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FR3067058A1 - Procede de gestion de l’injection d’agent reducteur dans un systeme de reduction catalytique selective - Google Patents

Procede de gestion de l’injection d’agent reducteur dans un systeme de reduction catalytique selective Download PDF

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FR3067058A1
FR3067058A1 FR1754842A FR1754842A FR3067058A1 FR 3067058 A1 FR3067058 A1 FR 3067058A1 FR 1754842 A FR1754842 A FR 1754842A FR 1754842 A FR1754842 A FR 1754842A FR 3067058 A1 FR3067058 A1 FR 3067058A1
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Mohamed Bozian
Mireille Barre Pain
Sabrina Ait Ouazzou
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Abstract

L'invention concerne un procédé de gestion de l'injection d'agent réducteur dans un système de traitement des oxydes d'azote par un catalyseur (4) de réduction catalytique sélective, dans lequel il est défini : -une consigne de stockage d'ammoniac dans le catalyseur (4), -la quantité d'ammoniac stockée dans le catalyseur (4), -la quantité d'oxydes d'azote en amont du catalyseur (4), -une quantité d'agent réducteur à injecter pour réduire les oxydes d'azote, caractérisé en ce que l'on maintient une quantité d'agent réducteur à injecter non nulle et inférieure à la quantité requise pour traiter la totalité des oxydes d'azote en amont du catalyseur (4), lorsque la consigne de stockage est inférieure à la quantité d'ammoniac stockée dans ce catalyseur (4).

Description

PROCEDE DE GESTION DE L’INJECTION D’AGENT REDUCTEUR DANS UN SYSTEME DE REDUCTION CATALYTIQUE SELECTIVE
La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion et à la réduction de leurs émissions en oxydes d’azote. L’invention concerne plus particulièrement la gestion de l’injection d’agent réducteur dans un système de traitement des oxydes d’azote par un catalyseur de réduction catalytique sélective.
Les contraintes dues aux normes, par exemple les normes européennes, relatives aux niveaux d’émissions polluantes générées par le fonctionnement des moteurs à combustion interne deviennent de plus en plus en plus sévères, notamment en ce qui concerne les oxydes d’azote (NOx).
Le procédé de réduction catalytique sélective des oxydes d’azote (ou « procédé SCR >>) est un moyen connu pour convertir les oxydes d’azote. La réduction catalytique sélective utilise la faculté de certains agents réducteurs à réduire de manière sélective les oxydes d’azote. La réduction est sélective du fait que l’agent réducteur réagit plus facilement avec l’oxygène des oxydes d’azote qu’avec les molécules d’oxygène présentes en nombre beaucoup plus important dans les gaz d’échappement. L’ammoniac (NH3) s’est révélé être l’agent réducteur offrant la plus grande sélectivité. Toutefois, comme l’ammoniac est une substance toxique, on préfère pour les applications automobiles l’extraire de l’urée qui est une substance non toxique. L’urée étant fortement soluble dans l’eau, une solution d’eau et d’urée est, pour des raisons de simplicité du dosage, ajoutée aux gaz d’échappement. L’urée en se décomposant sous l’effet de la température produit l’ammoniac (NH3) requis à la réduction des oxydes d’azote.
Cette solution aqueuse d’urée est injectée dans la ligne d’échappement en amont du catalyseur de réduction catalytique sélective (ou catalyseur SCR). Pour avoir une efficacité maximale, de l’ammoniac est injecté en excès par rapport au oxydes d’azote pour être stocké dans le catalyseur SCR. Cet ammoniac stocké peut ultérieurement être restitué pour traiter des oxydes d’azote. Comme illustré par exemple par le document FR2925935 l’injection d’agent réducteur peut être coupée lorsque la quantité d’ammoniac stockée est supérieure ou égale à une valeur maximale.
Cependant une telle coupure d’injection peut nuire à l’efficacité de dépollution en oxydes d’azote du catalyseur car l’ammoniac stocké à la surface du catalyseur SCR est en quantité limitée et est consommé en premier. Le l’ammoniac stocké plus en profondeur dans la SCR est moins disponible du fait de la limitation de la diffusion de l’ammoniac dans catalyseur SCR. La capacité de stockage en ammoniac peut diminuer dans des situations de fonctionnement moteur, comme par exemple lorsque les gaz d’échappement montent en température et où la quantité d’oxyde d’azote augmente également. En effet la capacité de de stockage en ammoniac est fonction de la température. La capacité de de stockage baisse avec l’augmentation de la température.
Il existe donc un besoin pour améliorer l’efficacité de dépollution en oxydes d’azote du catalyseur dans les diverses situations de fonctionnement moteur, notamment lorsque la capacité de stockage du catalyseur SCR diminue.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un procédé de gestion de l’injection d’agent réducteur dans un système de traitement des oxydes d’azote par un catalyseur de réduction catalytique sélective, dans lequel il est défini :
-une consigne de stockage d’ammoniac dans le catalyseur,
-la quantité d’ammoniac stockée dans le catalyseur,
-la quantité d’oxydes d’azote en amont du catalyseur,
-une quantité d’agent réducteur à injecter pour réduire les oxydes d’azote, caractérisé en ce que l’on maintient une quantité d’agent réducteur à injecter non nulle et inférieure à la quantité requise pour traiter la totalité des oxydes d’azote en amont du catalyseur, lorsque la consigne de stockage est inférieure à la quantité d’ammoniac stockée dans ce catalyseur.
L’effet technique est d’éviter un effondrement de l’efficacité de la catalyse, lorsque la capacité de stockage du catalyseur de réduction catalytique sélective diminue, la quantité d’agent réducteur injectée permet de compenser la limitation de la restitution de l’ammoniac stocké.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une variante, la quantité d’agent réducteur à injecter est dépendante de la température du catalyseur de réduction catalytique sélective.
Selon une variante, la quantité d’agent réducteur à injecter est nulle en deçà d’une température minimum de catalyseur de réduction catalytique sélective pour laquelle on considère le catalyseur de réduction catalytique sélective n’est pas assez efficace.
Selon une variante, la quantité d’agent réducteur à injecter est dépendante du débit de gaz d’échappement.
Selon une variante, la quantité d’agent réducteur à injecter est déterminée à partir de : -une cartographie qui, en fonction de la température du catalyseur de réduction catalytique sélective et du débit de gaz d’échappement renvoie le pourcentage d’oxyde d’azote à traiter et,
-la quantité d’oxydes d’azote en amont du catalyseur.
Selon une variante, l’agent réducteur est une solution aqueuse d’urée.
L’invention concerne aussi un calculateur, caractérisé en ce qu’il comprend les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d’un procédé selon l’une quelconque des variantes précédemment décrites.
L’invention concerne aussi un moteur à combustion interne comprenant un tel calculateur.
L’invention concerne aussi un véhicule automobile comprend un tel moteur à combustion interne.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique d’une ligne d’échappement de véhicule automobile, munie d’un système de traitement des oxydes d’azote par réduction catalytique.
- La figure 2 illustre un exemple de la gestion de l’injection d’agent réducteur pour suivre la consigne de stockage, avec en abscisse le temps et en ordonnée sur l’axe de gauche le débit d’agent réducteur injecté ou le débit d’oxydes d’azote en amont du catalyseur de réduction catalytique sélective, en ordonnée sur l’axe de droite, la quantité d’ammoniac stocké dans le catalyseur.
-La figure 3 est une représentation schématique sous forme de logigramme de la gestion de l’injection d’agent réducteur.
-La figure 4 est une représentation schématique d’une cartographie qui détermine le pourcentage d’oxyde d’azote à traiter.
La figure 1 présente un moteur 1 à combustion interne, par exemple un moteur à allumage par compression, fonctionnant au gazole. Un tel moteur peut équiper un véhicule automobile pour son déplacement. Ce moteur 1 est relié à une ligne 2 d’échappement des gaz brûlés.
Les gaz échappés de ce moteur 1 sont, en premier lieu, introduits dans un catalyseur d’oxydation 3 qui, d’une part, détruit les monoxydes de carbone et hydroxydes de carbone présents dans les gaz d’échappement. Ce catalyseur d’oxydation 3 réalise également un ratio NO2/NOx proche de 0,5 pour augmenter les performances de dépollution du catalyseur 4 de réduction catalytique sélective. Les gaz sortant du catalyseur d’oxydation 3 sont alors dirigés vers le catalyseur 4 de réduction catalytique sélective. Les gaz sont ensuite introduits dans un filtre à particules 5, afin d’éliminer les particules de carbone restantes.
Le système de traitement des oxydes d’azote par réduction catalytique comprend, en outre un injecteur 6, situé en amont du catalyseur de réduction catalytique sélective 4, et destiné à injecter un agent réducteur dans la ligne d’échappement. Par agent réducteur on entend un précurseur de l’ammoniac, par exemple de l’urée sous forme aqueuse, stocké dans un réservoir 7, mais cet agent réducteur pourrait être directement de l’ammoniac.
Le système peut comprendre un capteur d’oxydes d’azote 8 situé en amont du catalyseur de réduction catalytique sélective 4, pour mesurer la quantité d’oxydes d’azote présents à cet endroit.
Il est prévu également un calculateur 9 comprenant les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé de gestion de l’invention de l’injection d’agent réducteur selon l’invention.
La figure 2 illustre une situation de vie en fonctionnement du moteur. Sur la figure 2 :
-la référence 20 désigne la quantité d’oxyde d’azote en amont du catalyseur de réduction sélective 4, relevée par le capteur d’oxydes d’azote 8, -la référence 21 désigne la quantité injectée d’agent réducteur,
-la référence 22 désigne une vitesse de véhicule,
-la référence 23 désigne la consigne de stockage en ammoniac dans le catalyseur 4,
-la référence 24 désigne la quantité stockée d’ammoniac dans le catalyseur 4,
La gestion de l’injection d’agent réducteur s’effectue selon le logigramme de la figure 3. Le bloc 30 désigne l’entrée de la fonction de maintien d’efficacité maximum de dépollution des oxydes d’azote. L’efficacité de la réduction catalytique sélective est dépendante essentiellement de la température du catalyseur 4, du ratio NO2/NOx et de l’ammoniac stocké dans le catalyseur 4. Si on maintient en permanence le ratio NO2/NOx dans des conditions optimales, ainsi qu’un niveau d’ammoniac suffisant dans catalyseur de réduction sélective 4, il est possible de tracer une courbe efficacité maximum de dépollution des oxydes d’azote en fonction de la température des gaz en amont du catalyseur de réduction sélective 4. Cette efficacité est proche de 100% au-delà d’une température maximum, par exemple 300°C, elle est qiasiment nulle en deçà d’une température minimum, par exemple sous 150°C, et crdssante entre ces deux températures, ici par exemple entre 150°C et 300 °C.
Au bloc 31, on vérifie si le chargement du catalyseur de réduction catalytique sélective 4 est inférieur à la consigne de stockage.
Dans l’affirmative (branche « O >> au départ du bloc 31), comme par exemple à l’instant t1 de la figure 2 où la quantité d’ammoniac stockée 24 est inférieure à la consigne de stockage 23, on injecte (bloc 33) de l’ammoniac, via l’agent réducteur, pour à la fois traiter les oxydes d’azote et charger catalyseur de réduction catalytique sélective 4 en ammoniac (en correspondance, à la figure 2, la quantité injectée d’agent réducteur est alors à un seuil haut).
Dans la négative (branche « N >> au départ du bloc 31), on vérifie (bloc 32) si le chargement du catalyseur de réduction catalytique sélective 4. Dans la négative (branche « N >> au départ du bloc 32), cela signifie que l’on est à la consigne de stockage et par conséquent on injecte (bloc 34) de l’ammoniac, via l’agent réducteur, pour traiter les oxydes d’azote sans avoir besoin de charger le catalyseur 4.
Dans l’affirmative (branche « O >> au départ du bloc 32), comme par exemple à l’instant t2 de la figure 2 où la quantité d’ammoniac stockée 24 est supérieure à la consigne de stockage 23, on injecte (bloc 35) une quantité non nulle d’ammoniac, via l’agent réducteur, mais cependant en quantité inférieure aux besoins pour dépolluer la totalité des oxydes d’azote, ce qui permet de consommer l’ammoniac en excès dans le catalyseur de réduction catalytique sélective 4.
Dans cette situation (bloc 35), la quantité à injecter peut être déterminée en fonction de la température, Tscr, du catalyseur de réduction catalytique sélective 4 et du débit volumique de gaz d’échappement, Qech, par exemple à l’aide d’une cartographie.
La figure 4 illustre un exemple de cartographie qui, en fonction de la température, Tscr, du catalyseur de réduction catalytique sélective 4 et du débit volumique de gaz d’échappement, Qech, renvoie le pourcentage d’oxyde d’azote à traiter.
Ainsi, connaissant la quantité d’oxyde d’azote en amont du catalyseur de réduction sélective 4, relevée par le capteur d’oxydes d’azote 8, on peut alors en déduire la quantité d’oxyde d’azote que l’on décide de traiter et donc la quantité d’agent réducteur à injecter.
Comme illustré à la figure 4, on peut prévoir de ne traiter les oxydes d’azote qu’à condition d’avoir une température catalyseur de réduction catalytique sélective 4 supérieure à une température minimum, Tscr-min. Cette température est par exemple de 150° C et représente la température en deçà de laquelle on considère que le catalyseur de réduction catalytique sélective 4 n’est pas assez efficace.
Avec l’invention, la vitesse de convergence de la quantité d’ammoniac stocké vers la consigne de stockage est plus lente que dans la situation de l’art antérieur où l’on n’injecte pas d’agent réducteur, cependant l’efficacité de dépollution des oxydes d’azote est préservée. En effet, l’invention permet de compenser le fait que l’ammoniac stocké dans le catalyseur SCR a une vitesse de disponibilité limitée pour réagir avec les oxydes d’azote qui peuvent arriver par bouffées sur le catalyseur de réduction catalytique sélective.
L’invention permet une amélioration significative de l’efficacité de dépollution des oxydes d’azote, ce qui permet d’avoir un réglage en faveur de la consommation de carburant.

Claims (9)

1. Procédé de gestion de l’injection d’agent réducteur dans un système de traitement des oxydes d’azote par un catalyseur (4) de réduction catalytique sélective, dans lequel il est défini :
-une consigne (23) de stockage d’ammoniac dans le catalyseur (4),
-la quantité (24) d’ammoniac stockée dans le catalyseur (4),
-la quantité (20) d’oxydes d’azote en amont du catalyseur (4),
-une quantité (21) d’agent réducteur à injecter pour réduire les oxydes d’azote, caractérisé en ce que l’on maintient une quantité d’agent réducteur à injecter non nulle et inférieure à la quantité requise pour traiter la totalité des oxydes d’azote en amont du catalyseur (4), lorsque la consigne (23) de stockage est inférieure à la quantité (24) d’ammoniac stockée dans ce catalyseur (4).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité (21) d’agent réducteur à injecter est dépendante de la température (Tscr) du catalyseur de réduction catalytique sélective (4).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité (21) d’agent réducteur à injecter est nulle en deçà d’une température minimum (Tscr-min) de catalyseur de réduction catalytique sélective (4) pour laquelle on considère le catalyseur de réduction catalytique sélective (4) n’est pas assez efficace.
4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la quantité (21) d’agent réducteur à injecter est dépendante du débit (Qéch) de gaz d’échappement.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la quantité (21) d’agent réducteur à injecter est déterminée à partir de :
-une cartographie qui, en fonction de la température (Tscr) du catalyseur de réduction catalytique sélective (4) et du débit (Qéch) de gaz d’échappement renvoie le pourcentage d’oxyde d’azote à traiter et,
-la quantité (20) d’oxydes d’azote en amont du catalyseur (4).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’agent réducteur est une solution aqueuse d’urée.
7. Calculateur, caractérisé en ce qu’il comprend les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
8. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu’il comprend un calculateur selon la revendication précédente.
5
9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à combustion interne selon la revendication précédente.
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