FR2785555A1 - Procede de regeneration de sulfates d'un catalyseur a accumulation nox pour moteur a combustion interne a regime pauvre - Google Patents
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Abstract
Selon ce procédé, après qu'une phase de régénération de sulfates ait été requise, lorsqu'un niveau de température nécessaire pour la désulfatation est atteint, la quantité d'agent de réduction servant à la désulfatation fait l'objet d'une régulation en faisant varier des paramètres (UL-FM, UL-MF) d'un régulateur lambda à deux positions sur la base d'un signal binaire de concentration d'oxygène (UL) d'une sonde à oxygène binaire disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx.
Description
L'invention concerne un procédé pour la régénération de sulfates d'un
catalyseur à accumulation NOx pour
moteur à combustion interne à régime pauvre.
En vue de réduire encore plus la consommation de carburant des véhicules automobiles à moteur à allumage commandé, on utilise de plus en plus souvent des moteurs à combustion interne qu'on fait travailler avec un
mélange pauvre dans des domaines de régime sélectionnés.
Dans de tels moteurs à régime pauvre, un traitement postérieur spécial des gaz d'échappement est nécessaire pour pouvoir maintenir les valeurs limites de gaz d'échappement exigées. A cet effet, on utilise des catalyseurs à réduction à accumulation des NOx, appelés
ci-après simplement catalyseurs à accumulation NOx.
La technologie des catalyseurs à accumulation NOx utilise la capacité de divers oxydes basiques, tels que par exemple les oxydes des métaux alcalins, métaux alcalino-terreux ou métaux de terres rares, d'accumuler
le NOx présent dans les gaz d'échappement sur-
stoechiométriques, par formation de nitrates, et de le redélivrer dans des conditions de gaz d'échappement réductrices (= gaz d'échappement riches). Grâce à l'activité catalytique, le N02 libéré réagit avec l'agent de réduction constitué de CO et HC, contenus dans les gaz d'échappement riches, pour donner les constituants de gaz
d'échappement non nocifs que sont C02, N2 et H20.
Pendant le régime pauvre du moteur, outre l'accumulation de nitrate, il se produit également, en raison du soufre contenu dans le carburant, une accumulation de sulfate. Les oxydes basiques utilisés comme composants d'accumulation NOx ont une forte tendance à former des sulfates très stables sur le plan thermique. En fonction de la teneur en soufre du carburant, cela entraîne une réduction de la capacité d'accumulation NOx et du rendement de l'accumulateur, étant donné que les sulfates formés ne se décomposent pas sous l'effet de la phase de régénération prévue pour le nitrate. Pour maintenir suffisamment élevé le taux de conversion des NOx du catalyseur à accumulation NOx, il est nécessaire, lorsqu'une quantité de sulfate accumulée déterminée est dépassée, d'exécuter une régénération spéciale des sulfates. La régénération des sulfates se déroule d'une manière analogue à la régénération des nitrates, mais à un niveau de température beaucoup plus élevé. DE 197 05 335 Cl décrit un procédé, permettant de déclencher une phase de régénération de sulfates dans un catalyseur à accumulation, selon lequel une phase de régénération de sulfates est exécutée à des instants préfixés. Outre la quantité du sulfate accumulée, il est également tenu compte, lors du déclenchement de la régénération de sulfates, du vieillissement thermique du catalyseur à accumulation. Pour exécuter la régénération, le catalyseur à accumulation est chauffé à une température dépassant 600 C et on fait fonctionner le moteur à combustion interne avec un indice d'air x
légèrement inférieur à 1.
L'invention a pour but de fournir un procédé, permettant la régénération de sulfates d'un catalyseur à accumulation NOx pour moteur à combustion interne, au moyen duquel il soit possible de réduire la formation d'hydrogène sulfuré dans une large mesure pendant la phase de régénération et de maintenir à une faible valeur
la consommation d'agent de régénération.
Le problème de la formation d'hydrogène sulfuré résulte essentiellement d'un excès d'agent de régénération qui, outre HC et CO, contient également de l'hydrogène. Une stratégie optimale de régénération de sulfates doit donc apporter d'une manière convenablement
dosée la quantité d'agent de régénération disponible.
L'utilisation d'une stratégie analogue au régulateur lambda à deux positions, basée sur le signal d'une sonde à saut disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx,
résout ce problème.
L'invention a pour objet un procédé de régénération de sulfates d'un catalyseur à accumulation NOx pour moteur à combustion interne à régime pauvre, selon lequel, après qu'une phase de régénération de sulfates ait été requise, lorsqu'un niveau de température nécessaire pour la désulfatation est atteint, la quantité d'agent de réduction servant à la désulfatation fait l'objet d'une régulation en faisant varier des paramètres d'un régulateur lambda à deux positions sur la base d'un signal binaire de concentration d'oxygène d'une sonde à oxygène binaire disposée en aval du catalyseur à
accumulation NOx.
L'invention réside donc dans la combinaison d'une stratégie de régénération de sulfates, au moyen de mesures permettant d'obtenir une température du catalyseur à accumulation NOx qui est nécessaire pour la désulfatation, avec la stratégie d'une régulation lambda à deux positions, sur la base d'un signal binaire de concentration d'oxygène. Les paramètres (partie proportionnelle et partie d'intégration) du régulateur lambda à deux positions et les valeurs de seuil de commutation du régime pauvre au régime riche et vice versa sont choisis de façon que la quantité d'agent de régénération soit rendue disponible avec la valeur
d'apport dosé voulue.
Le résultat d'une telle régulation est qu'on obtient une modulation de la valeur d'indice d'air en amont du catalyseur à accumulation NOx et que la fréquence et l'amplitude de cette oscillation de l'indice d'air sont dans une relation fixe avec les paramètres indiqués. Les paramètres permettent donc de réaliser la modulation d'indice d'air d'une manière appropriée, c'est-à-dire avec la fréquence, l'amplitude et la position moyenne de régulateur lambda convenables, avec l'effet que la formation d'hydrogène sulfuré est évitée dans une large mesure. Ce procédé assure ainsi une régénération de sulfates du catalyseur à accumulation NOx qui est optimale en ce
qui concerne la consommation et les émissions.
Le procédé conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes: - pour la régulation de la quantité d'agent de réduction, au moins l'un des paramètres que sont la partie proportionnelle, la partie d'intégration et les valeurs de seuil de commutation du régime riche au régime pauvre et vice versa est modifié, au moyen des paramètres, la valeur moyenne de l'indice d'air est réglée, valeur moyenne au moyen de laquelle on fait fonctionner le moteur à combustion interne pendant le la phase de régénération de sulfates, - la valeur moyenne de l'indice d'air est réglée d'autant plus dans le domaine sous-stoechiométrique que la température du catalyseur à accumulation NOx est plus élevée, - la valeur moyenne de l'indice d'air est réglée d'autant plus dans le domaine sous- stoechiométrique que la capacité d'accumulation d'oxygène du catalyseur à accumulation NOx est plus élevée, - les paramètres sont déposés, en fonction de la charge et de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne, dans différentes tables caractéristiques d'un dispositif de mémoire d'un dispositif de commande commandant le moteur à combustion interne, - pour le maintien de la valeur de consigne prévue pour la valeur moyenne d'indice d'air, il est fait appel au signal d'une sonde à oxygène disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx, - la partie d'intégration est limitée à une valeur préfixée, - la partie d'intégration est fixée à zéro et le signal d'une sonde à oxygène disposée en amont du catalyseur à accumulation NOx, servant de sonde de guidage, est utilisé et détermine la valeur moyenne d'indice d'air et le signal de la sonde binaire à oxygène disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx fournit
l'oscillation superposée.
L'invention est exposée en détail en regard des figures. On voit: à la figure 1, une représentation schématique d'un moteur à combustion interne à régime pauvre comportant un catalyseur à accumulation NOx, à la figure 2, la variation dans le temps du signal de sortie de la sonde lambda binaire disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx et, à la figure 3, la grandeur de sortie du régulateur
lambda à deux positions.
La figure 1 représente, sous forme d'un schéma-bloc, un moteur à combustion interne pauvre qui comprend un système de traitement postérieur des gaz d'échappement en ce qui concerne les NOx et dans lequel le procédé conforme à l'invention est utilisé. Seules sont représentées les parties qui sont nécessaires à la
compréhension de l'invention.
Un mélange air/carburant est envoyé au moteur à combustion interne 10 par un conduit d'admission 11. Il est prévu, disposés l'un après l'autre dans le conduit d'admission 11 dans le sens d'écoulement de l'air admis, un dispositif de mesure de débit d'air 12, un bloc de papillon des gaz 13, comprenant un papillon des gaz 14 et un capteur de papillon des gaz non représenté et servant à détecter l'angle d'ouverture du papillon des gaz 14, et, en fonction du nombre des cylindres, un groupe d'injecteurs 15 dont un seul est représenté. Toutefois, le procédé conforme à l'invention est également utilisable dans le cas d'un moteur à combustion interne dans lequel le carburant est injecté directement d'une manière respective dans chaque cylindre (injection directe). Du côté sortie, le moteur 10 est raccordé à un conduit d'échappement 16. Dans ce conduit d'échappement 16, il est prévu un système de traitement postérieur des gaz d'échappement correspondant à des gaz d'échappement pauvres. Il est constitué d'un catalyseur 17 à trois voies disposé près du moteur 10, également appelé catalyseur amont, et d'un catalyseur à accumulation NOx 18 disposé en aval du catalyseur amont 17 dans le sens
d'écoulement des gaz d'échappement.
Le dispositif capteur prévu pour le système de traitement postérieur des gaz d'échappement comprend une sonde à oxygène 19, située en amont du catalyseur amont 17, un capteur de température 20, situé dans le tuyau de raccordement disposé entre le catalyseur amont 17 et le catalyseur à accumulation NOx 18 près de la zone d'entrée de celui-ci, et une autre sonde à oxygène 21 située en aval du catalyseur à accumulation NOx 18. A la place du capteur de température 20, qui détecte la température des gaz d'échappement et à partir du signal duquel la température du catalyseur à accumulation NOx peut être calculée au moyen d'un modèle de température, il est également possible de mesurer directement la température du catalyseur à accumulation NOx. A la figure 1, un tel capteur de température 201 est représenté par une ligne en trait interrompu, ce capteur de température mesurant directement la température du corps cellulaire du
catalyseur à accumulation NOx 18.
Par ailleurs, la température du catalyseur à accumulation NOx 18 peut être déterminée au moyen d'un modèle de température de gaz d'échappement à l'aide duquel cette température du catalyseur 18 est modélisée à partir de grandeurs d'entrée qui influent directement ou indirectement sur la température des gaz d'échappement, telles que vitesse de rotation, charge, angle d'allumage, indice d'air, débit de recyclage des gaz d'échappement, température d'air d'admission, température d'agent de -7 refroidissement du moteur. Il est de ce fait possible de
renoncer à l'utilisation du capteur de temperature 20.
Comme sonde à oxygène 19, on utilise de préférence une sonde lambda à large bande qui, en fonction de la teneur des gaz d'échappement en oxygène, délivre un signal de sortie progressif, par exemple linéaire. Au moyen du signal de cette sonde lambda à large bande, l'indice d'air fait l'objet d'une régulation pendant le régime pauvre et pendant la phase de régénération à mélange riche, conformément à des valeurs de consigne prescrites. Un dispositif de régulation lambda 22, en lui-même connu, qui comporte un régulateur lambda 221 présentant un comportement PI (proportionnel et par intégration), prend en charge cette fonction. De préférence, le dispositif de régulation lambda 22 est intégré dans un dispositif de commande 23 commandant le fonctionnement du moteur 10 De tels dispositifs de commande électroniques, qui contiennent en général un microprocesseur et qui, outre l'injection de carburant et l'allumage, prennent encore en charge de multiples autres tâches de commande et de régulation, entre autres également la commande du système de traitement postérieur des gaz d'échappement, sont en eux- mêmes connus, de sorte qu'on n'entre ci-après dans le détail qu'en ce qui concerne la structure pertinente à l'égard de l'invention et le fonctionnement de cette structure. Le dispositif de commande 23 est notamment relié à un dispositif de mémoire 24 dans lequel sont rangées en mémoire, entre autres, différentes lignes caractéristiques ou tables caractéristiques et différentes valeurs de seuil Le signal de sortie du dispositif de mesure de débit d'air 12 et les signaux du capteur de papillon des gaz, des sondes à oxygène 19, 21 et du capteur de température 20 sont envoyés au dispositif de commande 23 au moyen de
lignes de jonction appropriées.
Pour la commande et la régulation du moteur 10, le dispositif de commande 23 est relié, outre à un
dispositif d'allumage 25 prévu pour le mélange air-
carburant, encore à d'autres capteurs non représentés d'une manière explicite, par exemple pour la vitesse de rotation et la température d'agent de refroidissement du moteur, ainsi qu'à d'autres actionneurs, au moyen d'une ligne de données et de commande 26 qui n'est représentée
que schématiquement.
Pour la régulation du mélange carburant/air du moteur à combustion interne dans la fenêtre lambda optimale pendant le régime stoechiométrique, le signal de la sonde à oxygène 21 disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx 18, servant de sonde de guidage, est nécessaire. C'est par exemple une sonde lambda binaire (sonde lambda à deux points) à base d'oxyde de zirconium ZrO2 qui sert de sonde à oxygène 21, cette sonde lambda binaire présentant, pour une valeur lambda X = 1, une caractéristique à saut en ce qui concerne son signal de sortie. Ce signal de la sonde lambda, qui est disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx 18, est également utilisé pour commander la régénération de l'accumulateur de NOx, pour la régénération des sulfates et pour adapter des grandeurs de modèle, telles que par exemple la capacité d'accumulation d'oxygène ou la capacité d'accumulation des NOx du catalyseur à accumulation NOx 18. Toutefois, d'autres capteurs, par exemple un capteur NOx qui délivre un signal binaire à partir duquel une conclusion peut être tirée concernant une composition riche ou pauvre des gaz d'échappement, conviennent également en tant que sonde à oxygène 21 située en aval
du catalyseur à accumulation NOx 18.
L'instant de déclenchement prévu pour une régénération de sulfates est par exemple déterminé au moyen d'un calcul de modèle de type connu. S'il est établi qu'après une régénération NOx effectuée avec succès, le catalyseur à accumulation NOx peut accumuler moins de NOx que ne l'indique le calcul de modèle, la raison doit en premier lieu en être vue dans le dépôt de sulfates. Les sulfates thermiquement très stables se décomposent à des températures plus élevées que celles se présentant lors de la régénération de nitrates, avec un apport du même agent de régénération que dans le cas de cette régénération de nitrates. La désulfatation permet d'obtenir de nouveau approximativement la capacité
initiale d'accumulation des NOx.
Si une désulfatation est requise et si le niveau de température nécessaire à cet effet n'est pas encore atteint, le catalyseur à accumulation NOx 18 est chauffé, en prenant des mesures de chauffage actives, à une valeur de température typiquement supérieure à 600 C. Cette valeur dépend en premier lieu du revêtement du corps
cellulaire du catalyseur à accumulation NOx 18.
Une telle augmentation supplémentaire de température peut être obtenue au moyen de mesures connues, telles qu'un réglage de l'angle d'allumage vers le retard, un mélange riche en combinaison avec une insufflation d'air secondaire dans le trajet d'échappement ou un mélange pauvre associé à un angle de début d'injection décalé vers le retard dans le cas d'un système d'injection directe. Si le niveau de température nécessaire pour la désulfatation est atteint, ce qui peut par exemple être détecté par analyse du signal du capteur de température et comparaison de cette valeur avec une valeur de seuil TS préfixée déposée dans la mémoire 24, on fait fonctionner le moteur avec un mélange air-carburant riche. C'est de préférence un indice d'air qui est compris dans le domaine entre X = 0,96 et 0,99 qui est réglé. On a besoin d'un mélange riche pour rendre
disponible l'agent de régénération.
La manière dont l'indice d'air prévu pour la régénération de sulfates du catalyseur à accumulation NOx et donc la quantité d'agent de réduction peuvent être réglés, de façon que la formation d'hydrogène sulfuré soit évitée dans une large mesure pendant la régénération
de sulfates, est exposée à l'aide des figures 2 et 3.
La figure 2 représente la variation dans le temps du signal de sortie, dans le cas présent de la tension de sortie UL de la sonde lambda binaire 21 (sonde à saut à base de ZrO2) disposée en aval du catalyseur à accumulation NOx 18. Le montage de circuit électrique de cette sonde lambda binaire est tel que, lors d'un excès d'oxygène dans les gaz d'échappement (régime pauvre), la valeur de la tension de sortie est plus faible que la valeur se présentant dans le cas d'un défaut d'oxygène (régime riche). Toutefois, une association inverse entre la concentration d'oxygène et la tension de sortie est également possible. UL_FM désigne la valeur de seuil pour la commutation régime riche à régime pauvre et UL MF la valeur de seuil pour la commutation régime pauvre à régime riche. La tension de sortie maximale, également appelée tension riche UL_ F, et la tension de sortie minimale, également appelée tension pauvre UL_M, sont
aussi représentées.
La figure 3 représente la grandeur de sortie du régulateur X à deux positions 221. PPOS désigne la partie proportionnelle positive, P NEG la partie proportionnelle négative, I_POS la partie d'intégration
positive et I_NEG la partie d'intégration négative.
Les paramètres sur lesquels il est possible d'influer pour le réglage de la quantité d'agent de régénération pendant la phase de désulfatation sont: - les valeurs de commutation UL_ MF et UL_ FM respectivement du régime pauvre au régime riche et du régime riche au régime pauvre, - les parties proportionnelles respectivement PPOS et P NEG servant à prescrire une valeur de consigne lambda dans la chambre de combustion et - les parties d'intégration respectivement I POS et INEG servant à prescrire une valeur de consigne lambda
dans la chambre de combustion.
La valeur de consigne lambda peut en outre être maintenue au moyen du signal de sortie de la sonde lambda 19 à large bande située en amont du catalyseur amont 17, s'il se présente une différence entre la valeur de
consigne et la valeur réelle de l'indice d'air.
Le réglage de la position moyenne du régulateur lambda au moyen de ces paramètres a essentiellement une influence sur l'apport dosé d'agent de régénération. Un paramètre d'influence important pour le réglage de cette position moyenne est la température du catalyseur à accumulation NOx. Plus la température du catalyseur à accumulation est élevée, plus la valeur moyenne d'indice d'air doit être choisie dans le domaine de régime riche, afin qu'un endommagement du catalyseur à accumulation NOx par un excès d'oxygène soit évité. Un autre paramètre d'influence pour les paramètres de régulateur est la capacité d'accumulation d'oxygène à haute température du système de catalyseur à accumulation NOx. La capacité d'accumulation d'oxygène peut par exemple être déterminée en mettant en relation les signaux de capteur des deux sondes à oxygène 19, 21 et en procédant à une recherche de kilométrage. A partir de ce comportement en fonction du kilométrage, il est possible de tirer des conclusions sur la capacité d'accumulation d'oxygène du catalyseur à accumulation NOx. Plus cette capacité d'accumulation d'oxygène est élevée, plus la valeur moyenne d'indice d'air doit par exemple être réglée dans le domaine de régime riche. Il est également possible de faire varier ces paramètres en fonction de la charge et de la vitesse de rotation. A cet effet, les paramètres sont déposés dans des tables caractéristiques KF1 - KF6 du dispositif de mémoire 24. La fixation variable des valeurs de seuil UL_MF, UL_FM correspondant aux commutations pauvre-riche et riche-pauvre fournit la possibilité d'avoir une influence supplémentaire sur la fréquence de
l'oscillation d'indice d'air.
Il existe par ailleurs la possibilité de limiter la partie d'intégration du régulateur PI (une telle limitation de la valeur d'intégration négative I NEG est indiquée à la figure 3 par une ligne en trait interrompu) ou de fixer la partie d'intégration à zéro. On obtient alors un régulateur qui ne comporte qu'une partie proportionnelle et ne peut donc plus assurer la régulation d'une valeur fixe. Dans ce cas, le signal de la sonde lambda 19 à large bande disposée en amont du catalyseur amont 17 est utilisé en tant que sonde de guidage, ce qui signifie que cette sonde fournit la position moyenne du régulateur lambda et que le signal ULde la sonde binaire disposée en aval du catalyseur à
accumulation NOx 18 fournit l'oscillation superposée.
Claims (9)
1. Procédé de régénération de sulfates d'un catalyseur à accumulation NOx pour moteur à combustion interne à régime pauvre, caractérisé en ce qu'après qu'une phase de régénération de sulfates ait été requise, lorsqu'un niveau de température nécessaire pour la désulfatation est atteint, la quantité d'agent de réduction servant à la désulfatation fait l'objet d'une régulation en faisant varier des paramètres (I_NEG, I_POS, P_NEG, P_POS, UL_FM, UL_MF) d'un régulateur lambda à deux positions (221) sur la base d'un signal binaire de concentration d'oxygène (UL) d'une sonde à oxygène binaire (21) disposée en aval du catalyseur à
accumulation NOx (18).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la régulation de la quantité d'agent de réduction, au moins l'un des paramètres que sont la partie proportionnelle (P_POS, P_NEG), la partie d'intégration (I_POS, I_NEG) et les valeurs de seuil de commutation (UL_FM, UL_MF) du régime riche au régime
pauvre et vice versa est modifié.
3. Procédé suivant l'une quelconque des
revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moyen des
paramètres (I_NEG, I_POS, P_NEG, P_POS, UL_FM, UL_MF), la valeur moyenne de l'indice d'air est réglée, valeur moyenne au moyen de laquelle on fait fonctionner le moteur à combustion interne (10) pendant le la phase de
régénération de sulfates.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur moyenne de l'indice d'air est réglée d'autant plus dans le domaine sousstoechiométrique que la température du catalyseur à accumulation NOx (18) est
plus élevée.
5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur moyenne de l'indice d'air est réglée d'autant plus dans le domaine sousstoechiométrique que la capacité d'accumulation d'oxygène du catalyseur à
accumulation NOx (18) est plus élevée.
6. Procédé suivant l'une quelconque des
revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les
paramètres (I_NEG, I_POS, P_NEG, P_POS, UL_FM, UL_MF) sont déposés, en fonction de la charge et de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne, dans différentes tables caractéristiques (KF1-KF6) d'un dispositif de mémoire (24) d'un dispositif de commande
(23) commandant le moteur à combustion interne (10).
7. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, pour le maintien de la valeur de consigne prévue pour la valeur moyenne d'indice d'air, il est fait appel au signal d'une sonde à oxygène (19) disposée en
aval du catalyseur à accumulation NOx (18).
8. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie d'intégration (I_POS, INEG) est
limitée à une valeur préfixée.
9. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie d'intégration I_POS, I_NEG) est fixée à zéro et le signal d'une sonde à oxygène (19) disposée en amont du catalyseur à accumulation NOx (18), servant de sonde de guidage, est utilisé et détermine la valeur moyenne d'indice d'air et le signal (UL) de la sonde binaire à oxygène (21) disposée en aval du catalyseur à
accumulation NOx (18) fournit l'oscillation superposée.
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