FR2988305A1 - Procede de determination de la quantite d'ammoniac stockee dans un catalyseur, et systeme correspondant - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur de réduction 11 des oxydes d'azote. Selon le procédé, on détermine les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac alimentant le catalyseur 11, et on estime, à partir desdits débits et d'un modèle déterminé, la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur 11. On estime également, à partir desdits débits et du modèle déterminé, les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur 11, on mesure le débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac en aval du catalyseur 11 et on corrige le modèle déterminé en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur estimés par le modèle, la correction du modèle dépendant de la sensibilité S de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur.
Description
B11-5939FR 1 Procédé de détermination de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur, et système correspondant La présente invention concerne un procédé et un système de traitement des gaz d'échappements, en particulier un catalyseur capable de traiter des oxydes d'azote (NOx), notamment NO et NO2. Plus précisément, l'invention concerne un procédé pour déterminer la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur.
Afin de répondre à la baisse des seuils admis pour les émissions de gaz polluants, des systèmes de traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d'échappement des moteurs à mélange pauvre, notamment les moteurs diesels. Ces systèmes de post-traitement permettent notamment de réduire les émissions de particules et d'oxydes d'azote en plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures imbrûlés. Le procédé de réduction catalytique sélective (en anglais : selective catalytic reduction SCR) est un procédé connu de traitement des oxydes d'azote NOx. Le procédé consiste en un traitement continu des émissions d'oxydes d'azote grâce à un catalyseur disposé dans la ligne d'échappement du moteur et à un agent réducteur injecté dans la ligne d'échappement. L'agent réducteur, par exemple de l'urée, est stocké dans un réservoir, dans le véhicule, et est injecté et mélangé aux gaz d'échappement avant d'entrer dans le catalyseur. Le catalyseur permet d'accélérer la réaction de réduction des oxydes d'azote par l'agent réducteur. Afin de contrôler la réaction de réduction et donc le traitement des émissions, la quantité d'agent réducteur injectée dans la ligne d'échappement ainsi que la quantité d'agent réducteur stockée dans le catalyseur, doivent être contrôlées précisément : un surdosage de l'agent réducteur conduirait à augmenter les consommations inutilement et à potentiellement rejeter de l'ammoniac (fortement odorant et toxique), tandis qu'un sous-dosage limiterait l'efficacité de traitement des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement.
De manière plus précise, le catalyseur de réduction stocke l'ammoniac de l'agent réducteur et le libère pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement. Ainsi, pour optimiser l'efficacité du procédé de réduction, il est nécessaire de réguler la masse (également appelée « buffer ») d'ammoniac NH3 stockée dans le catalyseur. Cependant, cette masse n'est pas mesurable en temps réel, et doit donc être estimée par un modèle. Il existe ainsi des modèles d'évaluation de la masse d'ammoniac stockée dans le catalyseur, mais l'estimation obtenue dérive par rapport à la valeur réelle, ce qui conduit à une sur-injection ou une sous-injection de l'agent réducteur. Il est connu de corriger l'estimation de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur en utilisant la mesure d'un capteur NOx monté en aval du catalyseur. En effet, le capteur NOx est non seulement sensible aux NOx mais également au NH3 qui s'échappe du catalyseur. De tels dispositifs sont par exemple décrits dans les demandes de brevet US2010/024389 et US2009/288396. Cependant, il est difficile d'interpréter en temps réel les mesures du capteur NOx (qui correspondent à la fois aux oxydes d'azote et à l'ammoniac) pour corriger l'estimation de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur, et les modèles mentionnés précédemment conduisent toujours à une dérive entre l'estimation et la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes techniques énoncés précédemment. En particulier l'invention a pour but de proposer une estimation plus précise de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur, afin de permettre une meilleure efficacité de traitement des NOx ou afin de détecter une défaillance du catalyseur ou de l'injecteur de l'agent réducteur. Selon un aspect, il est proposé un procédé de détermination de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur de réduction des oxydes d'azote destiné à être monté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. Selon le procédé, on détermine les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac alimentant le catalyseur, et on estime, à partir desdits débits et d'un modèle déterminé, la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. On estime également, à partir desdits débits et du modèle déterminé, les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur, on mesure le débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac en aval du catalyseur et on corrige le modèle déterminé en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur estimés par le modèle, la correction du modèle dépendant de la sensibilité de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur.
Ainsi, grâce à un critère robuste basé sur la théorie des observateurs, il est possible d'obtenir une estimation plus précise de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. En particulier, le procédé permet de corriger la quantité estimée d'ammoniac stockée en fonction de la sensibilité du capteur (utilisé pour corriger la quantité estimée) à la quantité d'ammoniac stockée. Il devient ainsi possible d'obtenir une estimation plus précise de la quantité stockée d'ammoniac, en particulier sur des durées de fonctionnement longues, lorsque la mesure du capteur dépend de plus en plus du niveau d'ammoniac stocké dans le catalyseur.
Préférentiellement, la correction du modèle en fonction la sensibilité de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur, est non-linéaire. La correction est ainsi effectuée seulement lorsque la sensibilité de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur, dépasse, en valeur absolue, une valeur déterminée. L'invention concerne également, selon un autre aspect, un procédé de commande d'un système de traitement des gaz d'échappements, le système de traitement comprenant un catalyseur de réduction des oxydes d'azote monté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, dans lequel : - on détermine la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur selon le procédé décrit précédemment, puis - on injecte un débit d'ammoniac déterminé dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur, en fonction de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. L'invention concerne également, selon un autre aspect, un système de traitement de gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, comprenant un catalyseur de réduction des oxydes d'azote monté dans la ligne d'échappement du moteur, un moyen de commande et un dispositif de détermination de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur de réduction des oxydes d'azote, le dispositif comprenant un moyen de détermination des débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac alimentant le catalyseur, et un moyen d'estimation apte à estimer, à partir desdits débits et d'un modèle déterminé, la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. Selon l'invention, le moyen d'estimation est également apte à estimer, à partir desdits débits et du modèle déterminé, les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur, et le dispositif comprend également un capteur monté en aval du catalyseur et apte à mesurer le débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur, et un moyen de correction apte à corriger le modèle déterminé en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur estimés par le modèle, le moyen de correction étant apte à corriger le modèle en fonction de la sensibilité de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. Préférentiellement, le moyen de correction est apte à corriger le modèle de manière non-linéaire en fonction de la sensibilité. Le système de traitement peut comprendre également un moyen d'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur, commandé par le moyen de commande et apte à injecter un débit d'ammoniac déterminé par le moyen de commande en fonction de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente, de manière schématique, un système de post-traitement de gaz d'échappement selon l'invention ; et la figure 2 représente un schéma synoptique illustrant l'architecture d'un moyen de détermination de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur de réduction.
Sur la figure 1, on a représenté, de manière très schématique, la structure générale d'un moteur à combustion interne 1 et d'un système de post-traitement des gaz d'échappement 2. Le moteur à combustion interne 1 comprend, par exemple, au moins un cylindre 3, un collecteur d'admission 4, un collecteur d'échappement 5, un circuit de re-circulation des gaz d'échappement 6 muni d'une vanne de re- circulation des gaz d'échappement 7, et un système de turbo compression 8. Le système de post-traitement des gaz d'échappement 2 comprend une ligne d'échappement 9 comportant un injecteur 10 d'un agent de réduction, par exemple de l'urée, et un catalyseur de réduction 11 (en anglais : Selective Catalytic Reduction SCR) monté en aval du l'injecteur 10. La ligne d'échappement 9 peut également comprendre un moyen de mélange monté entre l'injecteur 10 et le catalyseur de réduction 11, et permettant d'homogénéiser le mélange constitué des gaz d'échappement et de l'agent de réduction. Le système 2 comprend également un capteur de température 12 monté en amont du catalyseur de réduction 11 et permettant de connaitre la température des gaz alimentant le catalyseur 11 pendant les différentes phases de traitement des gaz d'échappement. Le système 2 peut également comprendre un capteur de NOx 13, monté en aval du catalyseur 11. Le capteur 13 permet notamment de mesurer le débit d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur 11 en fonctionnement.
Une unité de contrôle électronique 14 assure le traitement des différents signaux et la commande de la combustion, notamment en envoyant des valeurs de consigne à l'injecteur de carburant du cylindre 3 et en commandant un dispositif, par exemple à clapet, contrôlant la quantité d'air alimentant le cylindre 3. L'unité de contrôle électronique 14 peut également commander l'injecteur d'agent réducteur 10 afin d'introduire dans la ligne d'échappement 9 la quantité souhaitée d'agent réducteur. L'unité de contrôle électronique 14 comprend également un moyen de détermination 15 de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur de réduction 11. Le moyen de détermination 15 reçoit en entrée plusieurs données, dont les données du capteur de température 12 et du capteur de NOx 13, et permet à l'unité de contrôle électronique 14 de connaître la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur 11 afin de déterminer la quantité d'agent réducteur à introduire dans la ligne d'échappement 9. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, le moyen de détermination 15 peut comprendre un moyen d'estimation 16 recevant en entrée : les valeurs T de température des gaz mesurées par le capteur 12, les taux X NinH3 et X NmOx d'ammoniac et d'oxydes d'azote respectivement, alimentant le catalyseur de réduction 11 et les valeurs de débit de gaz d'échappement Qéch alimentant le catalyseur. Le moyen d'estimation 16 calcule alors, à partir d'un modèle dynamique basé sur les mécanismes réactionnels d'adsorption et de désorption de l'ammoniac sur le catalyseur, de réduction des oxydes d'azote par l'ammoniac adsorbé et d'oxydation de l'ammoniac, les taux XN°Hut, et X Zuot x d'ammoniac et d'oxydes d'azote respectivement, sortant du catalyseur de réduction 11 et la masse mNH3 d'ammoniac stockée dans le catalyseur 11. Le modèle peut notamment utiliser le système d'équation suivant : dmNH3 dt X141 NOx 11N0x(X Nin Ox NH3 ,InATH3, rnT 0 f (x ii\nrac N113,111 NH3 ,T ,Qéch) XN"Ht 3 = hNH 3 (XN1nOx NH3 MNH 3 Qéch ) - Par ailleurs, le modèle utilisé permet de corriger une dérive de l'estimation de la masse d'ammoniac stockée dans le catalyseur. A cet effet, on considère que la mesure du capteur 13 peut s'écrire sous la forme suivante : x.":'' N"ot, +13 X ri; 3 où a et p peuvent être constants ou dépendants de grandeurs telles que la température ou le débit. Le modèle du moyen 16 est alors corrigé par le modèle adaptatif suivant : dm NH3f(xNinox, NH3,MNH3,T ,Qéch)± A m NH3, inNH3,T ,Qéch) in NH3,111NH3,T ,Qéch) s _a(oc.hNo),+[3.hNH3) ;H 3 ANH 3 ,T Qech flINH3 dans lequel les grandeurs avec un chapeau sont des estimations corrigées par la valeur A, et où la grandeur S définit la sensibilité de y-Nouotx p y-NouHt 3 par rapport à la quantité d'ammoniac dans le catalyseur 11. La grandeur A est la valeur de la boucle de correction du modèle adaptatif. La grandeur A est ainsi réintroduite en entrée du modèle pour corriger les valeurs obtenues. La grandeur A est donnée par l'équation suivante : A = K .S'LX2sure a NuOtx - 13 -XNHt 3 où K est le gain de l'observateur, et où : S'=0 si S inf < S < S su p S'=S sinon avec Sinf et Ssup deux paramètres de calibration. Ainsi, le moyen de détermination 15 comprend un moyen de t détermination de l'écart 17, recevant en entrée les taux X Nouox et dt X rot, = hNox(X Nmox, X rH' 3 = hNH 3 (XN1nOx out X NH3 calculés par le moyen d'estimation 16, et les valeurs Xm'etsure mesurées par le capteur 13, et fournissant en sortie l'écart x-llt [a jNouotx + p NouHt3 mesure Le moyen de détermination 15 comprend également un moyen 18 recevant en entrée la valeur S calculée par le moyen d'estimation 16 et fournissant en sortie le coefficient K.S' à multiplier à l'écart déterminé par le moyen 17 pour obtenir la grandeur A. Les moyens 17 et 18, ainsi que le moyen de multiplication forment ainsi un moyen de correction 19 pour le modèle du moyen d'estimation 16.
Ainsi, le moyen de détermination 15 permet de déterminer la quantité mNH3 stockée dans le catalyseur 11 en tenant compte de la sensibilité S du capteur par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur 11. La sensibilité S présente généralement, en fonction de la température T et de la quantité d'ammoniac stockée mNH3, trois zones : une première zone où T et mNH3 présentent des valeurs moyennes et où S est sensiblement égale à 0 correspondant à une insensibilité des NOx et NH3 sortant du catalyseur par rapport à la quantité d'ammoniac stockée mNH3: cette zone correspond à une zone dans laquelle il n'y a pas de correction à apporter au modèle et dans laquelle S' est nul ; une deuxième zone où mNH3 présente des valeurs proches de zéro et où S est négatif, correspondant à une perte d'efficacité de traitement du catalyseur 11 : le modèle adaptatif corrige alors l'écart déterminé par le moyen 17 en abaissant le niveau d'ammoniac stocké dans le catalyseur 11 ; et une troisième zone où T présente des valeurs élevées et où S est positif, correspondant à une fuite d'ammoniac du catalyseur 11 : le modèle adaptatif corrige alors l'écart déterminé par le moyen 17 en augmentant le niveau d'ammoniac stocké dans le catalyseur 11. Ainsi, on constate que la correction apportée au modèle tient compte, de manière non-linéaire, de la sensibilité de la mesure des NOx et NH3 par rapport à la quantité d'ammoniac stockée, afin d'obtenir une estimation plus fine. Plus précisément, lorsque le modèle surestime la valeur réelle de mNH3, le calcul de la sensibilité S permet de détecter une potentielle perte d'efficacité et de corriger en conséquence l'estimation lorsque la valeur réelle de la quantité de NH3 stockée dans le catalyseur 11 devient dangereusement basse. Cette correction de l'estimation n'intervient que lorsque le critère S devient suffisamment grand, mais permet d'augmenter en conséquence le débit d'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement ou de détecter une éventuelle panne du système.
Au contraire, lorsque le modèle sous-estime la valeur réelle de hINEH, le calcul de la sensibilité S permet de détecter une potentielle fuite d'ammoniac et de corriger en conséquence l'estimation lorsque la valeur réelle de la quantité de NH3 stockée dans le catalyseur 11 devient dangereusement haute. Ici encore, cette correction de l'estimation n'intervient que lorsque le critère S devient suffisamment grand, mais permet de diminuer en conséquence le débit d'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement ou de détecter une éventuelle panne du système. Ainsi, grâce à l'intégration de la sensibilité de la mesure des NOx et NH3 par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le modèle d'estimation de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur 11, l'invention permet d'estimer de manière plus fiable et robuste cette quantité d'ammoniac, et en particulier permet de détecter une baisse ou une augmentation importante de cette quantité par rapport à la valeur voulue.
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur de réduction (11) des oxydes d'azote destiné à être monté dans une ligne d'échappement (9) d'un moteur à combustion interne, dans lequel on détermine les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac alimentant le catalyseur (11), et on estime, à partir desdits débits et d'un modèle déterminé, la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur, caractérisé en ce que : - on estime également, à partir desdits débits et du modèle déterminé, les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur, - on mesure le débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac en aval du catalyseur et - on corrige le modèle déterminé en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur estimés par le modèle, la correction du modèle dépendant de la sensibilité (S) de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la correction du modèle en fonction la sensibilité (S') de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans un catalyseur, est non-linéaire.
- 3. Système de traitement de gaz d'échappement (2) émis par un moteur à combustion interne, comprenant un catalyseur de réduction (11) des oxydes d'azote monté dans la ligne d'échappement (9) du moteur, un moyen de commande et un dispositif de détermination de la quantité d' ammoniac stockée dans le catalyseur, le dispositif comprenant un moyen de détermination des débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac alimentant le catalyseur, et un moyen d'estimation (16) apte à estimer, à partir desdits débits et d'un modèle déterminé, la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur, caractérisé en ce quele moyen d'estimation (16) est également apte à estimer, à partir desdits débits et du modèle déterminé, les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur, et en ce que le dispositif comprend également un capteur monté en aval du catalyseur et apte à mesurer le débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur, et un moyen de correction (19) apte à corriger le modèle déterminé en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les débits d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du catalyseur estimés par le modèle, le moyen de correction (19) étant apte à corriger le modèle en fonction de la sensibilité (S) de la mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'ammoniac par rapport à la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur.
- 4. Système de traitement (2) selon la revendication précédente, dans lequel le moyen de correction est apte à corriger le modèle de manière non-linéaire en fonction de la sensibilité.
- 5. Système de traitement (2) selon la revendication 3 ou 4, comprenant également un moyen d'injection d'ammoniac dans la ligne d'échappement, en amont du catalyseur, commandé par le moyen de commande et apte à injecter un débit d'ammoniac déterminé par le moyen de commande en fonction de la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur.
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