Brevet FR2895447A1 — publié le 20070629

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de surveillance d'un système de traitement aval des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant un bloc moteur et un système de gaz d'échappement équipé d'au moins un catalyseur, en amont duquel un dispositif d'introduction introduit un agent réducteur nécessaire à la réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur. L'invention concerne également un dispositif de surveillance d'un système de traitement aval de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne équipé d'un blocmoteur ayant au moins un système de gaz d'échappement muni d'au moins un capteur d'oxydes d'azote pour déterminer la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement et au moins un catalyseur, un dispositif d'introduction en aval du catalyseur pour introduire dans le catalyseur un agent réactif nécessaire à la réduc- tion des oxydes d'azote, dans lequel le capteur d'oxydes d'azote ainsi que d'autres capteurs pour mesurer la température au niveau du catalyseur, pour mesurer l'alimentation en air et un capteur sensible à l'ammoniac en aval du catalyseur selon le sens de passage des gaz coopèrent avec une unité de surveillance. Etat de la technique En liaison avec la réglementation future concernant les émissions d'oxydes d'azote par les véhicules automobiles il faut envisager un traitement approprié des gaz d'échappement. Pour réduire les rejets d'oxydes d'azote (NOX) de moteurs à combustion interne, notamment de moteurs diesel, dans le cas de gaz d'échappement principalement maigres, c'est-à-dire riches en oxygène, on peut utiliser entre autres le procédé de réduction catalytique sélective encore appelé procédé SCR. Selon ce pro-cédé on ajoute aux gaz d'échappement une quantité définie d'un agent réducteur à effet sélectif. Cela peut se faire par exemple sous forme d'ammoniac ajouté de manière dosée directement à l'état gazeux ou encore à partir d'une substance constituant une matière première sous la forme d'urée ou d'une solution aqueuse d'urée (solution HWL). Le document DE 10139142 Al décrit par exemple un sys- tème de nettoyage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion in- terne. Selon ce système, on réduit les émissions ou rejets d'oxydes d'azote NOx grâce à un catalyseur SCR qui réduit les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement à l'aide d'ammoniac constituant l'agent réactif pour former de l'azote. L'ammoniac est récupéré à partir d'une solution aqueuse d'urée (HWL) par un catalyseur d'hydrolyse installé en amont du catalyseur SCR. Le catalyseur d'hydrolyse transforme l'urée contenue dans la solution HWL en ammoniac et en dioxydes de carbone. Dans une seconde étape, l'ammoniac réduit les oxydes d'azote en azote en dégageant de l'eau comme produit auxiliaire. Le mécanisme précis est suffisamment décrit dans la littérature spécialisée. (Voir à cet effet WEISSWELLER CIT 572), pages 441-449, 2000). La solution HWL se trouve dans un réservoir à réactif. Le document DE 19739848 décrit un procédé permettant de calculer au moins approximativement les émissions brutes d'oxydes d'azote NOx par un moteur à combustion interne en utilisant les paramètres de fonctionnement connus du moteur à combustion interne. Le point de départ est un champ de courbe caractéristique entre la charge et la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. On peut prévoir en plus des corrections, par exemple en fonction du coefficient d'air lambda. Le document EP 1024254 A2 décrit un système de traite-ment des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon le-quel on utilise également un catalyseur SCR pour réduire les émissions d'oxydes d'azote NOx. Comme agent réactif on utilise également de l'ammoniac pour le canal des gaz d'échappement à partir d'une solution aqueuse d'urée (solution HWL). Le taux d'agent réactif se détermine à l'aide de la quantité de carburant injectée et de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne ainsi qu'au moins à l'aide d'une grandeur caractéristique des gaz d'échappement, par exemple la température des gaz d'échappement. Le document EP 697062 B1 décrit un procédé et une ins- tallation pour introduire de manière commandée un agent réactif dans des gaz d'échappement contenant des oxydes d'azote. Il est également prévu un catalyseur SCR qui nécessite de l'ammoniac comme agent réactif ; l'ammoniac est fourni par un agent réactif introduit dans le canal des gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR. On saisit au moins un pa- ramètre caractéristique des gaz d'échappement à l'aide d'au moins un pa- ramètre concernant le fonctionnement d'un catalyseur et le cas échéant un paramètre concernant le fonctionnement du moteur à combustion in- terne pour déterminer les émissions brutes d'oxydes d'azote NOX du mo- teur à combustion interne. En fonction des émissions brutes d'oxydes d'azote NOx ainsi déterminées on définit une valeur intermédiaire pour le taux d'agent réactif à prédéfinir que l'on diminue du taux d'agent réactif désorbé par le catalyseur ou que l'on augmente du taux d'agent réactif adsorbé par le catalyseur. Cette propriété du catalyseur SCR lui permettant d'accumuler en partie de l'ammoniac peut ou doit être utilisée suivant le type de catalyseur et la stratégie de dosage pour optimiser le taux de con-version des oxydes d'azote NON. Il faut en outre connaître la capacité de stockage d'ammoniac pour éviter un dégagement d'ammoniac comme cela peut se produire par exemple en cas d'élévation rapide de la température. La raison est qu'en fonction de l'augmentation de la température, la capa-cité de stockage d'ammoniac du catalyseur diminue. Une libération in-contrôlée d'ammoniac libéré se traduit par un dégagement d'odeur. Pour surveiller un dégagement d'ammoniac il est connu d'utiliser des capteurs d'ammoniac en liaison avec les catalyseurs SCR ; ces capteurs à base de couche de zéolite changent de conductivité électrique avec la concentra- 15 tion en ammoniac dans le gaz qui les entoure. En général, la capacité d'accumulation ou de stockage d'ammoniac dans un catalyseur neuf est connu et peut être enregistré dans une courbe de niveau de remplissage dépendant de la température. La réduction de la capacité d'accumulation d'ammoniac selon la durée de 20 fonctionnement du système (vieillissement) n'est toutefois pas connue. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de surveillance de la capacité d'un catalyseur, en particulier sa capacité à stocker un agent réducteur. 25 L'invention a également pour but de développer un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'en des points de référence définis on aug- 30 mente le taux d'agent réducteur jusqu'à ce qu'un capteur sensible à l'ammoniac dans le système de gaz d'échappement, installé en aval du catalyseur, détecte un dégagement d'ammoniac. Dans le cas d'une straté- gie de dosage optimisé pour les agents réducteurs cela permet d'obtenir des conversions élevées d'oxydes d'azote NOx dans le catalyseur car ce 35 procédé permet de tenir compte de la capacité de stockage d'ammoniac dans le catalyseur. On réduit ainsi significativement la consommation en agent réducteur. En même temps, le procédé minimise le glissement de l'ammoniac, ce qui est notamment avantageux pour répondre à la nouvelle norme EU V relative aux gaz d'échappement. De façon particulièrement efficace, à partir de la mesure de l'augmentation du taux d'agent réducteur jusqu'au dégagement d'ammoniac et en utilisant d'autres paramètres de fonctionnement du système de traitement aval des gaz d'échappement, on peut calculer une capacité maximale instantanée de stockage ou d'accumulation d'ammoniac correspondant à ce point de fonctionnement. Si pour calculer la capacité de stockage d'ammoniac on uti- lise une courbe de température dans le catalyseur et/ou une quantité d'oxydes d'azote NOx calculées à partir d'une masse d'air et d'une con-centration en oxydes d'azote NOX et/ou une conversion d'oxydes d'azote NOx dans le catalyseur et/ou un niveau de remplissage d'ammoniac au début du contrôle et/ou la quantité d'agent réducteur fournie pendant la régénération et que l'on détermine à l'aide d'une installation de mesure associée au dispositif d'introduction, on pourra calculer d'une manière particulièrement précise la capacité de stockage d'ammoniac. Une variante préférentielle du procédé prévoit de déterminer une correction pour la courbe caractéristique de niveau de remplissage à partir de la capacité instantanée de stockage d'ammoniac, cette correction étant mémorisée jusqu'au contrôle suivant. La stratégie de dosage de l'agent réducteur repose toujours sur les valeurs actuelles de la capacité de stockage d'ammoniac. Si le contrôle de la capacité de stockage d'ammoniac se fait à des intervalles réguliers et/ou pour des points de fonctionnement avantageux, on disposera toujours d'une valeur actuelle de la capacité de stockage d'ammoniac intervenant dans la stratégie de dosage actuelle. A partir de la courbe de cette valeur on peut en outre conclure à un défaut de fonctionnement du système. Selon une application préférentielle, le procédé est utilisé dans les systèmes de gaz d'échappement combinés ou intégrés dans les-quels on effectue un filtrage des particules de suie complémentaire à l'aide d'un filtre à particules. De plus, cela permet une réduction optimale des oxydes d'azote NO), et en même temps une élimination des particules fines, réduction significative pour l'environnement. Les règlements ou normes concernant les gaz d'échappement, plus stricts, tels que la norme EU V peuvent être respectés par des systèmes SCR/DPF. L'abréviation DPF dé-signe un filtre à particules diesel. Pour la régénération du filtre à particules il faut à intervalles réguliers vider préalablement l'accumulateur d'ammoniac puis le remplir de nouveau à la fin de la régénération. Cela garantit que du fait des températures élevées nécessaires à la régénération du filtre à particules on évite les passages incontrôlés d'ammoniac dans le système de gaz d'échappement et aussi qu'aucun oxydes d'azote NOX ne risque de se former avec l'ammoniac, ce qui pourrait se produire à de telles températures élevées. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'unité de surveillance exécute de manière précise un surdosage de l'agent réactif, détecte un dégagement d'ammoniac par le capteur sensible à l'ammoniac et détermine une capacité de stockage d'ammoniac pour le catalyseur. Cela permet de détecter les variations de capacité de stockage d'ammoniac dans le catalyseur, du fait du vieillissement, et de les exploiter pour un dosage optimum de l'agent réacteur. Si en aval du catalyseur le système de gaz d'échappement est équipé d'un filtre à particules, on réalise ainsi un système de gaz d'échappement combiné et intégré connu sous la dénomination système SCR/DPF. Si la capacité instantanée de stockage d'ammoniac du catalyseur peut être enregistrée en mémoire dans l'unité courbe caractéristique/champ de caractéristiques de l'unité de surveillance, on a l'avantage de pouvoir utiliser la capacité de stockage d'ammoniac du catalyseur éga- lement pour d'autres fonctions de régulation et de commande en liaison avec le traitement aval des gaz d'échappement. Selon un mode de réalisation préférentiel, les fonctions de détermination de la capacité de stockage d'ammoniac du catalyseur dans l'unité de surveillance peuvent être réalisées sous forme de programmes et/ou de circuits et faire au moins partiellement partie d'une commande de moteur principal, avec une fonction enregistrée comme programme pour la commande du dosage d'agent réducteur et/ou avec la surveillance de la capacité de stockage d'ammoniac intégrée d'une manière particulièrement simple comme sous-programme dans le programme général de commande du moteur. Cela permet des mises à jour économiques des programmes. Dessin La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé dans lequel : - la figure unique est une vue schématique d'un système de traitement aval des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Description des exemples de réalisation La figure montre un moteur à combustion interne 1 avec un bloc-moteur 10 et un système de gaz d'échappement 20 comprenant un catalyseur 60 et un capteur d'oxydes d'azote NOX 30 pour déterminer la teneur en oxydes d'azote NOX dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur 60. Le capteur NOX est relié par une ligne de transmission de signal 31 à une unité de surveillance ou de contrôle 110. Le catalyseur 30 comporte un capteur de température 50 pour mesurer la température du catalyseur 60 ; ce capteur est également relié par une ligne de transmis-Sion de signal 51 à l'unité de surveillance 110. Dans l'exemple présenté, en aval du catalyseur 60, dans le sens de passage des gaz d'échappement, on a un autre capteur d'oxydes d'azote NOx 70 dans le système des gaz d'échappement 20. Le capteur d'oxydes d'azote NOx 70 est relié par une autre ligne de transmission de signal 71 à l'unité de surveillance 110. Pour détecter l'ammoniac dans les gaz d'échappement, il est prévu en plus un capteur sensible à l'ammoniac 80 en aval du catalyseur 60. Ce capteur est également relié à l'unité de surveillance 110 par une ligne de transmission de signal 81. En outre, comme indiqué, l'alimentation en air peut comporter un capteur d'air 100 pour déterminer par exemple la quantité d'air. Le capteur d'air 100 est relié par une ligne de transmission de signal 101 à l'unité de surveillance 110 pour exploiter la quantité d'air. Un dispositif d'introduction 40 d'agent réducteur est prévu en amont du catalyseur 60 pour introduire de l'agent réducteur des oxydes d'azote NOx dans les gaz d'échappement. L'agent réducteur est habi-tuellement de l'ammoniac (état gazeux) que l'on génère à l'aide d'une unité séparée utilisant une solution aqueuse d'urée (HWL) ou encore on peut injecter la solution HWL directement dans le système de gaz d'échappement 20 à l'aide d'une unité de dosage 41 intégrée au dispositif d'introduction 40. En plus, le dispositif d'introduction 40 comporte une installation de mesure 43 sous la forme d'un débitmètre relié par une ligne de transmission de signal 44 au dispositif de surveillance 110. Cela permet de déterminer et d'exploiter à tout instant la quantité d'agent réducteur à doser. 6 Selon l'invention, l'unité de surveillance 110 lance intentionnellement un surdosage de l'agent réducteur pour permettre au détecteur sensible à l'ammoniac 80 de détecter un passage d'ammoniac et de déterminer la capacité de stockage d'ammoniac du catalyseur 60. En ou-tre, dans l'exemple de réalisation présenté, l'unité de surveillance 110 contient une unité courbe caractéristique/champ de caractéristiques 111 permettant d'enregistrer la capacité instantanée de stockage d'ammoniac du catalyseur 60 dans l'unité de surveillance 110 jusqu'à la détermination suivante. Les fonctions de détermination de la capacité de stockage d'ammoniac du catalyseur 60 sont de préférence réalisées dans l'unité de surveillance 110 comme programmes et/ou comme circuits et peuvent être intégrées au moins partiellement comme parties de la commande principale du moteur et ainsi dans l'unité embarquée (OBU). Selon une application préférentielle, dans le cas d'un système de gaz d'échappement combiné et intégré (système SCR/DPF intégré) on a en outre un filtre à particules 90 en aval du catalyseur 60 dans la direction de passage des gaz d'échappement. Ces systèmes de gaz d'échappement permettent de réduire d'une part la teneur en oxydes d'azote NOx des gaz d'échappement et d'autre part de filtrer les particules (particules de suie), ce qui est notamment intéressant pour le respect des normes plus strictes relatives aux gaz d'échappement rejetés par les véhicules à moteur diesel. Le filtre à particules 90 doit toutefois être régénéré à certains intervalles. Pour cela, on génère de manière intentionnelle par des mesures prises à l'intérieur du moteur et/ou par injection de carburant dans le système de gaz d'échappement 20, pour avoir des températures plus élevées et permettre de brûler les particules de suie filtrées dans le filtre à particules 90. Pour la régénération du filtre à particules 90 il faut veiller pour la régénération du filtre à vider l'accumulateur d'ammoniac du catalyseur 60 pour éviter, d'une part, un passage d'ammoniac, et, d'autre part, que de l'ammoniac se forme à partir des oxydes d'azote NON, ce qui pour-rait se produire en particulier aux températures élevées telles que celles utilisées pour la régénération. A la fin de la phase de régénération, on remplit de nouveau l'accumulateur d'ammoniac du catalyseur. Le procédé de détermination de la capacité de stockage d'ammoniac prévoit tout d'abord d'augmenter de manière intentionnelle la taux d'agent réducteur pour des points de fonctionnement de référence, déterminés, jusqu'à ce que le capteur sensible à l'ammoniac 80 détecte un passage d'ammoniac dans le système de gaz d'échappement 20 en aval du catalyseur 60 selon le sens de passage des gaz d'échappement. Cela peut se faire à intervalles réguliers et/ou pour des conditions de fonctionne- ment avantageuses à un point de fonctionnement de référence comme cela se produit fréquemment dans le cas d'une utilisation quotidienne. A partir de la mesure de l'augmentation du taux d'agent réducteur jusqu'au passage d'ammoniac et en utilisant d'autres paramètres de fonctionnement du système de traitement aval des gaz d'échappement, on calcule une capacité maximale momentanée de stockage d'ammoniac pour ce point de fonctionnement. Pour le calcul de cette capacité de stockage d'ammoniac on peut utiliser : - la courbe de température dans le catalyseur 60, - une quantité d'oxydes d'azote NON calculée à partir d'une masse d'air et 15 d'une concentration en oxydes d'azote NON, - une conversion d'oxydes d'azote NOx dans le catalyseur 60, - un niveau de remplissage en ammoniac au début du contrôle, et/ou - une quantité d'agent réducteur fournie pendant la régénération. On peut également utiliser d'autres paramètres de fonc- 20 tionnement du moteur à combustion interne 1 en plus pour faire le calcul. Le procédé prévoit en outre de déterminer une correction de la courbe de niveau de remplissage à partir de la capacité momentanée de stockage d'ammoniac et enregistrer en mémoire cette courbe jusqu'au contrôle suivant. Cette valeur enregistrée constitue la base de la stratégie 25 de dosage actuel. Dans les systèmes de gaz d'échappement combinés et intégrés comportant en plus un filtre à particules 90, pour contrôler ou dé-terminer la capacité de stockage d'ammoniac, à la fin de la régénération du filtre à particules on remplit l'accumulateur d'ammoniac aussi rapide- 30 ment que possible jusqu'à sa limite maximale. La limite de niveau de rem-plissage se détermine par le capteur sensible à l'ammoniac 80. A partir des paramètres connus de fonctionnement et de dosage tels que le temps, la quantité dosée d'agent réducteur que l'on détermine à l'aide de l'installation de mesure 43, la température ou la courbe de température 35 permettent de calculer la capacité de stockage d'ammoniac dans le catalyseur. La valeur ainsi obtenue sert à des contrôles de plausibilité pour corriger la courbe caractéristique de niveau de remplissage initiale de la capacité de stockage d'ammoniac. Le dispositif et le procédé tels que représentés et décrits permettent un dosage optimum de l'agent réducteur. Les variations liées au vieillissement de la capacité de stockage d'ammoniac du catalyseur 60 peuvent être détectées à tout instant et servir à corriger le dosage. En particulier dans le cas de systèmes intégrés SCR/DPF utilisés dans les moteurs à combustion interne diesel modernes, on pourra respecter la réglementation stricte relative aux gaz d'échappement. io REVENDICATIONS 1 ) Procédé de surveillance d'un système de traitement aval des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (1) comportant un bloc moteur (10) et un système de gaz d'échappement (20) équipé d'au moins un catalyseur (60), en amont duquel un dispositif d'introduction (40) introduit un agent réducteur nécessaire à la réduction des oxydes d'azote (NO,,) dans le catalyseur (60), caractérisé en ce qu' en des points de référence définis on augmente le taux d'agent réducteur jusqu'à ce qu'un capteur (80) sensible à l'ammoniac dans le système de gaz d'échappement (20), installé en aval du catalyseur (60), détecte un dégagement d'ammoniac. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' à partir de la mesure de l'augmentation du taux d'agent réducteur jus-qu'au dégagement d'ammoniac et en utilisant d'autres paramètres de fonctionnement du système de traitement aval des gaz d'échappement, on calcule une capacité maximale instantanée de stockage d'ammoniac pour ce point de fonctionnement. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour calculer la capacité de stockage d'ammoniac on utilise une courbe de température dans le catalyseur (60), et/ou une quantité d'oxydes d'azote (NO.) calculée à partir de la masse d'air et d'une concentration d'oxydes d'azote (NO.), et/ou une conversion d'oxydes d'azote (NO.) dans le catalyseur (60), et/ou un niveau de remplissage d'ammoniac au début du contrôle, et/ ou une quantité d'agent réducteur fournie en retour pendant la régénération et que l'on détermine à l'aide d'une installation de mesure (43) associée au dispositif d'introduction (40). 4 ) Procédé selon les revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu' à partir de la capacité instantanée de stockage d'ammoniac on détermine une correction de la courbe de niveau de remplissage qui est mémorisée jusqu'au contrôle suivant.Il 5 ) Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu' on effectue le contrôle de la capacité de stockage d'ammoniac à des intervalles réguliers et/ou pour des points de fonctionnement avantageux. 6 ) Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, pour dé-terminer la capacité de stockage d'ammoniac dans un catalyseur (60), caractérisée en ce qu' on applique le procédé à un système de gaz d'échappement combiné ou io intégré dans lequel on effectue un filtrage des particules de noir de fumées en plus à l'aide d'un filtre à particules (90). 7 ) Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que 15 pour régénérer le filtre à particules (90) on vide tout d'abord l'accumulateur d'ammoniac et on le remplit de nouveau après avoir terminé la régénération. 8 ) Dispositif de surveillance d'un système de traitement aval de gaz 20 d'échappement d'un moteur à combu tion interne (1) équipé d'un bloc-moteur (10) ayant au moins un systè e de gaz d'échappement (20) muni d'au moins un capteur d'oxydes d'azote (NO.) pour déterminer la teneur en oxydes d'azote (NO.) dans les gaz d'échappement et au moins un catalyseur (60), un dispositif d'introduction (40) en amont du catalyseur (60) 25 pour introduire dans le catalyseur (60) un agent réactif nécessaire à la réduction des oxydes d'azote (NO.), dans lequel le capteur d'oxydes d'azote (NO.) ainsi que d'autres capteurs pour mesurer la température au niveau du catalyseur (60), pour mesurer l'alimentation en air et un capteur sensible à l'ammoniac (80) en aval du catalyseur (60) 30 selon le sens de passage des gaz coopèrent avec une unité de surveillance (110), caractérisé en ce que l'unité de surveillance (110) exécute de manière précise un surdosage de l'agent réactif, détecte un dégagement d'ammoniac par le capteur sensible 35 à l'ammoniac (80) et détermine une capacité de stockage d'ammoniac pour le catalyseur (60). 9 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système de gaz d'échappement (20) comporte un filtre à particules (90) en aval du catalyseur (60) selon le sens de passage des gaz. 10 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'unité de surveillance (110) contient l'enregistrement de la capacité de stockage instantanée d'ammoniac du catalyseur (60) dans une unité courbe caractéristique/champ de caractéristiques (111). 11 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les fonctions pour déterminer la capacité de stockage d'ammoniac du catalyseur (60) sont placées dans l'unité de surveillance (110) sous la forme d'un programme et/ ou d'un circuit et font au moins partiellement partie d'une commande de moteur subordonnée. 20