Brevet FR2986262A1 — publié le 20130802

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la réduction des émissions polluantes des véhicules automobiles et plus précisément la réduction des émissions d'oxydes d'azote des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un procédé de pilotage de moyens d'injection d'un agent réducteur dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, lesdits moyens d'injection comprenant un réservoir adapté à stocker ledit agent réducteur, dans lequel on mesure le pH du contenu du réservoir et on pilote l'injection du contenu du réservoir dans la ligne d'échappement en fonction du pH mesuré. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant : - au moins un cylindre, - une ligne d'échappement de gaz brûlés hors du cylindre qui est équipée d'un catalyseur de réduction sélective, des moyens d'injection d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur de réduction sélective, qui comprennent un réservoir adapté à stocker ledit agent réducteur, - une sonde de pH plongée dans ledit réservoir, et - une unité électronique de pilotage desdits moyens d'injection. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE On recherche actuellement, dans un cadre législatif toujours plus contraignant et dans un souci de préservation de l'environnement, des solutions 25 techniques permettant d'améliorer le fonctionnement des moteurs à combustion interne, notamment pour réduire le taux de polluants rejetés dans l'atmosphère. Pour réduire ses émissions polluantes, un moteur à combustion interne comporte généralement dans sa ligne d'échappement un catalyseur d'oxydation permettant de traiter le monoxyde d'azote, les hydrocarbures imbrûlés et le 30 monoxyde de carbone contenus dans les gaz brûlés, suivi d'un filtre à particules permettant de filtrer les particules solides (ou « suies ») en suspension dans les gaz brûlés. Il est également connu de disposer dans la ligne d'échappement un catalyseur de réduction sélective (plus connu sous l'acronyme anglo-saxon SCR pour « Selective Catalytic Reduction »), en amont duquel est prévu un injecteur d'urée, afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote. Cette solution, consistant à injecter de l'urée dans les gaz brûlés pour que les oxydes d'azote contenus dans ces gaz brûlés soient réduits dans le catalyseur SCR, s'avère efficace mais onéreuse. Elle nécessite en effet d'adjoindre à la ligne d'échappement d'un réservoir d'agent réducteur, une pompe et un injecteur, ainsi que de contrôler et mettre régulièrement à niveau le réservoir par un opérateur. L'injection d'urée doit par ailleurs être pilotée avec précision, pour que la réduction des oxydes d'azote soit efficace. On connaît pour cela du document US2005/0011183 un procédé de pilotage de l'injection d'urée dans la ligne d'échappement, en fonction du pH de cette solution. Ce procédé permet ainsi de tenir compte des variations de température et de pression dans le réservoir pour piloter au mieux le débit d'urée injectée dans la ligne d'échappement. Ce procédé ne permet toutefois pas de tenir compte de l'éventualité selon laquelle le réservoir serait mis à niveau avec un liquide inadapté, tel que de l'eau. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose un procédé de pilotage de l'injection d'agent réducteur dans la ligne d'échappement tel que défini dans l'introduction, dans lequel, si le pH mesuré est en dehors d'une gamme de pH prédéterminée, on bloque l'injection du contenu du réservoir dans la ligne d'échappement. Grâce à l'invention, on utilise alors la sonde pH prévue dans le réservoir d'agent réducteur pour détecter la présence éventuelle d'un liquide inadapté. La demanderesse a en effet observé que les variations de température et de pression dans le réservoir faisaient varier le pH de l'agent réducteur dans une gamme de valeurs réduite et connue. Alors, lorsque le pH de l'agent réducteur est situé en dehors de cette gamme de valeurs, on peut en déduire que le liquide contenu dans le réservoir n'est pas l'agent réducteur prévu et qu'il convient donc de bloquer l'injection de ce liquide dans la ligne d'échappement. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé de pilotage conforme à l'invention sont les suivantes : - l'injection du contenu du réservoir dans la ligne d'échappement est bloquée si le pH mesuré est strictement supérieur à 10 ; - l'injection du contenu du réservoir dans la ligne d'échappement est bloquée si le pH mesuré est strictement inférieur à 9 ; - si le pH mesuré est en dehors d'une gamme de pH prédéterminée, une alerte est émise à destination de l'utilisateur dudit moteur à combustion interne ; et - ladite alerte consiste à allumer un voyant visible par ledit utilisateur. L'invention propose également un groupe motopropulseur à combustion interne tel que défini en introduction, dans lequel l'unité électronique de pilotage est adaptée à piloter les moyens d'injection suivant un procédé tel que précité. Avantageusement alors, il est prévu un moyen d'alerte adapté à émettre une alerte à destination de l'utilisateur dudit moteur à combustion interne, par exemple formé par un voyant piloté à l'état allumé ou éteint par ladite unité électronique de pilotage. Préférentiellement, ledit agent réducteur est une solution d'urée et d'eau. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur le dessin annexé, la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention. Dans la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés dans l'atmosphère. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un groupe motopropulseur de véhicule automobile, qui sera ici désigné par l'expression «moteur à combustion interne 1 » et qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu d'un vilebrequin et de quatre pistons (non représentés) logés dans quatre cylindres 11. Ce moteur est ici à allumage par compression (Diesel). Il pourrait également être à allumage commandé (Essence). En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 qui prélève l'air frais dans l'atmosphère et qui débouche dans un répartiteur d'air 25 agencé pour répartir l'air frais vers chacun des quatre cylindres 11 du bloc-moteur 10. Cette ligne d'admission 20 comporte, dans le sens d'écoulement de l'air frais, un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère, un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21, un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé, et une vanne d'admission 24 qui permet de réguler le débit d'air frais débouchant dans le répartiteur d'air 25. En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 qui s'étend depuis un collecteur d'échappement 31 dans lequel débouchent les gaz qui ont été préalablement brûlés dans les cylindres 11, jusqu'à un silencieux d'échappement 38 permettant de détendre les gaz brûlés avant qu'ils ne soient évacués dans l'atmosphère. Elle comporte par ailleurs, dans le sens d'écoulement des gaz brûlés, une turbine 32, et deux pots catalytiques 33, 37 de traitement des gaz brûlés. La turbine 32 est entraînée en rotation par le flux de gaz brûlés sortant du collecteur d'échappement 31, ce qui lui permet d'entraîner le compresseur 22 en rotation, grâce à des moyens de couplage mécanique tels qu'un arbre de transmission. Le premier des pots catalytiques 33 comporte une partie de catalyse par oxydation 34 et une partie de filtrage des particules 35. La partie de catalyse par 20 oxydation 34 est prévue pour oxyder les hydrocarbures imbrûlés contenus dans les gaz brûlés, ainsi que le monoxyde de carbone et le monoxyde d'azote. On y observe les réactions suivantes : 2NO + 02 -> 2NO2 2C0 + 02 -> 2CO2 25 4HC + 302 -> 2CO2 + 2H20 La partie de filtrage des particules 35 est quant à elle prévue pour capter les particules solides en suspension dans les gaz brûlés. Le second des pots catalytiques est un catalyseur SCR 37 (pour « Selective Catalytic Reduction »). Il est associé à des moyens d'injection 70 d'un 30 agent réducteur dans la ligne d'échappement 30 et à des moyens d'homogénéisation 36 de cet agent réducteur avec les gaz brûlés avant qu'ils n'entrent dans le catalyseur SCR 37. Les moyens d'injection 70 comportent ici un réservoir 71 de solution aqueuse, une pompe d'injection 72 agencée pour prélever la solution aqueuse dans le réservoir 71 afin de la mettre sous pression, et un injecteur 73 qui débouche dans le conduit de liaison des deux pots catalytiques 33, 37 et qui est piloté pour injecter la solution aqueuse dans les gaz brûlés, avec un débit variable. Les moyens d'homogénéisation 36 comportent quant à eux ici une simple hélice logée dans ce conduit de liaison, en aval de l'injecteur 73, et qui permet de rendre l'écoulement de gaz brûlés turbulent pour favoriser l'homogénéisation de la solution aqueuse avec ces gaz brûlés. La solution aqueuse est ici un précurseur d'ammoniac, et plus précisément une solution d'urée et d'eau, à 32,5% en masse d'ammoniac, 10 nommée AdBlue. Bien entendu, elle pourrait être formée par tout autre agent réducteur adapté à réduire les oxydes d'azote. Le catalyseur SCR 37, qui est traversé par le mélange homogène de gaz brûlés et de solution aqueuse, est quant à lui prévu pour accélérer la réduction des oxydes d'azote. On y observe les réactions suivantes : 15 8NH3 + 6NO2 -> 14N2 + 12H20 4NH3 + 4NO + 02 -> 4N2 + 6H20 2NH3 + NO + NO2 -> 2N2 + 3H20 Ici, le moteur à combustion interne 1 comporte également une ligne de recirculation des gaz brûlés à haute pression depuis la ligne d'échappement 30 20 vers la ligne d'admission 20. Cette ligne de recirculation est communément appelée ligne EGR-HP 40, conformément à l'acronyme anglo-saxon de « Exhaust Gaz Recirculation High Pressure ». Elle prend naissance dans la ligne d'échappement 30, entre le collecteur 25 d'échappement 31 et la turbine 32, et elle débouche dans la ligne d'admission 20, entre la vanne d'admission 24 et le répartiteur d'air 25. Cette ligne EGR-HP 40 permet de prélever une partie des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement 30, appelés gaz EGR-HP, pour la réinjecter dans les cylindres 11 afin de réduire les émissions polluantes du moteur, et en 30 particulier les émissions d'oxydes d'azote. Cette ligne EGR-HP 40 comporte un refroidisseur secondaire 42 pour refroidir les gaz EGR-HP, suivi d'une vanne EGR-HP 41 pour réguler le débit de gaz EGR-HP débouchant dans le répartiteur d'air 24. Le moteur à combustion interne 1 comporte par ailleurs une ligne d'injection 60 de carburant dans les cylindres 11. Cette ligne d'injection 60 comporte un réservoir de carburant 61 et une pompe d'injection 62 agencée pour prélever le carburant dans le réservoir 61 afin de l'amener sous pression dans un rail de distribution 63. Cette ligne d'injection 60 comporte en outre quatre injecteurs 64 dont les entrées communiquent avec le rail de distribution 63 et dont les sorties débouchent respectivement dans les quatre cylindres 11. Pour piloter les différents organes du moteur à combustion interne 1 et notamment l'injecteur 73 de solution aqueuse, il est prévu un calculateur 100 comportant un processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des convertisseurs analogiques-numériques (ND), et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 100 est adapté à recevoir de différents capteurs des signaux d'entrée relatifs au fonctionnement du moteur. Dans sa mémoire vive, le calculateur 100 mémorise ainsi en continu : - le débit des gaz brûlés circulant dans les pots catalytiques 33, 37, - la température des gaz brûlés circulant entre les pots catalytiques 33, 37, et - le pH de la solution aqueuse stockée dans le réservoir 71. Le débit de gaz brûlés est calculé en fonction notamment du débit mesuré d'air frais circulant dans la ligne d'admission 20. La température des gaz brûlés est quant à elle mesurée à l'aide d'un capteur de température 102 situé entre les deux pots catalytiques 33, 37. Le pH de la solution aqueuse est pour sa part mesuré à l'aide d'un pHmètre classique, comportant une électrode de référence et une électrode de 25 mesure toutes deux plongées dans la solution aqueuse stockée dans le réservoir 71. Grâce à une cartographie prédéterminée sur banc d'essais et mémorisée dans sa mémoire morte, le calculateur 100 est adapté à générer, pour chaque condition de fonctionnement du moteur, des signaux de sortie. 30 Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 100 est adapté à transmettre ces signaux de sortie aux différents organes du moteur, notamment à l'injecteur 73 et à un voyant 80 situé sur le tableau de bord du véhicule automobile. Classiquement, lorsque le conducteur du véhicule automobile met le contact, le calculateur 100 s'initie puis commande le démarreur et les injecteurs de carburant 64 pour que ceux-ci démarrent le moteur. Lorsque le moteur est démarré, l'air frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 est filtré par le filtre à air 21, comprimé par le compresseur 22, refroidi par le refroidisseur d'air principal 23, puis brûlé dans les cylindres 11. A leur sortie des cylindres 11, les gaz brûlés sont détendus dans la turbine 32, traités et filtrés dans les pots catalytique 33, 37, puis détendus à nouveau dans le silencieux d'échappement 38 avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Lorsque le moteur est démarré, le calculateur 100 pilote par ailleurs l'injection de solution aqueuse dans la ligne d'échappement 30 en fonction : - du débit des gaz brûlés circulant dans les pots catalytiques 33, 37, - de la température des gaz brûlés circulant entre les pots catalytiques 33, 37, et - du pH de la solution aqueuse stockée dans le réservoir 71. Plus précisément, si le pH de la solution aqueuse est compris entre 9 et 10 (ou égal à l'une de ces valeurs), le calculateur 100 pilote l'injecteur 73 en fonction, d'une part, du débit de gaz brûlés circulant dans les pots catalytiques 33, 37, et, d'autre part, de la température des gaz brûlés circulant entre les pots catalytiques 33, 37, suivant un procédé homologue à celui décrit dans le document W02011/061423. Ainsi la solution aqueuse permet-elle de traiter au mieux les oxydes d'azote compris dans les gaz brûlés lorsqu'ils traversent le catalyseur SCR 37. Au contraire, si le pH de la solution aqueuse est compris entre 0 et 9 ou entre 10 et 14, le calculateur 100 pilote l'injecteur 73 de telle sorte qu'il bloque l'injection de solution aqueuse dans la ligne d'échappement 30. En effet, si le pH est compris dans l'une ou l'autre de ces gammes de pH, il est probable que la solution contenue dans le réservoir 71 ne soit pas la solution AdBlue requise. L'arrêt de l'injection permet alors d'éviter d'injecter dans la ligne d'échappement 30 un liquide non prévu (qui ne permet pas de traiter les oxydes d'azote ou qui est trop concentré en urée et qui risque ainsi de provoquer des fuites d'ammoniac). Simultanément, la calculateur 100 émet un signal de commande de l'allumage du voyant 80, afin d'avertir le conducteur du véhicule automobile d'un problème nécessitant l'intervention d'un technicien, sans pour autant nécessiter l'arrêt immédiat du véhicule. On pourrait bien entendu prévoir d'avertir le conducteur autrement, notamment à l'aide d'un message affiché sur un écran ad hoc ou à l'aide d'un message vocal émis par les haut-parleurs du véhicule. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. On pourrait ainsi prévoir de ne mesurer le pH de la solution aqueuse 10 qu'au démarrage du moteur, puisque la mise à niveau du réservoir de solution aqueuse (avec un agent réducteur convenable ou avec un liquide inapproprié) ne peut être réalisée que lorsque le moteur est à l'arrêt. REVENDICATIONS1. Procédé de pilotage de moyens d'injection (70) d'un agent réducteur dans une ligne d'échappement (30) d'un moteur à combustion interne (1), lesdits moyens d'injection (70) comprenant un réservoir (71) adapté à stocker ledit agent réducteur, dans lequel on mesure le pH du contenu du réservoir (71) et on pilote l'injection du contenu du réservoir (71) dans la ligne d'échappement (30) en fonction du pH mesuré, caractérisé en ce que, si le pH mesuré est en dehors d'une gamme de pH prédéterminée, on bloque l'injection du contenu du réservoir (71) dans la ligne d'échappement (30). 2. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel l'injection du contenu du réservoir (71) dans la ligne d'échappement (30) est bloquée si le pH mesuré est strictement supérieur à 10. 3. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'injection du contenu du réservoir (71) dans la ligne d'échappement (30) est bloquée si le pH mesuré est strictement inférieur à 9. 4. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, si le pH mesuré est en dehors d'une gamme de pH prédéterminée, une alerte est émise à destination de l'utilisateur dudit moteur à combustion interne (1). 5. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel ladite alerte consiste à allumer un voyant (80) visible par ledit utilisateur. 6. Groupe motopropulseur à combustion interne (1) comportant : - au moins un cylindre (11), - une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés hors du cylindre (11) qui est équipée d'un catalyseur de réduction sélective (37), - des moyens d'injection (70) d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement (30), en amont du catalyseur de réduction sélective (37), qui comprennent un réservoir (71) adapté à stocker ledit agent réducteur, - une sonde de pH (75) plongée dans ledit réservoir (71), caractérisé en ce qu'il comporte une unité électronique de pilotage (100) pour piloter lesdits moyens d'injection (70) suivant un procédé tel que défini dans l'une des revendications précédentes. 7. Groupe motopropulseur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel il est prévu un moyen d'alerte (80) adapté àémettre une alerte à destination de l'utilisateur dudit moteur à combustion interne. 8. Groupe motopropulseur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d'alerte est un voyant (80) piloté à l'état allumé ou éteint par ladite unité électronique de pilotage (100). 9. Groupe motopropulseur à combustion interne (1) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel ledit agent réducteur est une solution d'urée et d'eau.