FR2902140A1 - Procede de gestion du fonctionnement d'un moteur a combustion interne et de sa ligne d'echappement - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur à combustion interne (1) et de sa ligne d'échappement (2), celle-ci étant équipée d'un catalyseur SCR (3) comportant un squelette de zéolithe imprégné par des particules métalliques à l'état métallique ou oxydé, caractérisé en ce que, lorsqu'on détecte que le véhicule a roulé pendant une durée ou un kilométrage prédéterminé dans des conditions ayant conduit à une accumulation de NH3 et/ou d'hydrocarbures dans le catalyseur SCR (3), on modifie les conditions de fonctionnement du moteur (1) et/ou de la ligne d'échappement (2) de manière à porter les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) à une température comprise entre 150 et 200 degree C pour réaliser une désorption du NH3 et/ou des hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR (3).

Description

Procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur à combustion interne et
de sa ligne d'échappement. L'invention concerne l'industrie automobile, et plus particulièrement les moteurs à combustion interne et leur ligne d'échappement lorsqu'elle est équipée de catalyseurs réduisant les émissions gazeuses indésirables, notamment les oxydes d'azote. Les émissions gazeuses dommageables pour l'environnement des moteurs à combustion interne, essence ou diesel, doivent être minimisées pour satisfaire les normes antipollution existantes et à venir. C'est en particulier le cas to des émissions d'oxydes d'azote NOx. La destruction des NOx s'effectue souvent par un procédé de réduction catalytique sélective (dite couramment SCR, Selective Catalytic Reduction). Celui-ci combine l'introduction dans les gaz d'échappement d'agents réducteurs tels que l'ammoniac NH3 (directement ou par l'intermédiaire d'un 15 précurseur tel que l'urée, qui se décompose dans les gaz d'échappement chauds pour former du NH3) ou des hydrocarbures, et le passage des gaz d'échappement ainsi additivés sur un catalyseur déNON tel que des zéolithes. Le catalyseur déNOx est poreux et adsorbe simultanément les agents réducteurs et les NOx sur sa surface et dans son volume poreux. Leur réaction les transforme 20 en eau et en azote, inoffensifs pour l'environnement. Les catalyseurs à base de zéolithes sont généralement imprégnés par des éléments métalliques à l'état métallique ou oxydé sous forme de nanoparticules, d'agrégats atomiques ou moléculaires ou d'atomes. Ces métaux ou leurs oxydes doivent être conservés dans un état d'oxydation élevé pour 25 maintenir la stabilité globale du catalyseur et son efficacité optimale lors du traitement des NON. Il s'avère toutefois que les catalyseurs SCR à zéolithes imprégnés de métaux ont une efficacité qui diminue souvent rapidement au fil du temps et nécessite leur remplacement d'une manière trop fréquente. 30 Le but de l'invention est de proposer des moyens permettant aux catalyseurs SCR à base de zéolithes imprégnés de métaux de conserver leur efficacité optimale pendant une durée élevée, de manière à espacer autant que possible leurs remplacements. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur à combustion interne et de sa ligne d'échappement, celle-ci étant équipée d'un catalyseur SCR comportant un squelette de zéolithe imprégné par des particules métalliques à l'état métallique ou oxydé, caractérisé en ce que, lorsqu'on détecte que le véhicule a roulé pendant une durée ou un kilométrage prédéterminé dans des conditions ayant conduit à une accumulation de NH3 etlou d'hydrocarbures dans le catalyseur SCR, on modifie les conditions i0 de fonctionnement du moteur etlou de la ligne d'échappement de manière à porter les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR à une température comprise entre 150 et 200 C pour réaliser une désorption du NH3 et/ou des hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR. Lesdites conditions ayant conduit à une accumulation de NH3 et/ou 15 d'hydrocarbures dans le catalyseur SCR peuvent être choisies comme étant une température des gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR inférieure à 150 C. Les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR peuvent être portés à une température de 150 à 200 C au moyen de post-injections de 20 carburant. Les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR peuvent être portés à une température de 150 à 200 C au moyen d'une réduction de la quantité d'air d'admission. Les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR peuvent être 25 portés à une température de 150 à 200 C au moyen d'un réchauffage électrique des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR peuvent être portés à une température de 150 à 200 C au moyen d'une réduction du taux de recirculation des gaz d'échappement. 30 Comme on l'aura compris, l'invention consiste en une stratégie de gestion du fonctionnement du moteur, selon laquelle on évite en toutes circonstances que les gaz d'échappement traversant le catalyseur SCR, ne se trouvent à une température inférieure à 150 C pendant une longue période, ce qui causerait une dégradation irréversible du catalyseur. II est connu que les catalyseurs SCR à zéolithe imprégnée ont une efficacité décroissante en dessous de 250 C et quasi-nulle en dessous de 120 C, comme le montre le document US-B-6 209 313. En conséquence, il est recommandé par ce même document de procéder à des modifications du fonctionnement du moteur lorsqu'une mauvaise conversion des NOX est détectée. C'est en particulier le cas lors des phases de démarrage du véhicule, lorsque le moteur est encore froid. A cet effet, on peut jouer sur le moment de ro l'injection de carburant, le taux de recirculation des gaz d'échappement... Les inventeurs ont déterminé que les périodes pendant lesquelles les gaz d'échappement traversent les catalyseurs SCR à basse température (moins de 150 C) conduisent à une dégradation irréversible du catalyseur lui-même si elles se prolongent. Il est donc primordial d'éviter que ces périodes aient une 15 fréquence et une durée importantes, et ce pendant toutes les périodes d'utilisation du véhicule, et pas seulement lors des démarrages et des quelques minutes qui suivent. En effet, ces situations peuvent se produire également lorsque le véhicule roule en ville, à de faibles vitesses, ou lorsque le moteur tourne au ralenti lorsque le véhicule est à l'arrêt. 20 Les zéolithes sont composées d'oxydes de Si et Al liés pour former des matériaux poreux polycristallins. Elles sont très acides et ont un réseau hautement ordonné de canaux et de pores dont les dimensions sont d'un ordre de grandeur moléculaire (5-10 A). Lorsque les zéolithes sont imprégnées d'ions métalliques (Fe, Cu, Mn, Ag, Au, Ni, Co, Cr, La, Zn, Pt, V...) et de leurs 25 mélanges, elles constituent d'efficaces pièges à NOx pour la phase gazeuse qui les traverse. Les éléments métalliques peuvent être échangés sur ou dans le squelette de zéolithe avec les sites acides (H+) du squelette de zéolithe, pour former des cations métalliques simples, ou des agrégats d'oxydes métalliques adsorbés sur ou dans le squelette de zéolithe, ou des nanoparticules de métaux 30 (Ag, Au, Pt, Pd, Ni...) ou d'oxydes métalliques (MoO3, CO304, MnO2, CuO, CaO, NiO, Bi203, Fc203, V203, TiO2, CdO, PdO, ZnO, SnO2, ZrO2, MoO3, W03, Ag2O) adsorbés sur la surface du squelette de zéolithe.
Lorsqu'un agent réducteur tel que NH3 est introduit dans le courrant gazeux et passe sur le catalyseur SCR, il est piégé dans ou sur la structure de la zéolithe par ses sites acides. Lorsque les NON et le NH3 sont proches, ils réagissent pour former N2 et H2O.
L'avantage des zéolithes sur les autres catalyseurs SCR envisageables est leur que leur structure poreuse piège le NH3 et constitue un réservoir pour ce composé. Elles piègent aussi les hydrocarbures également utilisables comme agents réducteurs. On sait classiquement que l'efficacité de la conversion des NON i0 dépend de la température. Elle est quasi-nulle en dessous de 150 C, puis augmente progressivement au-delà de cette température. A partir de 200 C, lorsque le catalyseur est neuf, le taux de conversion devient très élevé (75% et davantage). Mais au fur et à mesure du vieillissement du catalyseur, ce profil se déplace vers des températures plus élevées. 15 Ce vieillissement, selon les inventeurs, est dû essentiellement aux causes suivantes. Les cations métalliques à état d'oxydation élevé qui imprègnent la zéolithe sont très efficaces pour convertir les NON. Mais lorsqu'ils sont au contact du NH3 ou des hydrocarbures piégés par le squelette de la zéolithe pendant une 20 longue période (quelques heures à plusieurs semaines) à de basses températures (moins de 150 C), ces cations métalliques tendent à se transformer en cations à état d'oxydation moins élevé, puis finalement en atomes métalliques à état d'oxydation nul. Ils deviennent ainsi beaucoup moins efficaces dans les réactions catalytiques. Par exemple, les actions Cul+ d'origine sont transformés 25 en cations Cu+, puis en atomes Cu. De plus, ces atomes métalliques tendent à fritter pour former des nanoparticules de métal, ce qui dégrade irréversiblement le catalyseur. Les nanoparticules d'oxydes métalliques qui peuvent également imprégner le catalyseur sont soumises au même phénomène. Ainsi les particules 3o de Fe2O3 sont réduites en Fe3O4, dont la structure cristalline différente fait que sa surface active est moindre que celle du Fe2O3. Là encore cela entraîne une diminution de l'effet catalytique de la zéolithe imprégnée.
Selon l'invention, on assure par des moyens adéquats que des gaz d'échappement ne traversent jamais le catalyseur SCR, dans lequel du NH3 et/ou des hydrocarbures se sont accumulés, à une température inférieure à 150 C pendant une période prolongée. A cet effet on met en oeuvre une stratégie de contrôle moteur qui, dans ces circonstances, permet de détruire le NH3 et les hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR. On supprime ainsi autant que possible une cause principale du vieillissement du catalyseur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, donnée en référence à la figure unique annexée, qui représente io schématiquement à titre d'exemple un moteur diesel et sa ligne d'échappement, équipés d'éléments permettant la mise en oeuvre de l'invention. Le moteur diesel 1 possède une ligne d'échappement 2 sur laquelle sont implantés, dans cet ordre, un catalyseur SCR 3 à base de zéolithe imprégnée de métal et/ou d'oxyde métallique pour la destruction des NON, un 15 catalyseur d'oxydation 4 et un filtre à particules 5. La ligne 2 est également équipée d'un réservoir d'urée 6 qui permet d'injecter ce précurseur du NH3 dans la ligne d'échappement pour réaliser la destruction des NON en conjonction avec le catalyseur SCR 3. Des thermocouples 7, 8 mesurent la température des gaz d'échappement respectivement au point d'injection de l'urée et un peu en amont 20 de l'entrée du catalyseur SCR 3, et transmettent leurs informations à l'ordinateur embarqué 9 qui contrôle le fonctionnement du moteur 1 et l'injection de l'urée à partir du réservoir 6. Les thermocouples 7, 8, notamment, permettent à l'ordinateur embarqué 9 de détecter les phases pendant lesquelles la température des gaz 25 entrant dans le catalyseur SCR 3 est en dessous de 150 C, ce qui conduit à l'accumulation nuisible de NH3 et d'hydrocarbures dans le catalyseur SCR 3. Lorsque cette température de moins de 150 C a persisté pendant une période prolongée, par exemple pendant plus de 10 km consécutifs, l'ordinateur embarqué 9 commande l'exécution d'une stratégie de fonctionnement du moteur 30 1 qui va porter les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR 3 à une température comprise entre 150 et 200 C pendant une durée suffisante pour assurer la destruction ou la désorption du NH3 et des hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR 3. Cette durée peut varier entre 30 secondes et 10 minutes par exemple, de préférence entre 30 secondes et 1 minute. Lorsque les thermocouples 7, 8 détectent une température des gaz d'échappement à l'entrée du catalyseur SCR 3 supérieure à 200 C, la stratégie est modifiée de manière à ramener cette température à 150-200 C ou est complètement interrompue. L'objectif de cette stratégie n'est pas de déclencher la catalyse SCR dans des conditions optimales (qui correspondraient à des températures de plus de 200 C) mais d'éliminer le NH3 et les hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR 3. La quantité de NOx produite pendant les périodes de roulage à faible io vitesse étant relativement faible, on peut se permettre de ne pas réaliser la catalyse SCR dans des conditions optimales pendant l'élimination du NH3 et des hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR 3. Cette stratégie d'augmentation de la température des gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR 3 est typiquement exécutée grâce à 15 des post-injections de carburant. Un exemple non limitatif en est la stratégie suivante. Lorsque le véhicule circule en ville ou à une vitesse réduite (20 km/h ou moins), les injecteurs injectent, comme normalement, 25 mg de carburant lorsque le piston de leur cylindre atteint le point mort haut. Puis lorsque l'arbre à cames a tourné de 5 pendant la descente du piston, une nouvelle injection de 5 mg de 20 carburant est effectuée. II s'agit de la post-injection destinée, selon l'invention, à porter les gaz d'échappement à 150-200 C avant leur entrée dans le catalyseur SCR 3. La plus grande partie du carburant n'est pas transformée en énergie mécanique repoussant le piston, mais procure une énergie thermique réchauffant les gaz. Cette séquence d'injections principales suivie de post-injections est 25 poursuivie pendant, par exemple, une minute. Cette stratégie se distingue des stratégies de post-injection habituellement pratiquées, notamment pour favoriser la destruction des NOx dans le catalyseur SCR 3, sur les points suivants : Si la température à l'entrée du catalyseur SCR 3, déterminée par les 3o thermocouples 7, 8, est en dessous de 150 C, la quantité d'hydrocarbures injectée lors de la seconde injection est augmentée de 1 mg pendant 10 secondes, jusqu'à l'obtention d'une température en amont du catalyseur SCR entre 150 et 200 C. Ce stade de la stratégie est maintenu pendant au moins 30 secondes, de préférence une minute. - elle ne vise qu'à créer une exotherme à 150-200 C sur la zéolithe du catalyseur SCR 3, sans accroître significativement la quantité d'hydrocarbures présente dans les gaz d'échappement traversant le catalyseur SCR 3 ; - elle est exécutée seulement après que le véhicule a parcouru une certaine distance (par exemple entre 1 et 200 km) ou séjourné un certain temps (par exemple 30 minutes) dans des conditions de basse vitesse (moins de 50kmlh par exemple), ou après qu'une température des gaz d'échappement inférieure à 150 C a été détectée pendant une durée d'au moins 30 minutes consécutives, par exemple. De manière générale, la stratégie doit être mise en oeuvre lorsque les conditions de roulage ont été telles qu'il est probable que le catalyseur SCR 3 a accumulé une grande quantité d'agents réducteurs (urée, NH3, coke, hydrocarbures) qu'il devient nécessaire de détruire pour éviter une dégradation du catalyseur par les mécanismes qui ont été décrits. Cette stratégie de post-injection est utilisée en parallèle et indépendamment des autres stratégies habituelles de post-injection pouvant être mises en oeuvre par l'ordinateur 9 pour réduire les émissions polluantes du moteur 1 ou régénérer les catalyseurs 3, 4 en les portant à des températures supérieures à 450 C pour brûler les suies qui s'y sont accumulées. Au lieu de réaliser l'augmentation de la température des gaz d'échappement par une simple post-injection de carburant, on peut combiner cette post-injection avec une réduction de la quantité d'air d'admission par une diminution de la pression du turbocompresseur, ce qui diminue la quantité de carburant brûlée et contribue donc à augmenter la quantité d'hydrocarbures présents dans les gaz d'échappement. Cette réduction de la quantité d'air d'admission peut éventuellement être utilisée seule. Egalement, on peut réaliser l'augmentation de la température par un réchauffage électrique des gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR 3, ou par une réduction du taux de recirculation des gaz d'échappement. Tous ces moyens ou certains d'entre eux peuvent être cumulés.
L'invention s'applique notamment aux véhicules à moteur diesel, mais aussi aux véhicules à moteur essence.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur à combustion interne (1) et de sa ligne d'échappement (2), celle-ci étant équipée d'un catalyseur SCR (3) comportant un squelette de zéolithe imprégné par des particules métalliques à l'état métallique ou oxydé, caractérisé en ce que, lorsqu'on détecte que le véhicule a roulé pendant une durée ou un kilométrage prédéterminé dans des conditions ayant conduit à une accumulation de NH3 et/ou d'hydrocarbures dans le catalyseur SCR (3), on modifie les conditions de fonctionnement du moteur (1) et/ou de la ligne d'échappement (2) de manière à ta porter les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) à une température comprise entre 150 et 200 C pour réaliser une désorption du NH3 et/ou des hydrocarbures accumulés dans le catalyseur SCR (3).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites conditions ayant conduit à une accumulation de NH3 et/ou d'hydrocarbures dans 15 le catalyseur SCR (3) sont choisies comme étant une température des gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) inférieure à 150 C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) sont portés à une température de 150 à 200 C au moyen de post-injections de carburant. 20
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) sont portés à une température de 150 à 200 C au moyen d'une réduction de la quantité d'air d'admission.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 25 les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) sont portés à une température de 150 à 200 C au moyen d'un réchauffage électrique des gaz d'échappement.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les gaz d'échappement entrant dans le catalyseur SCR (3) sont portés à une 30 température de 150 à 200 C au moyen d'une réduction du taux de recirculation des gaz d'échappement.
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