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FR2988779A3 - Procede de controle des emissions des polluants pour le post traitement des moteurs diesel - Google Patents

Procede de controle des emissions des polluants pour le post traitement des moteurs diesel Download PDF

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Abstract

Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion qui permet la réduction des oxydes d'azote (NOx) dans le catalyseur réductif d'oxydation (SCR) grâce à une réaction avec de l'ammoniac injecté dans l'échappement et la réduction de (HC) et (CO) dans un DOC, grâce à l'atteinte d'une température seuil Ts en entrée du catalyseur qui utilise les informations issues des sondes implantées dans le système de dépollution ainsi que l'enregistrement des données acquises lors de la phase de mise au point du moteur, caractérisé en ce que le procédé génère et met à jour en continu, dès son démarrage, au moins un paramètre (E) qui pilote le scenario des réglages R1 du moteur pour accélérer le post traitement, ainsi que le scenario des réglages R2 du moteur qui diminue la consommation de carburant.

Description

PROCEDE DE CONTROLE DES EMISSIONS DES POLLUANTS POUR LE POST TRAITEMENT DES MOTEURS DIESEL L'invention concerne la dépollution d'un moteur à combustion interne et, plus précisément, un procédé de contrôle des émissions des polluants pour le post - traitement des gaz d'échappement des moteurs thermiques de type diesel. Les systèmes de post traitement des gaz d'échappement qui permettent de réduire les émissions polluantes des véhicules équipés de moteur diesel sont de plus en plus complexes. Aujourd'hui, ils sont généralement disposés, le long de la ligne d'échappement du moteur, après le catalyseur d'oxydation. Leur fonction est de réduire les émissions dans l'atmosphère, d'oxyde d'azote, de particules polluantes, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés. On satisfait ainsi à la baisse des seuils admis aujourd'hui dans les normes antipollution des véhicules automobiles, en particulier dans le cas des moteurs à mélange pauvre. Comme sur la figure1, ces systèmes peuvent contenir des dispositifs 14 qui piègent et détruisent les oxydes d'azote (NOx), comme les « NOx-Trap » ou les catalyseurs sélectifs de réduction, SCR « Selective Catalytic Reduction ». D'autres dispositifs comme les catalyseurs d'oxydation, DOC « Diesel Oxydation Catalyst » 11 ou encore les filtres à particules, FAP 12, retiennent une partie des suies et poussières, produites et évacuées à l'échappement par la sortie du moteur 10. Le DOC 11, catalyseur d'oxydation, permet d'oxyder les polluants HC et 25 CO en les transformant en dioxyde d'azote et/ou en eau par réaction avec l'oxygène. Ces réactions sont possibles quand la température des gaz d'échappement est supérieure à 100°C, et ont lieu grâce à la présence de métaux précieux (le Platine et le Palladium). Le catalyseur d'oxydation 11 30 possède une très bonne capacité d'oxydation pour des températures supérieures de 150°C, et son efficacité est proche de 100% à des températures supérieures à 200°C. Le catalyseur sélectif 14, utilisé, de préférence pour le traitement de l'oxyde d'azote, fonctionne par injection de composés à base d'urée car le 5 principe de réduction des NOx est basé sur une réaction avec l'ammoniac. Pour la réussite de ce processus il convient de disposer, à l'échappement, de quantités d'ammoniac adaptées à la quantité de NOx à traiter. Pour cela, on peut produire de l'ammoniac en injectant, via un injecteur 13, un composant à base d'ammoniac dans la ligne d'échappement 15. Ce composant contient le 10 plus souvent de l'urée qui se transforme en ammoniac. Les trois phases de la transformation sont réalisées d'une manière optimisée à partir de 140°C : une première phase où le composant à base d'ammoniac libère l'eau qui ensuite s'évapore, une deuxième phase qui est la pyrolyse de l'urée et une troisième phase enfin, l'hydrolyse de HCNO. 15 L'apport calorifique des gaz d'échappement est suffisant pour atteindre 140 °C, mais c'est seulement à partir d'un seuil de température supérieur (entre 150° C et 180 °C en entrée du catalyseur) que le catalyseur réduit les NOx avec efficacité en produisant de l'eau et de l'azote en quantité. Les réactions qui ont lieu dans le catalyseur sélectif sont utilisées notamment pour 20 réduire les oxydes d'azote et produire de l'eau. Les systèmes connus permettent, en général, de passer d'un mode d'activation à un mode de désactivation du post traitement, en fonction de la valeur de la température du SCR, sans rechercher des meilleures prestations, gain de consommation de carburant, fiabilité moteur, etc. 25 Pour pallier ces insuffisances, l'invention propose d'utiliser, dans le calculateur un procédé qui met en adéquation les paramètres de fonctionnement du moteur. Ce procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion permet la réduction des oxydes 30 d'azote, NOx, dans le catalyseur sélectif de réduction, SCR, grâce à une réaction avec de l'ammoniac injecté dans l'échappement. Il permet également - 3 - l'oxydation de HC et CO dans un DOC, quand on atteint une température seuil Ts en entrée du catalyseur qui : - utilise les informations issues des sondes implantées dans le système de dépollution ainsi que l'enregistrement des données acquises lors de la 5 phase de mise au point du moteur, et - génère et met à jour en continu au moins un paramètre (E) qui pilote le scenario des réglages R1 du moteur pour accélérer le post traitement, ainsi que le scenario des réglages R2 du moteur qui diminue la consommation de carburant. 10 Le procédé permet avantageusement d'agir sur le réglage moteur pour mettre en oeuvre alternativement une accélération de l'efficacité des catalyseurs ou une diminution de la consommation de carburant, ce qui conduit à l'augmentation de la fiabilité du moteur. Ceci peut être réalisé grâce au placement de sondes de température dans le SCR et / ou le DOC. 15 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée illustrée par les figures sur lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique de ligne d'échappement, - la figure 2 est un graphique qui représente la variation de l'efficacité du post traitement pour les hydrocarbures (HC) et le monoxyde de carbone (CO) 20 dans le DOC - la figure 3 est un graphique qui représente la variation de l'efficacité du post traitement pour les hydrocarbures (HC) dans le SCR - les figures 4a et 4b sont respectivement des graphiques qui représentent les variations du dioxyde de carbone (CO2), du monoxyde de 25 carbone (CO) ainsi que des oxydes d'azote (NOx) et des hydrocarbures (HC) toujours à la sortie du moteur, - la figure 5 est un graphe illustrant les phases du post traitement en fonction du temps, - la figure 6 est le schéma des étapes du procédé selon l'invention, - 4 - Les paramètres physiques de fonctionnement d'un moteur sont intégrés dans des modèles cartographiques et sont embarqués dans le calculateur moteur. L'efficacité E de traitement des catalyseurs est obtenue par les calculs suivants et plus précisément : - l'efficacité du catalyseur SCR pour le traitement des NOx est définie par : NO - NO Efficacité NO x un,', ;','1 NOxu',', - l'efficacité du DOC pour le traitement des CO est définie par : CO - CO Efficacité co - -"` CO amont - l'efficacité du DOC de traitement des HC est définie par : HC - HC Efficacitéric - amont aval HC amont Les polluants sont mesurés en amont et en aval, l'efficacité est un calcul basée sur ces mesures.
La combinaison des informations mesurées par les sondes de température avec celles cartographiées dans le modèle et notamment : - la température d'eau du moteur, - le point de fonctionnement du moteur en termes de régime - le point de fonctionnement du moteur en termes de pression moyenne effective, - la température en entrée du DOC - la température en entrée du SCR, - l'énergie générée par les réactions exothermique, - les débits de NOx amont et aval du SCR, - l'état du système d'injection d'urée, permettent de définir précisément le pilotage à appliquer. aval - 5 - Les paramètres comme les pré-injections, la pression rail, la pression de suralimentation, les systèmes de refroidissement d'air à l'admission, ont une forte influence sur les émissions de polluants et de CO2. Les paramètres de réglage optimal sont appliqués en fonction des scenarios enregistrés. Les stratégies de pilotage sont directement mises en oeuvre à travers des réglages moteurs choisis qui permettent d'obtenir, selon le cas, l'efficacité maximale du post traitement ou l'efficacité maximale dans le gain de consommation de carburant. L'estimation de l'efficacité des catalyseurs est basée sur les 10 connaissances précises du comportement du catalyseur en fonction de la température interne mais d'autres facteurs influents sont utilisés comme l'avance à l'injection et le taux d'EGR. En figure 2 on observe sur un exemple la variation de l'efficacité du DOC dans le traitement des HC et CO en fonction de la température : ce 15 traitement est particulièrement efficace à partir d'un seuil de température des gaz (de 150°C à 180°C) en entrée du catalyseur. Les courbes 20 et 22, qui représentent respectivement les variations d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone, montrent comment varie l'efficacité E du DOC en fonction de la température. Si les courbes ont un profil différent avant les 150 °C elles sont à 20 peu près identiques à partir de 150°C. Le réglage des paramètres moteurs élèvent la température des gaz au dessus de 150°C et ils permettent d'atteindre l'efficacité maximale de la dépollution. En figure 3 la courbe 22 représente la variation de l'efficacité du post-traitement du SCR dans le traitement des NOx en fonction de la température et 25 pour le SCR, comme déjà vu pour le DOC, le système de post traitement est particulièrement efficace à partir d'un seuil de température de 150°C à 180 °C en entrée du catalyseur sélectif. La température d'eau du moteur, le point de fonctionnement du moteur (régime et pression moyenne effective) et la température entrée du SCR sont 30 les principales informations qui permettent d'établir la valeur de l'efficacité du SCR.
Pour augmenter l'efficacité de la dépollution, la thermique en entrée SCR peut être modifiée profitablement en réglant les paramètres du moteur afin qu'ils favorisent la thermique des gaz à la sortie du moteur et génèrent des réactions exothermiques dans les pains de post traitement placés en amont du SCR. La combinaison de ces deux actions coordonnées et maitrisées permet d'atteindre rapidement les conditions favorables en entrée SCR pour accélérer la réduction des NOx. En figure 4a et 4b, on a enregistré l'évolution de la masse des polluants présents à la sortie du moteur respectivement en fonction des variations des réglages de l'avance à l'injection ou du taux d'EGR : - sur la courbe 30 la masse Q du dioxyde de carbone (CO2) diminue avec l'augmentation de l'avance à l'injection (fig. 4a) alors qu'elle augmente quand le taux d'EGR augmente (fig.4b). - sur la courbe 31 la masse Q de monoxyde de carbone diminue avec l'augmentation de l'avance à l'injection, fig. 4a, alors qu'elle augmente avec l'augmentation du taux d'EGR (fig. 4b). - sur la courbe 32 la masse des oxydes d'azote, à l'inverse des monoxydes de carbone, augmente avec l'augmentation de l'avance à l'injection, fig. 4a, alors qu'elle diminue avec l'augmentation du taux d'EGR, fig. 20 4b. - sur la courbe 33 qui représente la variation de la masse des HC, cette dernière se comporte comme le monoxyde de carbone. Comme nous l'avons déjà noté la thermique et l'exotherme sont deux sources de surconsommation en carburant. Il est donc nécessaire que le 25 fonctionnement du post traitement évolue pour engendrer une diminution de la consommation de carburant. Le fonctionnement du post traitement décrit, évolue alternativement entre deux phases (ph 1 active et ph 2 inactive). Cette évolution dépend directement de la valeur de l'efficacité E. Selon la valeur de l'efficacité E de la 30 dépollution la stratégie utilisée met en oeuvre un scenario de réglages du moteur R1 ou R2.
Réagissant directement aux scenarios de réglages moteurs mis en place (R1 ou R2) le post traitement passe d'une phase phi qui privilégie la dépollution à une phase ph2 qui privilégie le gain de consommation de carburant.
Le changement des phases du système de post traitement dans le temps est illustré en figure 5. La phase 1 correspond à l'efficacité croissante du post traitement, qui accélère la réduction des NOx, la phase 2, en revanche est celle qui optimise l'usage client comme la consommation du carburant. Tant que l'efficacité E de la dépollution n'atteint pas la valeur E2 c'est toujours le scenario de réglage moteur R1 qui est mis en place et donc la phase phi de post traitement qui est enclenchée (phase active). Dans cette phase ce sont les HC / NOx / CO qui sont traités en priorité (phase d'accélération du post traitement).
Quand l'efficacité atteint la valeur E2, les réglages moteurs mis en place sont ceux du scenario R2 et c'est donc la phase ph2 du post traitement qui est enclenchée. C'est ainsi que la phase ph2 du post traitement maximise l'économie du client (phase de diminution de la consommation de carburant). L'utilisation de ces deux scenarii de réglages pour le moteur, R1 et R2, 20 fait passer le post traitement d'une phase phl active à une phase ph2 inactive. Quand la valeur de l'efficacité descend à un niveau inferieur à E1, le post traitement retourne à être en accélération de dépollution. La figure 6 illustre le procédé de fonctionnement du post traitement. L'initialisation du système a lieu au démarrage du moteur : le paramètre E 25 (efficacité) pris en compte et sa valeur est scrutée et mise à jour. (Etape A) Les réglages moteur R1 sont donc activés, ceci favorise l'accélération du post-traitement car la réduction des NOx, et l'oxydation des HC et CO s'accélèrent. (Etape B) Quand la valeur de E atteint une première valeur El le système de post 30 traitement est en phase phi et reste dans cette phase en accélérant le traitement des polluants tant que la valeur de E ne devient pas égale à E2. . - 8 - Lorsque le paramètre (E) atteint sa deuxième valeur (E2), le scenario de réglages moteur R2 est mis en oeuvre et le post traitement rentre en phase ph2 en optimisant l'usage client et favorisant la diminution de carburant et la fiabilité du moteur. (Etape C) Lorsque le moteur est sur son deuxième réglage R2, le système continue à scruter les valeurs atteintes par le paramètre de pilotage (E) et seulement lorsque la valeur du paramètre E arrive au niveau de sa première valeur (El), les réglages du moteur passent de R2 à Rl. (Etape B). Lors des phases de développement du moteur à chaque balayage de l'ensemble des paramètres modifiables, les meilleures valeurs et les actions à mener pour l'optimisation du pilotage en phase d'utilisation ont été trouvés et enregistrés. Cela a permis de définir plusieurs scenarios compatibles avec émissions de polluants différents. Sans sortir du cadre de l'invention plusieurs réglages moteurs peuvent être mis en oeuvre et les états du post traitement peuvent être plus fins et multiples afin de viser globalement une meilleure dépollution (accélération du post traitement) et une meilleure performance à l'usage client (meilleure consommation de carburant et meilleure fiabilité du moteur). De plus en fonction de l'efficacité instantanée des catalyseurs il est 20 possible de moduler les émissions du moteur pour maintenir les émissions des polluants à l'échappement équivalentes tout au long des cycles de roulages des véhicules. Cette invention peut être appliquée sur tous les véhicules utilisant un système de post traitement et particulièrement les applications moteurs pour 25 les normes supérieures à euro 5 utilisant des systèmes comportant un DOC, FAP, un SCR et/ou un Nox Trap. 30

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion qui permet la réduction des oxydes 5 d'azote (NOx) dans le catalyseur sélectif de réduction (SCR) grâce à une réaction avec de l'ammoniac injecté dans l'échappement et l'oxydation de (HC) et (CO) dans un DOC, grâce à l'atteinte d'une température seuil Ts en entrée du catalyseur qui utilise les informations issues des sondes implantées dans le système de dépollution ainsi que l'enregistrement des données acquises lors 10 de la phase de mise au point du moteur, caractérisé en ce le procédé génère et met à jour en continu, dès son démarrage, au moins un paramètre (E) qui pilote le scenario des réglages R1 du moteur pour accélérer le post traitement, ainsi que le scenario des réglages R2 du moteur qui diminue la consommation de carburant. 15
  2. 2. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon la revendication 1 caractérisé en ce que lorsque le paramètre ( E ) atteint une première valeur (El), le réglage du moteur est mis sur un premier réglage (R1) forçant la mise en action 20 accélérée du post-traitement.
  3. 3. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon la revendication 2 caractérisé en ce que sur le réglage moteur (R1) , le système continue à scruter les variations 25 de la valeur du paramètre de pilotage (E).
  4. 4. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon la revendication 1 caractérisé en ce que lorsque le paramètre (E) atteint la valeur (E2), le moteur est mis sur un 30 deuxième réglage (R2) optimisant l'usage client et favorisant la diminution de carburant et la fiabilité du moteur.-10-
  5. 5. Procédé de contrôle des émission des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon la revendication 3 et 4, caractérisé en ce que lorsque le moteur est sur son deuxième réglage R2, le système continue à scruter les variation de la valeur du paramètre de pilotage (E).
  6. 6. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque la valeur du paramètre E atteint la deuxième valeur (E2), les 10 réglages du moteur passent de R1 à R2.
  7. 7. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon la revendication 5, caractérisé en ce que lorsque la valeur du au moins un paramètre (E) atteint sa première 15 valeur (El) les réglages du moteur passent de R2 à Rl.
  8. 8. Procédé de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité de réglage du 20 moteur ne se limite pas à deux scenarii de réglages.
  9. 9. Dispositif de contrôle des émissions des polluants dans un système de dépollution d'un moteur à combustion pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des sondes de 25 température disposées de sorte à permettre le pilotage par le paramètre E selon ledit procédé. 30
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