Brevet FR2955188A1 — publié le 20110715

PROCEDE DE CALCUL D'UNE CONSIGNE D'INTRODUCTION D'UN FLUIDE REDUCTEUR DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT [0001] L'invention porte sur le domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion, et plus particulièrement sur les dispositifs traitement des gaz d'échappement nécessitant l'introduction d'un fluide dans la ligne d'échappement. [0002] Il est connu pour réduire les polluants réglementés contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion d'employer divers moyens disposés dans la ligne d'échappement du moteur. Certains de ces moyens dits de post-traitement des gaz d'échappement nécessitent l'introduction d'un fluide dans les gaz d'échappement. C'est notamment le cas des dispositifs de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ou « SCR » (selective catalytic reduction), qui requièrent l'introduction dans les gaz d'échappement à dépolluer d'un agent réducteur ou d'un précurseur d'un tel agent réducteur, pouvant être, entre autres et selon la technologie considérée, une solution à base d'urée, de l'ammoniac gazeux, ou encore du carburant. On parlera dans la suite du présent mémoire de réducteur pour désigner aussi bien l'agent réducteur, un fluide contenant ledit agent réducteur, ou encore un fluide contenant un précurseur dudit agent réducteur, pouvant être par exemple une solution d'urée. [0003] L'introduction d'un tel réducteur, généralement réalisée à l'aide d'un injecteur, doit être réalisée en des quantités très précises. En effet, une dérive sur la quantité de réducteur introduit peut conduire à un traitement incomplet des gaz d'échappement en cas de manque d'agent réducteur, ou au contraire, en cas d'introduction d'une quantité trop importante d'agent réducteur, à la fuite de réducteur en sortie du circuit d'échappement, et à la réduction des intervalles de maintenance du dispositif (si un réservoir d'agent réducteur ou d'un précurseur d'un tel agent doit être périodiquement rempli). [0004] La demanderesse a constaté que la variation de la pression dans la ligne d'échappement d'un moteur équipé d'un dispositif d'introduction de réducteur peut être à l'origine de dérives dans les quantités de réducteur introduit. En outre, plus le dispositif d'injection est proche de la sortie moteur, plus l'influence de la pression dans la ligne d'échappement est importante. [0005] Or, la présence d'un filtre à particules (dispositif de post-traitement des gaz d'échappement visant à collecter les particules de suies présentes dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion) en aval du point d'introduction de réducteur engendre une contre-pression dans la ligne d'échappement, à l'origine d'une augmentation de la pression dans la ligne au point d'introduction. En outre, la contre-pression générée par un filtre à particule n'est pas constante dans le temps. Au fur et à mesure que le filtre collecte des particules, la contre-pression générée augmente et peut, a titre d'exemple et selon le filtre employé, atteindre près de 1 bar de pression relative lorsque le filtre est colmaté. Lorsque le filtre est régénéré, c'est-à-dire suite à l'élimination des suies piégées dans le filtre par oxydation, la contre-pression engendrée par le filtre chute brutalement. [0006] L'invention tend à proposer un procédé permettant l'introduction d'une quantité précise de réducteur dans une ligne d'échappement comportant un filtre à particules en aval du point d'introduction du réducteur. [0007] Plus précisément, l'invention porte donc sur un procédé de calcul d'une consigne d'introduction d'un fluide réducteur, par des moyens d'introduction appropriés, dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, caractérisé par les étapes suivantes : • Evaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur; • Evaluation de la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction ; • Calcul de la consigne d'introduction en fonction de la pression dans la ligne d'échappement et de la pression du fluide réducteur. La prise en compte de la pression dans la ligne d'échappement permet d'améliorer la précision de la quantité de réducteur (ou de précurseur du réducteur) injectée. On s'assure ainsi d'une efficacité optimale de conversion des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, tout en évitant ou limitant le phénomène de fuite d'ammoniac à l'échappement (dans le cadre d'une réduction des Nox mettant en jeu NH3) [0008] Dans une variante de l'invention, la consigne d'introduction correspond à un temps d'ouverture d'un injecteur, calculé par la formule : G x Qcons touv \/1 ligne ù 1 échap dans laquelle : • touv est le temps d'ouverture de l'injecteur; + tmort • G est le gain statique de l'injecteur employé ; • Qeons est la quantité à injecter ; • Pigne est la pression dans le circuit d'alimentation en fluide réducteur, en entrée de l'injecteur ; • 'é chap est la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur ; • tmort est un temps mort ou un correctif, dépendant des caractéristiques du circuit électrique commandant l'injection du fluide réducteur___. (cas des phases d'ouverture du dispositif d'injection) et/ou des caractéristiques de l'injecteur (cas des phases de fermeture du dispositif d'injection). Ce calcul prend ainsi en considération les principaux facteurs influant sur la quantité de réducteur effective introduite dans la ligne d'échappement, pour calculer le temps d'ouverture nécessaire à l'introduction très précise de la quantité à injecter. [0009] Dans une autre variante, la consigne d'introduction correspond à un temps d'ouverture d'un injecteur, déterminé à l'aide d'une cartographie prenant au moins en compte la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur et la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction. L'emploi d'une cartographie établie pour une application donnée, permet de prendre en considération tous les éléments influant sur l'introduction de réducteur dans la ligne d'échappement, et notamment la pression dans la ligne d'échappement. [0010] Dans une variante de l'invention, l'évaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur est basée sur les conditions de fonctionnement du moteur et d'encrassement d'un filtre à particules positionné dans la ligne en aval du point d'introduction du fluide réducteur. En effet, l'invention vise notamment à prendre en considération la contrepression générée par un filtre à particules positionné dans la ligne d'échappement. Le filtre à particule génère une pression variable, qui est fonction de son niveau de charge ou d'encrassement. Si on caractérise l'encrassement du filtre, quel que soit le moyen d'évaluation de sa charge employé, on peut alors en caractériser l'influence sur la pression dans la ligne d'échappement et, dans l'invention, adapter la consigne d'introduction de réducteur dans la ligne d'échappement. [0011] Dans une variante, 'évaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur est obtenue par mesure directe dans la ligne à l'aide d'un premier capteur de pression. C'est une solution simple et très efficace, qui présente une bonne dynamique, mais qui engendre un certain coût pour sa mise en oeuvre. [0012] Dans une autre variante, l'évaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur est obtenue par une estimation basée sur une mesure de pression effectuée en un autre point de la ligne. Typiquement, cette évaluation peut mettre en jeu les capteurs de pression généralement utilisé pour le contrôle et le pilotage des régénérations du filtre à particules. L'emploi de capteur préexistant permet de mutualiser leur utilisation pour plusieurs fonction, ce qui limite les coûts de mise en oeuvre. [0013] Dans une variante, l'évaluation de la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction est basée sur les caractéristiques et conditions de fonctionnement de la pompe qui génère cette pression. Connaissant les caractéristiques de la pompe qui génère la pression dans le circuit de fluide réducteur, on peut connaitre assez précisément la pression en entrée des moyens d'injection. Utiliser une telle évaluation est une solution simple et qui n'engendre aucun coût supplémentaire pour la mise en oeuvre du procédé. [0014] Dans une variante de l'invention, l'évaluation de la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction est obtenue par une mesure directe dans le circuit de fluide réducteur à l'aide d'un second capteur de pression. C'est une solution robuste, qui nécessite néanmoins l'adaptation d'un capteur de pression spécifique à la fonction. [0015] L'invention porte également sur l'application d'un procédé tel que précédemment décrit, au calcul de la consigne d'introduction d'un réducteur liquide. [0016] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0017] La figure 1 présente schématiquement un exemple d'architecture d'une ligne d'échappement sur laquelle le procédé peut être appliqué. [0018] La figure 2 présente schématiquement un procédé conforme à l'invention sous la forme d'un diagramme en blocs. [0019] Dans l'exemple représenté en figure 1, un moteur à combustion 1 est doté d'une ligne d'échappement comportant successivement un catalyseur d'oxydation 2 (ou d'oxydoréduction dans le cas d'un moteur à allumage commandé), un moyen de réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes (catalyseur SCR 3), et un filtre à particules 4. La ligne d'échappement est en outre dotée de moyens d'introduction 5 d'un fluide réducteur, à savoir, dans l'exemple ici représenté, un injecteur du type généralement utilisé pour l'injection de carburant dans les moteurs à injection indirecte d'essence, ou du type injecteur pompe. [0020] Pour commander l'introduction du fluide réducteur dans la ligne d'échappement, un calculateur 6 pilote les moyens d'introduction 5, et commande leur ouverture (permettant l'introduction du réducteur dans la ligne) et leur fermeture (empêchant l'introduction de réducteur dans la ligne). [0021] Dans l'exemple ici représenté, un premier capteur de pression 7 informe le calculateur 6 de la pression dans la ligne d'échappement, à proximité du point d'introduction du fluide réducteur. Dans d'autres variantes de l'invention, le premier capteur de pression 7 peut être remplacé par des moyens d'estimation de la pression en fonction des conditions de fonctionnement du moteur et d'encrassement du filtre à particules 4, et/ou par des moyens d'estimation de la pression basés sur une mesure de pression préexistante, par exemple réalisée autour d'un filtre à particules équipant la ligne d'échappement. [0022] Le dispositif mis en jeu comporte en outre une pompe (non représentée) et une canalisation d'alimentation pour l'alimentation en réducteur des moyens d'introduction 5 en fluide réducteur. La pression du fluide réducteur, dans la canalisation d'alimentation en entrée des moyens d'introduction, est obtenue dans l'exemple ici représenté par mesure directe à l'aide d'un second capteur de pression 8. Dans d'autres variantes de l'invention, le second capteur de pression 8 peut être remplacé par une estimation basée sur une information provenant d'un système de régulateur mécanique de pression, une estimation basée sur les caractéristiques de la pompe qui génère cette pression, ou encore par l'exploitation d'une mesure de pression basée en un autre point de la canalisation d'alimentation en réducteur. [0023] La figure 2 présente un diagramme en bloc représentant les étapes d'un procédé conforme à l'invention appliqué au dispositif présenté en figure 1. [0024] Dans une première étape A, une consigne de base, correspondant par exemple à la quantité de réducteur à injecter, est déterminée pour l'introduction de réducteur dans la ligne d'échappement du moteur 1. [0025] Dans une deuxième étape B, on évalue la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction de réducteur. Cette évaluation peut se faire par une mesure directe par un premier capteur de pression 7 à proximité du point d'introduction, ou encore être basée sur les conditions de fonctionnement du moteur et d'encrassement du filtre à particules 4 dans le cas ou la ligne présente un filtre à particules en aval du point d'introduction du fluide réducteur. [0026] Dans une troisième étape C, concomitante à la deuxième étape B, on évalue la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction 5. Cette évaluation peut se faire par une mesure directe par un second capteur de pression 8 en entrée des moyens d'introduction 5, ou être basée sur les caractéristiques et conditions de fonctionnement de la pompe qui génère cette pression. [0027] Dans une quatrième étape D, on calcule la consigne d'introduction de réducteur en fonction de la pression dans la ligne d'échappement et de la pression du fluide réducteur. [0028] Dans le cas ou la consigne d'introduction est exprimée sous la forme d'un temps d'ouverture d'un injecteur (employé en tant que moyens d'introduction de réducteur), le calculateur 6 peut, dans une première variante de l'invention, calculer la consigne d'introduction par la formule : G X Qcons 0029 touv + tmort [ ] 1/1 ligne ù Péchap [0030] Dans cette formule : t • ouv est le temps d'ouverture de l'injecteur; • G est le gain statique de l'injecteur, qui est une fonction dépendante de l'injecteur employé exprimée en mg/ms. Il correspond à l'inverse du débit statique de l'injecteur, notion bien connue, correspondant à la dérivée temporelle de la quantité injectée par l'injecteur considéré. • Qcons est la quantité de réducteur à injecter, exprimée en masse. • Pigne est la pression dans le circuit d'alimentation en fluide réducteur, en entrée de l'injecteur ; • ' chap est la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur; • tm°rt est un temps mort ou un correctif, dépendant des caractéristiques du circuit électrique commandant l'injection du fluide réducteur (ce temps mort correspond globalement au temps s'écoulant avant qu'un le signal de commande envoyé à l'injecteur ne produise l'effet escompté, c'est-à-dire l'ouverture de l'injecteur) et dépendant des caractéristiques de l'injecteur à la fermeture (globalement le temps s'écoulant entre l'arrêt du signal et la fermeture effective du dispositif). [0031] Dans une seconde variante de l'invention, le calculateur peut, pour calculer la consigne d'introduction (par exemple déterminer le temps d'ouverture d'un injecteur), et corriger une consigne de base par application d'une cartographie prédéfinie. La cartographie employée intègre au moins pour paramètres la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur et la pression dans le circuit d'alimentation en fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction 5. [0032] L'invention ainsi développée permet, par la prise en compte la valeur de la contre-pression à l'échappement d'un moteur, soit par l'estimation d'un modèle de pression dans la ligne d'échappement, soit par la mesure d'un capteur de pression, couplée avec la pression du circuit d'alimentation en réducteur (obtenue par estimation, capteur ou dimensionnement organique) pour définir la quantité injectée de réducteur de réduire les imprécisions d'injection de réducteur. Ainsi, la performance du dispositif de traitement des gaz d'échappement par réduction catalytique sélective (SCR) est optimisée. Le phénomène de fuite d'ammoniac à l'échappement est réduit. L'autonomie prévisionnelle du système SCR est mieux maitrisée (le système comprend un réservoir contenant une quantité de réducteur définie pour assurer une autonomie). Revendications: 1. Procédé de calcul d'une consigne d'introduction d'un fluide réducteur, par des moyens d'introduction (5) appropriés, dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion (1), caractérisé par les étapes suivantes : • Evaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur; • Evaluation de la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction (5) ; • Calcul de la consigne d'introduction en fonction de la pression dans la ligne d'échappement et de la pression du fluide réducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la consigne d'introduction correspond à un temps d'ouverture d'un injecteur, calculé par la formule : t = vX~Gcons +t oav mort Pigne ù Péchap dans laquelle : • t°uv est le temps d'ouverture de l'injecteur; • G est le gain statique de l'injecteur employé ; • Qcons est la quantité de réducteur à injecter ; • Pigne est la pression dans le circuit d'alimentation en fluide réducteur, en entrée de l'injecteur ; • Pchap est la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur ; • tmort est un temps mort, dépendant des caractéristiques du circuit électrique commandant l'injection du fluide réducteur et des caractéristiques de l'injecteur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la consigne d'introduction correspond à un temps d'ouverture d'un injecteur, déterminé à l'aide d'une cartographie prenant au moins en compte la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur et la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction (5). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur est basée sur les conditions de fonctionnement du moteur et d'encrassement d'un filtre à particules (4) positionné dans la ligne en aval du point d'introduction du fluide réducteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'évaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur est obtenue par mesure directe dans la ligne à l'aide d'un premier capteur de pression (7). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'évaluation de la pression dans la ligne d'échappement au point d'introduction du fluide réducteur est obtenue par une estimation basée sur une mesure de pression effectuée en un autre point de la ligne. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évaluation de la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction est basée sur les caractéristiques et conditions de fonctionnement de la pompe qui génère cette pression. 8. Procédé selon l'une quelconque des 1 à 5, caractérisé en ce que l'évaluation de la pression du fluide réducteur en entrée des moyens d'introduction est obtenue par une mesure directe dans le circuit de fluide réducteur à l'aide d'un second capteur de pression (8). 9. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes au calcul de la consigne d'introduction d'un réducteur liquide.