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FR2939837A3 - Procede de desulfatation d'un dispositif d'epuration des gaz d'echappement d'un moteur a combustion - Google Patents

Procede de desulfatation d'un dispositif d'epuration des gaz d'echappement d'un moteur a combustion Download PDF

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FR2939837A3
FR2939837A3 FR0858636A FR0858636A FR2939837A3 FR 2939837 A3 FR2939837 A3 FR 2939837A3 FR 0858636 A FR0858636 A FR 0858636A FR 0858636 A FR0858636 A FR 0858636A FR 2939837 A3 FR2939837 A3 FR 2939837A3
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Abstract

L'invention concerne un procédé de désulfatation d'un dispositif d'épuration (2, 21, 22) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, qui comprend au moins un piège à NOx (21), branché en série avec au moins un dispositif catalytique (22) de post-traitement des gaz d'échappement, ledit procédé comprenant une phase de post-injection de carburant avec un fonctionnement du moteur en mélange pauvre, pour élever la température T dans le piège à NOx (22) jusqu' à une température T suffisante pour désorber le soufre des sites absorbants du piège à NOx (22), et une phase de désulfatation qui démarre lorsque T atteint à T avec au moins un basculement du fonctionnement du moteur en mélange riche.

Description

Procédé de désulfatation d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion
La présente invention concerne de manière générale 5 un procédé de désulfatation d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de désulfatation d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à 10 combustion, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence fonctionnant en mélange pauvre, le dispositif d'épuration comprenant au moins un piège à NOx qui est branché en série avec au moins un dispositif catalytique de post-traitement des gaz d'échappement. 15 On entend ici, tel qu'usuellement, par fonctionnement en mélange pauvre ou en mélange riche, un fonctionnement avec une composition de gaz d'échappement riche en oxygène ou pauvre en oxygène, par exemple ceci étant provoqué par un fonctionnement moteur avec un taux 20 d'air du moteur pauvre ou riche, c'est-à-dire un rapport air/carburant situé au-dessus ou au-dessous de la valeur stoechiométrique, concernant le mélange air/carburant brûlé dans le moteur. Par piège à NOx (oxydes d'azote), on entend, au 25 sens de la présente invention, un catalyseur permettant l'adsorption des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement lorsque le mélange air-carburant provenant du moteur est pauvre. Par dispositif catalytique de post-traitement des 30 gaz d'échappement, on entend, au sens de la présente invention, un filtre à particules, ou un piège à NOx, ou encore un filtre à particules comportant un support filtrant sur lequel est imprégné un piège à NOx. Par particules, on entend, au sens de la présente 35 invention, les suies polluantes émises par les moteurs à combustion, et notamment les moteurs essence fonctionnant
en mélange pauvre et Diesel. Les moteurs essence et diesel émettent des substances polluantes telles que des hydrocarbures imbrûlés, des oxydes de carbone, ainsi que des oxydes d'azote et du soufre. 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. Ainsi, les pots catalytiques ont pour fonction de transformer les espèces chimiques polluantes en espèces moins polluantes. Un catalyseur, appelé catalyseur trois voies ou "trifonctionnel", est souvent utilisé pour la dépollution des moteurs essence stoechiométriques. Dans certaines conditions, il oxyde les hydrocarbures imbrûlés, ainsi que les oxydes de carbone, en dioxyde de carbone et il peut aussi réduire les oxydes d'azote en azote. Cependant, les moteurs à combustion interne fonctionnent en mélange pauvre et ne présentent que rarement les conditions permettant de réduire les oxydes d'azote. Or, il faut de nos jours éviter qu'une trop grande quantité d'oxydes d'azote soit émise dans l'atmosphère. En outre, les normes législatives relatives aux émissions d'oxydes d'azote deviennent de plus en plus sévères, et l'atteinte de ces normes nécessite des systèmes de traitement des gaz d'échappement de plus en plus complexes. Une des difficultés majeures de ces nouvelles normes est de diminuer fortement les émissions d'oxydes d'azote (NOx). Un des moyens de les réduire consiste à utiliser un piège à NOx (couramment nommé NOx-trap). Ce type de catalyseur est classiquement utilisé pour dépolluer les moteurs fonctionnant en mélange pauvre. La fonction d'un piège à NOx consiste à oxyder les hydrocarbures (HC) et le monoxyde de carbone (CO) tout
en stockant les NOx lorsque le moteur est en mélange pauvre. Le piège à NOx se remplit progressivement de NOx, et sa capacité d'adsorption diminue au fur et à mesure de son remplissage par les NOx. Sans régénération du piège, celui-ci arriverait vite à saturation. Afin d'éviter cet état de saturation, le piège à NOx est périodiquement vidé durant une phase de régénération du piège à NOx (également nommée purge). L'étape de régénération est obtenue par un changement de la composition gazeuse dans laquelle les réducteurs tels que les hydrocarbures et le monoxyde de carbone deviennent majoritaires. Cette phase est obtenue via une post-injection ou via l'injection de carburant directement dans la ligne d'échappement (EFI).
Toutefois, la capacité d'adsorption d'un tel catalyseur (piège à N0x), qu'il soit en phase de stockage ou de régénération, est diminuée par la présence de soufre dans le carburant. En effet, le piège à NOx est en contact avec le soufre contenu dans le carburant et l'huile moteur. Or les pièges à NOx présentent une forte affinité avec le soufre qui s'adsorbe progressivement sur les sites avec pour conséquence une diminution de la capacité d'adsorption des NOx par le catalyseur d'adsorption du piège à NOx, ce qui réduit de fait son efficacité. On dit alors que le piège à oxydes d'azote est empoisonné. Il faut donc également réaliser régulièrement des désulfatations afin d'éliminer le soufre. L'élimination du soufre est effectuée à des températures élevées (entre 450 et 750°C selon le piège à NOx utilisé) et sous atmosphère réductrice (en d'autres termes avec un excès de réducteurs, phase riche). La désulfatation peut être gérée par un automate de désulfatation qui règle les conditions nécessaires, telles que la température et la richesse requises pour réaliser cette étape.
La gestion de l'automate se réalise assez bien lorsque le système ne contient qu'un seul piège à NOx, mais est plus malaisée lorsque le système est composé de deux pièges à NOx successifs (le second piège à NOx peut également être imprégné sur le support filtrant d'un filtre à particules ayant pour fonction de retenir les suies ou particules). Si la gestion de l'automate se base sur le piège à NOx en amont (dit premier piège ), le soufre évacué de celui-ci risque de se déposer sur le piège à NOx situé en aval, dit deuxième piège ), ce qui conduirait à un empoisonnement progressif de ce dernier à chaque désulfatation. Si la gestion de l'automate se base sur le premier piège à NOx (en amont), sachant que c'est le premier piège à NOx, qui contient la majeure partie du soufre, et que l'exotherme étant réalisé dans le premier catalyseur alors le soufre désorbé sera automatiquement adsorbé sur le second piège qui sera trop froid au début de l'étape de désulfatation. Cela conduirait à une désulfatation du piège à NOx-trap (en aval) qui ne serait que partielle. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de dé-sulfatation permettant de dé-sulfater simultanément deux pièges à NOx disposés en série dans la ligne d'échappement principale d'un moteur (ou un piège à NOx et un dispositif catalytique tel qu'un piège à NOx ou un filtre à particules pouvant comporter un piège à N0x), par une gestion de la température des gaz d'échappement dans le piège à NOx et des conditions de richesse dans les gaz d'échappement. La présente invention a donc pour objet un procédé de désulfatation d'un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à
mélange pauvre, ledit dispositif d'épuration étant disposé dans une ligne principale d'échappement et comprenant: au moins un piège à NOx, qui est branché en série avec au moins un dispositif catalytique de post-traitement des gaz d'échappement, qui est disposé en aval du dit piège à NOx, un capteur de température disposé entre ledit piège à NOx et ledit dispositif catalytique, et une sonde de richesse disposée en amont du dit piège à NOx, pour déterminer la richesse de la composition du gaz d'échappement juste avant qu'il ne pénètre dans le piège à NOx.
Selon l'invention, le procédé de désulfatation comprend les étapes suivantes: - une phase de post-injection de carburant en maintenant le fonctionnement du moteur en mélange pauvre, pour élever la température Tata des gaz d'échappement dans le piège à NOx jusqu'à une température TDesoX suffisante pour désorber le soufre des sites absorbants du dit piège à NOx ; - une phase de désulfatation qui démarre lorsque ladite température Teata des gaz d'échappement dans le piège à NOx devient égale à TDesoX, avec au moins un basculement du fonctionnement du moteur en mélange riche. Le capteur de température disposé entre ledit piège NOx et ledit dispositif catalytique permet simultanément de s'assurer que la température du piège à NOx est suffisante pour démarrer la désulfatation (égale à TDesoX, afin notamment d'éviter que le soufre n'empoisonne le dispositif catalytique (qui peut être en l'occurrence un deuxième piège à N0x) lorsqu'il est éliminé du premier piège à NOx La première phase du procédé de l'invention est une phase de post-injection de carburant.
Par post-injection de carburant, on entend, au sens de la première invention, l'injection d'une quantité supplémentaire de carburant qui est postérieure à l'injection de la quantité de carburant nécessaire au fonctionnement classique du moteur. Une partie de cette quantité de carburant additionnelle s'enflamme en produisant une augmentation de la température des gaz d'échappement. L'autre partie de cette quantité est transformée en produits d'oxydation partielle comme le monoxyde de carbone CO, l'hydrogène et les hydrocarbures HC. Cette post-injection a pour objectif d'apporter des hydrocarbures à l'échappement pour augmenter l'exothermicité du catalyseur (piège à N0x), et chauffer ainsi le catalyseur.
Lorsque la température du catalyseur atteint une température TDesox, le moteur bascule vers un fonctionnement en mélange riche, présentant idéalement une richesse supérieure à 1,03. La désulfatation proprement dite peut commencer avec l'assurance que la température du piège à NOx est suffisante pour éliminer le soufre adsorbé sur le catalyseur (piège à N0x). Selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention, la désulfatation est réalisée de façon continue avec un fonctionnement du moteur en mélange riche pour réduire les composés en soufrés (sulfates) en SO2 et H2S Selon un deuxième mode de réalisation du procédé de l'invention, la désulfatation est réalisée de façon cyclique avec un moteur fonctionnant alternativement en mélange riche et en mélange pauvre, avec une fluctuation de la richesse R entre 0,93 et 1. Ceci permet, d'une part, de contrôler la température du catalyseur (pour ne pas dépasser une température seuil, qui dépend de la technologie de catalyseurs utilisée, induisant une dégradation prématurée de la phase catalytique ; d'autre part ce mode de fonctionnement cyclé permet de limiter la
formation de H2S (gaz malodorant) au profit de S02 inodore Le dispositif catalytique de post-traitement des gaz d'échappement peut être soit un filtre à particules, soit un piège à NOx, soit enfin un filtre à particules imprégné d'une phase catalytique type piège à NOx, D'autres avantages et particularités de la présente invention apparaîtront dans les modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins mis en annexe, dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de dispositif d'épuration des gaz d'échappement pouvant être utilisé dans le procédé de l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement l'évolution 15 de la température Tata dans le piège à Nox lors de la désulfatation selon le procédé de l'invention, - la figure 3 illustre schématiquement l'exotherme généré dans le dispositif d'épuration des gaz d'échappement représenté sur la figure 1 lors de la 20 désulfatation selon le procédé de l'invention. Sur la figure 1 est illustré un exemple de dispositif d'épuration des gaz d'échappement pouvant être utilisé dans le procédé de l'invention. Ce dispositif d'épuration 2 est disposé dans la ligne d'échappement 25 principale 1 et comprend : ^ au moins un piège à NOx 21, qui est branché en série avec au moins un dispositif catalytique 22 de post-traitement des gaz d'échappement, qui est 30 disposé en aval du dit piège à NOx 21, un capteur de température 3 disposé entre ledit piège à NOx 21 et ledit dispositif catalytique 22, et une sonde de richesse 4 disposée en amont du 35 dit piège à NOx 21. Un injecteur de carburant 5 disposé dans la ligne
principale d'échappement 1 alimente le dispositif d'épuration 2. La figure 2 illustre plus particulièrement l'évolution de la température Tata dans le piège à NOx 22 lors de la désulfatation selon le procédé de l'invention. Ainsi, la première phase du procédé de l'invention est une phase de post-injection de carburant dans le dispositif d'épuration 2, qui peut être réalisée via l'injecteur de carburant 5.
Le chauffage du piège à NOx 21 se fait en atmosphère pauvre (richesse du carburant inférieure à un) tant que la température Tata est insuffisante pour désorber les particules de soufre des sites adsorbants du catalyseur). Dans ces conditions, la quantité de soufre désorbé du catalyseur du piège à NOx est négligeable. En outre, si le dispositif catalytique 22 branché en série avec le piège à NOx 21 n'a pas atteint sa température de désulfatation TDesoX, le soufre éliminé du premier piège à NOx 21 va aller l'empoisonner.
Lorsque le catalyseur 22 atteint une température TDesoX suffisante pour désorber le soufre des sites absorbants du dit piège à NOx 22, le moteur bascule vers un fonctionnement en mélange riche via la stratégie moteur, c'est-à-dire un fonctionnement avec une composition de gaz d'échappement riche en réducteurs, présentant idéalement une richesse supérieure à 1,03. La désulfatation proprement dite a alors lieu avec l'assurance que la température du piège à NOx à désulfater a atteint la température nécessaire pour éliminer le soufre adsorbé sur le catalyseur (piège à N0x).

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de désulfatation d'un dispositif d'épuration (2, 21, 22) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un moteur diesel ou d'un moteur à essence à mélange pauvre, ledit dispositif d'épuration (2, 21, 22) étant disposé dans la ligne principale d'échappement (1) et comprenant : ^ au moins un piège à NOx (21), qui est branché 10 en série avec au moins un dispositif catalytique (22) de post-traitement des gaz d'échappement, qui est disposé en aval du dit piège à NOx (21), un capteur de température (3) disposé entre 15 ledit piège à NOx (21) et ledit dispositif catalytique (22), et une sonde de richesse (4) disposée en amont du dit piège à NOx (21), ledit procédé de désulfatation étant caractérisé 20 en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - une phase de post-injection de carburant en maintenant le fonctionnement du moteur en mélange pauvre, pour élever la température Tcata dans le piège à NOx (21) jusqu'à une température TDesoX suffisante pour désorber le 25 soufre des sites absorbants du dit piège à NOx (22) ; - une phase de désulfatation qui démarre lorsque ladite température Tcata dans le piège à NOx (22) devient égale à TDesoX, avec au moins un basculement du fonctionnement du moteur en mélange riche. 30
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la désulfatation est réalisée de façon continue avec un fonctionnement du moteur en mélange riche.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la désulfatation est réalisée de façon cyclique 35 avec un moteur fonctionnant alternativement en mélange riche et en mélange pauvre, avec une fluctuation de la richesse R entre 0,93 et 1,1.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif catalytique (22) de post-traitement des gaz d'échappement est un filtre à particules.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif catalytique (22) de post-traitement des gaz d'échappement est un second piège à NOx.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif catalytique (22) de post-traitement des gaz d'échappement est un filtre à particules imprégné d'une phase catalytique type piège à NOx.
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DE19910503C1 (de) * 1999-03-10 2000-07-06 Daimler Chrysler Ag Verfahren und Vorrichtung zur periodischen Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxid-Speichers mit Fett/Mager-Motorzylinderaufteilung
EP1512848A1 (fr) * 2003-09-03 2005-03-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Dispositif et procédée de purification de gaz d'échappement

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