Brevet FR2961854A1 — 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 2961854 -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 - 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, donne de bons résultats avec un système SCR avec pompe volumétrique rotative et ne perturbe pas trop le processus de dépollution. 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 rotative entraînée par un moteur et pilotée en pression par un contrôleur qui mesure en continu la vitesse de rotation du moteur et la pression à la sortie de la pompe, selon laquelle en cours de fonctionnement du système SCR à une pression donnée: - on mesure la vitesse de rotation moyenne associée - on bloque la vitesse à cette valeur - on compare la courbe d'évolution de la pression à des courbes de référence stockées dans une mémoire et on en déduit l'état de l'injecteur (bouché ou non). En particulier, avec une pompe également commandée par un signal de type PWM caractérisé par un rapport cyclique («duty cycle» ou DC), il suffit de comparer le niveau moyen de la pression une fois celle-ci stabilisée à un DC du signal de commande de la pompe donné, avec une valeur de référence stockée dans une mémoire. Un avantage de cette méthode est que dès lors que la vitesse est bloquée et la régulation coupée, cette méthode est peu sensible à certains paramètres externes tels que par exemple la température, les paramètres/caractéristiques du régulateur... Un inconvénient de cette méthode résulte toutefois justement du fait que la régulation étant bloquée, la pression pourrait chuter en dessous de la valeur spécifiée par les constructeurs automobiles. Dès lors, une variante de l'invention prévoit d'arrêter le diagnostic et de redémarrer la régulation dès que la pression chute en deçà d'une valeur seuil prédéterminée. En pratique, celle-ci est généralement supérieure ou égale à 4.5 bar pour garantir le bon fonctionnement de l'injecteur. Elle est généralement inférieure ou égale à 5.5 bar, quoiqu'excéder cette valeur n'a pas de conséquences pratiques graves (il est juste inutile et peu économique de générer trop de pression). Dès lors, une autre manière pour éviter de chuter en deçà d'une pression seuil consiste à, dès que le diagnostic est lancé, augmenter la pression par exemple à 5.2 ou 5.3 bar (cette valeur étant en fait 2961854 -4 caractéristique du DC et donc, peut également être mise en mémoire) et ce afin de compenser la chute de pression attendue. En d'autres termes : dans cette variante, la pression à laquelle la vitesse est bloquée est supérieure à la valeur de fonctionnement nominale de la pompe. 5 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 électromagnétique ou piézoélectrique. L'invention donne de bons résultats avec des injecteurs à vanne électromagnétique. 10 La pompe à laquelle s'applique l'invention est une pompe volumétrique rotative entraînée par un moteur et dont le fonctionnement est géré par un contrôleur. De préférence, la pompe est du type pompe à engrenages. Elle comprend en général un stator et un rotor et peut de préférence fonctionner selon deux sens de rotation opposés, l'un correspondant en général à l'alimentation en 15 liquide d'une ligne d'alimentation et l'autre correspondant à une purge de la ligne d'alimentation. Tout type de moteur électrique rotatif peut convenir. De préférence, 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 20 couplage magnétique entre le rotor de la pompe et un axe d'entraînement du moteur. Le contrôleur de cette pompe est une unité de commande (comprenant généralement un régulateur PI(D) et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur) et d'alimentation électrique qui fournit de préférence au moteur, la 25 puissance nécessaire pour le faire tourner à la vitesse souhaitée et qui permet d'inverser son sens de rotation, le cas échéant. 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») 30 ayant un rapport cyclique variable en 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 35 Comme expliqué précédemment, la présente invention est appliquée à un système SCR ayant pour but d'injecter un liquide de dépollution dans les gaz 2961854 -5 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 pompe (placée sur cette ligne donc). Un liquide auquel la présente invention 5 s'applique particulièrement bien est l'urée. 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 10 (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 15 (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 20 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 25 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 30 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 35 vers le réservoir. 2961854 -6 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 5 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. Selon l'invention, le diagnostic de l'injecteur se fait en bloquant la vitesse de rotation à une valeur associée à une pression donnée, et en observant la pression résultante, le contrôleur devant de toute manière effectuer ces mesures 10 (de vitesse et de pression) comme partie intégrante du processus de régulation (qui sera décrit plus en détail ci-dessous). L'évolution de la pression résultante est alors comparée avec des courbes équivalentes stockées dans une mémoire. De manière préférée, pour avoir un traitement rapide de l'information, cette mémoire est située dans l'ECM du système SCR, qui communique avec l'ECU 15 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, les valeurs en mémoire sont recalculées à une fréquence donnée de sorte à avoir une référence adaptative à l'évolution (vieillissement) du système. 20 Selon l'invention, le contrôleur est relié à un capteur de pression et il compare en boucle la valeur de consigne de la pression avec la valeur mesurée par le capteur et agit en conséquence sur la vitesse de rotation du moteur pour tenter de stabiliser la pression à la valeur de consigne. De préférence, ce capteur est localisé avant la ligne de retour (by-pass), le cas échéant. 25 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 préférence de type PI(D) (Proportionnel Intégral Dérivé, ce dernier étant 30 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. Il convient de noter que toutes les variantes décrites ci-dessus peuvent être utilisées isolément ou en combinaison. 35 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 2961854 -7 présente invention; la figure 2 donne le résultat de mesures illustrant les 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: 5 1: réservoir à urée 2: jauge (capteur de niveau) 3: élément chauffant 4: filtre 5: capteur de température 10 6: capteur de courant pour l'élément chauffant 7: pompe 8: capteur de vitesse 9: filament chauffant pour les lignes et cartouche chauffante de la pompe 10: capteur de pression 15 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) 20 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. 25 La figure 2 illustre la chute de pression associée à des ouvertures progressives (rapport cyclique croissant) de l'injecteur pour une vitesse constante correspondant à celle mesurée durant 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 30 lisses) et les chutes de pression (Module pressure (bars), 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 35 - on a fermé l'injecteur et on a mesuré la vitesse 2961854 -8 - on a ensuite maintenu cette vitesse et successivement ouvert l'injecteur à 5, 10, 15, 20, 30, 50, 70 et 100% de DC et à une fréquence de 3.3 Hz, et ce sur les durées indiquées à la figure 2 (5 s) et en fermant l'injecteur pour une durée donnée (aussi visible sur la figure: 5 s également) entre chaque test à 5 ouverture différente de l'injecteur. Les différences mises en exergue ci-dessus entre un injecteur bouché et un injecteur ouvert sont visibles sur la figure 2. On peut en effet y voir que selon l'état d'obstruction de l'injecteur, les valeurs des pressions stabilisées (pressions moyennes) sont différentes pour un DC donné. 10 Il est vrai que pour un DC inférieur à 50%, on ne peut distinguer entre un trou ou zéro trou bouché mais la méthode selon l'invention permet néanmoins clairement de mettre en évidence lorsque 2 trous sur 3 sont bouchés et donc, de satisfaire à la norme précitée. 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 volumétrique rotative (7) entraînée par un moteur (15) et pilotée en pression par un contrôleur qui mesure en continu la vitesse de rotation du moteur et la pression à la sortie de la pompe, selon Iaquelle en cours de fonctionnement du système SCR à une pression donnée: - on mesure la vitesse de rotation moyenne associée - on bloque la vitesse à cette valeur 10 - on compare la courbe d'évolution de la pression à des courbes de référence stockées dans une mémoire et on en déduit l'état de l'injecteur (1). 2. Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle la pompe (7) est également commandée par un signal de type PWM caractérisé par un rapport cyclique («duty cycle» ou DC), et selon laquelle on compare le niveau moyen de 15 la pression à un DC du signal de commande de la pompe donné, avec une valeur de référence stockée dans la mémoire. 3. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon laquelle on débloque la vitesse et on redémarre la régulation dès que la pression chute en deçà d'une valeur seuil. 20 4. Méthode selon la revendication 1 ou 2, selon laquelle la pression à laquelle la vitesse est bloquée est supérieure à la valeur de fonctionnement nominale de la pompe (7). 5. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la vanne de l'injecteur (12) est une vanne électromagnétique. 25 b. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pompe (7) est une pompe à engrenages. 7. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la mémoire est présente dans un ECM spécifique au système SCR. u 2961854 -i0 8. 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. 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le contrôleur est relié à un capteur de pression (10) et dans laquelle le contrôleur compare en boucle la valeur de consigne de la pression avec la valeur mesurée par le capteur (10) et agit en conséquence sur la vitesse de rotation du moteur (15) pour tenter de stabiliser la pression à la valeur de consigne. 10. Méthode selon la revendication précédente, dans laquelle le capteur de pression (10) eetintégré à la pompe (7).