Brevet FR2934010A1 — publié le 20100122

REN 104FR / PJ8125 - 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 dispositif de post-traitement comprenant un catalyseur SCR pour optimiser son fonctionnement. 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 par leur réaction chimique avec une substance réductrice, en général en utilisant de l'ammoniac, stockée sous forme d'urée, selon une réaction chimique 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. L'optimisation d'un dispositif de post traitement basé sur un catalyseur SCR nécessite des proportions stoechiométriques entre la quantité des oxydes d'azote NOx à traiter et la quantité de réducteur à injecter, soit en général l'ammoniac. Mais une telle situation idéale, du fait de l'inertie importante du catalyseur SCR vis-à-vis de l'ammoniac, nécessite une stabilité de fonctionnement très importante qui est en pratique rarement atteinte dans une application au sein d'un véhicule automobile. Ainsi, les situations de sur ou sous dosage sont très fréquentes. Un surdosage, c'est-à-dire une injection trop importante de réducteur, conduit à l'augmentation de la consommation en réducteur du dispositif et à des émissions dans l'atmosphère du réducteur en excès qui n'a pas réagi : REN104FR / PJ8125 - dépôt DA 2 l'ammoniac est un composé fortement odorant et très toxique et cette situation pose évidemment un grave problème. Un sous-dosage au contraire ne permet pas d'éliminer tous les oxydes d'azote des gaz d'échappement et le catalyseur SCR présente alors une efficacité insuffisante. Les solutions de l'état de la technique reposent d'une part sur une estimation théorique du comportement du catalyseur SCR dans son état nominal, et d'autre part sur une mesure à l'aide d'un seul capteur de 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 aussi la concentration d'ammoniac NH3 dans les gaz d'échappement. La comparaison entre les valeurs théoriques et mesurées permet d'en déduire une situation éventuelle de sous-dosage ou de surdosage. Dans une telle situation, une correction est mise en oeuvre, qui consiste principalement en la modification de la quantité de solution aqueuse réductrice injectée, puis en une nouvelle comparaison après plusieurs dizaines de secondes nécessaires à la stabilisation du dispositif pour vérifier le retour à un fonctionnement plus optimal, qui reste en général insuffisant. Ces solutions de l'état de la technique sont insuffisantes car elles ne permettent pas de tenir compte de nombreuses situations particulières comme une dispersion de production ou une dérive liée à un vieillissement du dispositif, une baisse d'efficacité du catalyseur SCR, une baisse d'efficacité du réactif injecté, par exemple en cas de dilution par de l'eau. Ces différentes situations peuvent entraîner un surdosage ou un sous-dosage. Pour ces différentes raisons, il s'avère impossible dans l'état de la technique d'optimiser le fonctionnement d'un catalyseur SCR. REN I04FR / PJ8125 - dépôt DA 3 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 traitement optimisé et plus performant. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de gestion d'un catalyseur de réduction catalytique sélective (SCR) comprenant un procédé de régulation comprenant les étapes suivantes : - mesure de la quantité en aval du catalyseur SCR d'un composant 10 neutre présent dans la solution aqueuse réductrice injectée en amont du catalyseur SCR à l'échappement ; - calcul de la quantité théorique du composant neutre en aval du catalyseur SCR ; - régulation de l'injection de solution aqueuse réductrice sur la base 15 de l'écart entre la quantité mesurée et la quantité théorique de composant neutre. Selon un mode de réalisation, le composant neutre peut être l'eau. 20 La première étape du procédé de régulation du catalyseur SCR peut consister en la mesure de la quantité d'eau dite mesurée à l'échappement sur la base du degré d'humidité mesuré par un capteur d'hygrométrie positionné en aval du catalyseur SCR. 25 La première étape peut comprendre le calcul, à partir du degré d'humidité mesuré en aval du catalyseur SCR, des conditions de température et du débit de gaz d'échappement, de la quantité d'eau dite mesurée à l'échappement. REN 104FR / PJ8125 - dépôt DA 4 La seconde étape du procédé de régulation peut comprendre les étapes suivantes : - mesure du degré d'humidité de l'air en amont du dispositif de post-traitement des émissions polluantes, par l'intermédiaire d'un capteur 5 d'hygrométrie amont ; - estimation de la quantité d'eau théorique ajoutée par l'injecteur, à partir de la consigne d'injection. La troisième étape du procédé de régulation peut consister en la 10 minimisation de l'écart entre les quantités théorique et mesurée du composant neutre sur la base d'un régulateur proportionnel ou proportionnel intégral. Le procédé de gestion peut comprendre en outre les étapes suivantes : 15 -mesure de la quantité d'oxydes d'azote NOx présents dans les gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR, par un capteur ; -à partir des conditions de température des gaz d'échappement, du débit des gaz d'échappement, du stockage d'ammoniac et de l'efficacité de traitement des NOx, calcul de la quantité de solution aqueuse 20 réductrice à injecter ; - calcul de l'efficacité de traitement des oxydes d'azote NOx et de la quantité cumulée des oxydes d'azote et de l'ammoniac en aval du catalyseur SCR. 25 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 30 oeuvre le procédé de gestion du catalyseur (SCR) tel que décrit REN 104FR / PJ8125 - dépôt DA 5 précédemment, et un injecteur pour solution aqueuse d'urée en amont du catalyseur SCR. Le dispositif de post traitement peut de plus comprendre un capteur 5 d'oxydes d'azote disposé sur la voie d'échappement en aval du catalyseur SCR. II peut aussi comprendre un capteur d'hygrométrie et un capteur d'oxydes d'azote en amont du catalyseur SCR. Enfin, le dispositif 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 se situant en amont du catalyseur d'oxydation et du filtre à particules. 15 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 dispositif de post traitement équipé d'un 20 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 25 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 30 température 2 en amont du catalyseur SCR, un capteur d'oxydes d'azote 10 REN 104FR / PJ8125 - dépôt DA 6 3 et un capteur d'hygrométrie 4 en aval du catalyseur. SCR. De préférence, ce capteur sera suffisamment éloigné pour que la totalité de l'eau injectée soit évaporée avant de l'atteindre. 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 (ECU) 15, composée d'éléments matériel (hardware) et/ou logiciel (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 gestion du dispositif de post traitement, décrit ci-après. Notamment, l'unité ECU détermine la consigne d'injection d'urée du dispositif de post traitement. 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 solution augmente le taux d'humidité dans les gaz d'échappement. La solution de l'invention est d'améliorer les solutions de l'état de la technique en utilisant comme variable de rétroaction du dispositif de post traitement une mesure non influencée par l'inertie chimique du catalyseur SCR. Selon un mode d'exécution avantageux, le procédé de gestion du dispositif de post traitement est basé sur la mesure du degré d'humidité, à l'aide d'un capteur d'hygrométrie positionné en aval du catalyseur, la variable de rétroaction étant alors l'eau.30 REN104FR / PJ8125 - dépôt DA 7 Le procédé de gestion du catalyseur SCR met en oeuvre les étapes essentielles suivantes d'un procédé de régulation du dispositif de post traitement : 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 en aval du catalyseur SCR; E3 - régulation de l'injection de solution réductrice sur la base de l'écart entre la quantité d'eau mesurée et la quantité d'eau théorique. L'étape El peut comprendre le 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. L'étape E2 du procédé de gestion peut comprendre les étapes suivantes : -mesure 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 ; -estimation de la quantité d'eau théorique ajoutée par l'injecteur 6, à partir de la consigne d'injection. La régulation mise en oeuvre à l'étape E3 peut consister en la minimisation de l'écart de boucle entre les quantités d'eau théorique et mesurée sur la base d'un régulateur proportionnel, proportionnel intégral, ou autre... En outre, le procédé de gestion du dispositif de post traitement peut comprendre les étapes suivantes : -mesure de la quantité d'oxydes d'azote NOx présents dans les gaz 30 d'échappement en amont du catalyseur SCR, par le capteur 7 ; REN 104FR / PJ8125 - dépôt DA 8 - à partir des conditions de température des gaz d'échappement, du débit des gaz d'échappement et des caractéristiques thermochimiques du catalyseur SCR, c'est-à-dire du stockage d'ammoniac et de l'efficacité de traitement des NOx, calcul de la quantité de solution aqueuse réductrice à injecter ; - calcul de l'efficacité de traitement des oxydes d'azote NOx et de la quantité cumulée des oxydes d'azote et de l'ammoniac en aval du catalyseur SCR. L'invention a été décrite sur la base d'une régulation du dispositif à partir de l'eau. Toutefois, un résultat similaire peut naturellement être obtenu en régulant le dispositif sur la base de tout autre composant de la solution aqueuse réductrice injecté par le dispositif, neutre vis-à-vis de l'inertie du dispositif de post traitement. Nous utiliserons pour cela le terme générique de composant neutre. 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 régulation 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.25 REN 104FR / PJ8125 - dépôt DA 9