Brevet FR2903728A1 — publié le 20080118

PROCEDE DE CONTROLE DE LA CONSOMMATION D'UREE POUR SYSTEME DE TRAITEMENT D'OXYDES D'AZOTE La présente invention concerne un procédé de contrôle de la consommation d'urée, destiné à être utilisé dans les systèmes de post-traitement d'oxydes d'azote à réduction catalytique sélective ( SCR ). Le principe d'un système SCR est de réduire chimiquement les oxydes d'azote, par exemple émis par un moteur de type Diesel, en introduisant un agent réducteur dans la ligne d'échappement du moteur, en amont d'un catalyseur spécifique dans lequel a lieu la réaction chimique. Un tel système est destiné à permettre aux moteurs Diesel de respecter les normes d'émission en oxydes d'azote qui sont de plus en plus strictes. Il est connu, dans les industries stationnaires, d'effectuer la réduction des oxydes d'azote par l'ammoniac selon une réaction de type SCR. La difficulté majeure de ce procédé, quand il doit être appliqué à des moteurs installés dans des véhicules, réside dans le stockage de l'ammoniac dans le véhicule, puisque l'ammoniac nécessaire à la réaction doit être apporté dans l'échappement. A cet effet, plusieurs concepts ont été proposés, permettant un stockage sécurisé de l'ammoniac sous 2903728 2 forme d'urée solide, d'urée liquide en solution aqueuse ou encore sous forme de carbamate d'ammonium. Dans l'état actuel de la technique, il paraît irréaliste d'embarquer dans un véhicule suffisamment d'urée pour 5 atteindre la durabilité complète du système de post-traitement, puisque le volume à prévoir est beaucoup trop important. Il a donc été proposé de remplir périodiquement le réservoir d'urée, par exemple à chaque vidange du véhicule. Dans ce cas, le dimensionnement du réservoir est réalisé en fonction des 10 intervalles de vidange prévus et de la consommation moyenne d'urée par le véhicule considéré. Toutefois, pour un même véhicule, la consommation d'urée entre deux vidanges ne sera pas obligatoirement la même, puisque, par exemple, certains usagers utilisent leur véhicule 15 dans des conditions de roulage générant une consommation d'urée supérieure à la moyenne. Du fait de ces différences, il n'est actuellement pas possible de démontrer qu'aucun usager ne sera amené à rouler avec un véhicule dont le réservoir d'urée est vide. Or, une telle condition est requise par certaines 20 instances réglementaires, et il est donc nécessaire de remédier à cet inconvénient. L'invention résout ce problème en proposant un procédé de contrôle de la consommation d'urée destiné à être utilisé dans un système de traitement d'oxydes d'azote à réduction catalytique sélective, dite SCR, installé dans la ligne d'échappement du moteur d'un véhicule comprenant un réservoir d'urée, le procédé comprenant plusieurs étapes successives. Tout d'abord, on détermine, en fonction d'au moins un paramètre, un coefficient de correction de la quantité d'urée à injecter dans le système, le(s) paramètre(s) étant choisi(s) dans le groupe comprenant : la quantité d'urée consommée dans le véhicule depuis une date de référence, la distance parcourue par le véhicule depuis une date de référence et le volume du réservoir d'urée installé dans le véhicule. 2903728 3 Ensuite, on applique ce coefficient de correction à une quantité d'urée prédéterminée en fonction du régime du moteur, appelée quantité non corrigée, de manière à obtenir la quantité d'urée à injecter, appelée quantité corrigée. 5 L'invention est destinée à être intégrée dans les stratégies de pilotage d'un système de post-traitement d'oxydes d'azote de type SCR. Ces stratégies de pilotage, embarquées sur le véhicule dans un calculateur spécifique SCR ou dans un 10 calculateur moteur, se décomposent en deux parties : un module de pilotage de l'injection d'urée, destiné à déterminer la quantité d'urée à injecter dans l'échappement à chaque instant, et un module de contrôle de l'urée embarquée dont le rôle est d'assurer cette injection, notamment en gérant le réservoir 15 d'urée. Ainsi, les moyens de mise en oeuvre de l'invention s'ajoutent aux éléments existants dans le module pilotage d'injection d'urée. Ce module comprend ainsi trois sous modules : le contrôle de consommation d'urée, un calcul de la quantité d'urée à injecter, destiné à déterminer la quantité 20 d'urée non corrigée, et un contrôle en boucle fermée de la quantité d'urée à injecter. Le rôle des différents sous modules sera décrit en détail plus loin. 25 L'intérêt majeur de ce procédé est de contrôler la consommation d'urée de façon précise afin d'anticiper une éventuelle consommation excessive et d'assurer ainsi que tout véhicule muni d'un système mettant en oeuvre un tel procédé conserve une quantité d'urée suffisante pour assurer les niveaux 30 d'émission en vigueur. Ceci permet ainsi aux constructeurs de s'assurer que leurs véhicules respectent les normes en vigueur concernant les émissions gazeuses des véhicules. La première étape du procédé consiste en la 35 détermination d'un coefficient de correction reflétant le 2903728 4 comportement du véhicule en terme de consommation d'urée depuis une date de référence. Par exemple, dans une réalisation de l'invention, on utilise comme date de référence la date de la dernière vidange effectuée sur le véhicule ; on pourra ainsi 5 calculer la quantité d'urée consommée dans le véhicule et la distance parcourue par ce même véhicule depuis la dernière vidange. Pour déterminer la quantité d'urée consommée depuis une date de référence, on peut utiliser différentes méthodes. 10 Ainsi, dans une réalisation, cette quantité est calculée en cumulant les quantités d'urée injectées à chaque instant depuis cette date. Dans une autre réalisation, le procédé utilise le niveau d'urée restant dans le réservoir d'urée du véhicule pour corriger et affiner la quantité d'urée calculée auparavant. 15 Le coefficient de correction ainsi déterminé est, par exemple, un coefficient multiplicateur inférieur à 1, que l'on applique à la quantité d'urée non corrigée. Cette quantité d'urée non corrigée est déterminée dans 20 un sous module de calcul de la quantité d'urée à injecter. De préférence, elle correspond à la quantité d'urée nécessaire pour effectuer une réduction totale des oxydes d'azote émis par le moteur à un instant donné. Cette quantité peut être connue puisque, pour un moteur donné, on connaît la masse d'oxydes 25 d'azote dégagée pour un couple moteur et un régime donnés. Connaissant la réaction chimique qui a lieu entre l'urée et ces oxydes d'azote, on peut alors déterminer la quantité d'urée nécessaire à une réaction totale, quantité que l'on va corriger à l'aide du coefficient déterminé plus haut. 30 Ainsi, par exemple, si un véhicule consomme une quantité d'urée supérieure à la moyenne dans les 1000 premiers kilomètres suivant une vidange, le système déterminera un coefficient de correction relativement élevé, tel qu'on limite 35 au maximum la quantité d'urée injectée. Ainsi, la réaction de 2903728 5 transformation chimique des oxydes d'azote n'aura lieu qu'en partie. Cette limitation est toutefois telle que les émissions gazeuses du moteur respectent les normes en vigueur concernant les niveaux d'émission acceptables. 5 Certains paramètres autres que le couple moteur et le régime, tels que des paramètres moteur, des paramètres du système de traitement ou des paramètres reflétant la composition gazeuse des gaz d'échappement peuvent influer sur la réaction et 10 il peut donc être utile de les prendre en compte pour le calcul de la quantité d'urée non corrigée. Ainsi, selon les réalisations, le calcul est effectué en fonction d'au moins un paramètre , ce(s) paramètre(s) étant choisi(s) dans le groupe comprenant : une valeur de régime moteur, une valeur de charge 15 moteur, une valeur de température de catalyseur, et un rapport entre la quantité d'oxydes d'azote à l'entrée à l'entrée du système de traitement et la quantité de dioxyde d'azote présent dans les gaz d'échappement du véhicule, à l'entrée du système de traitement. 20 Dans une autre réalisation, on détermine, pour chaque véhicule, son état en terme de consommation d'urée, à un instant donné, en fonction de sa consommation d'urée depuis la dernière vidange et de la distance parcourue depuis la dernière vidange, 25 ou de la distance à parcourir jusqu'à la prochaine. La détermination de cet état permet de classifier le véhicule dans un niveau de limitation qui peut être utilisé par la suite pour déterminer le coefficient de correction. Dans cette réalisation, les niveaux de limitation de 30 l'injection d'urée utilisés sont prédéterminés en fonction d'au moins un paramètre. Ce (ces) paramètre(s) peut (peuvent) être la quantité d'urée consommée dans le véhicule depuis une date de référence, la distance parcourue par le véhicule depuis une date de référence, et le volume du réservoir d'urée installé dans le 2903728 6 véhicule. Ces niveaux de limitation seront décrits en détail plus loin à l'aide d'un graphique. Pour chacun des niveaux de limitation, il peut être 5 utile de déterminer à chaque instant la réduction à appliquer sur la quantité d'injection d'urée. Ainsi, dans une réalisation, pour chaque niveau de limitation, on détermine le coefficient de correction en fonction du régime du moteur et de la charge du moteur, également appelée couple moteur. Cette détermination 10 pourra notamment être effectuée en utilisant une cartographie préétablie. Un exemple de cartographie sera décrit plus loin. Comme décrit précédemment, ce coefficient de correction est alors appliqué à la quantité d'urée non corrigée afin d'obtenir une quantité d'urée corrigée. 15 La consommation d'urée dans un véhicule dépend, bien entendu, du régime du moteur, mais peut également être fonction d'autres paramètres, internes ou externes au moteur. Pour contrôler au mieux la consommation d'urée du véhicule, il peut 20 parfois être utile voire nécessaire de tenir compte de ces paramètres. A cet effet, dans une réalisation, on prend en compte, pour le calcul de la valeur du coefficient de correction, au moins un paramètre choisi dans le groupe comprenant : la température ambiante, l'altitude et la 25 température d'eau du moteur. Une fois le calcul de la quantité d'urée corrigée effectué, on peut transmettre cette quantité à un sous module chargé du contrôle de l'urée embarqué et/ou du contrôle de 30 l'injection. L'invention peut également s'appliquer au traitement des oxydes d'azote d'un moteur à essence mélange pauvre. 2903728 7 L'invention concerne également un système de post-traitement d'oxydes d'azote utilisant un procédé tel que défini ci-dessus. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma bloc du module de 10 calcul de la quantité d'urée à injecter, d'un système utilisant un procédé conforme à l'invention, - la figure 2 représente un graphique permettant de distinguer différents niveaux de limitation utilisés dans un procédé conforme à l'invention, 15 - la figure 3 est une cartographie régime/moteur permettant de déterminer un coefficient de correction dans un procédé conforme à l'invention, - la figure 4 est un exemple d'intégration d'un procédé conforme à l'invention dans les stratégies de pilotage d'un 20 système de post-traitement, et - la figure 5 est un exemple de fonctionnement d'un moteur utilisant un procédé conforme à l'invention. La figure 1 représente l'architecture fonctionnelle 25 d'un sous module de calcul de la quantité d'urée à injecter, pouvant être utilisé dans une réalisation de l'invention. Ce sous module est constitué de 3 blocs 10, 12 et 14 qui correspondent respectivement à une détermination du niveau 30 de limitation, une détermination de la réduction de la quantité à injecter et un calcul de la quantité d'urée à injecter. Le procédé mis en place dans ce sous module comprend plusieurs étapes. 2903728 8 Dans un premier temps, on détermine, dans le bloc 10, le niveau de limitation correspondant à l'état actuel de ce véhicule. Pour cela, on peut, par exemple, utiliser un graphique tel que celui représenté sur la figure 2. 5 Sur ce graphique sont représentées des droites permettant de délimiter différents niveaux de limitation. En abscisse se trouve la distance parcourue par la voiture, en kilomètres, et en ordonnée se trouve la quantité 10 d'urée consommée. L'étendue de ce graphe est limitée en abscisse par un nombre de kilomètres 26 correspondant à l'intervalle entre deux vidanges, et en ordonnée par le volume du réservoir 28. En effet, le réservoir d'urée étant rempli à chaque vidange, le système est réinitialisé à chaque fois ; par ailleurs, il 15 n'est pas possible de consommer plus d'urée que la quantité pouvant être embarquée dans le réservoir. Le graphique de la figure 2 comporte trois droites délimitant quatre niveaux de limitation, numérotés de 0 à 3. 20 Les réservoirs des véhicules utilisant un procédé conforme à l'invention ont une taille telle qu'ils contiennent la quantité correspondant à la consommation moyenne d'urée du véhicule multipliée par l'intervalle de vidange prévu. Tant que la consommation du véhicule reste inférieure à cette 25 consommation moyenne, représentée par la courbe 20, le véhicule est dans le niveau de limitation O. Si le véhicule, pour une raison quelconque, consomme une grande quantité d'urée sur une petite distance, alors la consommation risque d'excéder cette courbe 20 et le véhicule 30 sera donc dans le niveau de limitation 1. De même si la consommation excède les courbes de seuil 22 ou 24, il passera respectivement dans les niveaux de limitation 2 et 3. Cette évolution d'un niveau à l'autre peut également avoir lieu dans l'autre sens puisque, par exemple, un véhicule 35 se trouvant dans un niveau de limitation peut diminuer sa 2903728 9 consommation et ainsi repasser sous une des courbes de seuil représentées sur la figure 2. Après avoir déterminé le niveau de limitation, on 5 détermine, dans le bloc 12 de la figure 1, la réduction à appliquer sur la quantité d'urée à injecter. Cette réduction se trouve généralement sous la forme d'un coefficient de correction, de préférence strictement inférieur à 1. Pour déterminer ce coefficient de correction, on peut 10 utiliser une cartographie telle que celle représentée sur la figure 3. Cette cartographie représente le couple de fonctionnement d'un moteur, en Newtons-mètres, en fonction du régime en tours par minute. Pour chaque couple de valeurs, la cartographie comporte, à titre indicatif, la masse d'oxydes 15 d'azote dégagée par le moteur, en gramme par heure, cette masse pouvant être déterminée à l'aide de l'échelle 34. On voit apparaître sur ce graphique des courbes 30, 31, 32 et 33 correspondant respectivement aux niveaux de limitation 0, 1, 2 et 3 déterminés précédemment. 20 La détermination du coefficient de correction en fonction de cette cartographie se fait de la façon suivante : - à un instant donné, on place sur la carte le point de fonctionnement du véhicule à cet instant, - puis on regarde où se trouve se point par rapport à 25 la courbe correspondant au niveau de limitation dans lequel se trouve le véhicule à cet instant ; - si le point est en dessous de la courbe, le coefficient de correction sera alors égal à 1, - si le point est au dessus de la courbe, le 30 coefficient de correction sera égal à 0. Sur cette figure 3 se trouve également représentée une courbe 35 correspondant à un cycle de fonctionnement moteur tel que celui utilisé par les instances réglementaires pour tester les véhicules. On constate que cette courbe est située en 35 dessous de toute les courbes correspondant aux niveaux de 2903728 10 limitation, ce qui signifie que même lorsque le véhicule se trouve dans le niveau de limitation 3, on injecte suffisamment d'urée pour que respecter les normes en vigueur. 5 La cartographie de la figure 3 n'est montrée ici qu'à titre d'exemple, on peut tout aussi bien utiliser une autre cartographie, par exemple selon le type de véhicule sur lequel est utilisé l'invention. De préférence, le coefficient de correction n'est pas 10 calculé à partir des caractéristiques de fonctionnement du moteur en utilisant une loi mathématique, mais plutôt calibré en fonction de l'utilisation du véhicule. Ainsi, par exemple, on peut choisir de limiter l'injection d'urée sur les points de fortes charges et fort régime, car ces points sont fortement 15 consommateurs d'urée, tout en ne limitant pas ou que peu l'injection aux autres points de fonctionnement. Une fois ce coefficient de correction déterminé, on utilise un multiplicateur 16 (figure 1) pour multiplier le 20 coefficient par la quantité bloc 4. On obtient ainsi, d'urée à injecter corrigée, d'urée non corrigée calculée dans le en sortie du système, la quantité c'est à dire la quantité réelle qui sera amenée à l'échappement afin de réagir avec les oxydes d'azote émis par le moteur. 25 La figure 4 représente une intégration possible de l'invention dans les stratégies de pilotage d'un système de post-traitement d'oxydes d'azote de type SCR. La figure 4a montre une stratégie de pilotage SCR 40 qui composé de deux 30 modules : un module de pilotage de l'injection d'urée 41, destiné à déterminer la quantité d'urée à injecter dans l'échappement à chaque instant, et un module de contrôle de l'urée embarqué 42 dont le rôle est d'assurer cette injection, notamment en gérant le réservoir d'urée. 2903728 11 La figure 4b décrit, plus en détail, le module pilotage d'injection d'urée 41. Ce module comprend généralement un sous module 44 de calcul de la quantité d'urée à injecter et un sous module 45, destiné à effectuer un contrôle en boucle 5 fermé de la quantité d'urée à injecter. De préférence, un procédé conforme à l'invention viendra s'intégrer dans le module 41 sous forme d'un sous module 43 de contrôle de la consommation d'urée. Les trois sous modules 43, 44 et 45 disposent de moyens pour échanger des informations entre eux, notamment pour 10 transmettre des quantités d'urée et/ou des valeurs de coefficient de correction. Sur la figure 5 sont représentées deux courbes permettant de voir l'effet d'un procédé selon l'invention sur le 15 fonctionnement d'un moteur, pour deux types d'usagers. Un client dit moyen est un client qui utilise son véhicule de façon telle que la consommation d'urée reste inférieure à la moyenne. On voit sur le graphique 5a que la courbe de consommation d'urée 50 ne dépasse jamais la première 20 courbe seuil, et le véhicule ne sort donc jamais du niveau de limitation O. Ainsi, il n'y a jamais de problème de consommation excessive, et il n'est donc jamais nécessaire de limiter la quantité d'urée injectée. En revanche, dans le cas d'un client sévère , la 25 consommation d'urée est beaucoup trop importante, et il est donc nécessaire de la contrôler afin de s'assurer que le réservoir d'urée de ce client ne sera pas vide avant la prochaine vidange du réservoir. On peut en effet constater, sur la figure 5b, que dès 30 le début d'utilisation du véhicule après une vidange, le client a consommé une quantité d'urée telle qu'il se trouve dans le niveau de limitation 2, puisque la courbe de consommation d'urée 52 est au dessus des deux premières courbes de seuil. Dans ce cas, les coefficients de correction déterminés seront 35 relativement faibles, et le système n'injectera que peu d'urée 2903728 12 dans l'échappement. On voit sur ce graphique l'intérêt d'un tel système puisque, rapidement, la courbe de consommation d'urée repasse dans le niveau de limitation 1 puis dans le niveau de limitation 0, qui correspond à une utilisation normale du 5 véhicule. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la consommation d'urée destiné à être utilisé dans un système de traitement d'oxydes d'azote à réduction catalytique sélective, dite SCR, installé dans la ligne d'échappement du moteur d'un véhicule comprenant un réservoir d'urée, le procédé comprenant les étapes suivantes : - on détermine (12), en fonction d'au moins un paramètre, un coefficient de correction de la quantité d'urée à injecter dans le système, le(s) paramètre(s) étant choisi(s) dans le groupe comprenant : la quantité d'urée consommée dans le véhicule depuis une date de référence, la distance parcourue par le véhicule depuis une date de référence et le volume (28) du réservoir d'urée installé dans le véhicule, et - on applique (16) ce coefficient de correction à une quantité d'urée (14) prédéterminée en fonction du régime du moteur, appelée quantité non corrigée, de manière à obtenir la quantité d'urée à injecter, appelée quantité corrigée. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise comme date de référence, pour le calcul de la distance parcourue et/ou de la quantité d'urée consommée, la date de la dernière vidange effectuée sur le véhicule. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le calcul (14) de la quantité d'urée non corrigée est effectuée en fonction d'au moins un paramètre, le (les) paramètre(s) étant choisi(s) dans le groupe comprenant : une valeur de régime moteur, une valeur de charge moteur, une valeur de température de catalyseur, et un rapport entre la quantité d'oxydes d'azote à l'entrée du système de traitement et la quantité de dioxyde d'azote présent dans les gaz d'échappement du véhicule, à l'entrée du système de traitement. 2903728 14 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité d'urée consommée depuis une date de référence est calculée en cumulant les quantités d'urée injectées à chaque instant depuis cette date. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le calcul de la quantité d'urée consommée depuis une date de référence est corrigé en utilisant le niveau d'urée restant dans le réservoir d'urée. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel, pour déterminer le coefficient de correction, on utilise des niveaux de limitation de l'injection d'urée prédéterminés en fonction d'au moins un paramètre, ce (ces) paramètre(s) étant choisi(s) dans le groupe comprenant: la quantité d'urée consommée dans le véhicule depuis une date de référence, la distance parcourue par le véhicule depuis une date de référence, et le volume du réservoir d'urée installé dans le véhicule. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel, pour chaque niveau de limitation, on détermine le coefficient de correction en fonction du régime du moteur et de la charge du moteur, également appelée couple du moteur. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la détermination du coefficient de correction est effectuée en utilisant une cartographie préétablie. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on prend en compte, pour le calcul de la valeur du coefficient de correction, au moins un paramètre choisi dans le groupe comprenant : la température ambiante, l'altitude et, la température d'eau du moteur. 2903728 15 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le procédé étant réalisé par un module (41) de pilotage d'injection d'urée, ce module réalisant en outre un calcul (44) de la quantité d'urée non corrigée, et un contrôle (45) en boucle fermée de la quantité d'urée non corrigée. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité d'urée non corrigée correspond à la quantité nécessaire à une réduction totale des oxydes d'azote, et dans lequel la valeur du coefficient de correction est supérieure ou égale à 0, et strictement inférieure à 1. 12. Système de post-traitement d'oxydes d'azote à réduction catalytique sélective utilisant un procédé selon l'une des revendications précédentes.