mélange air/carburant dans la ligne d'échappement au moyen de l'injecteur 10. A faible vitesse volumique horaire, lors d'une transition riche/pauvre, la température dans un monolithe commence par augmenter avant de décroître vers la température stabilisée de l'état pauvre. Ainsi, l'élévation de température est ici obtenue en exploitant cette phase d'augmentation de température précédant l'abaissement de température afin d'accroître la vitesse de chauffe du monolithe. En fractionnant rapidement la richesse en deux créneaux riches et pauvres à la différence de la situation initiale où la chauffe du système de post traitement était réalisée à une richesse constante de l'ordre de 2 = 0,99, l'échauffement du monolithe est optimisé. Il est donc possible avec cette nouvelle stratégie, de réduire de l'ordre de 50% le temps de chauffe dans des conditions de roulage difficiles, c'est-à-dire à bas régime et faible charge. On diminue ainsi le temps de chauffe et la dilution du carburant dans l'huile, optimisant ainsi la gestion globale des prestations dépollution / consommation et dilution de gazole dans l'huile. Par exemple, sur un point de fonctionnement moteur stabilisé à 1200 rpm / 4 bars, on fractionne la richesse en créneaux de richesse 2=1,01 (pauvre) et de richesse 2=0,95 (riche) de durée 1 seconde, contrairement à l'état de la technique où la régénération se produit traditionnellement avec une richesse constante des gaz d'échappement de valeur 2=1,01 pendant toute la durée de chauffe du dispositif de post traitement. Après cette phase de chauffe, dès que la température est supérieure à un seuil prédéterminé, la désulfuration du piège à oxyde d'azote peut être effectuée.

Pour des points de fonctionnement du moteur à faible charge, un procédé pour la désulfuration du piège à oxydes d'azote 3 comporte une étape de purge en oxydes de soufre au cours de laquelle on fait varier la richesse d'un mélange air/carburant en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement. On fractionne ainsi la richesse en créneaux riche et pauvre. La richesse moyenne des phases riches et des phases pauvres est sensiblement supérieure à 1 sur la face amont du catalyseur d'oxydation. La richesse moyenne Rlmoy est telle que : RI riche triche + RI pauvre t pauvre RI moy triche + tpauvre Avec Rlriche la richesse d'une phase riche, Rlpaavre la richesse d'une phase pauvre, triche la durée d'une phase riche, tpauvre la durée d'une phase pauvre. Une caractéristique de ce procédé consiste en ce qu'on maintient un milieu riche sur la face avale du piège à oxyde d'azotes. La durée des phases pauvres est par exemple sensiblement inférieure à la durée des phases riches. Ceci permet notamment d'assurer une désulfuration efficace. Lorsqu'on fractionne la richesse du mélange air/carburant avec des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres avec une fréquence sensiblement de l'ordre de 1Hz, on provoque un état riche permanent sur la face avale du piège à oxyde d'azote. Cela permet avantageusement la désulfuration du piège à oxydes d'azote d'une part et une élévation homogène de l'exotherme dans ce piège, ce qui augmente la vitesse de désulfuration. Avec un fractionnement de richesse comportant des créneaux riches, par exemple d'une durée de 2s, et une richesse RI=1,06, et des créneaux pauvres d'une durée de 1s, et une richesse RI=0,97, la richesse moyenne est RI=1,03, supérieure à 1. Un tel exemple de fractionnement permet d'atteindre une température maximale au sein du piège à oxydes d'azote sensiblement de l'ordre de 770°C, soit un gain de l'ordre de 40°C par rapport à une désulfuration à richesse constante. Les émissions de dioxyde de soufre SO2 sont effectuées en continue, avec un taux de dioxyde de soufre sensiblement de l'ordre de 300ppm et 50% de soufre désulfuré en 300s.

Un tel procédé de fractionnent rapide de richesse permet avantageusement : o de diviser par 2 le temps de chauffe de la phase de chauffe, o de multiplier par 2 les émissions soufrées sensiblement dans les 60 premières secondes de désulfuration, o de limiter, voire d'éviter toute formation de sulfure d'hydrogène H2S contrairement à une désulfuration à richesse constante et à faible charge. Les émissions de sulfure d'hydrogène sont sensiblement nulles voire inexistantes.

20 De même que pour la phase de chauffe du piège à oxydes d'azote, l'élévation de richesse du mélange se fait en injectant du carburant en amont du système de post traitement.

25 Dans un autre mode de réalisation, l'élévation de richesse du mélange se fait par post-injection de carburant dans le moteur.

Il sera compris que l'étape d'élévation de la 30 température du catalyseur d'oxydation précédant l'étape de purge en oxydes de soufre peut être réalisée différemment. Il est cependant avantageux comme précisé ci-dessus, de faire varier la richesse du mélange air/carburant au cours 15 de la phase de chauffe, en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement.

Un tel procédé de désulfuration permet d'effectuer des désulfurations sur des points de fonctionnement moteur à faible charge et à faible régime, où la température généralement basse rend la désulfuration généralement difficile et peu efficace.

Ce procédé permet avantageusement de maintenir une température élevée et homogène dans le piège à oxydes d'azote, augmentant ainsi la vitesse de désulfuration.

Ce procédé permet également de limiter voire d'éviter la formation de sulfure d'hydrogène H2S à faible régime/charge, évitant des émissions soufrées nauséabondes à l'échappement.

Ce procédé est avantageusement mis en oeuvre pour des vitesses volumiques horaires (VVH) sensiblement comprises entre 20000 h-1 et 150000 h-1.

25 De manière surprenante, des tests effectués sur des points de fonctionnement à charge moyenne et forte charge, pour un régime moteur sensiblement compris entre 1250 tr/min et 3250 tr/min et pour des PME supérieures à 5 bars et sensiblement inférieures ou égales à 12 bars, ont montré 30 que ce procédé permet également d'anticiper le démarrage des désulfurations du piège à oxydes d'azote par une augmentation rapide de la température. 20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé pour la désulfuration d'un catalyseur d'oxydation apte à piéger des oxydes d'azote, ledit catalyseur étant disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne et comportant une face amont et une face avale relativement au sens de circulation des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de purge en oxydes de soufre au cours de laquelle on fait varier la richesse d'un mélange air/carburant en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement, la richesse moyenne des phases riches et pauvres étant sensiblement supérieure à 1 sur la face amont du catalyseur d'oxydation.
2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on maintient un milieu sensiblement riche sur la face avale du piège à oxyde d'azotes.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on fractionne la richesse du mélange air/carburant avec des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres avec une fréquence sensiblement de l'ordre de 1Hz.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élévation de richesse du mélange se fait en injectant du carburant en amont du système de post traitement.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élévation de richesse du mélange se fait par post-injection de carburant dans le moteur.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en qu'il comporte une étape d'élévation de la température du catalyseur d'oxydation précédant l'étape de purge en oxydes de soufre au cours de laquelle on fait varier la richesse du mélange air/carburant en mettant en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riches et pauvres indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour des points de fonctionnement du moteur à faible charge et à faible régime, la pression moyenne effective étant sensiblement comprise entre 1,5 bars et 5 bars.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour des points de fonctionnement du moteur à charge moyenne et à forte charge, la pression moyenne effective étant sensiblement supérieure à 5 bars et sensiblement inférieure ou égales à 12 bars.
9. 9. Dispositif de post-traitement des gaz d'échappement disposé dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne (2), le dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en qu'il comportea. des moyens de mesure de la richesse du mélange air/carburant, b. des moyens pour faire varier la richesse du mélange air/carburant, c. des moyens pour mettre en oeuvre des phases successives d'injection de mélanges relativement riche et pauvre indépendamment de la consommation ou du renouvellement d'oxygène dans la ligne d'échappement.
10. 10. Véhicule comportant un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (2) selon la revendication 9.