FR2820460A1 - Procede de retraitement des gaz d'echappement issus d'un moteur a combustion interne apte a l'exploitation avec melange pauvre - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de retraitement des gaz d'échappement issus d'un moteur à combustion interne (10).Le procédé selon l'invention prévoit d'utiliser un catalyseur de stockage de NOx (18) qui présente une limite supérieure de température d'une plage des températures de service au moins égale à 520 degreC, où, au sein de la plage des températures de service, un taux de conversion minimum des NOx d'au moins 80 % existe dans l'intervalle temporaire de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne (10) existant.
Description
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DESCRIPTION
La présente invention concerne un procédé de retraitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne apte à l'exploitation avec mélange pauvre en utilisant des catalyseurs de stockage de NOx dans lequel est disposé au moins un catalyseur de stockage de NOx dans un canal d'échappement du moteur à combustion interne et dans lequel le moteur à combustion interne, pendant une exploitation avec mélange pauvre et à des fins d'une régénération des NOx du catalyseur de stockage de NOx, est exploité de façon discontinue selon des intervalles lambda avec mélange pauvre-enrichi.
La présente invention concerne un procédé de retraitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne apte à l'exploitation avec mélange pauvre en utilisant des catalyseurs de stockage de NOx dans lequel est disposé au moins un catalyseur de stockage de NOx dans un canal d'échappement du moteur à combustion interne et dans lequel le moteur à combustion interne, pendant une exploitation avec mélange pauvre et à des fins d'une régénération des NOx du catalyseur de stockage de NOx, est exploité de façon discontinue selon des intervalles lambda avec mélange pauvre-enrichi.
Les moteurs modernes à combustion interne sont, pour des raisons d'optimisation de la consommation, exploités sur des plages d'exploitation les plus larges possibles selon un mode d'exploitation avec mélange pauvre, c'est à dire avec des gaz d'échappement riches en oxygène avec > 1. On peut réaliser des rapports de mélange air/carburant particulièrement pauvres dans des moteurs à combustion interne qui peuvent être exploités dans un régime dit stratifié ou en mode à charge stratifiée. Il s'agit à cet égard de moteurs d'automobiles à injection directe équipés d'un papillon de changement de charge disposé dans le canal d'admission d'air. Le papillon de changement de charge, réglable en fonction du point de fonctionnement dynamique entraîne dans une de ses positions des rapports d'écoulement dans la chambre de combustion d'un cylindre tels que le carburant injecté dans une chambre de combustion du moteur à combustion interne se concentre sous la forme d'un nuage de carburant dans la zone d'une bougie. En cas de demandes de charges ou sollicitations plus importantes, par exemple à des vitesses du véhicule supérieures à 70 km/h, le moteur à combustion interne est commuté d'un mode de charge pauvre stratifié à un mode d'exploitation dit homogène par le biais d'un réglage correspondant du papillon de changement de charge, mode dans lequel un mélange air-
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carburant régulier ou homogène, avec À 1, est généré dans toute la chambre de combustion.
Un problème des moteurs à combustion interne aptes à une exploitation avec un mélange pauvre est représenté par les oxydes d'azote qui ne peuvent être entièrement convertis en azote N2 neutre pour l'environnement suite à une conversion catalytique des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO au niveau de catalyseurs à trois voies usuels. On sait pour y remédier disposer des catalyseurs de stockage de NOx dans le canal d'échappement des moteurs à combustion interne et, selon une exploitation discontinue, introduire par intervalles des atmosphères de gaz d'échappement pauvres et enrichies. Il se produit à cet égard pendant les intervalles d'exploitation avec mélange pauvre un stockage des NOx sous la forme de nitrate et, dans les courts intervalles d'exploitation avec enrichissement, une régénération du catalyseur de stockage avec dégagement et réduction du NOx en N2. Les catalyseurs de stockage de NOx actuels présentent une plage des températures de service dans laquelle ils stockent et convertissent le NOx selon un rendement suffisant, d'environ 200 à 450 oC. Si la température du catalyseur dépasse la limite supérieure de la fenêtre de températures, le mode d'exploitation avec le mélange pauvre doit être interrompu ou réduit et le moteur à combustion interne être commuté dans un mode d'exploitation stoechiométrique ou avec un mélange enrichi pour éviter une émission d'oxydes d'azote non convertis.
Un problème connu des catalyseurs de stockage de NOx est constitué par le soufre contenu dans les carburants actuels. Celui-ci est brûlé lors du processus de combustion en dioxyde de soufre S02 et emmagasiné de façon non souhaitée sous la forme de sulfate dans le réservoir de NOx. Du fait de sa grande stabilité, la formation de sulfate, à la différence de la formation souhaitée de nitrate, n'est pas réversible dans les conditions de régénération du NOx. Pour contrer une lente pollution au soufre, il est par conséquent nécessaire de procéder, à intervalles
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réguliers, à une désulfuration, le catalyseur étant chargé d'une atmosphère de gaz d'échappement enrichie à des températures de catalyseur élevées. Une température minimum de désulfuration nécessaire pour ce faire des catalyseurs de stockage de NOx est par exemple d'environ 630 oC. Si un véhicule est utilisé essentiellement dans une gamme de faibles charges, par exemple lors d'une circulation en ville, la température minimum de désulfuration du catalyseur n'est que rarement atteinte spontanément, voire jamais. Dans ce cas, on doit recourir à des mesures de chauffage actives pour augmenter la température du catalyseur. On envisage alors par exemple des mesures motorisées grâce auxquelles on augmente la température de combustion et par conséquent la température des gaz d'échappement. Ces mesures entraînent une consommation de carburant supplémentaire, au détriment de l'avantage obtenu, en terme de consommation, par l'aptitude à l'exploitation pauvre du moteur à combustion interne, qui dépend entre autres de la teneur en soufre du carburant, de la température de désulfuration et de la plage des températures de service du NOx.
La présente invention a pour objet de mettre à disposition un procédé de retraitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne aptes à une exploitation avec mélange pauvre au moyen de catalyseurs de stockage de NOx, qui, par rapport à l'état actuel de la technique, garantit un plus grand avantage en terme de consommation sur la durée de vie du véhicule.
Le procédé en accord avec la présente invention est caractérisé en ce que : (a) on utilise un catalyseur de stockage de NOx qui présente une limite de température supérieure d'une plage des températures de service au moins égale à 520 oC, un taux de conversion minimum du NOx au moins égal à 80 %, au sein de la plage des températures de service, étant présent en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à
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combustion interne, et le moteur à combustion interne étant exploité en exploitation discontinue avec mélange pauvre jusqu'à la limite supérieure de température du catalyseur de stockage de
NOx tant qu'aucun dépassement des seuils de charge et/ou de régime ou qu'une nécessité de désulfuration n'exigent un mode avec mélange stoechiométrique ou enrichi, (b) on identifie une nécessité de désulfuration lorsque l'on passe sous le taux moyen de conversion minimum des NOx d'au moins
80 % du catalyseur de stockage de NOx en exploitation discontinue avec mélange pauvre, et (c) une désulfuration du catalyseur de stockage de NOx est réalisée à une température de catalyseur au moins égale à 680 oc, correspondant au moins à une température minimum de désulfuration et avec une atmosphère de gaz d'échappement enrichie, et le catalyseur de stockage de NOx présente, à la température minimum de désulfuration et à une charge de gaz d'échappement avec lambda < 0,99, un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 g/s.
NOx tant qu'aucun dépassement des seuils de charge et/ou de régime ou qu'une nécessité de désulfuration n'exigent un mode avec mélange stoechiométrique ou enrichi, (b) on identifie une nécessité de désulfuration lorsque l'on passe sous le taux moyen de conversion minimum des NOx d'au moins
80 % du catalyseur de stockage de NOx en exploitation discontinue avec mélange pauvre, et (c) une désulfuration du catalyseur de stockage de NOx est réalisée à une température de catalyseur au moins égale à 680 oc, correspondant au moins à une température minimum de désulfuration et avec une atmosphère de gaz d'échappement enrichie, et le catalyseur de stockage de NOx présente, à la température minimum de désulfuration et à une charge de gaz d'échappement avec lambda < 0,99, un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 g/s.
Une caractéristique essentielle de l'invention est la plage des températures de services du catalyseur de stockage de NOx utilisé, élargie par rapport à l'état de la technique, vers des températures plus élevées. A cet égard, dans le cadre de l'invention, la plage des températures de service est définie par un taux de conversion du NOx au moins égal à 80 %, le taux de conversion du NOx indiquant une fraction de NOx converti sur une quantité totale de NOx s'écoulant dans le catalyseur de stockage en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre-enrichi en utilisant les paramètres d'essai décrits par la suite. Les catalyseurs de stockage de NOx habituellement utilisés pour le retraitement des gaz d'échappement stockent les oxydes d'azote avec un rendement élevé jusqu'à des températures de catalyseur d'environ 450 OC. Comparativement, la limite supérieure de température augmentée
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d'au moins 70 oC permet de maintenir l'exploitation avec mélange pauvre, favorable du point de vue de la consommation, du moteur à combustion interne jusqu'à des gammes de charge (plages de sollicitations) élevées, dans lesquelles on doit habituellement déjà avoir commuté vers un mode d'exploitation avec mélange stoechiométrique ou enrichi afin d'éviter une émission d'oxydes d'azote non convertis. On peut de cette façon réduire de façon significative non seulement la consommation de carburant, mais aussi une émission de substances polluantes.
Selon un mode de réalisation avantageux, la limite supérieure de température de la plage des températures de service est au moins égale à 560 oC, si bien que l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne, en particulier avec un mode à charge stratifiée pauvre, peut être maintenue jusqu'à cette limite supérieure de température. En fonction du niveau effectif de la limite supérieure de la plage des températures de service d'un catalyseur de stockage de NOx concret, une exploitation du moteur à combustion interne peut même se produire en exploitation avec mélange pauvre jusqu'à une température de catalyseur au moins égale à 600 OC. La température du catalyseur est entre autres déterminée par une température de combustion, qui dépend à son tour de la charge moteur. En fonction de la plage des températures de service, l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention peut se produire jusqu'à des vitesses du véhicule au moins égales à 80 km/h, en particulier au moins égales à 100 km/h, de préférence au moins égales à 120 km/h. Etant donné que l'exploitation avec mélange pauvre, en en particulier l'exploitation pauvre stratifiée entraîne une réduction élevée de la consommation, l'élargissement en accord avec la présente invention de la gamme d'exploitation avec mélange pauvre autorisée représente un avantage significatif en terme de consommation par rapport aux procédés de retraitement ou de traitement postérieur des gaz d'échappement actuellement habituels.
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L'élargissement en accord avec la présente invention de la plage des températures de service peut être réalisée par des matériaux de stockage qui forment des nitrates plus stables par rapport aux matériaux de stockage actuellement usuels. On envisage ici par exemple des oxydes et/ou des carbonates des éléments potassium, rubidium, strontium et/ou césium. L'utilisation d'autres composés est cependant également envisageable, dans la mesure où ceux-ci sont en mesure de stocker des oxydes d'azote avec une stabilité suffisante. Les réservoirs de NOx actuels comportent habituellement de l'oxyde de baryum BaO et du carbonate de baryum BaCO3 en tant que matériau de stockage et stockent les oxydes d'azote sous la forme de nitrate de baryum Ba (NO3) 2.
Etant donné que la propriété du catalyseur de stockage de NOx de former des nitrates thermodynamiquement plus stables entraîne en règle générale également la formation de sulfates plus stables, le catalyseur de stockage de NOx utilisé en accord avec la présente invention est en outre caractérisé par une température minimum de désulfuration au moins égale à 680 oC, à savoir largement augmentée par rapport aux catalyseurs actuels. Selon des formes de réalisation spéciales, la température minimum de désulfuration est au moins égale à 700 OC, de préférence au moins égale à 720 OC, en particulier au moins égale à 750 oC. La température minimum de désulfuration est ici définie par un taux de rejet du soufre au moins égal à 0, 005 glus, sur la base du soufre élémentaire, avec une atmosphère de gaz d'échappement enrichie avec ^ 0,99. La désulfuration du catalyseur de stockage de NOx est réalisée à des températures du catalyseur qui correspondent aux ou dépassent les températures minimum de désulfuration concrètes du catalyseur et avec une atmosphère de gaz d'échappement enrichie, c'est à dire à au moins 680 OC, en particulier à au moins 720 oC Dans le cas de sulfates particulièrement stables, la désulfuration se produit à au moins 750 OC. A des températures plus élevées et avec une charge de gaz d'échappement avec ^ 0, 99, la vitesse de rejet du soufre augmente
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considérablement et atteint un maximum à environ 50 à 70 K au-dessus de la température minimum de désulfuration. De nouvelles hausses de température entraînent tout au plus une faible augmentation. On prévoit de préférence de réaliser la désulfuration à des températures de catalyseur supérieures d'au moins 20 K à la température minimum de désulfuration concrète, avec une charge de gaz d'échappement avec À < 0,99 sur une durée au moins égale à 200 s par litre de volume du catalyseur. Habituellement, des vitesses 2 0,01 g/s de rejet de soufre sont les vitesses maximales de rejet du soufre.
Etant donné que les températures de désulfuration élevées nécessaires signifient une charge thermique élevée pour le système de catalyseur, en particulier aussi pour un pré-catalyseur intercalé en amont, et que des mesures actives d'augmentation de la température du catalyseur sont de plus liées à une consommation élevée de carburant, le catalyseur de stockage de NOx doit être conçu de façon telle qu'une désulfuration active soit uniquement nécessaire selon des intervalles de temps importants. On doit en particulier réaliser pendant une durée de vie du catalyseur de stockage de NOx au plus 100 désulfurations, de préférence au plus 30 désulfurations sans passer ensuite sous le taux minimum de conversion du NOx du catalyseur de stockage de NOx d'au moins 80 % en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre De façon particulièrement avantageuse, la conception du catalyseur devrait se faire de façon telle qu'au plus 20 désulfurations actives soient nécessaires pendant sa durée de vie A cet égard, le catalyseur de stockage de NOx doit pouvoir stocker au moins 0,5 g de soufre par litre de volume de catalyseur avant que l'effondrement du taux de conversion des NOx ne rende nécessaire une désulfuration. De par les températures de désulfuration élevées et la tendance déjà mentionnée des matériaux de stockage nommés à former des sulfates plus stables, qui rendent plus difficile une désulfuration importante ou totale, la désulfuration doit être réalisée aussi rarement que possible sur
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une durée de vie supposée 100 000 km. Il est particulièrement favorable que le dimensionnement du catalyseur de stockage de NOx soit conçu de façon telle que se présente la nécessité d'une désulfuration au plus tôt après 100 l, en particulier au plus tôt après 150 1 de carburant consommé en exploitation avec mélange pauvre.
Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse du procédé en accord avec la présente invention, le moteur à combustion interne intercalé avant le catalyseur de stockage de NOx est exploité avec un carburant pauvre en soufre, c'est à dire avec un carburant qui présente une teneur en soufre au plus égale à 30 ppm, en particulier au
plus égale à 20 ppm.
plus égale à 20 ppm.
On préfère une teneur en soufre maximum de 10 ppm, laquelle pourra être exigée dans un proche avenir en raison de dispositions légales. Cette teneur en soufre proportionnellement faible-selon les dispositions légales actuellement en vigueur, la teneur en soufre maximum autorisée est de 150 ppm-entraîne une sulfuration très lente du catalyseur de stockage de NOx. Consécutivement, et du fait de la conception préférée du catalyseur décrite, des mesures de désulfuration ne sont nécessaires qu'après de longues phases d'exploitation.
Du fait de la faible teneur en soufre du carburant et de la lente désulfuration qui y est liée du catalyseur de stockage de NOx, une nécessité de désulfuration apparaît uniquement après de longues durées d'exploitation. Pour une teneur en soufre au maximum égale à 10 ppm, c'est par exemple le cas après 3 000 à 15000 kilomètres, cette distance dépendant d'une utilisation du véhicule spécifique au conducteur et d'une consommation moyenne de carburant. Par contre, les teneurs en soufre actuelles nécessitent des désulfurations après 200 à 1 000 km de distance. Les longues phases d'exploitation entre deux désulfurations d'un catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention entraînent une très forte augmentation de la probabilité selon laquelle, pendant cette phase d'exploitation, au moins une désulfuration passive
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dans laquelle existent, en raison du point de fonctionnement dynamique, des températures suffisantes du catalyseur, se produit spontanément. Une désulfuration active, dans laquelle la température du catalyseur est augmentée vers la température minimum de désulfuration par des mesures ciblées, est de préférence par conséquent réalisée uniquement dans le cas invraisemblable selon lequel aucune fréquence suffisante de désulfuration passive n'existe. La désulfuration active représentera par conséquent l'exception, ce qui donne de nouveaux avantages en termes de consommation.
Une mesure actuellement habituelle pour augmenter la température du catalyseur à des fins de désulfuration active est l'allumage retardé, qui entraîne une augmentation de la température de combustion et des gaz d'échappement. En raison de la température minimum élevée de désulfuration du catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention, l'allumage retardé n'est cependant approprié qu'avec des vitesses élevées du véhicule pour obtenir des températures suffisantes. Selon une conception avantageuse du procédé, on utilise par conséquent, en plus de ou comme alternative à l'allumage retardé, des mesures qui génèrent une augmentation de la teneur en polluant et/ou en oxygène dans les gaz d'échappement et, par conversion catalytique, génèrent au niveau du pré-catalyseur et/ou du catalyseur de stockage de NOx une augmentation de la température du catalyseur. Ces mesures comprennent une injection ultérieure de carburant avant/pendant ou après une fin de combustion ; une dispersion lambda, dans laquelle les différents cylindres du moteur à combustion interne sont exploités avec différents lambdas de combustion ; une injection de carburant dans le système d'échappement ; une exploitation avec mélange enrichi du moteur à combustion interne et/ou une admission d'air secondaire dans le système d'échappement en amont du catalyseur de stockage de NOx. Ces mesures peuvent aussi être utilisées en les combinant.
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Des modes de réalisation avantageux de l'invention font l'objet des autres revendications dépendantes.
L'invention est caractérisée en ce que : - (a) on utilise un catalyseur de stockage de NOx qui présente une limite de température supérieure (TH) d'une plage des températures de service au moins égale à 520 oC, un taux de conversion minimum du
NOx (KRm, n) au moins égal à 80 %, au sein de la plage des températures de service, étant présent en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne, et le moteur à combustion interne étant exploité en exploitation discontinue avec mélange pauvre jusqu'à la limite supérieure de température du catalyseur de stockage de NOx tant qu'aucun dépassement des seuils de charge eVou de régime ou qu'une nécessité de désulfuration n'exigent un mode d'exploitation avec mélange stoechiométrique ou enrichi, (b) on identifie une nécessité de désulfuration lorsque l'on passe sous le taux moyen de conversion minimum des NOx (KRmin) d'au moins 80 % du catalyseur de stockage de NOx en exploitation discontinue avec mélange pauvre, et (c) une désulfuration du catalyseur de stockage de NOx est réalisée à une température de catalyseur (TWAT) au moins égale à 680 oC, correspondant au moins à une température minimum de désulfuration (Tmin) et avec une atmosphère de gaz d'échappement enrichie, et le catalyseur de stockage de NOx présente, à la température minimum de désulfuration (T min) et à une charge de gaz d'échappement avec lambda < 0,99, un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 gris.
NOx (KRm, n) au moins égal à 80 %, au sein de la plage des températures de service, étant présent en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne, et le moteur à combustion interne étant exploité en exploitation discontinue avec mélange pauvre jusqu'à la limite supérieure de température du catalyseur de stockage de NOx tant qu'aucun dépassement des seuils de charge eVou de régime ou qu'une nécessité de désulfuration n'exigent un mode d'exploitation avec mélange stoechiométrique ou enrichi, (b) on identifie une nécessité de désulfuration lorsque l'on passe sous le taux moyen de conversion minimum des NOx (KRmin) d'au moins 80 % du catalyseur de stockage de NOx en exploitation discontinue avec mélange pauvre, et (c) une désulfuration du catalyseur de stockage de NOx est réalisée à une température de catalyseur (TWAT) au moins égale à 680 oC, correspondant au moins à une température minimum de désulfuration (Tmin) et avec une atmosphère de gaz d'échappement enrichie, et le catalyseur de stockage de NOx présente, à la température minimum de désulfuration (T min) et à une charge de gaz d'échappement avec lambda < 0,99, un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 gris.
- l'on utilise un catalyseur de stockage de NOx qui présente une limite supérieure de température (TH) de la plage des températures de service au moins égale à 560 OC, en particulier au moins égale à 600 OC, et en ce que l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne, en particulier un mode à charge stratifiée pauvre, se
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produit jusqu'à la limite supérieure de température (TH) du catalyseur de stockage de NOx.
- l'exploitation discontinue avec mélange pauvre est réalisée jusqu'à une vitesse du véhicule au moins égale à 80 kmlh.
- l'exploitation discontinue avec mélange pauvre se produit jusqu'à une vitesse du véhicule au moins égale à 100 kmlh, en particulier au moins égale à 120 km/h.
- le catalyseur de stockage de NOx présente une température minimum de désulfuration (T min), pour laquelle est atteint un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 gis avec une charge de gaz d'échappement avec lambda 0,99, au moins égale à 700 OC, en particulier au moins égale à 720 OC.
- la désulfuration est réalisée avec une température de désulfuration supérieure d'au moins 20 K à la température minimum de désulfuration (T min) et avec une charge de gaz d'échappement avec lambda < 0,9, sur une durée au moins égale à 200 s par litre de volume de catalyseur.
- pendant l'exploitation du catalyseur de stockage de NOx sont réalisées au plus 100 désulfurations, en particulier au plus 30 désulfurations, et en ce que l'on ne passe pas sous le taux de conversion minimum des NOx (KR,,,) du catalyseur de stockage de NOx de 80 % en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre.
- l'on peut stocker, en exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne, au moins 0,5 g de soufre par litre de volume de catalyseur dans le catalyseur de stockage de NOx, jusqu'à ce qu'on passe en dessous de la limite inférieure du taux de conversion minimum des NOx (KR,, n).
- la nécessité de désulfuration est identifiée au plus tôt après consommation en exploitation avec mélange pauvre d'un volume de carburant au moins égal à 100 I, en particulier égal à 150 1.
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- le moteur à combustion interne intercalé en amont du catalyseur de stockage de NOx est exploité avec un carburant qui présente une teneur en soufre au plus égale à 30 ppm.
- la teneur en soufre du carburant est au plus égale à 20 ppm, en particulier au plus égale à 10 ppm.
- le catalyseur de stockage de NOx contient des composants de stockage du groupe des alcalins et/ou des alcalino-terreux, en particulier des oxydes et/ou des carbonates de ceux-ci, en particulier d'au moins l'un des éléments potassium, rubidium, strontium et césium.
- une désulfuration active, dans laquelle la température du catalyseur (TWAT) est augmentée par des mesures ciblées jusqu'à la température minimum de désulfuration (Tmin), est uniquement réalisée lorsqu'il n'existe pas de fréquence suffisante de désulfurations passives dans lesquelles la température du catalyseur, en raison d'une charge moteur suffisante, atteint la température minimum de désulfuration (Tmin).
- les mesures permettant d'augmenter la température du catalyseur (TKAT) sont un allumage retardé ; une injection ultérieure de carburant avant/pendant ou après une fin de combustion ; une dépression lambda ; une injection de carburant dans le système d'échappement ; une exploitation avec mélange enrichi du moteur à combustion interne et/ou une admission d'air secondaire dans le système d'échappement en amont du catalyseur de stockage de NOx.
La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne avec un système d'échappement,
La figure 2 représente, en fonction de la température, le taux de conversion des NOx d'un catalyseur de stockage de NOx usuel et d'un catalyseur en accord avec la présente invention, et
La figure 3 montre la relation entre la consommation de carburant, et la teneur en soufre du carburant, et la caractéristique de température du catalyseur de stockage de NOx selon la fig. 2.
La figure 2 représente, en fonction de la température, le taux de conversion des NOx d'un catalyseur de stockage de NOx usuel et d'un catalyseur en accord avec la présente invention, et
La figure 3 montre la relation entre la consommation de carburant, et la teneur en soufre du carburant, et la caractéristique de température du catalyseur de stockage de NOx selon la fig. 2.
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Concernant le moteur à combustion interne 10 représenté à la figure 1, il s'agit d'un moteur pour automobile à injection directe, apte à une exploitation avec mélange pauvre, auquel est coordonné un système d'échappement représenté dans son ensemble par la référence 12. Le canal d'échappement 14 héberge un système de catalyseur qui comprend un pré-catalyseur 16 de faible volume et proche du moteur, en particulier un catalyseur à trois voies, et un catalyseur de stockage de NOx 18 disposé dans une position plus en aval. Dans le canal d'échappement 14 est en outre disposé un dispositif à technique sensorielle permettant de commander le moteur à combustion interne 10 et le système de catalyseur 16,18. Une sonde lambda 20 installée en aval du moteur à combustion interne 10 mesure une teneur en oxygène des gaz d'échappement afin de réguler le rapport air 1 carburant alimentant le moteur à combustion interne 10. En aval du catalyseur de stockage de NOx 18 est disposé un capteur de NOx 22 qui sert à commander l'intervalle de régénération des NOx et l'intervalle de désulfuration du catalyseur de stockage de NOx 18. En amont du catalyseur de stockage de NOx 18 est de plus installé un détecteur de température 24 qui mesure une température des gaz d'échappement et permet par conséquent des conclusions sur une température du catalyseur de stockage de NOx 18. La température actuelle du catalyseur peut être déterminée d'une façon particulièrement précise à partir d'une différence de température entre la température des gaz d'échappement avant et après le catalyseur de stockage de NOx 18. Pour cela, la température des gaz d'échappement existant en aval du catalyseur de stockage de NOx 18 peut être obtenue d'une façon particulièrement avantageuse à partir d'un signal de température interne du capteur de NOx22. Comme alternative à la mesure de la température des gaz d'échappement, celle-ci peut aussi être obtenue par calcul d'une façon connue en fonction des paramètres d'exploitation choisis du moteur à combustion interne 10. Comme alternative au capteur de NOx 22, on peut encore envisager une autre
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sonde lambda. Les signaux mis à disposition par les capteurs 20, 22, 24 sont transmis à un appareil de commande du moteur 26 qui numérise et traite les signaux. Dans l'appareil de commande du moteur 26 est en outre intégrée une unité de commande 28 dans laquelle est consigné un algorithme de commande de l'exploitation du catalyseur de stockage de NOx 18. L'appareil de commande du moteur 26 et l'unité de commande 28 commandent différents paramètres d'exploitation du moteur à combustion interne 10, en fonction des signaux. Sont en particulier commandés les intervalles de régénération et de désulfuration du catalyseur de stockage de NOx 18 en ce que, selon l'algorithme, le rapport air 1 carburant du
moteur à combustion interne 10 est prédéfini et des mesures d'augmentation d'une température des gaz d'échappement etlou du catalyseur sont initiées.
moteur à combustion interne 10 est prédéfini et des mesures d'augmentation d'une température des gaz d'échappement etlou du catalyseur sont initiées.
Le graphique de la figure 2 désigné par la référence 30 représente le rapport à la température d'un taux de conversion des NOx d'un catalyseur de stockage selon l'état de la technique, conformément à la structure selon la fig. 1. Le taux de conversion des NOx est indiqué en tant que rapport, en pourcentage, entre une quantité de NOx convertie et une quantité de NOx entrant dans le catalyseur de stockage pendant un intervalle de temps de mesure, en fonction de la température du catalyseur de stockage. Pour la mesure, on a utilisé un pré-catalyseur à trois voies présentant une teneur en métaux nobles comprise entre 1,4 et 7,1 g/dm3 (40 et 200 g/pied3) et un rapport de métaux nobles de 0 à 4 fractions de platine Pt pour 0 à 15 fractions de palladium Pd et 0 à 3 fractions de rhodium Rh. Le volume du pré-catalyseur 16 correspondait à 15 à 60% d'un volume du catalyseur de stockage de NOx 18. La distance parcourue par les gaz d'échappement entre le pré-catalyseur et le catalyseur de stockage était inférieure à 1 500 mm. Le catalyseur de stockage de NOx présentait comme matériau actif de stockage un mélange composé d'oxyde de baryum BaO et de carbonate de baryum BaCO3. Une vitesse spatiale des gaz d'échappement dans le catalyseur
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de stockage était comprise entre 10 000 et 30 000/h. Le taux de conversion des NOx a été mesuré avec exploitation typique discontinue par intervalles de mélange enrichi-pauvre type du moteur à combustion interne 10, et on a fait la moyenne. A cet égard, on a prescrit pour les intervalles avec exploitation pauvre, qui durent respectivement 50 à 60 secondes, une valeur lambda de combustion de 1,8 à 2,5. Cela correspondait à une fraction d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement bruts comprise entre 2 000 et 4 000 ppm, à une fraction de monoxyde de carbone CO comprise entre 2 000 et 3 000 ppm, et à une fraction de NOx comprise entre 200 et 500 ppm. Pendant les intervalles avec mélange enrichi, durant 4 à 8 secondes, on a prescrit une valeur lambda de combustion comprise entre 0,75 et 0,85, la fraction de HC étant comprise entre 5 000 et 15 000 ppm, la fraction de CO entre 40 000 et 60 000 ppm et la fraction de NOx entre 500 et 1 500 ppm. La température de catalyseur du catalyseur de stockage de NOx a été régulée au moyen d'un dispositif d'équilibrage de la température. Le profil de température 30 mesuré pour ce catalyseur de stockage de la figure 2 montre une fenêtre des températures de service typique avec un taux de conversion des NOx d'au moins 80 %, limitée par une limite inférieure de température TL'à environ 200 oC et par une limite supérieure de température TH'à environ 450 C. Si ce catalyseur de stockage usuel 18 atteint la limite supérieure de température TH'de sa plage de service lors d'une exploitation conforme aux dispositions du fait d'une charge moteur dépendant du point de fonctionnement dynamique-c'est à dire de façon type à des vitesses du véhicule supérieures à 70 km/h-l'exploitation avec mélange pauvre et éventuellement le mode à charge stratifiée doivent être réduits ou réprimés et l'exploitation du moteur à combustion interne poursuivie en exploitation stoechiométrique ou avec mélange enrichi (exploitation homogène). La composition des gaz d'échappement existant en exploitation stoechiométrique garantit alors une conversion pratiquement totale des NOx au niveau du pré-catalyseur. La réduction de l'exploitation
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avec mélange pauvre doit, lorsque l'on a atteint la limite supérieure de température TH', aussi se produire lorsque la charge moteur elle-même ne nécessite pas encore d'augmentation de la fraction de carburant.
Par rapport à cet état de la technique est représentée une courbe de température 32 extrapolée pour un taux de conversion des NOx d'un catalyseur de stockage de NOx selon la présente invention, lequel, au lieu du baryum, contient par exemple des métaux alcalins et/ou alcalino- terreux plus légers sous la forme de leurs oxydes et carbonates en tant que matériau de stockage. Un catalyseur de stockage de NOx de ce type est en mesure de former des nitrates plus stables, de sorte que sa plage des températures de service est élargie vers des températures plus élevées d'au moins 50 K par rapport au catalyseur de stockage habituel.
Dans l'exemple représenté, la limite supérieure de température TH du catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention est d'environ 560 oC. Cela correspond à peu près à un matériau de stockage contenant au moins du potassium. Cette augmentation de la plage des températures de service peut ensuite être exploitée pour conserver l'exploitation avec mélange pauvre ettou à charge stratifiée du moteur à combustion interne 10 sur des plages de charge plus importantes. Ainsi, selon l'exemple représenté, une réduction/répression de l'exploitation avec mélange pauvre ne devrait se produire qu'à des vitesses du véhicule environ supérieures à 120 km/h.
La possibilité de former des nitrates plus stables entraîne l'effet secondaire non souhaité selon lequel les désulfurations nécessaires de temps en temps doivent être réalisées à des températures plus élevées du catalyseur, étant donné que les sulfates également stockés présentent une stabilité plus élevée correspondante. Les zones de représentation hachurées 34 et 36 caractérisent respectivement les plages des températures de désulfuration pour un catalyseur de stockage de NOx selon l'état de la technique (34) ou un catalyseur de stockage en accord avec la présente invention (36). Les plages des températures de
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désulfuration 34, 36 sont respectivement limitées par une température minimum de désulfuration T mIn', T min au-delà de laquelle il existe un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 g/s, et la capacité du catalyseur de stockage de rejeter au moins presque tout le soufre, c'est à dire au moins 80 %. Pour le catalyseur de stockage usuel, T min'est environ égale à 630 C, tandis que le catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention présente une température minimum de désulfuration Tmin de 680 C. Les plages des températures de désulfuration 34,36 sont limitées vers le haut par une température de décomposition du matériau de stockage, qui ne doit pas être dépassée. Comme déjà mentionné, les températures de désulfuration élevées du catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention exigent des mesures partiellement très drastiques d'augmentation de la température active. Celles-ci représentent pour le système de catalyseur dans son ensemble, en particulier pour le pré-catalyseur, une charge réduisant la durée de vie. Il est prévu pour cette raison d'utiliser le catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention en utilisant un carburant pauvre en soufre. De cette façon, la sulfuration du catalyseur est ralentie de façon telle que les écarts entre deux désulfurations actives deviennent si importants qu'il se produit dans ce temps, selon une probabilité élevée, une désulfuration passive conditionnée par l'exploitation. Par conséquent, la désulfuration active du catalyseur de stockage de NOx en accord avec la présente invention 18 représente l'exception et est uniquement nécessaire lorsqu'un véhicule n'est pratiquement jamais utilisé à pleine charge.
A la figure 3 sont représentées d'une façon approximative les modifications de la consommation de carburant 11 VKS pouvant être réalisées en fonction de la teneur en soufre du carburant et de la fenêtre des températures de service du catalyseur de stockage de NOx 18. Comme référence-représentée par la barre 40-on a utilisé la consommation de carburant du cycle de conduite européen NEFZ avec un
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catalyseur de stockage de NOx selon l'état de la technique et un carburant comportant la teneur en soufre maximum actuellement autorisée de
150 ppm S. Les barres 42 et 44 montrent approximativement la réduction de consommation AVKs en utilisant des carburants présentant une moindre teneur en soufre, de 50 ppm S (barre 42) ou < 10 ppm S (barre 44). Du fait de la plus faible fréquence de désulfuration liée à la moindre teneur en soufre, on réalise des économies de consommation AVKs d'environ 1, 5 % (barre 42) ou 2,4 % (barre 44). Si on utilise le procédé en accord avec la présente invention et un catalyseur de stockage de NOx correspondant avec un carburant sans soufre, présentant des teneurs en soufre inférieures à 10 ppm, on peut, en raison de la fenêtre des températures de service élargie et de la fraction pauvre plus élevée en résultant, réaliser pendant un cycle de conduite un avantage de consommation d'environ 2,5 % supplémentaires conformément à la barre 46.
150 ppm S. Les barres 42 et 44 montrent approximativement la réduction de consommation AVKs en utilisant des carburants présentant une moindre teneur en soufre, de 50 ppm S (barre 42) ou < 10 ppm S (barre 44). Du fait de la plus faible fréquence de désulfuration liée à la moindre teneur en soufre, on réalise des économies de consommation AVKs d'environ 1, 5 % (barre 42) ou 2,4 % (barre 44). Si on utilise le procédé en accord avec la présente invention et un catalyseur de stockage de NOx correspondant avec un carburant sans soufre, présentant des teneurs en soufre inférieures à 10 ppm, on peut, en raison de la fenêtre des températures de service élargie et de la fraction pauvre plus élevée en résultant, réaliser pendant un cycle de conduite un avantage de consommation d'environ 2,5 % supplémentaires conformément à la barre 46.
Claims (14)
1. Procédé de retraitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10) apte à l'exploitation avec mélange pauvre, dans lequel est disposé au moins un catalyseur de stockage de NOx (18) dans un canal d'échappement (14) du moteur à combustion interne (10) et dans lequel le moteur à combustion interne (10), pendant une exploitation avec mélange pauvre et à des fins d'une régénération des NOx du catalyseur de stockage de NOx (18), est exploité de façon discontinue selon des intervalles lambda avec mélange pauvre-enrichi, caractérisé en ce que (a) on utilise un catalyseur de stockage de NOx (18) qui présente une limite de température supérieure (TH) d'une plage des températures de service au moins égale à 520 OC, un taux de conversion minimum du NOx (KRmin) au moins égal à 80 %, au sein de la plage des températures de service, étant présent en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne (10), et le moteur à combustion interne (10) étant exploité en exploitation discontinue avec mélange pauvre jusqu'à la limite supérieure de température (TH) du catalyseur de stockage de NOx (18) tant qu'aucun dépassement des seuils de charge et/ou de régime ou qu'une nécessité de désulfuration n'exigent un mode d'exploitation avec mélange stoechiométrique ou enrichi, (b) on identifie une nécessité de désulfuration lorsque l'on passe sous le taux moyen de conversion minimum des NOx (KRmm) d'au moins 80 % du catalyseur de stockage de NOx (18) en exploitation discontinue avec mélange pauvre, et (c) une désulfuration du catalyseur de stockage de NOx (18) est réalisée à une température de catalyseur (TWAT) au moins égale à 680 oC, correspondant au moins à une température minimum de désulfuration (min) et avec une atmosphère de gaz
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d'échappement enrichie, et le catalyseur de stockage de NOx (18) présente, à la température minimum de désulfuration (T min) et à une charge de gaz d'échappement avec lambda < 0, 99, un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 g/s.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un catalyseur de stockage de NOx (18) qui présente une limite supérieure de température (TH) de la plage des températures de service au moins égale à 560 oC, en particulier au moins égale à 600 OC, et en ce que l'exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne (10), en particulier un mode à charge stratifiée pauvre, se produit jusqu'à la limite supérieure de température (TH) du catalyseur de stockage de NOx (18).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'exploitation discontinue avec mélange pauvre est réalisée jusqu'à une vitesse du véhicule au moins égale à 80 km/h.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'exploitation discontinue avec mélange pauvre se produit jusqu'à une vitesse du véhicule au moins égale à 100 km/h, en particulier au moins égale à 120 kmih.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur de stockage de NOx (18) présente une température minimum de désulfuration (T min), pour laquelle est atteint un taux de rejet de soufre au moins égal à 0,005 g/s avec une charge de gaz d'échappement avec lambda : g 0,99, au moins égale à 700 oC, en particulier au moins égale à 720 C.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la désulfuration est réalisée avec une température de désulfuration supérieure d'au moins 20 K à la température minimum de désulfuration (Tmin) et avec une charge de gaz d'échappement avec lambda 0,9, sur une durée au moins égale à 200 s par litre de volume de catalyseur.
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7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant l'exploitation du catalyseur de stockage de NOx (18) sont réalisées au plus 100 désulfurations, en particulier au plus 30 désulfurations, et en ce que l'on ne passe pas sous le taux de conversion minimum des NOx (KR,, n) du catalyseur de stockage de NOx (18) de 80 % en moyenne dans le temps de l'exploitation discontinue avec mélange pauvre.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on peut stocker, en exploitation discontinue avec mélange pauvre du moteur à combustion interne (10), au moins 0,5 g de soufre par litre de volume de catalyseur dans le catalyseur de stockage de NOx (18), jusqu'à ce qu'on passe en dessous de la limite inférieure du taux de conversion minimum des NOx (KR,,,).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nécessité de désulfuration est identifiée au plus tôt après consommation en exploitation avec mélange pauvre d'un volume de carburant au moins égal à 100 l, en particulier égal à 150 1
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (10) intercalé en amont du catalyseur de stockage de NOx (18) est exploité avec un carburant qui présente une teneur en soufre au plus égale à 30 ppm
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la teneur en soufre du carburant est au plus égale à 20 ppm, en particulier au plus égale à 10 ppm
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur de stockage de NOx (18) contient des composants de stockage du groupe des alcalins et/ou des alcalinoterreux, en particulier des oxydes et/ou des carbonates de ceux-ci, en particulier d'au moins l'un des éléments potassium, rubidium, strontium et césium
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13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une désulfuration active, dans laquelle la température du catalyseur (TKAT) est augmentée par des mesures ciblées jusqu'à la température minimum de désulfuration est uniquement réalisée lorsqu'il n'existe pas de fréquence suffisante de désulfurations passives dans lesquelles la température du catalyseur, en raison d'une charge moteur suffisante, atteint la température minimum de désulfuration (tu, n).
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les mesures permettant d'augmenter la température du catalyseur (TWAT) sont un allumage retardé ; une injection ultérieure de carburant avanUpendant ou après une fin de combustion ; une dispersion lambda ; une injection de carburant dans le système d'échappement (12) ; une exploitation avec mélange enrichi du moteur à combustion interne (10) et/ou une admission d'air secondaire dans le système d'échappement (12) en amont du catalyseur de stockage de NOx (18).
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