Brevet FR2934011A1 — publié le 20100122

REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 1 L'invention concerne un dispositif de post-traitement comprenant un catalyseur de réduction catalytique sélective (SCR) pour le post traitement de gaz d'échappement émis par un moteur interne d'un véhicule automobile ainsi qu'un procédé de gestion d'un catalyseur SCR comprenant un diagnostic précis de l'éventuelle défaillance d'un tel catalyseur SCR. Elle concerne aussi un véhicule automobile en tant que tel équipé d'un tel dispositif de post-traitement. Les moteurs à combustion interne rejettent dans l'atmosphère des éléments polluants parmi lesquels des oxydes d'azote (NOx). Il est connu de réduire ces éléments polluants en utilisant de l'ammoniac, stockée sous forme d'urée, selon une réaction formant de l'azote et de l'eau. Pour cela, l'ammoniac est injectée en amont d'un catalyseur de réduction catalytique sélective (SCR) au sein duquel se déroule cette réaction de réduction qui permet d'éliminer des gaz d'échappement les oxydes d'azote et d'éviter leur rejet dans l'atmosphère. Le fonctionnement d'un catalyseur SCR est aujourd'hui contrôlé avec un seul capteur mesurant la concentration des oxydes d'azote NOx (principalement le monoxyde d'azote NO et le dioxyde d'azote NO2) dans les gaz d'échappement en aval du catalyseur SCR. De plus, ce capteur a la propriété de mesurer la concentration d'ammoniac NH3 dans les gaz d'échappement. Le diagnostic du fonctionnement d'un catalyseur SCR est réalisé en comparant une estimation de l'efficacité théorique de traitement des oxydes d'azote, en fonction de paramètres comme sa température, du débit gazeux, de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur, avec la quantité réelle d'oxydes d'azote mesurée en aval du catalyseur par le capteur. En cas de différence, le dysfonctionnement du catalyseur est diagnostiqué. REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 2 Toutefois, un dysfonctionnement du catalyseur peut provenir de nombreuses causes, être dû à une baisse d'efficacité du catalyseur, à une injection insuffisante d'urée par rapport à la quantité des oxydes d'azote NOx présents dans les gaz d'échappement et entrant dans le catalyseur, ou à une baisse d'efficacité du réactif injecté, par exemple en cas de dilution par de l'eau. Il s'avère impossible dans l'état de la technique de déterminer la cause précise du dysfonctionnement d'un catalyseur SCR, qui peut être dû à la dilution du réactif injectée, un problème de montée en pression de l'injecteur, une fermeture intempestive de l'injecteur, un vieillissement excessif du catalyseur... Dans ces conditions, le diagnostic d'un catalyseur SCR apparaît aujourd'hui insuffisant et un objet général de l'invention est de proposer une autre solution de post traitement des gaz d'échappement à base de catalyseur SCR permettant un diagnostic plus précis de son fonctionnement. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de gestion d'un catalyseur de réduction catalytique sélective (SCR) comprenant un procédé d'identification de défaillance du catalyseur SCR comprenant les étapes suivantes : -mesure de la quantité d'eau à l'échappement sur la base du degré d'humidité mesuré par un capteur d'hygrométrie disposé en aval du 25 catalyseur SCR ; -calcul de la quantité d'eau théorique en aval du catalyseur SCR sur la base de la quantité d'eau théorique ajoutée par l'injecteur dans la voie d'échappement ; -comparaison de la quantité d'eau mesurée avec la quantité d'eau 30 théorique. REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 3 La première étape du procédé d'identification de défaillance du catalyseur SCR peut comprendre les étapes suivantes : -évaluation du degré d'humidité de l'air en amont de l'injecteur, 5 -mesure du degré d'humidité en sortie du catalyseur SCR ; - calcul à partir du degré d'humidité mesuré en sortie du catalyseur SCR, des conditions de température et du débit de gaz d'échappement de la quantité d'eau mesurée à l'échappement. 10 Le procédé de gestion peut comprendre l'étape supplémentaire suivante : - si la différence entre la quantité d'eau mesurée et la quantité d'eau théorique est au-delà d'un seuil prédéfini, alors il est diagnostiqué qu'il y a une défaillance au niveau de l'injecteur. 15 Le procédé de gestion peut comprendre les étapes préalables suivantes : - mesure de la quantité d'oxydes d'azote (NOx) présents dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR ; - estimation de la quantité d'oxydes d'azote théorique présents en aval du catalyseur SCR ; 20 -mesure de la quantité d'oxydes d'azote en aval du catalyseur ; -comparaison de la quantité d'oxydes d'azote aval mesurée avec la quantité théorique et, si la quantité mesurée est supérieure, alors il est diagnostiqué une défaillance du dispositif de post traitement. 25 Le procédé d'identification de défaillance peut n'être mis en oeuvre qu'en cas de défaillance diagnostiquée à l'étape préalable. De plus, le procédé de gestion peut comprendre l'étape supplémentaire 30 suivante : REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 4 - si la différence entre la quantité d'eau mesurée et la quantité d'eau théorique n'est pas au-delà d'un seuil prédéfini, alors il est diagnostiqué que la défaillance du dispositif de post-traitement provient du catalyseur SCR. Le procédé d'identification de la défaillance peut comprendre les étapes supplémentaires suivantes : -coupure de l'injecteur de la voie d'échappement ; -réalisation de toutes les étapes du procédé d'identification de la 10 défaillance ; -si la quantité d'eau mesurée est supérieure à la quantité d'eau théorique alors il est diagnostiqué qu'il y a une injection intempestive, liée à une fuite au niveau du point d'injection. 15 Le procédé de gestion peut comprendre l'étape supplémentaire suivante en cas d'injection intempestive : -coupure du système d'alimentation de l'injecteur, -information du conducteur de l'état du dispositif. 20 Le procédé d'identification de la défaillance peut comprendre les étapes supplémentaires suivantes : -mémorisation des quantités d'eau théorique et mesurée selon le procédé d'identification de la défaillance ; -diminution de la quantité de solution aqueuse injectée ; 25 -réalisation de toutes les étapes nécessaires aux calculs des quantités d'eau théorique et mesurée selon le procédé d'identification de la défaillance décrit ci-dessus ; -si l'écart entre les deux quantités d'eau mesurées avant et après diminution de l'injection est supérieur à l'écart entre les deux quantités 30 d'eau théoriques avant et après diminution de l'injection, alors il est REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 5 diagnostiqué que le liquide qui a été injecté comprend proportionnellement plus d'eau que le liquide nominal ; -dans ce cas, augmentation de la quantité injectée pour compenser la perte d'efficacité du système, et -information du conducteur de l'état du dispositif ; - si l'écart entre les deux quantités d'eau mesurées avant et après diminution de l'injection est inférieur à l'écart entre les deux quantités d'eau théoriques avant et après diminution de l'injection, alors il est diagnostiqué que le liquide qui a été injecté comprend proportionnellement moins d'eau que le liquide nominal ; - dans ce cas, diminution de la quantité injectée pour compenser l'augmentation de risque de surdosage et de fuite d'additif à l'échappement, et - information du conducteur de l'état du dispositif. L'invention porte aussi sur un dispositif de post traitement des gaz d'échappement d'un véhicule automobile, comprenant un catalyseur de réduction catalytique sélective (SCR), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur d'hygrométrie en aval du catalyseur SCR sur la voie d'échappement, une unité de commande électronique (ECU) qui met en oeuvre le procédé de gestion du catalyseur (SCR) tel que décrit précédemment et un injecteur pour solution aqueuse d'urée en amont du catalyseur SCR. Le dispositif de post traitement peut comprendre un capteur d'oxydes d'azote disposé sur la voie d'échappement en aval du catalyseur SCR. Le dispositif de post traitement peut comprendre un capteur d'hygrométrie et un capteur d'oxydes d'azote en amont du catalyseur SCR.30 REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 6 Enfin, le dispositif de post traitement peut comprendre un catalyseur d'oxydation et un filtre à particules en amont du catalyseur SCR, le capteur d'hygrométrie et le capteur d'oxydes d'azote étant disposés en amont du catalyseur d'oxydation et du filtre à particules. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec l'unique figure jointe qui représente schématiquement un catalyseur SCR selon le mode d'exécution de l'invention. La figure 1 représente donc un dispositif de post traitement de véhicule automobile comprenant un catalyseur SCR 1 monté sur une voie d'échappement 11 pour les gaz d'échappement. Un dispositif d'injection 6 est monté en amont du catalyseur 1, alimenté par une entrée 5 en une solution aqueuse d'urée, l'urée ayant la propriété de se décomposer en ammoniac à haute température, de sorte de pouvoir injecter dans la voie d'échappement 11 la quantité d'ammoniac exigée par le dispositif. Ce dispositif comprend de plus plusieurs capteurs : un capteur de température 2 en amont du catalyseur, un capteur d'oxydes d'azote 3 et un capteur d'hygrométrie 4 en aval du catalyseur. Enfin, le dispositif comprend un catalyseur d'oxydation et un filtre à particules 10 sur la voie d'échappement, permettant de piéger d'autres éléments polluants des gaz d'échappement. Un capteur d'hygrométrie 8 et un capteur d'oxydes d'azote 7 sont de plus montés en amont de ce dispositif de post traitement complémentaire. Enfin, un capteur de pression différentielle 9 est disposé aux bornes du filtre à particules. Le dispositif comprend de plus une unité de commande électronique 30 (ECU) 15, composée d'éléments matériel (hardware) et/ou logiciel REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 7 (software), qui se présente généralement sous la forme d'un ordinateur de bord. Cette unité ECU reçoit les données des mesures des différents capteurs du dispositif de post traitement. A partir de ces données et/ou de modèles mémorisés, l'unité ECU met en oeuvre un procédé de diagnostic du catalyseur SCR décrit ci-après. L'injection d'ammoniac dans les voies d'échappement permet de réduire les oxydes d'azote des gaz d'échappement par une réaction favorisée par le catalyseur SCR. Cette réaction augmente le taux d'humidité dans les gaz d'échappement. L'invention repose sur l'utilisation d'un capteur d'hygrométrie en aval du catalyseur, qui donne donc une indication sur le fonctionnement du catalyseur. Le procédé de gestion du catalyseur SCR met en oeuvre les étapes essentielles suivantes d'un procédé d'identification de défaillance : El -mesure de la quantité d'eau dite mesurée à l'échappement sur la base du degré d'humidité mesuré par le capteur d'hygrométrie 4 en aval du catalyseur SCR ; E2 -calcul de la quantité d'eau théorique ajoutée par l'injecteur 6, à partir de la consigne d'injection ; E3 -comparaison de la quantité d'eau mesurée avec la quantité d'eau théorique. L'étape El du procédé de gestion peut comprendre les étapes suivantes : -évaluation du degré d'humidité de l'air en amont du dispositif de post-traitement des émissions polluantes, par l'intermédiaire du capteur d'hygrométrie amont 8 ; -mesure du degré d'humidité en sortie du catalyseur SCR ; REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 8 -calcul à partir du degré d'humidité mesuré en sortie du catalyseur SCR, des conditions de température et du débit de gaz d'échappement de la quantité d'eau dite mesurée à l'échappement. Le procédé de gestion peut en outre comprendre les étapes suivantes : E4 - si la quantité d'eau mesurée est supérieure ou inférieure à la quantité d'eau théorique, au-delà d'un seuil prédéfini, alors il est diagnostiqué qu'il y a une défaillance au niveau du système d'injection 6 ; E4' - si la quantité d'eau mesurée est comprise dans la fourchette précédemment définie autour de la quantité d'eau théorique, alors on considère que le système d'injection n'est pas défaillant et qu'une défaillance du dispositif de post-traitement provient probablement du catalyseur SCR. En outre, le procédé de gestion peut comprendre les étapes préalables suivantes : -mesure de la quantité d'oxydes d'azote NOx présents dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR, par le capteur 7 ; -estimation de la quantité d'oxydes d'azote estimée en amont du catalyseur, sur la base d'une estimation de l'efficacité de traitement des NOx par le catalyseur SCR, en fonction de sa température, du débit gazeux, de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur et éventuellement d'autres paramètres..., selon un procédé d'estimation mis en oeuvre par l'ECU 15 ; -mesure de la quantité de NOx en aval du catalyseur, par le capteur 3; -comparaison de la quantité de NOx mesurée avec la quantité théorique et, si la quantité mesurée est supérieure, alors il y a une défaillance du dispositif de post traitement et le procédé met en oeuvre le procédé d'identification de défaillance décrit ci-dessus. REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 9 Le procédé d'identification de la défaillance peut de plus mettre en oeuvre les étapes suivantes, afin d'affiner le diagnostic de la défaillance du dispositif d'injection : -coupure de l'injection de solution aqueuse d'urée ; -réalisation de toutes les étapes E1-E3 nécessaires aux calculs des quantités d'eau théorique et mesurée selon le procédé d'identification de la défaillance décrit ci-dessus ; -si la quantité d'eau mesurée est supérieure à la quantité d'eau théorique alors il est diagnostiqué qu'il y a une injection intempestive, liée à une fuite au niveau du point d'injection ; -en conséquence, le système d'alimentation 5 de l'injecteur 6 est coupé, pour éviter les fuites d'ammoniac à l'échappement et le conducteur est informé de l'état du dispositif, par l'intermédiaire d'une interface homme machine du tableau de bord du véhicule par exemple. Le procédé d'identification de la défaillance peut de plus mettre en oeuvre les étapes suivantes, afin d'affiner le diagnostic de la défaillance du dispositif d'injection : -mémorisation des quantités d'eau théorique et mesurée selon le procédé d'identification de la défaillance décrit ci-dessus E1-E3 ; -diminution de la quantité de solution aqueuse injectée ; -réalisation de toutes les étapes nécessaires aux calculs des quantités d'eau théorique et mesurée selon le procédé d'identification de la défaillance E1-E3 décrit ci-dessus ; -si l'écart entre les deux quantités d'eau mesurées avant et après diminution de l'injection est supérieur à l'écart entre les deux quantités d'eau théoriques avant et après diminution de l'injection, alors il est diagnostiqué que le liquide qui a été injecté comprend proportionnellement plus d'eau que le liquide nominal ; REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 10 -dans ce cas, il est alors décidé d'augmenter la quantité injectée pour compenser la perte d'efficacité du système et le conducteur est informé de l'état du dispositif, par l'intermédiaire d'une interface homme machine du tableau de bord du véhicule par exemple ; -si l'écart entre les deux quantités d'eau mesurées avant et après diminution de l'injection est inférieur à l'écart entre les deux quantités d'eau théoriques avant et après diminution de l'injection, alors il est diagnostiqué que le liquide qui a été injecté comprend proportionnellement moins d'eau que le liquide ; -dans ce dernier cas, il est alors décidé de diminuer la quantité injectée pour compenser le risque de surdosage d'additif et de fuite d'additif à l'échappement et le conducteur est informé de l'état du dispositif, par l'intermédiaire d'une interface homme machine du tableau de bord du véhicule par exemple. L'invention a été décrite dans le cas d'un catalyseur SCR d'un véhicule automobile, ce dernier devant s'entendre au sens très large. En effet, la stratégie de diagnostic décrite fonctionne dans le cadre de tous les moteurs à combustion interne utilisant comme système de post-traitement un catalyseur SCR. Il est possible de l'utiliser dans le cadre d'une application pour un poids lourd ou pour un moteur statique ou un système statique. REN 106FR / PJ8120 - dépôt DA 11