Brevet FR3061515A1 — publié le 20180706

PROCÉDÉ D'INJECTION D'URÉE DANS UN CATALYSEUR DE RÉDUCTION SÉLECTIVE ET SYSTÈME DE POST-TRAITEMENT DES GAZ D'ÉCHAPPEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE [1] L'invention concerne de manière générale la dépollution des gaz d'échappement 5 émis par un moteur thermique de véhicule automobile. [2] Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé d'injection d'urée dans un catalyseur de réduction sélective d'un système de post-traitement des gaz d'échappement incluant un filtre à particules. L'invention se rapporte également à un système de post-traitement des gaz d'échappement comprenant un catalyseur de 10 réduction sélective et un filtre à particules et dans lequel est mis en oeuvre le procédé susmentionné. L'invention se rapporte enfin à un véhicule automobile équipé d'un tel système de post-traitement des gaz d'échappement et à un programme d'ordinateur. La présente invention trouve une application particulière dans les moteurs thermiques de type Diesel. 15 [003] Dans les véhicules automobiles, les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement sont devenus aujourd'hui indispensables pour satisfaire des normes environnementales de plus en plus sévères. Les émissions polluantes réglementées sont notamment le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azote (NOx) et les particules. 20 [004] Pour la dépollution des gaz d'échappement, il est connu d'intégrer des systèmes de post-traitement dans la ligne d'échappement des moteurs thermiques. En particulier, il est connu un système de post-traitement des gaz d'échappement pour les moteurs Diesel comprenant un catalyseur d'oxydation, un catalyseur de réduction sélective et un filtre à particules. 25 [005] Le catalyseur d'oxydation permet de traiter le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés, tandis que le filtre à particules est utilisé pour filtrer les particules de suies. [006] Le catalyseur de réduction sélective, dit SCR de « Selective Catalytic Reduction » en anglais, provoque une réduction sélective des NOx en azote et eau, en présence d'un 30 catalyseur spécifique et par l'action d'un agent réducteur. L'agent réducteur classiquement 3061515 2 utilisé est l'ammoniac (NH3). L'ammoniac est obtenu par dissociation de l'urée qui est injectée dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur SCR, sous la forme d'une solution aqueuse commercialisée sous la marque déposée « AdBlue ». [7] Les filtres à particules s'avèrent très efficaces pour diminuer la pollution 5 particulaire des moteurs Diesel. Cependant, l'accumulation progressive des particules de suies retenues dans les couches poreuses du filtre provoque une perte de charge dans la ligne d'échappement du moteur thermique et est susceptible de nuire au bon fonctionnement de celui-ci. Un nettoyage ou régénération du filtre à particules est indispensable après un certain nombre de kilomètres parcourus afin d'éliminer les 10 particules de suies accumulées. [8] Une méthode classique de régénération du filtre à particules fait appel à une élévation de la température des gaz d'échappement en entrée du filtre de manière à provoquer une combustion des suies accumulées. Cependant, lors des régénérations du filtre à particules, l'élévation de la température des gaz dans la ligne d'échappement 15 provoque dans le catalyseur SCR une diminution de la quantité stockable de NH3 dans le pain SCR et conduit à une émission parasite de ce composé chimique. [9] Par le document US2015/0285124A1, il est connu un procédé d'optimisation du dosage d'ammoniac lors d'une régénération dans un dispositif compact de post-traitement des gaz d'échappement formé d'un catalyseur SCR et d'un filtre à particules. Ce procédé 20 fait appel une prédiction d'un évènement futur de régénération à partir d'une différence des pressions en amont et en aval du filtre. Des capteurs de pression sont utilisés pour mesurer la perte de charge due au filtre. La quantité de suies accumulées est estimée à partir de la perte de charge mesurée et autorise une prédiction d'une future régénération du filtre. Cette prédiction est utilisée pour réduire la quantité d'ammoniac stockée dans le 25 pain SCR, en diminuant l'injection d'urée dans la ligne d'échappement avant que la régénération intervienne. Il est ainsi possible de limiter l'émission parasite d'ammoniac lors de la régénération. [0010] La présente invention vise à optimiser davantage l'injection d'urée dans la ligne d'échappement avant l'occurrence d'une régénération du filtre à particules, à partir d'une 30 prédiction plus fine de cette régénération qui autorise une meilleure anticipation du besoin en ammoniac dans le catalyseur SCR. 3061515 3 [0011] Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé d'injection d'urée dans un catalyseur de réduction sélective d'un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile, le système comprenant également un filtre à particules, le procédé comprenant une prédiction d'une prochaine régénération du filtre à particules et une limitation de l'injection d'urée de manière à réduire avant la prochaine régénération une quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur de réduction sélective. Conformément à l'invention, le procédé comprend une étape de prédiction délivrant une prédiction consolidée d'une prochaine régénération en fonction d'une prédiction principale basée sur un taux de roulage en ville du véhicule. [0012] Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, l'étape de prédiction délivre la prédiction consolidée en fonction également d'une prédiction complémentaire basée sur des habitudes de roulage du véhicule. [0013] Selon une autre caractéristique particulière, le taux de roulage en ville est calculé à partir de valeurs enregistrées d'une sélection de paramètres du véhicule comprenant au moins un des paramètres parmi la vitesse, la vitesse moyenne, la fréquence des changements de rapport de vitesse, les durées de roulage entre deux arrêts successifs du véhicule et le régime moteur. [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, la prédiction complémentaire basée sur des habitudes de roulage du véhicule comporte une anticipation de zones de 20 roulage favorables pour la prochaine régénération. [0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, le procédé comprend une étape de limitation de l'injection d'urée qui limite l'injection d'urée en fonction d'une efficacité de consigne pour la dépollution des oxydes d'azote par le catalyseur de réduction sélective. 25 [0016] Selon un autre aspect, l'invention concerne également un système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comprenant un catalyseur de réduction sélective, un filtre à particules et une unité de commande. Conformément à l'invention, le système comprend un module logiciel implanté dans l'unité de commande apte à réaliser une prédiction consolidée d'une prochaine 30 régénération du filtre à particules en fonction d'une prédiction principale basée sur un taux de roulage en ville du véhicule, une limitation d'une injection d'urée dans le système étant 3061515 4 effectuée en fonction de la prédiction consolidée de manière à réduire avant la prochaine régénération une quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur de réduction sélective. [0017] Selon une autre caractéristique particulière, le module logiciel est apte à réaliser la prédiction consolidée en fonction également d'une prédiction complémentaire basée sur 5 des habitudes de roulage du véhicule. [0018] Selon une forme de réalisation particulière, l'unité de commande est l'unité de contrôle moteur du véhicule. [0019] Selon d'autres aspects, l'invention concerne également un véhicule automobile équipé du système de post-traitement des gaz d'échappement décrit brièvement ci-dessus 10 et un programme d'ordinateur pour l'exécution des étapes du procédé d'injection d'urée. [0020] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention, dans laquelle : la Fig.1 est vue d'ensemble en découpe partielle d'une forme de réalisation 15 particulière d'un système de post-traitement des gaz d'échappement selon l'invention ; la Fig.2 est une courbe montrant la réduction de la masse stockée d'ammoniac dans le pain SCR avant l'occurrence d'une régénération du filtre à particules dans le système de la Fig.1 ; et la Fig.3 est un algorithme montrant des étapes du procédé d'injection d'urée selon 20 l'invention. [0021] Comme montré à la Fig.1, le système de post-traitement de gaz d'échappement 1, selon la forme de réalisation particulière décrite ici de l'invention, comprend essentiellement un catalyseur d'oxydation 2, un dispositif compact 3 de post-traitement des gaz d'échappement, un réservoir 4 contenant la solution aqueuse d'urée et une unité 25 électronique de commande 5. [0022] Le dispositif compact de post-traitement de gaz d'échappement 3 comprend un catalyseur SCR 30 et un filtre à particules 31. [0023] Pour la commodité de la description, le catalyseur SCR 30 et le filtre à particules 31 sont représentés à la Fig.1 comme deux composants séparés. On notera toutefois que 3061515 5 le dispositif compact 3 pourra avantageusement être du type dit « Système Compact Liquide » et intégrer la couche catalytique SCR, dite « washcoat », sous une forme imprégnée dans le filtre à particules. La compacité du dispositif 3 facilite son montage à proximité du bloc-moteur, après le catalyseur d'oxydation 2, notamment pour la 5 satisfaction des normes européennes dites Euro 6.2 et 7. [0024] Comme montré à la Fig.1, le dispositif compact 3 est ici équipé en amont et en aval de capteurs de NOx 32a et 32b, de capteurs de pression 33 et d'un capteur de température 34. [0025] Les capteurs 32a et 32b délivrent des mesures de la quantité de NOx en amont et 10 en aval du dispositif compact 3 et autorisent ainsi une mesure d'une efficacité de dépollution du catalyseur SCR 30. Les signaux de mesure des capteurs 32a et 32b sont fournis à un port d'entrée 50 de l'unité électronique de commande 5 qui calcule l'efficacité de dépollution du catalyseur SCR 30 et ajuste l'injection d'urée en fonction d'une efficacité de consigne. 15 [0026] Les capteurs de pression 33 mesurent des pressions Pa et Pb entre en amont et en aval du filtre à particules 31. Les signaux de mesure des capteurs 33 sont fournis au port d'entrée 50 de l'unité 5 qui calcule une vitesse de dépôt des suies et évalue ainsi un niveau d'accumulation des particules de suies dans le filtre 31. [0027] Le capteur de température 34 mesure la température dans le dispositif compact 20 3, ici au niveau du filtre à particules 31. Le signal de mesure de température du capteur 34 est fourni au port d'entrée 50 de l'unité 5. L'unité 5 utilise ce signal de mesure de température notamment pour la commande de la régénération du filtre 31. [0028] Comme montré à la Fig.1, un injecteur d'urée 35 est monté dans la ligne d'échappement, en amont du dispositif compact 3, et pulvérise la solution d'urée à l'entrée 25 du dispositif 3. L'injecteur 35 est relié au réservoir 4 par une canalisation 350 qui l'alimente en solution d'urée. L'injecteur 35 est commandé par l'unité 5 avec un signal de commande délivré par un port de sortie 51 de celle-ci. Le jet de pulvérisation de l'injecteur 35 est dirigé vers une grille mélangeuse 36, en entrée du dispositif compact 3, qui favorise une dispersion de l'urée dans les gaz d'échappement EG. 30 [0029] Le réservoir 4 est typiquement logé au niveau du coffre à bagages, à l'arrière du véhicule, dans le coffre lui-même ou sous le plancher du coffre. Une carte d'interface 3061515 6 électronique (non représentée) équipe le réservoir 4 et relie celui-ci à l'unité 5. D'autres moyens tels qu'une pompe doseuse d'urée et un dispositif de chauffage électrique contre le gel sont également associés au réservoir 4 et ne sont pas décrits ici. [0030] Dans cette forme de réalisation particulière, l'unité électronique de commande 5 5 est l'unité de contrôle moteur du véhicule. Comme indiqué plus haut, l'unité 5 comporte des ports d'entrée et de sortie, 50 et 51, à travers lesquels transitent les différents signaux nécessaires à la commande des composants fonctionnels du système de post-traitement de gaz d'échappement 1. Un port de communication 52 est également prévu dans l'unité 5 et autorise une connexion de celle-ci à un réseau de communication de type CAN du 10 véhicule. Un module logiciel dédié est implanté dans l'unité 5 et permet une commande du système 1 selon de procédé de l'invention par l'exécution d'instructions de code de programme par un processeur de l'unité 5. [0031] La Fig.2 est une courbe montrant l'évolution de la masse stockée d'ammoniac M_NH3 dans le pain SCR du catalyseur 30 en fonction de la distance de roulage 15 parcourue D depuis la dernière régénération. A la Fig.2, il est montré une régénération RG prédite à une distance de roulage D = DRG. [0032] Conformément à l'invention, une évolution descendante de la masse M_NH3 est amorcée lorsqu'une occurrence proche d'une régénération RG a été prédite. Il est considéré que l'occurrence d'une régénération est proche lorsque la distance de roulage DRG - D restant à parcourir avant le déclenchement de la régénération est égale ou inférieure à une distance Dr qui est ici fixée à 50 km, à titre d'exemple. A la Fig.2, la prédiction de l'occurrence proche de la régénération est notée P RG. [0033] Le procédé selon l'invention est maintenant décrit de manière détaillée à l'aide de l'algorithme montré à la Fig.3. [0034] Comme montré à la Fig.3, le procédé comporte cinq étapes principales S1 à S5. [0035] A l'étape S1, il est calculé la distance de roulage totale D parcourue par le véhicule depuis la dernière régénération. Les différentes distances de roulage d effectuées dans le temps sont sommées lors de cette étape S1 afin d'obtenir la distance de roulage D. [0036] L'étape S2 est une étape de prédiction de la distance de roulage DRG à laquelle interviendra la prochaine régénération. On notera ici que cette prédiction est effectuée en 3061515 7 continu, de manière itérative, et est actualisée en permanence avec tout changement des variables d'entrée. [0037] La prédiction de l'étape S2 fait appel à deux méthodes de prédiction, à savoir, une méthode de prédiction principale MP1 et une méthode de prédiction complémentaire 5 MP2. [0038] Dans la méthode principale MP1, à chaque démarrage du véhicule, il est enregistré les valeurs d'une sélection prédéterminée de paramètres tels que les vitesses instantanée Sp et moyenne Av sp du véhicule, la fréquence des changements de rapport de vitesse F G, les durées de roulage D driv entre deux arrêts successifs du véhicule et 10 le régime moteur Rpm. Conformément à la méthode MP1, ces valeurs enregistrées sont utilisées pour calculer un taux TR de roulage en ville du véhicule. Une cartographie est ensuite utilisée pour obtenir à partir du taux TR une prédiction principale D1 de la distance de roulage à laquelle interviendra le déclenchement de la prochaine régénération RG. [0039] Bien entendu, la sélection de paramètres ci-dessus pour la méthode MP1 est 15 donnée à titre d'exemple et pourra être adaptée selon l'application de la présente invention. Par ailleurs, on notera que dans le cas où l'unité 5 est l'unité de contrôle moteur du véhicule, les paramètres requis par la méthode principale MP1 seront en grande partie déjà disponibles dans celle-ci ou seront calculés aisément. Si nécessaire, les informations manquantes pour l'obtention des valeurs des paramètres requis pourront être transmises à 20 l'unité 5 à travers le réseau de communication CAN. [0040] Dans la méthode complémentaire MP2, les habitudes de roulage Driv hab du véhicule et les coordonnées GPS sont stockées. Il est ainsi possible d'anticiper des zones de roulage favorables pour lancer une régénération RG. Par exemple, si le véhicule roule en ville en semaine et sur l'autoroute le week-end, la régénération sera priorisée durant le 25 week-end compte-tenu de conditions plus favorables en termes de vitesse élevée et de durée de roulage plus longue. La méthode MP2 délivre une prédiction complémentaire D2 de la distance de roulage à laquelle interviendra le déclenchement de la prochaine régénération RG dans une zone choisie comme étant la plus favorable. [0041] A l'étape S2, la distance de roulage DRG est prédite en fonction des prédictions 30 principale D1 et complémentaire D2. La distance D1 est priorisée par rapport à D2. La distance D2 sert à consolider la prédiction finale DRG en modifiant la prédiction DRG=D1 qui serait choisie si la méthode principale MP1 était seulement utilisée. Par ailleurs, la 3061515 8 compatibilité de la prédiction DRG avec une distance minimum imposée par la réglementation entre deux régénérations successives peut être vérifiée à ce stade, ou ultérieurement dans le processus. [0042] L'étape S3 est une étape conditionnelle pour détecter la satisfaction de l'inégalité 5 (DRG - D) Dr. Tant que l'inégalité (DRG - D) Dr n'est pas vérifiée (sortie N), aucune action n'intervient sur la cartographie de l'injection d'urée et la masse stockée M_NH3 d'ammoniac est maintenue constante comme montré à la Fig.2. Lorsque l'inégalité (DRG D) Dr est vérifiée (sortie Y), l'étape S4 est ensuite exécutée pour une modification de la cartographie de l'injection d'urée. 10 [0043] A l'étape S4, le processus de réduction progressive de la masse M_NH3 est activé pendant que l'unité 5 poursuit les prédictions de l'étape S4 et fait converger sa prédiction DRG vers la distance de roulage effective à laquelle interviendra la régénération RG. Comme montré à la Fig.2, après le point P RG correspondant au début de l'exécution de l'étape S4, l'unité 5 modifie sa cartographie de l'injection d'urée dans la ligne 15 d'échappement ou directement une consigne de débit de l'injection d'urée afin de provoquer une réduction de la masse M_NH3. L'objectif est alors de stocker dans le pain SCR juste la quantité d'ammoniac nécessaire pour un fonctionnement satisfaisant du catalyseur SCR 30. Pour cela, l'unité 5 pourra utiliser les capteurs de NOx, 32a et 32b, situés en amont et en aval du catalyseur SCR 30 pour diminuer progressivement la masse 20 stockée M_NH3 dans le pain SCR à mesure que la régénération RG approche tout en respectant une efficacité de consigne pour la dépollution des NOx. Typiquement, la masse stockée M_NH3 est réduite jusqu'à atteindre une valeur de l'ordre de 350 mg au moment de la régénération. [0044] A l'étape S5, la régénération RG est effectuée et le procédé revient à l'étape Si 25 après une initialisation des réglages à leurs valeurs d'origine. [0045] Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières décrites ici. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. 30 REVENDICATIONS1. Procédé d'injection d'urée dans un catalyseur de réduction sélective (30) d'un système (1) de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile, ledit système (1) comprenant également un filtre à particules (31), ledit procédé comprenant une prédiction d'une prochaine régénération (RG) dudit filtre à particules (31) et une limitation de l'injection d'urée de manière à réduire avant ladite prochaine régénération (RG) une quantité d'ammoniac stockée dans ledit catalyseur de réduction sélective (30), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prédiction (S2) délivrant une prédiction consolidée (DRG) d'une prochaine régénération (RG) en fonction d'une prédiction principale (MP1, D1) basée sur un taux de roulage en ville (TR) dudit véhicule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de prédiction (S2) délivre ladite prédiction consolidée (DRG) en fonction également d'une prédiction complémentaire (MP2, D2) basée sur des habitudes de roulage (Driv hab) dudit véhicule. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit taux de roulage en ville est calculé à partir de valeurs enregistrées d'une sélection de paramètres du véhicule comprenant au moins un des paramètres parmi la vitesse (Sp), la vitesse moyenne (Av sp), la fréquence des changements de rapport de vitesse (F G), les durées de roulage (D driv) entre deux arrêts successifs du véhicule et le régime moteur (Rpm). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite prédiction complémentaire (MP2, D2) basée sur des habitudes de roulage (Driv hab) du véhicule comporte une anticipation de zones de roulage favorables pour ladite prochaine régénération (RG). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de limitation de l'injection d'urée (S4) qui limite l'injection d'urée en fonction d'une efficacité de consigne pour la dépollution des oxydes d'azote (NOx) par ledit catalyseur de réduction sélective (30). 3061515 10 6. Système de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile comprenant un catalyseur de réduction sélective (30), un filtre à particules (31) et une unité de commande (5), caractérisé en ce qu'il comprend un module logiciel implanté dans ladite unité de commande (5) apte à réaliser une 5 prédiction consolidée (DRG) d'une prochaine régénération (RG) dudit filtre à particules (31) en fonction d'une prédiction principale (MP1, D1) basée sur un taux de roulage en ville (TR) dudit véhicule, une limitation d'une injection d'urée dans ledit système étant effectuée en fonction de ladite prédiction consolidée (DRG) de manière à réduire avant ladite prochaine régénération (RG) une quantité 10 d'ammoniac stockée dans ledit catalyseur de réduction sélective (30). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit module logiciel est apte à réaliser ladite prédiction consolidée (DRG) en fonction également d'une prédiction complémentaire (MP2, D2) basée sur des habitudes de roulage (Driv hab) dudit véhicule. 15 8. Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite unité de commande (5) est l'unité de contrôle moteur dudit véhicule. 9. Véhicule automobile comportant un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un système (1) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 pour un post-traitement des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique. 20 10. Programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé d'injection d'urée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, lorsque ledit programme est exécuté par un processeur (5).