Brevet FR2987073A1 — publié le 20130823

PROCEDE DE GESTION D'UN DISPOSITIF DE REDUCTION D'OXYDES D'AZOTE pool] L'invention concerne un procédé de gestion d'un dispositif de réduction d'oxydes d'azote. L'invention s'inscrit dans le domaine de la dépollution des moteurs utilisant la combustion de carburant pour produire de l'énergie mécanique. La combustion des carburants fossiles produit des oxydes d'azote que l'on cherche à réduire pour en limiter l'émission dans l'atmosphère. [0002] Dans l'industrie automobile on a développé des systèmes d'injection d'un agent réducteur dans les gaz d'échappement. Un tel système dit de réduction catalytique sélective est bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de SCR pour « Selective Catalytic Reduction ». Plus précisément, dans ce système on mélange un agent réducteur, tel que par exemple de l'ammoniac, avec les gaz d'échappement. Au contact de l'ammoniac, les oxydes d'azotes sont réduits pour former de l'azote et de l'eau. [0003] L'agent réducteur peut être stocké sous forme liquide ou gazeuse. Pour un système embarqué à bord d'un véhicule automobile, la masse du système est un critère important dans la définition du dispositif de réduction d'oxydes d'azote et à cet effet on a développé des dispositifs de stockage du produit réducteur dans un sel tel que des chlorures ou des sulfures. On utilise par exemple des chlorures de strontium, de magnésium ou de calcium. Le sel peut libérer le produit réactif sous l'effet de la chaleur. Cette réaction est appelée désorption. Le sel est contenu dans une cartouche qui dispose de moyen de chauffage permettant de faire monter le sel en température. La réaction permettant de libérer l'agent réducteur est réversible et il est possible de remplir la cartouche avec de l'agent réducteur. Ce remplissage se fait par absorption et adsorption d'agent réducteur dans le sel contenu dans la cartouche. 10004] L'agent réducteur commence à être libéré dès une température de 40`C. Les moyens de chauffage de la cartouche sont généralement formés de résistances chauffantes. Lors des phases de démarrage du véhicule tant que la cartouche n'a pas atteint une température suffisante, l'agent réducteur n'est pas délivré et des oxydes d'azotes présents dans les gaz d'échappement peuvent être libérés dans l'atmosphère. Pour limiter ce phénomène, on a réalisé des systèmes mettant en oeuvre plusieurs cartouches dont une de taille plus réduite et présentant une inertie thermique et un volume plus faible permettant une montée plus rapide en température et en pression. Une stratégie simple de pilotage d'un système à plusieurs cartouches consiste à utiliser une cartouche jusqu'à sa vidange complète avant l'utilisation de la cartouche suivante. La mesure directe de la quantité d'agent réducteur présent dans une cartouche est très délicate et une solution consiste à placer une jauge mécanique telle qu'un débitmètre au niveau de l'accès à chacune des cartouches. Cependant, pour des raisons d'encombrement et de coût, une telle solution n'est généralement pas possible. Le plus souvent à bord d'un véhicule automobile, on se contente d'une estimation de la quantité d'agent restant. Cette stratégie simple de gestion des cartouches présente de nombreux inconvénients. En cas de sous-estimation de la consommation en agent réducteur, on peut être amené à chauffer inutilement une cartouche vide. Au contraire en cas de surestimation de consommation, on peut déclarer une cartouche vide alors qu'elle contient encore de l'agent réducteur. [0005] On a amélioré encore la dépollution lors des phases de démarrage d'un véhicule en développant un système comprenant une cartouche principale et une cartouche auxiliaire de plus petite capacité que la cartouche principale. La cartouche auxiliaire, dite aussi cartouche de démarrage, peut monter en température et en pression beaucoup plus rapidement que la cartouche principale et donc libérer plus rapidement l'agent réducteur. Il est possible d'utiliser la réversibilité de la réaction de désorption pour remplir la cartouche auxiliaire lorsque le véhicule est en fonctionnement. Le remplissage de la cartouche auxiliaire est réalisé par de l'agent réducteur libéré par la cartouche principale. Ainsi lors du prochain démarrage du véhicule il est possible à nouveau d'utiliser la cartouche auxiliaire. [0006] Le problème d'estimation de la quantité d'agent réducteur se pose également pour la cartouche auxiliaire. La demande de brevet EP 2 361 883 propose d'estimer le niveau de chargement en ammoniac de la cartouche auxiliaire à partir d'une mesure indirecte. Plus précisément, on chauffe la cartouche auxiliaire et on mesure le temps de chauffage nécessaire pour obtenir une pression donnée d'ammoniac de la cartouche. [0007] La demanderesse a constaté que ce procédé d'estimation ne donne pas une précision suffisante. Ceci est du notamment aux variations possibles des conditions initiales de la mesure. Un autre problème lié à ce procédé, est qu'il nécessite une chauffe continue de la cartouche auxiliaire. La chauffe ne doit pas être interrompue 5 durant la mesure. Cette chauffe continue est difficilement compatible dans un véhicule où on arrête le moteur lorsque la vitesse du véhicule est nulle. Ce type de véhicule utilise une stratégie appelée « Stop and Start » dans la littérature anglo-saxonne. La chauffe d'une cartouche durant les phases d'arrêt du moteur puise une quantité importante d'énergie électrique dans la batterie du véhicule, ce qui peut 10 poser des problèmes pour les démarrages suivants. poos] L'invention vise à proposer un procédé de gestion d'un dispositif de réduction d'oxydes d'azote permettant une mise à disposition rapide d'un agent réducteur et permettant de gérer efficacement la quantité de produit réducteur encore disponible, tout en limitant le recours à des mesures physiques. 15 [0009] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de gestion d'un dispositif de réduction d'oxydes d'azote issus d'une combustion par injection d'un agent réducteur dans des gaz d'échappement provenant de la combustion, le dispositif comprenant une première cartouche de stockage d'agent réducteur dite cartouche auxiliaire et au moins une seconde cartouche de stockage d'agent réducteur dite cartouche 20 principale présentant un volume de stockage plus élevé que celui de la cartouche auxiliaire, le procédé permettant de recharger en agent réducteur la cartouche auxiliaire au moyen de la cartouche principale, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer une information binaire sur l'état de remplissage de la cartouche auxiliaire : non chargée ou chargée, et en ce qu'il consiste à partir d'un état non 25 chargé à charger la cartouche auxiliaire, à estimer l'état de remplissage à partir d'un modèle de remplissage sous estimé, à réaliser au moins une mesure physique représentative de l'état de chargement de la cartouche auxiliaire à un instant où le modèle indique un état chargé de la cartouche auxiliaire et à poursuivre le chargement si la mesure donne un état non chargé jusqu'à ce qu'une nouvelle 30 mesure physique donne un état chargé de la cartouche auxiliaire. [0010] Avantageusement, le modèle de remplissage définit la quantité d'agent réducteur présent dans la cartouche auxiliaire par une fonction linéaire croissante fonction du temps. [0011] La fonction linéaire peut posséder un coefficient directeur défini de façon empirique en testant plusieurs conditions initiales et extérieures. Dans une phase de calibration, on réalise alors des tests pour plusieurs conditions pendant une durée déterminée et on choisit parmi ces conditions celles donnant la plus faible quantité d'agent réducteur rechargé dans la cartouche auxiliaire à l'issu de la durée déterminée pour définir le coefficient directeur. [0012] Avantageusement, on prédéfinie un intervalle de temps (nt) entre deux mesures physiques successives. [0013] Dans une première variante, la mesure physique consiste à mesurer un temps nécessaire pour que la cartouche auxiliaire (13) atteigne une pression donnée d'agent réducteur à l'état gazeux sous l'effet d'un chauffage à puissance constante et en ce que la cartouche auxiliaire (13) est déclarée chargée si le temps mesuré est inférieur à un temps prédéfini. [0014] Dans une variante alternative, la mesure physique consiste à mesurer une pression d'agent réducteur à l'état gazeux sous l'effet d'un chauffage de la cartouche auxiliaire (13) pendant un temps donné, et en ce que la cartouche auxiliaire (13) est 20 déclarée chargée si la pression mesurée dépasse une pression prédéfinie. [0015] L'invention permet de limiter le nombre de mesures physiques permettant de déterminer le niveau de chargement de la cartouche auxiliaire. Ceci est particulièrement utile lorsque l'on met en oeuvre l'une des deux variantes de mesures physiques ayant recours au chauffage de la cartouche auxiliaire. En effet, en 25 augmentant la température de la cartouche auxiliaire, on réduit sa capacité à adsorber et absorber de l'agent réducteur. [0016] On peut utiliser de l'ammoniac comme agent réducteur. [0017] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente un exemple de système de réduction catalytique sélective auquel peut s'appliquer l'invention ; - la figure 2 représente des phases d'utilisation d'une cartouche de stockage d'agent réducteur du système de la figure 1 ; - la figure 3 illustre un exemple de mesure physique représentative de l'état de chargement de la cartouche de stockage. [0018] Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. [0019] La figure 1 représente un exemple de système de réduction catalytique sélective auquel peut s'appliquer l'invention. À titre d'exemple, on considère le cas particulier d'un système de réduction catalytique sélective implanté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. L'agent réducteur est par exemple de l'ammoniac. Cependant, l'invention s'applique à tout système de réduction catalytique. Le système de réduction catalytique sélective 10 comporte deux cartouches de stockage principales 11 et 12, une cartouche de stockage auxiliaire 13, un catalyseur 14, un collecteur 15, une canalisation 16 reliant le collecteur 15 à la cartouche de stockage auxiliaire 13, des canalisations 17 et 18 reliant le collecteur 15 aux cartouches principales 11 et 12, respectivement, et une canalisation 19 reliant le collecteur 15 au catalyseur 14. Le système de réduction catalytique sélective 10 pourrait bien entendu comporter une unique cartouche de stockage principale ou un plus grand nombre de ces cartouches. Des électrovannes, non représentées, peuvent être disposées en coupure des différentes canalisations. Les cartouches de stockage sont généralement de forme cylindrique ou ovoïde. Elles contiennent chacune un support de stockage solide apte à absorber ou adsorber l'agent réducteur (l'ammoniac). Le support de stockage est par exemple un complexe aminé de formule Ma(NE13)nX,, où M est un ou plusieurs cations sélectionnés parmi les métaux alcalin tels que Li, Na, K ou Cs, les métaux alcalino-terreux tels que Mg, Ca ou Sr, et/ou les métaux de transition tels que V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu ou Zn, ou une combinaison de ces éléments telle que NaAI, KAI, K2Zn, CsCu, ou K2Fe, où a est le nombre de cations par molécule, où n est le nombre de coordination, compris entre 1 et 12, où X est un ou plusieurs anions sélectionnés parmi les ions fluorure, chlorure, bromure, iodure, nitrate, thyocyanate, sulfate, molybdène et phosphate, et où z est le nombre d'anions par molécule. Le complexe aminé est communément appelé sel solide. [0020] Les cartouches de stockage sont aptes à libérer de l'ammoniac sous forme gazeuse par désorption sous l'effet d'une augmentation de la température. À cet effet, chaque cartouche de stockage 11, 12, 13 comporte des moyens de chauffage, par exemple une résistance électrique. Il est également possible de chauffer les cartouches de stockage au moyen des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement, non représentée. Le chauffage par la ligne d'échappement reste néanmoins insuffisant, notamment lors des phases de démarrage du moteur thermique. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, les cartouches principales 11 et 12 sont chauffées chacune par une résistance électrique, respectivement 21 et 22, disposée sur leur surface externe, et la cartouche auxiliaire 13 est chauffée par une résistance électrique 23 disposée dans son volume intérieur. Les cartouches principales 11 et 12 présentent un volume de stockage de l'ammoniac plus élevé que celui de la cartouche auxiliaire 13. Ainsi, la cartouche auxiliaire 13 présente une inertie thermique moindre, peut monter en température et en pression plus rapidement que les cartouches principales et peut être utilisée rapidement après le démarrage du moteur pour fournir de l'ammoniac. Les cartouches principales 11 et 12 peuvent être utilisées pour fournir de l'ammoniac pendant les phases de fonctionnement prolongées du moteur, et pour recharger la cartouche auxiliaire 13 en ammoniac. Le rechargement de la cartouche auxiliaire 13 est facilité lorsque la température de cette cartouche est inférieure à celle de la cartouche principale 11 ou 12 utilisée pour le rechargement. Afin de maintenir un écart de température après l'arrêt du moteur à combustion interne, les cartouches principales 11 et 12 peuvent être disposées dans un caisson 24 isolé thermiquement, comme représenté sur la figure 1. [0021] Le rechargement de la cartouche auxiliaire 13 à partir des cartouches principales 11 et 12 peut intervenir dans plusieurs situations. En particulier, lorsque la quantité d'ammoniac présent dans la cartouche auxiliaire 13 passe en dessous d'un seuil prédéterminé. [0022] La figure 2 représente des phases d'utilisation de la cartouche de stockage auxiliaire 13. On a représenté plusieurs courbes donnant la quantité d'ammoniac présent dans la cartouche 13 en fonction du temps. La quantité d'ammoniac, en ordonnée, est exprimée en pourcentage de la capacité maximale de stockage de la cartouche 13. Une courbe 31 en trait continu représente la quantité réelle d'ammoniac et une courbe 32 en trait pointillé représente une quantité estimée d'ammoniac. Dans une première phase 41, la cartouche 13 est chauffée pour délivrer de l'ammoniac au catalyseur 14. En début de phase 41, la cartouche 13 est pleine et en fin de phase 41, elle atteint un niveau bas 43 pour lequel il est nécessaire d'opérer un rechargement. On considère dans la phase 41 que l'estimation donnée par la courbe 32 est bien représentative de la quantité réelle d'ammoniac présent. L'estimation peut être calculée à partir de l'énergie dissipée par effet Joule dans la cartouche 13 durant la phase 41. [0023] Durant la phase 42, il est beaucoup plus difficile de d'estimer avec précision la quantité d'ammoniac adsorbé et absorbé dans la cartouche auxiliaire 13 car cette quantité dépend non seulement de paramètres (température pression) de la cartouche auxiliaire 13 mais aussi de paramètres des cartouches principales 11 et 12. L'invention propose de gérer le rechargement de la cartouche auxiliaire 13 de façon simple en ne considérant que deux états de la cartouche auxiliaire 13 : chargé ou non chargé et en combinant l'utilisation d'un modèle de remplissage volontairement sous estimé avec au moins une mesure physique représentative de l'état de chargement de la cartouche auxiliaire 13 à un instant où le modèle indique un état chargé de la cartouche auxiliaire. Cela permet de limiter le nombre de mesures physiques à effectuer. [0024] Le modèle de remplissage peut être très simple et définissant la quantité d'agent réducteur présent dans la cartouche auxiliaire 13 par une fonction linéaire croissante uniquement fonction du temps. Le coefficient directeur de la fonction linéaire, autrement dit la pente de la droite 32 durant la phase 42 peut être définie de façon empirique en testant plusieurs conditions initiales et extérieures. Parmi ces conditions on peut citer la température ambiante, la température de la ou des cartouches principales 11 et 12 utilisées, la pression d'ammoniac délivrée par la ou les cartouches principales 11 et 12 utilisées, la quantité d'ammoniac présent dans la cartouche auxiliaire 13 au début de la phase 42 ainsi que sa température. On réalise des tests pour plusieurs conditions pendant une durée déterminée et on choisit parmi ces conditions celles donnant la plus faible quantité d'ammoniac rechargé dans la cartouche auxiliaire 13 à l'issu de la durée déterminée pour définir la pente de la droite 32. [0025] Lors de la phase 42 de rechargement, le modèle permet de définir un instant 45 où la cartouche auxiliaire 13 est susceptible d'atteindre un état chargé. A cet instant on réalise une mesure physique représentative de l'état de chargement de la cartouche auxiliaire. Cette mesure permet de connaitre la quantité réelle d'ammoniac contenu dans le cartouche 13. Si cette quantité est jugée suffisante, on arrête la phase 42 de rechargement. Si au contraire, la quantité réelle est jugée insuffisante, on poursuit la phase 42 de rechargement jusqu'à ce qu'une nouvelle mesure physique donne un état chargé de la cartouche auxiliaire. Il est possible de prédéfinir un intervalle de temps At entre deux mesures physiques successives afin de limiter le nombre de mesures. [0026] la figure 3 illustre un exemple de mesure physique représentative de l'état de chargement de la cartouche auxiliaire 13. On utilise le temps de montée en pression d'ammoniac dans la cartouche 13 lorsqu'elle est soumise à un chauffage à puissance constante. La figure 3 représente en ordonnée le temps t nécessaire pour atteindre une pression donnée d'ammoniac gazeux libéré en sortie de la cartouche 13 et en abscisse la quantité d'ammoniac présent dans la cartouche 13. Le temps de montée en pression est sensiblement stable entre 40 et 80% de chargement de la cartouche 13. En dessous de 40%, ce temps augmente et au dessus de 80%, ce temps diminue. Les valeurs de quantité sont approximatives mais il ressort de l'allure de la courbe qu'il est possible de définir un temps de montée en dessous duquel on déclare la cartouche chargée. Dans l'exemple illustré à l'aide de la figure 3, ce temps est choisi pour un taux de remplissage supérieur à 80%, par exemple de 90%. Ce temps peut être déterminé de façon empirique à l'aide d'essais réalisés lors d'une phase de calibration. L'invention se contente d'une information binaire sur le niveau de chargement de la cartouche auxiliaire 13. Si, en condition opérationnelle, lors d'une mesure de temps de montée, le temps mesuré de montée en pression de la cartouche excède le temps prédéterminé lors de la phase de calibration, on déclare la cartouche 13 non chargée et on poursuit la phase 42 de rechargement jusqu'à ce qu'une nouvelle mesure permette de déclarer la cartouche chargée. [0027] Alternativement, en utilisant le même phénomène physique de montée en pression sous l'effet d'un chauffage, il est possible de chauffer la cartouche pendant un temps donné et de mesurer la pression d'ammoniac gazeux libéré en sortie de la cartouche 13. Si la pression d'ammoniac mesurée excède une valeur prédéfinie en calibration, la cartouche 13 est déclarée chargée. Si au contraire la pression mesurée est inférieure à cette valeur prédéfinie, la cartouche 13 est déclarée non chargée et on poursuit la phase 42 comme précédemment décrit. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'un dispositif de réduction d'oxydes d'azote issus d'une combustion par injection d'un agent réducteur dans des gaz d'échappement provenant de la combustion, le dispositif comprenant une première cartouche de stockage d'agent réducteur dite cartouche auxiliaire (13) et au moins une seconde cartouche de stockage d'agent réducteur dite cartouche principale (11, 12) présentant un volume de stockage plus élevé que celui de la cartouche auxiliaire (13), le procédé permettant de recharger en agent réducteur la cartouche auxiliaire (13) au moyen de la cartouche principale (11, 12), caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer une information binaire sur l'état de remplissage de la cartouche auxiliaire (13) : non chargée ou chargée, et en ce qu'il consiste à partir d'un état non chargé à charger la cartouche auxiliaire (13), à estimer l'état de remplissage à partir d'un modèle de remplissage sous estimé, à réaliser au moins une mesure physique représentative de l'état de chargement de la cartouche auxiliaire (13) à un instant où le modèle indique un état chargé de la cartouche auxiliaire (13) et à poursuivre le chargement si la mesure donne un état non chargé jusqu'à ce qu'une nouvelle mesure physique donne un état chargé de la cartouche auxiliaire (13). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de remplissage définit la quantité d'agent réducteur présent dans la cartouche auxiliaire (13) par une fonction linéaire croissante fonction du temps. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonction linéaire possède un coefficient directeur défini de façon empirique en testant plusieurs conditions initiales et extérieures, en ce que dans une phase de calibration, on réalise des tests pour plusieurs conditions pendant une durée déterminée et on choisit parmi ces conditions celles donnant la plus faible quantité d'agent réducteur rechargé dans la cartouche auxiliaire (13) à l'issu de la durée déterminée pour définir le coefficient directeur. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on prédéfinie un intervalle de temps (fit) entre deux mesures physiques successives. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure physique consiste à mesurer un temps nécessaire pour que la cartouche auxiliaire (13) atteigne une pression donnée d'agent réducteur à l'état gazeux sous l'effet d'un chauffage à puissance constante et en ce que la cartouche auxiliaire (13) est déclarée chargée si le temps mesuré est inférieur à un temps prédéfini. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la mesure physique consiste à mesurer une pression d'agent réducteur à l'état gazeux sous l'effet d'un chauffage de la cartouche auxiliaire (13) pendant un temps donné, et en ce que la cartouche auxiliaire (13) est déclarée chargée si la pression mesurée dépasse une pression prédéfinie. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise de l'ammoniac comme agent réducteur.