Brevet FR2921107A1 — publié le 20090320

Méthode et système d'injection d'un liquide La présente invention concerne une méthode d'injection d'un liquide de dépollution (en particulier, de l'urée) dans les gaz d'échappement d'un véhicule ainsi qu'un système permettant d'appliquer cette méthode. Avec l'entrée en vigueur de la norme antipollution Euro V sur les véhicules particuliers, des dispositifs de dépollution des NOx (ou oxydes d'azote) doivent être mis en place. Le système retenu par la plupart des constructeurs pour réduire les émissions de NOx à la valeur requise consiste généralement à réaliser une réaction de catalyse sélective avec des réducteurs tels que l'urée (�Urea SCR� ou Réduction Catalytique Sélective utilisant l'ammoniac généré in situ dans les gaz d'échappement par décomposition de l'urée). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'urée, d'un dispositif pour alimenter et de doser la quantité d'urée à injecter dans la ligne d'échappement et d'un injecteur. Des injecteurs spécifiques à cet effet ont été mis au point et sont par exemple utilisés dans les systèmes ELIM-NOxTm commercialisés par la société CCA (Combustion Components Associates). Un problème avec ce type d'injecteur est leur temps de réponse élevé. Dès lors, certains systèmes SCR utilisent des injecteurs similaires à ceux utilisés pour les carburants (par exemple des injecteurs magnétiques à aiguille/pointeau) qui ont un temps de réponse plus faible et qui fonctionnent bien mécaniquement. Toutefois, une problématique liée à ce type d'injecteur concerne les faibles débits demandés pour les applications SCR compte tenu du fait que les injecteurs des systèmes à carburant ont généralement des débits 2 à 4 fois supérieurs. Le brevet US 6,063,350 décrit un système SCR utilisant un injecteur piloté par un signal PWM (�Pulse Width Modulation�). Un tel signal se présente de généralement sous la forme d'une onde de tension carrée c.à.d. d'un train d'impulsions rectangulaires électriques ayant une durée et une amplitude données et émises avec une période donnée. Ces impulsions électriques activent une bobine (solénoïde) qui déplace l'aiguille/pointeau de l'injecteur vers sa position d'ouverture. Généralement, on varie la durée des impulsions (donc: la -2 durée d'ouverture de l'injecteur) pour varier le débit injecté, d'où le nom de ce type de contrôle (PWM). L'avantage de ne varier que la durée et pas la fréquence des impulsions réside dans le fait d'avoir une relation linéaire entre la durée d'ouverture et la quantité (débit) injectée, d'où une plus grande précision de dosage. Toutefois, aux débits les plus faibles et/ou les plus élevés, la demanderesse a constaté que cette linéarité était fortement affectée. Ceci pourrait être dû au fait que ce type d'injecteur possède un temps de réponse à l'ouverture et à la fermeture (qui ont généralement lieu sous l'effet d'une impulsion électrique). Dans son état de repos, un ressort (ou un autre dispositif de rappel) maintient généralement l'aiguille pour obturer l'orifice de l'injecteur. A des débits faibles, le temps mécanique d'ouverture de l'injecteur peut être de l'ordre du temps effectif d'injection (aiguille en position haute, dégagement de l'orifice), et donc, l'injecteur perd son comportement linéaire, dans des cas extrêmes : l'injecteur n'aura pas le temps de s'ouvrir. A l'inverse, quand l'injecteur n'a pas le temps de se fermer, il perd son comportement linéaire. On pourrait dès lors songer à travailler à durée d'injection constante mais à fréquence variable. Cette manière de procéder permet en effet de choisir une durée suffisante (en fonction de l'injecteur) pour que celui-ci puisse s'ouvrir même au débit le plus faible. De plus ceci ne nécessite qu'un point de calibrage (la quantité injectée étant directement proportionnelle à la fréquence des impulsions). Toutefois, la demanderesse a constaté qu'en augmentant le débit, la fréquence d'injection devenait parfois inutilement élevée et pouvait provoquer un vieillissement prématuré de l'injecteur. Dans certains cas extrêmes, elle a même constaté que l'injecteur n'avait parfois pas le temps de se fermer, faussant la relation de proportionnalité établie entre le débit et le temps d'ouverture et donc augmentant l'erreur. Or, certains systèmes SCR travaillent en boucle ouverte c.à.d. que la quantité d'additif injectée n'est pas pilotée (corrigée) en boucle en utilisant par exemple une mesure directe de l'efficacité de la dépollution (via un capteur de NOx et/ou urée dans les gaz d'échappement par exemple). En effet, sur certains véhicules, cette boucle a lieu en dehors du périmètre du système, par exemple au niveau d'un calculateur déjà présent sur le véhicule, par exemple celui du moteur ou ECU (unité de contrôle du moteur ou Engine Control Unit). Dès lors, il faut s'assurer que l'injecteur soit bien capable de s'ouvrir et de se fermer sur toute sa -3 gamme d'utilisation c.à.d. qu'il faut faire en sorte de ne pas descendre sous le temps minimal d'ouverture et de ne pas dépasser le temps maximum d'ouverture. La présente invention vise dès lors à fournir un système et une méthode de contrôle d'un injecteur qui mène à un dosage précis sur toute la gamme de débits nécessaire dans un système SCR (qui peut aller de 15g/h à 1500g/h voire même 3000 g/h) et ce avec malgré tout un nombre réduit de courbes de calibrage, et avec une sécurité quant à l'ouverture effective de l'injecteur à bas débit et/ou sa fermeture effective à haut débit. A cet effet, la présente invention concerne une méthode pour le contrôle d'un injecteur destiné à injecter un additif liquide de dépollution dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à un débit conditionné par une fréquence et une durée d'ouverture de l'injecteur données, l'injecteur ayant une courbe de calibrage établissant à fréquence, pression, température et nature du liquide données, la quantité de liquide injectée lors d'une ouverture de l'injecteur en fonction de la durée de celle-ci, cette courbe comportant au moins une zone linéaire (droite de calibrage) et une zone non linéaire, ladite méthode étant caractérisée en ce que dans la zone linéaire, on utilise les paramètres de la droite de calibrage et dans la zone non linéaire, on travaille avec une durée d'ouverture fixe et une fréquence variable selon au moins un point de calibrage établi à cet effet. En d'autres termes: on travaille uniquement avec la partie des courbes de calibrage dont la linéarité est quasi parfaite (et ce faisant, où la précision de dosage est élevée) et en dehors, on utilise des points de calibrage obtenus à durée d'injection fixe. Il suffit en effet d'un point de calibrage par temps d'ouverture, le débit étant alors simplement obtenu en multipliant la quantité injectée pendant cette durée par la fréquence. S'il y a plusieurs temps d'ouverture, il y aura autant de points de calibrage. A condition de choisir pour les bas débits (c.à.d. dans la zone non linéaire s'étendant, le cas échéant, du plus petit débit possible au débit à laquelle le comportement de l'injecteur devient linéaire), une durée fixe égale à la durée minimale requise pour que l'ouverture de l'injecteur soit effective (tmzn), on peut travailler en boucle ouverte avec une bonne précision. Avec les injecteurs urée dérivés des injecteurs à carburant, la courbe d'étalonnage décroche généralement de la linéarité bien après le débit maximum requis pour l'additif SCR et donc, on peut généralement travailler à fréquence -4 fixe et temps d'ouverture variable sur toute la gamme de débits excepté aux bas débits, où l'on travaille donc avec un ou plusieurs temps d'ouverture constants choisis proche de la durée d'ouverture minimale de l'injecteur (tmzn)• Toutefois, avec les injecteurs spécifiques à urée évoqués précédemment, on peut également observer une non-linéarité aux hauts débits que l'objet de la présente invention permet dès lors également de traiter. En outre, avec ce type d'injecteur, on peut être amené à devoir travailler à au moins 2 fréquences données pour pouvoir couvrir toute la gamme de débits souhaités (voir valeurs ci-dessus). Donc, une méthode selon une variante de l'invention utilise au moins 3 zones de travail différentes, voire 4 : une lere à fréquence variable et durée d'ouverture constante, supérieure ou égale à la durée minimale d'ouverture de l'injecteur pour les bas débits ; une deuxième à fréquence fixe et durée d'ouverture variable en fonction du débit demandé (qui est supérieur au débit maximal atteint pour la lèreplage); une troisième également à fréquence fixe et durée d'ouverture variable en fonction du débit demandé (mais qui est cette fois supérieur au débit maximal atteint pour la 2ème plage); et éventuellement une 4èmeà fréquence variable et durée d'ouverture constante, inférieure ou égale à la durée maximale d'ouverture de l'injecteur. En d'autres termes, dans cette variante, pour atteindre des débits croissants, on travaille d'abord à durée d'ouverture fixe (tmin, par ex. 2 à 3 ms) et fréquence variable jusqu'à obtenir un certain débit; puis, on travaille à une fréquence donnée et une durée d'ouverture variable jusqu'à atteindre un second débit; ensuite, on travaille également à une fréquence donnée (mais plus élevée) et à durée d'ouverture variable et enfin, si nécessaire, on termine par un travail à durée d'ouverture fixe (par ex. 60 à 65 ms) et fréquence variable. La méthode selon l'invention est de préférence destinée à un système SCR pour gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un véhicule. Par �système SCR�, on entend désigner un système de réduction catalytique des NOx des gaz d'échappement utilisant un précurseur d'ammoniac liquide qui est de préférence de l'urée. Par le terme �urée�, on entend désigner toute solution, généralement aqueuse, contenant de l'urée. L'invention donne de bons résultats avec les solutions eutectiques eau/urée pour lesquelles il existe un standard-qualité: par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'AdBlue° (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31,8 % et -5 33,2 % (en poids) (soit 32.5 +/- 0.7 % en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible comprise entre 18,0 % e 18,8 %. L'invention peut également s'appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium en solution aqueuse également et vendus sous la marque DenoxiumTM et dont l'une des compositions (Denoxium-30) contient une quantité équivalente en ammoniac à celle de la solution d'Adblue�. Ces derniers présentent comme avantage, le fait de ne geler qu'à partir de -30°C (par rapport à -11 °C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération éventuelle d'acide formique. La présente invention est particulièrement intéressante dans le cadre des solutions eutectiques eau/urée. Dans la méthode selon l'invention, l'injecteur peut soit être un injecteur dit �actif� c.à.d. incluant la fonction de dosage, soit un injecteur dit �passif� alors couplé à un dispositif additionnel de dosage tel qu'une vanne doseuse par exemple. Il s'agit avantageusement d'un injecteur passif et en particulier, d'un gicleur ou pulvérisateur permettant d'obtenir des gouttes de solution d'un diamètre compris entre 5 et 100 �m. Un tel gicleur est avantageusement muni d'un orifice de diamètre de l'ordre de 150 �m û 250 �m. Cet orifice est de préférence alimenté par un système de fins canaux (3 û 4) produisant un phénomène de �swirl� (vortex) de la solution en amont du gicleur. De tels injecteurs ont spécialement été mis au point pour l'application SCR. Alternativement, il peut s'agir d'un simple injecteur dérivé des injecteurs à carburants. Ce type d'injecteur peut par exemple posséder un, voire quatre orifices de diamètre 230 �m et produisant un diamètre moyen de gouttelettes de l'ordre de 140�m à une pression de service de 5 bars. Dans le cadre de l'invention, la transition entre zone(s) linéaire(s) et zone(s) non linéaire(s) (et donc : le basculement d'une stratégie à l'autre) se fait à l'aide de l'unité de contrôle électronique (ECM) sur base d'une comparaison entre le débit souhaité (Q ou débit de consigne) et la courbe d'étalonnage [quantité injectée = f (durée d'ouverture) ou q=f(t)] et d'éventuels débits supplémentaires à des temps d'ouverture choisis. L'ECM en déduit où se situe le point de fonctionnement souhaité (dans ou en dehors de la zone de linéarité) et choisit le mode de pilotage adéquat (fréquence fixe û durée d'ouverture variable ou le contraire). Comme évoqué précédemment, les systèmes SCR comprennent généralement, outre l'injecteur susmentionné, au moins un réservoir pour stocker la solution d'urée ainsi qu'un système pour alimenter celle-ci aux gaz -6 d'échappement et qui comprend généralement des éléments actifs tels que pompe, filtre, vanne(s), canalisations (d'alimentation et/ou de retour)... Généralement, afin d'assurer un dosage précis, la pompe est pilotée de manière à assurer à sa sortie, une pression la plus stable possible. De manière avantageuse, il s'agit d'une pompe rotative dont la pression de sortie est commandée par un contrôleur muni d'un régulateur PID qui agit sur sa vitesse de rotation. De manière tout particulièrement préférée, la consigne de pression provient d'un signal de type PWM envoyé par une unité de contrôle électronique (ECM) au contrôleur de la pompe et ce signal également une information relative au sens de rotation de la pompe, une information sur le démarrage et/ou l'arrêt de la pompe, une information quant au diagnostic sur le fonctionnement de la pompe. Un tel système de contrôle fait l'objet de la demande FR 0700358 au nom de la demanderesse dont le contenu à cet effet est incorporé par référence dans la présente demande. Malgré le recours à un tel système, il se peut que la pression en sortie de la pompe (c.à.d. généralement à l'entrée de l'injecteur) ne soit pas égale à la pression de consigne dans certains cas. Par exemple, à haut débit et/ou en présence d'une fuite, la pompe peut � saturer � c.à.d. ne pas atteindre sa pression de consigne. De plus, dans les pompes disponibles sur le marché, la pression de consigne peut varier au sein d'une même gamme (typiquement peut être égale à une valeur donnée à +/- 10% près). En outre, dans certains cas, il peut être avantageux de choisir à dessein une pression plus élevée ou plus faible que celle pour laquelle l'injecteur a été calibré (par exemple, on peut songer à diminuer la pression pour atteindre les débits les plus faibles et/ou pour épargner, diminuer l'usure et donc, augmenter la durée de vie de certains injecteurs). Or, en vertu de la loi de Bernoulli, pour un mode de fonctionnement donné (durée et fréquence d'ouverture donnée), le débit de l'injecteur varie en fonction de la différence de pression régnant entre l'entrée et la sortie de l'injecteur (cette dernière étant généralement la pression atmosphérique). Dès lors, selon une variante avantageuse de l'invention, la pression d'alimentation de l'injecteur est mesurée et les paramètres d'injection de l'injecteur (temps d'ouverture et/ou fréquence) sont modifiés en fonction de la loi de Bernoulli généralisée. Cette correction peut se faire par un simple calcul. En effet, dans le cas d'un injecteur, l'application de la loi de Bernoulli généralisée mène - 7 généralement à la relation suivante (voir par exemple la formule 1.49 dans le Mémento des pertes de charges, I.E. Idel'cik, Volume 13, Coefficients de pertes de charge singulières et de pertes de charge par frottement, traduction du russe par Mme Meury, 1999, p28, Edition Eyrolles): Qinjector = Jt injector ' Foinjector . /2 . g ' H (1.49 ù p28) où: Purea ' g ' H = L\Pnjector d'où: Qinjector /t injector ' Fo,injector ' ''P injector urea P 10 avec: - Qinjector = débit de l'injecteur - uinjector = son coefficient de débit (déterminable expérimentalement et/ou via le mémento lui-même) -Fo,injector = la section de son orifice d'injection 15 - Pnrea = poids spécifique de l'urée - A injector = différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'injecteur soit injector urea atm ' On a dès lors: Qinjector,ref //,tturea,ref ~injector,ref Qinjector,new t"urea,new APnjector,new soit un facteur de correction apressnre . Jurea,new A njector,new 25 avec: Pnrea ref = la pression à laquelle l'injecteur a été calibré et Pnrea new = la pression effectivement mesurée par le capteur. Il ressort de ce qui précède que dans la méthode selon l'invention, l'injecteur peut être calibré à une seule pression (c.à.d. qu'il suffit d'établir la droite de correspondance respectivement entre le temps d'ouverture et le débit 30 pour une pression donnée et que les valeurs de temps d'ouverture pour les autres pressions peuvent être déduites par le calcul). Ceci a été vérifié expérimentalement avec succès par la demanderesse. L'injecteur concerné par la méthode selon l'invention est de préférence alimenté par un signal électrique par exemple de type de PWM. Il peut s'agir 2 20 I"'urea,ref injector,ref a pressure -8 d'un injecteur piézoélectrique, de type peak & hold ... En particulier, il peut s'agir d'un injecteur magnétique.Généralement, un tel injecteur comprend au moins une bobine qui, lorsqu'on fait circuler un courant électrique à travers elle, génère un champ magnétique qui exerce une force attractive sur un élément magnétique solidaire de (ou actionnant) une pièce mobile qui tantôt obstrue tantôt libère un orifice d'injection. Généralement, cette pièce mobile à la forme d'une aiguille ou d'un pointeau. Dans le cas des vannes magnétiques ou tout autre dispositif électrique d'actionnement de l'ouverture d'un injecteur destinées à un système SCR embarqué sur un véhicule, le signal électrique de pilotage de l'injecteur est généralement une tension générée par la batterie et/ou l'alternateur du véhicule. Or, selon les conditions (démarrage ou roulage en régime), cette tension peut varier de 9 à 16 V environ. Ceci est la raison pour laquelle, lorsque la méthode selon l'invention est appliquée à un tel système (ou à tout autre système où le signal électrique est généré à partir d'une source de tension embarquée sur véhicule ne débitant pas une tension constante tout au long du fonctionnement du système SCR), les modifications de tension, notamment à faible temps d'ouverture de l'injecteur, entraîne des dérives de débits non souhaitées. Plus le courant traversant la bobine de l'injecteur est faible, moins le champ est important. Dès lors, on augmente le temps mécanique d'ouverture de l'injecteur et on diminue le temps effectif d'injection d'où: le débit diminue. Ce phénomène devient de plus en plus critique lorsque le temps mécanique d'ouverture de l'injecteur est de l'ordre du temps effectif d'injection (aiguille en position haute, dégagement de l'orifice). En somme, pour les petits débits, la diminution de la tension engendre une diminution du débit (et inversement pour le reste). A remarquer que la demanderesse a constaté que la diminution de la tension n'influence pas le débit quand l'injecteur est constamment ouvert, ce qui tend à prouver que la tension n'a une influence que sur le temps d'ouverture (et non sur la position de l'aiguille dans l'injecteur lorsque celle-ci est en position haute). Dès lors, selon une variante avantageuse de l'invention, le temps d'ouverture est directement ou indirectement corrigé en fonction des variations de tension de telle sorte que le système de pilotage de l'injecteur rend l'injecteur pratiquement indépendant des fluctuations électriques (tension et/ou courant). Par exemple : lors d'une variation de tension dans la génération du signal PWM pilotant l'injecteur, la stratégie compensera, grâce à des abaques, la largeur de -9 l'impulsion de tension de telle sorte que le temps effectif d'injection restera inchangé. La présente invention concerne également un système SCR susceptible d'utiliser la méthode décrite ci-dessus et comprenant à cet effet: - un injecteur susceptible d'injecter dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, un débit de liquide variable selon sa durée et sa fréquence d'ouverture - un contrôleur susceptible d'agir sur l'injecteur pour varier indépendamment soit sa fréquence soit sa durée d'ouverture et ce dans des plages fixes respectivement de durées ou de fréquences d'ouverture. REVENDICATIONS 1. Méthode pour le contrôle d'un injecteur destiné à injecter un additif liquide de dépollution dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à un débit conditionné par une fréquence et une durée d'ouverture de l'injecteur données, l'injecteur ayant une courbe de calibrage établissant à fréquence, pression, température et nature du liquide données, la quantité de liquide injectée lors d'une ouverture de l'injecteur en fonction de la durée de celle-ci, cette courbe comportant au moins une zone linéaire (droite de calibrage) et une zone non linéaire, ladite méthode étant caractérisée en ce que dans la zone linéaire, on utilise les paramètres de la droite de calibrage et dans la zone non linéaire, on travaille avec une durée d'ouverture fixe et une fréquence variable selon au moins un point de calibrage établi à cet effet. 2. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'à bas débit, on travaille à une durée fixe supérieure ou égale à la durée minimale (tn,,n) 15 requise pour que l'ouverture de l'injecteur soit effective. 3. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'on travaille à fréquence fixe et temps d'ouverture variable de l'injecteur sur toute la gamme de débits excepté les bas débits, où l'on travaille avec un point de calibrage donnant le débit en fonction de la fréquence pour une durée d'ouverture 20 fixe supérieure ou égale à la durée d'ouverture minimale (train) de l'injecteur. 4. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que pour atteindre des débits croissants, on travaille d'abord à durée d'ouverture fixe (t,nin) et fréquence variable jusqu'à obtenir un certain débit; puis, on travaille à une fréquence donnée et une durée d'ouverture variable jusqu'à atteindre un second 25 débit; ensuite, on travaille également à une fréquence donnée (mais plus élevée) et à durée d'ouverture variable et enfin, si nécessaire, on termine par un travail à durée d'ouverture fixe (par ex. 60 à 65 ms) et fréquence variable. 5. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'additif de dépollution est une solution eutectique 30 eau/urée.-11- 6. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle utilise une unité de contrôle électronique (ECM) qui choisit, sur base d'une comparaison entre le débit souhaité (Q ou débit de consigne) et la courbe d'étalonnage [quantité injectée = f (durée d'ouverture) ou q=f(t)] et d'éventuels débits supplémentaires à des temps d'ouverture choisis, le mode de pilotage (fréquence fixe û durée d'ouverture variable ou le contraire). 7. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle utilise une différence de pression entre la pression mesurée à l'entrée de l'injecteur et la pression utilisée pour calibrer l'injecteur, pour modifier directement ou indirectement le temps d'ouverture et/ou la fréquence de pilotage de l'injecteur. 8. Méthode selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que l'injecteur est un injecteur dont la commande d'ouverture est établie par un signal électrique. 9. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lorsque le signal électrique pilotant l'injecteur est généré à l'aide d'une source délivrant une tension variable, la fréquence et/ou le temps d'ouverture de l'injecteur (selon le mode de pilotage activé) sont corrigés de manière directe ou indirecte en fonction de la variation de cette tension. 10. Système SCR susceptible d'utiliser la méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes et comprenant à cet effet: un injecteur susceptible d'injecter dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, un débit de liquide variable selon sa durée et sa fréquence d'ouverture; et - un contrôleur susceptible d'agir sur l'injecteur pour varier indépendamment soit sa fréquence soit sa durée d'ouverture et ce dans des plages fixes respectivement de durées ou de fréquences d'ouverture.