PIEGEAGE D'OXYDES D'AZOTE

La présente invention concerne un dispositif d'élimination d'oxydes de soufre dans un système de piégeage d'oxydes d'azote disposé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Elle concerne également un procédé d'élimination d'oxydes de soufre.

Les oxydes d'azote NO _x provoquent des infections et des allergies respiratoires et jouent un rôle dans la formation de pluies acides, de sorte que la plupart des pays ont imposé des normes limitant l'émission d'oxydes d'azote NO _x par les véhicules automobiles.

Aussi, la plupart des véhicules automobiles, et notamment les véhicules à moteur de type Diesel, sont pourvus de systèmes de piégeage catalytique d'oxydes d'azote. Le fonctionnement d'un système de post-traitement de type piège à NO _x se décompose en deux étapes. Tout d'abord, on procède à l'accumulation des oxydes d'azote émis par le moteur dans le piège à NO _x . Au bout d'un certain temps, l'espace disponible pour le stockage des NO _x diminue, et il faut alors procéder à une étape de régénération, qui permet d'une part de transformer les NO _x stockés en composés non polluants et de les évacuer, et d'autre part, de retrouver une partie de la capacité de stockage, afin de pouvoir reprendre le processus de stockage. L'étape de régénération est obtenue par un changement de mode de fonctionnement du moteur, qui permet pendant cette période d'obtenir des conditions gazeuses dans lesquelles les quantités d'éléments réducteur sont considérablement augmentées. On parle de richesse supérieure à 1.

L'élimination des oxydes d'azote ne se conçoit donc que dans un contexte d'alternance de phases de stockage des NO _x , s'opérant lors du fonctionnement normal du moteur, et de durée longue, et de phases de régénération, nécessitant un basculement du moteur pour obtenir une richesse supérieure à 1 , et dont les durées sont 10 à 1000 fois inférieures à celles des phases précédentes. Le carburant et l'huile des moteurs à combustion interne contiennent une proportion non nulle de soufre. Lors de la combustion dans la chambre de combustion, le processus d'oxydation et les conditions thermodynamiques favorables vont transformer les espèces soufrées en composés SO ₂ , qui se retrouvent sous forme de gaz à l'échappement, à coté des oxydes d'azote. Les oxydes d'azote (NO _x ) et les espèces soufrées formées (SO ₂ ) possèdent alors des propriétés très proches, et le SO ₂ va se stocker sur le piège à NO _x , en lieu et place des oxydes d'azote. La capacité de stockage de ce dernier, normalement dédiée aux oxydes d'azote, va alors diminuer progressivement, jusqu'à devenir nulle, si on laisse l'empoisonnement au soufre se prolonger. En effet, lors des étapes de réduction des NO _x évoquées ci-dessus, les conditions générées ne sont pas suffisantes pour permettre un déstockage en parallèle des espèces soufrées, beaucoup plus stables. Les espèces NO _x sont donc éliminées de la surface du piège, mais les espèces soufrées restent en place. Le processus étant cumulatif, l'enchaînement de ces étapes fait que la capacité de stockage dédiée aux NO _x va progressivement diminuer, jusqu'à une potentielle annulation complète.

Pour éradiquer le phénomène, il faut donc périodiquement générer un processus de désulfuration qui permet de libérer de la surface du piège à NO _x le soufre retenu. Ce processus de désulfuration, connu en lui-même, est obtenu en combinant au niveau du piège à NO _x des conditions de températures élevées avec un excès de composés à caractère réducteur. Ces conditions sont en règle générale atteintes par modification de la calibration du moteur, bien qu'il soit possible d'injecter directement dans la ligne d'échappement les composés réducteurs nécessaires et/ou d'utiliser un artifice de chauffage annexe pour provoquer l'élévation en température des gaz d'échappement. Dans ces conditions, les espèces soufrées sont effectivement évacuées du piège à NO _x , principalement sous forme de SO ₂ (dioxyde de soufre), mais peuvent l'être sous forme d'un composé particulièrement malodorant : I ¹ H ₂ S ou sulfure d'hydrogène. En fonction des quantités dΗ ₂ S et des conditions de roulage du véhicule, la formation d'H ₂ S peut être vécue comme gênante pour le conducteur, les véhicules suiveurs ou l'environnement.

Il est connu du document FR 2 881 177 un moteur de véhicule comprenant un piège à oxydes d'azote, ainsi que des moyens pour introduire dans un conduit d'échappement en aval du piège un oxydant apte à transformer du sulfure d'hydrogène en dioxyde de soufre, à l'aide d'une pompe à air injectant dans la ligne d'échappement de l'air atmosphérique.

L'ajout d'une pompe à air pose toutefois des problèmes de coût et d'encombrement.

La présente invention a pour objectif de remédier à ces inconvénients.

L'invention propose un dispositif permettant de traiter de manière simple et économique le sulfure d'hydrogène émis lors de la désulfuration. Le dispositif proposé permet en outre des conditions optimales pour le traitement du sulfure d'hydrogène et évite efficacement l'apparition d'odeurs nauséabondes.

L'invention a ainsi pour objet un dispositif d'élimination d'oxydes de soufre dans un système de piégeage d'oxydes d'azote disposé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, le moteur étant alimenté en air et en carburant, le dispositif comprenant des moyens de commande aptes à déclencher une élimination des oxydes de soufre du système de piégeage d'oxydes d'azote, par chauffage du système de piégeage d'oxydes d'azote au-delà d'une température prédéterminée et par un réglage de la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant à une valeur supérieure à 1 , l'élimination des oxydes de soufre s'accompagnant de l'émission de sulfure d'hydrogène.

Le dispositif selon l'invention comprend en outre un système de piégeage du sulfure d'hydrogène émis, des moyens d'oxydation du sulfure d'hydrogène piégé, et des moyens de mesure ou d'estimation de la température du système de piégeage du sulfure d'hydrogène. En outre, lesdits moyens de commande sont aptes à déclencher l'élimination des oxydes de soufre lorsque la température mesurée ou estimée du système de piégeage du sulfure d'hydrogène est supérieure ou égale à une valeur seuil.

Le dispositif permet ainsi de s'assurer que le système de piégeage et d'oxydation du sulfure d'hydrogène est à une température suffisamment élevée pour pouvoir traiter efficacement les premières émissions d'H ₂ S sortant du piège à NO _x , lorsqu'on déclenche l'élimination des oxydes de soufre du piège à NO _x . En effet, le taux de conversion du SO ₂ en H ₂ S augmente avec la température des gaz qui traversent le piège à H ₂ S.

Pour déclencher une élimination des oxydes de soufre du système de piégeage d'oxydes d'azote, la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant est supérieure à 1 , c'est-à-dire que le carburant est en excès stoechiométrique par rapport à l'oxygène de l'air.

Pour une conversion optimale du SO ₂ en H ₂ S, la valeur seuil de la température mesurée ou estimée du système de piégeage et d'oxydation du sulfure d'hydrogène est de préférence supérieure ou égale à 350 ⁰ C, et notamment supérieure ou égale à 400 ⁰ C. Elle est plus préférentiellement comprise entre 400° C et 600 ⁰ C.

Les moyens d'oxydation du sulfure d'hydrogène piégé comprennent de préférence des moyens de réglage de la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant à une valeur inférieure à 1.

La ligne d'échappement peut comprendre un filtre à particules.

L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un dispositif décrit ci -dessus.

L'invention a également pour objet un procédé pouvant mettre en oeuvre un dispositif décrit ci-dessus.

Elle a ainsi pour objet un procédé d'élimination d'oxydes de soufre d'un système de piégeage d'oxydes d'azote disposé dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, le moteur étant alimenté en air et en carburant, le système de piégeage d'oxydes d'azote étant susceptible de produire du sulfure d'hydrogène lors d'une élimination des oxydes de soufre du système de piégeage d'oxydes d'azote, le sulfure d'hydrogène produit étant apte à être piégé par un système de piégeage du sulfure d'hydrogène.

Le procédé selon l'invention comprend :

- la mesure ou l'estimation de la température du système de piégeage du sulfure d'hydrogène,

- le déclenchement, si la température mesurée ou estimée est supérieure ou égale à une valeur seuil, d'une élimination des oxydes de soufre du système de piégeage d'oxydes d'azote, par chauffage du système de piégeage d'oxydes d'azote au-delà d'une température prédéterminée et par un réglage de la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant à une valeur supérieure à 1 , du sulfure d'hydrogène étant produit lors de cette étape, et

- le piégeage et l'oxydation du sulfure d'hydrogène ainsi produit. L'oxydation du sulfure d'hydrogène est avantageusement réalisée en réglant la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant à une valeur inférieure à 1.

La valeur seuil de la température mesurée ou estimée du système de piégeage du sulfure d'hydrogène est de préférence supérieure ou égale à 350 ⁰ C. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre de manière schématique un dispositif selon l'invention, conformément à un premier mode de réalisation, et

- la figure 2 illustre de manière schématique un dispositif selon l'invention, conformément à un deuxième mode de réalisation. Le moteur thermique 1 , tel qu'illustré à la figure 1 , est un moteur à explosion de type Diesel. Il comprend classiquement une culasse 3 comprenant plusieurs chambres de combustion 4, par exemple au nombre de quatre. Un système 2 d'injection de carburant est relié à chacune des chambres de combustion 4. Le moteur 1 est alimenté en air via une zone d'admission A. Les gaz d'échappement produits par la combustion d'air et de carburant dans les chambres de combustion 4 sont acheminés vers une ligne d'échappement E. La circulation des gaz brûlés, symbolisée par des flèches, s'effectue de gauche à droite sur la figure.

La ligne d'échappement E des gaz brûlés est munie d'un piège à oxydes d'azote 5 et d'un ensemble de post-traitement des gaz brûlés comprenant un filtre à particules 6 et un piège à sulfure d'hydrogène 7 disposé en aval du filtre à particules 6. Le filtre à particules 6 est disposé en aval du piège à oxydes d'azote 5 et est par exemple logé dans la même enveloppe 11. Le filtre à particules 6 est avantageusement utilisé pour l'élimination des particules responsables des fumées noires issues d'un moteur Diesel. Le filtre à particules 6 pourrait également être disposé en amont du piège à oxydes d'azote 5, ou en aval du piège à sulfure d'hydrogène 7.

Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 , le piège à sulfure d'hydrogène 7 est un monolithe indépendant, distinct du filtre à particules 6. Le piège à sulfure d'hydrogène 7 est ainsi logé dans une enveloppe spécifique 12. Le piège à sulfure d'hydrogène 7 comprend une composition apte, d'une part, à piéger le sulfure d'hydrogène issu du piège à oxydes d'azote 5 en milieu de richesse supérieure à 1 (le carburant est en excès stoechiométrique par rapport à l'oxygène de l'air), et d'autre part, apte à le convertir en dioxyde de soufre, en milieu pauvre, de richesse inférieure à 1 (comprenant de l'oxygène en excès), puis de le libérer dans cet état. Le piège à sulfure d'hydrogène 7 peut par exemple comprendre un substrat en cordiérite ou en titanate d'aluminium.

Le piégeage peut avantageusement se faire par adsorption du sulfure d'hydrogène sur la composition.

Un dispositif de commande 8 est apte à déclencher une élimination des oxydes de soufre du système de piégeage d'oxydes d'azote 5, par chauffage du système de piégeage 5 d'oxydes d'azote au-delà d'une température prédéterminée et par un réglage de la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant à une valeur supérieure à 1.

Le chauffage du système de piégeage d'oxydes d'azote 5 peut avantageusement être effectué en contrôlant la richesse en carburant du mélange d'air et de carburant, par exemple en augmentant le débit de carburant. On peut ainsi contrôler la température du piège à oxydes d'azote 5 en alternant des richesses supérieures à 1 et des richesses inférieures à 1. La mise en température et/ou le contrôle de la température au moment de la désulfuration peuvent également être assurés ou complétés au moyen d'un système de chauffage annexe disposé en amont ou au niveau du piège à oxydes d'azote 5.

La température prédéterminée est de préférence supérieure ou égale à 650 ⁰ C, et encore de préférence supérieure ou égale à 700 ⁰ C.

Un capteur de température 9 est destiné à mesurer la température du piège à sulfure d'hydrogène 7. On peut également estimer cette température. Il est en effet possible d'estimer la température du piège à sulfure d'hydrogène 7 en fonction de l'architecture de la ligne d'échappement E, tel que décrit par exemple dans les documents FR 2 877 043 et FR 2 853 691.

Dans une variante, l'estimation de la température du piège à sulfure d'hydrogène 7 peut consister à attendre une durée calibrée après l'établissement de la température prédéterminée du piège à oxydes d'azote 5. Cette durée peut être établie en fonction de l'inertie thermique due à la distance et aux volumes de post-traitement entre le piège à oxydes d'azote 5 et le piège à sulfure d'hydrogène 7. Le capteur de température 9 est relié au dispositif de commande 8. Le dispositif de commande 8 est apte à déclencher l'élimination des oxydes de soufre lorsque la température mesurée ou estimée du piège à sulfure d'hydrogène 7 est supérieure ou égale à une valeur seuil. Ainsi, on peut s'assurer qu'au moment de lancer un milieu de richesse supérieure à 1 , le piège à sulfure d'hydrogène 7 est à une température suffisamment élevée pour pouvoir traiter efficacement les émissions de sulfure d'hydrogène sortant du piège à oxydes d'azote 5. Si la température seuil n'est pas atteinte, la désulfuration n'est pas lancée.

Lorsque la température seuil est atteinte, la désulfuration est lancée par le dispositif de commande 8. La richesse du mélange passant dans le circuit d'échappement (E) est alors supérieure à 1. Un dispositif additionnel 10 d'injecteur de carburant à l'échappement est avantageusement utilisé pour décontraindre le moteur 1 durant cette phase. Le dispositif additionnel 10 permet ainsi de brûler du carburant et d'augmenter la température à proximité du piège à oxydes d'azote 5. Dans ces conditions de richesse (richesse supérieure à 1 ), les espèces réductrices sont en excès et une partie d'entre elles va réagir avec les espèces soufrées, en particulier le SO ₂ , stockées dans le piège à oxydes d'azote 5, pour le convertir en partie en H ₂ S.

Le composé H ₂ S est alors libéré du piège à oxydes d'azote 5, et est transféré dans le piège à sulfure d'hydrogène 7. Lorsque le moteur 1 repasse en mélange pauvre, l'oxygène se retrouve en excès dans les gaz d'échappement qui parcourent la ligne d'échappement E. Cet oxygène réagit alors avec le H ₂ S stocké pour former du SO ₂ et d'autres espèces soufrées qui ne sont toxiques ni malodorantes. Ces espèces soufrées peuvent être évacuées hors de la ligne d'échappement E sans risque de pollution. Dès que la désulfuration est terminée, le dispositif de commande 8 procède à l'arrêt des stratégies d'injection spécifiques pour revenir à un fonctionnement normal. Le processus est réitéré périodiquement en fonction des besoins en désulfuration de la ligne d'échappement E.

Dans un deuxième mode de réalisation, tel qu'illustré à la figure 2, sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, c'est le filtre à particules 6 lui-même qui est imprégné de la composition du piège à sulfure d'hydrogène 7, de sorte qu'il constitue aussi le système catalytique. Le piège à oxyde d'azote 5 et l'ensemble filtre à particules 6 et piège à sulfure à hydrogène 7 sont logés dans une enveloppe commune 11.