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FR3098126A1 - Systeme de mesure dans des gaz d’echappement d’un gaz non oxyde formant des molecules collantes - Google Patents

Systeme de mesure dans des gaz d’echappement d’un gaz non oxyde formant des molecules collantes Download PDF

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FR3098126A1
FR3098126A1 FR1907249A FR1907249A FR3098126A1 FR 3098126 A1 FR3098126 A1 FR 3098126A1 FR 1907249 A FR1907249 A FR 1907249A FR 1907249 A FR1907249 A FR 1907249A FR 3098126 A1 FR3098126 A1 FR 3098126A1
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exhaust gases
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Emmanuel Laigle
Thierry Bertin
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Original Assignee
PSA Automobiles SA
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Abstract

Système de mesure dans des gaz d’échappement d’un moteur thermique (2) d’un véhicule automobile, de la quantité d’un gaz non oxydé formant des molécules collantes, pouvant subir une oxydation pour donner un gaz oxydé formant des molécules non collantes, ce système comportant successivement dans le sens de passage des gaz d’échappement, un premier analyseur (6) de la quantité de gaz oxydé fournissant une mesure de référence (12), puis un deuxième analyseur (8) de la quantité de gaz oxydé fournissant une mesure totale (14), équipé en entrée d’un catalyseur d’oxydation (10) réalisant une oxydation du gaz non oxydé. Figure 1

Description

SYSTEME DE MESURE DANS DES GAZ D’ECHAPPEMENT D’UN GAZ NON OXYDE FORMANT DES MOLECULES COLLANTES
La présente invention concerne un système de mesure de gaz collants contenus dans les gaz d’échappement du moteur thermique d’un véhicule automobile, comprenant des molécules adhérentes, ainsi qu’un procédé d’utilisation d’un tel système de mesure, et un véhicule automobile équipé de ce système de mesure.
Les moteurs thermiques des véhicules automobiles émettent des gaz d’échappement contenant des éléments polluants qu’il faut traiter avant de les rejeter dans l’atmosphère.
Pour réaliser un dosage de certaines molécules contenues dans les gaz d’échappement, il est connu de disposer sur le côté du flux un analyseur prélevant une partie de ces gaz pour les conduire vers une cellule de comptage des molécules. On obtient une proportion qui permet en prenant en compte le débit total dans la ligne d’échappement, d’obtenir la quantité de ces molécules contenues dans ce débit total. On utilise ce procédé en particulier pour les gaz usuels, l’oxygène O2, le gaz carbonique CO2, le monoxyde de carbone CO ou les oxydes d’azote NOx.
En particulier les moteurs du type Diesel travaillant en excès d’oxygène, émettent des oxydes d’azote NOx qui peuvent être traités dans un catalyseur à réduction sélective, appelé « Selective Catalytic Reduction (SCR) » en langue anglaise, recevant un agent réducteur contenant de l’ammoniac NH3 pour former de l’azote N2 et de l’eau H2O.
Les catalyseurs à réduction sélective SCR possédant une certaine capacité d’accumulation de l’agent réducteur dépendant de la température du catalyseur, et le degré de conversion des oxydes d’azote NOx augmentant avec le niveau de chargement en ammoniac NH3 de ce catalyseur, il est donc difficile de prévoir avec précision la quantité d’agent réducteur à délivrer dans ce type de catalyseur.
De plus différents autres paramètres de fonctionnement du moteur thermique peuvent entraîner une libération incontrôlée d’ammoniac NH3 accumulé dans le catalyseur à réduction sélective SCR, qui s’écoule vers l’aval, notamment des fortes variations de charge du moteur, ou une régénération d’un filtre à particules.
Il est connu de disposer successivement en sortie du catalyseur à réduction sélective SCR, un premier analyseur de mesure des oxydes d’azote NOx suivi d’un deuxième analyseur de mesure de l’ammoniac NH3.
Toutefois l’ammoniac NH3 étant un gaz possédant des molécules qui ont la propriété de se coller sur les parois, lors d’une émission de ces molécules on commence par saturer les différentes parois entre la source et la cellule de mesure, ce qui donne un temps de retard et une déformation de cette mesure perturbant les résultats. Il devient alors difficile d’estimer précisément le débit d’ammoniac NH3 réellement présent dans la ligne d’échappement.
Un même problème se pose pour d’autres types de gaz comprenant des molécules collantes, comme les hydrocarbures imbrûlés HC.
Pour éviter ces problèmes, une solution connue, présentée notamment par le document FR-A1-2902139, comporte successivement un premier catalyseur à réduction sélective comprenant une capacité absolue d’accumulation de l’agent réducteur reçu contenant l’ammoniac NH3, formant une grandeur de guidage pour le dosage de cet agent, puis un deuxième catalyseur à réduction sélective comprenant une capacité absolue d’accumulation qui est additionnelle.
Le dosage de l’apport d’agent réducteur est fait en prenant uniquement la capacité absolue du premier catalyseur formant la grandeur de guidage, sans tenir compte de celle du deuxième catalyseur. Le deuxième catalyseur constitue une capacité additionnelle permettant d’intercepter et d’absorber une libération éventuelle d’ammoniac NH3 venant du premier catalyseur, pour le consommer ensuite lors de la réduction catalytique d’oxydes d’azote NOx arrivant sur ce deuxième catalyseur.
Toutefois cette installation comprenant deux catalyseurs à réduction sélective SCR successifs, ajoute une complexité au système de dépollution du véhicule, ainsi qu’une masse supplémentaire et des coûts additionnels.
La présente invention a notamment pour but d’éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un système de mesure dans des gaz d’échappement d’un moteur thermique d’un véhicule automobile, de la quantité d’un gaz non oxydé formant des molécules collantes, pouvant subir une oxydation pour donner un gaz oxydé formant des molécules non collantes, ce système étant remarquable en ce qu’il comporte successivement dans le sens de passage des gaz d’échappement, un premier analyseur de la quantité de gaz oxydé fournissant une mesure de référence, puis un deuxième analyseur de la quantité de gaz oxydé fournissant une mesure totale, équipé en entrée d’un catalyseur d’oxydation réalisant une oxydation du gaz non oxydé.
Un avantage de ce système de mesure est que le deuxième analyseur recevant le gaz oxydé grâce à l’oxydation par le catalyseur d’oxydation, en comparant sa mesure à celle donnée par le premier analyseur, et en faisant la différence, on obtient de manière simple la part du gaz oxydé qui vient de l’oxydation du gaz non oxydé présent dans les gaz d’échappement.
On en déduit la quantité de gaz non oxydé présent dans les gaz d’échappement, sans avoir à conduire le gaz non oxydé et collant le long d’un conduit menant jusqu’au deuxième analyseur, ce qui simplifie sa réalisation en permettant de l’éloigner de la ligne d’échappement.
Le système de mesure selon l’invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Selon un mode de réalisation, le catalyseur d’oxydation est un catalyseur qui réalise l’oxydation d’ammoniac NH3 en oxydes d’azote NOx.
Selon un autre mode de réalisation, le catalyseur d’oxydation est un catalyseur qui réalise l’oxydation d’hydrocarbures imbrûlés HC en dioxyde de carbone CO2.
L’invention a aussi pour objet un procédé d’utilisation d’un système de mesure comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, remarquable en ce qu’il soustrait la mesure de référence donnée par le premier analyseur à la mesure totale donnée par le deuxième analyseur, pour en déduire la quantité de gaz non oxydé présent dans les gaz d’échappement.
En particulier, le procédé peut calculer une quantité d’ammoniac NH3 à injecter dans un catalyseur à réduction sélective disposé en amont du système de mesure, à partir de la quantité mesurée de gaz non oxydé présent dans les gaz d’échappement.
L’invention a de plus pour objet un véhicule automobile équipé d’un moteur thermique et d’un système de dépollution disposé dans la ligne d’échappement de ce moteur thermique, remarquable en ce qu’il comporte un système de mesure comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
En particulier, le système de dépollution comportant un catalyseur à réduction sélective, le catalyseur d’oxydation est avantageusement disposé à une distance de la sortie du catalyseur à réduction sélective qui est inférieure à 10cm.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
est un schéma présentant une motorisation de véhicule automobile équipée d’un système de mesure selon l’art antérieur ;
comporte deux schémas présentant en fonction du temps, avec un système de mesure selon l’art antérieur, pour le premier des mesures d'un polluant comprenant des molécules non collantes, et pour le deuxième des mesures d’un polluant comprenant des molécules collantes, comme l’ammoniac ;
est un schéma présentant une motorisation de véhicule automobile équipée d’un système de mesure selon l’invention ;
sont des schémas présentant en fonction du temps une mesure d’oxydes d’azote sans ammoniac, avec un système de mesure successivement selon l’art antérieur et selon l’invention ;
sont des schémas présentant en fonction du temps une mesure uniquement d’ammoniac, avec un système de mesure successivement selon l’art antérieur et selon l’invention ; et
sont des schémas présentant en fonction du temps une mesure d’oxydes d’azote avec ammoniac, avec un système de mesure successivement selon l’art antérieur et selon l’invention.
La figure 1 présente un moteur thermique 2 émettant des gaz d’échappement qui passent dans une ligne de dépollution 4 contrôlée par un calculateur, comportant un catalyseur à réduction sélective SCR recevant d’un réservoir extérieur un agent réducteur comprenant de l’ammoniac NH3 afin de réaliser une réduction des oxydes d’azote NOx.
Au plus près de la sortie du catalyseur SCR, un système de mesure selon l’art antérieur comporte un premier analyseur 6 de quantité d’oxydes d’azote contenu dans le flux des gaz d’échappement, puis juste après un deuxième analyseur 16 de quantité d’ammoniac NH3 contenu aussi dans le flux des gaz d’échappement.
La figure 2 présente des quantités Q en fonction du temps T, pour le système de mesure suivant l’art antérieur.
Le premier schéma présente la quantité émise 20 d’un polluant non collant au temps T0 formant un créneau sensiblement carré, comme les gaz usuels comprenant le dioxyde d’oxygène O2, le dioxyde de carbone CO2, le monoxyde de carbone CO, le dioxyde d’azote NO2 ou le monoxyde d’azote NO.
On obtient au temps T1, après un déphasage temporel D correspondant à la vitesse d’avance des gaz, la mesure 22 de cette quantité émise 20 subissant une petite déformation avec un arrondissement des angles à cause de la faible diffusion des molécules sur les parois. Il suffit ensuite de recaler le phasage de la mesure 22 en retirant le déphasage temporel D, pour obtenir une valeur estimée 24 de la quantité émise 20.
Le deuxième schéma présente la quantité émise 26 d’un polluant collant au temps T0 formant un créneau sensiblement carré, comme l’ammoniac NH3.
On obtient au temps T1’ après un déphasage temporel plus important D’, une mesure 28 de cette quantité émise 26 intervenant seulement après la saturation des parois, qui subit une forte déformation avec un arrondissement important des angles à cause de la quantité de molécules se diffusant sur ces parois. Même après un recalage du phasage de la mesure 28 en retirant le déphasage temporel D’, on obtient une valeur estimée 30 qui est assez éloignée de la quantité réelle émise 26.
Il devient alors complexe d’estimer précisément le débit d’ammoniac NH3 réellement présent dans les gaz d’échappement, et d’ajuster le réglage du débit d’agent réducteur délivré au catalyseur SCR.
La figure 3 présente le moteur thermique 2 avec une ligne d’échappement équipée d’un système de mesure selon l’invention, comprenant au plus près de la sortie du catalyseur SCR le premier analyseur 6 de quantité d’oxydes d’azote, puis juste après un deuxième analyseur 8 de quantité d’oxydes d’azote, comportant à son entrée un catalyseur d’oxydation 10 qui oxyde l’ammoniac NH3 rentrant dans ce deuxième analyseur en oxydes d’azote NOx.
Le premier analyseur 6 donne une mesure de référence 12 des oxydes d’azote NOx contenu dans le flux des gaz d’échappement. Le deuxième analyseur 8 donne une mesure totale 14 comprenant la mesure des oxydes d’azote NOx contenus dans les gaz d’échappement, similaire à la mesure de référence 12, à laquelle s’ajoute la mesure des oxydes d’azote NOx venant de l’oxydation de l’ammoniac NH3 réalisée par le catalyseur d’oxydation 10.
Le calculateur de contrôle de la ligne de dépollution réalise ensuite une opération de soustraction en retirant la mesure de référence 12 de la mesure totale 14, pour obtenir la part d’oxydes d’azote NOx venant du débit d’ammoniac NH3, et en déduire de manière précise la quantité d’ammoniac présente dans les gaz d’échappement en sortie du catalyseur à réduction sélective SCR.
En particulier en plaçant le catalyseur d’oxydation 10 au plus près de la sortie du catalyseur à réduction sélective SCR, notamment à une distance inférieure à 10cm, on obtient une surface des conduits très réduite entre cette sortie et ce catalyseur d’oxydation donnant un meilleur temps de réponse de la mesure, et une minimisation de la surface saturée en ammoniac qui se colle sur les parois donnant une déformation limitée de la mesure.
On notera que les gaz d’échappement prélevés pour alimenter le deuxième analyseur 8, réchauffent au passage le catalyseur d’oxydation 10 ce qui permet de franchir rapidement sa température d’amorçage lui permettant de réaliser la réaction d’oxydation. En complément dans le cas où on cherche à obtenir une mise en température plus rapide du catalyseur d’oxydation 10, on peut lui ajouter un dispositif de chauffage électrique.
On notera aussi que le conduit reliant le catalyseur d’oxydation 10 au deuxième analyseur 8 peut être long, par exemple de plusieurs mètres, pour faciliter l’implantation de cet analyseur dans le véhicule, sans dégrader la qualité de la mesure grâce à la bonne fluidité des oxydes d’azote NOx circulant dans ce conduit.
Les figures 4, 5 et 6 présentent des quantités Q en fonction du temps T, comprenant sur chaque figure pour le premier schéma avec un procédé selon l’art antérieur, une première courbe de quantité émise d’oxydes d’azote NOx 40, une deuxième courbe de quantité émise d’ammoniac NH3 42, une troisième courbe de mesure d’oxydes d’azote 44 donnée par le premier analyseur d’oxydes d’azote 6, et une quatrième courbe de mesure d’ammoniac 46 donnée par l’analyseur d’ammoniac 16.
Le deuxième schéma des figures 4, 5 et 6 présentent avec un procédé selon l’invention, la première courbe de quantité émise d’oxydes d’azote NOx 40, la deuxième courbe de quantité émise d’ammoniac NH3 42, la troisième courbe de première mesure d’oxydes d’azote 44 avec le premier analyseur 6, une cinquième courbe de deuxième mesure d’oxydes d’azote 48 avec le deuxième analyseur 8, et une sixième courbe de calcul d’ammoniac 50.
La figure 4 correspond à des gaz d’échappement comprenant une émission à débit constant d’oxydes d’azote NOx et sans ammoniac NH3.
Pour le premier schéma la première courbe de quantité émise 40, et la troisième courbe de mesure 44 donnée par le premier analyseur d’oxydes d’azote 6, sont à une valeur constante, la deuxième courbe 42, et la quatrième courbe 46 donnée par l’analyseur d’ammoniac 16, sont à une valeur nulle.
Pour le deuxième schéma la troisième courbe de première mesure 44 donnée par le premier analyseur d’oxydes d’azote 6 et la cinquième courbe de deuxième mesure 48 donnée par le deuxième analyseur d’oxydes d’azote 8, sont identiques. Le retrait de la troisième courbe 44 sur la cinquième courbe 48 donne la valeur nulle de la sixième courbe de calcul d’ammoniac 50.
La figure 5 correspond à des gaz d’échappement ne comprenant pas d’oxydes d’azote NOx, mais un débit d’ammoniac NH3 formant un créneau carré.
Le premier schéma donne une quatrième courbe de mesure d’ammoniac 46 qui est fortement déphasée et déformée par rapport à la deuxième courbe de quantité émise 42, à cause du collage des molécules sur les parois de conduits pouvant présenter une longueur de plusieurs mètres avant d’atteindre le deuxième analyseur 16.
Pour le deuxième schéma la cinquième courbe de deuxième mesure 48 donnée par le deuxième analyseur d’oxydes d’azote 8 est très peu déphasée et déformée, à cause de la transformation de l’ammoniac NH3 au plus près de la sortie du catalyseur SCR, notamment à moins de 10cm, qui laisse peu de surface pour le collage de ces molécules. Les oxydes d’azote NOx formés par le catalyseur d’oxydation 10 à partir de cet ammoniac NH3, transitent vers le deuxième analyseur 8 avec très peu de pertes.
La retrait de la troisième courbe 44 sur la cinquième courbe 48, donne la sixième courbe de calcul d’ammoniac 50 qui est égale à cette cinquième courbe.
La figure 6 correspond à des gaz d’échappement comprenant à la fois un débit constant d’oxydes d’azote NOx et un créneau de débit d’ammoniac NH3. On obtient pour le premier schéma une addition des courbes présentées par les premiers schémas des figures 4 et 5.
Pour le deuxième schéma la cinquième courbe de deuxième mesure 48 donnée par le deuxième analyseur d’oxydes d’azote 8, représente l’addition des oxydes d’azote contenus dans les gaz d’échappement et ceux venant de l’ammoniac oxydé par le catalyseur d’oxydation 10.
La retrait de la troisième courbe 44 sur la cinquième courbe 48, donne la sixième courbe de calcul d’ammoniac 50. La différence de mesure donnée par le deuxième analyseur 8 par rapport au premier 6, permet de retrouver le créneau d’émission du débit d’ammoniac NH3 avec une bonne précision.
D’une manière générale on peut appliquer le même procédé avec d’autres molécules collantes, notamment des hydrocarbures imbrûlés HC, en utilisant le catalyseur d’oxydation 10 à l’entrée du deuxième analyseur 8 transformant ces hydrocarbures en dioxyde de carbone CO2 qui n’est pas collant.
Le système de mesure selon l’invention permet de manière simple, d’améliorer la précision de la mesure de certaines molécules. En particulier dans le cas d’une mesure de l’ammoniac NH3, on utilise un analyseur d’oxydes d’azote 8 à la place d’un analyseur d’ammoniac 16, qui est moins cher.

Claims (7)

  1. Système de mesure dans des gaz d’échappement d’un moteur thermique (2) d’un véhicule automobile, de la quantité d’un gaz non oxydé formant des molécules collantes, pouvant subir une oxydation pour donner un gaz oxydé formant des molécules non collantes, caractérisé en ce qu’il comporte successivement dans le sens de passage des gaz d’échappement, un premier analyseur (6) de la quantité de gaz oxydé fournissant une mesure de référence (12), puis un deuxième analyseur (8) de la quantité de gaz oxydé fournissant une mesure totale (14), équipé en entrée d’un catalyseur d’oxydation (10) réalisant une oxydation du gaz non oxydé.
  2. Système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur d’oxydation (10) est un catalyseur d’oxydation d’ammoniac NH3 en oxydes d’azote NOx.
  3. Système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur d’oxydation (10) est un catalyseur d’oxydation d’hydrocarbures imbrûlés HC en dioxyde de carbone CO2.
  4. Procédé d’utilisation, pour un système de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il soustrait la mesure de référence (12) donnée par le premier analyseur (6) à la mesure totale (14) donnée par le deuxième analyseur (8), pour en déduire la quantité de gaz non oxydé présent dans les gaz d’échappement.
  5. Procédé d’utilisation selon la revendication 4 pour un système de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il calcule une quantité d’ammoniac NH3 à injecter dans un catalyseur à réduction sélective (SCR) disposé en amont du système de mesure, à partir de la quantité mesurée du gaz non oxydé présent dans les gaz d’échappement.
  6. Véhicule automobile équipé d’un moteur thermique (2) et d’un système de dépollution (4) disposé dans la ligne d’échappement de ce moteur thermique (2), caractérisé en ce qu’il comporte un système de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
  7. Véhicule automobile selon la revendication 6, équipé d’un système de dépollution (4) avec un système de mesure selon la revendication 2 comportant un catalyseur à réduction sélective (SCR), caractérisé en ce que le catalyseur d’oxydation (10) est disposé à une distance de la sortie du catalyseur à réduction sélective (SCR) qui est inférieure à 10cm.
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