Brevet FR3013761A1 — publié le 20150529

Procédé de dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne [0001] L'invention a trait au domaine de la dépollution des gaz rejetés par les moteurs à combustion interne, notamment les moteurs de type diesel. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs, notamment de type diesel, contiennent des éléments polluants dont il est préférable de limiter les rejets dans l'atmosphère. Ces éléments polluants émanent de la combustion du carburant diesel par l'air et comprennent généralement des oxyde d'azote (couramment désignés sous l'acronyme NOx), du monoxyde de carbone (CO), du carburant imbrûlé ou encore des particules de suie. [0003] Une fois la combustion terminée, les gaz d'échappement quittent le moteur puis, après avoir éventuellement alimenté un turbocompresseur (aujourd'hui généralisé sur les véhicules diesel), sont canalisés vers une ligne d'échappement. Le long de la ligne d'échappement, les gaz subissent plusieurs traitement par catalyse et filtration afin qu'en soient au moins partiellement extraits certains éléments nocifs. [0004] L'élimination des NOx des gaz d'échappement se fait couramment par catalyse, au moyen d'un dispositif appelé réducteur catalytique sélectif (ci-après désigné sous son acronyme anglais SCR, correspondant à la dénomination selective catalytic reductor). Un agent réducteur, comme de l'urée est directement injectée dans le SCR puis transformée en ammoniac en présence de chaleur. Le SCR permet, à l'aide d'une réaction chimique impliquant les NOx et l'ammoniac, de transformer les oxydes d'azote en un mélange de di-azote (N2) et d'eau (H2O). [0005] Le SCR est alimenté en agent réducteur, comme l'urée, en quantité variable selon différents paramètres, généralement selon le régime moteur et le couple moteur. Une difficulté est de contrôler avec précision la quantité d'urée injectée, étant entendu qu'un surplus d'urée provoque le rejet d'ammoniac dans l'atmosphère tandis qu'à l'inverse une carence en urée est synonyme de rejet de NOx. [0006] Dans la suite du présent texte, on parlera indifféremment d'agent réducteur ou d'urée pour englober tout composé qui est soit un agent réducteur (ammoniac par exemple) soit un précuseur d'agent réducteur susceptible de se décomposer en agent réducteu du type ammoniac, comme l'urée. [0007] Une technique connue consiste à effectuer un contrôle basé sur une loi de commande établie à l'aide d'un régulateur proportionnel intégral dérivé (PID), on pourra se rapporter par exemple au document US 2009/317110. [0008] Cette technique ne va cependant pas sans inconvénient. En effet, on constate dans la pratique qu'un régulateur PID subit une dérive progressive de son modèle de calcul, qu'il est nécessaire de corriger par de fréquentes opérations de recalibrage. Au final, il persiste toujours, avec un régulateur PID, un écart (appelé erreur) entre la quantité d'urée qu'il serait nécessaire d'injecter dans le SCR et la quantité réellement injectée. [0009] Un premier objectif est de mieux contrôler l'injection d'urée dans le SCR. [0010] Un deuxième objectif est de proposer une solution robuste permettant de réaliser un dosage précis de l'urée à injecter dans le SCR, nécessaire pour réaliser la réduction des NOx. [0011] Un troisième objectif est d'optimiser l'injection, afin de minimiser les rejets tant de NOx que d'ammoniac. [0012] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un procédé de dépollution des gaz d'échappement sur une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, sur laquelle est monté un réducteur catalytique sélectif ou SCR, ce procédé comprenant les opérations consistant à : calculer un débit 61'' de consigne d'agent réducteur, notamment d'urée à injecter dans le SCR, estimer un débit em' d'agent réducteur, notamment d'urée injectée dans le SCR, calculer une correction ACNH3 à appliquer au débit 61'' de consigne d'urée à injecter, calculée selon la formule de calcul suivante : decons ACNH3= A dons (61mes - °cons) C où A, B sont des grandeurs prédéterminés indépendantes de Ornes et °cons I et C est une fonction affine du signe de la différence entre Ornes et °cons, appliquer cette correction ACNH3 au débit °cons de consigne, injecter d'agent réducteur, notamment l'urée dans le SCR selon le débit de consigne ainsi corrigé. [0013] Cette solution offre une meilleure robustesse, et permet un meilleur contrôle de l'injection d'agent réducteur, notamment d'urée et un dosage plus précis de celle-ci. [0014] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou combinées. [0015] Ainsi, A peut être calculé selon la formule de calcul suivante : A =L17.0 où : .0 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR, h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR, L.V est une constante géométrique caractérisant le SCR. B peut être calculé selon la formule de calcul suivante : K2 L1712 h où : .0 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR, h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR, K2 est une constante positive. [0016] La constante K2 peut être calculée selon la formule de calcul suivante : In a0 K2 = tconv est l'intervalle de temps entre un instant, noté t0, où le débit °cons de consigne est affecté d'un changement, et un instant, noté t1, postérieur à t0, où le débit Ornes d'urée injectée dans le SCR est décrété avoir atteint la valeur °cons de consigne, a0 est la valeur, à l'instant t0, de la différence entre °cons et °m'. Quant à C, on peut le calculer selon la formule de calcul suivante :Rox C =- sgn(Omes LV.0 h .0 econs)]- a. ACNo où : 12 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR, h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR, h B= où : tconv L.V est une constante géométrique caractérisant le SCR. cr.ACNox représente la différence entre une concentration estimée de NOx dans les gaz d'échappement en amont du SCR et en aval du SCR, R0x est un paramètre caractérisant la cinétique de réaction chimique de réduction des NOx, K1 est une constante positive. sgn est la fonction signe. [0017] Il est proposé, en deuxième lieu, un système de dépollution des gaz d'échappement sur une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce système comprenant : un réducteur catalytique sélectif ou SCR, un réservoir d'agent réducteur, notamment d'urée raccordé, par un circuit d'injection, au conduit en amont du SCR, une électrovanne montée sur le circuit d'injection, - un calculateur relié à l'électrovanne et comprenant une unité de traitement (ou processeur) programmée pour commander l'électrovanne de manière à injecter dans le SCR d'agent réducteur, notamment l'urée selon un débit O. de consigne, en appliquant à ce débit une correction ACNH3 calculée selon la formule de calcul suivante : ACNH3 decons A dt B (0 Mes - °cons) C où A, B sont des grandeurs prédéterminées indépendantes de Ornes et °cons, et C est une fonction affine du signe de la différence entre Ornes et °cons - [0018] Il est proposé, en troisième lieu, un véhicule automobile équipé d'un tel système de dépollution. [0019] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'une ligne d'échappement comprenant un dispositif de dépollution; la figure 2 est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif de dépollution ; [0020] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile comprenant un moteur 2 à combustion interne, un réservoir 3 de carburant (du gasoil), une ligne 4 d'échappement et un système 5 de dépollution de gaz d'échappement issus du moteur 2. [0021] Les produits de la combustion contiennent, à la sortie des chambres de combustion du moteur 2, des gaz, notamment des oxydes d'azote (NOx) ou du monoxyde de carbone (CO), et des particules (essentiellement des suies) qu'il est nécessaire de filtrer avant le rejet dans l'atmosphère. [0022] Les gaz d'échappement sont évacués du moteur 2 par la ligne 4 d'échappement sur laquelle sont montés certains composants du système 5 de dépollution pour filtrer les gaz d'échappement avant leur rejet dans l'atmosphère. [0023] La ligne 4 d'échappement débute à la sortie des chambres de combustion par un collecteur 6 d'échappement permettant de collecter les gaz des chambres de combustion pour les réunir dans un seul conduit débouchant dans l'atmosphère. [0024] Le système 5 de dépollution, illustré de manière plus détaillée sur la figure 2, comprend : un filtre 7 à particules ou FAP, agencé pour éliminer les particules de suies, - un réducteur 8 catalytique sélectif ou SCR, disposé en amont ou, comme dans l'exemple illustré, en aval du FAP 7 et conçu pour traiter les oxydes d'azote (NOx), une sonde 9 montée en aval du SCR 8, ayant pour fonction de mesurer le taux de NOx dans les gaz sortant de celui-ci, - un calculateur 10 auquel est connectée la sonde 9, ce calculateur comprenant une unité de traitement (ou processeur) programmable, un réservoir 11 d'urée raccordé, par un circuit 12 d'injection au SCR 8 pour alimenter celui-ci de manière commandée. [0025] Rappelons qu'un SCR 8 est un dispositif couramment utilisé sur les véhicules diesel pour éliminer les NOx présents dans les gaz d'échappement, grâce à une réduction des NOx par l'ammoniac NH3 (issu de l'urée) en présence d'oxygène, pour produire de l'azote N2 et de l'eau H2O. Parmi les réactions qui ont lieu dans un SCR, on dénombre par exemple les réactions suivantes : 4NH3 + 4N0 + 02 4N2 +6H20 4NH3 + 2N0 + 2NO2 4N2 +6H20 8NH3 + 6NO2 7N2 +12H20 4NH3 + 302 2N2 +6H20 [0026] Le calculateur 10 pilote l'injection d'urée depuis le réservoir 11 vers le SCR 8 via une électrovanne 13 montée sur le circuit 12. [0027] Une loi d'estimation, qui détermine une quantité théorique d'urée à injecter dans le SCR 8 en fonction du temps, est programmée dans le calculateur 10. [0028] Cette loi d'estimation est fonction de divers paramètres caractéristiques des conditions d'utilisation du véhicule 1 tels que : couple moteur, régime moteur, vitesse de déplacement du véhicule 1, température d'huile. [0029] La loi d'estimation fournit à chaque instant, noté t, une valeur de consigne, notée °cons, de débit d'urée décrété nécessaire à l'élimination totale des NOx. [0030] Au même instant t, dans le SCR 8 est réellement injectée de l'urée selon un débit dont la valeur est notée °m'. Cette valeur est estimée, c'est-à-dire qu'elle peut être déterminée par calcul (selon les caractéristiques de l'électrovanne 13), ou obtenue par une mesure débitmétrique effectuée directement sur le circuit, au niveau ou en aval de l'électrovanne 13. Compte tenu notamment des temps de calcul, du temps de réponse de l'électrovanne 13 et des pertes de charges, l'application effective de la valeur °cons de consigne n'est pas immédiate : °cons et em' ne sont pas identiques, em' correspondant en pratique à une valeur 61'' précédente. La différence entre le débit °m.' d'urée injectée à un instant donné et le débit °cons de consigne d'urée à injecter au même instant est appelée erreur et notée a; cette erreur a se définit ainsi comme suit : a = °mes - °cons (1) [0031] On fournit par ailleurs un modèle calculatoire caractérisant une évolution idéale (souhaitée) du débit Ornes d'urée injectée à chaque instant, par la loi mathématique suivante : 1 de dtmes L.V 2. =-[4CNH3+ a. ACNox] Ro, (2) Où : 12 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR, h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR 8, L.V est une constante géométrique caractérisant le SCR 8, a.ACNox représente la différence entre une concentration estimée de NOx dans les gaz d'échappement en amont du SCR 8 et en aval du SCR 8, R' est un paramètre caractérisant la cinétique de réaction chimique de réduction des NOx, ACNN3 est une correction appliquée par rétroaction au débit 61,', de consigne d'urée à injecter pour faire correspondre au mieux la quantité d'urée injectée avec la quantité réellement nécessaire. [0032] ACNN3 est une grandeur qui n'est pas obtenue par la mesure, et que l'on souhaite calculer à chaque instant. L'équation (2) ne permet es toutefois pas de l'obtenir directement, car d em n'est pas directement dt connue à chaque instant, et doit par conséquent être déduite d'autres grandeurs, comme nous allons le voir. [0033] Il résulte de l'équation (1) que les variations de l'erreur a au cours du temps, c'est-à-dire sa dérivée, notée à, s'écrit comme suit : à= dOm' d 61'' dt dt [0034] Cette écriture fournit, par simple inversion, l'équation suivante : dOmes.d61'' = + dt dt [0035] De sorte qu'en remplaçant dedintes par sa valeur fournie par l'équation (3) dans l'équation (2), on obtient l'équation suivante, qui fournit la loi de calcul de la correction ACNN3 à partir des grandeurs définies précédemment : ACNI-13 = L1712 Rx d61 c ons a.ACNox (4) h :(32 t + d [0036] Les grandeurs L, V, 12, h, R' et a.ACNox sont connues à chaque instant ; quant à à, on ne peut la déduire de 0,-itesd puisque, comme nous l'avons vu, cette dernière n'est pas connue. On fournit donc une loi arbitraire permettant de déterminer 6 directement à partir de 6, à l'aide de la formule de calcul suivante : à= sgn(o-) - K2. 0- (5) (3) Où : sgn est la fonction signe, c'est-à-dire que sgn(a) = 1 Si G > 0 et sgn(a) = -1 Si G REVENDICATIONS1. Procédé de dépollution des gaz d'échappement sur une ligne (4) d'échappement d'un moteur (2) à combustion interne, sur laquelle est monté un réducteur (8) catalytique sélectif ou SCR, ce procédé comprenant les opérations consistant à : calculer un débit 61'' de consigne d'agent réducteur, notamment d'urée, à injecter dans le SCR (8), estimer un débit em' d'agent réducteur, notamment d'urée injectée dans le SCR (8), calculer une correction ACNH3 à appliquer au débit 0'' de consigne d'agent réducteur, notamment d'urée à injecter, en fonction de °mes I appliquer cette correction ACNH3 au débit °cons de consigne, injecter d'agent réducteur, notamment l'urée dans le SCR (8) selon le débit de consigne ainsi corrigé, caractérisé en ce que la correction ACNH3 est calculée selon la formule de calcul suivante : decons B (61 - °cons) C ACNH3 A dt mes où A, B sont des grandeurs prédéterminées indépendantes de Ornes et °cons I et C est une fonction affine du signe de la différence entre Ornes et econs- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que A est calculé selon la formule de calcul suivante : LVI2 A= h où : 12 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR, h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR, L.V est une constante géométrique caractérisant le SCR. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que B est calculé selon la formule de calcul suivante : K2 L1712 h où : 12 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR (8), B=h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR (8), K2 est une constante positive. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la constante K2 est calculée selon la formule de calcul suivante : In 0-0 K2 = où : tconv est l'intervalle de temps entre un instant, noté t0, où le débit °cons de consigne est affecté d'un changement, et un instant, noté t1, postérieur à t0, où le débit 61m' d'agent réducteur, notamment d'urée injectée dans le SCR est décrété avoir atteint la valeur °cons de consigne, a0 est la valeur, à l'instant t0, de la différence entre °cons et °m'. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que C est calculé selon la formule de calcul suivante : LV.Orx C= h .0 econsq- a. -ACNOxK1. où : .0 est une constante caractérisant une capacité volumique du SCR, h est le débit estimé du gaz d'échappement à l'entrée du SCR, L.V est une constante géométrique caractérisant le SCR. a. ACNox représente la différence entre une concentration estimée de NOx dans les gaz d'échappement en amont du SCR et en aval du SCR, R,,x est un paramètre caractérisant la cinétique de réaction chimique de réduction des NOx, K1 est une constante positive. sgn est la fonction signe. 6. Système (5) de dépollution des gaz d'échappement sur une ligne (4) d'échappement d'un moteur (2) à combustion interne, ce système (5) comprenant : un réducteur (8) catalytique sélectif ou SCR, un réservoir (11) d'agent réducteur, notamment d'urée raccordé, par un circuit (12) d'injection, au SCR (8), - une électrovanne (13) montée sur le circuit (12) d'injection, un calculateur (10) relié à l'électrovanne (13) et comprenant une unité de traitement (ou processeur) programmée pour commander l'électrovanne (13) de manière à injecter dans le SCR (8) de l'urée tconvselon un débit un 61'' de consigne, en appliquant à ce débit une correction ACNH3 en fonction d'un débit em' estimé d'agent réducteur, notamment d'urée injectée dans le SCR, caractérisé en ce que le calculateur (10) est programmé pour appliquer une correction ACNH3 calculée selon la formule de calcul suivante : decons ACNH3 = A dons (61mes °cons) C où A, B sont des grandeurs prédéterminées indépendantes de Ornes et °cons, et C est une fonction affine du signe de la différence entre Ornes et econs- 10 7. Véhicule (1) automobile équipé d'un système de dépollution selon la revendication 6.5