Brevet FR3012844A1 — publié le 20150508

PROCEDE DE DEPOLLUTION NOX AVEC REAJUSTEMENT D'UNE LOI D'ESTIMATION [0001] L'invention a trait au domaine de la dépollution des gaz rejetés par les moteurs diesel. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs 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 oxydes 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 traitements 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 calatytic reductor). 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 (H20). [0005] Le SCR est alimenté en urée en quantité variable selon notamment le régime moteur. Les besoins du SCR en urée sont estimés grâce à des lois d'estimation des quantités de NOx produites en fonction des conditions d'utilisation du véhicule. [0006] L'injection de l'urée dans le SCR étant pilotée à l'aide de lois d'estimation théoriques, des dérives peuvent se produire, qui aboutissent à un défaut de concordance entre la théorie d'une part et la réalité d'autre part. Plusieurs facteurs interviennent dans les dérives constatées, notamment des facteurs matériels tels que l'usure des pièces du moteur ou l'utilisation d'un carburant dont les caractéristiques ne coïncident pas avec le modèle théorique. [0007] Afin de piloter au mieux l'injection d'urée dans le SCR, il apparaît donc nécessaire d'adapter l'estimation théorique de la quantité de NOx à traiter. [0008] En ce sens, le brevet Américain US 8,510,024 (GM GLOBAL TECH OPERATIONS) présente un dispositif et un procédé permettant de réajuster la courbe théorique pilotant l'injection d'urée dans le SCR. [0009] A cet effet, il est proposé dans ce brevet antérieur de mesurer la quantité de NOx en sortie du SCR et de la comparer avec une estimation théorique de cette même quantité. Dès lors qu'une différence entre la valeur mesurée et la valeur théorique est détectée, le dispositif réajuste en temps réel l'estimation théorique. [0010] Cette technique ne va cependant pas sans inconvénients. D'abord, le réajustement de l'estimation théorique en temps réel nécessite d'importantes ressources calculatoires. Ensuite, ce réajustement fondé sur la quantité de NOx mesurée en sortie du SCR fait l'impasse sur un éventuel dysfonctionnement du SCR et n'évite de ce fait nullement les dérives dues à un problème matériel. [0011] Un premier objectif est d'améliorer la dépollution des gaz d'échappement des véhicules à moteur diesel. [0012] Un deuxième objectif est de proposer une solution permettant d'optimiser la catalyse des NOx dans les gaz d'échappement. [0013] Un troisième objectif est d'optimiser la quantité d'urée injectée dans la ligne d'échappement en amont du SCR. [0014] Un quatrième objectif est de mieux adapter à la réalité la loi d'estimation de l'urée à injecter dans la ligne d'échappement en amont du SCR. [0015] 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, cette ligne d'échappement comprenant un réducteur catalytique sélectif ou SCR, ce procédé comprenant les étapes suivantes : - estimation d'une quantité instantanée d'oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement en amont du SCR suivant une loi d'estimation prédéterminée ; - mesure d'une quantité d'oxydes d'azote présents dans les gaz en aval du SCR au moyen d'une sonde ; ajustement de la loi d'estimation en fonction de la différence entre la quantité estimée d'oxydes d'azote et la quantité mesurée, cet ajustement comprenant les opérations suivantes : arrêt temporaire de l'injection d'urée dans le SCR ; calcul de la différence moyenne entre la quantité estimée d'oxydes d'azote en amont du SCR et la quantité mesurée pendant un intervalle de calcul prédéterminé postérieur à l'arrêt de l'injection d'urée; recalage de la loi d'estimation d'une valeur correspondant à la différence moyenne ainsi calculée ; reprise de l'injection d'urée dans le SCR. [0016] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, considérées individuellement ou en combinaison : l'ajustement de la loi d'estimation comprend, après l'arrêt temporaire de l'injection d'urée dans le SCR, une temporisation jusqu'à un instant où le SCR est décrété vide d'ammoniac ; l'intervalle de calcul est compris entre 10s et 60s ; l'ajustement de la loi d'estimation est opéré périodiquement ; l'ajustement de la loi d'estimation est opéré périodiquement sur une base temporelle ; l'ajustement de la loi d'estimation est opéré périodiquement sur une base kilométrique. [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 calculateur, un réservoir d'urée relié à l'amont du SCR, et une sonde connectée au calculateur et propre à mesurer, en aval du SCR, une quantité d'oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement, le calculateur étant programmé pour : - estimer une quantité instantanée d'oxydes d'azote présents dans les gaz suivant une loi d'estimation prédéterminée ; tenir compte de la quantité d'oxydes d'azote mesurée par la sonde en aval du SCR ; ajuster la loi d'estimation en fonction de la différence entre la quantité estimée d'oxydes d'azote et la quantité mesurée ; commander l'arrêt temporaire de l'injection d'urée dans le SCR ; calculer la différence moyenne entre la quantité estimée d'oxydes d'azote en amont du SCR et la quantité mesurée pendant un intervalle de calcul prédéterminé postérieur à l'arrêt de l'injection ; recaler la loi d'estimation d'une valeur correspondant à la différence moyenne ainsi calculée ; - commander la reprise de l'injection d'urée dans le SCR. [0018] Ce système peut comprendre un filtre à particules disposé en aval du SCR, et le cas échéant un deuxième SCR en aval du filtre à particules. L'intérêt de la présence du deuxième SCR est de permettre de continuer à dépolluer durant la phase de recalage. [0019] Il est proposé, en troisième lieu, un véhicule automobile équipé d'un tel système de dépollution. [0020] 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 un diagramme représentant les étapes d'un procédé de dépollution; la figure 3 représente plusieurs courbes de mesures ou d'estimations; [0021] 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. [0022] Les produits de la combustion contiennent, à la sortie des chambres de combustion du moteur, 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 à l'atmosphère. [0023] 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. [0024] 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 7 débouchant dans l'atmosphère. [0025] Le système 5 de dépollution, illustré de manière plus détaillée sur la figure 2, comprend : un premier réducteur 8 catalytique sélectif ou SCR conçu pour traiter les oxydes d'azote (NOx), un filtre 9 à particules ou FAP, disposé en aval du premier SCR 8 pour éliminer les particules de suies, un deuxième SCR 10 dont la présence permet de continuer à dépolluer durant la phase de recalage. une sonde 11 montée sur le conduit 7 en aval du premier SCR 8 (ou, comme illustré, en aval du FAP 9), ayant pour fonction de mesurer le taux de NOx dans les gaz en aval du premier SCR 8 (ou, comme dans l'exemple illustré, en aval du FAP 9), un calculateur 12 auquel est connectée la sonde 11, ce calculateur 12 comprenant une unité de traitement (ou processeur) programmable, un réservoir 13 d'urée raccordé, par un circuit 14 d'injection, au conduit 7 en amont du premier SCR 8 et en amont du deuxième SCR 10, pour alimenter ceux-ci en urée de manière commandée. [0026] Rappelons qu'un SCR 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, selon la réaction principale : 4 NO + 4 NH3 + 02 4 N2 + 6 H2O [0027] Le calculateur 12 pilote l'injection d'urée depuis le réservoir 13 vers le conduit 7 via une électrovanne 15 montée sur le circuit 14. Dans l'exemple illustré, une électrovanne unique est représentée, en amont d'une dérivation reliant le réservoir 13 à l'amont du premier SCR 8 et à l'amont du deuxième SCR 10. En variante, deux électrovannes pourraient être prévues, à savoir une pour chaque SCR 8, 10 en aval de la dérivation. [0028] Une loi d'estimation, qui détermine une quantité théorique d'urée à injecter dans le conduit 7 en fonction du temps, est programmée dans le calculateur 12. Le calculateur 12 applique cette loi d'estimation pour commander l'injection d'urée dans le conduit 7. [0029] 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, température d'huile. [0030] Afin d'éviter les dérives, c'est-à-dire un écartement progressif de la quantité théorique d'urée (calculée par la loi d'estimation) de la quantité réelle d'urée à injecter pour permettre un fonctionnement optimal du SCR 8, il est prévu de réajuster périodiquement la loi d'estimation en fonction de la mesure du taux de NOx mesurée par la sonde en aval du SCR 8. [0031] La procédure de réajustement de la loi d'estimation comprend plusieurs étapes, commandées par le calculateur 12. [0032] Une première étape consiste, à un instant ta, à stopper l'injection d'urée dans les SCR 8, 10. A cet effet, le calculateur 12 pilote l'électrovanne 15 pour bloquer la circulation d'urée dans le circuit 20 14. [0033] Une deuxième étape consiste à temporiser pendant une durée séparant l'instant ta d'un instant t1 auquel, faute d'alimentation, la quantité d'ammoniac présent dans le SCR 8 est décrétée nulle autrement dit le SCR 8 est décrété vide d'ammoniac. Il est à noter que 25 la quantité d'ammoniac présent dans le SCR 8 peut être soit déterminée par une sonde montée dans le SCR 8, soit par application d'un modèle théorique programmé dans le calculateur 12. [0034] Une troisième étape consiste à effectuer, à partir de l'instant t1 et pendant un intervalle de calcul d'une durée prédéterminée, une 30 comparaison entre la quantité de NOx réellement présente dans les gaz d'échappement en aval du SCR 8, telle que mesurée par la sonde 11, et la quantité de NOx théoriquement présente dans les gaz d'échappement en amont du SCR 8, telle qu'estimée par le calculateur 12 selon la loi d'estimation. Ces quantités devraient être égales, puisque le SCR 8, 35 privé d'ammoniac à partir de l'instant t1, n'est plus en mesure d'assurer le traitement des NOx. La comparaison effectuée par le calculateur 12 consiste de préférence à calculer la différence moyenne entre la quantité estimée de NOx et la quantité mesurée de NOx (renvoyée à chaque instant par la sonde 11 au calculateur 12), pendant l'intervalle de calcul, qui s'achève à un instant t2 de fin de calcul prédéterminé. [0035] Une quatrième étape consiste à recaler la loi d'estimation en fonction du résultat de la comparaison. Plus précisément, la loi d'estimation est recalée de la différence calculée entre la quantité estimée de NOx et la quantité mesurée de NOx. D'un point de vue mathématique, ce recalage consiste, à l'instant t2, à affecter la courbe d'estimation de la quantité de NOx d'une translation verticale (selon l'axe des ordonnées) de la valeur de la différence calculée, comme l'indique le segment vertical sur le tracé continu de la courbe du milieu de la figure 3. [0036] Une cinquième étape consiste, à la fin de l'intervalle de calcul (c'est-à-dire à l'instant t2), à commander la reprise de l'injection d'urée selon la loi d'estimation ainsi réajustée. [0037] Comme nous venons de l'évoquer, le fonctionnement du premier SCR 8 est interrompu pendant la durée de calcul, en raison de l'arrêt de l'injection d'urée. Le deuxième SCR 10 prend le relais et assure le traitement des NOx pour éviter que ceux-ci ne soient présents à la sortie de la ligne 4 d'échappement. Cependant il est préférable que le deuxième SCR 10 soit, à l'instant t1 , chargé en ammoniac à au moins 50% de sa capacité de stockage, afin d'éviter sa vidange complète avant la reprise de l'injection d'urée à l'instant t2. [0038] Des essais ont démontré que, pour que la procédure de réajustement soit efficace, l'intervalle de calcul (t2-t1) est de préférence supérieur ou égal à 10 secondes, tout en étant de préférence inférieur ou égal à 60 secondes. [0039] La procédure de réajustement elle-même est avantageusement opérée périodiquement, sur une base temporelle ou kilométrique. Typiquement, cette procédure peut être opérée, au cours d'une utilisation ininterrompue du véhicule, toutes les trois heures, ou encore tous les 100 km. [0040] Diverses variantes peuvent être envisagées. [0041] On peut ainsi prévoir de piloter séparément l'injection d'urée dans le premier SCR 8 et dans le deuxième SCR 10, au moyen d'électrovannes séparées. Cette architecture est avantageuse dans la mesure où elle dispense le deuxième SCR de seuil de stockage en prévision de la procédure de réajustement, qui peut être conduite sans risque de défaillance du deuxième SCR 10. [0042] Il résulte de l'architecture qui vient d'être décrite les avantages suivants. [0043] Premièrement, la loi d'estimation du taux de NOx dans les gaz d'échappement est optimisée grâce à son recalage périodique, qui permet d'éviter les dérives. [0044] Deuxièmement, la quantité d'urée injectée dans la ligne d'échappement en amont du SCR est optimisée, grâce au recalage de la loi d'estimation. [0045] Troisièmement, la catalyse des NOx est améliorée, grâce à une quantité d'urée injectée optimisée. [0046] Quatrièmement, la dépollution des gaz d'échappement est améliorée, ce qui résulte des avantages précédents.15 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 étapes suivantes : estimation d'une quantité instantanée d'oxydes d'azote présents dans les gaz suivant une loi d'estimation prédéterminée ; mesure d'une quantité d'oxydes d'azote présents dans les gaz en aval du SCR (8) au moyen d'une sonde (11) ; ajustement de la loi d'estimation en fonction de la différence entre la quantité estimée d'oxydes d'azote et la quantité mesurée ; caractérisé en ce que la quantité estimée d'oxyde d'azote l'est en amont du SCR, et en ce que l'ajustement de la loi d'estimation comprend les opérations suivantes : arrêt temporaire de l'injection d'urée dans le SCR (8) ; calcul de la différence moyenne entre la quantité estimée d'oxydes d'azote en amont du SCR (8) et la quantité mesurée pendant un intervalle de calcul prédéterminé postérieur à l'arrêt de l'injection d'urée; recalage de la loi d'estimation d'une valeur correspondant à la différence moyenne ainsi calculée ; reprise de l'injection d'urée dans le SCR (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ajustement de la loi d'estimation comprend, après l'arrêt temporaire de l'injection d'urée dans le SCR (8), une temporisation jusqu'à un instant où le SCR est décrété vide d'ammoniac. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'intervalle de calcul est compris entre 10s et 60s. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ajustement de la loi d'estimation est opéré périodiquement. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ajustement de la loi d'estimation est opéré périodiquement sur une base temporelle. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ajustement de la loi d'estimation est opéré périodiquement sur une base kilométrique. 7. Système (5) de dépollution des gaz d'échappement sur une ligne (4) d'échappement d'un moteur (2) à combustion interne, ce système comprenant un réducteur (8) catalytique sélectif ou SCR, un calculateur (12), un réservoir (13) d'urée relié à l'amont du SCR (8), et une sonde (11) connectée au calculateur et propre à mesurer, en aval du SCR (8), une quantité d'oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement, le calculateur (12) étant programmé pour : estimer une quantité instantanée d'oxydes d'azote présents dans les gaz suivant une loi d'estimation prédéterminée ; tenir compte de la quantité d'oxydes d'azote mesurée par la sonde (11) en aval du SCR (8) ; ajuster la loi d'estimation en fonction de la différence entre la quantité estimée d'oxydes d'azote et la quantité mesurée ; caractérisé en ce que le calculateur (12) est programmé pour : commander l'arrêt temporaire de l'injection d'urée dans le SCR (8) ; calculer la différence moyenne entre la quantité estimée d'oxydes d'azote en amont du SCR (8) et la quantité mesurée pendant un intervalle de calcul prédéterminé postérieur à l'arrêt de l'injection ; recaler la loi d'estimation d'une valeur correspondant à la différence moyenne ainsi calculée ; commander la reprise de l'injection d'urée dans le SCR (8). 8. Système (5) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre (9) à particules disposé en aval du SCR (8). 9. Système (5) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième SCR (10) en aval du filtre (9) à particules. 10. Véhicule automobile équipé d'un système selon l'une des revendications 7 à 9.