FR2992023A1 - Systeme de traitement des gaz d'echappement et procede correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de traitement des gaz d'échappement 2, comprenant un dispositif de réduction catalytique sélective 13 des oxydes d'azote et un moyen d'estimation 18 apte à estimer la quantité d'agent réducteur stockée dans le dispositif 13, le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif 13 et les débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif 13. Le système comprend un unique capteur 15 apte à mesurer le débit global d'oxydes d'azote et d'agent réducteur, ledit capteur 15 étant monté en aval du dispositif 13. Le moyen d'estimation 18 est également apte à corriger lesdites estimations en fonction de l'écart entre le débit global mesuré par ledit capteur 15 et les débits estimés d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif 13. L'invention concerne également le procédé correspondant.

Description

Système de traitement des gaz d'échappement et procédé 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 (N0x), notamment NO et NO2. Plus précisément, l'invention concerne un système et un procédé pour déterminer la quantité d'agent réducteur, en particulier l'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 de réduction sélective disposé dans la ligne d'échappement du moteur et à un agent réducteur injecté dans la ligne d'échappement. L'agent réducteur est généralement de l'ammoniac qui peut être injecté sous sa forme moléculaire ou sous forme d'urée. Dans ce dernier cas, l'urée est stockée dans un réservoir, dans le véhicule, et est injectée et mélangée 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. Un deuxième capteur NOx peut également être monté en amont du catalyseur, pour estimer, à partir des débits mesurés par les deux capteurs NOx, la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur via un modèle physique. Cependant, et contrairement au capteur NOx monté en aval du catalyseur qui est rendu obligatoire par les normes anti-pollution, le capteur NOx monté en amont du catalyseur est un capteur supplémentaire non-obligatoire, et qui engendre un surcoût pour le dispositif. Il est toutefois possible de déterminer le débit des NOx en entrée du catalyseur à partir d'un modèle, par exemple un modèle basé sur la physique ou basé sur une cartographie dépendant de paramètres du système, mais les erreurs et incertitudes de modélisation conduiraient à des dérives sur les valeurs fournies par le modèle, et par conséquent engendreraient des valeurs erronées et peu robustes aux perturbations extérieures pour 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 du débit d'oxydes d'azote en entrée du catalyseur de réduction sélective, et de la quantité d'agent réducteur stockée dans le catalyseur de réduction sélective, afin de permettre une meilleure efficacité de traitement des NOx ou afin de détecter une défaillance du catalyseur de réduction sélective ou de l'injecteur de l'agent réducteur.

Selon un aspect, il est proposé un système de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, comprenant un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, monté dans la ligne d'échappement du moteur, un moyen d'injection d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement, en amont du dispositif de réduction catalytique sélective, et un moyen d'estimation apte à estimer, à partir du débit d'agent réducteur injecté, la quantité d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective. Le système comprend un unique capteur apte à mesurer le débit global d'oxydes d'azote et d'agent réducteur, ledit capteur étant monté en aval du dispositif de réduction catalytique sélective. Le moyen d'estimation est également apte à estimer, à partir dudit débit d'agent réducteur injecté, le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective et les débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective, et le moyen d'estimation est également apte à corriger lesdites estimations en fonction de l'écart entre le débit global mesuré par ledit capteur et les débits estimés d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective.

Ainsi, grâce à la correction des estimations en fonction de l'écart entre la valeur mesurée et les débits estimés, il est possible d'obtenir une estimation plus précise du débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective et de la quantité d'agent réducteur stockée dans ledit dispositif de réduction catalytique sélective. En particulier, le système permet d'obtenir des valeurs plus fiables et plus robustes pour le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective, et pour la quantité estimée d'agent réducteur stockée, notamment sur des durées de fonctionnement longues. Préférentiellement, le moyen d' estimation comprend une cartographie ou un modèle des émissions en oxydes d'azote du moteur à combustion interne. Préférentiellement, le système comprend un moyen de commande apte à commander le moyen d'injection d'agent réducteur et apte à déterminer le débit d'agent réducteur à injecter dans la ligne d'échappement en fonction de la quantité estimée d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective. Préférentiellement, le système comprend également un dispositif catalyseur d'oxydation monté dans la ligne d'échappement, en amont du moyen d'injection d'un agent réducteur, et le moyen d'estimation comprend également un modèle physico-chimique du dispositif catalyseur d'oxydation. Le système de traitement est exempt de capteur d'oxydes d'azote en amont du dispositif de réduction catalytique sélective. L'invention concerne également, selon un autre aspect, un procédé de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne équipé, dans sa ligne d'échappement, d'un dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, avec injection contrôlée d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement en amont du dispositif de réduction catalytique sélective. Selon le procédé : - on effectue une mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'agent réducteur uniquement en aval du dispositif de réduction catalytique sélective, - on estime la quantité d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective, le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective et les débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective, et - on corrige lesdites estimations en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les estimations des débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective. Préférentiellement, les estimations sont basées sur un modèle physico-chimique du dispositif de réduction catalytique sélective.

Préférentiellement, on estime le débit d' oxydes d' azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective à partir d'une cartographie ou d'un modèle des émissions en oxydes d'azote du moteur à combustion interne. Préférentiellement, on commande l'injection d'agent réducteur dans la ligne d'échappement en fonction de la quantité estimée d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention pris à titre d'exemple nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente, de manière schématique, un système de post-traitement des 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 dispositif de réduction catalytique sélective. 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 dispositif catalyseur d'oxydation 10, un filtre à particules 11 monté en aval du dispositif catalyseur d'oxydation 10, un injecteur 12 d'un agent de réduction, par exemple de l'urée ou de l'ammoniac, monté en aval du filtre à particules 11, et un dispositif de réduction catalytique sélective 13 (en anglais : Selective Catalytic Reduction SCR) monté en aval du l'injecteur 12. La ligne d'échappement 9 peut également comprendre un moyen de mélange (non représenté) monté entre l'injecteur 12 et le dispositif de réduction catalytique sélective 13, et permettant d'homogénéiser le mélange constitué des gaz d'échappement et de l'agent de réduction. En variante, il est également possible de supprimer le dispositif catalyseur d'oxydation 10 et/ou le filtre à particules 11 sans modifier l'invention. Le système 2 comprend également un capteur de température 14 monté en amont du dispositif de réduction catalytique sélective 13 et permettant de connaitre la température des gaz alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective 13 pendant les différentes phases de traitement des gaz d'échappement. Le système 2 peut également comprendre un capteur de NOx 15, monté en aval du dispositif de réduction catalytique sélective 13. Le capteur 15 permet notamment de mesurer le débit d'oxydes d'azote et d'ammoniac sortant du dispositif de réduction catalytique sélective 13 en fonctionnement.

Conformément à l'invention, le capteur 15 est l'unique capteur de débit. Aucun autre capteur de débit n'est utilisé, notamment en amont du dispositif de réduction catalytique sélective 13 comme c'était le cas dans l'art antérieur.

Une unité de contrôle électronique 16 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 16 peut également commander l'injecteur d'agent réducteur 12 afin d'introduire dans la ligne d'échappement 9 la quantité souhaitée d'agent réducteur. L'unité de contrôle électronique 16 comprend également un moyen de détermination 17 de la quantité d'agent réducteur, par exemple l'ammoniac, stocké dans le dispositif de réduction catalytique sélective 13. Le moyen de détermination 17 reçoit en entrée plusieurs données, dont les données du capteur de température 14 et du capteur de NOx 15, et permet à l'unité de contrôle électronique 16 de connaître la quantité d'ammoniac stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective 13 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 17 peut comprendre un moyen d'estimation 18 recevant en entrée : les valeurs T de température des gaz mesurées par le capteur 14, le taux X NinH3 d'ammoniac alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective 13 et les valeurs de débit des gaz d'échappement Qéch alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective. La valeur Qéch peut être déterminée, par exemple, au moyen d'un capteur de débit non représenté, monté sur la ligne d'échappement 9 du moteur à combustion interne. Le moyen d'estimation 18 calcule alors, en temps réel, à partir d'un modèle physico-chimique dynamique basé sur les mécanismes réactionnels d'adsorption et de désorption de l'ammoniac sur le dispositif de réduction catalytique sélective, de réduction des oxydes d'azote par l'ammoniac adsorbé et d'oxydation de l'ammoniac, les taux X Zr; 3 et XN"ot, d'ammoniac et d'oxydes d'azote respectivement, sortant du dispositif de réduction catalytique sélective 13, la masse mNE13 d'ammoniac stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective 13, et le taux 2r1n0, d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective 13. Les mécanismes réactionnels considérés sont les suivants : NH3 + * -> NH3* NH3* -*NH3 + * 2 NH3* + NO + NO2 -> 2N2 + 3 H20 4 NH3* + 4 NO + 02 -> 4 N2 ± 6 H20 8 NH3* + 6 NO2 -*7 N2 ± 12 H20 4 NH3* + 3 02 -> 2 N2 ± 6 H20 où * représente un site catalytique pouvant accueillir une molécule de NH3 et NH3* représente une molécule de NH3 stockée. Par ailleurs, afin de prendre en compte les phénomènes physico-chimiques ayant lieu en amont du dispositif de réduction catalytique sélective, les mécanismes réactionnels d'oxydation des oxydes d'azotes dans le dispositif catalyseur d'oxydation 10 suivant sont également considérés : 2N0 + 02 -> 2 NO2 2NO2 -> 2N0 + 02.

Le modèle peut notamment utiliser le système d'équation suivant : dm NH3 f ( N (vin NH 3Ox dt f NOx(X Nin0x, dt NH3,MNH3,T ,Qéch) NH3,MNH3,T ,Qéch) dXm NOx Xout N x = hNOx(X Nin0x, X Noulit 3 = hNH3 (XN1nOx NH3 ,InNH3 T 0 NH3,MNH3,T ,Qéch) - Par ailleurs, le modèle utilisé permet de corriger une dérive de l'estimation de la masse d'ammoniac stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective et du débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective. A cet effet, on considère que la mesure du capteur 15 peut s'écrire sous la forme suivante : Xontout out mesure NOx NH3 - Le modèle physico-chimique utilisé dans le moyen d'estimation NH3,1 NH3,T ,Qéch)± K NOx.A NH3,111NH3,T ,Qhh) 18 est alors corrigé par le modèle adaptatif suivant : dihNH3 fN0x(X Nin*, hNOx(X Nin0x, f (vin J NH3 NOx, n NH3,MNH3,T ,Qéch)+ KNH3*A dt dXin N* dt X NOx XN"Ht 3 = hNH 3 (XN1nOx m NH3,111NH3,T ,Qhh) dans lequel les grandeurs avec un chapeau sont des estimations données par l'observateur, et où les grandeurs KNH3 . A et KNOx. A sont des termes correctifs ou « innovations » avec un gain variable. 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 = )(out - [Xout + Xout 1 mesure NOx NH3 - Ainsi, le moyen de détermination 15 comprend un moyen 19 de détermination de l'écart A, recevant en entrée les taux Îrot' et -out XNH, calculés par le moyen d' estimation 18, et les valeurs Xuremesurées par le capteur 15, et fournissant en sortie l'écart A entre les valeurs fournies par le moyen d'estimation 18 et les valeurs mesurées par le capteur 15. L'écart A est renvoyé en entrée du moyen d'estimation 18 par la connexion 20 pour corriger, le cas échéant, le modèle afin d'obtenir des valeurs plus fiables et robustes. Autrement dit, le modèle dynamique est bouclé sur le capteur 15 afin de corriger en temps réel les estimations dudit modèle : on a ainsi un observateur adaptatif. Ainsi, le moyen de détermination 17 permet de déterminer la quantité mNH3 stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective 13 et le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective 13 en utilisant qu'un seul capteur des débits de NH3 et de NOx, qui est monté en aval du dispositif de réduction catalytique sélective 13. Par exemple, dans le cas simple où on considère le dispositif en parfait état et où on ne distingue pas les fuites d'ammoniac et les fuites de NOx, si une fuite estimée par le modèle est égale à la mesure du capteur 15 monté en aval du dispositif de réduction catalytique sélective, A est nul et aucune correction n'est appliquée au modèle. Par contre, si une dérive apparaît entre les estimations du modèle et les valeurs mesurées par le capteur, les estimations sont corrigées proportionnellement à l'écart A par l'intermédiaire des différents gains KNH3 et KN0x. Plus précisément, si l'écart A est strictement positif, les gains KNH3 et KNOx sont ajustés jusqu'à obtenir un écart A nul. Ainsi, grâce à l'intégration du débit d'oxydes d'azote en amont du dispositif de réduction catalytique sélective dans l'observateur adaptatif, il est possible d'obtenir une estimation du débit d'oxydes d'azote plus robuste et plus fiable, sans ajouter de capteur supplémentaire dans la ligne d'échappement. Plus précisément, les valeurs de débit d'oxydes d'azote en amont du dispositif de réduction catalytique sélective sont estimées, dans un premier temps, à partir d'un modèle simplifié ou d'une cartographie, puis sont intégrées dans et corrigées par l'observateur adaptatif pour obtenir des valeurs robustes. L'invention permet donc, à partir des valeurs de débits d'oxydes d'azote mesurées en aval du dispositif de réduction catalytique sélective, d'estimer de manière plus fiable et robuste la quantité d'ammoniac contenue dans le dispositif de réduction catalytique sélective, et en particulier permet de détecter une baisse ou une augmentation importante de cette quantité par rapport à la valeur voulue.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Système de traitement des gaz d'échappement (2) émis par un moteur à combustion interne, comprenant un dispositif de réduction catalytique sélective (13) des oxydes d'azote, monté dans la ligne d'échappement (9) du moteur, un moyen d'injection (12) d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement (9), en amont du dispositif de réduction catalytique sélective (13), et un moyen d'estimation (18) apte à estimer, à partir du débit d'agent réducteur injecté, la quantité d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective (13), caractérisé en ce qu'il comprend un unique capteur apte à mesurer le débit global d'oxydes d'azote et d'agent réducteur (15), ledit capteur (15) étant monté en aval du dispositif de réduction catalytique sélective (13), en ce que le moyen d'estimation (18) est également apte à estimer, à partir dudit débit d'agent réducteur injecté, le débit d'oxydes d'azote entrant dans le dispositif de réduction catalytique sélective (13) et les débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective (13), et en ce que le moyen d'estimation (18) est également apte à corriger lesdites estimations en fonction de l'écart entre le débit global mesuré par ledit capteur (15) et les débits estimés d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective (13).
2. 2. Système de traitement (2) selon la revendication précédente, dans lequel le moyen d'estimation (18) comprend un modèle physico- chimique du dispositif de réduction catalytique sélective (13).
3. 3. Système de traitement (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen d'estimation (18) comprend une cartographie ou un modèle des émissions en oxydes d'azote du moteur à combustion interne.
4. 4. Système de traitement (2) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant un moyen de commande apte à commander le moyen d'injection (12) d'agent réducteur et apte à déterminer le débit d'agent réducteur à injecter dans la ligne d'échappement (9) en fonction de laquantité estimée d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective (13).
5. 5. Système de traitement (2) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant également un dispositif catalyseur d'oxydation (10) monté dans la ligne d'échappement (9), en amont du moyen d'injection (12) d'agent réducteur, et dans lequel le moyen d'estimation (18) comprend également un modèle physico-chimique du dispositif catalyseur d'oxydation (10).
6. 6. Procédé de traitement des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne équipé, dans sa ligne d'échappement, d'un dispositif de réduction catalytique sélective (13) des oxydes d'azote, avec injection contrôlée d'un agent réducteur dans la ligne d'échappement en amont du dispositif de réduction catalytique sélective (13), dans lequel on estime la quantité d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective (13), caractérisé en ce qu'on effectue une mesure du débit global d'oxydes d'azote et d'agent réducteur uniquement en aval du dispositif de réduction catalytique sélective (13), en ce qu'on estime le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective (13) et les débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective (13), et en ce qu'on corrige lesdites estimations en fonction de l'écart entre le débit global mesuré et les estimations des débits d'oxydes d'azote et d'agent réducteur sortant du dispositif de réduction catalytique sélective (13).
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les estimations sont basées sur un modèle physico-chimique du dispositif de réduction catalytique sélective (13).
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel on estime le débit d'oxydes d'azote alimentant le dispositif de réduction catalytique sélective (13) à partir d'une cartographie ou d'un modèle des émissions en oxydes d'azote du moteur à combustion interne.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel on commande l'injection d'agent réducteur dans la ligne d'échappementen fonction de la quantité estimée d'agent réducteur stockée dans le dispositif de réduction catalytique sélective (13).