Brevet FR2850132A1 — publié le 20040723

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de dosage d'au moins un agent réactif dans les gaz d'échappement d'une installation de combustion comprenant au moins un catalyseur installé dans une con5 duite de gaz d'échappement), notamment la combinaison d'un catalyseur à réduction catalytique sélective RCS et d'un catalyseur d'oxydation (d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, pour nettoyer les gaz d'échappement, en particulier pour réduire les oxydes d'azote (NO.), selon lequel dans les gaz d'échappement on ajoute en dosant une quantité d'au 10 moins un réactif, notamment d'un agent réducteur dépendant d'au moins un paramètre de fonctionnement d'au moins un catalyseur et/ou d'au moins une grandeur de fonctionnement de l'installation de combustion pour les gaz d'échappement. L'invention concerne également un dispositif de dosage. 15 Etat de la technique Pour diminuer l'émission de matières polluantes contenues dans les gaz d'échappement d'installations de combustion, en particulier dans un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, on prévoit des catalyseurs dans les conduites de gaz d'échappement. Les catalyseurs brlent par exemple en grande partie les hydrocarbures et le monoxyde de carbone contenus dans les gaz d'échappement. Toutefois, il subsiste des oxydes d'azote, polluants, dans les gaz d'échappement qui arrivent dans l'environnement. Selon le document EP 1 024 254 A2, on connaît un procédé 25 et un dispositif de commande d'un système de traitement des gaz d'échappement selon lequel en amont du catalyseur on ajoute un agent réducteur et en fonction de l'amplitude de la charge et d'au moins un paramètre de fonctionnement on prédéfinit une grandeur déterminant la quantité d'agent de réaction à fournir. Cette grandeur est corrigée selon 30 au moins un autre paramètre de fonctionnement. La correction se fait à partir de champs de caractéristiques et on utilise pour cela un nombre aussi élevé de champs de caractéristiques pour permettre de réaliser une correction aussi précise que possible. Les champs de caractéristiques sont par exemple enregistrés sur un banc d'essai. Chaque champ de caracté35 ristiques augmente ainsi le travail d'application à effectuer notamment le temps nécessaire. Cela est particulièrement gênant s'il faut remplacer le catalyseur et/ou l'installation de combustion, par exemple le moteur thermique d'un véhicule automobile. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de dosage d'au moins un réactif dans la conduite des gaz d'échappement ainsi qu'un dispositif pour exécuter ce procédé appliqué à une installation 5 de combustion comprenant un catalyseur du type défini ci-dessus en permettant d'établir des champs de caractéristiques utilisés pour corriger la quantité d'au moins un réactif, avec une mise en oeuvre de moyens d'application réduits, notamment un temps de travail réduit et permettant de modifier les champs de caractéristiques avec une mise en oeuvre de 10 moyens techniques réduits lors du remplacement du catalyseur et/ou de l'installation de combustion. La quantité d'un réactif, notamment d'un agent réducteur, doit être dosée au moins selon un paramètre de fonctionnement du catalyseur ou de l'installation de combustion pour être ajoutée au gaz 15 d'échappement; pour chaque état ou paramètre de fonctionnement du catalyseur, par exemple des températures différentes, et/ou de l'installation de combustion dans des moteurs à combustion interne, par des régimes différents, ou des quantités de carburant à injecter différentes ou analogues, on doit toujours avoir un dosage optimum d'au moins un 20 réactif. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'à partir d'une concentration de dioxyde d'azote contenue dans les gaz d'échappement, notamment en aval du ca25 talyseur d'oxydation 11, lorsqu'on regarde dans le sens de passage des gaz d'échappement, on détermine la quantité d'au moins un agent réactif à partir d'au moins une concentration de dioxyde d'azote contenue dans les gaz d'échappement. L'invention concerne également un dispositif pour la mise 30 en oeuvre de ce procédé, ce dispositif étant caractérisé par une unité de commande qui dose au moins un réactif à partir d'une concentration saisie en dioxyde d'azote contenue dans les gaz d'échappement, en particulier en aval du catalyseur d'oxydation considéré dans le sens de passage des gaz d'échappement. Le procédé selon l'invention prévoit de déterminer la quantité d'au moins un réactif à partir de la concentration en dioxyde d'azote dans les gaz d'échappement, notamment dans la conduite de gaz d'échappement en aval du catalyseur d'oxydation. L'utilisation du débit massique de dioxyde d'azote comme grandeur guide a l'avantage de permettre une amélioration significative de la précision du dosage car la concentration en dioxyde d'azote en aval du catalyseur d'oxydation selon le sens de passage des gaz d'échappement est déterminante pour définir la 5 quantité d'agent réducteur et non la concentration globale d'oxydes d'azote contenue dans les gaz d'échappement. En particulier pour des gaz d'échappement à faible température, la quantité de dioxyde d'azote est déterminante pour leur conversion et ainsi pour la demande en agent réducteur. Selon un mode de réalisation avantageux, la concentration en dioxyde d'azote se détermine à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement du catalyseur et/ou d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'installation de combustion. Selon un autre mode de réalisation très avantageux, on dé15 termine la concentration en dioxyde d'azote à partir d'un champ de caractéristiques de dioxyde d'azote en utilisant au moins un paramètre de fonctionnement du catalyseur et/ou à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'installation de combustion. Il est avantageux qu'un champ de caractéristiques, à savoir 20 le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote soit suffisant en ce qu'on tient compte de la quantité de dioxyde d'azote en aval du catalyseur d'oxydation dans le sens de passage des gaz d'échappement comme fonction des paramètres de fonctionnement du catalyseur, en particulier de la température des gaz d'échappement et/ou des paramètres de fonctionne25 ment de l'installation de combustion, notamment comme fonction du régime moteur, d'une installation d'injection de carburant d'un moteur thermique. De manière avantageuse, le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote se détermine à partir d'un champ de caractéristiques de 30 dioxyde d'azote de l'installation de combustion et d'un champ de conversion du catalyseur d'oxydation. Le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote ou le champ de conversion sont des caractéristiques de chaque installation de combustion ou de chaque catalyseur d'oxydation et par exemple pour la fabrication ces champs peuvent être déterminés de ma35 nière séparée sur n'importe quel banc d'essai de façon que si l'on remplace l'installation de combustion et/ou le catalyseur d'oxydation, il suffit de réenregistrer de nouveau le champ de caractéristiques correspondant des composants remplacés. On diminue ainsi de manière significative les moyens à mettre en oeuvre pour l'application, c'est-à- dire les mesures sur un banc d'essai. Pour améliorer encore plus la précision de la quantité dosée, un développement avantageux du procédé prévoit de corriger la 5 quantité d'au moins un réactif avec au moins l'un des paramètres de fonctionnement suivants: la température d'au moins un catalyseur, l'humidité de l'air, la vitesse ambiante (débit volumique) des gaz d'échappement, en particulier dans au moins un catalyseur, le rendement d'au moins un catalyseur pour un état de fonctionnement caractérisé par io au moins un paramètre de fonctionnement de l'installation de combustion, le rapport quantitatif des oxydes d'azote NO par rapport à N02 dans les gaz d'échappement, d'une quantité d'au moins un réactif stocké dans le catalyseur et/ou une valeur de correction résultant de la comparaison et en particulier de la différence entre la température stationnaire des gaz 15 d'échappement en amont et en aval d'au moins un catalyseur selon le sens de passage des gaz d'échappement pour un état de fonctionnement de l'installation de combustion et la température d'au moins un catalyseur. Comme agent réactif on utilise notamment une substance 20 dégageant de l'ammoniac ou un mélange, de préférence directement de l'ammoniac. La quantité d'ammoniac nécessaire (NH3) se calcule de manière stoechiométrique par application de la formule suivante: NO2 + NO + 2 NH3 2 N2 + 3 H20 Le dispositif selon l'invention a l'avantage de permettre avec des moyens techniques réduits en utilisant des composants existant de toute façon, par exemple en remplaçant simplement un nombre réduit de composants et/ou par une programmation par exemple d'une unité de 30 commande, de permettre d'utiliser une concentration de dioxyde d'azote et/ou une composition de gaz d'échappement comme grandeur guide pour déterminer la quantité d'agent réactif. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 35 détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un dispositif de mise en oeuvre d'une unité de dosage en liaison avec une combinaison d'un catalyseur RCS et d'un catalyseur d'oxydation selon l'invention, - la figure 2 montre schématiquement un diagramme pour décrire un s procédé selon l'invention pour déterminer la quantité d'agent actif à partir d'un champ de caractéristiques de dioxyde d'azote, - la figure 3 montre schématiquement un diagramme servant à décrire un second exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention selon lequel le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote se détermine à 10 partir d'un champ de caractéristiques d'oxydes d'azote, - la figure 4 montre schématiquement un diagramme pour décrire un troisième exemple de réalisation d'un procédé selon lequel on corrige une certaine quantité d'agent réactif à l'aide d'un champ de caractéristiques de correction et d'une grandeur caractéristique de correction. 15 Description de modes de réalisation préférentiels Un catalyseur RCS 10 (catalyseur à réduction catalytique sélective) selon la figure l et un catalyseur d'oxydation ll en amont de celui-ci mais constituant avec lui un ensemble sont reliés par une conduite de gaz d'échappement 20 à un moteur thermique ou moteur à com20 bustion interne 3. Le catalyseur d'oxydation l l est installé aussi près que possible du moteur thermique 3. Pendant le fonctionnement du moteur thermique 3, des gaz d'échappement non nettoyés sont émis par le moteur 3 et circulent dans le sens de la flèche 25 (direction de circulation des gaz d'échappement) pour arriver dans le catalyseur d'oxydation l l et le cata25 lyseur RCS 1 0. Le catalyseur d'oxydation l l et le catalyseur RCS 10 nettoient de façon connue en soi les gaz d'échappement bruts. Les gaz d'échappement nettoyés s'échappent à l'environnement dans la direction de la flèche 35 en aval du catalyseur RCS 10 par une conduite de gaz d'échappement 10 selon le sens de passage des gaz d'échappement. Le procédé et le dispositif décrits ci-après ne sont pas limités à l'application à un moteur thermique 3. Ils peuvent également être utilisés en combinaison avec une installation de combustion quelconque, par exemple une installation de chauffage ou une installation de ce type. A l'aide d'une conduite de dosage 40 on fournit le réactif, 35 par exemple de l'ammoniac (NH3) 200 comme agent réducteur par l'unité de dosage 50 au gaz d'échappement dans la zone comprise entre le catalyseur RCS 10 et le catalyseur d'oxydation Il pour arriver d'une manière connue en soi à la réduction des oxydes d'azote contenus dans le gaz d'échappement brut. Sur le strict plan des principes, on peut prévoir un autre catalyseur d'oxydation, non représenté, pour éviter la dérive NH3. A la place de l'ammoniac 200 on peut utiliser n'importe quel autre agent réducteur libérant en particulier de l'ammoniac ou un mélange d'agents réducteurs, par exemple une solution urée-eau (S-U/E). L'unité de dosage 50 reçoit de l'ammoniac 200 par l'intermédiaire d'une conduite d'ammoniac 205 en provenance d'un réser1o voir 206. A la place du réservoir 206, strictement sur le plan du principe on peut également prévoir une autre installation pour fournir de l'ammoniac 200, par exemple une unité de préparation dégageant de l'ammoniac 200 par exemple à l'aide d'un carburant existant sur place. L'unité de dosage 50 est commandée par une unité de 15 commande 90 par l'intermédiaire d'une ligne de commande 110. L'unité de commande 90 permet de déterminer, notamment de calculer la quantité d'ammoniac 200. Pour calculer la quantité d'ammoniac 200, un capteur de température 60 détecte la température 230 des gaz d'échappement comme 20 cela sera décrit à propos de la figure 2; les gaz d'échappement concernés sont ceux en aval du catalyseur RCS 10. Cette température est un paramètre de fonctionnement du catalyseur RCS 10 et du catalyseur d'oxydation i1; l'information est transmise par l'unité de commande 90 par l'intermédiaire d'une première ligne de données 165. De plus, on dé25 termine, comme cela sera décrit ci-après en liaison avec la figure 2, le régime moteur 210 et la quantité de carburant à injecter 220 comme paramètres de fonctionnement du moteur thermique 3 à l'aide d'une unité de capteur 150 en procédant de manière connue; l'information correspondante est transmise par une seconde ligne de données 155 à l'unité de 30 commande 90. Pour simplifier il n'est prévu chaque fois qu'un capteur de température 160 et qu'une unité de capteur 150 ainsi qu'une ligne de transmission de données 155, 165 respective. Mais, sur le plan du principe, on peut utiliser un grand nombre de capteurs différents pour déterminer divers paramètres de fonctionnement du catalyseur RCS 10 et/ou 35 du catalyseur d'oxydation 11 ainsi que du moteur thermique 3. Les signaux de sortie de ces capteurs sont transmis par des lignes correspondantes à l'unité de commande 90. Selon un premier schéma d'exécution de l'exemple de réalisation du procédé de l'invention représenté à la figure 2, on fournit le régime 210, la quantité de carburant à injecter 220 et la température 230 des gaz d'échappement en aval du catalyseur RCS 10 selon le sens de 5 passage des gaz d'échappement à un champ de caractéristiques de dioxyde d'azote 250. Selon les paramètres de fonctionnement ci-dessus, le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote 250 fournit une quantité de dioxyde d'azote 260 existant en aval du catalyseur d'oxydation 10 dans le sens de passage des gaz d'échappement. La quantité de dioxyde d'azote 10 260 est transmise à une unité de calcul 270 qui, partant de cette grandeur, fournit la quantité d'ammoniac 280. Le calcul de la quantité d'ammoniac 280 applique la formule suivante: (1) NO2 + NO + 2 NH3 - 2 N2 + 3 H20. Des essais nombreux ont montré qu'un rapport NO/NO2 égal à 1/1 donne une réduction optimale des oxydes d'azote. Dans un second exemple de réalisation représenté à la fi20 gure 3, on a utilisé les mêmes références que dans le premier exemple de réalisation de la figure 2 pour désigner les mêmes éléments dont la description ne sera pas reprise ici. Cet exemple de réalisation se distingue du premier exemple en ce que l'on ne fournit pas directement au champ de caractéristiques de dioxyde d'azote 250, le régime moteur 210, la quantité 25 de carburant à injecter 220 et la température 230 des gaz d'échappement en aval du catalyseur RCS 10 selon le sens de passage des gaz d'échappement. Au lieu de cela on a un champ de caractéristiques d'oxydes d'azote 210 du moteur thermique 3 et un champ de caractéristiques de conversion 320 du catalyseur d'oxydation 11 décrit en liaison avec 30 la figure 1. Ce champ de caractéristiques d'oxydes d'azote est branché de manière intermédiaire. Une grandeur de sortie du champ de caractéristiques de conversion 320 est transmise au champ de caractéristiques de dioxyde d'azote 250. Le régime moteur 210 et la quantité de carburant à injecter 220 sont fournis au début au champ de caractéristiques d'oxydes 35 d'azote 310 qui détermine ainsi la quantité 315 de dioxyde d'azote. La quantité 315 d'oxydes d'azote et la température 230 des gaz d'échappement en aval du catalyseur RCS 10 selon le sens de l'écoulement sont transmises alors au champ de conversion 320. Dans un troisième exemple de réalisation représenté à la figure 4 on a utilisé les mêmes références pour les éléments correspondant au premier et deuxième exemple de réalisation (figures 2 et 3) dont la description ne sera pas reprise. Dans le troisième exemple de réalisation se5 lon la figure 4, on corrige la quantité d'ammoniac 280 à l'aide d'un autre champ de caractéristiques 410 prédéterminé par exemple par le fabricant. Pour cela on transmet au champ de caractéristiques de correction 410 d'autres grandeurs caractéristiques d'état 460, 470, produites comme grandeurs d'entrée et à partir de la grandeur de sortie du champ de cor10 rection 410 on corrige la quantité d'ammoniac 280 qui donne une première quantité d'ammoniac corrigée 430. Pour cela, on multiplie la quantité d'ammoniac 280 par exemple en cas de déviation entre la quantité d'ammoniac 280 et une valeur de consigne prédéterminée par exemple par le fabricant, avec une valeur prélevée du champ de caractéristiques de 15 correction 410 qui entre temps se situe entre 0 et 1. Pour une autre correction de la quantité d'ammoniac 430 déjà corrigée une première fois, on utilise ensuite la température 420 du catalyseur RCS 10 comme grandeur caractéristique de correction. En cas de déviation de la température 420 du catalyseur RCS 10 par rapport à 20 une autre valeur de consigne prédéfinie par exemple par fabrication, on ajoute ou on soustrait une valeur de correction dépendant de la première déviation par rapport à la première quantité d'ammoniac corrigée 430. Le résultat est transmis comme seconde quantité d'ammoniac à doser 440, et qui est corrigée à l'unité de dosage 50. Sur le strict plan des principes, en variante ou en plus de la température 420 du catalyseur RCS 10 on peut utiliser au moins l'une des grandeurs de correction suivantes qui s'utilise également comme grandeur caractéristique d'état 460, 410: la température du catalyseur d'oxydation 11; l'humidité de l'air, la vitesse ambiante des gaz d'échappement en par30 ticulier d'un catalyseur RCS 10 et/ou d'un catalyseur d'oxydation, le rendement du catalyseur RCS 10 et/ou du catalyseur d'oxydation 11 pour un état de fonctionnement du moteur thermique 3, la quantité de monoxyde d'azote/dioxyde d'azote contenue dans les gaz d'échappement, une quantité d'ammoniac 200 stockée dans le catalyseur RCS 10 et/ou dans le ca35 talyseur d'oxydation et/ou une valeur de comparaison de correction, notamment la différence entre la température stationnaire des gaz d'échappement en amont et en val du catalyseur RCS 10 selon le sens de circulation des fluides, pour un état de fonctionnement du moteur thermique 3 et de la température 420 du catalyseur RCS 10 ou du catalyseur d'oxydation 1 1. A la place des deux paramètres d'état 460, 470 on peut également prévoir un nombre de paramètres d'état égal ou supérieur à deux. Suivant une caractéristique avantageuse, à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement d'au moins un catalyseur 10, 11 et/ou d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'installation de combustion 3, on détermine la concentration en dioxydes d'azote. Suivant une autre caractéristique intéressante de l'invention, on détermine le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote 250 à partir d'un champ de caractéristiques d'oxydes d'azote 310 de l'installation de combustion 3 et d'un champ de caractéristiques de conversion 320 du catalyseur d'oxydation 1. 15 REVENDICATIONS 10) Procédé de dosage d'au moins un agent réactif (200) dans les gaz d'échappement d'une installation de combustion (3) comprenant au moins un catalyseur (10, 11) installé dans une conduite de gaz d'échappement 5 (20) , notamment la combinaison d'un catalyseur à réduction catalytique sélective RCS (10) et d'un catalyseur d'oxydation (11), d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, pour nettoyer les gaz d'échappement, en particulier pour réduire les oxydes d'azote (NO.), selon lequel dans les gaz d'échappement on ajoute en la dosant, une quantité d'au moins un réactif 10 (200), notamment d'un agent réducteur dépendant d'au moins un paramètre de fonctionnement d'au moins un catalyseur (10, 11) et/ou d'au moins une grandeur de fonctionnement de l'installation de combustion (3), caractérisé en ce qu' à partir d'une concentration de dioxyde d'azote contenue dans les gaz 15 d'échappement, notamment en aval du catalyseur d'oxydation i1, lorsqu'on regarde- dans le sens de passage des gaz d'échappement, on détermine la quantité d'au moins un agent réactif (200) à partir d'au moins une concentration de dioxyde d'azote contenue dans les gaz d'échappement. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' à partir d'au moins un paramètre de fonctionnement d'au moins un catalyseur (10, 11) et/ou d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'installation de combustion (3) on détermine la concentration en dioxydes 25 d'azote. 30) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que partant d'au moins un paramètre de fonctionnement d'au moins un cata30 lyseur (10, 11) et/ou d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'installation de combustion (3), on détermine la concentration en dioxyde d'azote à partir d'un champ de caractéristiques de dioxyde d'azote (250). 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on détermine le champ de caractéristiques de dioxyde d'azote (250) à partir d'un champ de caractéristiques d'oxydes d'azote (310) de l'installation ------ de combustion (3) et d'un champ de caractéristiques de conversion (320) du catalyseur d'oxydation (11). 50) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent réactif (200) est une substance ou un mélange dégageant de l'ammoniac. 60) Procédé selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce que l'agent réactif (200) est de l'ammoniac (NH3). 70) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on calcule de manière stoechiométrique la quantité d'au moins un agent réactif (200). 8 ) Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le calcul de la quantité d'ammoniac (NH3) se fait en appliquant l'équation de réaction suivante: N02 + NO + 2 NH3 -> 2 N2 + 3 H20. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la quantité d'au moins un agent réactif (200) en partant notamment d'une composition de gaz, en aval du catalyseur d'oxydation (11) lorsqu'on le considère dans le sens de passage des gaz d'échappement. 30 100) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on corrige la quantité d'au moins un agent réactif (200) avec au moins l'un des paramètres de correction suivant: a) la température d'au moins un catalyseur (10, 1 1), b) l'humidité de l'air, c) la vitesse ambiante des gaz d'échappement, en particulier dans au moins l'un des catalyseurs (10, 1 1), c) la vitesse ambiante des gaz d'échappement, en particulier dans au moins l'un des catalyseurs (10, 11), d) le rendement d'au moins un catalyseur (10, 11) pour un état de fonctionnement de l'installation de combustion (3) caractérisant au moins un paramètre de fonctionnement, e) le rapport quantitatif de NO/NO2 contenu dans les gaz d'échappement, t) une quantité d'au moins un réactif (200) accumulé dans un catalyseur (10, 11) et/ou 0o g) une valeur de correction déterminée à partir d'une comparaison, notamment la différence entre la température stationnaire des gaz d'échappement dans l'installation de conduite de gaz d'échappement considérée en amont et en aval d'au moins un catalyseur (10, 11) pour un certain état de fonctionnement de l'installation de combus15 tion (3) et de la température d'au moins un catalyseur (10, 11). 110) Dispositif de dosage d'au moins un réactif (200) dans une installation de combustion de gaz d'échappement (3) ayant au moins un catalyseur (10, 11) installé dans une conduite de gaz d'échappement (20), notamment 20 une combinaison d'un catalyseur RCS (10) et d'un catalyseur d'oxydation (11) d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, pour nettoyer les gaz d'échappement, en particulier pour réduire les émissions d'oxydes d'azote (NO.) avec une unité de dosage (50) pour doser au moins un agent réactif (200) dans la conduite de gaz d'échappement (20), 25 dispositif caractérisé par une unité de commande (90) qui dose au moins un réactif (200) à partir d'une concentration saisie en dioxyde d'azote contenue dans les gaz d'échappement, en particulier en aval du catalyseur d'oxydation (11) considéré dans le sens de passage des gaz d'échappement. 30