FR3150549A1

FR3150549A1 - Procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, muni d’au moins un catalyseur à trois voies.

Info

Publication number: FR3150549A1
Application number: FR2306982A
Authority: FR
Inventors: Adolfo ARRANZ-VELASCO; Nathalie Villain
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2023-06-30
Filing date: 2023-06-30
Publication date: 2025-01-03
Anticipated expiration: 2043-06-30
Also published as: FR3150549B1; WO2025003371A1

Abstract

Procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement d’un véhicule automobile muni d’un moteur à combustion interne et d’au moins un catalyseur à trois voies, le procédé d’estimation permettant d’estimer la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement, notamment avant qu’un éventuel capteur de concentration ne soit suffisamment chaud pour réaliser des mesures, comprenant les étapes suivantes : a. on identifie (1) les réactions chimiques dans le au moins un catalyseur à trois voies ayant les espèces polluantes pour réactif ou produit, b. on détermine (2) les vitesses réactionnelles de chaque réaction chimique identifiée, c. on réalise (3) un bilan de masse dans le au moins un catalyseur considéré comme un système ouvert, pour chacune espèces polluantes, et d. on détermine (4) la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement en fonction du bilan de masse. Figure pour l’abrégé : Aucune figure

Description

Procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, muni d’au moins un catalyseur à trois voies.

L’invention a pour domaine technique l’estimation des espèces polluantes produites par un moteur à combustion interne, et plus précisément, des espèces polluantes produites par un moteur à combustion interne muni d’au moins un catalyseur.

Techniques antérieures

La nouvelle norme Euro 7, qui rentrera en application à partir de 2025, requiert une réduction des émissions polluantes, par rapport à la norme actuelle (Euro 6e), pour les véhicules commercialisés en Europe.

Parmi les émissions polluantes, la norme Euro7 est particulièrement stricte quant aux émissions d’oxydes d’azote et d’ammoniac .

Parmi ces gaz, on notera les particularités du et du . Le dioxyde d’azote est un gaz toxique qui produit une inflammation des voies respiratoires et qui contribue à la formation des pluies acides. L’ammoniac contribue à la formation de particules secondaires, associées à des maladies cardiovasculaires et respiratoires, et qui est nocif pour les environnements aquatiques.

La norme Euro 7 comprend une obligation de diagnostic embarqué OBM (acronyme anglophone pour « On-Board Monitoring »). Il sera obligatoire de surveiller, sur chaque trajet réalisé par le véhicule, la quantité d’oxydes d’azote (essentiellement du monoxyde d’azote et du dioxyde d’azote ) et la quantité d’ammoniac émises à l'échappement. Le véhicule devra transmettre ces valeurs non seulement via la prise de diagnostic embarqué OBD (acronyme anglophone pour « On-Board Diagnostic ») mais également via une communication sans fil OTA (acronyme anglophone pour « over the air ») vers une plateforme dédiée.

Si les émissions d’oxydes d’azote ou d’ammoniac dépassent une limite prédéfinie, construite en multipliant le seuil réglementaire de l’espèce considérée par un facteur prédéterminé supérieur 1, dit facteur de conformité CF, alors le véhicule devra alerter le conducteur par des voyants au tableau de bord et lui imposer la réparation du véhicule via des limitations de couple moteur et de vitesse du véhicule, voire par l’interdiction de démarrage.

En d’autres termes, si les émissions sont supérieures à, par exemple, 1,5 ou 2 fois plus que des seuils prédéterminés, obtenus généralement lors de l’homologation du véhicule, calculée sur un nombre de trajets valides, l’alerte devra être donnée.

Afin de déterminer ces valeurs, un capteur de concentration permettant de déterminer la concentration de ces polluants dans les gaz d’échappement doit être prévu dans les véhicules visant à obtenir l’homologation Euro 7. Un système de diagnostic embarqué du capteur est également requis.

Néanmoins les types de capteurs existants ne sont pas capables de réaliser une mesure tant que leur élément sensible n’a pas encore atteint une température de seuil, dite température de fonctionnement. La montée en température du capteur peut durer jusqu’à 90 secondes depuis le début du roulage pour les véhicules à allumage commandé.

Il apparait ainsi qu’il n’est pas possible de satisfaire à la norme Euro 7 avec les seuls capteurs existants du fait de l’absence de mesure jusqu’à 90 secondes après le début du roulage.

Il existe un besoin pour une détermination des émissions d’oxydes d’azote et d’ammoniac en sortie d’échappement d’un moteur à combustion interne commandée, avant l’atteinte de la température de fonctionnement par le capteur de mesure de ces polluants.

Dans l’état de la technique antérieure, de nombreux documents traitent de l’estimation de la quantité d’oxydes d’azote.

On peut citer notamment les documents US8225595, US20170044962, US9771846, US9304061, EP2832965, EP2910758 et EP3819483 traitant du cas spécifique des moteurs diesel, qui ne s’applique pas à la présente problématique.

On peut citer également les documents US11028753, JP2009287410, US2008/108212 et WO2016/159019A1décrivant des modèles pour déterminer la quantité d’oxydes d’azote mais uniquement à la sortie du moteur, et non en sortie d’échappement après le ou les dispositifs de post-traitement.

Les documents EP3736418 et EP3956549 divulguent quant à eux des modèles d’estimation de ces émissions en fonction de la mesure de capteurs. Ces documents sont inapplicables ici du fait de l’impossibilité de réaliser une mesure tant que le capteur n’a pas atteint sa température de fonctionnement.

Le problème technique n’est donc pas résolu par l’état de la technique antérieure.

L’invention a pour objet un procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement d’un véhicule automobile muni d’un moteur à combustion interne, et d’au moins un premier catalyseur à trois voies, le procédé d’estimation permettant d’estimer la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement, notamment avant qu’un éventuel capteur de concentration ne soit suffisamment chaud pour réaliser des mesures, le procédé comprenant les étapes suivantes :

on identifie les réactions chimiques mises en jeu dans le premier catalyseur à trois voies ayant pour réactif ou pour produit les espèces polluantes dont la quantité dans les gaz d’échappement doit être estimée,

on détermine les vitesses réactionnelles de chaque réaction chimique identifiée,

on réalise un bilan de masse dans le premier catalyseur considéré comme un système ouvert, pour chacune des espèces polluantes dont la quantité doit être déterminée, et

on détermine la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement en fonction du bilan de masse.

Les espèces polluantes peuvent être le monoxyde d’azote et l’ammoniac, le procédé d’estimation peut alors comprendre les étapes suivantes :

on détermine la température dans le premier catalyseur, le débit dans le premier catalyseur, et le couple du moteur à combustion interne,

on détermine la fraction molaire d’oxyde d’azote dans les gaz en sortie du moteur à combustion interne, par application d’une première cartographie fonction du couple estimé du moteur,

on détermine la fraction molaire d’oxydes d’azote dans les gaz en sortie du premier catalyseur, disposé en aval du moteur à combustion interne en fonction de la fraction molaire d’oxydes d’azote produits par le moteur, du débit dans le premier catalyseur et du volume du premier catalyseur, ainsi que d’une deuxième cartographie 1D dépendant de la température dans le premier catalyseur et d’une troisième cartographie 1D dépendant du débit dans le premier catalyseur,

on détermine également la fraction molaire d’ammoniac dans les gaz en sortie du premier catalyseur, en fonction d’une quatrième cartographie 1D dépendant de la température dans le premier catalyseur et de la fraction molaire d’oxydes d’azote dans les gaz émis par le moteur à combustion interne.

Lorsque, comme c’est fréquemment le cas, le véhicule automobile est muni d’un deuxième catalyseur à trois voies en amont du premier catalyseur à trois voies, le procédé peut comprendre les étapes suivantes :

on détermine la fraction molaire d’ammoniac dans les gaz en sortie du deuxième catalyseur, en fonction d’une cinquième cartographie 1D dépendant de la température dans le deuxième catalyseur et en fonction de la valeur du nombre de sites d’adsorption d’ammoniac,

on détermine la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du deuxième catalyseur en fonction de la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du premier catalyseur, du débit dans le deuxième catalyseur et du volume du deuxième catalyseur, ainsi que d’une sixième cartographie 1D dépendant de la température dans le deuxième catalyseur et d’une septième cartographie 1D dépendant du débit dans le deuxième catalyseur.

Les cartographies peuvent être calibrées en fonction de mesures réalisées lors d’essais.

Les espèces polluantes peuvent être le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, les hydrocarbures, l’ammoniac, le monoxyde d’azote, le dioxyde d’azote ou le protoxyde d’azote.

L’invention a également pour objet un véhicule automobile muni d’un système d’estimation configuré de sorte à réaliser le procédé d’estimation tel que décrit ci-dessus, notamment au sein d’un diagnostic embarqué.

Le véhicule automobile peut comprendre en outre un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission.

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 :

- la figure illustre les principales étapes d’un procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement.

Description détaillée

On rappelle les notions suivantes propres à la détermination de vitesses réactionnelles en général dans un système donné, qui peut être ouvert ou fermé. On pose la réaction chimique générique suivante :

avec

a,b,c,d : des coefficients stœchiométriques

A,B : des réactifs de la réaction

C,D : des produits de la réaction.

On définit la vitesse v de cette réaction chimique en moles par unité de temps :

[Eq. 1]

Avec :

Vol : le volume du système

: une fonction de la température T du système

[A], [B] : les concentrations volumiques des réactifs A et B respectivement.

α, β : les puissances appliquées à ces concentrations

La fonction f est souvent modélisée par une loi d’Arrhenius :

[Eq. 2]

où :

k : un facteur pré-exponentiel de la réaction

Ea : l’énergie d’activation de la réaction

R : la constante universelle des gaz parfaits (~8.3145 J/K)

T : la température de réaction, en Kelvin

Néanmoins cette expression provisionne uniquement deux degrés de liberté, le facteur pré-exponentiel k et l’énergie d’activation Ea, pour l’ajuster. Expérimentalement la dépendance de la vitesse de la réaction à la température peut avoir une forme plus complexe. Dans la suite de la présente description, la forme plus générique sera donc utilisée.

Si le système est ouvert, comme c’est le cas d’un catalyseur monté à l’échappement d’un moteur à combustion interne, la fonction f peut avoir aussi une dépendance à la vitesse axiale des gaz, obtenue comme le débit volumique des gaz divisé par l’aire de la section transversale du système. Pour une section transversale constante, l’équation [Eq. 1] peut être réécrite :

[Eq. 3]

Pour un système ouvert, le bilan de masse pour une espèce A, en moles, s’écrit :

[Eq. 4]

Avec :

: Variation par unité de temps du nombre de moles de l’espèce A dans le système

: Débit molaire des gaz entrant dans le système

: Fraction molaire de l’espèce A dans les gaz entrant dans le système

: Débit molaire des gaz sortant du système

: Fraction molaire de l’espèce A dans les gaz sortant du système

: Nombre de moles de l’espèce A générés par seconde par les réactions où l’espèce A est un produit

: Nombre de moles de l’espèce A consommés par seconde par les réactions où l’espèce A est un réactif

On rappelle que le procédé d’estimation présenté ici a pour but d’estimer la production d’oxydes d’azote et d’ammoniac entre le début du roulage et l’obtention de la température de fonctionnement au niveau d’un éventuel capteur de mesure. Dans ce but, les espèces pour lesquelles le bilan de masse ci-dessus est appliqué sont le monoxyde d’azote NO, et l’ammoniac . Dans l’exemple considéré ici (moteur à allumage commandé) les oxydes d’azote présents en sortie du moteur ou du catalyseur sont considérés comme étant uniquement du monoxyde d’azote NO.

Dans un catalyseur, notamment un catalyseur à trois voies, les principales réactions faisant intervenir le monoxyde d’azote NO et l’ammoniac sont les suivantes :

Réaction de réduction du NO par le CO

Réduction du NO par les hydrocarbures

Réduction du NO par le

Formation d’ammoniac et réduction du monoxyde d’azote NO par le dihydrogène

Formation d’ammoniac et réduction du monoxyde d’azote NO par le dihydrogène et le dioxyde de carbone CO

Oxydation de l’ammoniac en diazote

Oxydation de l’ammoniac en protoxyde d’azote

Oxydation de l’ammoniac en oxyde d’azote NO

Réaction d’adsorption de l’ammoniac dans un site d’adsorption de l’ammoniac noté as

Réaction de désorption de l’ammoniac d’un site d’adsorption de l’ammoniac noté as

Dans ce jeu de réactions les réactifs NO, , CO, , et se trouvent à l’état gazeux.

On réalise ensuite un bilan de moles dans le catalyseur pour l’oxyde d’azote NO, l’ammoniac et l’ammoniac adsorbé en considérant leurs vitesses de formation ou de consommation :

[Eq. 5]

[Eq. 6]

[Eq. 7]

Avec :

et : des coefficients

La température interne du catalyseur T et le débit des gaz d’échappement Q à travers le catalyseur sont déterminés, c’est-à-dire soit mesurés, soit estimés par une unité de commande électronique du véhicule automobile, et sont considérés par la suite comme des données d’entrée.

Dans une démarche théorique telle que présentée ci-dessus, il est nécessaire de calibrer autant de fonctions bi-dimensionnelles, , que de réactions considérées. Dans le cas présenté ci-dessus, dix fonctions bi-dimensionnelles sont à calibrer pour les seules réactions affectant le monoxyde d’azote NO et l’ammoniac .

Il est également nécessaire d’estimer, en plus, les concentrations du reste de réactifs intervenant dans chacune des réactions identifiées ci-dessus (ici le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures , l’oxyde de césium , le dihydrogène et le dioxygène ) qui seront à leur tour déterminées via des nouveaux schémas réactionnels. De plus, il faut déterminer les paramètres pour chacune de ces nouvelles réactions.

Il apparait ainsi que la détermination et la calibration d’un modèle exact prenant en compte l’ensemble des réactions affectant la concentration de monoxyde d’azote NO et de l’ammoniac devient très complexe.

En effet, il y a beaucoup plus de fonctions à calibrer que de phénomènes observés (soit la production de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac en sortie du catalyseur dans le système considéré ici) et différentes solutions seraient possibles, toutes ajustant correctement les résultats expérimentaux, mais sans la certitude qu’une d’entre elles décrive correctement les phénomènes physiques et chimiques en jeu.

Par ailleurs, le caractère à très haute dynamique des réactions obligerait à choisir des pas d’échantillonnage très petits (en raison de la stabilité des calculs), ce qui rendrait difficile l’intégration de cette solution dans un calculateur, qui serait surchargé.

Dans le procédé détaillé ci-après, un certain nombre d’hypothèses seront posées afin de résoudre ces deux problématiques et d’arriver à une solution qui soit, à la fois, facile à calibrer et à embarquer dans un calculateur.

Les hypothèses et considérations suivantes s’appliquent de façon identique quel que soit le type d’émission à déterminer. Dans le cas présent, elles seront décrites pour un système comprenant le moteur à combustion interne et au moins un premier catalyseur trois voies, et pour lequel on chercher à estimer des quantités émises de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac . Néanmoins, on comprendra que l’enseignement ci-dessous peut être appliqué à d’autres réactions chimiques.

Le système est considéré homogène dans l’espace, c’est-à-dire que la température et les concentrations sont les mêmes en tous points du système considéré. En d’autres termes, le modèle est un modèle 0D. Les fractions molaires à l’intérieur et à la sortie du système sont identiques et il est donc possible d’écrire :

[Eq. 8]

[Eq. 9]

[Eq. 10]

Avec et les fractions molaires en sortie du système que l’on cherche à déterminer.

Le système est considéré quasi-stationnaire. Les variations du nombre de moles des espèces gazeuses sont instantanées. Par ailleurs, le débit en entrée est très proche de celui en sortie :

[Eq. 11]

Sur la base de ces hypothèses, les équations [Eq. 8] à [Eq. 10] s’écrivent :

[Eq. 12]

[Eq. 13]

[Eq. 14]

La dynamique des espèces en phase gazeuse a été rompue ce qui a pour effet de modifier leurs équations de bilan d’équations différentielles en des équations algébriques.

Par définition, la concentration de l’espèce A s’écrit :

[Eq. 15]

Avec X_Ala fraction molaire de l’espèce A dans l’ensemble des espèces présentes dans le catalyseur, et n la quantité totale d’espèces dans le catalyseur, en moles

Pour les espèces en phase gazeuse, on applique la loi des gaz parfaits.

[Eq. 16]

On peut alors reformuler l’équation [Eq. 15] de la façon suivante :

[Eq. 17]

En négligeant l’effet des variations de pression dans les vitesses de réactions (c’est-à-dire en considérant P sensiblement constante) dans une nouvelle fonction générique , on peut écrire les équations suivantes :

[Eq. 18]

avec v : la vitesse réactionnelle pour une réaction à deux réactifs sous forme de gaz

[Eq. 19]

avec v : la vitesse réactionnelle pour une réaction comprenant un seul réactif sous forme de gaz.

Pour chaque vitesse de réaction, il n’est retenu que la dépendance à un seul réactif gazeux, celui considéré comme étant limitant. L’autre réactif n’est pas pris en compte s’il est aussi à l’état gazeux ou s’il est considéré en excès. On reformule alors les équations [Eq. 18] et [Eq. 19] de la façon suivante :

[Eq. 20]

[Eq. 21]

En revenant au cas de l’estimation des quantités de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac produites, le monoxyde d’azote NO et l’ammoniac seront considérés des espèces limitantes. Le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures , le dihydrogène , le dioxygène , l’oxyde de césium et les sites d’adsorption as seront considérés comme des espèces en excès. Les vitesses réactionnelles définies en relation avec les équations [Eq. 5] à [Eq. 7] sont reformulées de la façon suivante :

Plus précisément, le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures , le dihydrogène et l’oxyde de césium sont en excès si la richesse du mélange carburant/air est supérieure à 1. Inversement, le dioxygène sera considéré en excès si la richesse est inférieure à 1.

Les hypothèses posées ci-dessus seront valables ou non en fonction de la valeur de richesse. Néanmoins, pour un moteur à allumage commandé, régulé généralement à richesse égale à 1, les surestimations et sous-estimations du modèle seront compensés par l’intermédiaire de sa calibration (pour des caractéristiques de régulation données).

Les puissances des réactifs gazeux dans les équations [Eq. 20] et [Eq. 21] sont considérées égales à l’unité dans toutes les vitesses de réaction et les équations peuvent être réécrites de la façon suivante :

[Eq. 22]

[Eq. 23]

La combinaison des équations [Eq. 12] à [Eq. 23] permet d’écrire les équations de bilan sous une forme linéaire en ce qui concerne les fractions molaires X, qui pourront être obtenues de façon explicite, et donc sans avoir besoin d’un calcul itératif, permettant d’utiliser un pas de calcul de 100 à 1000 fois plus grand dans les simulations itératives par modèle exact, avec une perte en précision négligeable.

Appliqué à la détermination des quantités de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac , on obtient alors les équations suivantes :

[Eq. 24]

[Eq. 25]

[Eq. 26]

Avec :

: Puissance de désorption de l’ammoniac

[Eq. 27]

Réactions consommant du NO

[Eq. 28]

Réactions produisant du NO

[Eq. 29]

Réactions consommant du

[Eq. 30]

Réactions produisant du

[Eq. 31]

Réaction d’adsorption du

[Eq. 32]

Réactions de désorption du

Le système initial contenait dix fonctions bidimensionnelles à calibrer (f₁à f₁₀). Le nouveau système n’en comprend que six, notées .

Additionnellement, les fraction molaires et peuvent être isolés des deux premières équations et être obtenues de façon explicite.

Les phénomènes d’adsorption sont considérés immédiats : toute espèce A entrant dans le système est stockée instantanément. A la place de calibrer une vitesse d’adsorption et une vitesse de désorption, seule la vitesse de désorption est prise en compte.

Pour le cas présent, l’ammoniac peut être adsorbé :

[Eq. 33]

[Eq. 34]

[Eq. 35]

[Eq. 36]

Le système est ainsi réduit à cinq fonctions à calibrer, notées .

Les hypothèses suivantes s’appliquent, au cas particulier des émissions de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac . Le choix de ces hypothèses a été fait en répondant à des critères purement empiriques ou de simplification.

L’oxydation de l’ammoniac en monoxyde d’azote NO est négligée. La vitesse de réaction v8 est alors considérée nulle. Cela permet de rendre l’équation du bilan de monoxyde d’azote NO indépendante de la fraction molaire d’ammoniac . Les équations [Eq. 34] à [Eq. 36] sont réécrites de la façon suivante.

[Eq. 37]

[Eq. 38]

[Eq. 39]

Cela implique que les fractions molaires de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac peuvent être écrites de la façon suivante :

[Eq. 40]

[Eq. 41]

[Eq. 42]

Afin de simplifier la calibration, le coefficient peut être considéré égal à l’unité. Le jeu d’équations [Eq. 40] à [Eq. 42] se réécrit de la façon suivante :

[Eq. 43]

[Eq. 44]

[Eq. 45]

De façon empirique, on pose :

[Eq. 46]

Cette simplification est basée sur l’expérience, en effet la fonction agit en modulant la fonction . Ainsi, pour les faibles débits, on a , mais sa valeur diminue au fur et mesure que le débit devient important.

On transforme ainsi une fonction bi-dimensionnelle en deux fonctions unidimensionnelles, plus faciles à calibrer et avec moins de risque d’extrapolation.

De façon empirique, on pose :

[Eq. 47]

En effet, on constate expérimentalement, à iso-température, une variation de la fonction proportionnelle au débit qui traverse le catalyseur.

Les équations [Eq. 43] et [Eq. 45] peuvent alors être réécrites de la façon suivante :

[Eq. 48]

[Eq. 49]

A ce stade, on dispose ainsi du jeu d’équations [Eq. 44], [Eq. 48] et [Eq. 49] afin de déterminer la production de monoxyde d’azote NO et d’ammoniac en sortie d’un catalyseur. Néanmoins, selon le placement d’un catalyseur, d’autres simplifications peuvent être réalisées.

Dans un catalyseur à trois voies en aval du moteur à combustion interne, les phénomènes d’adsorption/désorption de l’ammoniac ne sont pas considérés. En effet, un catalyseur ainsi disposé dans la ligne d’échappement, proche du moteur, est sujet à une montée en température assez rapide.

La valeur est alors nulle et il est alors possible de de réécrire l’équation [Eq. 44] de la façon suivante :

[Eq. 50]

Puis, par combinaison des équations [Eq. 50] et [Eq. 48], on obtient :

[Eq. 51]

Dans un tel catalyseur toute dépendance au débit Q dans l’expression précédente peut être négligée. On peut alors réécrire l’équation [Eq. 51] de la façon suivante :

[Eq. 52]

La fonction combine ainsi la fonction ( ) de formation d’ammoniac et la fonction ( ) d’oxydation de l’ammoniac dans une seule fonction, plus simple à calibrer. Elle peut être vue comme une vitesse de production « nette » d’ammoniac .

A ce stade, l’équation [Eq. 52] permet de déterminer la production d’ammoniac en sortie du catalyseur. La quantité de monoxyde d’azote en sortie de ce même catalyseur est déterminée par l’intermédiaire de l‘équation [Eq. 48].

Dans de nombreux cas, un deuxième catalyseur est prévu dans la ligne d’échappement, en aval du moteur à combustion interne et d’un premier catalyseur, afin d’augmenter l’efficacité de traitement des différents polluants du moteur.

Dans un tel deuxième catalyseur, la formation et l’oxydation d’ammoniac sont négligées. En effet, soit le premier catalyseur est déjà amorcé et donc le deuxième sera en manque de monoxyde d’azote NO pour former de l’ammoniac , soit le premier catalyseur est encore froid et le deuxième catalyseur sera d’autant plus froid, ce qui l’empêchera de former de l’ammoniac .

Seuls les phénomènes d’adsorption/désorption seront considérés dans ce deuxième catalyseur :

[Eq. 53]

La facilité de calibration (sur quelques cycles dynamiques réalisés sur banc d’essai) ainsi que la facilité d’intégration dans un calculateur du fait du peu de ressources nécessaires, font de ce procédé un candidat idéal à une application dans le cadre de la surveillance embarquée OBM dans un véhicule normalisé Euro 7.

L’approche physique utilisée dans cette invention est avantageuse par rapport à d’autres approches de type statistique ou par apprentissage (de type dit « machine learning ») du fait de son explicabilité et d’avoir besoin de moins d’essais (en général assez coûteux) pour sa calibration. En effet, l’apport de théorie au modèle permet de mieux prédire la réponse du système dans les zones où les données d’apprentissage seraient moins nombreuses. Le domaine d’utilisation du système est mieux couvert.

Enfin, les simplifications apportées au modèle facilitent la tâche de calibration avec une perte de précision négligeable.

Les étapes du procédé d’estimation sont notamment exécutées par un moyen de calcul, compris dans le calculateur électronique embarqué du véhicule ou dans un calculateur spécifique. Le calculateur comprend dans tous les cas au moins un processeur, une mémoire et des moyens de communication avec le reste du véhicule et notamment les capteurs et moyens d’estimation, par l’intermédiaire d’un réseau filaire, notamment de type CAN ou un réseau sans fil.

Le procédé d’estimation illustré par la figure comprend quatre étapes principales.

Une première étape 1 de mesure et d’estimation.

Une deuxième étape 2 d’estimation des émissions en sortie du moteur à combustion interne.

Une troisième étape 3 d’estimation des émissions en sortie du au moins un premier catalyseur.

Une quatrième étape 4 d’estimation des émissions en sortie d’un deuxième catalyseur.

Les oxydes d’azote sont formés à très haute températures dans la chambre de combustion, quand le dioxygène de l’air ambiant est capable de réagir avec le diazote . Pour un moteur à allumage commandé, il s’agit principalement de formation de monoxyde d’azote NO, mais qui peut se transformer ensuite en dioxyde d’azote avec l’ozone de l’air ambiant.

L’ammoniac n’est pas formé dans le moteur mais dans le catalyseur, en tant que produit secondaire, à partir d’autres produits de la combustion tels que le monoxyde d’azote NO et le dihydrogène . Il ne sera pas donc estimé dans cette étape.

La concentration d’oxydes d’azote en sortie du moteur (en ppm) est déterminée comme une fonction du couple estimé par le calculateur. Cette fonction peut être donnée sous la forme de cartographies 1D.

D’autres variantes sont possibles en considérant également la dépendance à la vitesse de rotation du moteur à combustion interne via des cartographies 2D, qui sont alors fonction du couple estimé et de la vitesse de rotation.

En variante, une cartographie 1D ou 2D peut être prévue pour chaque mode de combustion désigné par une information de mise en action MEA.

L’information de mise en action MEA est une information indiquant dans quelle phase du chauffage du catalyseur le véhicule se situe.

En effet, un catalyseur de dépollution de type trois voies doit être chauffé pour atteindre une température de seuil à partir de laquelle il présente une efficacité de traitement minimale prédéterminée. Cette température est atteinte généralement en dégradant le rendement de combustion du moteur grâce par exemple à une injection de carburant retardée.

Néanmoins, l’augmentation de température ainsi générée étant conséquente, et la dégradation du rendement de combustion étant important, cette phase de chauffage ne peut être maintenue indéfiniment. Il apparait alors un cyclage entre plusieurs phases de fonctionnement du moteur à combustion interne. La phase active est ainsi indiquée par l’information de mise en action MEA.

La prise en compte d’autres variables, telles que le taux de recirculation partielle des gaz d’échappement EGR ou la richesse l, qui sont prises en compte en partie par l’intermédiaire du point de fonctionnement du moteur (vitesse de rotation/charge), du mode de combustion (pour un réglage moteur donné) ou des caractéristiques de leur régulation, n’est donc pas nécessaire.

Dans le cas d’application décrit ici, une cartographie 1d dépendant du couple estimé est privilégiée. En effet, une telle cartographie 1D est plus simple à calibrer, réduit le risque d’extrapolation du modèle et permet de maintenir une précision sur cycle qui est suffisante.

Les oxydes d’azote générés par le moteur à combustion interne sont admis dans le premier catalyseur afin de les réduire.

La réduction réalisée n’est pas totale, et des oxydes d’azote sont encore présents en sortie du premier catalyseur. Les oxydes d’azotes résiduels et l’ammoniac généré dans ce dernier, sont alors éventuellement admis dans un deuxième catalyseur. Ce deuxième catalyseur, réalise alors une réduction des oxydes d’azote résiduels.

Le procédé d’estimation des quantités de monoxyde d’azote et d’ammoniac dans les émissions polluantes d’un véhicule équipé d’un moteur à combustion interne à allumage commandé et d’une ligne d’échappement avec au moins un premier catalyseur trois voies selon l’invention comprend les étapes présentées plus ci-après.

Dans un cas particulier, le moteur à combustion interne peut également présenter d’autres particularités, notamment un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission, dit circuit EGR (acronyme anglophone pour « Exhaust Gas Recirculation »).

Le procédé d’estimation de la quantité de monoxyde d’azote et d’ammoniac dans les gaz d’échappement d’un véhicule automobile muni d’au moins un premier catalyseur à trois voies est illustré par la figure et comprend les étapes suivantes :

Au cours d’une première étape 1, on mesure ou estime la température dans le premier catalyseur, le débit dans le premier catalyseur, et le couple du moteur à combustion interne.

Au cours d’une deuxième étape 2, on détermine la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du moteur à combustion interne, par application d’une cartographie fonction du couple estimé du moteur formant une première cartographie.

Au cours d’une troisième étape 3, on détermine la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du premier catalyseur, disposé en aval du moteur à combustion interne en appliquant l’équation [Eq.48], dépendant de la fraction molaire de monoxyde d’azote produit par le moteur, du débit et du volume du premier catalyseur, ainsi que d’une cartographie 1D ( ) dépendant de la température dans le premier catalyseur formant une deuxième cartographie, et une cartographie 1D ( ) dépendant du débit dans le premier catalyseur formant une troisième cartographie. On détermine également la fraction molaire d’ammoniac dans les gaz en sortie du premier catalyseur, en appliquant l’équation [Eq. 51], fonction d’une cartographie 1D ( ) dépendant de la température dans le premier catalyseur et de la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz admis, égale à la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz émis par le moteur à combustion interne. Ladite cartographie 1D ( ) forme une quatrième cartographie.

Lorsque le véhicule automobile est muni d’un deuxième catalyseur à trois voies en amont du premier catalyseur à trois voies, le procédé se poursuit par une quatrième étape 4.

Au cours de cette quatrième étape 4, on détermine la fraction molaire d’ammoniac dans les gaz en sortie du deuxième catalyseur, par application de l’équation [Eq.53], fonction d’une cartographie 1D ( ) dépendant de la température dans le deuxième catalyseur et du nombre de moles d’ammoniac adsorbé, dont la valeur est obtenue par intégration de l’équation [Eq. 49]. Ladite cartographie 1D ( ) forme une cinquième cartographie.

La fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du deuxième catalyseur est déterminée en appliquant l’équation [Eq. 48], dépendant de la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du premier catalyseur, le débit et le volume du deuxième catalyseur, ainsi qu’une cartographie 1D ( ) dépendant de la température dans le deuxième catalyseur formant une sixième cartographie et une cartographie 1D ( ) dépendant du débit dans le deuxième catalyseur formant une septième cartographie.

Le modèle ([Eq.48], [Eq. 49], [Eq. 52] et [Eq. 53]) permet de décrire de façon simplifiée mais fiable la génération et la catalyse des émissions polluantes dans un véhicule automobile muni d’un moteur à combustion interne à allumage commandé et au moins un premier catalyseur trois voies, et le cas échéant (fréquent) muni d’un deuxième catalyseur trois voies.

Afin de pouvoir utiliser ce modèle, les fonctions suivantes doivent être calibrées :

- la cartographie 1D fonction du couple estimé du moteur ou la cartographie 2D fonction de la vitesse de rotation du moteur et du couple estimé du moteur, donnant la fraction molaire des en sortie moteur, par mode de combustion et par type de carburant,

- les fonctions impliquées dans la détermination de la fraction molaire des en sortie de chaque catalyseur ([Eq. 48]),

- les fonctions impliquées dans la détermination du nombre de moles de NH₃adsorbé ([Eq. 49]),

- les fonctions impliquées dans la détermination de la fraction molaire du en sortie du premier catalyseur ([Eq. 52]), et

- les fonctions impliquées dans la détermination de la fraction molaire du en sortie du deuxième catalyseur (si présent) ([Eq. 53]).

En d’autres termes, une cartographie (1D ou 2D) est à calibrer pour les émissions de en sortie moteur en plus des cartographies servant à déterminer les émissions de et du en sortie des catalyseurs ( , et ).

Pour réaliser cette calibration, on réalise des essais dynamiques balayant les modes de combustion, le champs moteur (vitesse de rotation/couple), les débits et les températures dans le au moins un catalyseur, susceptibles d’être observés lors d’un usage sur route par le client final.

Pour réaliser une telle calibration, on réalise les acquisitions suivantes, notamment à une fréquence d’acquisition de 10 Hz :

Emissions en sortie moteur :

Emissions en aval premier catalyseur :

Emissions en sortie échappement : ,

Températures internes dans chaque catalyseur

Couple estimé

Information de mise en action MEA

Débit traversant chaque catalyseur.

Le modèle est calibré pour une définition technique, un état du vieillissement des catalyseurs, une calibration ECU, ainsi que des conditions ambiantes (température, pression, humidité) données.

Sur la base des acquisitions réalisées, la calibration se décompose en trois étapes :

Calibration de la quantité d’oxydes d’azote en sortie du moteur,

Calibration de la quantité d’oxydes d’azote et de la quantité d’ammoniac en sortie du premier catalyseur, et

Calibration de la quantité d’oxydes d’azote et de la quantité d’ammoniac en sortie du deuxième catalyseur (si présent).

Comme on l’a vu plus avant, la quantité d’oxydes d’azote générés par le moteur peut être déterminé en fonction d’une cartographie à une dimension dépendant du couple estimé, ou en fonction d’une cartographie à deux dimensions dépendant du couple estimé et de la vitesse de rotation du moteur.

Selon les modes de réalisation, une cartographie 1D ou 2D est prévue pour chaque mode de combustion du moteur indiqué l’information de mise en action MEA.

Pour construire chaque cartographie, on détermine par mesure la quantité d’oxydes d’azotes [ppm] en fonction des entrées, soit, dans le cas d’application en exemple, du couple moteur indiqué. Le découpage de cette cartographie est assez fin, notamment avec un pas de 10 Nm pour une cartographie 1D fonction du couple moteur.

Plusieurs méthodes sont possibles pour déterminer compléter les valeurs de la cartographie autour des valeurs mesurées. On citera notamment l’utilisation d’un réseau de neurones ou d’un modèle de type processus gaussien, pour lesquels un procédé d’apprentissage est réalisé sur les mesures de la cartographie.

Il s’agit d’un modèle statique calibré sur des cycles dynamiques, en conséquence la mesure des oxydes d’azote en sortie moteur doit être préalablement bien synchronisée par rapport aux événements moteur utilisés.

L’expression obtenue ([Eq. 48]) pour calculer la fraction molaire du monoxyde d’azote NO en sortie du catalyseur est appliquée indifféremment à chaque catalyseur présent. Seule l’origine et la quantité des polluants reçus en entrée, le débit, la température et le volume changent selon qu’il s’agit du premier ou du deuxième catalyseur.

Lorsque l’équation [Eq. 48] est appliquée au premier catalyseur, la valeur correspond à la fraction molaire de dans les gaz sortant du moteur et calculée dans la première étape du procédé et est la fraction molaire de dans les gaz en sortie du premier catalyseur.

Dans le cas présent, Q désigne le débit traversant le premier catalyseur (en incluant l’EGR basse pression si besoin), T la température interne du premier catalyseur (homogène si un modèle 0D a été envisagé) et Vol le volume du premier catalyseur.

Les fonctions et se présentent alors sous la forme de cartographies 1D. Lors de la calibration, ces fonctions sont ajustées ou déterminées, notamment au travers d’une modélisation mathématique basée sur un échantillon de valeurs obtenues lors d’essais sur banc.

La fonction peut être ajustée de façon indépendante de la fonction pour les petits débits, la fonction prenant une valeur égale à 1 dans de tels cas.

Pour les débits importants, la fonction prend des valeurs inférieures à 1, afin de rendre compte des pertes d’efficacité dans le traitement des oxydes d’azote .

La fraction molaire d’ammoniac en sortie du premier catalyseur est donnée par l’équation [Eq. 52] dans laquelle représente la fraction molaire des oxydes d’azote sortant du moteur, calculée à la première étape et représente la fraction molaire d’ammoniac en sortie du premier catalyseur.

La fonction est déterminée par de mesures sur banc. Cette fonction présente une augmentation de valeur lors de l’augmentation de la température jusqu’à un maximum puis une diminution d’amplitude lorsque la température continue d’augmenter jusqu’à devenir nulle. On rend compte ainsi des mécanismes de formation d’ammoniac puis d’oxydation de l’ammoniac à haute température.

La fraction molaire du monoxyde d’azote NO en sortie du deuxième catalyseur se calcule avec une expression similaire à celle utilisée pour le premier catalyseur ([Eq. 48]) modifiée pour tenir compte des gaz provenant du premier catalyseur :

[Eq. 54]

Les variables sont :

: fraction molaire d’oxydes d’azote sortant du premier catalyseur

Q_2 : débit traversant le deuxième catalyseur

T_2 : température interne du deuxième catalyseur

Vol_2 : volume du deuxième catalyseur

: fraction molaire d’oxydes d’azote en sortie du deuxième catalyseur

La méthode pour calibrer les fonctions et pour le deuxième catalyseur est identique à celle utilisée pour calibrer les fonctions et pour le premier catalyseur.

La production d’ammoniac dans le deuxième catalyseur prend uniquement en compte les phénomènes d’adsorption et désorption. Dans le modèle, deux équations ([Eq. 49] et [Eq. 53]) avaient été déduites pour l’obtention du nombre de moles d’ammoniac stocké et de la fraction d’ammoniac en sortie du catalyseur. Ces équations sont adaptées pour tenir compte des gaz admis provenant du premier catalyseur :

[Eq. 55]

[Eq. 56]

Où :

: fraction molaire de sortant du premier catalyseur et calculée dans l’étape précédente.

: nombre de moles de stockés dans le deuxième catalyseur.

: fraction molaire de en sortie du deuxième catalyseur.

La fonction est déterminée à partir de valeurs mesurées sur banc. Elle présente une valeur nulle tant que la température n’atteint pas une valeur prédéterminée rendant compte du stockage par adsorption de l’ammoniac , puis une augmentation rendant compte de la libération par désorption de l’ammoniac stocké.

Cette fonction est très sensible à la température, sa calibration est importante afin d’être précis sur les premiers instants du roulage où le catalyseur est froid, alors que le capteur de mesure n’a pas encore atteint la température de fonctionnement et que les phénomènes d’adsorption/désorption sont présents.

L’invention a été décrite ci-dessus dans le cadre de l’estimation des quantités produites d’oxydes d’azote et d’ammoniac . Néanmoins, l’invention peut être adaptée à des réactions impliquant d’autres espèces comme produits et comme réactifs, notamment le dioxyde de carbone , le monoxyde de carbone , les hydrocarbures HC, le dioxyde d’azote ou le protoxyde d’azote .

Claims

Procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement d’un véhicule automobile muni d’un moteur à combustion interne et d’au moins un premier catalyseur à trois voies, le procédé d’estimation permettant d’estimer la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement, notamment avant qu’un éventuel capteur de concentration ne soit suffisamment chaud pour réaliser des mesures, le procédé comprenant les étapes suivantes :
on identifie les réactions chimiques mises en jeu dans le premier catalyseur à trois voies ayant pour réactif ou pour produit les espèces polluantes dont la quantité dans les gaz d’échappement doit être estimée,

on détermine les vitesses réactionnelles de chaque réaction chimique identifiée,

on réalise un bilan de masse dans le premier catalyseur considéré comme un système ouvert, pour chacune des espèces polluantes dont la quantité doit être déterminée, et

on détermine la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement en fonction du bilan de masse.
Procédé d’estimation selon la revendication 1, dans lequel les espèces polluantes sont le monoxyde d’azote et l’ammoniac, le procédé d’estimation comprenant les étapes suivantes :
on détermine la température dans le premier catalyseur, le débit dans le premier catalyseur, et le couple du moteur à combustion interne,

on détermine la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du moteur à combustion interne, par application d’une première cartographie fonction du couple estimé du moteur,

on détermine la fraction molaire d’oxydes d’azote dans les gaz en sortie du premier catalyseur, disposé en aval du moteur à combustion interne en fonction de la fraction molaire de monoxyde d’azote produit par le moteur, du débit dans le premier catalyseur et du volume du premier catalyseur, ainsi que d’une deuxième cartographie 1D dépendant de la température dans le premier catalyseur et d’une troisième cartographie 1D dépendant du débit dans le premier catalyseur,

on détermine également la fraction molaire d’ammoniac dans les gaz en sortie du premier catalyseur, en fonction d’une quatrième cartographie 1D dépendant de la température dans le premier catalyseur et de la fraction molaire d’oxydes d’azote dans les gaz émis par le moteur à combustion interne.
Procédé d’estimation selon la revendication 2, dans lequel, lorsque le véhicule automobile est muni d’un deuxième catalyseur à trois voies en amont du premier catalyseur à trois voies, le procédé comprend les étapes suivantes :
on détermine la fraction molaire d’ammoniac dans les gaz en sortie d’un deuxième catalyseur, en fonction d’une cinquième cartographie 1D dépendant de la température dans le deuxième catalyseur et en fonction de la valeur du nombre de sites d’adsorption d’ammoniac,

on détermine la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du deuxième catalyseur en fonction de la fraction molaire de monoxyde d’azote dans les gaz en sortie du premier catalyseur, du débit dans le deuxième catalyseur et du volume du deuxième catalyseur, ainsi que d’une sixième cartographie 1D dépendant de la température dans le deuxième catalyseur et d’une septième cartographie 1D dépendant du débit dans le deuxième catalyseur.
Procédé d’estimation selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les cartographies sont calibrées en fonction de mesures réalisées lors d’essais.
Procédé d’estimation selon la revendication 1, dans lequel les espèces polluantes sont le dioxyde de carbone , le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures HC, l’ammoniac , le monoxyde d’azote NO, le dioxyde d’azote ou le protoxyde d’azote .
Véhicule automobile muni d’un système d’estimation configuré de sorte à réaliser le procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, notamment au sein d’un diagnostic embarqué.
Véhicule automobile selon la revendication 6, comprenant en outre un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à l’admission.