EP2238322A2 - Procede de gestion d'un dispositif de post traitement des gaz d'echappement d'un moteur, incluant un mode basse frequence et un mode haute frequence d'alternance des phases de stockage et de purge - Google Patents

Procede de gestion d'un dispositif de post traitement des gaz d'echappement d'un moteur, incluant un mode basse frequence et un mode haute frequence d'alternance des phases de stockage et de purge

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EP2238322A2
EP2238322A2 EP09708569A EP09708569A EP2238322A2 EP 2238322 A2 EP2238322 A2 EP 2238322A2 EP 09708569 A EP09708569 A EP 09708569A EP 09708569 A EP09708569 A EP 09708569A EP 2238322 A2 EP2238322 A2 EP 2238322A2
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phase
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post
storage
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Sami Belhalfaoui
Alice Weck
Jean-Marc Duclos
Isabelle Louis Rose
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Renault SAS
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    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
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    • F02D41/0275—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to purge or regenerate the exhaust gas treating apparatus the exhaust gas treating apparatus being a NOx trap or adsorbent
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/50—Input parameters for engine control said parameters being related to the vehicle or its components
    • F02D2200/501—Vehicle speed

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine.
  • the invention relates to a method for managing the operation of an aftertreatment device of the exhaust gases of an internal combustion engine in a motor vehicle, wherein said after-treatment device undergoes alternately, according to a first operating mode, a storage phase and a purge phase, at a low frequency such that the storage phase lasts on the order of a few minutes, more particularly of the order of 5 to 10 minutes, and that the phase hard purge of the order of a few seconds, more particularly of the order of 3 to 5 seconds.
  • these systems operate in a discontinuous or alternative way, that is to say that in normal operation they trap pollutants but do not treat them only during regeneration phases, otherwise called purge phases. Thus, to be regenerated, these systems require specific combustion modes to ensure the necessary thermal and / or wealth levels.
  • the nitrogen oxide trap or NOx trap
  • the nitrogen oxide trap makes it possible to treat the nitrogen oxides produced by diesel combustion in the engine cylinders and carried by the exhaust gases in the exhaust line.
  • the NOx trap is an aftertreatment system that has an alternative operation, that is to say that it operates according to several phases of operation. More precisely, two distinct phases of operation succeed each other alternately:
  • the storage efficiency of a NOx trap is not fixed. It depends on several parameters, including the NOx flow present in the exhaust gas, the purge frequency and the temperature of the trap. Thus, the higher the NOx flow and the trap temperature, the lower the trap capacity.
  • the temperature range allowing a correct efficiency of the NOx trap is between 200 0 C and 350 0 C. For high temperatures, for example on a highway profile, it is not possible to treat NOx satisfactorily.
  • the NOx treatment strategy operates at a frequency qualified as low: the lean mode, corresponding to the storage phase, lasts about a few minutes, followed by the rich mode, corresponding to the purge phase, which lasts as for him of the order of a few seconds. These two phases follow one another following the requests sent by an NOx trap management automaton.
  • the present invention proposes to improve the current strategy of loading / unloading of the post-processing devices, allowing their operation in a wide range of engine operating points, and in particular in the engine operating zones where the post device -treatment is too hot to work conventionally.
  • the method of the invention is essentially characterized in that, according to a second mode of operation, the after-treatment device undergoes alternately the storage phase and the purge phase, at a high frequency such that the storage phase lasts on the order of 5 to 10 seconds and that the purge phase lasts of the order of a fraction of a second, said second mode operating mode replacing the first mode of operation when the average effective pressure of the engine is at least of the order of 10 6 pascal and / or the speed of the vehicle is at least of the order of 120 kilometers per hour.
  • the aftertreatment device is a nitrogen oxide trap.
  • the invention also applies to aftertreatment devices which, like the NOx trap, have an alternative operation between a storage phase and a regeneration phase.
  • the purge phase is, for example, a denitrification, or deNOx, of the nitrogen oxide trap.
  • the second mode of operation replaces the first mode of operation of the post-processing device when the vehicle is subjected to a road profile of the motorway type.
  • the road profile to which the vehicle is subjected can be raised by an electronic engine control unit which has a model of recognition of the types of road profile.
  • the electronic control unit of the engine comprises a controller for managing the operation of the post-processing device.
  • FIG. 1 represents the evolution over time of the amount of NOx emitted by a motor, when the NOx trap operates in low frequency mode (top graph) or in high frequency mode (bottom graph).
  • the present invention provides two modes of operation of an exhaust aftertreatment device: a low frequency mode and a high frequency mode. These modes are in particular implemented in depending on the road profile on which the vehicle is moving. They are complementary and can not intervene simultaneously.
  • the aftertreatment device is a nitrogen oxide trap.
  • the low frequency mode corresponds in fact to the storage / retrieval strategy of NOx as it is known.
  • this mode intervenes on low engine operating points, either for an effective average pressure (PME) less than 10 6 pascal, and at moderate speeds, ie less than 120 km / h.
  • PME effective average pressure
  • the storage time, or lean mixture is of the order of one minute, while the destocking time, or rich mixture, is of the order of one second.
  • the high frequency mode is applied in cases where the treatment of NOx by the low frequency mode is impossible, that is to say more particularly the heavily loaded cases, ie for which the SME is at least of the order of 10 6 pascal, and at high speed, ie at least of the order of 120 km / h.
  • the object of the invention is the joint use of a low frequency mode and a high frequency mode.
  • the storage capacity of a NOx trap decreases with the rise in temperature thereof.
  • the storage capacity of the trap is less than 1/10 of its maximum storage capacity.
  • engine NOx emissions are high, there is a large amount of NOx to process with reduced storage capacity, which makes the low frequency purge ineffective under these conditions.
  • the order of magnitude of the purge period in this case is 5 to 10 seconds in storage while the destocking time is of the order of the fraction of a second.
  • the high frequency mode makes it possible to process NOx in heavily loaded applications.
  • the invention therefore consists in jointly using two deNOx modes as a function of the operating points of the engine.
  • the deNOx will be of low frequency or high frequency type. In weakly charged cases, it is a deNOx of low frequency type that will be implemented while in charged applications, the deNOx will be of high frequency type.
  • Figure 1 shows a comparison of the accumulation of NOx in the trap, between a low frequency operating mode (top graph) and a high frequency operating mode (bottom graph), for a NOx flow from the engine assumed identical in both cases.
  • the lines 1 represent the amount of NOx emitted by the engine as a function of time.
  • the high frequency mode allows the treatment of an equivalent amount of NOx with respect to the low frequency mode.
  • the information concerning the encountered road profile is sent by the electronic engine control unit, or ECU for "Engine Control Unit".
  • the ECU has a road profile recognition model to evaluate the type of road conditions encountered by the vehicle. It also includes a NOx controller that manages the operation of the NOx trap and its associated parameters (switch to rich / poor mode, trigger, stop, etc.).
  • the NOx controller determines which NOx treatment is to be applied at the instant in question.
  • low frequency mode When the low frequency mode is required, the NOx storage takes place for several minutes and the reduction of the NOx is carried out by a rich phase of a few seconds. As long as the detected road profile is suitable for this mode, it continues continuously.
  • the NOx controller controls the transition to high frequency mode via the ECU.
  • the treatment of NOx is performed alternately poor modes for only a few seconds (storage) and rich modes of fractions of a second (reduction).
  • the process of the invention although it is particularly described for the NOx trap of a NOx trap, is applicable to the operation of other pollution control systems as well as for other problems such as for example sulfur poisoning of NOx traps.
  • the main advantage of the present invention is to be able to treat pollutants emitted by the engine for previously inaccessible operating points.
  • the present invention makes it possible in particular to treat NOx on highway type road profiles. This reduces the engine's overall NOx emissions.

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Abstract

L' invention concerne un procédé de gestion du fonctionnement d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile. Ledit dispositif subit alternativement, selon un premier mode de fonctionnement, une phase (2) de stockage et une phase (3) de purge, à une basse fréquence. Selon l'invention, ce procédé est essentiellement caractérisé en ce que, selon un deuxième mode de fonctionnement, le dispositif de post-traitement subit alternativement la phase (4) de stockage et la phase (5) de purge, à une haute fréquence, ledit deuxième mode de fonctionnement remplaçant le premier mode de fonctionnement lorsque la pression moyenne effective du moteur est au moins de l'ordre de 106 pascal et/ou que la vitesse du véhicule est au moins de l'ordre de 120 kilomètres par heure.

Description

PROCEDE DE GESTION D'UN DISPOSITIF DE POST-TRAITEMENT DES
GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR, INCLUANT UN MODE BASSE
FREQUENCE ET UN MODE HAUTE FREQUENCE D'ALTERNANCE DES
PHASES DE STOCKAGE ET DE PURGE
La présente invention concerne, de façon générale, le domaine du post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de gestion du fonctionnement d'un dispositif de posttraitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile, dans lequel ledit dispositif de post-traitement subit alternativement, selon un premier mode de fonctionnement, une phase de stockage et une phase de purge, à une basse fréquence telle que la phase de stockage dure de l'ordre de quelques minutes, soit plus particulièrement de l'ordre de 5 à 10 minutes, et que la phase de purge dure de l'ordre de quelques secondes, soit plus particulièrement de l'ordre de 3 à 5 secondes.
Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants des véhicules automobiles, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs. Ces systèmes permettent de réduire notamment les émissions de particules et d'oxydes d'azote NOx en plus de celles de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés .
Contrairement à un catalyseur d' oxydation traditionnel, ces systèmes fonctionnent de manière discontinue ou alternative, c'est-à-dire qu'en fonctionnement normal ils piègent les polluants mais ne les traitent que lors de phases de régénération, autrement appelées phases de purge. Ainsi, pour être régénérés, ces systèmes nécessitent des modes de combustion spécifiques afin de garantir les niveaux de thermique et/ou de richesse nécessaires.
Par exemple, le piège à oxyde d'azote, ou piège NOx, permet de traiter les oxydes d'azote produits par la combustion diesel dans les cylindres du moteur et emportés par les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement. Le piège NOx est un système de posttraitement qui a un fonctionnement alternatif, c'est-à- dire qu' il fonctionne suivant plusieurs phases de fonctionnement. Plus précisément, deux phases de fonctionnement distinctes se succèdent par alternance :
D'une part, une phase de stockage pendant laquelle les NOx présents dans les gaz d'échappement provenant du moteur sont retenus dans le piège NOx par réaction chimique. Cette phase a lieu lorsque les gaz d'échappement sont en milieu pauvre.
D'autre part, une phase de purge pendant laquelle les NOx stockés dans le piège sont réduits, c'est-à-dire éliminés du piège. Cette phase a lieu en présence d'un milieu riche.
De l'alternance de ces deux phases dépend la capacité du piège à traiter les NOx. Cependant, les stratégies de contrôle actuelles mises en place pour le fonctionnement du piège NOx rendent certaines situations de conduite du véhicule automobile inaccessibles aux traitements des NOx, notamment en conditions autoroutières. Dans ces situations, la quantité de NOx émis par le moteur est très supérieure à celle que le piège est en mesure de stocker à chaque instant, ce qui induit une forte émission de NOx en sortie de la ligne d' échappement .
L'efficacité de stockage d'un piège NOx n'est pas fixe. Elle dépend de plusieurs paramètres, et notamment du débit de NOx présents dans les gaz d'échappement, de la fréquence des purges et de la température du piège. Ainsi, plus le débit de NOx et la température du piège sont élevés, plus la capacité du piège est faible.
La plage de température permettant une efficacité correcte du piège NOx est comprise entre 2000C et 3500C. Pour des températures élevées, par exemple sur un profil autoroutier, il n'est pas possible de traiter les NOx de manière satisfaisante.
Actuellement, la stratégie de traitement des NOx fonctionne à une fréquence qualifiée de basse : le mode pauvre, correspondant à la phase de stockage, dure de l'ordre de quelques minutes, suivi du mode riche, correspondant à la phase de purge, qui dure quant à lui de l'ordre de quelques secondes. Ces deux phases se succèdent l'une à la suite de l'autre, suivant les requêtes envoyées par un automate de gestion du piège NOx.
Le problème lié à cette stratégie est qu'elle est inefficace dans certaines conditions, notamment sur des profils autoroutiers. En effet, au dessus de 3500C, l'efficacité de stockage du piège est très limitée. De plus, le débit de NOx est important sur ce type de trajet en raison du régime et de la charge moteur élevés.
Cette stratégie est donc limitée dans son utilisation puisque beaucoup de points de fonctionnement du moteur sont inaccessibles, et notamment ceux correspondant à des trajets de type autoroute, pour lesquels la charge et le régime moteur sont élevés. Cela se traduit par une incapacité du piège NOx à traiter les oxydes d'azote sur ces points de fonctionnement.
La réglementation actuelle (Euro V) n'est que peu sévère sur l'émission des NOx sur un profil autoroutier. C'est pourquoi la stratégie actuelle est satisfaisante pour répondre aux normes en vigueur. En revanche, les futures normes seront probablement plus contraignantes sur ces points de fonctionnement et la stratégie actuelle ne pourra alors plus répondre aux objectifs de ces normes .
La présente invention se propose d'améliorer l'actuelle stratégie de chargement/déchargement des dispositifs de post-traitement, en permettant leur fonctionnement dans une large étendue de points de fonctionnement moteur, et notamment dans les zones de fonctionnement moteur où le dispositif de post-traitement est trop chaud pour fonctionner de façon conventionnelle.
A cette fin, le procédé de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que, selon un deuxième mode de fonctionnement, le dispositif de post-traitement subit alternativement la phase de stockage et la phase de purge, à une haute fréquence telle que la phase de stockage dure de l'ordre de 5 à 10 secondes et que la phase de purge dure de l'ordre de la fraction de seconde, ledit deuxième mode de fonctionnement remplaçant le premier mode de fonctionnement lorsque la pression moyenne effective du moteur est au moins de l'ordre de 106 pascal et/ou que la vitesse du véhicule est au moins de l'ordre de 120 kilomètres par heure. Plus particulièrement, le dispositif de posttraitement est un piège à oxydes d'azote. Cependant, l'invention s'applique également aux dispositifs de posttraitement qui ont, comme le piège NOx, un fonctionnement alternatif entre une phase de stockage et une phase de régénération .
La phase de purge est par exemple une dénitrification, ou déNOx, du piège à oxydes d'azote.
Selon une version préférée de l'invention, le deuxième mode de fonctionnement remplace le premier mode de fonctionnement du dispositif de post-traitement lorsque le véhicule est soumis à un profil de route du type autoroutier.
Le profil de route auquel est soumis le véhicule peut être relevé par une unité de contrôle électronique du moteur qui dispose d'un modèle de reconnaissance des types de profil de route.
De manière avantageuse, l'unité de contrôle électronique du moteur comporte un automate de gestion du fonctionnement du dispositif de post-traitement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description détaillée qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente l'évolution dans le temps de la quantité de NOx émis par un moteur, lorsque le piège NOx fonctionne en mode basse fréquence (graphe du haut) ou en mode haute fréquence (graphe du bas) .
La présente invention propose deux modes de fonctionnement d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement : un mode basse fréquence et un mode haute fréquence. Ces modes sont en particulier mis en place en fonction du profil routier sur lequel évolue le véhicule. Ils sont complémentaires et ne peuvent intervenir simultanément .
Dans le présent exemple, le dispositif de posttraitement est un piège à oxydes d'azote.
Le mode basse fréquence correspond en fait à la stratégie de stockage/déstockage des NOx telle qu'elle est connue.
Dans l'invention, ce mode intervient sur les points de fonctionnement moteur peu chargés, soit pour une pression moyenne effective (PME) inférieure à 106 pascal, et à des vitesses modérées, soit inférieures à 120 km/h environ.
A titre indicatif, selon ce mode de fonctionnement, le temps de stockage, soit en mélange pauvre, est de l'ordre de la minute, tandis que le temps de déstockage, soit en mélange riche, est de l'ordre de la seconde.
Le mode haute fréquence est appliqué dans les cas où le traitement des NOx par le mode basse fréquence est impossible, c'est-à-dire plus particulièrement les cas fortement chargés, i.e. pour lesquels la PME est au moins de l'ordre de 106 pascal, et à vitesse élevée, i.e. au moins de l'ordre de 120 km/h.
L'objet de l'invention est l'utilisation conjointe d'un mode basse fréquence et d'un mode haute fréquence.
Il est connu que la capacité de stockage d'un piège NOx diminue avec l'élévation de la température de celui-ci. A titre d'exemple, pour des températures de l'ordre de 5500C, on estime que la capacité de stockage du piège se situe à moins de 1/10 de sa capacité de stockage maximum. Comme de plus dans les points de fonctionnement moteur correspondant à ces températures, les émissions de NOx du moteur sont élevées, il y a une grande quantité de NOx à traiter avec une capacité de stockage réduite, ce qui rend la purge basse fréquence inefficace dans ces conditions.
Dans le cas de purges à haute fréquence, pour des températures élevées du piège NOx, un traitement continu des NOx a lieu. L'efficacité de stockage atteignable dans ce cas peut s'élever à la moitié de la capacité maximale de stockage du piège.
L'ordre de grandeur de la période des purges dans ce cas est de 5 à 10 secondes en stockage tandis que le temps de déstockage est de l'ordre de la fraction de seconde .
Le mode haute fréquence rend alors possible le traitement des NOx dans les applications fortement chargées .
Selon le présent exemple, l'invention consiste donc à utiliser conjointement deux modes de déNOx en fonction des points de fonctionnement du moteur. Ainsi, selon les profils routiers rencontrés, la déNOx va être de type basse fréquence ou haute fréquence. Dans les cas faiblement chargés, c'est une déNOx de type basse fréquence qui va être mise en place tandis que dans les applications chargées, la déNOx sera de type haute fréquence .
La figure 1 montre une comparaison de l'accumulation des NOx dans le piège, entre un mode de fonctionnement basse fréquence (graphe du haut) et un mode de fonctionnement haute fréquence (graphe du bas) , pour un débit de NOx en provenance du moteur supposé identique dans les deux cas. Les droites 1 représentent la quantité de NOx émis par le moteur en fonction du temps.
Dans le cas à basse fréquence, une grande quantité de NOx est stockée pendant une phase 2 de stockage, puis éliminée pendant une phase 3 de purge.
Dans le cas à haute fréquence, de très faibles quantités seulement de NOx sont stockées pendant une phase 4 de stockage, puis éliminées pendant une phase 5 de purge l'instant suivant. Toutefois, le traitement répété de ces faibles quantités à haute fréquence permet le traitement d'un débit de NOx élevé.
Ainsi, dans un intervalle 6 de temps, le mode haute fréquence permet le traitement d'une quantité équivalente de NOx par rapport au mode basse fréquence.
L' information concernant le profil de route rencontré est envoyée par l'unité de contrôle électronique du moteur, ou ECU pour « Engine Control Unit ».
L'ECU dispose d'un modèle de reconnaissance de profil de route permettant d'évaluer le type de conditions routières rencontré par le véhicule. Il comporte de plus un automate NOx qui gère le fonctionnement du piège NOx et ses paramètres associés (passage en mode riche/pauvre, déclenchement, arrêt, etc. ) .
En fonction de l'information donnée par le modèle de reconnaissance de profil de route, l'automate NOx, qui comporte la stratégie objet de l'invention, détermine quel traitement des NOx est à appliquer à l'instant considéré. Il y a deux possibilités d'application : mode basse fréquence et mode haute fréquence. Lorsque le mode basse fréquence est requis, le stockage des NOx a lieu pendant plusieurs minutes et la réduction des NOx s'effectue par une phase riche de quelques secondes. Tant que le profil routier détecté est adapté à ce mode, il se poursuit en continu. Une fois que le profil routier n'est plus adapté à la purge basse fréquence, l'automate NOx commande le passage en mode haute fréquence par l'intermédiaire de l'ECU. Le traitement des NOx s'effectue par alternance de modes pauvres pendant quelques secondes seulement (stockage) et de modes riches de quelques fractions de seconde (réduction) .
Le procédé de l'invention, même s'il est décrit particulièrement pour les purges déNOx d'un piège NOx, est applicable au fonctionnement d'autres systèmes de dépollution ainsi que pour d'autres problèmes comme par exemple l'empoisonnement au soufre des pièges NOx.
L'avantage principal de la présente invention est de pouvoir traiter les polluants émis par le moteur pour des points de fonctionnement jusqu'alors inaccessibles. La présente invention permet notamment le traitement des NOx sur des profils routiers de type autoroute. Cela permet de diminuer les émissions globales de NOx du moteur .
De plus, la surconsommation de carburant due à la stratégie selon l'invention est très limitée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion du fonctionnement d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile, dans lequel ledit dispositif de post-traitement subit alternativement, selon un premier mode de fonctionnement, une phase (2) de stockage et une phase (3) de purge, à une basse fréquence telle que la phase (2) de stockage dure de l'ordre de 5 à 10 minutes et que la phase (3) de purge dure de l'ordre de 3 à 5 secondes, ledit procédé étant caractérisé en ce que, selon un deuxième mode de fonctionnement, le dispositif de post-traitement subit alternativement la phase (4) de stockage et la phase (5) de purge, à une haute fréquence telle que la phase (4) de stockage dure de l'ordre de 5 à 10 secondes et que la phase (5) de purge dure de l'ordre de la fraction de seconde, ledit deuxième mode de fonctionnement remplaçant le premier mode de fonctionnement lorsque la pression moyenne effective du moteur est au moins de l'ordre de 106 pascal et/ou que la vitesse du véhicule est au moins de l'ordre de 120 kilomètres par heure.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de post-traitement est un piège à oxydes d' azote .
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la phase (3, 5) de purge est une dénitrification, ou déNOx, du piège à oxydes d'azote.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième mode de fonctionnement remplace le premier mode de fonctionnement du dispositif de post-traitement lorsque le véhicule est soumis à un profil de route du type autoroutier.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le profil de route auquel est soumis le véhicule est relevé par une unité de contrôle électronique du moteur qui dispose d'un modèle de reconnaissance des types de profil de route.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'unité de contrôle électronique du moteur comporte un automate de gestion du fonctionnement du dispositif de post-traitement .
EP09708569A 2008-02-04 2009-01-23 Procede de gestion d'un dispositif de post traitement des gaz d'echappement d'un moteur, incluant un mode basse frequence et un mode haute frequence d'alternance des phases de stockage et de purge Withdrawn EP2238322A2 (fr)

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