Brevet FR2952675A1 — publié le 20110520

PROCEDE DE CONTROLE DES EMISSIONS POLLUANTES D'UN MOTEUR A COMBUSTION [0001 La présente invention concerne un procédé de contrôle des émissions polluantes d'un moteur à combustion. [0002] L'utilisation de combustible fossile comme le pétrole ou le charbon dans un système de combustion, en particulier le carburant dans un moteur, entraine la production en quantité non négligeable de polluants qui peuvent être déchargés par l'échappement dans l'environnement et y causer des dégâts. Parmi ces polluants, les oxydes d'azote (appelés NOx) posent un problème particulier puisque ces gaz sont soupçonnés d'être un des facteurs qui contribuent à la formation des pluies acides et à la déforestation. En outre, les NOx sont liés à des problèmes de santé pour les humains et sont un élément clé de la formation de « smog » (nuage de pollution) dans les villes. La législation impose des niveaux de rigueur croissante pour leur réduction et/ou leur élimination de sources fixes ou mobiles. [0003] Parmi les polluants que les législations tendent à réglementer de façon de plus en plus stricte figurent également les suies ou autres matériaux particulaires résultant essentiellement d'une combustion incomplète du carburant, plus particulièrement lorsque le moteur est opéré en mélange dit pauvre, c'est-à-dire avec un excédent d'oxygène (d'air) par rapport à la stoechiométrie de la réaction de combustion. Les mélanges pauvres sont de règle pour les moteurs dits diesel, dont l'allumage est obtenu par compression. [0004] Pour ces deux grandes catégories de polluants, différents moyens de dépollution et stratégies de combustion sont mis en oeuvre. [0005] Pour limiter les émissions de particules, la technologie des filtres à particules se généralise peu à peu pour tous les véhicules équipés d'un moteur diesel. Cette technologie consiste essentiellement à forcer le passage des gaz d'échappement à travers des canaux poreux d'une structure nid d'abeille en céramique. Les suies ainsi filtrées s'accumulent puis sont éliminées dans une opération de régénération du filtre pendant laquelle elles sont brûlées. Pour obtenir cette régénération, il est toutefois nécessaire d'augmenter la température des gaz d'échappement, ce qui est typiquement obtenu en enrichissant ceux-ci avec du carburant (injecté directement dans la ligne d'échappement ou dans la chambre de combustion du moteur, pendant la phase d'échappement du cycle de combustion) et/ou en augmentant la charge du moteur. Par ailleurs, un agent catalytique est utilisé pour faciliter la combustion des suies, cet agent étant soit déposé de façon permanente dans les canaux du filtre, soit introduit comme additif avec le carburant, cette dernière technologie permettant d'opérer avec des températures de combustion plus basses que celles requises avec des filtres catalysés. [0006i Pour limiter les émissions de NOx, la principale voie mise en oeuvre sur les véhicules actuels a été celle de la réduction des émissions à la source, autrement dit, en opérant le moteur dans des conditions telles que les taux de NOx produits soient inférieurs aux taux limites. Ces conditions sont réunies notamment en pilotant de manière très fine les différents paramètres du moteur, à commencer par les paramètres d'injection de carburant et de réinjection à l'admission d'une partie des gaz d'échappement, ceci afin de réduire la concentration en oxygène favorable à la formation des oxydes d'azote. [000n Toutefois, il n'est pas possible de réduire drastiquement les émissions à la source sans limiter certaines performances du moteur. C'est pourquoi il a été proposé différentes solutions pour dénitrifier les gaz d'échappement. Une solution ayant fait la preuve de son efficacité notamment pour les poids lourds est la conversion chimique par réduction des oxydes d'azote au moyen d'un agent réducteur directement injecté dans la ligne d'échappement. Ainsi, une solution de post-traitement ayant fait la preuve de son efficacité est l'utilisation d'une source d'ammoniac (NH3), telle que l'urée aqueuse. L'ammoniac réagit avec les NOx sur un catalyseur pour former de l'azote N2 inerte et de l'eau H2O. Cette solution est essentiellement connue sous le nom de son acronyme anglais SCR pour « Selective Catalytic Reduction ». [0008] Un réducteur communément utilisé est de l'ammoniac, stocké sous forme d'urée, l'ammoniac étant obtenu par thermolyse/ hydrolyse de l'urée dans la ligne d'échappement selon les réactions suivantes : (NH2)2CO - HNCO + NH3 : thermolyse à 120°C (1) HNCO + H2O - CO2 + NH3 : hydrolyse à 180°C (2) [000s] Le catalyseur SCR sert ensuite à favoriser la réduction des NOx par NH3 selon les 3 réactions suivantes: 4NH3 + 4NO + 02 - 4N2 + 6H2O 2NH3 + NO + NO2 - 2N2 + 3H2O 5 8NH3 + 6NO2 - 7N2 + 12H2O [0010] L'ammoniac étant lui-même un gaz considéré comme toxique, il importe que la quantité d'urée injectée soit à tout moment adaptée à la quantité d'oxydes d'azote à traiter. [0011] Un simple contrôle en boucle fermé essentiellement basé sur l'information 10 fournie par un capteur de NOx disposé en aval du piège à NOx est exclu pour un moteur opérant de façon prédominante en régimes transitoires, comme un moteur d'un véhicule automobile. [0012] La quantité de NOx peut toutefois être estimée notamment sur la base d'une cartographie des émissions d'oxydes d'azote en fonction notamment des conditions 15 de fonctionnement du moteur, autrement dit, essentiellement en fonction de la demande de régime et de couple. [0013] Toutefois, en pratique, ajuster précisément la quantité d'urée à injecter pose de nombreuses difficultés. En effet, l'ammoniac disponible pour la réaction est celui qui est « stocké » à un instant donné dans le catalyseur. Plus la température des gaz 20 d'échappement augmente, moindre sera la capacité du catalyseur à stocker de l'ammoniac, une réaction de désorption concurrençant la réaction d'adsorption. En revanche, cette augmentation de la température tend à favoriser la cinétique de la réaction, et donc à favoriser les réactions de réduction. Dans ces conditions, une parfaite maitrise des émissions est difficile à obtenir. 25 [0014] Dans ces conditions, l'information donnée par le capteur NOx en aval du catalyseur peut être utilisée pour vérifier que le système fonctionne normalement, et déclencher une alerte si un dysfonctionnement apparait. Ainsi selon La réglementation en vigueur en Europe le seuil d'émission des NOx est mesuré sur tout un cycle de conduite normalisé, désigné par l'acronyme NEDC (« New European 30 Driving Cycle »)., si le seuil d'émission est atteint, il doit être signalé au conducteur par un témoin lumineux et enregistré dans la mémoire des défauts, car au-delà de ce seuil le système SCR est considéré comme défaillant. [0015] Avant l'atteinte de ces seuils, des mesures peuvent être prises pour compenser une dérive du signal, par exemple pour tenir compte d'un vieillissement supposé du catalyseur, par exemple en substituant à la cartographie d'injection d'origine une nouvelle cartographie mieux adaptée à un système en fin de vie. [0016] Mais une grande difficulté tient de ce que les seuils sont définis par rapport à des moyennes, avec ainsi des plafonds d'émissions en grammes par kilomètre parcouru, alors que les conditions de roulage d'un véhicule ne sont normalement pas stationnaires. Ainsi, même si le conducteur a actionné le régulateur de vitesse, la charge moteur peut varier de par la mise en route d'un compresseur de climatisation ou plus simplement, d'une variation de l'état de la route (pente et qualité du revêtement). [0017] Il serait donc souhaitable pour aider au contrôle du système de dénitrification et en particulier pour être capable d'estimer de façon précise la masse de réducteur présente dans un catalyseur de réduction sélective. [0018] Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de supervision d'un système de traitement des NOx présents dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comportant des moyens pour introduire dans la ligne d'échappement un agent réducteur en amont d'un catalyseur de réduction des NOx, caractérisé en ce que l'on estime la masse d'agent réducteur stockée dans le catalyseur en estimant une vitesse de déstockage des NOx à partir de paramètres de fonctionnement du moteur. [0019] Dans une variante, ladite vitesse de déstockage est estimée à partir du ratio 25 NO2/NO. [0020] Dans une variante, le réducteur injecté est de l'ammoniac ou un précurseur d'ammoniac et on estime la masse d'agent réducteur stockée dans le catalyseur en intégrant en fonction du temps la vitesse de stockage de l'ammoniac injecté dans la ligne et la vitesse de déstockage de l'ammoniac par réaction des NOx, en posant 30 comme conditions aux limites que cette masse ne peut être inférieure à O. [0021] Dans une variante, la vitesse de stockage est estimée uniquement dépendante de la quantité d'ammoniac injectée dans la ligne. [0022] Dans une variante, la vitesse de déstockage est estimée en supposant que le ratio stoechiométrique RNH3/NOx de la réaction de conversion des NOx par l'ammoniac 5 dépend du ratio NO2/NO de la façon suivante : Si RNO2/NO A - Détermination du ratio NO2/NO en entrée du catalyseur [0047] Dans une première variante de l'invention, ce rapport R NoZ NoZ peut être estimé à partir de cartographies établies lors de la mise au point du moteur, en analysant les gaz produits selon les différents points de fonctionnement du moteur. [0048] En pratique, cette analyse est relativement compliquée, et le plus souvent, on s'attache simplement à déterminer les différentes espèces, la fraction NOx, somme des NO2 et des NO étant considérée comme un tout (comme cela est par ailleurs le cas avec les normes réglementaires en vigueur, et l'analyse des gaz est plus simplement effectuée après oxydation complète du gaz, donc conversion de toute la fraction NO en NO2. C'est pourquoi un des objets de la présente invention est de proposer un moyen pour estimer ce rapport plus simplement. [0049] Entre la sortie du moteur et le catalyseur de réduction catalytique, une oxydation d'une partie des NO va s'opérer dans le catalyseur d'oxydation DOC. C'est pourquoi un des objets de la présente invention est de proposer un modèle pour estimer ce rapport RNO2/NO, ce modèle étant remarquable en ce que le rapport est estimé en fonction du temps de séjour des gaz dans le catalyseur d'oxydation, et pondéré selon un facteur de vieillissement du catalyseur d'oxydation. [0050] Ce modèle correspond pour l'essentiel au schéma proposé à la figure 2 où on montre que 3 données d'entrée : la température et la pression estimée en sortie du catalyseur DOC et le débit des gaz d'échappement en amont de ce catalyseur DOC sont nécessaires pour estimer le rapport RNO2 /NO à l'aide de 3 modules spécifiques qui permettent plus précisément de déterminer le facteur de vieillissement du catalyseur d'oxydation, la vitesse des gaz d'échappement dans le catalyseur DOC et un module d'estimation du rapport RNO2/NO à partir du résultat de ces deux modules précédents. Module facteur de vieillissement du catalyseur d'oxydation [0051] Selon l'invention, ce vieillissement peut être estimé à partir d'un compteur de temps qui totalise le temps passé au dessus d'une température critique au-delà de laquelle les performances du catalyseur DOC se dégradent irrémédiablement. Avantageusement, lorsque la température à laquelle le catalyseur DOC est exposée est particulièrement élevée (supérieure à une seconde température de seuil, supérieure à la température critique), le temps passé au-delà de cette seconde température de seuil est multiplié par exemple par 1,5. [0052] On peut alors définir un facteur de temps normalisé comme le rapport entre ce compteur de temps et un compteur de temps de référence, correspondant à la durée cumulée d'exposition au-delà de la température critique entrainant une dégradation complète du catalyseur DOC. Ainsi, si le compteur de temps atteint ou dépasse cette durée de référence, le facteur de vieillissement sera fixé égal à 1. Un catalyseur DOC neuf, jamais exposé à une température au-delà de la température de référence aura pour sa part un facteur de vieillissement égal à 0. Temps de séjour des gaz dans le catalyseur d'oxydation [0053] Ce module est illustré à la figure 3 et est essentiellement basé sur la loi des gaz parfaits, avec trois données d'entrée, la température Ti (exprimée en °Kelvin), et la pression en aval P1 du catalyseur d'oxydation (exprimée en Pascals) et le débit des gaz d'échappement en amont du catalyseur (exprimé en gis), c'est-à-dire le débit de gaz produits par le moteur, moins celui des gaz admis dans le circuit EGR si le moteur est bien équipé d'un tel circuit et si le point de piquage du circuit EGR est disposé en amont du catalyseur d'oxydation, autrement dit si le moteur est équipé d'un circuit EGR haute pression. [0054] Le calcul nécessite de plus la connaissance du volume V du catalyseur (volume accessible aux gaz, exprimé en litres). Dans un gaz parfait, la relation entre le nombre n de moles de gaz dans un volume V à la pression P et la température T est égal à RT/PV, R étant la constante des gaz parfaits. Dans le cas des gaz d'échappement, on peut approximer la masse molaire à 29, en considérant que ceux- ci sont essentiellement constitués des produits de la combustion par l'oxygène de l'air du carburant (qui peut être modélisé par la réaction C7H16+ 1502 - 7CO2 + 8H20) et que l'azote de l'air se retrouve dans les gaz d'échappement. On en déduit la masse des gaz dans le catalyseur DOC. [0055] En divisant la masse de gaz séjournant dans le catalyseur DOC par le débit massique en amont, on obtient une estimation du temps de séjour dans ce catalyseur DOC, temps de séjour qui par hypothèse est supposé identique pour toutes les espèces gazeuses présentes dans les gaz d'échappement dont notamment les NOx. Estimation du rapport R NO2 / NO en sortie du catalyseur d'oxydation. [0056] Lors de ce séjour dans le catalyseur d'oxydation DOC, une partie des NOx va s'oxyder en NO2. Les rédactions de réduction qui se produisent dans le catalyseur de réduction catalytique se font bien avec ce gaz enrichi en NO2. Il convient donc d'estimer le ratio NO2/NO (R Nol/NO) en sortie du catalyseur d'oxydation DOC. [0057] Ce ratio dépend d'une part de la nature et de la dimension du catalyseur d'oxydation DOC, de l'état de vieillissement du catalyseur DOC et du temps de séjour des gaz dans le catalyseur d'oxydation. Nous avons montré précédemment comment on pouvait estimer un facteur de vieillissement et le temps de séjour. [oo58] Les auteurs de la présente invention ont trouvé que ce ratio NO2/NO en sortie du catalyseur d'oxydation peut être considéré comme indépendant du ratio NO2/NO à l'entrée de ce catalyseur, et dépendant seulement de la capacité d'oxydation du catalyseur d'oxydation d'une part et du temps de séjour des gaz dans le catalyseur d'autre part. Pour un choix d'architecture donné, et un état de vieillissement donné, le seul paramètre variable en fonction des conditions d'opération du moteur et affectant cette capacité d'oxydation est la température dans le catalyseur. [0059] La figure 4 illustre le module d'estimation du ratio NO2/NO en sortie du catalyseur d'oxydation. [0060] Une première cartographie 31 est utilisée pour sélectionner une valeur de ratio NO2/NO selon le temps de séjour des gaz 32 dans le catalyseur DOC. Cette valeur est corrigée par un premier facteur correcteur, fourni par une deuxième cartographie 33 en fonction de la température en aval du DOC, ce premier facteur étant par exemple choisi entre 0 et 1. [0061] Le vieillissement du catalyseur DOC affecte ses performances au moins sur deux plans : d'une part sa température d'amorçage augmente, et d'autre part, au-delà de cette température d'amorçage, la capacité d'oxydation est dégradée. On pourra donc utiliser deux cartographies spécifiques pour tester si le catalyseur DOC opère bien dans une plage de température adaptée, et pour affecter un second facteur correcteur, à nouveau choisi entre 0 et 1, pour tenir compte de cette dégradation de la capacité d'oxydation. Avantageusement, ce second facteur correcteur peut être différent à basse et haute température, pour tenir compte de ce que pour les faibles températures (juste au dessus de la température d'amorçage), la dégradation est plus forte que pour les températures plus élevées, de sorte que le vieillissement d'un catalyseur est d'autant plus pénalisant que la température est basse. [0062] Enfin le ratio est filtré par un filtre passe-bas d'ordre 1 pour lisser la dynamique forte du temps de séjour, liée aux fortes variations du débit dans la ligne 30 d'échappement. [0063] Le ratio de NO2/NO étant estimé, il est possible de commencer à modéliser la réduction dans le catalyseur SCR, ce ratio étant supposé ne pas varier entre la sortie du catalyseur d'oxydation DOC et l'entrée du catalyseur de réduction SCR. B - Détermination de la masse de NH3 stockée dans le catalyseur [0064] Une mole d'ammoniac injectée en amont du catalyseur peut éventuellement être « piégée » par le catalyseur SCR, transformée en réagissant avec les NOx ou encore traverser le catalyseur SCR sans être transformée et se retrouver alors en aval du catalyseur NH3. [0065] Le catalyseur de réduction a une très grande affinité pour l'ammoniac et en deçà d'un certain seuil minimum de chargement en NH3, la réaction de réduction des NOx par l'ammoniac n'est pas catalysée de façon significative. Par ailleurs, au-delà d'un seuil maximum de chargement en NH3, la capacité de stockage est dépassée et de l'ammoniac est relâché par le catalyseur, et il faut ajouter cet ammoniac relâché par le catalyseur à celui provenant de l'injection de réducteur pour éviter un excès d'ammoniac qui se retrouverait alors en bout de ligne d'échappement, ajoutant aux polluants émis par le véhicule que l'on cherche par ailleurs à minimiser. [0066] Ces seuils minimum et maximum dépendent de la température du catalyseur et sont d'autant plus bas que cette température augmente. [0067] A toute température de catalyseur SCR correspond donc une consigne optimale de stockage, comprise entre le seuil minimum et le seuil maximum, que l'on peut éventuellement estimer comme égale à la médiane entre les seuils minimum et maximum si on souhaite minimiser le nombre total de cartographies embarquées. A tout instant, la quantité de réducteur qui est injectée est ajustée de façon à stabiliser la quantité d'ammoniac stockée à ce niveau de consigne optimale. [0068] A noter que l'ammoniac stocké dans le catalyseur ne se volatilise pas suite à l'arrêt du véhicule, de sorte que la masse modélisée peut avantageusement être mémorisée à la fin de chaque phase de roulage pour l'utiliser comme masse initiale lors du roulage suivant. Dans ce but, on peut utiliser par exemple une mémoire non volatile, à l'exemple d'une mémoire morte effaçable électriquement et programmable de type EEPROM (acronyme pour « Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory »). [0069] La masse de NH3 dans le catalyseur dépend de la quantité d'ammoniac injectée, et de la quantité de NOx traitée par le catalyseur, c'est-à-dire la différence entre les débits de NOx en amont et en aval du catalyseur. En d'autres termes, la masse de NH3 dans le catalyseur est obtenue en intégrant la vitesse de stockage ou de déstockage (par réaction des NOx), en posant comme condition aux limites que cette masse est au minimum égale à 0 g. Cette vitesse de stockage dépend principalement de la quantité d'ammoniac injectée dans la ligne. Supposons que l'ammoniac soit injecté sous la forme d'une solution aqueuse avec 32,5% (en masse) d'urée. Pour chaque gramme de solution, on peut aisément calculer que l'on charge le catalyseur avec 0,184g de catalyseur. [0070] La masse de NH3 dans le catalyseur est décrémentée par la masse des NOx qui réagissent dans celui-ci. Cette masse de NOx réagissant est fonction du rapport stoechiométrique. Pour avoir la masse de NH3, il suffit d'intégrer la vitesse de stockage ou de déstockage de celui-ci (La masse minimale est de 0g). [0071] La figure 7 illustre de façon plus précise comment on peut implémenter ce modèle dans une unité de contrôle. [0072] La masse NH3 modélisée dans le catalyseur peut également être réinitialisée pendant un roulage à une nouvelle valeur par la stratégie d'adaptation ou par une calibration. [0073] En dehors de cette quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur, on retrouve bien sûr à un moment donné une certaine quantité d'ammoniac disponible pour la réaction de réduction des NOx. Si le ratio RNO2/NO est inférieur à 0,5, il est estimé selon l'invention qu'une mole d'oxydes d'azote (NO ou NO2) réagit avec une mole d'ammoniac. Si ce ratio est supérieur à 0,5, plus d'une mole d'oxydes d'azote réagit avec une mole d'ammoniac, et un rapport stoechiométrique noté RNH3/NOx peut être défini comme suit : Si RNO2/NO REVENDICATIONS1. Procédé de supervision d'un système de traitement des NOx présents dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comportant des moyens pour introduire dans la ligne d'échappement un agent réducteur en amont d'un catalyseur de réduction des NOx, caractérisé en ce que l'on estime la masse d'agent réducteur stockée dans le catalyseur en estimant une vitesse de déstockage des NOx à partir de paramètres de fonctionnement du moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite vitesse de 10 déstockage est estimée à partir du ratio NO2/NO des NOx. 3. Procédé de supervision selon la revendication 1, l'agent réducteur étant de l'ammoniac ou un précurseur d'ammoniac, caractérisé en ce que l'on estime la masse d'agent réducteur stockée dans le catalyseur en intégrant en fonction du temps la vitesse de stockage de l'ammoniac injecté dans la ligne et la vitesse de déstockage 15 de l'ammoniac par réaction des NOx, en posant comme conditions aux limites que cette masse ne peut être inférieure à 0. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vitesse de stockage est estimée uniquement dépendante de la quantité d'ammoniac injectée dans la ligne. 5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que la 20 vitesse de déstockage est estimée en supposant que le ratio stoechiométrique RNH3/N0x de la réaction de conversion des NOx par l'ammoniac dépend du ratio NO2/NO des NOx de la façon suivante : Si RNO2/NO 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ratio NO2/NO des NOx est estimé à partir d'une cartographie dépendant du temps de séjour des gaz d'échappement dans un catalyseur d'oxydation disposé en amont de moyens de traitements des gaz entrainant une réduction des oxydes d'azote. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur estimée à partir de la cartographie fonction du temps de séjour des gaz d'échappement dans le catalyseur d'oxydation DOC est corrigée par un facteur dépendant de l'état de vieillissement du catalyseur DOC. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le facteur de vieillissement est défini comme le rapport entre la durée cumulée d'exposition au-delà d'une première température critique provoquant une dégradation du catalyseur d'oxydation sur une durée de référence d'exposition à la première température critique, pour laquelle la dégradation du catalyseur est complète. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lorsque le catalyseur est exposé à une seconde température critique, supérieure à la première température critique, les temps d'exposition sont multipliés par un facteur correcteur supérieur à 1. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le temps de séjour des gaz d'échappement dans le catalyseur d'oxydation DOC est estimé à partir de la température et de la pression des gaz d'échappement en sortie du catalyseur d'oxydation et du débit des gaz d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation.