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FR3115820A1 - Procédé et système de décristallisation d’une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne, notamment Diesel - Google Patents

Procédé et système de décristallisation d’une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne, notamment Diesel Download PDF

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FR3115820A1
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Renault SAS
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Abstract

Procédé d’élimination de cristaux cyanuriques dans une ligne d’échappement (Ce) d’un moteur à combustion interne comprenant un système de dépollution caractérisé en ce que  :- on estime la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement selon un modèle de cristaux cyanuriques prédéterminé et de la quantité d’agent réducteur injectée par un dispositif (48) d’injection d’un agent réducteur en aval d’un premier dispositif de dépollution (42);- on compare ladite masse estimée de cristaux cyanuriques avec une première valeur de seuil au-delà de laquelle la quantité de cristaux cyanuriques impacte le fonctionnement d’un catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes en aval du premier dispositif de dépollution (42); et- on traite lesdits cristaux par activation d’un organe (51) de chauffage disposé en amont du premier dispositif de dépollution (42) lorsque la masse estimée de cristaux est supérieure ou égale à la première valeur de seuil. Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Procédé et système de décristallisation d’une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne, notamment Diesel
La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne, et notamment les lignes d’échappement des gaz.
Plus particulièrement, la présente invention concerne le domaine de la dépollution des moteurs à combustion interne de type Diesel.
Les moteurs à combustion interne produisent des gaz d’échappement qui contiennent des substances polluantes telles que des oxydes d’azote, des hydrocarbures imbrûlés (HC), du monoxyde de carbone (CO), et des oxydes d’azote (NOx). Il est nécessaire de traiter ces substances polluantes avant de les évacuer dans l’atmosphère. Les véhicules automobiles sont pourvus, à cet effet, d’un convertisseur catalytique installé dans la ligne d’échappement du moteur, afin d’oxyder les molécules réductrices constituées par le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC), et de traiter les molécules d’oxydes d’azote (NOx), sous l’action du monoxyde de carbone, pour les transformer en diazote (N2) et en dioxyde de carbone (CO2).
Les normes actuelles, et notamment la norme connue sous le nom de « Euro-7 », imposent de baisser les émissions de gaz polluants des véhicule automobiles sous un seuil. Ainsi, des systèmes de post-traitement des gaz de plus en plus complexes sont disposés dans la ligne d’échappement des moteurs qui fonctionnent en mélange pauvre.
Plus spécifiquement les systèmes de post-traitement permettent de traiter les émissions d’oxydes d’azote (NOx) en plus du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (HC) qui sont traités notamment par catalyseur d’oxydation, dit Diesel Oxydation Catalyst en termes anglo-saxons et des particules fines qui sont traitées par un filtre à particules, d’acronyme « FAP », dit Diesel Particulate Filter en termes anglo-saxons.
Dans le but de traiter les oxydes d’azote (NOx), il est connu d’utiliser un piège à oxydes d’azote, dit Lean Nox Trap en termes anglo-saxons, d’acronyme « LNT ». Un tel piège à oxydes d’azote est efficace sur une plage étendue de température des gaz.
Le piège à oxydes d’azote fonctionne de manière séquentielle. Lors du fonctionnement habituel du moteur en mélange pauvre, les oxydes d’azote sont stockés sans être traités. Toutefois, la capacité de stockage des oxydes d’azote étant limitée et la diminution de l’efficacité de la capacité de stockage étant dépendante de son chargement en oxydes d’azote, il est nécessaire de purger le piège à oxydes d’azote. Les oxydes d’azote stockés dans le piège sont réduits par du carburant introduit dans la ligne d’échappement du moteur en amont du piège, grâce à un basculement du mode de fonctionnement du moteur en mélange riche.
De nombreux moteurs utilisent également un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote, dit Selective Catalyst Reduction en termes anglo-saxons, d’acronyme « SCR ». Un tel catalyseur peut être utilisé seul ou en combinaison avec le piège à oxydes d’azote (LNT).
De manière générale, un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote (SCR) fonctionne de manière continue pour réduire les oxydes d’azote (NOx) entrants grâce à de l’ammoniac (NH3) provenant d’une injection en amont dudit catalyseur d’un composé à base d’urée (Adblue®).
L’ammoniac réagit avec les oxydes d’azote et l’oxygène en excès et convertit les oxydes d’azote, néfastes pour la santé, en azote (N2) et vapeur d’eau (H2O). Un tel catalyseur nécessite un réservoir supplémentaire pour le composé à base d’urée, un injecteur additionnel situé dans la ligne d’échappement, ainsi qu’une gestion spécifique de la quantité de composé injectée, qui est surveillée par des capteurs de température et des sondes d’oxydes d’azote.
Le composé à base d’urée est pulvérisé sous forme de fines gouttelettes. Un mélangeur est disposé à proximité de la pulvérisation du composé à base d’urée pour mélanger uniformément les gaz d’échappement avec le composé à base d’urée.
Un tel catalyseur a une efficacité de traitement des effluents gazeux plus élevée que celle d’un piège à oxydes d’azote. Toutefois, sa température d’activation, à partir de laquelle il commence à être efficace est de l’ordre de 160°C à 180°C, soit une température plus élevée que celle d’un piège à oxydes d’azote.
L’augmentation de la sévérité des normes de dépollution implique de réduire les oxydes d’azote de plus en plus tôt, dès le début de roulage du véhicule automobile.
Toutefois, dans la mesure où la température optimale pour traiter les émissions d’oxydes d’azote dans les gaz de combustion du moteur n’est pas atteinte en début de roulage, le risque d’utiliser le catalyseur de réduction catalytique sélective est accru.
L’injection d’un composé à base d’urée à des faibles températures des gaz d’échappement peut entraîner la formation de cristaux cyanuriques, qui peuvent engendrer l’obstruction du catalyseur SCR, voire l’immobilisation du véhicule automobile.
En effet, de tels cristaux cyanuriques ont tendance à s’accumuler sur le nez de l’injecteur du composé à base d’urée, sur le mélangeur et également dans le catalyseur SCR.
Il est connu d’utiliser un catalyseur en combinaison avec un piège à oxydes d’azote afin de dépolluer le moteur à froid, tant que la température d’activation du catalyseur n’est pas atteinte. Le piège à oxydes d’azote est disposé en amont du catalyseur de réduction sélective, à proximité du moteur, de sorte qu’il commence à chauffer avant le catalyseur.
Il est également connu d’implanter un système de chauffage en amont du piège à oxydes d’azote afin d’arriver à la température d’activation du piège plus rapidement. Afin d’accélérer la montée en température du catalyseur de réduction sélective, il est connu d’utiliser un mode de fonctionnement spécifique du moteur, dont le rendement de combustion est dégradé par rapport au fonctionnement habituel, afin d’augmenter les pertes thermiques à l’échappement. Ainsi, on mesure la température du catalyseur et, tant que celle-ci est inférieure à une valeur de seuil, on procède à un chauffage par modification du mode de combustion.
On peut se référer à cet égard au document FR 2 939 473 – A1 qui décrit un dispositif de traitement des gaz d’échappement comprenant une ligne d’échappement comportant un catalyseur d’oxydation et un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote en aval du catalyseur d’oxydation. Le dispositif de traitement comprend en outre un moyen de commande disposé dans le catalyseur de réduction sélective et comprenant un monolithe métallique relié à une source électrique configuré pour augmenter la température du catalyseur de réduction sélective au-dessus d’un seuil égal à 170°C.
Toutefois, un tel chauffage augmente considérablement la consommation de carburant du moteur, et rejette une quantité élevée de dioxyde de carbone responsable du réchauffement de la planète par effet de serre.
Le document US 2009 107 119 propose un réchauffeur additionnel enveloppant un tronçon d’une paroi du conduit d’échappement à proximité du point d’injection de l’urée dans la ligne d’échappement. Cependant, cela nécessite d’ajouter des pièces supplémentaires.
On connaît également le document JP 08206459 qui divulgue l’utilisation d’un réservoir d’eau afin d’injecter de l’eau en même temps que le composé à base d’urée lorsque le moteur est à l’arrêt et ainsi dissoudre les cristaux formés dans le catalyseur SCR. Toutefois, cela nécessite de prévoir un réservoir additionnel.
On connaît également le document FR 2 985 770 qui divulgue un procédé de décristallisation basé sur une estimation de la masse de cristaux accumulée dans le catalyseur SCR et dans lequel on régénère un filtre à particules situé dans la ligne d’échappement pour augmenter la température lorsque l’estimation de la masse de cristaux est supérieure à une valeur de seuil.
Toutefois, cela nécessite de régénérer le filtre à particules, entraînant une injection de carburant dans les cylindres du moteur qui n’est pas utilisée pour la combustion et qui est ainsi évacuée à l’échappement en amont du filtre à particules pour y brûler les suies accumulées. Cependant, une partie du carburant traverse la segmentation et se retrouve dans l’huile du moteur, ce qui diminue ses qualités de lubrification de l’huile. D’autre part, la régénération du filtre à particules nécessite une température très élevée, par exemple supérieure à 650°C, ce qui peut avoir pour effet de vider brutalement le catalyser SCR de son stock d’ammoniac, composé particulièrement polluant.
Cela impose alors de contrôler spécifiquement le catalyseur SCR en le vidant avant la régénération du piège et en reconstituant le stock d’ammoniac dans le catalyseur SCR après la régénération du filtre à particules.
Il existe un besoin pour améliorer la décristallisation d’un catalyseur SCR sans ajouter de composants supplémentaires spécifiquement dédiés à la décristallisation et sans perturber le fonctionnement du catalyseur SCR.
L’objet de la présente invention est donc de proposer un procédé et un système de traitement des cristaux cyanuriques dans un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote simple à mettre en œuvre et sans ajouter de composants supplémentaires dans le moteur.
L’invention a pour objet un procédé d’élimination de cristaux cyanuriques dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un premier dispositif de dépollution, tel que par exemple un piège à oxydes d’azote ou un catalyseur d’oxydation, un organe de chauffage disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution comprenant au moins un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes « SCR » en aval du premier dispositif de dépollution, au moins un dispositif d’injection d’un agent réducteur configuré pour injecter ledit agent réducteur directement en aval du premier dispositif de dépollution et en amont du catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes de réduction sélective des oxydes d’azote et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du deuxième dispositif de dépollution.
Selon le procédé :
- on estime la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement selon un modèle de cristaux cyanuriques prédéterminé en fonction de l’analyse des conditions thermodynamiques régnant dans la ligne d’échappement et de la quantité d’agent réducteur injectée ;
- on compare ladite masse estimée de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement avec une première valeur de seuil au-delà de laquelle la quantité de cristaux cyanuriques impacte le fonctionnement du catalyseur ; et
- on traite les cristaux cyanuriques par activation de l’organe de chauffage lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques est supérieure ou égale à la première valeur de seuil.
Ainsi, on limite efficacement la quantité de cristaux d’agent réducteur dans la ligne d’échappement et dans le dispositif injecteur.
Avantageusement, on détermine le niveau de puissance de l’organe de chauffage en fonction de la masse estimée de cristaux cyanuriques et d’une cartographie.
Plus la masse estimée de cristaux cyanuriques est grande, plus la puissance de chauffe de l’organe de chauffage est importante afin de nettoyer la ligne d’échappement des cristaux cyanuriques présents.
Lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques atteint la première valeur de seuil, on peut couper l’injection d’agent réducteur.
Avantageusement, lors du traitement des cristaux cyanuriques, on vérifie en continue la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement, notamment en aval du catalyseur SCR grâce au capteur multi-gaz afin de contrôler la suppression des cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement et on compare la mesure de la concentration d’ammoniac avec une troisième valeur de seuil, lorsque la mesure de la concentration d’ammoniac est inférieure ou égale à la troisième valeur de seuil, on éteint l’organe de chauffage et le modèle de cristaux cyanuriques est remis à zéro.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un système d’élimination de cristaux cyanuriques dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un premier dispositif de dépollution, tel que par exemple un piège à oxydes d’azote ou un catalyseur d’oxydation, un organe de chauffage disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution comprenant au moins un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes « SCR » en aval du premier dispositif de dépollution, au moins un dispositif d’injection d’un agent réducteur configuré pour injecter ledit agent réducteur directement en aval du premier dispositif de dépollution et en amont du catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes de réduction sélective des oxydes d’azote et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du deuxième dispositif de dépollution.
Le système comprend :
- un module d’estimation de la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement selon un modèle de cristaux cyanuriques prédéterminé en fonction de l’analyse des conditions thermodynamiques régnant dans la ligne d’échappement et de la quantité d’agent réducteur injectée ;
- un module de comparaison de ladite masse estimée de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement avec une première valeur de seuil au-delà de laquelle la quantité de cristaux cyanuriques impacte le fonctionnement du catalyseur ; et
- un module de traitement des cristaux cyanuriques par activation de l’organe de chauffage lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques est supérieure ou égale à la première valeur de seuil.
Avantageusement, le module de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour déterminer le niveau de puissance de l’organe de chauffage en fonction de la masse estimée de cristaux cyanuriques et d’une cartographie.
Plus la masse estimée de cristaux cyanuriques, plus la puissance de chauffe de l’organe de chauffage est importante afin de nettoyer la ligne d’échappement des cristaux cyanuriques présents.
Par exemple, lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques atteint la première valeur de seuil, le module de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour couper l’injection d’agent réducteur.
Avantageusement, le module de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour vérifier en continue la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement, notamment en aval du catalyseur SCR grâce au capteur multi-gaz afin de contrôler la suppression des cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement et pour comparer la mesure de la concentration d’ammoniac avec une troisième valeur de seuil, lorsque la mesure de la concentration d’ammoniac est inférieure ou égale à la troisième valeur de seuil, l’organe de chauffage est éteint et le modèle de cristaux cyanuriques est remis à zéro.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un premier dispositif de dépollution, tel que par exemple un piège à oxydes d’azote ou un catalyseur d’oxydation, un organe de chauffage disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution comprenant au moins un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes « SCR » en aval du premier dispositif de dépollution, au moins un dispositif d’injection d’un agent réducteur configuré pour injecter ledit agent réducteur directement en aval du premier dispositif de dépollution et en amont du catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes de réduction sélective des oxydes d’azote et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du deuxième dispositif de dépollution et au moins un système d’élimination des cristaux cyanuriques tel que décrit précédemment.
Selon un autre mode de réalisation, le véhicule comprend un troisième dispositif de dépollution comprenant au moins un troisième catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azotes alimenté en agent réducteur à base d’urée par un dispositif d’injection d’un agent réducteur en amont dudit troisième dispositif de dépollution, un capteur multi-gaz monté directement en aval du troisième dispositif de dépollution et configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du troisième dispositif de dépollution, ledit véhicule comprenant un deuxième système d’élimination des cristaux cyanuriques tel que décrit précédemment configuré pour éliminer les cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement comprenant le troisième dispositif de dépollution.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
représente, de manière très schématique, un exemple de structure d’un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile équipé d’une ligne d’échappement pourvue d’un système de post-traitement des gaz d’échappement et un système de décristallisation de la ligne d’échappement selon l’invention ; et
représente la synoptique d’un procédé de décristallisation de la ligne d’échappement selon l’invention mise en œuvre par le système de la .
Sur la , on a représenté, de manière schématique, la structure générale d’un moteur à combustion interne 10, notamment de type Diesel, d’un véhicule automobile.
Ces architectures sont données à titre d’exemple et ne limitent par l’invention à la seule configuration à laquelle peut s’appliquer la correction de la mesure du débitmètre selon l’invention.
Dans l’exemple illustré, le moteur à combustion interne 10 comprend, de manière non limitative, quatre cylindres 12 en ligne, un collecteur d’admission d’air frais 14, un collecteur d’échappement 16 et un système de turbo-compression, ou turbocompresseur 18 du moteur.
Les cylindres 12 sont alimentés en air par l’intermédiaire du collecteur d’admission 14, ou répartiteur d’admission, lui-même alimenté par une conduite 20 pourvue d’un filtre à air 22 et d’un compresseur 18b du turbocompresseur 18 du moteur 10.
Tel qu’illustré, chaque cylindre est alimenté par du carburant, du type gazole, par l’intermédiaire d’un injecteur de carburant Ic.
De manière connue, le turbocompresseur 18 comporte essentiellement une turbine 18a entraînée par les gaz d’échappement et le compresseur 18b monté sur le même arbre que la turbine 18a et assurant une compression de l’air distribué par le filtre à air 22, dans le but d’augmenter la quantité (i.e. le débit massique) d’air admise dans les cylindres 12 du moteur 10. La turbine 18a peut être du type « à géométrie variable », c’est-à-dire que la roue de la turbine est équipée d’ailettes à inclinaison variable afin de moduler la quantité d’énergie prélevée sur les gaz d’échappement, et ainsi la pression de suralimentation.
Un échangeur thermique 24 est placé après la sortie du compresseur 18b équipant la conduite d’alimentation 14a du collecteur d’admission 14 en air frais.
Le moteur à combustion interne 10 comprend ainsi un circuit d’admission Ca et un circuit d’échappement Ce.
Le circuit d’admission Ca comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation de l’air :
- le filtre à air 22 ou boîte à air ;
- un débitmètre 26 disposé dans la conduite d’admission 20 en aval du filtre à air 22 ; le débitmètre 26 étant configuré pour mesurer la valeur réelle du débit (massique) d’air entrant dans le moteur 10 ;
- le compresseur 18b du turbocompresseur 18 configuré pour comprimer les gaz d’échappement recyclés à basse pression, tel que sera décrit ultérieurement ;
- l’échangeur thermique 24 configuré pour refroidir les gaz d’admission correspondant à un mélange d’air frais et de gaz recirculés après leur compression dans le compresseur 18b ;
- une vanne de réglage 28 disposée dans la conduite d’alimentation 14a du collecteur d’admission 14, en aval de l’échangeur thermique 24 et en amont du collecteur d’admission 14, ladite vanne 28 étant configurée pour régler le débit d’air et de gaz recyclés à basse pression entrant dans les cylindres 12 ; et
- le collecteur d’admission 14.
Le circuit d’échappement Ce comprend, d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz brûlés :
- le collecteur d’échappement 16 ;
- la turbine 18a du turbocompresseur 18 configurée pour prélever de l’énergie sur les gaz d’échappement qui la traversent, ladite énergie de détente étant transmise au compresseur 18b par l’intermédiaire de l’arbre commun, pour la compression des gaz d’admission ;
- un système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur.
En ce qui concerne le collecteur d’échappement 16, celui-ci récupère les gaz d’échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l’extérieur, par l’intermédiaire d’un conduit d’échappement des gaz 30 débouchant sur la turbine 18a du turbocompresseur 18 et par une ligne d’échappement 32 montée en aval de ladite turbine 18a.
De manière non limitative, le moteur 10 comprend deux circuits de recirculation partielle 34, 36 des gaz d’échappement à l’admission, dits « exhaust gas recirculation » ou « EGR », en termes anglo-saxons.
Le premier circuit 34 de recirculation des gaz d’échappement à haute pression, dit « EGR HP », prend naissance en un point du conduit d’échappement 30 en amont de la turbine 18a et renvoie les gaz d’échappement en un point de la conduite d’alimentation 14a en aval du compresseur 18b et notamment en aval de l’échangeur thermique 24 et de la vanne de réglage 28. Le premier circuit 34 de recirculation comprend une première vanne « V EGR HP » configurée pour réguler le débit des gaz d’échappement recyclés à haute pression.
Le premier circuit 34 de recirculation des gaz d’échappement est configuré pour récupérer une partie des gaz d’échappement et les réinjecter dans le collecteur d’admission d’air 14, afin de limiter la quantité d’oxydes d’azote produits par la combustion tout en évitant la formation de fumée dans les gaz d’échappement. Le premier circuit de recirculation 34 pourrait, par exemple, comporter un échangeur thermique (non représenté).
Le deuxième circuit 36 de recirculation des gaz d’échappement à basse pression, dit « EGR BP », prend naissance en un point de la ligne d’échappement 32, en aval de ladite turbine 18a, et notamment en aval du système 40 de dépollution des gaz et renvoie les gaz d’échappement recyclés en un point de la conduite 20 d’alimentation en air frais, en amont du compresseur 18b du turbocompresseur 18, notamment en aval du débitmètre 26. Le débitmètre 26 ne mesure que le débit d’air frais seul.
Tel qu’illustré, le deuxième circuit 36 de recirculation comprend, dans le sens de circulation des gaz recyclés, un filtre 36a, un refroidisseur 36b et une deuxième vanne « V EGR BP » configurée pour réguler le débit des gaz d’échappement recyclés à basse pression. La deuxième vanne « V EGR BP » est disposée en aval du refroidisseur 36b, en aval du débitmètre 26 et en amont du compresseur 18b.
Tel qu’illustré, le système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur comprend un premier dispositif de dépollution 42, par exemple un catalyseur d’oxydation, situé dans la ligne d’échappement 32 directement en aval de la turbine 18a et un deuxième dispositif de dépollution 44 disposé dans la ligne d’échappement 26 en aval du premier dispositif de dépollution 42.
Le deuxième dispositif de dépollution 44 comprend un premier catalyseur 45 de réduction sélective des oxydes d’azotes, dit « selective catalytic reduction », d’acronyme « SCR » en termes anglo-saxons, et un deuxième catalyseur 46 de réduction sélective des oxydes d’azotes ayant une fonction de filtre à particules, dit « selective catalytic reduction filter», d’acronyme « SCRF » en termes anglo-saxons, disposé dans la ligne d’échappement 26 en aval du catalyseur d’oxydation 42 et en amont du premier catalyseur 45 « SCR ».
Les deux catalyseurs 45, 46 de réduction sélective des oxydes d’azotes sont, ici, montés dans une même enveloppe (non référencée), par exemple métallique.
Un organe de chauffage 41, tel qu’une grille en matériau conducteur, est situé en amont du premier dispositif de dépollution 42.
Un capteur d’oxydes d’azote NOx1, associé ou non à une sonde à oxygène proportionnelle est monté en aval du catalyseur d’oxydation 42.
Un capteur multi-gaz 47 est monté directement en aval du deuxième dispositif de dépollution 44 et notamment du deuxième catalyseur 46 SCRF. Il est configuré pour mesurer les concentrations d’oxygène, d’oxydes d’azote et d’ammoniac ainsi que la température en aval du deuxième dispositif de dépollution 44.
Le système 40 comprend en outre un dispositif 48 d’injection d’un agent réducteur qui injecte ledit agent réducteur directement en aval du catalyseur d’oxydation 42 et en amont du deuxième catalyseur 45 de réduction sélective des oxydes d’azote.
La description est réalisée en application à un agent réducteur constitué par le cas particulier de l’ammoniac NH3formé, par exemple, à partir d’un composé à base d’urée, connu sous le nom commercial AdBlue® correspondant à la solution AUS32 à 32.5% d’urée. Tout autre type d’agent réducteur adapté au fonctionnement du catalyseur SCR peut être envisagé, en fonction de la nature du catalyseur SCR.
Le système 40 comprend un mélangeur 49 monté entre le dispositif d’injection 48 et le deuxième catalyseur 46 de réduction sélective des oxydes d’azote, qui est configuré pour homogénéiser l’agent réducteur dans les gaz d’échappement.
A titre d’exemple nullement limitatif, le système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur comprend un troisième dispositif de dépollution 50 disposé dans la ligne d’échappement 26 en aval du deuxième dispositif de dépollution 44.
Le troisième dispositif de dépollution 50 comprend un troisième catalyseur 51 de réduction sélective des oxydes d’azotes, « SCR » et un catalyseur 52 d’oxydation « CUC » en aval du troisième catalyseur 51 « SCR ».
Les deux catalyseurs 51, 52 sont, ici, montés dans une même enveloppe (non référencée), par exemple métallique.
Tel qu’illustré, le troisième dispositif de dépollution 50 est alimenté en agent réducteur à base d’urée par un dispositif 53 d’injection d’un agent réducteur en amont dudit troisième dispositif de dépollution 50 et en amont d’un deuxième mélangeur 54.
Le troisième dispositif de dépollution 50 est associé à un capteur multi-gaz 55 monté directement en aval du troisième dispositif de dépollution 50 et notamment du catalyseur 52 CUC, et qui est configuré pour mesurer les concentrations d’oxygène, d’oxyde d’azote et d’ammoniac, et la température en aval du troisième dispositif de dépollution 50. Il est aussi associé à un capteur d’oxydes d’azote NOx3 monté en aval du capteur multi-gaz 55.
Le système 40 de dépollution des gaz de combustion du moteur comprend à minima un premier dispositif de dépollution 42, tel que par exemple un piège à oxydes d’azote ou un catalyseur d’oxydation, un organe de chauffage 41 disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution 44 comprenant au moins un catalyseur 45 de réduction sélective des oxydes d’azotes « SCR » en aval du premier dispositif de dépollution 42 et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution 44.
Le moteur comprend une unité électronique de commande « UCE » 60 configurée pour commander les différents éléments du moteur à combustion interne à partir de données recueillies par des capteurs, tels que, de manière non limitative, un capteur de pression d’air de suralimentation (non référencé) situé en amont de la vanne 28 de débit d’air, un capteur P3.2 de pression d’air de suralimentation après piquage de la vanne haute pression V EGR HP, un capteur P_Coll de pression des gaz d’échappement en sortie du collecteur d’échappement 16, un capteur P_AVT de pression des gaz d’échappement avant turbine 26 placé à l’entrée de la turbine 18a du turbocompresseur 18, et des capteurs P6.1 et P6.2 disposé dans le conduit 36 de recirculation des gaz BP respectivement en amont et en aval de la vanne V EGR BP.
L’unité de commande électronique 60 pourrait recevoir d’autres données, telles que les températures à différents endroits du moteur, ou d’autres pressions.
L’unité de commande électronique 60 comprend un système 61 de décristallisation dans la ligne d’échappement, c’est-à-dire d’élimination de cristaux cyanuriques.
Le système 61 de décristallisation est configuré pour détecter et traiter les cristaux cyanuriques présents dans la ligne d’échappement Ce.
Le système 61 de décristallisation comprend un module 62 d’estimation de la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement en fonction de l’analyse des conditions thermodynamiques régnant dans la ligne d’échappement et de la quantité d’agent réducteur injectée.
On connait de nombreuses méthodes permettant d’estimer la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement.
On peut, par exemple, se référer au document FR 2 985 770 qui décrit un modèle de masse de cristaux en fonction de la température des gaz entrant dans le catalyseur SCR, du débit des gaz d’échappement entrant dans ledit catalyseur SCR et du débit d’agent réducteur.
La température des gaz peut être déterminée par un capteur T5 en amont du deuxième dispositif de dépollution 44.
Le débit des gaz d’échappement entrant dans le catalyseur SCR peut être estimé par un débitmètre, ou le cas échéant par le débit de gaz EGR basse pression estimé à partir d’un modèle de Barré Saint Venant aux bornes du circuit 36 de recirculation des gaz à basse pression, en utilisant notamment la pression différentielle aux bornes de la vanne V EGR BP. Par différence de la pression, on obtient la somme du débit d’air et du débit de gaz recirculés à basse pression.
En variante, on pourrait utiliser d’autres modèles pour estimer la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement Ce.
Le système 61 de décristallisation comprend en outre un module 63 de comparaison de la quantité de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement avec des valeur de seuils A, B au-delà desquelles la quantité de cristaux cyanuriques impacte le catalyseur SCR 45.
Le système 61 de décristallisation comprend en outre un module 64 de traitement des cristaux cyanuriques par activation de l’organe 51 de chauffage en amont du premier dispositif de dépollution 42.
En dessous d’une première valeur de seuil A, la quantité de cristaux cyanuriques ne nécessite pas de déclencher la commande de l’organe de chauffage 41, la dégradation de l’efficacité du catalyseur SCR 45 étant considérée comme négligeable.
Lorsque la quantité de cristaux cyanuriques atteint une première valeur de seuil A, l’injection d’agent réducteur est coupée. La quantité de cristaux cyanuriques impacte l’efficacité du catalyseur SCR 45 et nécessite de déclencher la commande de l’organe de chauffage 41.
L’organe de chauffage a une plage d’utilisation de puissance comprise entre 0 et une deuxième valeur de seuil B. La deuxième valeur de seuil B correspond à la puissance maximale de l’organe de chauffage 41.
Le niveau de puissance de l’organe de chauffage 41 est déterminée en fonction de la quantité de cristaux cyanuriques et d’une cartographie. La calibration de cette cartographie est réalisée, par exemple, lors d’essais de caractérisation pour déterminer le meilleur compromis entre dioxyde de carbone et efficacité de chauffe. Ainsi, une forte production d’ammoniac en peu de temps nécessitera une puissance de chauffe plus importante afin de nettoyer la ligne d’échappement des cristaux cyanuriques présents.
Le module 64 de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour vérifier en continue la concentration d’ammoniac NH3dans la ligne d’échappement, notamment en aval du catalyseur SCR 45 grâce au capteur multi-gaz 46 afin de contrôler la suppression des cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement.
Le module 64 de traitement des cristaux cyanuriques compare la mesure de la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement avec une troisième valeur de seuil C.
En effet, lorsque le catalyseur SCR fonctionne correctement, l’ajout de l’agent réducteur ne génère normalement pas de fuite d’ammoniac en aval du catalyseur SCR car la quantité d’ammoniac stockée à l’intérieur dudit catalyseur SCR est inférieure à sa capacité de stockage en ammoniac ASC (acronyme en anglais pour : Ammonia Storage Capacity). Toutefois, la suppression des cristaux cyanuriques se traduit par une fuite d’ammoniac.
Lorsque la mesure de la concentration d’ammoniac est inférieure ou égale à la troisième valeur de seuil C, l’organe de chauffage 41 est éteint et le modèle de cristaux cyanuriques est remis à zéro.
Lorsque le système de dépollution 40 comprend une troisième de dépollution 50, l’unité électronique de commande 60 comprend un deuxième système de décristallisation configuré pour éliminer les cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement comprenant le troisième dispositif de dépollution 50. Ledit deuxième système de décristallisation est identique au premier système de décristallisation 61 et le module de traitement reçoit en entrée la mesure de concentration d’ammoniac mesurée par le deuxième capteur 55.
Tel qu’illustré sur la , un procédé 100 de décristallisation de la ligne d’échappement Ce, c’est-à-dire d’élimination de cristaux cyanuriques.
Le procédé 100 de décristallisation permet de détecter et traiter les cristaux cyanuriques présents dans la ligne d’échappement Ce.
Le procédé 100 de décristallisation comprend une étape 101 d’estimation de la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement en fonction de l’analyse des conditions thermodynamiques régnant dans la ligne d’échappement et de la quantité d’agent réducteur injectée.
Le procédé 100 de décristallisation comprend une étape 102 de comparaison de la quantité de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement avec des valeurs de seuils A, B au-delà desquelles la quantité de cristaux cyanuriques impacte l’efficacité du catalyseur SCR 45.
Le procédé 100 de décristallisation comprend une étape 103 de traitement des cristaux cyanuriques par activation de l’organe 51 de chauffage en amont du premier dispositif de dépollution 42.
En dessous d’une première valeur de seuil A, la quantité de cristaux cyanuriques ne nécessite pas de déclencher la commande de l’organe de chauffage 41, la dégradation de l’efficacité du catalyseur SCR 45 étant considérée comme négligeable.
Lorsque la quantité de cristaux cyanuriques atteint la première valeur de seuil A, l’injection d’agent réducteur est coupée. La quantité de cristaux cyanuriques impacte l’efficacité du catalyseur SCR 45 et nécessite de déclencher la commande de l’organe de chauffage 41.
L’organe de chauffage a une plage d’utilisation de puissance comprise entre 0 et une deuxième valeur de seuil B. La deuxième valeur de seuil B correspond à la puissance maximale de l’organe de chauffage 41.
Le niveau de puissance de l’organe de chauffage 41 est déterminée en fonction de la quantité de cristaux cyanuriques et d’une cartographie. La calibration de cette cartographie est réalisée, par exemple, lors d’essais de caractérisation pour déterminer le meilleur compromis entre dioxyde de carbone et efficacité de chauffe. Ainsi, une forte production d’ammoniac en peu de temps nécessitera une puissance de chauffe plus importante afin de nettoyer la ligne d’échappement des cristaux cyanuriques présents.
Lors de l’étape 103 de traitement des cristaux cyanuriques, on vérifie en continue la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement, notamment en aval du catalyseur SCR 45 grâce au capteur multi-gaz 46 afin de contrôler la suppression des cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement.
On compare ensuite la mesure de la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement avec une troisième valeur de seuil C.
En effet, lorsque le catalyseur SCR fonctionne correctement, l’ajout de l’agent réducteur ne génère normalement pas de fuite de nitrates d’ammonium en aval du catalyseur SCR car la quantité d’ammoniac à l’intérieur dudit catalyseur SCR est inférieure à sa capacité de stockage en ammoniac ASC. Toutefois, la suppression des cristaux de nitrates d’ammonium se traduit par une fuite de nitrates d’ammonium.
Lorsque la mesure de la concentration d’ammoniac est inférieure ou égale à la troisième valeur de seuil C, l’organe de chauffage 41 est éteint et le modèle de cristaux cyanuriques est remis à zéro.
Le système et le procédé selon l’invention permettent de détecter et traiter les cristaux cyanuriques présents dans la ligne d’échappement Ce, sans ajouter de composants structurels additionnels et sans nécessiter de mode de combustion spécifique pouvant impacter significativement la consommation du véhicule.

Claims (10)

  1. Procédé d’élimination de cristaux cyanuriques dans une ligne d’échappement (Ce) d’un moteur à combustion interne comprenant un premier dispositif de dépollution (42), un organe de chauffage (41) disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution (44) comprenant au moins un catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes en aval du premier dispositif de dépollution (42), au moins un dispositif (48) d’injection d’un agent réducteur configuré pour injecter ledit agent réducteur directement en aval du premier dispositif de dépollution (42) et en amont du catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution (44) configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du deuxième dispositif de dépollution (44), caractérisé en ce que :
    - on estime la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement selon un modèle de cristaux cyanuriques prédéterminé en fonction de l’analyse des conditions thermodynamiques régnant dans la ligne d’échappement et de la quantité d’agent réducteur injectée ;
    - on compare ladite masse estimée de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement avec une première valeur de seuil (A) au-delà de laquelle la quantité de cristaux cyanuriques impacte le fonctionnement du catalyseur (45) ; et
    - on traite les cristaux cyanuriques par activation de l’organe (51) de chauffage lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques est supérieure ou égale à la première valeur de seuil (A).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine le niveau de puissance de l’organe de chauffage (41) en fonction de la masse estimée de cristaux cyanuriques et d’une cartographie.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques atteint la première valeur de seuil (A), on coupe l’injection d’agent réducteur.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors du traitement des cristaux cyanuriques, on vérifie en continu la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement grâce au capteur multi-gaz (46) et on compare la mesure de la concentration d’ammoniac avec une troisième valeur de seuil (C), lorsque la mesure de la concentration d’ammoniac est inférieure ou égale à la troisième valeur de seuil (C), on éteint l’organe de chauffage (41) et le modèle de cristaux cyanuriques est remis à zéro.
  5. Système (61) d’élimination de cristaux cyanuriques dans une ligne d’échappement (Ce) d’un moteur à combustion interne comprenant un premier dispositif de dépollution (42), un organe de chauffage (41) disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution (44) comprenant au moins un catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes en aval du premier dispositif de dépollution (42), au moins un dispositif (48) d’injection d’un agent réducteur configuré pour injecter ledit agent réducteur directement en aval du premier dispositif de dépollution (42) et en amont du catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes de réduction sélective des oxydes d’azote et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution (44) configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du deuxième dispositif de dépollution (44), caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un module (62) d’estimation de la masse de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement selon un modèle de cristaux cyanuriques prédéterminé en fonction de l’analyse des conditions thermodynamiques régnant dans la ligne d’échappement et de la quantité d’agent réducteur injectée ;
    - un module (63) de comparaison de ladite masse estimée de cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement avec une première valeur de seuil (A) au-delà de laquelle la quantité de cristaux cyanuriques impacte le fonctionnement du catalyseur (45) ; et
    - un module (64) de traitement des cristaux cyanuriques par activation de l’organe (51) de chauffage lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques est supérieure ou égale à la première valeur de seuil (A).
  6. Système (61) selon la revendication 5, dans lequel le module (64) de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour déterminer le niveau de puissance de l’organe de chauffage (41) en fonction de la masse estimée de cristaux cyanuriques et d’une cartographie.
  7. Système (61) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel lorsque la masse estimée de cristaux cyanuriques atteint la première valeur de seuil (A), le module (64) de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour couper l’injection d’agent réducteur.
  8. Système (61) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le module (64) de traitement des cristaux cyanuriques est configuré pour vérifier en continu la concentration d’ammoniac dans la ligne d’échappement grâce au capteur multi-gaz (46) et pour comparer la mesure de la concentration d’ammoniac avec une troisième valeur de seuil (C), lorsque la mesure de la concentration d’ammoniac est inférieure ou égale à la troisième valeur de seuil (C), l’organe de chauffage (41) est éteint et le modèle de cristaux cyanuriques est remis à zéro.
  9. Véhicule automobile comprenant une ligne d’échappement (Ce) d’un moteur à combustion interne comprenant un premier dispositif de dépollution (42), un organe de chauffage (41) disposé en amont du premier dispositif de dépollution, un deuxième dispositif de dépollution (44) comprenant au moins un catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes«en aval du premier dispositif de dépollution (42), au moins un dispositif (48) d’injection d’un agent réducteur configuré pour injecter ledit agent réducteur directement en aval du premier dispositif de dépollution (42) et en amont du catalyseur (45) de réduction sélective des oxydes d’azotes et un capteur multi-gaz en aval du deuxième dispositif de dépollution (44) configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du deuxième dispositif de dépollution (44) et au moins un système (60) d’élimination des cristaux cyanuriques selon l’une quelconque des revendications 5 à 8.
  10. Véhicule selon la revendication 9, comprenant un troisième dispositif de dépollution (50) comprenant au moins un troisième catalyseur (51) de réduction sélective des oxydes d’azotes alimenté en agent réducteur à base d’urée par un dispositif (53) d’injection d’un agent réducteur en amont dudit troisième dispositif de dépollution (50), un capteur multi-gaz (55) monté directement en aval du troisième dispositif de dépollution (50) et configuré pour mesurer au moins les concentrations d’ammoniac et la température en aval du troisième dispositif de dépollution (50), ledit véhicule comprenant un deuxième système (60) d’élimination des cristaux cyanuriques selon l’une quelconque des revendications 5 à 8 configuré pour éliminer les cristaux cyanuriques dans la ligne d’échappement comprenant le troisième dispositif de dépollution (50).
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