Brevet FR2972489A1 — publié le 20120914

PROCEDE D'ESTIMATION DE LA CONCENTRATION EN REDUCTEUR DANS UNE SOLUTION DE REDUCTION D'OXYDES D'AZOTE ET SYSTEME SCR [0001 L'invention se rapporte à un procédé d'estimation de la concentration en réducteur dans une solution de réduction d'oxydes d'azote et à un système de réduction catalytique sélective. [0002] Dans un contexte de dépollution des gaz échappement d'un moteur diesel, le système SCR (pour Selective Catalyst Reduction en anglais) a pour but de réduire les Oxydes d'Azote (NOX par la suite) contenus dans l'échappement en utilisant une réaction chimique entre ces mêmes NOX et un réducteur, tel que l'ammoniaque, l'ammoniaque étant injecté dans la ligne d'échappement. L'injection de l'ammoniac peut être réalisée par l'intermédiaire d'une autre espèce chimique telle que l'urée. [0009] Les systèmes actuels de dépollution demandent un système pouvant amener l'urée au niveau de l'injecteur dans les conditions adéquates d'injection. Ce système est composé d'un ou plusieurs réservoirs pour stocker le réducteur, d'une pompe, d'une ou plusieurs canalisations et de l'injecteur. Dans le(s) réservoir(s) se trouvent aussi un capteur de niveau(x), un capteur de température réservoir et au moins un élément de chauffage visible sur la figure 1. Selon la figure 1, le système SCR 100 est composé d'un ou plusieurs réservoirs 130 pour stocker le réducteur 110 et d'une pompe 120. Les réservoirs 130 comprennent également une jauge 160, un capteur de température 170 et au moins un élément de chauffe 180. [0004] La règlementation imposant de pouvoir détecter le cas où le réducteur a été remplacé par un autre liquide (et donc le cas où la dépollution est restreinte, voire nulle), les systèmes SCR peuvent soit être équipés de capteur de qualité d'urée, soit détecter ce problème grâce à un diagnostic de dépollution inefficace. La conception de l'interface de remplissage du réservoir peut aussi permettre d'éviter des erreurs de remplissage par le consommateur. [0005i Par ailleurs, le réducteur subit un vieillissement, parfois accéléré par sa sensibilité à de hautes températures. Il est donc utile de pouvoir surveiller sa qualité au cours du temps, afin de prévenir l'utilisateur du véhicule qu'un passage en après-vente est nécessaire et également d'éviter à aux opérateurs de l'après-vente de vidanger un réservoir dont le liquide serait encore valable. [0006] De plus, dans le cas où l'utilisateur du véhicule remplirait le réservoir avec de l'eau, cela permettrait de diagnostiquer rapidement cette fausse manipulation de manière à éviter toute dégradation du réservoir d'urée et l'éventuelle casse des canalisations en cas de gel (le volume de l'eau à l'état solide étant plus important que celui de l'urée et ce dès 0°C, température tout à fait atteignable en hiver - au lieu des -11 °C pour l'urée qui serait par exemple de l'Adblue (marque déposée». [000n Le document FR 2 898681 décrit un procédé pour déterminer la concentration d'un composant dans une solution, dans lequel - un échantillon d'une solution est soumis à un changement de température dans une plage de température comprenant une température caractéristique de la solution, la température caractéristique correspondant, en cas de refroidissement de l'échantillon, à la température de début de congélation et, en cas de réchauffement de l'échantillon, à la température de fin de fusion; - une courbe de changement de température de la solution en fonction du temps écoulé est dessinée; la température caractéristique est déterminée; - la linéarité de la courbe de changement de température au-dessus de la température caractéristique est analysée; - la concentration du composant dans la solution est déterminée sur la base de la température caractéristique et de la linéarité de la courbe de changement de température au-dessus de la température caractéristique. [0008] Le document FR 2 909 901 décrit une méthode pour le dosage d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac stockée dans un réservoir ventilé et/ou taré en pression dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ladite méthode consistant à déterminer la concentration en précurseur de la solution sur base d'une mesure de la température de la solution dans le réservoir et d'abaques obtenus par vieillissement de solutions de référence et établissant pour différentes températures, l'évolution de la concentration en précurseur en fonction du temps à la pression de tarage du réservoir. [0009] Le document US 2007 163238 décrit une méthode pour le dosage d'un agent réactif dans l'écoulement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, selon lequel l'agent réactif est guidé dans au moins un composant et on enregistre une mesure pour la température du composant. On compare ensuite la mesure pour la température à une valeur de température prédéterminée, on compte le nombre de dépassements du seuil dans un compteur, on prédétermine une valeur seuil de comptage pour le nombre de dépassements de seuil, et en cas de dépassement de la valeur seuil de comptage, on émet un signal de service. [oolo] Toutefois, aucun de ces documents ne prend en compte l'effet du chauffage lui-même pour déterminer la concentration de la solution de réducteur. Il y a donc un besoin pour déterminer de manière plus juste la concentration en réducteur. [0011] Pour cela, l'invention propose un procédé d'estimation de la concentration en agent actif dans une solution de réduction d'oxydes d'azote d'un système de réduction catalytique sélective, la solution subissant des cycles de chauffage par au moins un élément chauffant, caractérisé en ce que le procédé comprend - la détermination d'un facteur de correction de la concentration en agent actif, le facteur de correction étant estimé au cours d'un cycle de chauffage de la solution par l'élément chauffant en fonction de la puissance de l'élément chauffant et de la durée du cycle de chauffage à la puissance de l'élément chauffant ; - l'estimation de la concentration par l'application du facteur de correction à la concentration en agent actif obtenue à l'issu du cycle précédent de chauffage. [0012] Selon une variante, la solution est soumise à des cycles de chauffage par l'élément chauffant pour maintenir en température la solution sans changement d'état. [0013] Selon une variante, au cours des cycles de chauffage, la solution est soumise à un changement de température dans une plage de température comprenant une température caractéristique de la solution, la température caractéristique correspondant à un changement de l'état solide vers l'état liquide, le procédé comprenant - la détermination de la température caractéristique, - une estimation supplémentaire de la concentration en agent actif de la solution en fonction de la température caractéristique, l'estimation de la concentration prenant aussi en compte l'estimation supplémentaire de la concentration en fonction de la température caractéristique. [0014] Selon une variante, l'estimation supplémentaire de la concentration en agent actif de la solution en fonction de la température caractéristique est en outre corrigée par l'application du facteur de correction. [0015] Selon une variante, une courbe de changement de température de la solution en fonction du temps écoulé est établie, la température caractéristique correspond à une zone de la courbe où la valeur absolue du gradient de température est inférieure à un seuil ou à une zone de la courbe où la double dérivée de la courbe est nulle. [0016] Selon une variante, le facteur de correction est en outre déterminé en fonction de la température extérieure, de la température dans le réservoir, de l'inertie de l'élément chauffant et de la capacité d'une pompe du système de réduction catalytique sélective à mettre en pression le réservoir contenant la pression. [oo17] L'invention se rapporte aussi à un procédé d'adaptation de l'injection de solution contenant un agent actif dans une ligne d'échappement de véhicule caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre le procédé d'estimation de la concentration en agent actif précédemment décrit et une étape d'adaptation de l'injection de la solution en fonction de l'estimation de la concentration en agent actif dans la solution. [ools] L'invention se rapporte aussi à un procédé d'alerte de la défaillance d'un système de réduction catalytique sélective pour la réduction d'oxydes d'azote, le procédé comprenant - l'estimation de la concentration en agent actif d'une solution réductrice d'oxydes d'azote selon le procédé précédemment décrit et, si la concentration en réducteur est insuffisante, - le déclenchement d'alertes en fonction d'un premier seuil jusqu'auquel la défaillance est compensée par l'adaptation de l'injection selon le procédé précédemment décrit et en fonction d'une deuxième seuil au-delà duquel la réduction des oxydes d'azote n'est pas suffisante malgré l'adaptation de l'injection, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre le déclenchement de l'alerte selon un troisième seuil selon lequel la concentration en réducteur est telle que le volume d'expansion de la solution dépasse un volume d'expansion limite. [0019] L'invention se rapporte aussi à un système de réduction catalytique sélective comprenant un réservoir de solution réductrice d'oxydes d'azote et au moins un élément chauffant dans le réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un calculateur pour la mise en oeuvre des procédés précédemment décrits. [oo2o] L'invention se rapporte aussi à Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement et un système de réduction catalytique sélective précédemment décrit ayant une pompe de réducteur, un injecteur de réducteur dans la ligne d'échappement du véhicule, et une canalisation reliant l'injecteur à la pompe. [0021] [0022] [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent : - figure 1, un exemple de système de réduction catalytique décrit précédemment ; - figure 2, un diagramme de phase ; - figure 3, un diagramme de profil d'évolution de température ; ^ La figure 4 montre l'évolution de la concentration en agent actif au cours du temps en fonction de la température ; - Figure 5, une stratégie de surveillance ; - Figure 6 montre les différents états de la solution de réduction ; - figure 7, un diagramme de profil d'évolution de température d'un cas réel ; - figure 8, un diagramme de la détermination de la concentration en agent actif dans le cas d'un dégel ; - figure 9, un diagramme de la détermination de la concentration en agent actif en fonction de l'environnement ; ^ figure 10, un diagramme de correction de l'injection ; - figure 11, des niveaux d'alerte. [0024] L'invention a pour objectif de surveiller l'évolution de la qualité d'un réducteur sous forme d'une solution contenant un agent actif de NOX, tel que de l'urée, dans un réservoir au cours du temps, afin d'optimiser les opérations d'après- vente (APV) et la dépollution. Ainsi, en utilisant des capteurs et actionneurs déjà présents pour d'autres fonctions du système SCR, cette invention permet, sans ajout d'un capteur spécifique, d'éviter l'investigation en après-vente ou le changement de la totalité du fluide en après-vente, et de protéger une partie du système SCR. [0025] L'invention est basée sur les caractéristiques physico-chimiques du réducteur utilisé. Par la suite, on prendra souvent l'Adblue (marque déposée) comme exemple de réducteur sous forme de solution contenant l'agent actif mais l'invention s'applique à tout type de solution de réducteur. [0026] La figure 2 montre un diagramme de phase. Le diagramme montre les températures de changement d'état (solide/liquide) évoluant en fonction de la concentration en agent actif tel que l'urée. On voit que l'Adblue change d'état environ à -11 °C (point référencé 12). La température de changement d'état sera appelée par la suite Tseuil. [0027] Pour un réservoir dont le liquide est gelé et qui est en cours de cycle de chauffe pour liquéfier le réducteur, le profil d'évolution de température ressemble à celui de la figure 3. Ce profil de température peut être observé depuis le capteur de température situé au point de puisage. L'évolution de la température est représentée en fonction de l'évolution du chauffage au cours du temps. [0028] On y observe un plateau 14 sous forme de point d'inflexion qui montre la température de changement d'état, de l'état solide vers l'état liquide. Cette température peut être le reflet de la concentration d'Adblue dans le réservoir du véhicule. [0029] La densité de l'eau liquide est de 1 g/cm3 contre 0,91 g/cm3 à l'état solide, ce qui entraîne un volume d'expansion d'environ 90/0. La densité de l'Adblue liquide est de 1,087 g/cm3 contre 1,03 g/cm3 à l'état solide, ce qui représente cette fois-ci environ 60/0 d'expansion. Plus le liquide est détérioré, c'est-à-dire, plus la solution de réducteur a une concentration en agent actif faible, plus l'expansion sera grande, ce qui implique un risque de casse des canalisations par exemple. [0030] L'invention concerne un procédé de surveillance de l'évolution de la concentration en agent actif tel que l'urée dans le réservoir. On constate que celle-ci évolue au cours du temps, proportionnellement à la température à laquelle elle est soumise. Selon la figure 4, à 70°C par exemple, la concentration décroît vite. La figure 4 montre l'évolution de la concentration d'urée au cours du temps, en fonction de la température. La courbe 16 montre cette concentration pour les températures 0°C, 20°C et 40°C. La courbe 18 montre cette concentration pour la température 70°C. La courbe 20 montre cette concentration pour la température 130°C. [0031] Ainsi, on peut en déduire aussi que les processus de chauffe du système lorsqu'il est gelé dégradent aussi la concentration en urée puisque la zone proche des éléments chauffants est soumise à haute température, température nécessaire au dégel. [0032] Connaissant les moments où le chauffage a été actif, la durée pendant laquelle le réservoir d'urée a passé à une température moyenne donnée, ainsi que la valeur de température de plateau apparaissant à chaque processus de chauffe, il est possible de mettre en place une stratégie de correction de l'injection et de maintenance adaptative en fonction de ces paramètres par application d'un facteur de correction à une concentration en agent actif précédemment déterminée. [0033] Un exemple de stratégie de surveillance va maintenant être décrit. [0034] L'hypothèse de base qui est retenue est que la concentration en agent actif, tel que l'urée ne peut que diminuer, par exemple pour une question d'usure du réducteur, ou encore, car l'utilisateur a fait un appoint avec une solution moins concentrée en agent actif ou avec de l'eau par exemple. [0035] La stratégie de surveillance se décompose suivant la figure 5 de la manière suivante : - Phase A : on cherche à savoir si on se trouve dans une situation de vie de dégel, de maintien de température ou rien ; Phase B : on mesure la température de plateau (cf. figure 3) en cas de dégel ; - Phase C : on cherche à estimer l'impact de la situation de vie sur le liquide réducteur pour estimer la concentration ; - Phase D : on adapte l'injection d'urée en fonction de la concentration estimée ; - Phase E : on établit le besoin de maintenance du véhicule. [0036] La phase A correspond à la détermination 70 (figure 5) de la phase de vie du système : dégel, chauffage ou rien. La phase A peut se réaliser dans le cas où le chauffage ou dans le cas où aucun chauffage n'est déclenché. En fonction de la phase de vie du système, on peut déterminer un facteur de correction de la concentration en agent actif approprié. [0037] Le chauffage de la solution est déclenché lorsque la température initiale de la solution est inférieure à un seuil, par exemple de -11 °C pour de l'Adblue, correspondant au point de début de solidification de la solution. De préférence, et pour plus de sécurité, ce seuil de température doit être supérieur à la température de changement de phase de la solution. Par exemple, on peut retenir un seuil de -7°C pour de l'Adblue. Le seuil est à adapter en fonction du type de réducteur utilisé. Au cours du temps, il est possible aussi d'adapter le seuil en fonction de la concentration estimée du système ou de la mesure de température de plateau à un cycle précédent pour mieux prendre en compte le vieillissement de la solution et pour réaliser de plus nombreuses mesures de température de plateau. [0038] Alternativement, la solution peut ne pas être soumise à un chauffage car la température extérieure est telle que le chauffage n'a pas à être envisagé. [0039] L'impact de l'environnement (ou situation de vie) sur la concentration du réducteur est calculé de manière différente (voir la figure 9) dans le cas de présence ou non de chauffage. [0040] La phase A permet de mieux estimer la qualité de la solution de réducteur tout au long de la vie du véhicule et pas uniquement lors de rares phases de changement de plateau dans le cas d'un dégel. D'autre part, les différentes phases de vie du système de chauffage n'ont pas le même impact sur la concentration en agent actif; ainsi connaître ces phases de vie peut permettre des mises à jour différentes de l'estimation de la concentration pour plus de précision en vue des phases D et E. [0041] La détermination de la phase de vie du réducteur est établie à partir de la température et de la capacité de la pompe à mettre en pression. Cela permet de déterminer la phase de vie telle que l'activation du chauffage afin d'appliquer un facteur de correction approprié à la concentration. [0042] La figure 6 montre les différents états de la solution de réduction. Ces impacts sur la concentration seront pris en compte dans la phase C. Selon la figure 6, dans un état solide de la solution, la dispersion de la température et l'inertie thermique sur du solide sont telles que le chauffage a un fort impact sur la concentration en agent actif. Dans un état proche de la solidification, la dispersion thermique et l'inertie thermique sur du liquide sont telles que le chauffage a un impact moins important sur la concentration en agent actif. Dans un état liquide, la présence d'une température uniforme est telle que l'impact sur la concentration en agent actif est encore moins important. [0043] La phase B (référencée 72 sur la figure 5) correspond à une mesure ou une estimation supplémentaire de la concentration via la mesure la température de plateau. La phase B est mise en oeuvre uniquement si un dégel doit être mis en oeuvre. La courbe théorique d'une montée en température lors d'un dégel a été présentée en relation avec la figure 3. [0044] Sur un cas réel, on peut observer une courbe du type celui de la figure 7. La donnée de température dans le réservoir est la courbe 96. La courbe 96 montre une zone correspond au plateau 14 de la figure 3. Une interpolation des valeurs dans le cadre 98 permet de déterminer la température plateau. [0045] Le système cible est caractérisé sur de l'Adblue à concentration parfaite afin de déterminer la température plateau cible. Normalement, elle est de -11 °C pour de l'Adblue en sortie d'usine mais suivant la proximité du capteur de température par rapport aux éléments chauffants, cette température cible peut subir un offset positif ou en d'autres termes, une augmentation. [0046] La mesure ou l'estimation supplémentaire de la concentration via la température de plateau selon la phase B fonctionne donc après caractérisation du système selon la figure 8. [0047] Selon la boîte 22, on réalise un test B1 selon lequel on vérifie si la température urée au démarrage ou initiale (voir aussi la référence 92 sur la figure 5) est inférieure à un seuil de température seuil_T correspondant à un seuil au-dessus duquel il n'est pas envisageable que la solution de réducteur gèle. Par exemple on peut prévoir que seuil_T est de 2°C. [0048] Si la température urée au démarrage est supérieure au seuil de température seuil_T (« NON »), il n'y a pas d'activation de la stratégie de détection selon la boîte 28, et le processus retourne à la boîte 22 pour refaire le test B1 ultérieurement. [0049] Si la température urée au démarrage est inférieure au seuil de température seuil_T (« OUI »), on procède à l'activation de la stratégie de détection selon la boîte 23. [0050] Selon la boîte 24, on procède à un test B2 pour déterminer s'il y a un plateau et, le cas échéant, on détermine une température caractéristique de la solution qu'est la température de plateau. Il y a plusieurs possibilités de détection du plateau. On peut vérifier si la valeur absolue du gradient de température (évolution de la température dans un intervalle de temps) est supérieur à une seuil pendant un certain temps (soit, Abs(Gradient température) REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la concentration en agent actif dans une solution de réduction d'oxydes d'azote d'un système de réduction catalytique sélective, la solution subissant des cycles de chauffage par au moins un élément chauffant, caractérisé en ce que le procédé comprend - la détermination d'un facteur de correction de la concentration en agent actif, le facteur de correction étant estimé au cours d'un cycle de chauffage de la solution par l'élément chauffant en fonction de la puissance de l'élément chauffant et de la durée du cycle de chauffage à la puissance de l'élément chauffant ; - l'estimation de la concentration par l'application du facteur de correction à la concentration en agent actif obtenue à l'issu du cycle précédent de chauffage. 2. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solution est soumise à des cycles de chauffage par l'élément chauffant pour maintenir en 15 température la solution sans changement d'état. 3. Le procédé selon l'une des revendications 2, caractérisé en ce qu'au cours des cycles de chauffage, la solution est soumise à un changement de température dans une plage de température comprenant une température caractéristique de la solution, la température caractéristique correspondant à un changement de l'état 20 solide vers l'état liquide, le procédé comprenant - la détermination de la température caractéristique, - une estimation supplémentaire de la concentration en agent actif de la solution en fonction de la température caractéristique, l'estimation de la concentration prenant aussi en compte l'estimation 25 supplémentaire de la concentration en fonction de la température caractéristique. 4. Le procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'estimation supplémentaire de la concentration en agent actif de la solution en fonction de la température caractéristique est en outre corrigée par l'application du facteur de correction. 30 5. Le procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que une courbe de changement de température de la solution en fonction du temps écoulé est établie, la température caractéristique correspond à une zone de la courbe où la valeur absolue du gradient de température est inférieure à un seuil ou à une zone de la courbe où la double dérivée de la courbe est nulle. 6. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le facteur de correction étant en outre déterminé en fonction de la température extérieure, de la température dans le réservoir, de l'inertie de l'élément chauffant et de la capacité d'une pompe du système de réduction catalytique sélective à mettre en pression le réservoir contenant la pression. 7. Un procédé d'adaptation de l'injection de solution contenant un agent actif dans une ligne d'échappement de véhicule caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre le procédé d'estimation de la concentration en agent actif selon l'une des revendications 1 à 6 et une étape d'adaptation de l'injection de la solution en fonction de l'estimation de la concentration en agent actif dans la solution. 8. Un procédé d'alerte de la défaillance d'un système de réduction catalytique sélective pour la réduction d'oxydes d'azote, le procédé comprenant - l'estimation de la concentration en agent actif d'une solution réductrice d'oxydes d'azote selon le procédé de l'une des revendications 1 à 6 et, si la concentration en réducteur est insuffisante, - le déclenchement d'alertes en fonction d'un premier seuil jusqu'auquel la défaillance est compensée par l'adaptation de l'injection selon le procédé de la revendication 7 et en fonction d'un deuxième seuil au-delà duquel la réduction des oxydes d'azote n'est pas suffisante malgré l'adaptation de l'injection, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre le déclenchement de l'alerte selon un troisième seuil selon lequel la concentration en réducteur est telle que le volume d'expansion de la solution dépasse un volume d'expansion limite. 11. Un système de réduction catalytique sélective comprenant un réservoir de solution réductrice d'oxydes d'azote et au moins un élément chauffant dans le réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un calculateur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, le procédé selon la revendication 7 et le procédé selon la revendication 8. 12. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend une ligne d'échappement et un système de réduction catalytique sélective (100) selon la revendication 9 ayant une pompe (120) de réducteur, un injecteur de réducteur dans la ligne d'échappement du véhicule, et une canalisation reliant l'injecteur à la pompe.