FR2796154A1 - Procede et dispositif de determination de l'etat accumulateur d'un catalyseur scr stockant de l'ammoniaque - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination de l'état accumulateur d'un catalyseur SCR (11, 22) stockant de l'ammoniaque, la variation d'au moins une propriété physique du matériau du catalyseur SCR (12, 22), qui change du fait du déroulement du processus d'accumulation de NH3 , étant appréhendée, la mesure s'effectuant sur le matériau catalyseur SCR (12, 22) lui-même, en appliquant sur le catalyseur (12, 22) un capteur de mesure, ou en le mettant en contact direct avec lui, et en déterminant l'état accumulateur à l'aide de ces résultats.Selon une variante de réalisation, un matériau (96, 101, 116) identique ou analogue au matériau catalyseur SCR (12, 22), du point de vue de ses propriétés physiques, est disposé, en plus du matériau catalyseur SCR (12, 22), dans le flux de gaz d'échappement et l'on appréhende la fluctuation d'au moins une propriété physique de ce matériau représentatif pour le réglage (96, 101, 116), qui varie avec le déroulement du processus accumulateur de NH3 , la mesure s'effectuant sur le matériau représentatif pour le réglage lui-même, en appliquant le matériau représentatif pour le réglage (96, 101, 116) sur le capteur de mesure, ou en le mettant en contact direct avec lui et en déterminant l'état accumulateur du catalyseur SCR (12, 22) à l'aide de ces résultats.
Description
Procédé et dispositif de détermination de l'état accumulateur d'un
catalyseur SCR stockant de l'ammoniaque L'invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif pour la détermination de l'état accumulateur d'un catalyseur
SCR stockant de l'ammoniaque.
-Les sources d'émission principales en oxydes d'azote (NOx) dans les états industriels sont la circulation automobile, les centrales brûlant des combustibles fossiles et les installations industrielles. Tandis que les émissions venant des centrales et de l'industrie régressent toujours plus, la part de la circulation automobile est toujours plus
grande au premier plan.
Les émissions de NOx des moteurs à cycle de Otto (à allumage par étincelle) fonctionnant à l'essence peuvent être réduites de façon drastique par le fonctionnement à un rapport X = 1 et en procédant à une épuration des gaz -15 d'échappement, en aval du moteur, en utilisant un catalyseur à trois voies. Du fait du principe, cette possibilité n'existe pas pour un moteur diesel équipé d'une régulation de mélange, qui fonctionne dans des caractéristiques sur-stochiométriques. Du fait de la forte proportion en oxygène dans les gaz d'échappement, on n'a réalisé jusqu'à ce jour aucun catalyseur qui pouvait diminuer les émissions en NOx sans ajouter d'agents de réduction, en général des
hydrocarbures ou des combinaisons formatrices d'ammoniaque.
Pour dénitrurer des émissions venant de centrales de production d'énergie, - tel que, par exemple, décrit dans le document DE 245888 - on a utilisé le procédé SCR (procédé par réaction catalytique sélective) afin de convertir sélectivement l'ammoniaque (NH3) en eau et en azote, avec addition de l'agent réducteur. Une telle régulation s'est avéré convenir lorsque l'on avait des fluctuations temporelles lentes du débit volume des gaz d'échappement et de la concentration en NOx, dans le domaine des centrales de
production d'énergie.
Les processus compliqués, qui se déroulent lors d'un procédé SCR, peuvent être décrits, de façon simplificatrice,
par les équations (1) et (2).
4 NO + 02 + 4 NHI3 --> 4 N2 + 6 H20 (1)
NO2 + NO + 2 Ni3 --> 2 N2 + 3 H20 (2) Sous une forme modifiée, un tel procédé SR peut également être utilisée pour dénitrurer les gaz d'échappement venant de moteurs diesel. Pour l'utilisation dans un véhicule automobile fonctionnant en diesel, en particulier dans un véhicule utilitaire, de ce fait de - nombreux procédés de diminution de la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, par addition régulée de
NH3, ont été décrits, par exemple [1, 2, 3].
L'état de charge en NH3 (niveau de remplissage), qui est inconnu, du catalyseur SCR en fonctionnement instationnaire pose problème. Il est caractérisé par des phénomènes d'adsorption et de désorption qui se manifestent à différentes températures du catalyseur. En plus, le débit masse ou la vitesse spatiale du flux de gaz d'échappement et la teneur en NOx ou en NH3 dans les gaz d'échappement entrent en compte dans l'état de charge. Le vieillissement du catalyseur est également un facteur qui n'est pas négligeable. La Figure 1 représente schématiquement une partie de la coupe d'un catalyseur SCR 10 typique. Le matériau 12 poreux du catalyseur est alors traversé parcouru par des canaux 14 parcouru par les gaz d'échappement, canaux que l'on appelle également des "cellules". La densité en cellules de tels matériaux peut aller jusqu'à quelques centaines de cellules par pouce carré. Le matériau 12 poreux du catalyseur, dans le cas de cette structure, doit remplir trois rôles: en premier lieu les constituants du catalyseur permettent d'obtenir les processus de réaction souhaités à l'intérieur de la plage de température dont on dispose, de plus on obtient à partir du matériau extrudé un ensemble mécaniquement durable, qui ne demande aucun constituant support supplémentaire, et en dernier il permet l'adsorption
et la désorption de NH3.
Dans le cas du catalyseur à support 20, revêtu d'une couche, représenté sur la figure 2, le matériau proprement dit du catalyseur est appliqué en tant que revêtement 22 sur un support 26, par exemple réalisé en cordiérite. Le support 26 présente également des canaux, en 24, qui sont
traversés par un écoulement de gaz d'échappement.
Une vue d'ensemble 30 schématique d'un catalyseur est représentée sur la Figure 3. Les gaz d'échappement s'écoulent dans la direction z. Ainsi qu'on peut le voir de la Figure 4, un matériau de catalyseur typique, représenté ici à titre d'exemple, est constitué des oxydes métalliques semi-conducteurs que sont l'oxyde de titane (TiO2), l'oxyde de vanadium (V203) et l'oxyde de tungstène (WO3). Ces - oxydes métalliques semiconducteurs peuvent subir une variation de leurs propriétés physiques, en particulier de leurs propriétés électriques, telles que la conductibilité et la permittivité, avec la composition chimique ou avec
l'accumulation des charges de surface de NH3.
La quantité de NH3 amenée au catalyseur est convertie en partie directement sur la surface avec les NOx et la partie restante est adsorbée dans la couche poreuse du catalyseur. Si l'on amène plus d'ammoniaque que ce qui peut être converti par la réaction avec le NOx, il se produit une adsorption de l'excès d'ammoniaque de manière correspondante à l'évolution esquissée sur la Figure 5a. La Figure 5a représente, dans le cas A, un catalyseur saturé en NH3, à l'entrée de ce catalyseur. On va supposer par exemple que l'on a une capacité d'adsorption maximale, de 4 gNH3/kg de masse de catalyseur. La masse de NH3 n'ayant pas réagi avec le NOx ne peut plus être adsorbée à l'entrée du catalyseur de façon continue et, dans l'exemple, représenté il y a ensuite de nouveau la possibilité d'adsorption au bout d'une longueur d'environ 200 mm de catalyseur. Il se constitue un front de NH31 qui va en diminuant, en passant de l'état
saturé jusqu'à 0 g par kg, sur la longueur du catalyseur.
Lorsque l'offre permanente en NH3 est excédentaire, ce 'front de NH3' se déplace dans la direction de la sortie du catalyseur. Dans le cas représenté, A*, une partie de l'excès de NH3 est déjà émise (fuite de NH3) , bien que le catalyseur ne soit pas encore saturé sur la totalité de la longueur. La capacité d'adsorption du catalyseur dépend de la température de ce catalyseur. Le cas B, représenté sur la Figure 5a, montre la quantité d'adsorption en fonction de la longueur du catalyseur, pour une température augmentée. Pour une fuite en NH3 à peu près identique, l'intégrale de la quantité en NH3 stockée dans le cas B diminue nettement (voir également figure 5b). Lorsque l'on a affaire à une addition régulée de NH3, la détermination de l'état de remplissage en NH3 s'effectue par calcul et n'a pu être vérifiée jusqu'à ce jour en utilisant une technique de mesure. Pour faire cesser toute interruption du NH3, du fait de la détection relativement imprécise, effectuée par calcul, concernant le niveau de remplissage, on n'utilise pas complètement la capacité d'adsorption du catalyseur, il faut prévoir des volumes de stockage supplémentaires par souci de sécurité, ce qui demande un volume de construction supplémentaire. Si l'on a affaire à des défauts de fonctionnement jusqu'ici, on ne pouvait détecter un niveau de remplissage
augmenté. Les variations des émissions en NOx du moteur -
par exemple venant de conditions d'environnement ayant été modifiées (humidité de l'air, température de l'air), vieillissement du moteur, dispersions au niveau de la fabrication, etc. - ou des variations des propriétés du catalyseur (par exemple vieillissement, diminution de la capacité d'adsorption), influent sur la masse de NH3 à adsorber dans le catalyseur et ne sont pas détectées par le
calcul du niveau de remplissage.
Pour assurer une quantité de dosage correcte en agent de réduction comme l'ammoniaque, ou d'une combinaison formatrice d'ammoniaque, telle que par exemple de l'urée, il est proposé dans la littérature d'utiliser un ou plusieurs capteurs de gaz d'échappement, dans le but de réguler la quantité d'agents de dosage. Ainsi, dans le document EP 0 554 766 Al est présenté un procédé demandant un ou plusieurs capteurs de NOx. Dans le DE 41 17 143 Al est proposé un procédé qui demande d'avoir un capteur de NH3 et, dans le document DE 42 17 552 Cl, est proposé un procédé pour lequel il s'avère nécessaire de prévoir deux capteurs de NH3. Il est également incontournable d'avoir un capteur de NH3 pour un autre procédé, proposé dans le document
DE 195 36 571 Ai.
Tous les procédés cités sont d'une exploitation très complexe et sont des procédés de régulation qui couvrent à peine toutes les éventualités se présentant, du fait que, comme indiqué ci-dessus, l'état de charge du catalyseur SCR dépend d'un très grand nombre de paramètres de fonctionnement, qui contiennent également, de plus en plus, les historiques préliminaires, c'est-à-dire les états de
fonctionnement antérieurs.
S'il était possible de détecter l'état de charge du catalyseur SCR à l'aide d'un procédé approprié, on pourrait ainsi renoncer à devoir prvoir les cajteurs mentionnés ci-dessus, à monter sur les gaz d'échappement, ou bien il ne faudrait plus que prévoir, selon les cas, un capteur NH3 faisant office d'interrupteur, pour diagnostiquer un défaut de fonctionnement, en le plaçant dans le tube des gaz d'échappement. On pourrait renoncer à des stratégies de régulation complexes et imprécises. En plus, le volume du catalyseur (et ainsi l'espace de construction nécessaire) est diminué de la part devant être réservée à des systèmes fonctionnant exclusivement sous l'action d'une commande, afin de pouvoir obtenir une adsorption supplémentaire des excès de dosage imputables à un calcul imprécis de la quantité stockée de NH3 fans le catalyseur et pour pouvoir
supprimer la fuite de NH3 qui est nuisible.
-Dans le document US 5 546 004 est décrit un capteur permettant de déterminer l'état d'accumulation d'un catalyseur SCR. On mesure alors la conductivité électrique d'un matériau qui, du point de vue de ses propriétés
physiques, est identique au matériau de catalyseur SCR.
L'enregistrement de la conductivité électrique s'effectue à l'intérieur du matériau, en plusieurs endroits, qui sont espacés d'une distance différente par rapport à la surface du matériau, qui est contournée par un écoulement de gaz d'échappement. Par le biais de la mesure de l'évolution de la conductivité électrique en fonction de la profondeur de matériau, on peut tirer des conclusions sur la concentration
du matériau adsorbé sur le matériau de capteur.
Le document DE 196 35 977 Al décrit un procédé de détermination de l'état accumulateur d'un catalyseur à accumulateur pour NOx. On appréhende alors une propriété physique du matériau du catalyseur, qui fluctue chimiquement avec l'évolution du processus à accumulateur de NOx, un capteur de mesure étant monté sur le matériau accumulateur
de NOx.
En variante, on peut également effectuer une mesure directe sur un matériau qui est identique du point de vue de
ses propriétés physiques.
L'invention a comme but de créer un procédé de détection de l'état accumulateur d'un catalyseur SCR, qui soit économique à mettre en oeuvre et à l'aide duquel on puisse éviter avec une haute sécurité de subir une fuite de NH3. Ce problème est résolu avec le procédé caractérisé par le fait que la mesure s'effectue sur le matériau catalyseur -20 SCR lui-même, en appliquant sur le catalyseur un capteur de mesure et en déterminant l'état accumulateur à l'aide de ces résultats et est résolu par le procédé caractérisé par le fait que la détection d'une propriété physique est effectuée
en plusieurs endroits du catalyseur SCR.
Des modes de réalisation avantageux du procédé sont acaractérisés par le fait que: - la détection d'une propriété physique est faite en
plusieurs endroits du catalyseur SCR.
- on appréhende une propriété électrique du catalyseur SCR
ou bien son évolution en fonction de la température.
- l'impédance électrique du catalyseur SCR, ou au moins
une grandeur en étant dérivée, est appréhendée.
- la détection de l'impédance s'effectue pour une ou plusieurs fréquences issues de la plage de fréquences comprise entre 0 Hz, c'est-à-dire la tension continue, et une fréquence limite supérieure, pour laquelle la longueur d'ondes correspondant à la fréquence de mesure est notablement inférieure aux dimensions du dispositif
de mesure.
- la détection de l'impédance électrique s'effectue au moyen de deux électrodes ou d'une boucle de conducteur
ou d'une structure interdigitale.
- on effectue une détection de l'impédance près de l'entrée du catalyseur SCR, on effectue une autre détection dans le dernier quart du catalyseur SCR - en
observant dans la direction de l'écoulement.
- la force thermoélectrique du matériau du catalyseur SCR
est appréhendée.
- la variation de masse ou de volume du catalyseur SCR est appréhendée. la mesure s'effectue sur le matériau représentatif pour le réglage luimême, en appliquant le matériau représentatif pour le réglage sur le, _apteur de mesure et en déterminant l'état accumulateur du catalyseur SCR,
à l'aide de ces résultats.
- une propriété électrique du matériau représentatif pour le réglage ou son évolution en fonction de la
température est appréhendé(e).
- l'impédance électrique du matériau représentatif pour le réglage ou au moins une grandeur en étant dérivée est appréhendée. - la détection de l'impédance s'effectue pour une ou plusieurs fréquences issues de la plage de fréquences comprise entre 0 Hz, c'est-à-dire la tension continue, et une tension limite supérieure pour laquelle la longueur d'onde correspondant à la fréquence de mesure est notablement inférieure aux dimensions du dispositif
de mesure.
Un dispositif de mise en oeuvre du procédé est caractérisé par le fait que: - le capteur de mesure devant appréhender l'impédance électrique complexe est constitué de la façon suivante: il comprend un substrat, sur une face plate duquel est appliquée une structure à conducteur ou à électrode, et sur l'autre face plate duquel est appliqué un chauffage électrique, le matériau représentatif pour le réglage étant appliqué sur la face plate dotée de la structure à
conducteur ou à électrode.
- la structure à conducteur ou à électrodes est une
structure interdigitale.
- le substrat est en silicium, en quartz ou en une céramique, et le chauffage électrique présente des pistes en métal d'une épaisseur de 100 nm à 50 Mm, et la structure à conducteur ou à électrode est en métal et présente une épaisseur de couche comprise entre 100 nm et 100 um, et le matériau représentatif pour le réglage présente une épaisseur de couche comprise entre 100 nm
et 1000 um.
- la variation de la force thermoélectrique du matériau
représentatif pour le réglage est appréhendée.
- le capteur de mesure prévu pour appréhender la force thermoélectrique est construit de la manière suivante: il comprend un substrat, sur une face plate duquel est appliqué un chauffage électrique, et sur l'autre face plate duquel est appliqué le matériau représentatif pour le réglage ainsi qu'au moins deux couples de thermoéléments. - le substrat est constitué de silicium, de quartz ou d'une céramique, et le chauffage électrique présente des
pistes en métal d'une épaisseur de 100 nm à 100 um.
- on appréhende la variation de masse ou de volume.
- le capteur de mesure prévu pour appréhender la variation de masse du matériau représentatif pour le réglage est constitué de manière suivante: il comprend un cristal à quartz oscillant, sur lequel des électrodes d'excitation électriques sont appliquées des deux côtés, le matériau représentatif pour le réglage étant appliqué au moins
sur une électrode d'excitation.
- le capteur de mesure prévu pour appréhender la variation de masse du matériau représentatif pour le réglage est constitué de la manière suivante: le matériau représentatif pour le réglage en forme de couche constitue, à l'intérieur d'un capteur à ondes de
surface, le chemin de propagation d'une onde de surface.
Selon l'invention, la variation d'au moins une propriété physique du matériau du catalyseur SCR, qui fluctue avec l'évolution du processus à accumulation de NH3, du processus de l'accumulateur. à NH3 est appréhendée, la mesure s'effectuant sur le matériau du catalyseur SCR lui même; en montant un capteur de mesure sur le matériau catalyseur SCR ou bien en le plaçant en contact direct avec lui et en déterminant l'état accumulateur, par exemple l'état de remplissage, à l'aide de ces résultats. En variante, un capteur dont l'élément déterminant la fonction est constitué du même matériau ou bien d'un matériau identique ou bien d'un matériau identique pour ce qui concerne les propriétés physiques (appelé ci-après "matériau représentatif pour le réglage"), est introduit dans le flux de gaz d'échappement pour conclure, à partir des propriétés physiques de ce matériau représentatif pour le réglage, quel est l'état accumulateur du catalyseur SCR. La mesure s'effectue alors sur le matériau représentatif pour le réglage lui-même, en appliquant ce matériau représentatif
pour le réglage sur le capteur de mesure.
Dans les deux variantes de procédé, ainsi on appréhende les propriétés physiques du matériau du catalyseur SCR ou du matériau représentatif pour le réglage lui-même. Ces procédés présentent des avantages notables par rapport à des procédés travaillant de façon indirecte, pour lesquels on tire des conclusions sur leurs propriétés, à partir de signaux de mesure pris hors du catalyseur SCR ou du matériau représentatif pour le réglage (par exemple en cas
d'interruption de NH3).
30.Le capteur de mesure est alors monté directement sur le
catalyseur SCR.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la détection de la propriété physique s'effectue en plusieurs endroits du catalyseur SCR, si bien qu'il est possible d'effectuer une détermination, à dépendance locale,
de l'état accumulateur.
On va expliciter ci-après des exemples de réalisation de l'invention, en faisant référence aux dessins. Dans les dessins: Les figures 1 à 5 sont destinés à expliciter les bases
techniques, sur lesquelles l'invention se base.
Les figures 6 à 11 représentent des modes de réalisation selon l'invention. Dans les différentes figures: La Figure 1 représente schématiquement une partie d'une coupe d'un catalyseur SCR typique, ce que l'on appelle un 'catalyseur complet' La Figure 2 représente schématiquement une partie d'une coupe d'un autre catalyseur SCR typique, ce que l'on appelle un 'catalyseur à support revêtu' La Figure 3 est une vue d'ensemble schématique du catalyseur. La Figure 4 représente schématiquement les processus se déroulant sur le catalyseur SCR lorsque l'on a
une réduction sélective de l'ammoniaque.
Les Figures 5a et 5b représentent à titre d'exemple la masse de NH3 ayant été adsorbée sur la valeur de la longueur du catalyseur, pour deux températures
de catalyseur différentes.
La Figure 6 représente un agencement possible des capteurs
de mesure sur le catalyseur selon l'invention.
La Figure 7a représente un autre agencement particulièrement simple et possible des capteurs de mesure sur le catalyseur selon l'invention. La Figure 7b est une représentation en perspective de la Figure 7a, qui sert à donner une explication
plus précise.
La Figure 8 représente l'agencement de deux capteurs de niveau de remplissage, placés à l'entrée et à la sortie du catalyseur selon l'invention et le niveau d'état de remplissage, qui est différent sur la valeur de la longueur du catalyseur,
d'un catalyseur partiellement rempli.
La Figure 9 est un dessin en coupe d'un agencement donné à titre d'exemple pour la mesure de l'impédance complexe d'un matériau représentatif pour le réglage, qui est prévu en plus du catalyseur dans le système de gaz d'échappement, selon l'invention. La Figure 10 représente un dessin en coupe d'un agencement donné comme exemple pour la mesure de la force thermoélectrique d'un matériau représentatif pour le réglage, qui est prévu en plus du catalyseur dans le système de gaz
d'échappement, selon l'invention.
La Figure 11 représente le dessin en coupe d'un agencement donné comme exemple pour la mesure de la quantité adsorbée d'un matériau représentatif pour le réglage, qui est prévu en plus du catalyseur dans le système de gaz
d'échappement, selon l'invention.
Selon la Figure 6, on applique deuxilectrodes 52, 54 sur un catalyseur 12. Ces électrodes qui, de préférence mais pas nécessairement, sont poreuses et perméables au gaz, sont disposées de façon plane dans le mode de réalisation représenté, sur deux parois de catalyseur placées à l'opposé l'une de l'autre. Elles constituent un condensateur qui subit un effet de perte et qui peut effectuer une mesure à l'aide des raccordements électriques 56 et 58. L'impédance complexe Z entre les deux raccordements 56 et 58 constitue alors une indication quantitative de l'état de charge du catalyseur. Dans le cas o la précision le demande, on peut encore recourir à d'autres signaux de mesure qui, le plus souvent, sont présents, tels que venant de la température des gaz d'échappement, de la température de catalyseur, du taux d'air X, de la vitesse de rotation, du couple en charge ou du débit masse d'air, afin, à l'aide de ces valeurs de mesure, de déterminer quel est l'état de charge du catalyseur et, ainsi, de calculer et de commander le dosage
en agent réducteur.
L'impédance Z électrique complexe est définie dans la présente demande de manière à inclure conjointement
également la résistance électrique en courant continu.
L'impédance Z électrique complexe dans ce sens est définie comme étant la somme constituée de la partie réelle Re (Z) et de la partie imaginaire Im et (Z) de l'impédance complexe Z. L'impédance électrique Z varie avec la fréquence de mesure appliquée. Convient comme plage de fréquence la plage comprise entre 0 Hz (tension continue) et une fréquence limite supérieure pour laquelle la longueur d'onde correspondant à la fréquence de mesure est notablement inférieure aux dimensions du dispositif de mesure. On choisi de préférence une fréquence de mesure appropriée et, pour cette fréquence, on détermine l'impédance complexe, formée de la partie réelle et de la partie imaginaire, ou bien on enregistre un signal de mesure qui est dérivé des deux grandeurs ou bien de l'une de ces deux grandeurs. Des grandeurs de mesure typiques peuvent être: la valeur de l'impédance complexe IZ|, la résistance sous courant continu, la capacité électrique, le désaccord d'un circuit en pont électrique, le facteur de perte ou le désaccord d'un
circuit oscillant.
En variante, les électrodes peuvent être constituées d'une structure qui, également, est toujours de nature différente, structure permettant de diagnostiquer les propriétés électriques du matériau du catalyseur. La Figure 7a représente un dispositif à condensateur interdigital 52, appliqué sur le condensateur, dispositif présentant l'avantage de ne devoir être appliqué que sur une face de son agencement d'électrodes. La mise en contact avec les lignes d'alimentation 66 et 68 peut alors également s'effectuer depuis un côté. La Figure 7b illustre ceci par la représentation en perspective. Sur la Figure 7b, seul l'agencement à condensateur interdigital lui-même est excité, le matériau du catalyseur n'ayant pas été dessiné par souci de clarté. La mise en contact peut, par exemple, s'effectuer depuis l'avant, du fait que des lignes d'alimentation électrique 86 et 88 ont été choisies justement d'une longueur faisant qu'elles arrivent jusqu'à
l'arête avant du catalyseur.
Un agencement du capteur de valeur de mesure, sous la forme d'une boucle de conducteur électrique, qui s'offre alors si le matériau du catalyseur présente suffisamment de pertes et est suffisamment conducteur d'électricité, est
également possible.
On peut également appliquer des capteurs de mesure en plusieurs endroits du catalyseur, si bien qu'il est possible d'effectuer une détermination de l'état de charge non seulement en fonction du temps, mais également en fonction du site. On peut alors tant effectuer le garnissage le long du flux de gaz d'échappement, c'est-à-dire dans la direction z sur la Figure 3, qu'appliquer des capteurs de mesure pour différentes valeurs de x ou de y, afin de mesurer la
distribution, variable localement, de la charge.
Selon un agencement structuré de façon particulièrement simple, on peut monter deux capteurs de mesure ou plus, ayant des valeurs z différentes, le long du flux de gaz d'échappement, le premier étant placé par exemple près de l'entrée du catalyseur et le deuxième étant placé par exemple dans le dernier quart du catalyseur pour, comme esquissé sur la Figure 8, pouvoir déterminer, d'une part, la quantité adsorbée à l'état saturé (entrée au catalyseur) et, en plus, la sécurité envers une fuite de NH3 (près de la sortie du catalyseur. La comparaison entre les niveaux effectifs en NH3, à l'état saturé (entrée du catalyseur) avec une valeur de consigne dépendant de la température, permet de tirer des conclusions, par exemple sur l'état de vieillissement ou sur des endommagements subis par le catalyseur, et permet d'effectuer une adaptation correspondante de la quantité de dosage, jusqu'à la fonction de fonctionnement de secours. Le niveau de NH3, dans la zone de là sortie du catalyseur, donne des indications concernant la sécurité face à une interruption en NH3. Si on dépasse une valeur de consigne dépendant de la température, il est directement possible de diminuer la quantité de dosage, étant de plus envisageable d'avoir une régulation de l'état de remplissage, dans des limites étroites, autour de la
valeur de consigne prédéterminée.
Selon un autre mode de réalisation, ce n'est pas le catalyseur lui-même qui est doté de capteurs de mesure (par exemple doté d'électrodes) mais un capteur, dont l'élément déterminant la fonction est constitué d'un matériau représentatif pour le réglage, est intégré dans le catalyseur. Ici, de nouveau, on peut intégrer un capteur individuel ou on peut intégrer plusieurs capteurs, répartis localement. La Figure 9 représente le dessin en coupe d'un agencement donné comme exemple pour la mesure de l'impédance complexe du matériau représentatif pour le réglage, qui est prévu dans le système de gaz d'échappement en plus du catalyseur. La structure de principe de l'agencement équivaut aux agencements décrits dans le EP 0 426 989 Ai ou US 5 143 696 ou dans [41. Sur un transducteur 90, constitué d'un élément chauffant 98 placé en face inférieure d'un substrat 92 - de préférence en céramique, en quartz ou en silicium - et d'une structure à électrodes 94 approprié (de préférence, en une structure interdigitale) on applique une couche 96 sur la face supérieure du substrat. Des lignes de conduction appliquées sur le transducteur 90 permettent de mesurer l'impédance électrique. L'agencement est intégrédans un boîtier approprié et positionné comme décrit ci-dessus dans le système de gaz d'échappement. Au contraire des textes cités ci-dessus de la littérature, la couche 96 n'est pas constituée d'un matériau présentant une sélectivité au gaz, mais est constituée du matériau représentatif pour le réglage, valant pour le catalyseur SCR. De ce fait, à l'aide d'un tel agencement, on peut détecter l'état de charge. En cas de besoin, on peut également intégrer plusieurs agencements de ce type en différents sites dans le catalyseur. Les explications
indiquées ci-dessus à ce sujet seront utilisées.
Le chauffage électrique 98 est constitué par exemple de pistes épaisses de 100 nm à 20 pm, réalisées en métal, par exemple en platine. Le matériau représentatif pour le réglage 96 présente par exemple une épaisseur de couche comprise entre 100 nm et 1000 gm. La structure à électrodes 94, par exemple constituée d'un métal, présente, selon la technologie, par exemple une épaisseur de couche
de 100 nm et à 100 im.
Pour pouvoir mesurer les propriétés physiques du catalyseur, qui caractérisent l'état de charge, on peut également utiliser d'autres grandeurs de mesure électriques, par exemple le coefficient de Seebeck (que l'on appelle également la force thermoélectrique), ou bien l'évolution, en fonction de la température, des grandeurs électriques
mentionnées ci-dessus.
D'autres grandeurs de mesure non électriques, données comme exemple, pouvant être utilisées, sont la variation de masse ou la variation de volume. -La vue de dessus d'un agencement donné comme exemple, selon lequel l'état de charge peut être détecté par mesure de la force thermoélectrique, est esquissée sur la Figure 10. Une couche constituée du matériau représentatif pour le réglage 101 est appliquée sur un transducteur 100, composé d'un chauffage non représenté, placé en face inférieure d'un substrat 102 isolant de l'électricité (de préférence en céramique, en quartz ou en silicium), et de thermoélements 104, 106, 108, 110, placés en face supérieure du substrat. Le chauffage électrique est constitué par exemple de pistes en métal, d'une épaisseur de 100 nm à pm. Les conducteurs métalliques 104 et 106 ou 108 ou 110 sont reliés ensemble électriquement au niveau des pleins de
contact et constituent chacun un couple de thermoéléments.
Des combinaisons appropriées typiques de matériau pour les couples de thermoéléments sont NiCR/Ni ou Pt/PtRh. Des lignes conductrices appliquées sur le transducteur 100 permettent de mesurer les tensions U1 (tension entre 108 et 110) et U2 (tension entre 104 et 106). L'agencement est intégré dans un boîtier approprié et positionné dans le système de gaz d'échappement, de manière que la couche constituée du matériau représentatif pour le réglage 101 soit exposée aux gaz d'échappement. La structure d'élément chauffant est conçue de manière que, aux points de contact des deux couples de thermoéléments, on obtienne des températures différentes. La différence entre les tensions U1 et U2 est proportionnelle à la différence de température AT au niveau des points de contact - dans la mesure o les températures au niveau des points de contact ne sont pas trop différentes. Le facteur de proportionnalité résulte de la combinaison choisie des matériaux. La tension Ul (tension entre 106 et 110) est une fonction linéaire de la différence de température AT et de la force thermoélectrique de la couche représentative pour le réglage 101, qui est un paramètre du matériau. De ce fait on peut également détecter
l'état de charge, à l'aide d'un tel agencement.
La variation de masse, provoquée par les cycles d'adsorption-désorption, du matériau de l'accumulateur peut être mesurée en utilisant des capteurs piézo-électriques. On peut- pour cela utiliser des microbalances à quartz. Une structure possible est esquissée sur la Figure 11. Les électrodes d'excitation 112 et 114 d'un quartz oscillant 111 à hachage AT (oscillateur à vibrations de cisaillement) sont alors revêtues, sur une face ou sur les deux faces, du matériau représentatif pour le réglage, 116 et 117. La variation de la masse, provoquée par l'adsorption ou la désorption des gaz à stocker dans le matériau représentatif pour. le réglage, provoque une variation des paramètres de commutation électrique, caractérisant les propriétés mécaniques du quartz, du dipôle en quartz, entre les raccordements électriques 113 et 115. La fréquence de résonance mécanique, qui va fluctuer également, du quartz oscillant peut également être utilisée comme signal de mesure. Pour cela, le quartz doit être utilisé comme organe, déterminant la fréquence, d'un circuit d'oscillateur. Le décalage, en résultant, de la fréquence d'oscillation est proportionnel à la variation de masse de la couche couvrant le quartz, constituée du matériau représentatif pour le
réglage et caractérise ainsi l'état de charge du catalyseur.
En cas de revêtement du chemin de propagation de l'onde de surface d'un capteur d'onde de surface (SAW = Surface Accoustic Wave) par le matériau représentatif pour le réglage, on observe une variation de la vitesse de propagation de l'onde de surface, avec l'état accumulateur du matériau de revêtement. La variation de fréquence, en résultant, d'un circuit à oscillateur SAW peut également
être utilisée comme signal de mesure pour l'état de charge.
Littérature citée dans la demande, à titre d'état de la technique [111 Lepperhoff G., Schommers J.: Verhalten von SCR-Katalysatoren im dieselmotorischen Abgas. MTZ 49 (1988), 17-21 [2] H thwohl G., Li. Q., Lepperhoff G.: Untersuchung der NOx-Reduzierung im Abgas von Dieselmotoren durch SCR-Katalysatoren. MTZ 54 (1992), 310-315 [3] Maurer B., Jacob E., Weisweiler, W.: Modellgasuntersunchungen mit NH3 und Harnstoff ais
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thin-film capacitors.
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Claims (23)
1. Procédé de détermination de l'état accumulateur d'un catalyseur SCR (11, 22) stockant de l'ammoniaque, la variation d'au moins une propriété physique du matériau du catalyseur SCR (12, 22), qui change du fait du déroulement du processus d'accumulation de NH3, étant appréhendée, caractérisé en ce que la mesure s'effectue sur le matériau catalyseur SCR (12, 22) lui-même, en appliquant sur le catalyseur (12, 22) un capteur de mesure et en déterminant
l'état accumulateur à l'aide de ces résultats.
-10
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détection d'une propriété physique est faite en
plusieurs endroits du catalyseur SCR.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'on appréhende une propriété électrique du catalyseur SCR ou bien son évolution
en fonction de la température.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en
ce que l'impédance électrique du catalyseur SCR, ou au moins -
une grandeur en étant dérivée, est appréhendée.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la détection de l'impédance s'effectue pour une ou plusieurs fréquences issues de la plage de fréquences comprise entre 0 Hz, c'est-à-dire la tension continue, et une fréquence limite supérieure, pour laquelle la longueur -25 d'ondes correspondant à la fréquence de mesure est notablement inférieure aux dimensions du dispositif de mesure.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la détection de l'impédance électrique s'effectue au moyen de deux électrodes (56, 68) ou d'une boucle de conducteur ou d'une
structure interdigitale (52).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on effectue une détection de l'impédance près de l'entrée du catalyseur SCR, on effectue une autre détection dans le dernier quart du catalyseur SCR - en observant dans
la direction de l'écoulement.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force thermoélectrique du matériau du catalyseur SCR êst appréhendée.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de masse ou de volume du catalyseur SCR
est appréhendée.
10. Procédé de détermination de l'état accumulateur d'un catalyseur SCR (12, 22) absorbant l'ammoniaque, un matériau (96, 101, 116), identique ou analogue au matériau de catalyseur SCR (12, 22) du point de vue de ses propriétés physiques, étant disposé dans le flux de gaz d'échappement, en plus du matériau de catalyseur SCR (12, 22), et la fluctuation d'au moins une propriété physique, fluctuant avec l'évolution du processus d'adsorption de NH3, de ce matériau représentatif pour le réglage (96, 101, 116) étant appréhendée, caractérisé en ce que la mesure s'effectue sur le matériau représentatif pour le réglage lui-même, en appliquant le matériau représentatif pour le réglage (96, 101, 116) sur le capteur de mesure et en déterminant l'état accumulateur du catalyseur SCR (12, 22), à l'aide de ces résultats.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la détection d'une propriété physique est effectuée
en plusieurs endroits du catalyseur SCR.
12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'une propriété électrique du matériau représentatif pour le réglage ou son évolution en fonction
de la température est appréhendé(e).
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'impédance électrique du matériau représentatif pour le réglage ou au moins une grandeur en étant dérivée est appréhendée.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la détection de l'impédance s'effectue pour une ou plusieurs fréquences issues de la plage de fréquences comprise entre 0 Hz, c'est-à-dire la tension continue, et une tension limite supérieure pour laquelle la longueur d'onde correspondant à la fréquence de mesure est notablement inférieure aux dimensions du dispositif de mesure.
15. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le capteur de mesure devant appréhender l'impédance électrique complexe est constitué de la façon suivante: il comprend un substrat (92), sur une face plate duquel est appliquée une structure à conducteur ou à électrode (94), et sur l'autre face plate duquel est appliqué un chauffage électrique (98), le matériau représentatif pour le réglage (96) étant appliqué sur la face plate dotée de la structure à
conducteur ou à électrode (94).
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la structure à conducteur ou à électrodes (94) est
une structure interdigitale.
17. Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le substrat (92) est en silicium, en quartz ou en une céramique, et le chauffage électrique (98) présente des pistes en métal d'une épaisseur de 100 nm à im, et la structure à conducteur ou à électrode (94) est en métal et présente une épaisseur de couche comprise entre nm et 100 gm, et le matériau représentatif pour le réglage (96) présente une épaisseur de couche comprise entre
100 nm et 1000 im.
18. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la variation de la force thermoélectrique du matériau
représentatif pour le réglage est appréhendée.
19. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le capteur de mesure prévu pour appréhender la force thermoélectrique est construit de la manière suivante: il comprend un substrat (102), sur une face plate duquel est appliqué un chauffage électrique, et sur l'autre face plate duquel est appliqué le matériau représentatif pour le réglage (101) ainsi qu'au moins deux couples de thermoéléments (104, 106,
108, 110).
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que le substrat (102) est constitué de silicium, de quartz ou d'une céramique, et le chauffage électrique présente des pistes en métal d'une épaisseur de 100 nm à um.
21. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on appréhende la variation de masse ou de volume.
22. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que le capteur de mesure prévu pour appréhender la variation de masse du matériau représentatif pour le réglage est constitué de manière suivante: il comprend un cristal à quartz oscillant (111), sur lequel des électrodes d'excitation (112, 114) électriques sont appliquées des deux côtés, le matériau représentatif pour le réglage (116, 117) étant appliqué au
moins sur une électrode d'excitation.
23. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que le capteur de mesure prévu pour appréhender la variation de masse du matériau représentatif pour le réglage est constitué de la manière suivante: le matériau représentatif pour le réglage en forme de couche constitue, à l'intérieur d'un capteur à ondes de surface, le chemin de propagation d'une onde de surface.
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