Brevet FR2983523A1 — publié le 20130607

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de gestion d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon lequel on réduit les oxydes d'azote NOx à l'aide d'un catalyseur SCR et on surveille la capacité de réduction d'une solution aqueuse d'urée introduite dans l'installation de traitement des gaz d'échappement. L'invention se rapporte également à un programme d'or- dinateur et une installation de commande et/ou de régulation pour l'application de ce procédé. Etat de la technique Il est connu d'équiper les moteurs thermiques, notam- ment les moteurs Diesel d'un réducteur catalytique sélectif (SCR, "système de réduction catalytique sélective") pour réduire les oxydes d'azote (NOx) des gaz d'échappement émis par le moteur thermique. La réduc- tion se fait par exemple avec de l'ammoniac (NH3) que l'on introduit dans les gaz d'échappement ou dans le catalyseur SCR. A titre de documentation, on se réfère au document DE 10 2009 029 107 Al. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux incon- vénients des solutions connues et a pour objet à cet effet un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on détermine au moins une première grandeur caractérisant la teneur en ammoniac dans l'eau et on tient compte de cette grandeur pour surveiller la capacité de réduc- tion de la solution aqueuse d'urée. Le procédé selon l'invention a l'avantage de déterminer le vieillissement d'une solution aqueuse d'urée pour la réduction des oxydes d'azote des gaz d'échappement d'un moteur thermique. En particulier, à partir d'une première grandeur caractérisant la teneur en ammoniac de l'eau et d'une seconde grandeur caractérisant la composi- tion de la solution aqueuse d'urée, on détermine une capacité de réduction de la solution aqueuse d'urée. Il s'agit d'une grandeur si ce n'est de la grandeur essentielle caractérisant le vieillissement. La capacité de réduction ainsi obtenue, permet de doser de façon optimale la solution aqueuse d'urée et de décomposer les oxydes d'azote des gaz d'échappe- ment pratiquement indépendamment de la qualité et/ou du vieillissement de la solution aqueuse d'urée par décomposition chimique. Les composants de l'installation de dosage et/ou de l'installation d'alimentation de la solution aqueuse d'urée, sont protégés en amont contre une décomposition chimique. L'invention a pour objet un procédé de gestion d'une installation de traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique selon lequel les oxydes d'azote NOx sont réduits par un catalyseur SCR (catalyseur assurant une réduction catalytique sélective) et la capacité de réduction de la solution aqueuse d'urée à introduire dans l'installa- tion des gaz d'échappement est surveillée et se détermine. La capacité de réduction désigne la réactivité de la solution aqueuse d'urée pour réduire les oxydes d'azote NOx dans le catalyseur SCR. Après son injection dans l'installation de traitement des gaz d'échappement, la solution aqueuse d'urée libère, de l'ammoniac NH3 utilisé pour réduire chimi- quement les oxydes d'azote. La solution aqueuse d'urée peut avoir des caractéristiques spécifiques variant pour différentes raisons et diminuant ainsi sa capacité de réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur SCR. Le cas échéant, le moteur thermique et ainsi le véhicule équipé du moteur, risquent d'être immobilisés par une coupure auto- matique après un temps donné. A côté d'une manipulation frauduleuse par le conducteur, telle que par exemple la dilution intentionnelle ou le défaut intentionnel de remplissage du réservoir, le vieillissement de la solution aqueuse d'urée peut également entraîner une diminution de la capacité de réduction. Le vieillissement est caractérisé par une modifi- cation de la composition de la solution aqueuse d'urée et peut se produire relativement rapidement aux températures élevées. Selon l'invention, on détermine au moins une première grandeur caractérisant la teneur en ammoniac de l'eau. A partir de cette première grandeur, on peut déterminer le vieillissement de la solution aqueuse d'urée qui est la grandeur utilisée pour surveiller la capacité de réduction. La première grandeur caractéristique de la teneur en ammoniac de l'eau donne une information spécifique du vieillissement. Le vieillissement de la solution aqueuse d'urée, fait que l'urée se décom- pose et dégage de l'ammoniac qui se dissout bien dans la solution aqueuse environnante. L'ammoniac dissout dans l'eau a une capacité de réduction comparable à celle de l'ammoniac combiné à l'urée. En fonction des propriétés du réservoir contenant la solution aqueuse d'urée, une certaine quantité d'eau s'évapore et aussi une certaine quantité d'ammoniac. En cas de vieillissement de la solution aqueuse d'urée, la capacité de réduction se modifie essentiellement en fonction de l'évaporation de l'eau et du dégagement de l'ammoniac dissout. Les taux de dissolution respectifs peuvent être différents et sont le cas échéant difficiles à évaluer ou à obtenir. Le procédé selon l'invention remédie à ces difficultés. En outre, le procédé selon l'invention permet de protéger le système de dosage et d'injection de la solution dans les gaz d'échappement. L'ammoniac réagit d'une manière fortement alcaline dans la solution aqueuse. A mesure qu'augmente la teneur en ammoniac (con- centration NH3), la solution aqueuse d'urée réagit de manière agressive sur les composants du système de dosage. A titre d'exemple, une teneur en ammoniac de 2 % peut être un seuil critique pour le dommage possible des composants. En déterminant la première grandeur caractéristique de la teneur en ammoniac, on peut en outre avertir le conducteur du véhicule et des contremesures peuvent être prises pour éviter des dommages et des frais. Le procédé selon l'invention est également caractérisé en ce qu'on détermine au moins une seconde grandeur caractérisant la composition de la solution aqueuse d'urée, et à partir de la première et de la seconde grandeur, on conclut à la capacité de réduction de la so- lution aqueuse d'urée. L'expression "composition", signifie pratiquement la concentration de l'urée dans la solution, c'est-à-dire la teneur en urée de la quantité totale ainsi que la partie inconnue d'ammoniac dissoute dans l'eau. La composition ainsi obtenue est toutefois non spécifique de la capacité réductrice de l'ensemble de la solution car la partie d'ammo- niac dissoute dans l'eau par vieillissement, ne peut se détecter ou ne peut se détecter correctement. La seule détermination de la seconde grandeur ne peut fournir un résultat suffisamment précis que pour des solutions non vieillies. Sans information complémentaire de la première grandeur, en cas de fort vieillissement de la solution aqueuse d'urée, on ne pourra détecter qu'une qualité présumée insuffisante pour la réduction NOx. C'est pourquoi, on détermine la première grandeur qui caractérise la teneur en ammoniac de l'eau et la seconde grandeur qui caractérise la composition de la solution aqueuse d'urée. A l'aide des deux grandeurs prises ensemble, on peut déterminer avec une plus grande précision, la capacité réductrice de la solution aqueuse d'urée, c'est-à-dire la quantité active d'ammoniac pour la réduction des oxydes d'azote (réduction NOx). Selon un développement de l'invention, la première gran- deur est la conductivité électrique de la solution aqueuse d'urée. La conséquence de la dissociation dans l'eau est l'équilibre entre l'ammoniac (NH3) et les ions NH4+ formés dans l'eau. Ces ions ont une mobilité relativement importante et participent à la conductivité de la solution. A partir de la conductivité ainsi déterminée, on obtient la te- neur en ions NH4+ et à partir de cette teneur en ions NH4+, on déter- mine la teneur en ammoniac (NH3) ; à partir de cette teneur, on détermine le vieillissement de la solution aqueuse d'urée. La conductivité électrique caractérise particulièrement bien le vieillissement de la solution aqueuse d'urée. Selon une autre caractéristique, la seconde grandeur est la densité et/ou l'indice de réfraction et/ou la vitesse du son et/ou la conductivité thermique et/ou la permittivité diélectrique de la solution aqueuse d'urée. Pour cette détermination, on peut utiliser des procédés et des éléments déjà connus ce qui permet une économie. Suivant une autre caractéristique, on combine la pre- mière et la seconde grandeur obtenues à l'aide d'au moins un champ de caractéristiques et/ou d'un tableau et/ou d'une formule mathématique pour conclure à la capacité de réduction de la solution aqueuse d'urée. De manière générale, la capacité réductrice "R" correspond à la défini- tion suivante : (1) R = f(c NH3 urée + c NH3), dans laquelle c NH3 urée = concentration en NH3 dans l'urée c NH3 = concentration en NH3 dissout dans l'eau. Pour la capacité réductrice "R nouveau", sans influence du vieillissement, on a la relation suivante : (2) R nouveau = f(c NH3 urée nouveau), dans laquelle c NH3 urée nouveau = concentration de NH3 dans l'urée sans vieillissement. Pour le vieillissement, on a la relation suivante : (3) c NH3 urée = c NH3 urée nouveau - fl(vieilli). fl = fonction, décrivant la modification de la concentration NH3 dans l'urée sous l'effet du vieillissement. (4) c_NH3 = f2 (vieilli) . f2 = fonction, décrivant la concentration en NH3 dissoute dans l'eau sous l'effet du vieillissement. Du fait de l'évaporation non connue qui dépend du réser- voir (système de réservoir) les fonctions fl et f2 ou leurs valeurs ne sont pas en général égales. C'est pourquoi, on peut dire : (5) fl o -f2, dans laquelle "0" est le signe d'inégalité. Pour une mesure primaire de qualité, on peut appliquer la formule suivante : (6) Q mess prim = f(c urée, c NH3). Q mess prim représente la densité ou l'indice de réfraction de la solution et ainsi elle correspond à la seconde grandeur.35 c urée = concentration en urée dans la solution. L'équation (6) s'établit par exemple avec la densité ou l'indice de réfraction de la solution aqueuse d'urée et ne peut décrire sélectivement la capacité réductrice de la solution aqueuse d'urée. D'autres possibilités citées à titre d'exemple d'une "mesure de concentration", sont la vitesse du son, la conductivité thermique et la permittivité diélectrique. Le vieillissement de la solution aqueuse d'urée fausse par exemple la grandeur Q mess prim. L'équation (6), prise seule, n'est suffisamment précise que pour une solution non vieillie avec c NH3 = O. Pour déterminer le vieillissement, on peut utiliser la grandeur de mesure de vieillissement A mess : (7) A_mess = f(c NH3). A_mess représente la conductivité électrique de la solution, ce qui correspond à la première grandeur. L'équation (7) peut déterminer sélectivement le vieillisse- ment de la solution aqueuse d'urée. Pour la capacité réductrice qui en résulte globalement, on peut appliquer la formule suivante avec les équations (6) et (7) : (8) R = f(Q mess prim, A mess). On peut ainsi représenter la capacité réductrice de la solution aqueuse d'urée comme fonction à deux dimensions de la grandeur de mesure primaire Q mess prim selon l'équation (6) et la grandeur de mesure de vieillissement A_mess selon l'équation (7). Les relations selon les équations peuvent être décrites dans l'installation de commande et/ou de régulation d'un moteur thermique ou d'un système de gaz d'échappement à l'aide d'un ou plusieurs champs de caractéristiques, de tableaux et/ou de formules mathématiques. Cela permet de déterminer d'une manière particulièrement simple et précise la première et la seconde grandeur et par conséquent l'état ou la capacité réductrice de la solution aqueuse d'urée. Selon un développement du procédé, en complément, on détermine le niveau de remplissage du réservoir de l'agent réducteur et/ou l'instant du remplissage du réservoir et/ou la température de l'agent réducteur pour déterminer la capacité de réduction. Cela permet également d'améliorer la précision de la détermination de la première et de la seconde grandeur ou affirmer la plausibilité du résultat. L'invention est particulièrement utile pour déterminer la quantité de solution aqueuse d'urée à introduire dans le système des gaz d'échappement en fonction de la capacité réductrice obtenue pour la solution aqueuse d'urée. Cela permet la réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur SCR avec la quantité chaque fois optimale d'ammoniac même si la solution aqueuse d'urée a vieilli. On influence ainsi la commande préalable du dosage de la solution aqueuse d'urée de façon à compenser une capacité réductrice modifiée en utilisant une quantité de dosage adaptée de manière appropriée. Cela permet d'utiliser la solution aqueuse d'urée dans une plage de réactivité relativement importante sans avoir à remplacer la solution. On économise des moyens et des coûts et le fonctionnement du système de gaz d'échappement est plus robuste. Le procédé selon l'invention s'applique d'une manière particulièrement simple et économique à l'aide d'un programme d'ordinateur exécuté par exemple une installation de commande et/ ou une installation de régulation ou de gestion du moteur thermique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples d'un procédé, d'une installation ou d'un système de gaz d'échappement d'un moteur thermique représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation simplifiée d'un moteur thermique et de son installation de traitement des gaz d'échappement, et - la figure 2 est un ordinogramme du procédé de détermination de la capacité réductrice d'une solution aqueuse d'urée.35 Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre dans sa partie inférieure, un schéma simplifié d'une installation ou système de gaz d'échappement 10 d'un véhicule automobile. A gauche au-dessus de l'installation de traitement des gaz d'échappement 10, on a représenté très schématiquement le moteur à combustion interne ou moteur thermique 12 relié par la conduite de liaison 14 à l'installation de traitement des gaz d'échappement 10. Une installation de commande et/ou de régulation 16 est reliée par les lignes électriques d'entrée et de sortie 20 et 22 au moteur thermique 12 ainsi que par les lignes électriques d'entrée et de sortie 24 et 26 aux composants de l'installation de traitement des gaz d'échappement 10. Les lignes sont uniquement schématisées dans le dessin. L'installation de commande et/ou de régulation 16 comporte également un programme d'ordinateur 18 et un ou plusieurs champs de caractéristiques 21. Le programme d'ordinateur 18 peut échanger des données avec le champ de caractéristiques 21. L'installation de traitement des gaz d'échappement 10 est traversée pratiquement de la gauche vers la droite pour effectuer le traitement. L'installation présentée est une installation de traitement des gaz d'échappement 10 d'un véhicule à moteur Diesel. L'installation de traitement de gaz d'échappement 10 comporte à cet effet dans le sens de passage des gaz d'échappement, un catalyseur d'oxydation Diesel 28, un filtre à particules Diesel 30, une installation d'alimentation 31 pour fournir une solution aqueuse d'urée 33 et un catalyseur SCR 32 (cata- lyseur assurant une réduction catalytique sélective SCR). Une sonde Lambda 34 est installée dans la veine des gaz d'échappement en amont du catalyseur d'oxydation Diesel 28. Un capteur d'oxydes d'azote NOx 36 (capteur NOx 36) est installé dans la veine des gaz d'échappement en amont et en aval du catalyseur SCR 32. En outre, l'installation de traitement des gaz d'échappement 10 est équipée ici de quatre capteurs de température 38. Les capteurs de température 38, la sonde Lambda 34 et les capteurs NOx 36, sont reliés à l'installation de commande et/ou de régulation 16 par des lignes électriques d'entrée et de sortie 24, 26 ce qui n'est toutefois pas représenté de ma- nière détaillée à la figure 1. Dans la zone supérieure à droite du dessin de la figure 1, on a un réservoir 40 contenant la solution aqueuse d'urée 33 ; le réservoir est relié par une conduite 41 à l'installation d'alimentation 31. A gauche à côté du réservoir 40, on a représenté une installation de me- sure 42 qui permet de déterminer les grandeurs physiques de la solu- tion aqueuse d'urée 33. L'installation de mesure 42 est reliée électriquement à l'installation de commande et/ou de régulation 16 par des lignes électriques 44, 46. Un capteur de température 47 détermine la température de la solution aqueuse d'urée 33 dans le réservoir 40. En fonctionnement de l'installation de traitement des gaz d'échappement 10, l'installation d'alimentation 31 injecte de manière dosée la solution aqueuse d'urée 33 dans l'installation de traitement de gaz d'échappement 10. La réduction par le catalyseur SCR 32 des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement est commandée et surveillée par les capteurs NOx 36 ainsi qu'avec les capteurs de tempé- rature 38. L'installation de mesure 42 détermine en permanence ou occasionnellement la conductivité électrique 48 et la densité 50 de la solution aqueuse d'urée 33. En variante, l'installation de mesure 42 peut également déterminer l'indice de réfraction de la solution aqueuse d'urée 33. La conductivité électrique 48 et la densité 50 ou l'indice de réfraction ainsi déterminés sont transmis à l'installation de commande et/ou de régulation 16. A partir de la conductivité électrique 48, le programme d'ordinateur 18 fournit une première grandeur 52 carac- térisant la teneur en ammoniac (teneur NH3) dans l'eau de la solution aqueuse d'urée 33. Le programme d'ordinateur 18 détermine également une seconde grandeur 54 à partir de la densité 50 ; cette seconde grandeur caractérise la composition de la solution aqueuse d'urée 33. On peut déterminer la première et la seconde grandeur 52 et 54 en com- plément en tenant compte de la température de la solution aqueuse d'urée 33 fournie par le capteur de température 47. A partir de la première grandeur 52 et de la seconde grandeur 54, on conclut ensuite à la capacité réductrice de la solution aqueuse d'urée 33. Pour cela, le champ de caractéristiques 21 présente d'une part les relations fonctionnelles entre la première et la seconde grandeur 52 et 54 et d'autre part la capacité réductrice. La relation fonctionnelle pour la capacité réductrice s'exprime de façon générale en fonction des concentrations respectives : R = f[ f(c urée , c NH3 , f(c NH3) I. c urée = concentration en urée c NH3 = concentration en NH3 dissout dans l'eau. La figure 2 montre un ordinogramme du procédé de ges- tion de l'installation de traitement des gaz d'échappement 10 du moteur thermique 12. Selon ce procédé, on détermine notamment la capacité réductrice et les quantités corrigées de dosage de la solution aqueuse d'urée 33. Le procédé représenté à la figure 2 commence par le bloc de départ 58. Dans le premier bloc 60, on détermine la conductivité électrique 48 de la solution aqueuse d'urée 33. Dans le bloc 62 suivant, on détermine la première grandeur 52 à partir de la conductivité électrique 48, cette première grandeur caractérisant la teneur en ammoniac de l'eau. Dans l'autre bloc 64, on détermine la densité 50 de la solution aqueuse d'urée 33. Dans le bloc 66 suivant, on utilise la densité 50 pour déterminer la seconde grandeur 54 qui caractérise la composition de la solution aqueuse d'urée 33. Dans un bloc suivant 68, on détermine la température de la solution aqueuse d'urée 33. En complément, on peut déterminer le niveau de remplissage et/ou le moment du dernier remplissage du réservoir 40 et on l'utilise pour contrôler la plausibilité des opérations suivantes. La température ainsi que la première et la seconde grandeur 52 et 54 sont combinées à l'aide du champ de caractéristiques 21 et en utilisant des formules mathématiques pour en déduire un mesure de la capacité réductrice de la solution aqueuse d'urée 33. Si cette capacité réductrice est inférieure à un seuil prédéfini, on peut mettre à l'état en plus un bit de défaut dans la mémoire de diagnostic et/ou afficher une information sur le tableau de bord du véhicule. Dans le bloc 70 suivant, on détermine la quantité de dosage de la solution aqueuse d'urée 33 en fonction de la mesure obtenue de la capacité réductrice. Cette quantité de dosage peut servir pendant le fonctionnement de l'installation de traitement des gaz d'échappement 10 pour injecter une quantité appropriée de la solution aqueuse d'urée 33 dans l'installation de traitement des gaz d'échappement 10 à l'aide de l'installation d'alimentation 31. On peut ainsi optimiser le dosage en fonction de la capacité réductrice obtenue de sorte que le catalyseur SCR 32 ne reçoit ni une quantité d'ammoniac trop faible, ni trop impor- tante. Le procédé se termine par le bloc final 72 de la figure 2. NOMENCLATURE 10 installation de traitement des gaz d'échappement/système de traitement des gaz d'échappement 12 moteur thermique/moteur à combustion interne 14 conduite de liaison 18 installation de commande et/ou de régulation 20 ligne électrique 21 champ de caractéristiques 22 ligne électrique 24 ligne électrique 26 ligne électrique 28 catalyseur d'oxydation Diesel 30 filtre à particules Diesel 31 installation d'alimentation 32 catalyseur SCR 33 solution aqueuse d'urée 34 sonde Lambda 36 capteur NOx 38 capteur de température 40 réservoir 41 conduite 42 installation de mesure 44 ligne électrique 46 ligne électrique 47 capteur de température 48 conductivité électrique 50 densité 52 première grandeur 54 seconde grandeur 58-72 blocs de l'ordinogramme du procédé de gestion de l'installation de traitement des gaz d'échappement35 REVENDICATIONS1°) Procédé de gestion d'une installation de traitement des gaz d'échappement (10) d'un moteur à combustion interne (12) selon lequel on réduit les oxydes d'azote NOx à. l'aide d'un catalyseur SCR (32) et on surveille la capacité de réduction d'une solution aqueuse d'urée (33) in- troduite dans l'installation de traitement des gaz d'échappement (10), procédé caractérisé en ce qu' on détermine au moins une première grandeur (52) caractérisant la te- neur en ammoniac dans l'eau et on tient compte de cette grandeur pour surveiller la capacité de réduction de la solution aqueuse d'urée (33). 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine au moins une seconde grandeur (54) caractérisant la composition de la solution aqueuse d'urée (33), et à partir de la première et de la seconde grandeur (52, 54), on conclut à la capacité de réduction de la solution aqueuse d'urée (33). 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première grandeur (52) est la conductivité électrique (48) de la solu- tion aqueuse d'urée (33). 4°) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde grandeur (54) est la densité (50) et/ou l'indice de réfraction et/ou la vitesse du son et/ou la conductivité thermique et/ou la permittivité diélectrique de la solution aqueuse d'urée (33). 5°) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on combine la première et la seconde grandeur (52, 54) obtenues à l'aide d'au moins un champ de caractéristiques (21) et/ou d'un tableau et/ou d'une formule mathématique pour conclure à la capacité de ré- duction de la solution aqueuse d'urée (33).6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en complément, on détermine le niveau de remplissage du réservoir (40) de l'agent réducteur et/ou l'instant du remplissage du réservoir (40) et/ou la température de l'agent réducteur pour déterminer la capacité de réduction. 7°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' io on détermine la quantité de solution aqueuse d'urée (33) à introduire dans l'installation de traitement des gaz d'échappement (10) en fonction de la capacité de réduction obtenue de la solution aqueuse d'urée (33). 8°) Programme d'ordinateur (18), comprenant des instructions de code 15 de programme pour l'exécution des étapes du procédé, selon l'une quel- conque des revendications 1 à 7. 9°) Installation de commande et/ ou de régulation (16) d'un moteur à combustion interne (12), 20 caractérisée en ce qu' elle applique le programme d'ordinateur (18) selon la revendication 8. 25