EP2923049A1 - Méthode et système pour le contrôle du fonctionnement d'un système de stockage et d'injection d'additif dans les gaz d'échappement d'un moteur - Google Patents

Méthode et système pour le contrôle du fonctionnement d'un système de stockage et d'injection d'additif dans les gaz d'échappement d'un moteur

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EP2923049A1
EP2923049A1 EP13799112.1A EP13799112A EP2923049A1 EP 2923049 A1 EP2923049 A1 EP 2923049A1 EP 13799112 A EP13799112 A EP 13799112A EP 2923049 A1 EP2923049 A1 EP 2923049A1
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EP
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additive
instantaneous measurement
reducing power
reservoir
alkalinity
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EP13799112.1A
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Paul Wouters
Stephane Leonard
Frédéric JANNOT
Francois Dougnier
Romain Herdier
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Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
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Inergy Automotive Systems Research SA
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Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present application relates to a method for controlling the operation of a component (such as, for example, an injector or a driver) of an SCR system.
  • a component such as, for example, an injector or a driver
  • the legislation on emissions from vehicles and heavy vehicles includes a reduction of NO x nitrogen oxides in the atmosphere.
  • SCR process Selective Catalytic Reduction
  • ammonia can come from the decomposition by thermolysis of a solution of an ammonia precursor whose concentration can be that of the eutectic.
  • an ammonia precursor is generally a urea solution.
  • an injector a device for metering and injecting the desired amount of additive into the exhaust line.
  • an injector a device for metering and injecting the desired amount of additive into the exhaust line.
  • the heating device whose function is to liquefy the additive solution so that it can be injected into the exhaust line when starting under freezing conditions.
  • the aqueous solution of urea generally used for this purpose eutectic 32.5% by weight of urea
  • freezes at -11 ° C it is necessary to provide such a heating device.
  • a known method relies on the use of engine mapping to estimate the amount of NOx that will be generated, and a feedback loop based on the lambda probe placed at the output of the catalytic converter SCR.
  • the disadvantage of this known method is that it does not take into account the fluid entering the exhaust and that therefore the control of the efficiency is purely dependent on the lambda probe which is not able to diagnose the origin a bad or over-reduction of NOx.
  • urea undergoes aging over time. This aging is caused in particular by thermal cycles. Thus, a part of the urea is transformed into dissolved NH3 which modifies the concentration of the solution.
  • the present invention aims to provide a method of controlling the operation of a component of a SCR system that is accurate and simple, and that allows to take into account the aging of the solution.
  • the present invention relates to a method of managing the operation of at least one component of a system for the storage and injection of an additive in the exhaust gas of an internal combustion engine, said system comprising a reservoir for storing the additive, said method comprising the following steps:
  • the present invention proposes to control the operation of one or more components of an SCR system, according to an estimation of the reducing power of the additive.
  • this reducing power information can be used to correct the quantity of additive to be injected into the exhaust gases and / or to adjust the temperature thresholds for the heating strategy (FIG. that is, adjust the activation / deactivation phases of the heater).
  • control signal for controlling the operation of the component is generated according to at least one of the following measures or their combinations:
  • the component of the SCR system to be controlled is the injector.
  • the amount of additive (urea for example) to be injected into the exhaust gas depends on the reducing power of the additive.
  • the component of the SCR system to be controlled is the heating device.
  • the heating strategy is adapted according to the reducing power of the additive.
  • said sensor is a capacitive (or multi-capacitive) sensor.
  • Capacitive sensors for measuring a concentration of additive are well known and are commercially available. They are therefore not described in detail in this document.
  • the reducing power information is used to determine the need or not to renew the additive contained in the tank. For example, if it is necessary to renew the additive, activate a corresponding indicator light (indicator light) on the dashboard of the vehicle.
  • a display screen can be activated (in the direction to be controlled) so that it returns a renewal request message for the additive to the attention of the user.
  • any precursor of ammonia (additive) in aqueous solution may be suitable within the scope of the invention.
  • the invention gives good results with eutectic solutions of urea for which there is a quality standard: for example, according to DIN 70070, in the case of the solution of AdBlue® (registered trademark) (commercial solution of urea), the urea content is between 31.8% and 33.2% (by weight) (ie 32.5 +/- 0.7% by weight), from which a quantity of available ammonia of between 18.0% and 18.8%.
  • the present invention can be applied to any internal combustion engine capable of generating NOx in its exhaust gas. It is advantageously applied to diesel engines and in particular to diesel engines of vehicles.
  • the present invention also relates to a control system for managing the operation of at least one component of a system for storing and injecting an additive in the exhaust gases of a fuel. internal combustion engine, said storage and injection system comprising a reservoir for the storage of the additive, characterized in that the control system comprises a control unit adapted to:
  • a signal conveying information for instantaneous measurement of the additive concentration and / or instantaneous measurement of the alkalinity of the additive and / or instantaneous measurement of the temperature within the tank;
  • control unit can be integrated into the electronic computer of the vehicle.
  • control unit can be integrated in the control unit of the fuel system (sometimes called FSCU or Fuel System Control Unit).
  • the present invention advantageously makes it possible to modify the estimate of the quantity of additive to be injected by incorporating at least one of the following information: alkalinity, concentration, temperature.
  • the reducing power per unit volume of the solution is expressed below according to a formula depending on at least three parameters:
  • PR f (Al, C, T) where Al is a measure of the alkalinity, C the concentration of urea, and T is the temperature and PR the reducing power per unit volume
  • this function will be a linear combination of parameters in the form
  • Q Q0 * g (PR), where Q0 is the quantity injected taking into account the engine mapping, g is the correction function relating to the real reducing power of Adblue and Q is the quantity actually injected.
  • a minimum value of the reducing power PRmin also called threshold
  • PRmin also called threshold
  • the reducing power PR (obtained with the formula cited above) and the threshold PRmin are compared. If the reducing power PR is less than or equal to the threshold PRmin, then one activates (ie transmission of an activation signal), for example, an indicator of the dashboard ("MIL” for "malfunction indicator lamp”) indicating to the user that the additive contained in the tank should be renewed.
  • MIL indicator of the dashboard
  • This alert may also be accompanied after a certain time or a number of kilometers of a limitation of the performance of the vehicle or even prevent engine start ("inducement strategies" in English). 3. Management of the heating strategy

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Abstract

L'invention concerne une méthode de gestion du fonctionnement d'un composant d'un système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Ledit système comprend un réservoir pour le stockage de l'additif et ladite méthode comprend les étapes suivantes : - obtenir une mesure instantanée de la concentration d'additif et/ou une mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et/ou une mesure instantanée de la température au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs de mesure montés au sein du réservoir; - déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de la concentration d'additif, et/ou de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et/ou de la mesure instantanée de la température au sein du réservoir; - générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé; - transmettre le signal de commande généré au composant.

Description

Méthode et système pour le contrôle du fonctionnement d'un système de stockage et d'injection d'additif dans les gaz d'échappement d'un moteur
La présente demande concerne une méthode pour contrôler le fonctionnement d'un composant (tel que par exemple, un injecteur ou un chauffeur) d'un système SCR.
Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOx dans l'atmosphère. Pour atteindre cet objectif on connaît le procédé SCR (Sélective Catalytic Réduction) qui permet la réduction des oxydes d'azote par injection d'un agent réducteur, généralement d'ammoniac, dans la ligne d'échappement. Cet ammoniac peut provenir de la décomposition par thermolyse d'une solution d'un précurseur d'ammoniac dont la concentration peut être celle de l'eutectique. Un tel précurseur d'ammoniac est généralement une solution d'urée.
Avec le procédé SCR, les dégagements élevés de NOx produits dans le moteur lors d'une combustion à rendement optimisé sont traités en sortie du moteur dans un catalyseur. Ce traitement requiert l'utilisation de l'agent de réduction à un niveau de concentration précis et dans une qualité extrême. La solution est ainsi précisément dosée et injectée dans le flux de gaz d'échappement où elle est hydrolysée avant de convertir l'oxyde d'azote (NOx) en azote (N2) et en eau (H20).
Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'additif (urée généralement), ainsi que d'un dispositif pour doser et injecter la quantité d'additif désirée dans la ligne d'échappement. Un tel dispositif est généralement appelé injecteur.
Ainsi, il est important de pouvoir contrôler avec précision injecteur.
D'une manière générale, il est important de pouvoir commander avec précision l'ensemble des composants clés du système SCR. Parmi, ces composants clés il y a le dispositif de chauffage qui a pour fonction de liquéfier la solution d'additif afin de pouvoir l'injecter dans la ligne d'échappement en cas de démarrage dans des conditions de gel. En effet, étant donné que la solution aqueuse d'urée généralement utilisée à cette fin (eutectique à 32.5 % en poids d'urée) gèle à -11°C, il est nécessaire de prévoir un tel dispositif de chauffage.
On connaît plusieurs méthodes pour contrôler le fonctionnement de l'injecteur. Une méthode connue repose sur l'utilisation de la cartographie du moteur pour estimer la quantité de NOx qui va être générée, et d'une boucle de rétroaction basée sur la sonde lambda placée en sortie du pôt catalytique SCR. L'inconvénient de cette méthode connue est qu'elle ne tient pas compte du fluide entrant dans l'échappement et que donc le contrôle de l'efficacité est purement dépendant de la sonde lambda qui n'est pas en mesure de diagnostiquer l'origine d'une mauvaise ou sur-réduction des NOx.
Généralement, l'urée subit un vieillissement dans le temps. Ce vieillissement est causé notamment par des cycles thermiques. Ainsi, une partie de l'urée se transforme en NH3 dissous ce qui modifie la concentration de la solution.
Actuellement, il existe des sondes (ou capteurs) permettant de mesurer la concentration d'urée. Généralement, il est connu d'utiliser la mesure de concentration fournie par de telles sondes pour détecter un problème lié à l'introduction d'un fluide non conforme dans le réservoir contenant l'urée, puis d'en avertir le contrôleur du système SCR.
La présente invention vise à fournir une méthode de contrôle du fonctionnement d'un composant d'un système SCR qui est précise et simple, et qui permet de tenir compte du vieillissement de la solution.
Dès lors, la présente invention concerne une méthode de gestion du fonctionnement d'au moins un composant d'un système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
- obtenir une mesure instantanée de la concentration d'additif et/ou une mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et/ou une mesure instantanée de la température au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir ;
- déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de la concentration d'additif, et/ou de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et/ou de la mesure instantanée de la température au sein du réservoir ;
- générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé ;
- transmettre le signal de commande généré au composant. Ainsi, la présente invention propose de contrôler le fonctionnement d'un ou plusieurs composants d'un système SCR, en fonction d'une estimation du pouvoir réducteur de l'additif. Comme on le verra dans la suite de ce document, cette information de pouvoir réducteur peut être utilisée pour corriger la quantité d'additif à injecter dans les gaz d'échappement et/ou ajuster les seuils de température pour la stratégie de chauffe (c'est-à-dire ajuster les phases d'activation/désactivation du dispositif de chauffage).
Selon l'invention, le signal de commande servant à contrôler le fonctionnement du composant est généré en fonction d'au moins l'une des mesures suivantes ou de leurs combinaisons :
une mesure instantanée de la concentration d'additif ;
une mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif ;
une mesure instantanée de la température au sein du réservoir.
Dans un mode de réalisation particulier, le composant du système SCR à contrôler est l'injecteur. Ainsi, la quantité d'additif (urée par exemple) à injecter dans les gaz d'échappement est fonction du pouvoir réducteur de l'additif.
Dans un mode de réalisation particulier, le composant du système SCR à contrôler est le dispositif de chauffage. Ainsi, on adapte la stratégie de chauffe en fonction du pouvoir réducteur de l'additif.
Avantageusement, ledit capteur est un capteur capacitif (ou multi-capacitif).
Les capteurs capacitifs permettant de mesurer une concentration d'additif (urée par exemple) sont biens connus et sont disponibles dans le commerce. Ils ne sont donc pas décrits en détail dans ce document.
Dans un mode de réalisation avantageux, il est proposé de :
- comparer le pouvoir réducteur déterminé et un seuil prédéterminé relatif à une valeur minimale autorisée de pouvoir réducteur ;
- si le pouvoir réducteur déterminé est inférieur ou égal audit seuil prédéterminé, alors activer un indicateur de demande de renouvellement de l'additif.
Ainsi, on utilise l'information du pouvoir réducteur pour déterminer la nécessité ou non de renouveler l'additif contenu dans le réservoir. Par exemple, en cas de nécessité de renouvellement de l'additif, on active un voyant (indicateur lumineux) correspondant sur le tableau de bord du véhicule. Dans un autre exemple, on peut activer (dans le sens commander) un écran d'affichage pour qu'il restitue un message de demande de renouvellement de l'additif à l'attention de l'utilisateur. Encore dans un autre exemple, on peut activer un indicateur sonore, etc.
Tout précurseur d'ammoniac (additif) en solution aqueuse peut convenir dans le cadre de l'invention. L'invention donne de bons résultats avec les solutions eutectiques d'urée pour lesquelles il existe un standard qualité: par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'AdBlue® (marque déposée) (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31,8% et 33,2% (en poids) (soit 32.5 +/- 0.7% en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible comprise entre 18,0% e 18,8%.
La présente invention peut être appliquée à tout moteur à combustion interne susceptible de générer des NOx dans ses gaz d'échappement. Elle est avantageusement appliquée à des moteurs diesel et en particulier, aux moteurs diesel de véhicules.
Dans un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne également un système de contrôle pour la gestion du fonctionnement d'au moins un composant d'un système de stockage et d'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système de stockage et d'injection comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, caractérisé en ce que le système de contrôle comprend une unité de contrôle apte à :
- recevoir, en provenance d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir, un signal véhiculant une information de mesure instantanée de la concentration d'additif et/ou de mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et/ou de mesure instantanée de la température au sein du réservoir;
- déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de la concentration d'additif, et/ou de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et/ou de la mesure instantanée de la température au sein du réservoir ;
- générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé ;
- transmettre le signal de commande généré au composant.
Dans une variante de réalisation, l'unité de contrôle peut être intégrée au calculateur électronique du véhicule. Dans une autre variante de réalisation, l'unité de contrôle peut être intégrée dans l'unité de commande du système à carburant (parfois appelé FSCU ou Fuel System Control Unit).
On décrit ci-après la présente invention au travers de quelques exemples. ί. Contrôle de l'injecteur pour un dosage précis d'urée
La présente invention permet avantageusement de modifier l'estimation de la quantité d'additif à injecter en y incorporant au moins une des informations suivantes : alcalinité, concentration, température.
On exprime ci-après le pouvoir réducteur par unité de volume de la solution suivant une formule dépendant de trois paramètres au moins :
PR = f(Al, C, T) où Al est une mesure de l'alcalinité, C la concentration en urée, et T est la température et PR le pouvoir réducteur par unité de volume
En particulier, cette fonction sera une combinaison linéaire des paramètres sous la forme
PR=f(Al, C, T)= a* Al + b*C+c*T+d*Al*C+e*Al*T*m*C*T+n*Al*C*T, où a,b,c,d,e,m et n sont des constantes.
La quantité injectée, telle que demandée par le contrôle moteur, sera corrigée en fonction du pouvoir réducteur de l'Adblue® (marque déposée) :
Q=Q0*g(PR), où Q0 est la quantité injectée tenant compte de la cartographie moteur, g est la fonction de correction relative au pouvoir réducteur réel de l'Adblue et Q est la quantité réellement injectée.
En particulier, g(PR) s'écrira sous la forme Q= Q0*p/PR, où p est une constante.
2. Gestion de demande de renouvellement d'urée
Il est également possible de définir une valeur minimale du pouvoir réducteur PRmin (aussi appelée seuil), en-dessous de laquelle on considère que l'urée n'a plus la qualité requise pour assurer une réduction des NOx efficace (risque de devoir injecter une quantité trop importante qui va trop refroidir les gaz d'échappement et le catalyseur, et ne pourra plus assurer la réaction de décomposition de l'urée et de réduction des NOx).
Ainsi, on compare le pouvoir réducteur PR (obtenu avec la formule citée ci-dessus) et le seuil PRmin. Si le pouvoir réducteur PR est inférieur ou égal au seuil PRmin, alors on active (i.e. transmission d'un signal d'activation), par exemple, un voyant du tableau de bord (« MIL » pour « malfunction indicator lamp ») indiquant à l'utilisateur qu'il conviendrait de renouveler l'additif contenu dans le réservoir. Cette alerte peu aussi être accompagnée après un certain temps ou un certain nombre de kilomètres d'une limitation des performances du véhicule ou même empêcher le démarrage du moteur (« inducement stratégies » en anglais). 3. Gestion de la stratégie de chauffe
Il est bien connu que la température de solidification de la solution aqueuse d'urée varie en fonction de la concentration.
Il est également connu que certaines stratégies pour le chauffage des systèmes SCR se basent sur une information de température mesurée dans le réservoir. Par exemple, le chauffage est activé lorsque la température passe en dessous de -5°C et il est arrêté lorsque la température remonte au-dessus de -3°C.
Lorsque la concentration d'urée s'écarte significativement de l'eutectique (correspondant à la concentration nominale de 32.5%), ce type de stratégie peut ne plus fonctionner.
Cependant, grâce à la mesure de concentration, il est possible de modifier les seuils d'activation et de désactivation du chauffage sur base des valeurs théorique de température de solidification (éventuellement, avec une certaine marge afin de tenir compte de la tolérance sur la mesure de température, de l'inhomogénéité des températures dans le réservoir et du temps de réaction du chauffage).

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Méthode de gestion du fonctionnement d'au moins un composant d'un système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : obtenir une mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir ;
déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif ;
générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé ;
transmettre le signal de commande généré au composant.
2. Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre l'étape suivante : obtenir une mesure instantanée de la concentration d'additif au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir ;
et en ce que l'étape consistant à déterminer le pouvoir réducteur de l'additif consiste à déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et de la mesure instantanée de la concentration d'additif.
3. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre l'étape suivante : - obtenir une mesure instantanée de la température au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir ;
et en ce que l'étape consistant à déterminer le pouvoir réducteur de l'additif consiste à déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et de la mesure instantanée de la concentration d'additif et/ou de la mesure instantanée de la température au sein du réservoir.
4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit composant est au moins l'un des composants suivants : un injecteur ;
un dispositif de chauffage.
5. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit capteur est un capteur capacitif.
6. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des étapes consistant à : comparer le pouvoir réducteur déterminé et un seuil prédéterminé relatif à une valeur minimale autorisée de pouvoir réducteur ;
si le pouvoir réducteur déterminé est inférieur ou égal audit seuil prédéterminé, alors activer un indicateur de demande de renouvellement de l'additif.
7. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'additif est une solution aqueuse d'urée.
8. Système de contrôle pour la gestion du fonctionnement d'au moins un composant d'un système de stockage et d'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système de stockage et d'injection comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, caractérisé en ce que le système de contrôle comprend une unité de contrôle apte à : recevoir, en provenance d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir, un signal véhiculant une information de mesure instantanée de l'alcalinité au sein du réservoir;
déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif au sein du réservoir ; générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé ;
transmettre le signal de commande généré au composant.
9. Méthode de gestion du fonctionnement d'au moins un composant d'un système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : obtenir une mesure instantanée de la concentration d'additif et une mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir ; déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de la concentration d'additif et de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif au sein du réservoir ;
générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé ;
transmettre le signal de commande généré au composant.
10. Méthode de gestion du fonctionnement d'au moins un composant d'un système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : obtenir une mesure instantanée de la concentration d'additif et une mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et une mesure instantanée de la température au sein du réservoir, au moyen d'un ou plusieurs capteurs (ou sondes) de mesure montés au sein du réservoir ;
déterminer le pouvoir réducteur de l'additif en fonction de la mesure instantanée de la concentration d'additif et de la mesure instantanée de l'alcalinité de l'additif et de la mesure instantanée de la température au sein du réservoir ;
générer un signal de commande, en fonction du pouvoir réducteur déterminé ;
transmettre le signal de commande généré au composant.
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