Brevet FR2982318A1 — publié le 20130510

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un système de cata- lyseur SCR comportant un premier catalyseur SCR et un second catalyseur SCR en aval du premier catalyseur SCR dans la conduite des gaz d'échappement. L'invention se rapporte également à un procédé de gestion d'un tel système de catalyseur SCR et un produit-programme d'ordinateur exécutant toutes les étapes du procédé lorsqu'il est appliqué par un calculateur ou un appareil de commande. Enfin, l'invention se rapporte à un produit-programme d'ordinateur avec un code-programme enregistré sur un support lisible par une machine pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention lorsque le programme est appliqué par un calculateur ou un appareil de commande. Etat de la technique Pour répondre à la réglementation de plus en plus stricte concernant les gaz d'échappement (Euro6, Tier2Bin5, et d'autres prescriptions relatives aux émissions) il est nécessaire de diminuer l'émission des oxydes d'azote NOx contenus dans les gaz d'échappement émis par les moteurs à combustion interne (moteurs thermiques), notam- ment par les moteurs Diesel. Pour cela, il est connu d'installer un catalyseur SCR (catalyseur assurant une réduction catalytique sélective) dans la conduite des gaz d'échappement des moteurs thermiques pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par le moteur thermique en présence d'un agent réducteur pour former de l'azote. La teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement peut ainsi être diminuée considérablement. Pour la réduction il faut de l'ammoniac (NH3) que l'on mélange aux gaz d'échappement. On dose de l'ammoniac NH3 ou des réactifs dégageant de l'ammoniac NH3 dans la veine des gaz d'échappement. En général, on utilise à cet effet une solu- tion aqueuse d'urée (encore appelée solution HWL) qui est injectée en amont du catalyseur SCR dans la conduite des gaz d'échappement. Cette solution donne de l'ammoniac fonctionnant comme agent réducteur. Ainsi, une solution aqueuse d'urée à 32,5 % est disponible dans le commerce sous la marque AdBlue®. Pour arriver à des taux de conver- sion élevés dans un système de catalyseur SCR pour réduire les oxydes d'azote, il faut gérer le catalyseur SCR pour qu'il soit en permanence rempli à un certain niveau d'agent réducteur donnant de l'ammoniac. Le document DE 10 2004 031 624 A 1 décrit à titre d'exemple une telle conduite du procédé de gestion d'un système de catalyseur SCR en s'appuyant sur le niveau d'ammoniac. Le document FR 2 872 544 Al décrit la prédéfinition du niveau de remplissage de consigne dépendant de la température. Habituellement, le catalyseur SCR est réalisé sous la forme d'un composant unique. On connaît toutefois également des ap- plications dans lesquelles pour des raisons d'encombrement, le volume du catalyseur SCR est réparti dans deux boîtiers. Néanmoins, dans de telles applications, les deux catalyseurs sont très largement traités comme un unique catalyseur pour la conduite du procédé. De tels cata- lyseurs SCR sont certes en partie séparés pour les modèles de cataly- seur, par exemple dans plusieurs documents ces catalyseurs sont modélisés pour la régulation du niveau des catalyseurs, le calcul de la quantité à doser ou analogue et à ce moment on regroupe de nouveau les informations pour finalement conduire le procédé comme si le sys- tème ne comportait qu'un unique catalyseur. Exposé et avantages de l'invention La présente invention se rapporte à un système de cata- lyseur SCR comportant un premier catalyseur SCR et un second catalyseur SCR en aval du premier catalyseur SCR dans la conduite des gaz d'échappement, ce système étant caractérisé par au moins un premier dispositif de dosage pour doser une solution d'agent réducteur installé en amont du premier élément de catalyse SCR du premier catalyseur dans la conduite des gaz d'échappement et le système de catalyseur SCR ne comporte pas de dispositif pour doser une solution d'agent réducteur dans le second élément de catalyse SCR du second catalyseur SCR. L'expression "élément de catalyse SCR" selon l'invention, désigne le composant catalytiquement actif d'un catalyseur SCR. L'expression "catalyseur SCR" selon l'invention, désigne un dispositif com- posé d'un boîtier de catalyseur logeant au moins un élément de catalyse SCR ainsi que le cas échéant d'autres composants. Le premier élément de catalyse SCR selon l'invention est notamment un élément de catalyse appliqué sur un filtre à particules (élément de catalyse SCR appliqué sur un filtre = SCRF). Comme le dis- positif selon l'invention n'utilise aucune caractéristique de filtre à particules du catalyseur SCRF, il peut être réalisé avec deux catalyseurs SCR usuels installés l'un derrière l'autre. Le dispositif selon l'invention appliquant le procédé de l'invention permet une bonne alimentation en agent réducteur du se- cond catalyseur SCR en aval et de contrôler en même temps le glissement d'agent réducteur en aval du second catalyseur SCR. Cela se traduit par un taux de conversion plus élevé des oxydes d'azote avec en même temps un faible glissement d'agent réducteur inférieur à celui du fonctionnement usuel d'un système de catalyseur SCR à deux cataly- seurs SCR régulés comme un unique catalyseur SCR. Selon le procédé de l'invention, on dose à l'aide d'au moins un dispositif de dosage, une quantité suffisante de solution d'agent réducteur dans le premier élément de catalyse SCR pour arriver à un glissement d'agent réducteur dans ce premier élément de catalyse SCR, notamment un glissement d'ammoniac NH3 et produisant une réaction SCR dans le second élément de catalyse SCR qui fait réagir l'agent réducteur provenant du glissement d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR avec les oxydes d'azote. Le premier catalyseur SCR fonctionne ainsi comme une source d'agent réducteur. Pour cela, on règle le niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR de préférence avec un régulateur de glissement dans l'appareil de commande pour que le second catalyseur SCR soit alimenté en continu en agent réducteur provenant du glissement d'agent ré- ducteur du premier élément de catalyse SCR. Le niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR, est de préférence réglé suivant le besoin, juste au-dessus ou juste en dessous de la limite de glissement. On peut pour cela enregistrer un modèle indiquant la quantité d'agent réducteur prévisible selon les conditions de fonc- tionnement actuelles et possibles du premier élément de catalyse SCR. Cela permet de convertir au maximum les oxydes d'azote car d'une part, le premier élément de catalyse SCR fonctionne avec un niveau de remplissage très élevé d'agent réducteur et d'autre part, le second élément de catalyse SCR est alimenté en option avec l'agent réducteur. En outre, la conduite du procédé dans le second catalyseur SCR se fera selon les systèmes équipés d'un unique catalyseur SCR. Le point de dosage d'agent réducteur est uniquement le premier catalyseur SCR et non plus une vanne de dosage de solution aqueuse d'urée HWL. Cela simplifie la conversion d'un système de cata- lyseur SCR équipé d'un unique catalyseur SCR vers un système à deux catalyseurs SCR. En modélisant la teneur en agent réducteur en aval du premier catalyseur SCR, on peut équilibrer avec un capteur d'ammoniac, prévu en option, en aval du premier catalyseur SCR pour adapter le modèle, adapter la tolérance du capteur et le cas échéant surveiller le système. La modélisation des catalyseurs SCR peut se faire par exemple en se fondant sur des modèles basés sur des données ou des modèles de champs de caractéristiques ; mais on peut également utiliser d'autres modèles connus selon la littérature (par exemple selon le document E. Tronconi, A. Cavanna, P. Forzatti, "Unsteady analysis of NO Reduction over Selective Catalyst Reduction - De-NOxMonolith Ca- talyst", Ind. Eng. Chem. Res. 1998, 37, 2341-2349). Ces modèles s'implémentent dans les appareils de commande des véhicules automobiles actuels et assurent ainsi à la fois la conversion des oxydes d'azote NOx par un catalyseur SCR et aussi le glissement d'ammoniac NH3. Pour réguler le glissement d'agent réducteur dans le premier élément de catalyse SCR, l'invention propose différentes solutions. Le régulateur de glissement peut comporter l'enregistrement d'une première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne au-dessus d'une limite de glissement d'agent réducteur du pre- mier élément de catalyse SCR en fonction de la température du premier catalyseur SCR. Une seconde courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne sera enregistrée sous la limite de glissement d'agent réducteur. Si le second catalyseur SCR demande une quantité d'agent réducteur inférieure au seuil applicable, le niveau de remplis- sage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR se déterminera à partir de la première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne. En cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR supérieure au seuil applicable, le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élé- ment de catalyse SCR se déterminera à partir de la seconde courbe ca- ractéristique de niveau de remplissage de consigne. En option, on peut également enregistrer une troisième courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne sur la limite de glissement d'agent réducteur. Dans ce cas, si le second catalyseur SCR demande une quantité d'agent réducteur inférieure au premier seuil applicable, le niveau de remplis- sage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse se déterminera à partir de la première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne. Dans le cas d'une demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR supérieure au premier seuil applicable et inférieure au second seuil applicable, le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR se déterminera à partir de la troisième courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne. En cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR, supérieure au se- cond seuil applicable, le niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyseur SCR se déterminera à partir de la seconde courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne. A la place des courbes caractéristiques de niveau de remplissage de consigne, selon l'invention, on peut également commuter des champs de caractéristiques ou des structures de niveau de remplissage de con- signe, par exemple un champ de caractéristiques suivi d'une correction multiplicative de la température ambiante. Il est également possible dans le cas de régulateurs de commutation, d'associer aux seuils de commutation une hystérésis ou un temps antirebondissement, de tenir compte du gradient avec lequel la grandeur interrogée se déplace autour du seuil de commutation ou encore de lisser les transitions par des rampes ou des champs de signaux. Selon l'invention, en fonction de la température du pre- mier catalyseur SCR, on enregistre dans le régulateur de glissement, une première courbe caractéristique de niveau de remplissage de con- signe au-dessus de la limite de glissement d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR, une seconde courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne en dessous de la limite de glissement d'agent réducteur et en option une troisième courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne sur la limite de glissement d'agent réducteur et on assure une régulation continue du niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR en ce qu'à la demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR, on extrapole le niveau de remplissage entre les courbes caractéristiques de niveau de remplissage de consigne. Un tel régula- teur continu se simplifie encore plus en ce que le régulateur additionne de préférence un décalage au niveau de remplissage de consigne ou multiplie le niveau de remplissage de consigne par un coefficient. En outre, selon l'invention, le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR, est calculé comme fonction de la demande de la quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR, la vitesse spatiale des gaz d'échappement dans le premier catalyseur SCR, le coefficient de conversion du premier élément de catalyse SCR, c'est-à-dire le coefficient de conversion des différents composants d'oxydes d'azote, la température du premier cata- lyseur SCR et du niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR. En variante, il est possible d'utiliser comme variable en fonction du temps, la vitesse spatiale, le niveau de remplissage, la température et le coefficient de conversion en utilisant soit les valeurs actuelles, soit des valeurs de consigne ou des valeurs moyennes qui se règlent dans le système selon l'expérience. Suivant l'inertie thermique et l'amplitude du niveau de remplissage d'agent réducteur, l'une ou l'autre variante donnera de meilleurs résultats. Les deux variantes peuvent être combinées selon l'invention. Pour le niveau de remplissage d'agent réducteur, on peut prédéfinir des trajectoires de consigne selon l'invention qui permettent d'arriver à l'état final dans un temps prédéfini et selon une courbe prédéfinie. L'invention a également pour objet un produit- programme d'ordinateur exécutant toutes les étapes du procédé selon l'invention lorsque le programme est appliqué par un calculateur ou un appareil de commande. Cela permet d'implémenter différentes formes de réalisation du procédé de l'invention dans le dispositif de l'invention sans avoir à envisager des modifications constructives. Le produit-programme d'ordinateur selon l'invention avec un code-programme en- registré sur un support lisible par une machine, permet d'appliquer le procédé de l'invention lorsque le programme est exécuté par un calculateur ou un appareil de commande. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un système de cataly- seur SCR représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un mode de réalisation d'un système de catalyseur SCR selon l'invention, - la figure 2 montre les étapes d'un procédé de mise en oeuvre de l'in- vention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un mode de réalisation d'un système de catalyseur SCR selon l'invention destiné notamment à être monté dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion in- terne de type Diesel. La direction de la veine des gaz d'échappement est représentée par une flèche à la figure 1. La conduite des gaz d'échappement comporte successivement selon le sens de passage des gaz, trois catalyseurs 1, 2, 3. Le premier catalyseur est un catalyseur SCR 1 ayant à l'entrée un catalyseur d'oxydation Diesel (DOC) 11. En aval de ce catalyseur DOC 11, le boîtier du catalyseur SCR 1 comporte un mo- dule de dosage 12 pour injecter par dosage une solution aqueuse d'urée dans les gaz d'échappement. En aval de ce point de dosage, il y a un premier élément de catalyse SCR 13 formé d'un filtre à particules avec un revêtement SCR (SCRF). Le second catalyseur est un second cataly- seur SCR 2 comportant un second élément de catalyseur SCR 21. Le troisième catalyseur est un catalyseur de nettoyage 3 avec un élément de catalyse CuC 31. Un premier capteur d'oxydes d'azote 41 est installé en amont du premier catalyseur SCR 1. D'autres catalyseurs d'oxydes d'azote 44 et 46 sont installés entre les deux catalyseurs SCR ainsi qu'en aval du catalyseur de nettoyage 3. Un capteur d'ammoniac 43 est installé entre les deux catalyseurs SCR 1, 2. Trois capteurs de température 42, 45, 47 sont respectivement installés entre le catalyseur d'oxydation Diesel DOC 11 et le premier élément de catalyse SCR 13, entre le second catalyseur SCR 2 et le catalyseur de nettoyage 3 ainsi qu'en aval du catalyseur de nettoyage 3. Le capteur de température 42 du premier catalyseur SCR 1 fournit une grandeur d'entrée d'un modèle de température du premier élément de catalyse SCR 13. Un appareil de commande 5 est relié aux catalyseurs 1, 2, 3 et aux capteurs 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 (les branchements ne sont pas représentés). La position, la nature et le nombre de capteurs représentés sont donnés uniquement à titre d'exemple sans être déterminants pour l'invention. De même le catalyseur d'oxydation Diesel DOC 11 et le catalyseur de nettoyage 3 ne jouent pas de rôle essentiel pour l'invention. Ces catalyseurs sont intéressants dans cette forme de réalisation mais peuvent être installés dif- féremment et être supprimés. La figure 2 montre un schéma du procédé correspondant à un mode de réalisation de l'invention. Le premier catalyseur SCR 1 fonctionne selon une stratégie de dosage de l'état de la technique. Les différentes valeurs d'entrée A telles que par exemple les concentrations d'oxydes d'azote et d'ammoniac ainsi que les débits massiques dans les gaz d'échappement, dans la veine massique des gaz d'échappement et d'autres grandeurs, sont fournies par des modèles ou des capteurs. Ces valeurs A sont fournies pour la conduite du procédé B appliquée par le premier catalyseur SCR 1 servant de commande préalable, de modélisa- tion et pour la régulation du niveau d'agent réducteur. A partir de cette conduite de procédé B, on obtient un débit massique souhaité d'ammoniac qui se détermine de la même manière que pour les catalyseurs SCR de l'état de la technique. Ce débit est transmis dans l'étape C à un régulateur de glissement du premier catalyseur SCR 1. Dans l'étape D, on traite ce débit massique souhaité par le régulateur de glissement. Le régulateur de glissement a pour fonction d'adapter le niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR 13 pour qu'en moyenne il s'établisse le glissement souhaité d'ammoniac du premier élément de catalyse SCR. Le niveau de remplissage d'agent ré- ducteur du premier élément de catalyse 13 est entré dans la conduite du procédé du premier catalyseur SCR 1 dans l'étape E. Il en résulte le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur valable actuellement pour le premier élément de catalyse SCR 13 comme valeur F. Cette grandeur est alors réglée par un régulateur de niveau de remplis- sage de consigne et la quantité correspondante de la solution aqueuse d'urée est dosée par le dispositif de dosage 12 en aval du premier élément de catalyse SCR 13 du catalyseur SCR 1 dans la veine des gaz d'échappement. A la différence de conduites connues de procédé, le procédé selon l'invention, limite de préférence la quantité dosée, re- quise, pour dans le cas de niveaux de remplissage d'agent réducteur, prévisibles, élevés, du premier élément de catalyse SCR 13 tenir compte de sa limite d'hydrolyse. Cela permet d'intégrer des modèles d'hydrolyse connus dans cette limitation.15 NOMENCLATURE 1 catalyseur SCR 2 second catalyseur SCR 3 catalyseur de nettoyage 11 catalyseur d'oxydation Diesel DOC 12 module de dosage 13 élément de catalyse SCR 21 second élément de catalyse SCR 31 élément de catalyse CuC 32 capteur de température 41 capteur d'oxydes d'azote 43 capteur d'ammoniac 44 capteur d'oxydes d'azote 45 capteur de température 46 capteur d'oxydes d'azote 47 capteur de température20 REVENDICATIONS1°) Système de catalyseur SCR comportant un premier catalyseur SCR (1) et un second catalyseur SCR (2) en aval du premier catalyseur SCR (1) dans la conduite des gaz d'échappement, système caractérisé par au moins un premier dispositif de dosage (12) pour doser une solution d'agent réducteur installé en amont du premier élément de catalyse SCR (13) du premier catalyseur (1) dans la conduite des gaz d'échappement et le système de catalyseur SCR ne comporte pas de dispositif pour doser une solution d'agent réducteur dans le second élément de catalyse SCR (21) du second catalyseur SCR (2). 2°) Système de catalyseur SCR selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de catalyse SCR (13) est sur un filtre à particules. 3°) Procédé de gestion d'un système de catalyseur SCR selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' à l'aide d'au moins un dispositif de dosage (12), on dose une quantité de solution d'agent réducteur dans le premier élément de catalyse SCR (13), suffisante pour produire un glissement d'agent réducteur dans ce premier élément de catalyse SCR (13) et on a une réaction SCR dans le second élément de catalyse SCR (21) qui fait réagir l'agent réducteur du glissement d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13) avec au moins un oxyde d'azote. 4°) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on règle le niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13) avec un régulateur de glissement dans un second appareil de commande (5) de façon que le second catalyseur SCR (2) soit alimenté en continu en agent réducteur provenant du glissement d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13).355°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' on enregistre dans le régulateur de glissement en fonction de la température du premier catalyseur SCR (1), une première caractéristique de niveau de remplissage au-dessus de la limite de glissement d'agent ré- ducteur du premier élément de catalyse SCR (13) et on enregistre une seconde caractéristique de niveau de remplissage de consigne sous la limite de glissement d'agent réducteur, et - en cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR (2) en dessous d'un seuil applicable on détermine le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13), à partir de la première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne, et - en cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR (2) supérieure au seuil applicable, on détermine le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SR (13) à partir de la seconde courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne. 6°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le régulateur de glissement, en fonction de la température du premier catalyseur SCR (1), on enregistre une première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne au-dessus de la limite de glissement d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13), on enregistre une seconde courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne en dessous de la limite de glissement d'agent réducteur et on enregistre une troisième courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne sur la limite de glissement d'agent réducteur, et - en cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR (2) en dessous d'un premier seuil applicable on détermine le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13) à partir de la première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne,- en cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR (2) supérieure au premier seuil applicable et inférieure au second seuil applicable du niveau de remplissage de consigne, on détermine le niveau de remplissage de consigne de l'agent réducteur du premier élément de catalyse SR (13) à partir de la troi- sième courbe caractéristique de niveau de remplissage, et - en cas de demande d'une quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR (2) supérieure au second seuil applicable, on détermine le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13) à partir de la seconde courbe caractéristique de niveau de remplissage. 7°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le régulateur de glissement, en fonction de la température du premier catalyseur SCR (1), on enregistre une première courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne supérieure à la limite de glissement d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13), on enregistre une seconde courbe caractéristique de niveau de remplis- sage de consigne en dessous de la limite de glissement d'agent réduc- teur et en option, on enregistre une troisième courbe caractéristique de niveau de remplissage de consigne sur la limite de glissement d'agent réducteur et on effectue une régulation continue du niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13) en ce qu'à la demande d'une quantité d'agent réducteur par le se- cond catalyseur SCR (2), on extrapole le niveau de remplissage de consigne entre les courbes caractéristiques de niveau de remplissage de consigne. 8°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' on calcule le niveau de remplissage de consigne d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13) en fonction de la demande de la quantité d'agent réducteur par le second catalyseur SCR (2), de la vi- tesse dans l'espace des gaz d'échappement dans le premier catalyseurSCR (1), de l'efficacité de conversion du premier élément de catalyse SCR (13), de la température du premier catalyseur SCR (1) et du niveau de remplissage d'agent réducteur du premier élément de catalyse SCR (13). 9°) Programme d'ordinateur exécutant toutes les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8 lorsque le programme est appliqué par un appareil de calcul ou un appareil de commande (5). 10°) Produit-programme d'ordinateur comportant un code-programme enregistré sur un support lisible par une machine pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 3 à 8 lorsque le programme est appliqué par un calculateur ou un appareil de commande (5).15