FR2895445A1

FR2895445A1 - Procede et appareil de commande d'un systeme integre de filtre a particules pour moteur diesel, a capacite de reduction catalytique selective

Info

Publication number: FR2895445A1
Application number: FR0655826A
Authority: FR
Inventors: Hartmut Lueders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2007-06-29
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2007170388A; FR2895445B1; DE102005061873A1; US20070144152A1

Abstract

Procédé de gestion d'un filtre à particules (20) installé dans le courant des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10), pour retenir les particules des gaz d'échappement, ce filtre ayant une capacité de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, déclenchée par l'apport d'un agent réducteur.L'apport de l'agent réducteur est diminué provisoirement en cas de régénération thermique du filtre à particules(20).

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de

gestion d'un filtre à particules installé dans le courant des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, pour retenir les particules des gaz d'échappement, ce filtre ayant une capacité de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, déclenchée par l'apport d'un agent réducteur. L'invention concerne également un appareil de commande caractérisé en ce que l'appareil de commande réduit provisoirement l'apport en agent réducteur lors de la régénération thermique du filtre à particules. Etat de la technique On connaît déjà un tel procédé et un tel appareil selon le document DE 103 23 607 Al. Ce document montre en figure 2 un système SCR/DPF intégré (le sigle SCR désigne la réduction catalytique sé- lective ; le sigle DPF désigne un filtre à particules pour moteur diesel). Ce système se compose d'un filtre à particules muni d'éléments catalytiques ayant la capacité d'une réaction catalytique sélective. Un filtre à particules présente une structure formée d'un grand nombre de canaux qui sont fermés alternativement pour que les gaz d'échappement chargés de particules soient obligés de passer à travers les parois poreuses du corps en forme de nids d'abeille. Les particules se dé-posent ainsi dans les pores. Suivant la porosité du corps en nids d'abeille en matière céramique, le rendement du filtre varie entre 70 et 90 %. Pour éviter d'une part une contre-pression trop élevée des gaz d'échappement à cause des dépôts de particules il faut régénérer le filtre. Un catalyseur SCR favorise une réduction catalytique sélective des oxydes d'azote pour donner de l'azote moléculaire ; l'agent réducteur est de l'ammoniac que l'on fournit de manière connue à l'aide d'un catalyseur d'hydrolyse en amont du catalyseur SCR en utilisant une solution aqueuse d'urée. La conversion de la solution aqueuse d'urée peut également se faire directement dans le catalyseur SCR si bien que le catalyseur d'hydrolyse distinct n'est pas obligatoire. La réaction catalytique sélective est décrite en liaison avec la construction d'un catalyseur SCR dans le document D. Schôppe Ein geregeltes Abgasnachbehandlungssystem zur Erfüllung zukünftiger Emis- sionsgrenzwerte bei Dieselmotoren , Fortschritts-Berichte, VDIn série 12, N 267, tome 1 (1996), 17. Int. Wiener Motorensymposium, p. 332-353. Le catalyseur SCR convertit un agent réducteur en ammoniac (NH3) avec le- quel on convertit sélectivement et par voie catalytique les oxydes d'azote en azote et en eau. Le document DE 103 23 607 Al décrit un système SCR/DPF intégré dont le filtre à particules a une structure avec des cen- tres catalytiques à activité SCR. Pour garantir la réduction voulue des particules d'une manière permanente et en sécurité, il faut de temps en temps éliminer les particules de suie accumulées dans le filtre à particules. Cela se fait en général en brûlant les particules de suie à une température élevée du filtre. Il s'agit de la régénération thermique du filtre. Dans le cas d'un véhicule équipé d'un moteur diesel et d'un filtre à particules, cette régénération thermique se fait de manière caractéristique après un trajet de quelques centaines de kilomètres par élévation de la température des gaz d'échappement. La température des gaz d'échappement peut par exemple être déclenchée par une détérioration voulue du rendement de la combustion du moteur. Cette régénération du système intégré SCR/DPF engendre des odeurs gênantes. But de l'invention La présente invention a pour but dans ce contexte de déve-lopper un procédé et un appareil de commande du type défini ci-dessus, permettant la régénération du système SCR/DPF intégré sans engendrer d'odeurs gênantes. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé et un appareil de commande du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'apport d'agent réducteur est diminué provisoirement en cas de régénération thermique du filtre à particules. A l'analyse du problème d'odeurs on a constaté que les odeurs gênantes étaient déclenchées par la libération de l'ammoniac qui se produit lorsque la température du système augmente. En réduisant l'apport en agent réducteur avant la régénération thermique on ne rem-place plus l'ammoniac consommé par les substances à activité catalytique SCR ou du moins on ne le fait que de manière limitée. Dans le cas d'une régénération thermique du filtre à particules on ne libérera plus que peu ou pas d'ammoniac. Il est avantageux que l'apport en agent réducteur soit diminué dès avant la régénération thermique. Ainsi, l'ammoniac également accumulé dans les centres catalytiques sera consommé par la poursuite de la réaction SCR avant que l'on arrive à la désorption d'origine thermique de l'ammoniac. De manière préférentielle, la masse d'ammoniac accumulée dans le filtre à particules sera réduite d'une première valeur à une se- conde valeur avant que le filtre à particules n'atteigne la température de combustion des particules de suie emmagasinées. La seconde valeur de la masse correspond de manière préférentielle à un faible niveau de remplis-sage d'ammoniac pour lequel même à température élevée il n'y aura pratiquement pas de désorption de quantité importante d'ammoniac. La quantité d'ammoniac alors libérée ne sera pratiquement plus perçue par son odeur dans les circonstances normales. Pour éviter les inconvénients de l'odeur il est en outre avantageux que l'apport en agent réducteur soit réduit même pendant la régénération thermique.

Un autre développement préférentiel prévoit d'augmenter de nouveau l'apport en agent réducteur après la régénération thermique. Par une réduction de l'apport d'agent réducteur on détériore l'aptitude à la conversion des oxydes d'azote. L'augmentation de nouveau de l'apport d'agent réducteur évite cette détérioration. Les émissions d'oxydes d'azote ne sont ainsi détériorées que provisoirement d'autant plus que les régénérations thermiques se font relativement rarement. La durée de cette détérioration peut en outre être réduite si on augmente initialement l'apport en agent réducteur pour remplir de nouveau rapidement l'accumulateur d'ammoniac dans le système intégré SCR/DPF. Cela peut se faire grâce à un excédent bref d'apport en agent réducteur. Pour diminuer encore plus la détérioration de la conversion des oxydes d'azote et pour minimiser la consommation de carburant liée à la régénération thermique du système intégré SCR/DPF, on commande le début de la régénération, de préférence en fonction d'une mesure de la ré- sistance fluidique du filtre à particules. Si la mesure de la résistance fluidique dépasse un seuil, on déclenche une régénération thermique ou on prépare le déclenchement. Un tel déclenchement à la demande se fait de préférence en déterminant la mesure à partir du signal d'un capteur de différence de pression qui saisit la différence entre la pression en amont et la pression en aval du filtre à particules. En variante ou en complément, on peut former la mesure de la résistance fluidique également selon les paramètres de fonctionnement du filtre à particules en appliquant un modèle de calcul.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation de l'invention représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un moteur à combustion interne avec un module intégré SCR/DPF, et - la figure 2 montre les chronogrammes de différents paramètres du module intégré SCR/DPF. Description d'exemples de réalisation La figure 1 montre un moteur à combustion interne 10 avec un système de nettoyage des gaz d'échappement 12. Le moteur à combustion interne 10 est alimenté en air par une conduite d'admission 14. Le carburant est dosé à l'air par une installation de dosage de carburant 16 et le mélange ainsi formé de carburant et d'air alimente les chambres de combustion du moteur à combustion interne 10 pour être brûlé par auto-allumage ou par un allumage commandé. Le moteur à combustion interne 10 et l'installation d'injection 16 sont commandés par un appareil de commande 18 dont la commande du moteur à combustion interne 10 et de l'installation d'injection 16 s'appuie sur les signaux fournis par des capteurs 20 concernant les paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 10 et le cas échéant la demande de couple émise par le conducteur. L'énoncé des paramètres de fonctionnement dans cette partie de la description n'est pas décisif et en général les moteurs à combustion interne 10 actuels comportent un grand nombre de capteurs.

Pour nettoyer les gaz d'échappement, le système connu de nettoyage de gaz d'échappement 12 selon la figure 1 comporte au moins un module intégré SCR/DPF 20 réunissant un filtre à particules et un catalyseur SCR en une unité ; cet ensemble peut être séparé sans détruire le catalyseur SCR et/ou le filtre à particules. Le module SCR/DPF 20 constitue ainsi un filtre à particules 20 installé dans la veine des gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10 pour retenir les parti-cules entraînées par les gaz d'échappement. Ce filtre a une capacité de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote et cette réduction catalytique sélective est déclenchée par l'apport d'un agent réducteur.

Le module intégré SCR/DPF 20 a une structure 22 dans laquelle sont réalisés alternativement des canaux fermés de manière que les canaux du module SCR/DPF 20 ouverts vers l'entrée soient fermés du côté opposé vers la sortie et réciproquement. Les gaz d'échappement émis 4 par le moteur à combustion interne 10 doivent ainsi traverser l'installation de nettoyage des gaz d'échappement 20 selon la figure 1 en passant par les parois poreuses de la structure 22 par diffusion. La diffusion sépare les particules de suie dans les parois poreuses de la structure 22.

Le module SCR/DPF 20 est réalisé pour que les gaz d'échappement qui passent arrivent en contact avec les centres catalytiques. Les centres catalytiques comportent des matières choisies pour avoir une capacité SCR. Cette capacité peut s'obtenir par exemple en couvrant la surface des canaux alternativement fermés de la structure 22 avec un revêtement catalytique perméable aux gaz. La structure 22 sert dans ce cas à la fois de structure de support du revêtement à activité SCR et aussi de filtre à particules dans lequel les particules de suie se déposent. En variante et/ ou en complément, la couche catalytique peut égale-ment se trouver dans les parois poreuses des canaux.

Le revêtement catalytique des canaux et/ou des pores de la structure 22 du module SCR/DPF 20 favorise une réduction catalytique sélective des oxydes d'azote pour donner de l'azote moléculaire ; l'agent réducteur utilisé est de l'ammoniac. L'agent réducteur ammoniac est obtenu dans une réalisation par une réaction d'hydrolyse dans le module SCR/DPF 20 à partir d'une solution aqueuse d'urée ; cette solution est dosée par un système de dosage d'agent réducteur 24 dans les gaz d'échappement en amont du module SCR/DPF 20 ou dans la structure 22. Le système de dosage d'agent réducteur 24 comporte principalement un réservoir d'agent réducteur 26, une soupape de dosage 28 et une buse 30. La soupape de dosage 28 est commandée par l'appareil de commande 18 en fonction des paramètres du moteur à combustion interne 10. L'invention n'est toutefois pas limitée à ce type particulier de génération d'agents réducteurs. Les paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 10 comprennent dans ce contexte notamment la température T du système de nettoyage des gaz d'échappement 12 ou de l'un de ses compo- sants. Pour saisir cette température T, la figure 1 montre un capteur de température 32 qui saisit la température du module SCR/DPF 20. Un tel capteur de température 32 peut toutefois être prévu également à un autre endroit dans le système de nettoyage des gaz d'échappement 12. Comme autre variante on peut former par modélisation la température T utilisée pour la commande du moteur à combustion interne 10 et la soupape de dosage 28 en utilisant d'autres paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne tels que la charge d'air des chambres de combustion, le dosage du carburant, etc.... A mesure que la masse des particules de suie déposée augmente, la résistance fluidique du module SCR/DPF 20 augmente éga- lement et par conséquent la contre-pression des gaz d'échappement ou pression qui s'oppose aux gaz d'échappement. Pour éviter une contre-pression des gaz d'échappement de niveau trop élevé pour le fonctionne-ment du moteur à combustion interne 10 et qui résulte des dépôts de particules de suie, il faut régénérer le module SCR/DPF 20.

Dans la réalisation de la figure 1, un capteur de différence de pression 34 détecte la différence dp des pressions en amont et en aval du module SCR/DPF 20 et transmet la valeur saisie dp à l'appareil de commande 18. L'appareil de commande 18 compare la différence de pression dp ou une valeur déduite de la différence de pression dp pour la ré- sistance fluidique du module SCR/DPF 20 à un seuil ; en cas de dépassement du seuil il déclenche la régénération thermique du module SCR/DPF 20. En variante ou en complément, on peut déclencher la régénération en fonction du trajet parcouru ou en fonction de la charge du module intégré SCR/DPF 20 avec de la suie que l'on modélise en utilisant les paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 10 dans des phases de fonctionnement correspondantes. La figure 2 montre les chronogrammes de différents para-mètres de fonctionnement du module intégré SCR/DPF 20 avant et après la régénération thermique dans la mise en oeuvre d'un exemple de réalisa-tion du procédé de l'invention. La courbe 36 montre l'évolution des valeurs de différence de pression dp pour une certaine valeur du débit massique de gaz d'échappement ; la courbe 38 montre l'évolution de la température du module SCR/DPF 20. Dans ce contexte il est expressément mentionné que la représentation de la figure 2 est purement qualitative. Les durées de régénération caractéristiques se situent dans une plage de quelques minutes. La durée de régénération se forme dans la courbe 38 pour la largeur du palier à température élevée. La charge en suie du module SCR/DPF 20 augmente dans le cas d'un véhicule en fonction du trajet sur plusieurs centaines de kilo- mètres, c'est-à-dire plusieurs heures de fonctionnement avant le déclen- chement d'une régénération thermique. L'augmentation de la différence de pression dp (courbe 36) dans laquelle se développe de façon croissante une charge de suie dans le module SCR/DPF 20, est représentée avec une pente plus importante à la figure 2 qu'en réalité pour faciliter la présentation. Le module SCR/DPF 20 sépare tout d'abord par filtrage les particules de suie contenues dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10. En parallèle dans le temps, le module SCR/DPF 20 réduit les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement en azote moléculaire. Pour maintenir la réaction catalytique sélective on ajoute tout d'abord en continu un agent réducteur aux gaz d'échappement. Le dosage de l'agent réducteur se fait par la soupape 28 et la buse 30 de la figure 1. La courbe 40 de la figure 2 montre le débit massique d'agent réducteur fourni aux gaz d'échappement du moteur à combustion interne 10. L'agent réducteur libère l'ammoniac des gaz d'échappement et/ou du module SCR/DPF 20. En cas de libération conti-nue d'ammoniac et de consommation en parallèle d'ammoniac par cette réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, on accumule une certaine masse d'ammoniac dans le module SCR/DPF 20. La masse stockée d'ammoniac est représentée par la courbe 42 à la figure 2. A l'instant t1 la mesure de la résistance fluidique du mo- dule SCR/DPF 20 atteint un seuil. On peut former cette mesure à partir du signal dp du capteur de différence de pression 34 et/ou selon les paramètres de fonctionnement du module SCR/DPF 20 et/ou du moteur à combustion interne 10 en utilisant un modèle de calcul. L'appareil de commande 18 enregistre le dépassement de la valeur de seuil et libère une régénération thermique du module SCR/DPF 20 en augmentant la température des gaz d'échappement T à l'entrée du module SCR/DPF 20. La du-rée de la montée de la température définit la durée tR de la régénération. En outre, l'appareil de commande 18 réduit l'apport en agent réducteur pendant la régénération thermique. L'ammoniac stocké dans le module SCR/DPF 20 et qui est consommé par la réduction catalytique sélective n'est tout d'abord pas remplacé par la réalimentation en agent réducteur. La quantité d'ammoniac libérée diminue, ammoniac qui n'est pas con-sommé par la réduction d'oxydes d'azote et peut engendrer, en aval du module SCR/DPF 20, des odeurs gênantes.

Selon un développement préférentiel, on diminue l'apport en agent réducteur dès avant la régénération thermique. Le dépassement du seuil par la mesure de la résistance fluidique déclenche dans ce mode de réalisation tout d'abord la préparation de la régénération thermique. La régénération thermique proprement dite est ensuite déclenchée avec retard. Ainsi, on consomme l'ammoniac accumulé dans le module SCR/DPF 20 pour réduire les oxydes d'azote avant que l'augmentation de température ne soit déclenchée. Dans la représentation de la figure 2, à l'instant t1 auquel la différence de pression dp atteint la valeur de seuil, on diminue tout d'abord l'apport en agent réducteur (courbe 40). Le seuil est prédéfini pour que le module SCR/DPF 20 puisse encore prendre des particules de suie mais qu'il doit ensuite être régénéré. Le moteur à corn- bustion interne 10 fonctionne tout d'abord au-delà de l'instant t1 à faible température des gaz d'échappement T. La charge du module 20 SCR/DPF en particules de suie augmente alors tout d'abord pendant que le module SCR/DPF 20 consomme l'ammoniac accumulé par une réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. Ce n'est que lorsque la masse d'ammoniac accumulée dans le module SCR/DPF 20 est passée à l'instant ultérieur t2 d'une première valeur w1 de la masse à une seconde valeur w2 de la masse par diminution, que l'on augmente la température du module SCR/DPF au-delà de la température d'allumage de la suie accumulée.

Ensuite, on réduit toujours l'apport en agent réducteur même pendant la régénération thermique. La réduction peut aller jusqu'à la coupure totale d'apport en agent réducteur. Mais il est préférable de maintenir un faible débit d'agent réducteur. Cela permet à la régénération thermique par conversion du carbone déposé, de convertir le monoxyde d'azote, engendré, en azote moléculaire et en eau. A côté du monoxyde d'azote engendré par la conversion du carbone, on convertit également les oxydes d'azote émis par le moteur à combustion interne 10 par réaction catalytique sélective dans la structure catalytique poreuse 82. Après la régénération thermique qui se termine à l'instant t3, on augmente de nouveau l'apport en agent réducteur pour augmenter de nouveau la réduction des oxydes d'azote. L'apport en agent réducteur peut être augmenté brièvement au-delà de la mesure nécessaire pour le fonctionnement stationnaire pour remplir de manière accélérée l'accumulateur d'ammoniac du module SCR/DPF. Cela est représenté par la courbe en pointillés 40.1 à la figure 2.

Claims

REVENDICATIONS

1 ) Procédé de gestion d'un filtre à particules (20) installé dans le courant des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10), pour retenir les particules des gaz d'échappement, ce filtre ayant une capacité de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, déclenchée par l'apport d'un agent réducteur, caractérisé en ce que l'apport d'agent réducteur est diminué provisoirement en cas de régénération thermique du filtre à particules (20).

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on diminue l'apport d'agent réducteur avant la régénération thermique. 15 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on diminue une masse d'ammoniac stockée dans le filtre à particules (20) d'une première valeur (w1) de la masse à une seconde valeur (w2) de la masse avant que le filtre à particules (20) n'atteigne la température de 20 combustion des particules de suie accumulées. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'apport d'agent réducteur reste diminué également pendant la régénéra-25 tion thermique. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'apport d'agent réducteur est de nouveau augmenté après la régénération 30 thermique. 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le début de la régénération est déclenché en fonction d'une mesure (dP) de 35 la résistance fluidique du filtre à particules (20). 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce quei0 la mesure (dp) de la résistance fluidique se détermine à partir du signal fourni par un capteur de différence de pression (34) qui saisit la différence des pressions en amont et en aval du filtre à particules (20). 8 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mesure (dp) de la résistance fluidique est une fonction de paramètre de fonctionnement du filtre à particules (20) formé par un modèle de calcul. 9 ) Appareil de commande (18) qui commande l'apport en agent réducteur d'un filtre à particules (20), installé dans la veine des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10), recevant les particules des gaz d'échappement et ayant une capacité de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, cette réduction étant déclenchée par l'apport de l'agent réducteur, caractérisé en ce que l'appareil de commande (18) réduit provisoirement l'apport en agent réducteur lors de la régénération thermique du filtre à particules (20). 10 ) Appareil de commande selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' il met en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 2 à 8.25