FR3117543A1

FR3117543A1 - Procédé de désulfuration d’un piège à oxydes d’azote en après-vente

Info

Publication number: FR3117543A1
Application number: FR2013186A
Authority: FR
Inventors: Cédric LEFEVRE; Sylvain Savy
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: NEW H POWERTRAIN HOLDING, S.L.U., ES
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-06-17

Abstract

Ce procédé de désulfuration d’un piège (1) à oxydes d’azote de véhicule automobile comporte les étapes suivantes : Mise en chauffe du moteur (étape 11) ; Régénération (étape 12) d’un filtre à particules (3) placé après le piège (1) à oxydes d’azote, jusqu’à atteindre une masse (C) de suie inférieure à une masse prédéterminée dans le filtre à particules (3) ; Au moins un passage (étape 13) en milieu réducteur avec une richesse (H) supérieure à 1, et chauffage du piège (1) à oxydes d’azote jusqu’à une température (T) supérieure à 600°C jusqu’à atteindre une masse (D) de soufre inférieure à un seuil de masse de soufre critique ; Désoxydation (étape 14) du piège (1) à oxydes d’azote ; Refroidissement (étape 15) des organes mécaniques du véhicule. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Procédé de désulfuration d’un piège à oxydes d’azote en après-vente

L’invention concerne, de manière générale, les procédés de dépollution des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, plus précisément de moteurs thermiques comportant une hybridation (par exemple avec une batterie de 48 volts) et une grille chauffante à l’échappement.

L’invention concerne en particulier la désulfuration des pièges à oxydes d’azote, notamment ceux des moteurs diesel.

L’invention s’applique également à tout autre type de véhicules nécessitant une désulfuration des pièges à oxydes d’azote pour le bon fonctionnement de ces pièges.

Techniques antérieures

Dans le domaine de la dépollution des moteurs à combustion interne de véhicules automobiles, notamment des moteurs de type diesel, des pièges à oxydes d’azote sont montés à l’échappement des moteurs afin de réduire les quantités d’oxydes d’azote contenus dans les gaz d’échappement, ces derniers étant nuisibles pour l’environnement et la santé. Ce piège de post-traitement des oxydes d’azote met en œuvre des réactions chimiques destinées à transformer par réduction les oxydes d’azote (NOx) en gaz neutres.

Cependant, l’efficacité de ce traitement est impactée par le soufre, plus précisément les oxydes de soufre, stocké lui aussi dans le piège. Le soufre a pour origine la combustion du carburant lorsque ce dernier a une teneur en soufre importante ou bien la consommation d’huile moteur. L’augmentation de la quantité de soufre dans le piège à oxydes d’azote provoque une diminution consécutive de l’efficacité du post-traitement des gaz d’échappement pour réduire les oxydes d’azote. Il est donc nécessaire de déstocker ce soufre par un procédé de désulfuration.

La désulfuration nécessite, entre autres, de maintenir le piège dans des conditions spécifiques de températures, qui doivent être supérieures à 600°C, et de réaliser les réactions de réduction chimique avec une richesse élevée, supérieure à 1, pour laquelle la quantité de carburant est plus importante que la quantité théorique nécessaire à l’entière combustion du carburant dans le mélange injecté dans les cylindres de combustion avec la quantité d’air qui y est présente. Le post-traitement des effluents gazeux doit en outre se faire dans des conditions de régime ou de charge du moteur particulières.

Ce processus de désulfuration est destiné à être répété lors de certaines phases de roulage du véhicule. Toutefois, si le véhicule est soumis, par exemple, à une conduite exclusivement urbaine, à faible charge, avec des arrêts fréquents et à basses températures, les conditions de régime ou de charge du moteur peuvent n’être pas réunies suffisamment souvent pour effectuer la désulfuration de sorte que dans ces conditions, le soufre s’accumule dans le piège à oxyde d’azote, nécessitant son remplacement en concession.

La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de faciliter la désulfuration d’un piège à oxydes d’azote d’un moteur thermique d’un véhicule automobile en après-vente, c’est-à-dire lorsque le véhicule a été acquis et nécessite une intervention par le constructeur.

Elle concerne le cas désormais courant où le véhicule comporte une hybridation, c’est-à-dire une machine électrique apte à fonctionner en mode moteur ou en mode de génératrice pour l’entraînement du véhicule. Elle concerne plus particulièrement le cas où ladite machine électrique est montée en amont de la chaîne de transmission du véhicule, typiquement un alterno-démarreur du moteur thermique.

La présente invention a pour objet un procédé de désulfuration d’un piège à oxydes d’azote de moteur thermique de véhicule automobile hybride comportant un moteur de traction électrique monté en amont de la chaîne de transmission du véhicule, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre lorsque le véhicule est à l’arrêt, et en ce qu’il comporte les étapes suivantes :

Mise en chauffe du moteur thermique ;
Régénération d’un filtre à particules placé après le piège à oxydes d’azote, jusqu’à atteindre une masse de suie inférieure à une masse prédéterminée dans le filtre à particules ;
Au moins un passage en milieu réducteur avec une richesse de fonctionnement du moteur thermique supérieure à 1, et chauffage du piège à oxydes d’azote jusqu’à une température supérieure à 600°C jusqu’à atteindre une masse de soufre inférieure à un seuil de masse de soufre critique, le couple du moteur thermique étant régulé par le moteur de traction électrique ;
Désoxydation du piège à oxydes d’azote ;
Refroidissement des organes mécaniques du véhicule.

Ainsi, le procédé ne nécessite pas le remplacement du piège à oxydes d’azote et permet de le purger du soufre rapidement. Il permet un gain économique à la fois pour le propriétaire du véhicule et pour le constructeur. De plus, la procédure est autonome, effectuée par un calculateur du véhicule et avec un outil informatique d’après-vente qui permet de se connecter audit calculateur pour déclencher la mise en œuvre du procédé, et ne nécessite aucune intervention mécanique auprès du moteur.

En outre, le procédé peut être mis en œuvre uniquement avec les composants déjà présents dans le véhicule. Il ne nécessite aucun ajout de pièce lors de la construction du véhicule autres que celles qui sont nécessaires à son fonctionnement habituel.

Avantageusement, chaque étape est effectuée à un régime et une charge moteur spécifiques du moteur thermique, la charge, c’est-à-dire le couple, étant régulée grâce à la machine électrique à laquelle on impose des consignes de couple positive ou négative. Il est donc essentiel que la machine électrique soit implantée en amont de la chaîne de transmission du véhicule de façon à pouvoir effectuer cette régulation du couple du moteur thermique.

Selon un mode de mise en œuvre, le procédé utilise une grille chauffante, un alterno-démarreur, une batterie électrique et des moyens d’augmentation ou de diminution de la richesse du mélange en air et en carburant dans le moteur thermique configurés pour réguler les conditions de températures, de régime ou de charge du moteur thermique pour la désulfuration du piège à oxydes d’azote.

Avantageusement, on régule l’état de charge de la batterie du véhicule par régulation de la charge du moteur par l’alterno-démarreur.

Avantageusement, lors de l’étape de régénération du filtre à particules, on augmente la température du filtre au moyen d’une résistance chauffante, jusqu’à une température adaptée au brulage de la suie.

Selon un mode de mise en œuvre, l’étape de régénération du filtre à particule s’effectue avec un retard d’injection de carburant afin d’augmenter la thermique à l’échappement. A cette occasion, la richesse est augmentée par rapport à celle du fonctionnement habituel du moteur, mais il est connu qu’elle reste à un niveau inférieur à 1.

L’invention a également pour objet un système de traitement de données comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé définies précédemment.

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 :

illustre schématiquement différents éléments d’un véhicule automobile mis en œuvre dans un procédé de désulfuration selon l’invention ;

illustre les différentes étapes du procédé selon l’invention ainsi que l’évolution en fonction du temps des différents paramètres intervenant dans le procédé de désulfuration.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

On a représenté sur la un schéma simplifié représentant différents éléments d’un véhicule automobile intervenant dans un système de post-traitement des effluents gazeux du véhicule mettant en œuvre l’invention.

Le véhicule automobile est un véhicule hybride doté d’un moteur à combustion interne, par exemple de type diesel et d’un moteur de traction électrique monté en amont de la chaîne de transmission du véhicule, apte à réguler le couple délivré par le moteur thermique.

Dans un mode de mise en œuvre du procédé, le moteur électrique est un alterno-démarreur du moteur thermique, qui est lié à l’arbre de sortie (vilebrequin) du moteur thermique et qui est apte à ajouter un couple électrique sur cet arbre de sortie ou à y prélever du couple en agissant dans un mode de génératrice.

Le système de post-traitement du véhicule comprend notamment un piège 1 à oxydes d’azote, un système de traitement de données 2, un filtre à particules 3 placé en aval du piège 1 à oxydes d’azote et différents capteurs et sondes 4 en amont et en aval du piège à oxydes d’azote afin d’effectuer des mesures, par exemple de richesse du carburant. Le système de traitement des données 2 est par exemple constitué par le calculateur de bord du véhicule. Il comprend tous les moyens matériels et logiciels et est dûment programmé pour mettre en œuvre le procédé de désulfuration selon l’invention. Il est notamment relié par liaison filaire ou non filaire au système de post-traitement proprement dit. La mise en œuvre du procédé est déclenchée en connectant un outil informatique d’après-vente au calculateur.

Une résistance chauffante 5, par exemple une grille chauffante, reliée à une batterie 8 électrique pour son alimentation, est positionnée en amont du piège 1 à oxydes d’azote. L’alterno-démarreur 6 est relié au vilebrequin 7 du moteur ainsi qu’à la batterie 8, par exemple de 48 volts, qui permet de stocker de l’énergie électrique générée lorsque l’alterno-démarreur 6 fonctionne en mode de génératrice et prélève du couple sur le vilebrequin 7. A l’inverse, la batterie 8 se décharge lorsque l’alterno-démarreur 6 fonctionne en mode moteur et consomme de l’énergie. En mode moteur, l’énergie consommée par l’alterno-démarreur est utilisée pour augmenter le couple en sortie de l’arbre moteur, ou pour alimenter la grille chauffante 5 via la batterie 8 qui fait office de tampon.

Le système de post-traitement met en œuvre un procédé de désulfuration afin, en particulier, de supprimer le soufre, plus particulièrement les oxydes de soufre qui résultent de la combustion du carburant et qui sont piégés dans le piège 1 à oxydes d’azote.

On a représenté les différentes étapes du procédé de désulfuration du piège à oxydes d’azote selon l’invention ainsi que l’évolution en fonction du temps t des différents paramètres intervenant dans le procédé. Les paramètres illustrés sont la température interne T du piège 1 à oxydes d’azote, le mode A de l’alterno-générateur 6 (moteur ou générateur), la charge B de la batterie 8, la masse C de suie dans le filtre à particule 3, la masse D d’oxydes de soufre dans le piège 1 à oxydes d’azote, la masse E d’oxydes d’azote dans le piège 1 à oxydes d’azote, le régime F du moteur, l’activation G ou non de la grille chauffante, et la richesse H du mélange air-carburant.

En premier lieu, lorsque la masse D d’oxydes de soufre devient trop importante, donc critique, au sein du piège 1 à oxydes d’azote, le conducteur du véhicule est alerté, par exemple au moyen d’un voyant sur le tableau de bord du véhicule. Le seuil de masse de soufre critique peut être calibré, par exemple avec un seuil de quelques grammes par litre, dépendant du volume du piège 1 à oxydes d’azote, qui est généralement de 1 à 3 litres.

Le voyant indique que le système de post-traitement est défectueux et qu’il faut se rendre dans une concession afin d’entretenir le véhicule et de procéder à la désulfuration du piège 1 à oxydes d’azote. En concession, un outil informatique d’après-vente, ou superviseur, vérifie en premier lieu la criticité de la masse d’oxydes de soufre piégés, par exemple via une prise de diagnostic, moteur à l’arrêt. Le superviseur vérifie également la présence ou non d’une autre panne qui pourrait influer sur le procédé de désulfuration. Puis il déclenche la mise en œuvre du procédé proprement dit, qui est réalisé par le calculateur de bord du véhicule.

Le procédé débute par une première étape 11 de mise en chauffe du moteur. Cette première étape dure par exemple moins de 10 minutes et est effectuée à un régime F et une charge moteur prédéfinis. Par exemple, le régime F moteur est de 2000 tours par minute et la charge moteur correspond à un couple de 100 Newtons.

L’étape 11 de mise en chauffe permet d’élever la température des organes moteurs, de la ligne d’échappement et de divers fluides circulant dans le groupe motopropulseur du véhicule (moteur et boîte). Par exemple, l’étape 11 de mise en chauffe met en température le liquide de refroidissement à température de 40° à 60°C minimum.

Le procédé comprend ensuite une étape 12 de régénération du filtre à particules 3. Cette étape est effectuée à un régime F et une charge moteur prédéfinis et permet de brûler la suie présente dans le filtre à particules 3 jusqu’à une masse C inférieure à une masse prédéfinie, par exemple en-deçà de 6 grammes par litre, le filtre à particules 3 ayant un volume de 2 à 5 litres.

La suie nécessite d’être supprimée du filtre à particules 3 afin d’éviter un emballement thermique et de maintenir l’intégrité du filtre à particules 3 lors de l’étape 13 de désulfuration suivante. En effet, l’étape 13 de désulfuration s’effectue à des températures T élevées, de l’ordre de 650° à 750°C dans le piège 1 à oxydes d’azote, ce qui favorise un emballement thermique si de la suie est présente dans le filtre à particules 3 en quantité trop importante et qu’un apport important d’oxygène est également effectué.

La température T pour effectuer l’étape 12 de régénération du filtre à particules 3 et brûler la suie est d’environ 500° à 600°C.

L’étape 12 de régénération et la montée en température s’effectuent par exemple en dégradant le rendement de combustion du moteur par un retard d’injection de carburant, par un apport de réducteurs (carburant) dans la ligne d’échappement mais aussi d’oxydants (oxygène) pour brûler les suies et par l’utilisation de la grille chauffante 5.

Les réducteurs apportés comprennent du carburant injecté en post-injection et qui ne participe pas à la combustion dans les chambres de combustion du moteur, mais qui brûle sur le piège à oxydes d’azote en présence d’oxygène. La grille chauffante 5 utilise l’énergie stockée dans la batterie 8 pour augmenter la température T dans la ligne d’échappement à proximité du système de dépollution. Cela permet d’une part de vider la batterie 8 pour l’étape 13 suivante et de réduire la quantité de carburant en post-injection. Dans cette étape 12, la richesse H est supérieure à la richesse de fonctionnement normale du moteur mais elle reste inférieure à 1, afin d’avoir de l’oxygène en quantité suffisante pour oxyder le carburant de post-injection.

Lorsque la masse C de suie est inférieure au seuil de masse prédéfini, par exemple au bout de 10 minutes de l’étape de régénération du filtre à particules, l’étape 13 de désulfuration commence.

Entre temps, la température T dans le piège 1 à oxydes d’azote a continué à augmenter durant la fin de l’étape 12 de régénération jusqu’à atteindre une température T minimale de 600°C, préférentiellement entre 650° et 750°C.

L’étape 13 est l’étape durant laquelle la masse de soufre du piège 1 à oxydes d’azote diminue. Elle est également appelée étape de désulfuration et s’effectue à un régime F et une charge moteur prédéfinis favorables à une bonne efficacité du traitement du soufre. Il s’agit d’un régime et d’une charge relativement élevés, par rapport aux conditions de roulage en cycle urbain qui sont au contraire défavorables à la désulfuration.

Au cours de cette étape 13, il est nécessaire de se placer en milieu réducteur, avec une richesse supérieure à 1, et de maintenir une température T élevée, par exemple entre 650° et 750°C. Cependant, se placer en milieu réducteur durant un temps trop long peut être très sollicitant thermiquement pour le système de dépollution. Ainsi, afin de maintenir son intégrité, il est nécessaire de procéder à une alternance de réglage moteur dans le cylindre, entre une richesse H strictement supérieure à 1, par exemple comprise entre 1,05 et 1,10, et une richesse H moindre que la précédente et qui peut éventuellement être inférieure à 1, par exemple comprise entre 0,9 et 1,1. Ce fractionnement permet de refroidir le piège 1 à oxydes d’azote. Afin de réguler facilement la température dans le piège 1 à oxydes d’azote, la grille chauffante 8 est par exemple utilisée temporairement, afin de rester dans une plage de températures T élevées entre 700° et 750°C.

Durant l’étape 13 de désulfuration, la charge ou couple moteur doit nécessairement être supérieure à un seuil pour permettre ces réglages à richesse élevée. Cette charge permet également d’augmenter la température T dans le piège 1 à oxydes d’azote. La charge est régulée (augmentée) à l’aide de l’alterno-démarreur 6 pour garantir l’efficacité de traitement du soufre. L’alterno-démarreur 6 fonctionne alors en mode A de génératrice et stocke l’énergie supplémentaire dans la batterie 8 qui avait été préalablement partiellement vidée durant l’étape 12 de régénération du filtre à particules 3. En parallèle, si la batterie 8 est pleine, la grille chauffante 5 est activée pour augmenter la température T et vider la batterie 8.

Une fois que la masse D de soufre est passé sous le seuil de masse de soufre critique, soit environ après 25 minutes, on effectue une étape 14 de désoxydation du piège 1 à oxydes d’azote à un régime F et une charge moteur prédéfinis. En effet, les fortes températures T des étapes précédentes et les apports d’oxygène ont généré de l’oxydation dans le piège 1 à oxydes d’azote, ce qui altère leur stockage et impacte directement les émissions en sortie d’échappement. Cette étape 14 de désoxydation est effectuée avec un mode de combustion à une richesse H supérieure à 1. Comme pour l’étape 13 précédente, une alternance de richesse H supérieure à 1 et de richesse inférieure à 1 est nécessaire afin d’éviter d’obtenir des températures T trop importantes. Cette étape 14 permet ainsi de réduire la masse E d’oxydes d’azote, jusqu’à une masse prédéfinie, par exemple de quelques grammes par litre dans le piège 1 à oxydes d’azote.

Enfin, une dernière étape 15 de refroidissement du véhicule est effectuée afin de restituer le véhicule au conducteur sans risque thermique. Par exemple, le refroidissement est considéré terminé lorsque la température T du piège 1 à oxydes d’azote est revenue à la température de début du procédé. L’ensemble des étapes dure environ une heure.

Durant toutes les étapes précédentes l’alterno-démarreur 6 intervient ou peut intervenir en mode A de génératrice ou en mode moteur pour atteindre un régime F ou une charge moteur spécifique, ou pour recharger la batterie 8. De même, la grille chauffante 5 permet de réguler la température durant chaque étape, ou bien de consommer l’énergie de la batterie 8 de façon à permettre ensuite l’utilisation de l’alterno-démarreur en mode de génératrice pour augmenter le couple du moteur thermique. Pour cela, des boucles de régulation sont mises en place à l’aide de capteurs pour mesurer chaque paramètre et déclencher l’utilisation ou non de la grille chauffante 5, de l’alterno-démarreur 6, d’une alternance de richesse H, ou de tout autre outil servant à réguler ces paramètres.

L’invention n’est pas limitée au mode de réalisation qui vient d’être décrit.

Par exemple, dans un mode de mise en œuvre, c’est le conducteur lui-même qui, une fois le véhicule à l’arrêt, peut enclencher la procédure de désulfuration en suivant les étapes indiquées par le constructeur via un bouton sur la planche de bord ou un menu dédié dans l’ordinateur de bord.

Dans un autre mode de mise en œuvre, le moteur du véhicule est équipé d’un moteur à essence.

Claims

Procédé de désulfuration d’un piège (1) à oxydes d’azote de moteur thermique de véhicule automobile hybride comportant un moteur de traction électrique monté en amont de la chaîne de transmission du véhicule, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre lorsque le véhicule est à l’arrêt, et en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
Mise en chauffe du moteur thermique (étape 11) ;

Régénération (étape 12) d’un filtre à particules (3) placé après le piège (1) à oxydes d’azote, jusqu’à atteindre une masse (C) de suie inférieure à une masse prédéterminée dans le filtre à particules (3) ;

Au moins un passage (étape 13) en milieu réducteur avec une richesse (H) de fonctionnement du moteur thermique supérieure à 1, et chauffage du piège (1) à oxydes d’azote jusqu’à une température (T) supérieure à 600°C jusqu’à atteindre une masse (D) de soufre inférieure à un seuil de masse de soufre critique, le couple du moteur thermique étant régulé par le moteur de traction électrique ;

Désoxydation (étape 14) du piège (1) à oxydes d’azote ;

Refroidissement (étape 15) des organes mécaniques du véhicule.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre uniquement avec les composants déjà présents dans le véhicule.
Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque étape est effectuée à un régime (F) et une charge moteur spécifiques.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il utilise une grille chauffante (5), un alterno-démarreur (6), une batterie (8) et des moyens d’augmentation ou de diminution de la richesse (H) du mélange en air et en carburant dans le moteur thermique configurés pour réguler les conditions de températures (T), de régime (F) ou de charge du moteur thermique pour la désulfuration du piège (1) à oxydes d’azote.
Procédé selon la revendication 4, dans lequel on régule l’état de charge de la batterie (8) du véhicule par régulation de la charge du moteur par l’alterno-démarreur (6).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel lors de l’étape (12) de régénération du filtre à particules (3), on augmente la température du filtre à particules (3) au moyen d’une résistance chauffante, jusqu’à une température adaptée au brulage de la suie.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape (12) de régénération du filtre à particule (3) s’effectue avec un retard d’injection de carburant afin d’augmenter la richesse (H) à un niveau inférieur à 1.
Système de traitement de données (2) comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.