Brevet FR2990466A1 — publié le 20131115

PROCEDE DE DOSAGE DE L'INJECTION D'AMMONIAC, POUR UN SYSTEME DE TRAITEMENT DES OXYDES D'AZOTE PRODUITS PAR UN MOTEUR THERMIQUE [0001] L'invention concerne un procédé de dosage de l'injection d'un flux d'ammoniac (NH3), pour un système de traitement des oxydes d'azote d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ainsi qu'un calculateur de contrôle et un véhicule mettant en oeuvre un tel procédé. [0002] Les moteurs à combustion interne émettent dans la ligne d'échappement des gaz polluants comportant des oxydes d'azote (N0x). Pour répondre aux nouvelles normes d'émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, il est connu de réduire ces oxydes d'azote par une réaction chimique en utilisant une source d'ammoniac, comme de l'urée sous forme aqueuse, pour obtenir de l'azote et de l'eau. A cet effet l'ammoniac est injecté dans la ligne d'échappement en amont d'un catalyseur de réduction catalytique sélective « SCR », qui réalise la réaction de réduction éliminant les oxydes d'azote. [0003] Un problème qui se pose est de doser avec suffisamment de précision la quantité d'ammoniac injectée en amont du catalyseur. En effet, un débit trop faible d'ammoniac laissera une part d'oxyde azote non réduit, et un débit trop fort d'ammoniac donnera un rejet d'une part de cet ammoniac qui n'a pas servi à la réaction de réduction. Le dosage doit être précis et robuste, en particulier dans le cas de perturbations externes et de dispersions paramétriques du système. [0004] Différents procédés de dosage de la quantité l'ammoniac connus, présentés notamment par les documents US-A1-2011/0040541 ou US-Ai- 2005/0260761, proposent des perfectionnements permettant d'améliorer le dosage de cet ammoniac. [0005] II est connu notamment d'utiliser un régulateur du type proportionnelintégrale-dérivé « PID », qui détermine l'écart entre la quantité d'ammoniac désirée et la quantité d'ammoniac injectée, puis calcule par une action dérivée la vitesse de variation de cette erreur et par une action intégrale la somme temporelle de l'erreur, pour élaborer un signal de contrôle permettant d'ajuster la quantité d'ammoniac à injecter. [0006] Toutefois, les dosages par les procédés de régulation connus restent généralement très sensibles à des perturbations externes agissant sur le système de traitement des oxydes d'azote, notamment les variations de température extérieure, de vitesse du véhicule, ou de débit des gaz. Il faut alors effectuer des réglages des cartographies des paramètres de fonctionnement du système pour essayer de corriger ces perturbations, qui demandent des développements importants nécessitant beaucoup de temps et représentant des coûts élevés. [0007] La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. [0008] Elle propose à cet effet un procédé de dosage de l'injection d'ammoniac, pour un système de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique réalisée dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce système disposant d'une consigne de débit d'ammoniac econs, et d'une mesure du débit réel d'ammoniac emes, caractérisé en ce qu'il comporte un algorithme de contrôle élaboré à partir d'un modèle physique, qui délivre un premier terme u1 représentant l'écart entre la consigne de débit et la mesure de débit, et un deuxième terme u2 ajouté à ce premier terme, qui majore sensiblement la valeur maximale des perturbations vues sur le système, pour obtenir la loi de commande u. [0009] Un avantage du procédé de dosage de l'injection d'ammoniac selon l'invention est que le modèle physique est simple à élaborer et peut donner un algorithme de contrôle robuste vis-à-vis des perturbations extérieures, qui nécessite peu de travail de calibration. [0010] Le procédé de dosage de l'injection selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. [0011] Avantageusement, le procédé de dosage de l'injection comporte les étapes suivantes pour calculer le premier terme u1: - le débit d'ammoniac de consigne econs est dans une première opération dérivé par rapport au temps, pour obtenir une première valeur de dérivé decons/dt ; - le débit d'ammoniac de consigne econs est soustrait au débit d'ammoniac mesuré emes, pour donner un écart de débit ; - l'écart de débit est, dans une deuxième opération, multiplié par la valeur négative d'un facteur de dynamique de convergence ka, ce facteur étant positif, pour donner une deuxième valeur -kae ; une troisième opération calcule une troisième valeur qui est un rapport Rox/Q du taux de réaction Rox sujet à des variations, divisé par un paramètre Q de capacité du catalyseur de réduction ; la somme de ces trois valeurs est calculée, decons/dt + (-kae) + Rox/Q, puis on soustrait au résultat de cette somme une quatrième valeur a(ACNox) représentant l'écart de concentration en oxydes d'azote NOx entre l'amont et l'aval du catalyseur de réduction, mesuré avec un capteur d'oxydes d'azote, qui est sujet à des variations venant des perturbations extérieures, pour obtenir une cinquième valeur ; la cinquième valeur est multipliée par un rapport LVQ/h, qui est le produit d'une constante géométrique LV caractérisant le catalyseur de réduction, par le paramètre Q de capacité de ce catalyseur, divisé par le débit estimé de gaz h à l'entrée du catalyseur de réduction, pour obtenir le premier terme u1 de la loi de commande u. [0012] Avantageusement, le procédé de dosage de l'injection comporte les étapes suivantes pour calculer le deuxième terme u2 : - la dynamique de convergence a étant définie par : er = e une fonction calcule cette dynamique de convergence a, puis le signe de cette dynamique a est établi, pour être appliqué à une constante de majoration -K, avec K positif, qui est déterminée par des essais de calibration de manière à théoriquement majorer la valeur maximale des perturbations vues par le système, pour donner le deuxième terme u2 de la loi de commande - puis le deuxième terme u2 est additionné au premier terme u1 pour obtenir la loi de commande u qui est de la forme u = u1 + u2 : u = LV 0/hR-kae + Rox/Q + decons/dt) - a(ACNox) ]- Ksgn(a) [0013] L'invention a aussi pour objet un calculateur de contrôle d'un système d'alimentation en ammoniac, pour un catalyseur de traitement des oxydes d'azote produits par un moteur à combustion interne, qui met en oeuvre un procédé de dosage de l'injection d'ammoniac comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. [0014] L'invention a de plus pour objet un véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne équipé d'un catalyseur de traitement des oxydes d'azote, qui met en oeuvre un procédé de dosage de l'injection d'ammoniac comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. [0015] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un système de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique ; et - la figure 2 est un schéma d'un modèle physique d'un procédé de dosage de l'injection d'ammoniac selon l'invention, pour ce système de traitement. [0016] La figure 1 présente un moteur thermique 2 comprenant une ligne d'échappement 4 recevant les gaz brûlés, comportant successivement, dans le sens du flux de ces gaz, un premier catalyseur 6, un filtre à particules 8 et un catalyseur de réduction sélective 10. [0017] Un calculateur de contrôle 12 du système de réduction catalytique par l'ammoniac reçoit des informations du moteur thermique 2 et élabore une consigne de débit d'ammoniac qui permet de piloter un injecteur envoyant cet ammoniac suivant le dosage demandé, dans le catalyseur de réduction sélective 10. Le calculateur de contrôle 12 reçoit aussi une information sur le débit réel d'ammoniac, qui provient de mesures effectuées sur le système en cours de fonctionnement. [0018] Les principales réactions de réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur de réduction sélective 10, sont les suivants : 4NH3+4N0+02 4N2+6 H20 4NH3+2N0+2NO2 4N2+6 H20 8NH3+6NO2 7N2+12H20 4NH3+302 2N2+6 H20 [0019] La dynamique temporelle de la quantité d'ammoniac à réguler s'écrit sous la forme suivante, avec 0 représentant la quantité d'ammoniac à réguler, que nous notons Ornes par la suite : 0 de/dt = h/LV [ACNH3 + a(ACNox) ] - Rox O étant un paramètre de capacité du catalyseur de réduction ; h étant le débit estimé de gaz à l'entrée du catalyseur de réduction ; LV étant une constante géométrique caractérisant le catalyseur de réduction ; a(JCNox) étant l'écart de concentration en oxydes d'azote NOx entre l'amont et l'aval du catalyseur de réduction ; et Rox étant un taux de réaction qui est sujet à des variations. [0020] Le catalyseur de réduction sélective 10 est soumis à différentes perturbations extérieures 16, venant par exemple de variations de la température extérieure, de la vitesse des gaz, ou d'autres paramètres, qui donnent à partir d'une même injection d'ammoniac un taux de réduction des oxydes qui n'est pas constant. Il faut alors adapter rapidement le débit d'ammoniac en fonction du résultat de la réduction des oxydes d'azote. [0021] La figure 2 présente un modèle physique de calcul pour obtenir une loi de commande u qui tend vers 0, de manière à faire converger la valeur du débit d'ammoniac mesuré Ornes vers celle du débit d'ammoniac de consigne econs. [0022] La loi de commande u est de la forme u = u1 + u2: u = LV 01h [ (-kae + Rox/Q + decons/dt) - a(ACNox) ] - Ksgn(a) [0023] Le débit d'ammoniac de consigne econs est dans une première opération 22 dérivé par rapport au temps, pour obtenir une première valeur de dérivé decons/dt. Parallèlement, le débit d'ammoniac de consigne econs est soustrait, lors d'une opération de soustraction 24, au débit d'ammoniac mesuré emes, pour donner un écart de débit e = emes - econs, que l'on va faire tendre vers zéro avec une certaine dynamique de convergence. [0024] L'écart de débit e est, dans une deuxième opération 26, multiplié par la valeur négative d'un facteur de dynamique de convergence -ka, ce facteur ka étant positif, pour donner une deuxième valeur -kce. [0025] Par ailleurs, une troisième opération 28 calcule une troisième valeur qui est le rapport Rox/Q. [0026] On réalise ensuite la somme 30 de ces trois valeurs calculées, soit la première valeur de dérivé decons/dt, la deuxième valeur -kce, et la troisième valeur Rox/Q. On soustrait, lors d'une opération de soustraction 36, au résultat 32 de cette somme une quatrième valeur 34, a(ACNox), représentant l'écart de concentration en oxydes d'azote NOx entre l'amont et l'aval du catalyseur de réduction 10, qui est sujet à des variations venant des perturbations extérieures, pour obtenir une cinquième valeur 38. L'écart de concentration en oxydes d'azote NOx est mesuré avec un capteur d'oxydes d'azote dans la ligne d'échappement. [0027] La cinquième valeur 38 est multipliée, en 40, par un rapport LVQ/h, pour obtenir un premier terme u1 de la loi de commande u. [0028] Par ailleurs, le deuxième terme u2 de la loi de commande est calculé à partir de la dynamique de convergence a, défini par : o- = e [0029] Une fonction 42 calcule la dynamique de convergence a, puis le signe de cette valeur a est établi, en 44, pour être appliqué à une constante -K, K étant positif. La constante K est déterminée par des essais de calibration, de manière à théoriquement majorer la valeur maximale des perturbations vues par le système. [0030] On obtient le deuxième terme u2 de la loi de commande, qui est additionné 48 au premier terme u1 pour obtenir la loi de commande u = u1 + u2. [0031] On obtient ainsi un procédé de dosage d'injection de l'ammoniac réalisé à partir d'un modèle physique simple, qui permet de remplacer les procédés utilisant habituellement des capteurs additionnels et des cartographies, qui nécessitent des temps de développement important, notamment pour réaliser leurs calibrations. De plus, ce procédé est fiable et robuste, en permettant un ajustement rapide de la quantité d'ammoniac injecté, en réaction à des perturbations extérieures au système. [0032] Avantageusement, le procédé de dosage d'injection de l'ammoniac est mis en oeuvre par le calculateur de contrôle du système de réduction catalytique, recevant déjà différentes informations sur le fonctionnement de ce système, ce qui représente une solution simple et économique. REVENDICATIONS: 1 - Procédé de dosage de l'injection d'ammoniac, pour un système de traitement des oxydes d'azote par réduction catalytique réalisée dans la ligne d'échappement (4) d'un moteur à combustion interne (2), ce système disposant d'une consigne de débit d'ammoniac @cons et d'une mesure du débit réel d'ammoniac Ornes, caractérisé en ce qu'il comporte un algorithme de contrôle élaboré à partir d'un modèle physique, qui délivre un premier terme u1 représentant l'écart entre la consigne de débit et la mesure de débit, et un deuxième terme u2 ajouté à ce premier terme, qui majore sensiblement la valeur maximale des perturbations vues sur le système, pour obtenir la loi de commande u. 2 - Procédé de dosage de l'injection d'ammoniac selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes pour calculer le premier terme u1 : - le débit d'ammoniac de consigne Acons est, dans une première opération (22), dérivé par rapport au temps pour obtenir une première valeur de dérivé dOcons/dt - le débit d'ammoniac de consigne ()cons est soustrait (24) au débit d'ammoniac mesuré Ornes, pour donner un écart de débit (e) ; - l'écart de débit (e), est dans une deuxième opération (26), multiplié par la valeur négative d'un facteur de dynamique de convergence ka, ce facteur étant positif, pour donner une deuxième valeur -kae ; - une troisième opération (28) calcule une troisième valeur, qui est un rapport Rox/0 du taux de réaction Rox sujet à des variations divisé par un paramètre de capacité du catalyseur de réduction (10) ; la somme (30) de ces trois valeurs est calculée, decons/dt + (-kae) + Rox/CI, puis on soustrait (36) au résultat (32) de cette somme une quatrième valeur, a(ACNox), représentant l'écart de concentration en oxydes d'azote NOx entre l'amont et l'aval du catalyseur de réduction (10), mesuré avec un capteur d'oxydes d'azote, qui est sujet à des variations venant des perturbations extérieures, pour obtenir une cinquième valeur (38) ;la cinquième valeur (38) est multipliée (40) par un rapport LVO/h, qui est le produit d'une constante géométrique LV caractérisant le catalyseur de réduction (10), par le paramètre û de capacité de ce catalyseur, divisé par le débit estimé de gaz h à l'entrée du catalyseur de réduction, pour obtenir le premier terme u1 de la loi de commande u. 3 - Procédé de dosage de l'injection d'ammoniac selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes pour calculer le deuxième terme u2: - une dynamique de convergence a étant définie par : a- = e une fonction (42) calcule cette dynamique de convergence a, puis le signe de cette dynamique a est établi, en (44), pour être appliqué à une constante de majoration « -K », avec K positif, qui est déterminée par des essais de calibration de manière à théoriquement majorer la valeur maximale des perturbations vues par le système, pour donner le deuxième terme u2 de la loi de commande ; - puis le deuxième terme u2 est additionné (48) au premier terme u1 pour obtenir la loi de commande u qui est de la forme u = u1 + u2: u = LV 0./h [(-kae + Rox/0 + decons/dt) - a(ACNox) ]- Ksgn(a) 4 - Calculateur de contrôle d'un système d'alimentation en ammoniac, pour un catalyseur de traitement des oxydes d'azote (10) produits par un moteur à combustion interne (2), caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé de dosage de l'injection d'ammoniac réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5 - Véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne (2) équipé d'un catalyseur de traitement des oxydes d'azote (10), caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé de dosage de l'injection d'ammoniac réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.