Brevet FR2961853A1 — publié le 20111230

Méthode pour contrôler un système SCR La présente demande concerne une méthode pour contrôler un système SCR. Elle concerne en particulier une méthode pour détecter si son injecteur est bouché. Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOX dans l'atmosphère. Pour atteindre cet objectif on connaît le procédé SCR (Selective Catalytic Reduction) qui permet la réduction des oxydes d'azote par injection d'un agent réducteur, généralement d'ammoniac, dans la ligne d'échappement. Cet ammoniac peut provenir de la décomposition par thermolyse d'une solution d'un précurseur d'ammoniac dont la concentration peut être celle de l'eutectique. Un tel précurseur d'ammoniac est généralement une solution d'urée. Avec le procédé SCR, les dégagements élevés de NOX produits dans le moteur lors d'une combustion à rendement optimisé sont traités en sortie de moteur dans un catalyseur. Ce traitement requiert l'utilisation de l'agent de réduction à un niveau de concentration précis et dans une qualité extrême. La solution est ainsi précisément dosée et injectée dans le flux de gaz d'échappement où elle est hydrolysée avant de convertir l'oxyde d'azote (NOX) en azote (N2) et en eau (H2O). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'additif (solution aqueuse d'urée généralement), ainsi que d'un dispositif pour doser et injecter la quantité d'additif désirée dans la ligne d'échappement. Ce dispositif est généralement un injecteur et de préférence, de type «actif» c'est-à-dire incluant la fonction de dosage. 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 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 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 2961853 -2 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. Une alternative existe au train d'ondes rectangulaires susmentionné selon laquelle un courant de pic est d'abord utilisé pour ouvrir l'injecteur et un 5 courant de maintien est ensuite utilisé tout au long de la phase d'ouverture de l'injecteur. Un tel type de signal est appelé PWM avec maintien. Dans la suite de l'exposé, on utilisera tout simplement l'acronyme PWM pour désigner ces deux types de signaux. Des injecteurs tels que décrits ci-dessus existent avec un ou plusieurs orifices obturables par un pointeau commun. 10 Toutefois, l'inconvénient de ce type d'injecteur est que le ou les orifices peuvent à la longue se boucher. Or, la nouvelle norme Euro-6 qui entrera en application en 2014 prévoit que toutes les 30 min, un test doit être effectuée et qu'une alarme doit être envoyée si la quantité d'urée consommée est inférieure à 50% de la quantité d'urée réclamée par le système de contrôle du moteur pour 15 effectuer la dépollution des gaz d'échappement. Dès lors, certaines sociétés actives dans le développement de systèmes SCR ont commencé à mettre au point des systèmes permettant d'effectuer de tels tests. Ainsi par exemple, les demandes US 2010/0005871 et US 2010/0071349 20 décrivent des méthodes de test pour injecteur de système SCR selon lesquelles pour regarder si l'injecteur est bouché, on arrête la pompe, on ouvre entièrement l'injecteur et on regarde comment la pression évolue. Ces méthodes sont difficiles à mettre en oeuvre en pratique car l'ouverture de l'injecteur doit être synchrone avec l'arrêt de la pompe. En outre, elles impliquent une perturbation 25 du processus de dépollution puisque la pompe doit être arrêtée pour faire le diagnostic. La demande US 2010/0114455 décrit une autre méthode de test pour injecteur de système SCR qui cette fois s'effectue avec la pompe en marche. Elle consiste à modifier l'état (commande) de l'injecteur puis à regarder comment 30 une grandeur caractéristique de son débit (la vitesse de rotation du moteur qui l'actionne par exemple) évolue. En principe, cette méthode pourrait induire une perturbation moindre au niveau du processus de dépollution, mais elle n'est pas décrite avec suffisamment de détails dans la demande en question pour comprendre comment elle fonctionnerait en pratique. En outre la demande ne fournit pas beaucoup de détails (notamment sur le type de pompe concernée sur 2961853 -3 la manière de faire les tests en pratique etc.) ni de résultats expérimentaux permettant de s'assurer de son fonctionnement effectif. La présente invention vise à résoudre ces problèmes en fournissant une méthode de contrôle d'un injecteur de système SCR qui est simple et donne des 5 résultats en pratique. Elle est basée sur la constatation surprenante qu'avec un système SCR équipé d'un injecteur du type décrit ci-dessus (dont l'ouverture du (des) orifice(s) est conditionnée par une vanne pilotée par un signal PWM) et d'une pompe volumétrique pilotée de manière précise soit en vitesse, soit en pression, des différences sont observables sur les mesures continues 10 respectivement de la pression ou de la vitesse selon que l'injecteur soit ou non bouché, notamment: des perturbations/fluctuations de pression ou de vitesse sont généralement observées si l'injecteur n'est pas bouché, ces perturbations/fluctuations étant fortement atténuées (voire inexistantes) si l'injecteur est bouché. A noter que la vitesse peut se généraliser à tout autre type 15 de paramètre reflétant l'énergie transmise par le moteur à la pompe (voir ci-dessous). Dès lors, à condition d'exploiter les mesures de pression ou de vitesse (ou d'un autre paramètre similaire) effectuées par le système de contrôle du système SCR, il n'est plus nécessaire d'arrêter ou de perturber le dosage pour effecteur un 20 test de contrôle de l'état de l'injecteur. A cet effet, la présente demande concerne une méthode pour détecter si un injecteur à vanne commandée par un signal PWM d'un système SCR est bouché, ledit système comprenant une pompe volumétrique entraînée par un moteur et pilotée par un contrôleur qui mesure en continu la pression et/ou un autre 25 paramètre caractéristique de l'énergie transmise par le moteur à la pompe, selon laquelle en cours de fonctionnement normal du système SCR, on compare des portions spécifiques d'une de ces mesures avec des portions équivalentes stockées dans une mémoire. En particulier : le contrôleur compare le profil des perturbations/fluctuations 30 de pression ou de vitesse (ou autre) avec des profils de référence stockés dans une mémoire et en déduit l'état de l'injecteur (bouché ou non). L'injecteur auquel s'applique la méthode selon l'invention comprend au moins orifice dont l'ouverture/fermeture est réalisée au moyen d'une vanne pilotée par un signal PWM tel que décrit ci-dessus. Il s'agit généralement d'une vanne 35 électromagnétique ou piézoélectrique. L'invention donne de bons résultats avec des injecteurs à vanne électromagnétique. 2961853 -4 La pompe à laquelle s'applique l'invention est une pompe volumétrique entraînée par un moteur dont le fonctionnement est généralement géré par un contrôleur. Elle est de préférence rotative et comprend dès lors en général un stator et un rotor et peut de préférence fonctionner selon deux sens de rotation 5 opposés, l'un correspondant en général à l'alimentation en liquide d'une ligne d'alimentation et l'autre correspondant à une purge de la ligne d'alimentation. De préférence, la pompe est une pompe rotative et le paramètre caractéristique de l'énergie transmise par le moteur à la pompe est la vitesse de rotation de la pompe. L'invention donne dès lors de bons résultats avec une pompe à engrenages. 10 Tout type de moteur électrique peut convenir pour l'entraînement de la pompe. De préférence, dans le cas d'une pompe rotative, le moteur est du type moteur à courant continu sans balais («brushless direct current» ou BLDC). Dans ce cas, l'entraînement de la pompe est réalisé par un couplage magnétique entre le rotor de la pompe et un axe d'entraînement du moteur. 15 Le contrôleur de la pompe est une unité de commande comprenant généralement un régulateur PID et un contrôleur de la vitesse du moteur) et d'alimentation électrique qui fournit de préférence au moteur, la puissance nécessaire pour le faire fonctionner à la vitesse souhaitée et qui permet d'inverser son sens de rotation, le cas échéant. 20 De manière préférée, selon l'invention, la pompe est également commandée par un signal de type PWM. De manière tout particulièrement préférée, une unité de commande électronique (ECM ou Electronic Control Module) envoie au contrôleur de la pompe, un signal de commande de type PWM («Pulse Width Modulation») ayant un rapport cyclique variable en 25 fonction des conditions de fonctionnement souhaitées pour la pompe et selon laquelle le contrôleur agit sur le moteur pour appliquer lesdites conditions de fonctionnement à la pompe. Cette variante préférée fait l'objet de la demande WO 2008/087153 au nom de la demanderesse 30 Comme expliqué précédemment, la présente invention est appliquée à un système SCR ayant pour but d'injecter un liquide de dépollution dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Un tel système comprend généralement au moins un réservoir pour le stockage dudit liquide et une ligne d'alimentation permettant d'amener ledit liquide vers l'injecteur à l'aide de la 35 pompe (placée sur cette ligne donc). Un liquide auquel la présente invention s'applique particulièrement bien est l'urée. 2961853 -5 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'AdBlué 5 (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31,8% et 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 10 (Denoxium-30) contient une quantité équivalente en ammoniac à celle de la solution d'Adblué . 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 et un marché moins disponible (alors que l'urée est largement utilisée 15 et facilement disponible même dans des domaines tels que l'agriculture). La présente invention est particulièrement intéressante dans le cadre des solutions eutectiques eau/urée. Dans une variante de l'invention, la pompe dose à dessein une quantité trop élevée de liquide dont l'excès est retourné au réservoir par exemple à l'aide 20 d'une ligne de retour (ou by-pass) munie d'un clapet taré ou d'un orifice calibré. Lorsque l'urée est injectée dans les gaz d'échappement d'un moteur, cette variante permet de refroidir la pompe. Alternativement, la ligne de retour peut partir de l'injecteur et elle permet alors de refroidir ledit injecteur. Dans une autre variante de l'invention, la ligne d'alimentation est purgée 25 après chaque utilisation de la pompe (juste avant sa mise à l'arrêt) afin de diminuer le temps de démarrage du système et d'éviter d'endommager prématurément les lignes (car les solutions d'urée se dilatent quand il gèle). La purge peut se faire par exemple en inversant le sens de rotation de la pompe juste le temps nécessaire pour ramener le liquide contenu dans la ligne d'alimentation 30 vers le réservoir. Quant à la ligne de retour, si présente, elle a généralement un volume relativement faible et donc, si elle est chauffée, elle ne doit pas être purgée lors de l'arrêt de la pompe. Dès lors, pour éviter que le liquide ne tourne en rond dans la boucle déterminée par ligne d'alimentation et la ligne de retour lors de la 35 purge si celle-ci est réalisée en inversant le sens de rotation de la pompe, il est avantageux de munie la ligne de retour d'un clapet anti-retour. 2961853 -6 Selon l'invention, le diagnostic de l'injecteur se fait sans perturber le fonctionnement normal du système SCR c.à.d. que le système répond en permanence à un signal (généralement émis par l'ordinateur de bord et/ou le contrôleur du moteur à combustion (ou ECU (Engine Control Unit)) et/ou un 5 module électronique (ECM) spécifique au système SCR ayant une interface avec l'ECU) incluant une information relative à la quantité de liquide qu'il faut injecter dans les gaz d'échappement pour les dépolluer et qu'il ne faut pas déclencher une séquence de test qui pourrait perturber ce fonctionnement. Selon l'invention, on utilise pour ce faire la mesure en continu de la 10 pression ou d'un autre paramètre lié à l'énergie transmise par le moteur à la pompe. Selon le type de pompe et sa régulation, ce paramètre peut être la vitesse de rotation (pour une pompe rotative), la fréquence (pour une pompe alternative), le courant, la tension.... Généralement, dans le cas d'une pompe rotative, on utilise le mesure continue de la pression ou de la vitesse (selon que la pompe soit 15 régulée en pression ou en vitesse respectivement), mesure que le contrôleur doit de toute manière effectuer comme partie intégrante du processus de régulation (qui sera décrit plus en détail ci-dessous) et on compare des portions spécifiques de cette mesure avec portions équivalentes stockées dans une mémoire. De manière préférée, pour avoir un traitement rapide de l'information, cette 20 mémoire est située dans l'ECM du système SCR, qui communique avec l'ECU comme expliqué ci-dessus. Mais il convient de noter que ce paramètre dépend de l'architecture du système SCR (qui peut ou ne peut pas avoir d'ECM spécifique). Selon une variante de l'invention, le contrôleur effectue une mesure du 25 bruit de l'énergie de commande du moteur, à savoir : il calcule l'écart entre la moyenne des maxima et la moyenne des minima de la mesure considérée (pression, vitesse, courant...) pour un fonctionnement à un DC donné du signal de commande PWM de la pompe, compare cette valeur à une valeur moyenne stockée au préalable dans la mémoire (et qui est caractéristique d'un DC donné) 30 et en déduit l'état de l'injecteur. Les valeurs de référence dont il est fait état ci-dessus peuvent être les mêmes pendant toute la durée de vie du système SCR. Alternativement, elles peuvent être recalculées à une fréquence donnée de sorte à avoir une référence adaptative de l'évolution (vieillissement) du système. 35 Dans une variante de l'invention (celle à contrôle en pression), le contrôleur est relié à un capteur de pression et il compare en boucle la valeur de 2961853 -7 consigne de la pression avec la valeur mesurée par le capteur et agit en conséquence sur la vitesse de rotation du moteur (ou un autre paramètre lié à celle-ci tel que la tension, le courant...) pour tenter de stabiliser la pression à la valeur de consigne. De préférence, ce capteur est localisé avant la ligne de retour 5 (by-pass), le cas échéant. Généralement, ceci se fait à l'aide d'un régulateur de pression qui effectue la comparaison entre la pression de consigne et la pression mesurée et génère un signal d'erreur pour le contrôleur de la vitesse de rotation du moteur. Dans cette variante, le régulateur peut être de tout type connu mais il est de 10 préférence de type PI(D) (Proportionnel Intégral Dérivé (ce dernier étant optionnel)). Quant au capteur de pression, il est de préférence intégré à la pompe c'est-à-dire qu'il peut être fixé à la pompe par tout moyen de fixation connu. Dans une autre variante de l'invention (celle à contrôle en vitesse), le 15 contrôleur est relié à un capteur de vitesse et il compare en boucle la valeur de consigne de la vitesse avec la valeur mesurée par le capteur et agit en conséquence pour minimiser l'écart entre les deux. Cette variante convient pour des systèmes ayant une régulation de pression séparée, ou permettant d'adapter le temps d'ouverture de l'injecteur à la pression effective délivrée par la pompe. 20 Il convient de noter que toutes les variantes décrites ci-dessus peuvent être utilisées isolément ou en combinaison. La présente invention est illustrée de manière non limitative par les figures 1 et 2 ci-jointes. La figure 1 décrit un système SCR auquel peut s'appliquer la présente invention; la figure 2 donne le résultat de mesures illustrant les 25 fluctuations et évolutions de pression/vitesse à la base de l'invention. La figure 1 illustre un système SCR auquel peut s'appliquer la présente invention et qui comprend les éléments suivants: 1: réservoir à urée 2: jauge (capteur de niveau) 30 3: élément chauffant 4: filtre 5: capteur de température 6: capteur de courant pour l'élément chauffant 7: pompe 35 8: capteur de vitesse 9: filament chauffant pour les lignes et cartouche chauffante de la pompe - 8 10: capteur de pression 11: capteur de courant pour le réchauffeur des lignes 12: injecteur 13: clapet anti-retour évitant que le liquide ne tourne en rond (dans la boucle créée par la ligne aller et celle de retour vers le réservoir) lors de la purge (lorsque la pompe tourne à l'envers) 14: orifice calibré (restriction) - sert à fixer le débit et à ajouter une résistance afin d'augmenter la pression (en augmentant des pertes de charge dans la ligne de retour) 15: moteur (BLDC) d'entraînement de la pompe 16: clapet anti-retour permettant de réguler la pression à la sortie de la pompe. La figure 2 illustre la variation de vitesse associée à des ouvertures progressives (rapport cyclique croissant) de l'injecteur pour une régulation en pression constante (à 5 bars). Sur ce diagramme, on a porté en abscisse, la durée (en s) et en ordonnée, respectivement le rapport cyclique (Injector Duty Cycle (%) ou DC, pics carrés lisses), la pression (Pressure (bars), courbe dentée du haut) et les augmentations de vitesse (Pump Speed (rpm) en tours/minute, pics dentés) enregistrées au cours d'une campagne d'essais sur un système similaire à celui illustré à la figure 1. Ces tests ce sont déroulés comme suit : - on a stabilisé le système en régulation de pression à 5 bars (qui a été maintenue durant la succession d'étapes ci-dessous) avec un DC de 10% - on a fermé l'injecteur et on a mesuré la vitesse - on a ensuite successivement ouvert l'injecteur à 5, 10, 15, 20, 30, 50, 70 et 100% de DC, et ce sur les durées indiquées à la figure 2 et en fermant l'injecteur pour une durée donnée (aussi visible sur la figure: 5 s) entre chaque test à ouverture différente de l'injecteur (pendant une durée de 5 s également et à une fréquence de 3.3 Hz). Ces tests ont été réalisés avec un injecteur à 3 orifices d'injection fabriqué par la société BOSCH et destiné à un système SCR, respectivement «libre» (pas d'orifice bouché), ayant 1 orifice bouché (1 HC ou «Hole Glogged») et ayant 2 orifices bouches (2 HC). Les différences mises en exergue dans le préambule de la demande entre un injecteur bouché et un injecteur ouvert sont visibles sur la figure 2, à savoir qu'on peut voire que selon l'état d'obstruction de l'injecteur, les fluctuations de vitesse sont différentes. 2961853 -9 Il est vrai que pour un DC constant à 100% (injecteur maintenu ouvert), les fluctuations/perturbations sont de même ordre de grandeur pour un injecteur bouché et pour un injecteur «libre» pour un mais un tel DC n'est en fait généralement utilisé qu'en régime transitoire et non sur une longue durée. Et dès 5 lors que les niveaux absolus (valeurs moyennes) de la vitesse sont clairement différents dans ce cas-là, ceux-ci pourraient être utilisés dans les cas où un tel fonctionnement prolongé aurait lieu malgré tout. REVENDICATIONS1. Méthode pour détecter si un injecteur (12) à vanne commandée par un signal PWM d'un système SCR est bouché, ledit système comprenant une pompe (7) volumétrique entraînée par un moteur (15) et pilotée par un contrôleur qui mesure en continu la pression et/ou un autre paramètre caractéristique de l'énergie transmise par le moteur (15) à la pompe (7), selon laquelle en cours de fonctionnement normal du système SCR, on compare des portions spécifiques d'une de ces mesures avec des portions équivalentes stockées dans une mémoire, 2. Méthode selon la revendication précédente, selon laquelle le contrôleur compare le profil des perturbations/fluctuations de la pression ou du paramètre caractéristique de l'énergie transmise par le moteur (15) à la pompe avec des profils de référence stockés dans une mémoire et en déduit l'état de l'injecteur. 3. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la vanne de l'injecteur (12) est une vanne électromagnétique. 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pompe (7) est une pompe rotative et le paramètre caractéristique de l'énergie transmise par le moteur (15) à la pompe (7) est la vitesse de rotation de la pompe. 5. Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle la pompe (7) 20 est une pompe à engrenages. 6. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle une unité de commande électronique (ECM ou Electronic Control Module) envoie au contrôleur de la pompe (7), un signal de commande de type PWM («Pulse Width Modulation») ayant un rapport cyclique (« duty cycle » ou 25 DC) variable en fonction des conditions de fonctionnement souhaitées pour la pompe et selon laquelle le contrôleur agit sur le moteur (15) pour appliquer lesdites conditions de fonctionnement à la pompe (7). 7. Méthode selon la revendication précédente, selon laquelle le contrôleur calcule l'écart entre la moyenne des maxima et la moyenne des 30 minima de la mesure considérée (pression, vitesse, courant...) pour un fonctionnement à un DC donné du signal de commande PWM de la pompe (7),compare cette valeur à une valeur moyenne stockée au préalable dans la mémoire (et qui est caractéristique d'un DC donné) et en déduit l'état de l'injecteur (12). 8. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la mémoire est présente dans un ECM spécifique au système SCR. 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les valeurs en mémoire sont recalculées. à une fréquence donnée de sorte à avoir une référence.: adaptative à l'évolution (vieillissement) du système. 10. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pompe (7) est contrôlée en pression, le contrôleur étant relié à un capteur de pression (10) intégré à la pompe (7), 11. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon laquelle la pompe (7) est contrôlée en vitesse, le contrôleur étant relié à un capteur de vitesse (8), et selon laquelle soit le système SCR a une régulation de pression séparée (indépendante), soit il permet d'adapter le temps d'ouverture de l'injecteur (12) à la pression effective délivrée par la pompe (7).