WO2017153665A1 - Procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile - Google Patents

Procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile Download PDF

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exhaust
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Steven Maertens
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Continental Automotive France
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Definitions

  • the present invention relates to a method of optimizing the consumption of reducing agent in a gas exhaust line from the combustion of a motor vehicle engine.
  • the present invention also relates to an exhaust line at the outlet of an internal combustion engine of a motor vehicle for the implementation of such a method.
  • the exhaust line at the outlet of an internal combustion engine of a motor vehicle comprises several elements for the selective removal of a pollutant, including first and second selective catalytic reduction systems.
  • the second system is disposed downstream of the first system in the exhaust line being separated from a gap with respect to the first system.
  • the first reduction system has an injector upstream of a reduction catalyst that injects an ammonia precursor reducing agent into the exhaust line for the reduction of nitrogen oxides. This can also be the case for the second reduction system.
  • SCR Selective Catalytic Reduction system
  • RCS reducing agent which agent is advantageously but non-limitatively urea or a derivative of urea, precursor of ammonia which is used to reduce nitrogen oxides
  • RCS full name or abbreviation
  • Such a RCS system can be integrated in a particulate filter, this as an alternative to an independent RCS system or in addition to such a system.
  • the particulate filter is then impregnated with a catalyst to effect a selective catalytic reduction of NO x .
  • a catalyst to effect a selective catalytic reduction of NO x .
  • the precursor reducing agent of ammonia, urea the most used is known under the name AdBlue ® reacts under high temperature to become ammonia or NH 3, NH 3 reacting with nitrogen oxides or NO x , mainly in the form of a mixture of nitric oxide or NO and nitrogen dioxide or NO 2 with a ratio varying in particular according to the operating conditions of the engine and of the temperature in the line exhaust.
  • AdBlue ® reacts under high temperature to become ammonia or NH 3
  • NH 3 reacting with nitrogen oxides or NO x , mainly in the form of a mixture of nitric oxide or NO and nitrogen dioxide or NO 2 with a ratio varying in particular according to the operating conditions of the engine and of the temperature in the line exhaust.
  • the depollution treatment of another pollutant or the maintenance of another depollution element, for example a regeneration of a particulate filter can also interact on the NO / NO 2 ratio.
  • the ammonia not used by the first RCS system for NO x reduction can reach the second RCS system. This can especially occur during an increase in temperature in the exhaust line, for which ammonia is desorbed. Such an increase in temperature in the exhaust line can occur during pronounced acceleration of the vehicle or when stabilized at high engine speed.
  • This active NH 3 storage control solution is based on a compromise between the NO x decontamination and the reduction of the NH 3 leak involving an increase in the NO x emission, an optimal NO x depollution then being more assured.
  • this solution is very complex and difficult to control in terms of control, especially when it is driven by an engine control.
  • Document US 201 1 / 023463A1 which relates to methods and systems for controlling a system of a vehicle having a first RCS region upstream of a second transmission control RCS region.
  • forced cooling of the second RCS region is effected which can be coupled to a cooling device to maintain a higher temperature. lower than the first RCS region.
  • a passive solution provides for an increase in the volume of SCR catalysts.
  • Another passive solution provides for the use of an ammonia release cleaning catalyst, also called “Clean Up Catalyst” or “Ammonia Slip Catalyst” in the English language, to eliminate the excess NH 3 not used for catalytic reduction.
  • an ammonia release cleaning catalyst also called “Clean Up Catalyst” or “Ammonia Slip Catalyst” in the English language, to eliminate the excess NH 3 not used for catalytic reduction.
  • the catalyst for cleaning the ammonia waste is downstream of the two RCS systems in the exhaust line, advantageously in the downstream end portion of the exhaust line.
  • US-A-201 1/01 1060 discloses an exhaust line having a SCR system and an active nitrogen oxide trap. During the regeneration of the nitrogen oxide trap, which is done at regular time intervals to empty the NO x trap that it has adsorbed, the emptying being done under conditions of greater wealth, therefore with a surplus of hydrocarbons the trap releases ammonia. This ammonia is captured by the SCR system and later used for the catalytic reduction of NO x . It is proposed in this document to create a Venturi effect between the NO x trap and the RCS system, which brings enough air to keep the RCS system in poor or less than one richness.
  • Such a maintenance in richness less than one makes it possible to protect the poisoning of the SCR catalyst by hydrocarbons during the regenerations and reduces the losses in NH 3 by oxidation.
  • Such a document does not, however, address the problem of the association of two RCS systems placed one after the other in the exhaust line and gives no indication as to a reduction of the NH3 leak that was not used for the reduction of NO x and therefore lost.
  • the problem underlying the present invention is, for a motor vehicle exhaust line equipped with two selective catalytic reduction systems for the reduction of nitrogen oxides, to optimize the consumption of reducing agent in order to reduce the excess ammonia from the exhaust line that was not used for the reduction.
  • the present invention relates to a method of optimizing the consumption of reducing agent in the form of ammonia in a combustion gas exhaust line in a combustion engine of a motor vehicle, the exhaust line comprising first and second selective catalytic reduction systems, the second reduction system being disposed downstream of the first reduction system in the exhaust line separated from a spacing with respect to the first reduction system, the first reduction system being a reduction injecting an ammonia precursor agent into the exhaust line for the reduction of nitrogen oxides, a surplus of unused ammonia passing through the exhaust line from the first to the second reduction system, characterized in that that the temperature in the exhaust line at the second reduction system is measured or estimated in predetermined time intervals and when a temperature rise rate calculated from the measurements or temperature estimates is greater than a predetermined temperature rise rate, provided that the temperature in the line at the second reduction system is greater than at a second maximum temperature value lower than a first maximum temperature value, forced cooling is effected in the spacing between the first and second reduction systems.
  • the solution is to lower the temperature as quickly as possible and then control it so that the amount of NH 3 is just enough to reduce NO x in the exhaust. This is done by introducing rapid cooling between the two RCS systems spaced from each other. Indeed, as will be seen later, it is possible to suspend cooling in certain conditions, for example when the temperature drops significantly or when the temperature is not very high.
  • This cooling device can be activated when the temperature in the exhaust line rises strongly during accelerations and on the stabilized at high temperature. Thus the cooling can be carried out over a longer period than on an acceleration. Cooling can be done as soon as a predetermined maximum temperature value or first value has been reached or is likely to be reached. In the latter case, the rate of rise in temperature is taken into account as soon as the temperature has reached a temperature value or a second value lower than the predetermined maximum temperature value.
  • a control of the process according to obtaining a relatively high rise speed makes it possible to anticipate reaching the first value in a reduced time interval.
  • the implementation of such a method allows a reduction of NH 3 leak that has not been used for the reduction.
  • the efficiency of the second RCS system is optimized by the implementation of the method by controlling the NH 3 leak.
  • An increase in the storage of NH 3 in the second RCS system is thus possible, hence a reducing agent economy as well as a reduction in the generated external pollution of NH 3 , all without increasing the NO x emissions, therefore without affect the clearance of NO x. NO x emissions can even decrease.
  • the forced cooling is suspended in the case where the second system has not reached a predetermined temperature of normal operation, this predetermined normal operating temperature being less than 180 ° C. This allows the optimal operation of the latter RCS system, priority being given to the function temperature rise of the second RCS system.
  • the forced cooling is programmed to last from 20 to 40 seconds, causing a temperature drop of 50 to 100 ° C in the spacing between the two reduction systems. This corresponds to the duration of a strong but short acceleration of the motor vehicle.
  • the forced cooling is programmed to last several minutes or continuously, causing a temperature drop of 50 to 100 ° C or more in the spacing between the two reduction systems. This corresponds to a sustained acceleration or stabilized at high temperature of the motor vehicle.
  • the exceeding of the predetermined temperature rise rate corresponds to the rapid obtaining of a high temperature at the second significant RCS system of an NH 3 leak not used for the NO x reduction if the second system has already NH 3 stored or if a surplus of the first system is released and stored in the second.
  • the time intervals are relatively narrow for ensure a high reactivity of the cooling in the exhaust line at the second RCS system.
  • the first maximum temperature value is of the order of 340 ° C. and the second maximum temperature value is of the order of 310 ° C.
  • the predetermined temperature rise rate is about 0.2 ° C per second and the time interval between two measurements or estimates is about 0.5 to 1 second.
  • the cooling continues, which is not not the case if the temperature is below the predetermined maximum temperature representative of the formation of an excess of NH 3 . In the latter case, the cooling may be suspended to return to the normal conditions of reducing agent consumption.
  • the present invention also relates to an exhaust line at the outlet of an internal combustion engine of a motor vehicle, the line comprising several elements for the selective removal of a pollutant, including first and second selective catalytic reduction systems, the second reduction system being arranged downstream of the first reduction system in the exhaust line being separated from a spacing with respect to the first reduction system, the first reduction system comprising an injector of a precursor agent of the ammonia in the exhaust line for the reduction of nitrogen oxides, characterized in that it comprises means for implementing such a method of optimizing the consumption of reducing agent in the form of ammonia in the line, the spacing comprising a forced cooling device.
  • the forced cooling device is of the type power recovery turbine, also known under the name of the Anglo-Saxon "turbo" compound "at least partially housed in the exhaust line or energy recovery type per Rankine cycle or technical equivalent.
  • the forced cooling device can recover energy that can be stored, which is another preferred benefit of the present invention.
  • the first catalytic reduction system is combined in a first pollution control roll with a particulate filter and an oxidation catalyst, the first reduction system being integrated in the particulate filter, a precursor reducing agent injector.
  • ammonia passing through a wall of the first bread and opening into the first bread upstream of the first reduction system, the second reduction system being integrated into the first bread after the first reduction system, leaving a space between them or being integrated into a second roll with a spacing between first and second loaves, the exhaust line comprising one or more elements selected from at least one exhaust gas recirculation line at the air intake of the low and / or high pressure engine, a passive or active nitrogen oxide trap, a temperature sensor, a nitrogen oxide probe.
  • the present invention relates to a set of such an exhaust line and its control command in depollution characterized in that the exhaust line is as described above, the control control comprising estimation elements or measurement of the temperature in the spacing between the two systems, means for calculating a rate of temperature rise, means for comparing a calculated rate of elevation with a predetermined rate of temperature rise stored by means of storing the control command or means for storing a first and a second maximum temperature value with means for comparing the measured or estimated temperature with the two stored maximum temperature values and activation and deactivation means of the cooling device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a side view of a portion of an exhaust line comprising elements of depollution including two consecutive RCS systems, the exhaust line being in accordance with the state of the art
  • FIG. 1 a shows temperature curves, respective concentrations of NO x and NH 3 at various points of the exhaust line illustrated in FIG. 1,
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of a side view of a portion of an exhaust line comprising depollution elements including two consecutive RCS systems and separated in two different decollution loaves, the exhaust line being in conformity with FIG. a first embodiment of the present invention comprising a forced cooling device interposed between the RCS systems,
  • FIG. 2a shows temperature curves, respective concentrations of NO x and NH 3 at various points of the exhaust line illustrated in FIG. 2, the temperature of the decreasing line at the second RCS system due to the device of forced cooling interposed between the two RCS systems and the concentration of the NH 3 leak at the end of the exhaust line after the second RCS system being very low or zero,
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a side view of a portion of an exhaust line comprising depollution elements including two consecutive RCS systems and contained by being separated in the same decollution bar with a cooling device interposed between RCS systems, an EGR line being illustrated in this figure after the decontamination bread, the exhaust line being in accordance with a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 and 5 show the exhaust line according to Figure 2 according to the first embodiment of the invention by adding an EGR line at a respective location.
  • a complete exhaust line may contain a turbine of a turbocharger and / or an exhaust gas recirculation line at the intake of the high pressure engine, this high pressure recirculation line stitching on the exhaust line upstream of the turbine.
  • RGE line abbreviation that will subsequently be used as well as recirculation line.
  • the exhaust line according to the present invention is to be taken in a broad sense as an exhaust system and not as a single exhaust pipe.
  • the exhaust line therefore comprises elements that are external to the exhaust duct as a recirculation line of the exhaust gas to the engine intake although it is connected by taking exhaust gas directly into the duct.
  • upstream and downstream are to be taken with respect to the engine to which the exhaust line is connected.
  • the inlet of the exhaust line connected to the output of the engine is the most upstream portion of the line and the exit of the exhaust line to the outside is the downstream portion of the exhaust line.
  • Figure 1 shows a portion of line 1 'exhaust according to the state of the art. This exhaust line 1 'has characteristics which are common with an exhaust line 1 according to the present invention.
  • the first system 2 or the second system 3 can be integrated in a particulate filter in an exhaust line 1 according to the present invention.
  • the exhaust line 1 may optionally comprise one or more NO x traps associated or not with an oxidation catalyst 8 and / or an ammonia release catalyst which may for example be integrated with the second RCS system, although this invention allows to do without at least in many cases.
  • the second RCS system 3 is disposed downstream of the first RCS 2 system in the escape line 1 ', 1 being spaced apart by a spacing 4 of the first RCS 2 system.
  • the first RCS system 2 injects an ammonia precursor into the exhaust line 1 ', 1 for the reduction of nitrogen oxides.
  • the second RCS system 3 also has a precursor agent injection device placed upstream of the second RCS 3 system, such an arrangement however comes within the scope of the present invention.
  • NH3 not consumed by the first RCS 2 system for NOx reduction and desorbed can be fed with the exhaust gases to the second RCS 3 system.
  • the reference T indicates the temperature, NO x the concentration of nitrogen oxides and NH 3 the concentration of ammonia.
  • NH 3 concentration curve upstream of the second RCS 3 system indicates the temperature, NO x the concentration of nitrogen oxides and NH 3 the concentration of ammonia.
  • NH 3 concentration curve downstream of this second RCS 3 system indicates the application of the method of optimization according to the present invention.
  • the present invention in order mainly to avoid the formation of a surplus or leakage of NH 3 at the outlet of the exhaust line 1, the present invention relates to a process for optimizing consumption. of reducing agent in the form of ammonia in an exhaust line 1 as previously described with two RCS systems 2, 3 spaced from each other in line 1 by a spacing 4.
  • the temperature in the exhaust line 1 at the second RCS 3 system is measured or estimated. From measurements or temperature estimates in the exhaust line 1 at the second RCS system 3 taken in predetermined time intervals, a rate of temperature rise is calculated. When this rate of elevation is greater than a predetermined temperature rise rate, forced cooling is performed in the gap 4 between first and second RCS systems 2, 3. Alternatively, forced cooling may also be performed when the temperature in the line at the second reduction system exceeds a first maximum temperature value.
  • the first maximum temperature value is of the order of 340 ° C. and the second maximum temperature value is of the order of 310 ° C.
  • the temperature can be measured at a point of the exhaust line 1 other than at the level of the second RCS 3 system and extrapolated to this level.
  • the forced cooling is done without the addition of a gas or a liquid in the exhaust line 1, without changing the flow rate in the line or the concentration of oxygen or hydrocarbons in this line 1 exhaust. This makes it possible not to disturb the flow of gas in line 1. In addition, such an addition of gas or liquid would not be sufficient to ensure effective cooling of the line at the second RCS 3 system 3. Or forced and pronounced cooling is sought in the context of the present invention.
  • the present invention also relates to an exhaust line 1 incorporating the previously mentioned characteristics, essentially first and second RCS systems 2, 3.
  • the second RCS system 3 is disposed downstream of the first RCS 2 system in the exhaust line 1 and remote by a spacing 4 of the first RCS system 2.
  • the spacing 4 comprises a forced cooling device 6 in the exhaust line 1.
  • cooling device 6 is represented symbolically by a rectangle outside the line 1 exhaust. It should be borne in mind, however, that the cooling device 6 may be at least partially integrated in the exhaust line 1.
  • the temperature without cooling and the surplus of NH 3 also without cooling respectively at the inlet and at the outlet of the second RCS system 3 are shown in dotted lines respectively with the references T and NH 3 while the cooled temperature Tr and the surplus or leakage of NH 3 after cooling NH 3 r are shown in solid lines, the cooling being carried out in accordance with the present invention.
  • the cooling influences the rise in temperature so the formation of NH3 according to the vertical arrow pointing downwards. This results in a reduction in the amount of NH 3 formed which is used only for reducing NO x . As a result, the surplus or leakage of NH 3 not used for the reduction and released into the environment outside the exhaust line 1 is considerably reduced, or nil, compared to that of the state of the art shown in FIG. Figure 1a.
  • the forced cooling can be programmed to last from 20 to 40 seconds by causing a temperature drop of 50 to 100 ° C in the spacing 4 between the two reduction systems 2, 3.
  • the forced cooling can be programmed to last several minutes or be continuous, causing a temperature drop of 50 to 100 ° C or more in the spacing between the two reduction systems 2, 3. This corresponds to a sustained acceleration or stabilized at high temperature of the motor vehicle.
  • the predetermined temperature rise rate may be about 0.2 ° C per second and the time interval between two measurements or estimates may be about 0.5 to 1 second.
  • the forced cooling device 6 is of the type of power recovery turbine or of the energy recovery type per Rankine cycle or technical equivalent at least partially housed in the exhaust line 1.
  • the forced cooling device 6 can recover energy that can be stored.
  • the Cooling device 6 can make electricity and be connected to an electric generator that stores this electricity as a source of extra energy. This can for example be used for recharging the battery (s) of the motor vehicle.
  • the first RCS 2 system can be grouped together in a first scrubbing roll 7 with a particulate filter and an oxidation catalyst 8.
  • the first RCS 2 system can be integrated in the particle filter.
  • An injector 5 of ammonia precursor reducing agent can pass through a wall of the first bread 7 and opening into the first bread 7 upstream of the first RCS 2 system.
  • the second RCS system 3 can be integrated in the first bread 7 after the first RCS 2 system leaving a gap 4 between them.
  • the second RCS system 3 can be integrated in a second bread 9 with a spacing 4 between first and second loaves 7, 9. It is in this spacing 4 that the cooling device 6 is active.
  • the exhaust line 1 may comprise one or more elements selected from at least one low and / or high pressure EGR line, a passive or active nitrogen oxide trap, a temperature sensor or a nitrogen oxide probe. 1 1, an oxygen sensor, a soot sensor for the particulate filter, this is not exhaustive or mandatory. It is also possible to include an ammonia cleaning catalyst at the outlet of the exhaust line 1, although the exhaust line 1 according to the present invention allows, in a wide range of operation of the engine, to to pass from such a catalyst.
  • a low pressure RGE line 10 has a stitching downstream of the first single piece of bread 7 near the outlet of the first piece of bread 7.
  • the nitrogen oxide probe 11 is also present in the exhaust line 1 by being interposed between the first bread 7 and the line EGR 10.
  • a low-pressure RGE line 10 has a stitch downstream of the second bun 9 near the outlet of the second bun 9.
  • the nitrogen oxide probe 11 is also present in the exhaust line 1. being interposed between the second bread 9 and the EGR line 10.
  • a low-pressure RGE line 10 has a tapping between the first and second loaves 9 in the spacing 4. This can advantageously be done upstream or downstream of the cooling device 6.
  • a tapping upstream of the device 6 is shown in FIG. 5.
  • the nitrogen oxide probe 11 is also present in the exhaust line 1 while being placed downstream of the second bread 9.
  • an arrow in the EGR line 10 indicates the route of the recirculated gases towards the intake of the engine.
  • an arrow in line 1 Exhaust indicates the exhaust path in line 1. This is also valid for Figures 2, 3 and 4.
  • the first bread 7 has, after the injector 5, a mixing box 12 of ammonia precursor reducing agent with the exhaust gas, advantageously AdBlue®.
  • This precursor agent can be decomposed into an agent capable of ensuring the selective catalytic reduction, that is to say of NH 3, and mixing with the exhaust gases in the mixing box 12.
  • a passive or active NO x trap it is possible to use a nitrogen oxide trap system without additive of the LNT type ("Lean NO x Trap" in English language).
  • LNT Low NO x Trap
  • Such a trap system removes NO x via a short passage in one or more richness in the engine output gases. Surplus hydrocarbons react with stored NO x and neutralize it by turning it into nitrogen gas. This system is said to be active because there is a modification to the engine control.
  • a passive nitrogen oxide trap can also be used as a passive nitrogen oxide absorber, a trap which is also known as PNA ("Passive NO x Adsorber"). in the Anglo-Saxon language). This system is said to be passive because there is no passage in wealth one or higher for its purification in NO x .
  • PNA Passive NO x Adsorber
  • An active nitrogen oxide trap allows retention of NO x under unfavorable decontamination engine operating conditions, this active nitrogen oxide trap being able to release and / or destroy entrapped NO x under other conditions. favorable to their destruction.
  • Such an NO x trap as qu'adsorbeur NO x can be used in combination with an SCR system. This makes it possible to increase the removal efficiency of the nitrogen oxides by adsorption of the nitrogen oxides at low temperature and desorption of the oxides once the catalyst of the RCS system is active.
  • the RCS system is frequently placed downstream of the NO x trap, whether active or passive.
  • the present invention also relates to an assembly of such an exhaust line 1 and its pollution control control, the exhaust line 1 being as previously described.
  • the control command comprises elements for estimating or measuring the temperature in the spacing 4 between the two RCS systems 2, 3 and means for calculating a temperature rise rate.
  • the control control comprises means for comparing a calculated rate of elevation with a predetermined temperature rise rate stored by control-command storage means. Finally, according to the calculated elevation speed, the control control comprises means for activating and deactivating the cooling device 6. Alternatively, the control control comprises means for storing a first and a second maximum temperature value with means for comparing the measured or estimated temperature with the two stored maximum temperature values and means of activation and deactivating the cooling device 6.
  • the deactivation means are operational under the conditions indicated above, namely a second RCS 3 system that has not reached its optimum operating temperature, an inversion of the rate of rise in temperature leading to a decrease in temperature, or alternatively, a measured or estimated temperature that is less than a predetermined maximum temperature and recognized as involving the formation of a surplus of uneaten NH 3 for reducing NO x and forming an NH 3 leakage.
  • the method and the exhaust line according to the present invention make it possible to reduce the toxic emissions of NH 3 in the environment. There is less oxidation of NH 3 , from about 400 ° C, and less formation of this NO, from 500 ° C, if an NH 3 oxidation catalyst is present.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur sous forme d'ammoniac dans une ligne (1) d'échappement comprenant des premier et deuxième systèmes de réduction (2, 3) catalytique sélective, le deuxième système (3) étant disposé en aval du premier système (2) en étant éloigné par un espacement (4), un surplus d'ammoniac non utilisé passant par la ligne (1) d'échappement, la température dans la ligne (1) d'échappement au niveau du deuxième système (3) étant mesurée ou estimée. Quand la température au niveau du deuxième système (3) dépasse une première valeur maximale, ou quand une vitesse d'élévation de température calculée est supérieure à une vitesse d'élévation prédéterminée, sous condition que la température au niveau du deuxième système (3) soit supérieure à une deuxième valeur maximale inférieure à la première valeur maximale, il est effectué un refroidissement forcé dans l'espacement (4) entre les premier et deuxième systèmes (2, 3).

Description

Procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile
La présente invention concerne un procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur dans une ligne d'échappement de gaz issus de la combustion d'un moteur thermique de véhicule automobile. La présente invention concerne aussi une ligne d'échappement en sortie d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile pour la mise en œuvre d'un tel procédé.
Dans le cadre de l'invention, la ligne d'échappement en sortie d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comprend plusieurs éléments de dépollution sélective d'un polluant, dont des premier et deuxième systèmes de réduction catalytique sélective. Le deuxième système est disposé en aval du premier système dans la ligne d'échappement en étant séparé d'un espacement par rapport au premier système. Le premier système de réduction présente un injecteur en amont d'un catalyseur de réduction qui injecte un agent réducteur précurseur de l'ammoniac dans la ligne d'échappement pour la réduction d'oxydes d'azote. Ceci peut aussi être le cas pour le deuxième système de réduction.
Un tel système de Réduction Catalytique Sélective et dénommé sous l'acronyme RCS est aussi connu sous l'acronyme anglo-saxon de SCR. Un système RCS fonctionne par injection dans la ligne d'échappement d'un agent de dépollution dit réducteur RCS, cet agent étant avantageusement mais non limitativement de l'urée ou un dérivé de l'urée, précurseur de l'ammoniac qui est utilisé pour réduire les oxydes d'azote
Dans ce qui va suivre, il sera fait également référence à la dénomination complète ou à l'abréviation RCS pour désigner tout ce qui est lié à la réduction catalytique sélective. Il en ira de même pour les oxydes d'azote pouvant être désignés par NOx et pour l'ammoniac pouvant être désigné par NH3.
Un tel système RCS peut être intégré dans un filtre à particules, ceci en alternative à un système RCS indépendant ou en complément d'un tel système. Le filtre à particules est alors imprégné d'un catalyseur pour effectuer une réduction catalytique sélective des NOx. Quand il y a deux systèmes RCS dans la ligne, cela vaut aussi bien pour le premier système RCS que pour le deuxième système.
Comme précédemment indiqué, l'agent réducteur précurseur de l'ammoniac, à base d'urée, dont le plus utilisé est connu sous la dénomination d'AdBlue® réagit sous une température élevée pour devenir de l'ammoniac ou NH3, le NH3 réagissant avec les oxydes d'azote ou NOx, principalement sous la forme d'un mélange de monoxyde d'azote ou NO et de dioxyde d'azote ou N02 avec un rapport variant notamment selon les conditions de fonctionnement du moteur et de la température dans la ligne d'échappement. Le traitement de dépollution d'un autre polluant ou l'entretien d'un autre élément de dépollution, par exemple une régénération d'un filtre à particules, peuvent aussi interagir sur le rapport NO/N02.
La décomposition de l'urée en NH3 suit l'équation suivante :
CO(NH2)2 + H20→ 2 NH3 + C02
Ceci est valable pour des mélanges à base d'urée en tant qu'agent réducteur précurseur de l'ammoniac.
Pour la réduction des NOx, le NH3 réagit à son tour avec les oxydes d'azote pour former, par une réaction de réduction, du diazote et de l'eau. Par exemple, avec le monoxyde d'azote, la réaction s'écrit :
4 NO + 4 NH3 + 02→ 4 N2 + 6 H20
Une autre réaction avec le monoxyde d'azote et le dioxyde d'azote s'écrit :
2 NO + 4 NH3 + 2N02→ 4 N2 + 6 H20
D'autres réactions chimiques entre les NOx et NH3 sont aussi possibles.
Pour une ligne d'échappement comprenant des premier et deuxième systèmes de réduction catalytique sélective disposés l'un après l'autre, l'ammoniac non utilisé par le premier système RCS pour la réduction des NOx peut parvenir au deuxième système RCS. Ceci peut notamment se produire lors d'une augmentation de température dans la ligne d'échappement, pour laquelle de l'ammoniac est désorbé. Une telle augmentation de température dans la ligne d'échappement peut se produire lors d'accélérations prononcées du véhicule ou lors de stabilisés à haut régime moteur.
Il est possible que la libération d'ammoniac soit plus importante que nécessaire pour permettre la réduction des NOx par le deuxième système RCS. Dans ce cas, il reste un surplus dit fuite de NH3 qui est évacué dans l'environnement en quittant la ligne d'échappement, lorsque l'augmentation de température affecte le deuxième système. Une émission de NH3 étant une émission toxique, il convient de neutraliser ou d'empêcher la création d'une telle fuite de NH3.
Pour ce faire, il a ainsi été proposé une solution dite active qui prévoit le contrôle du stockage de NH3 à des niveaux suffisamment faibles en fonction de la température.
Cette solution active du contrôle du stockage de NH3 repose sur un compromis entre la dépollution des NOx et la réduction de la fuite de NH3 impliquant une augmentation de l'émission de NOx, une dépollution optimale en NOx n'étant alors plus assurée. De plus, cette solution est très complexe et difficilement robuste en terme de commande, notamment quand elle est pilotée par un contrôle moteur.
Il y aura donc une augmentation de l'émission de NOx lors des accélérations du véhicule quand le contrôle du stockage de NH3 est trop sévère ou la consigne de stockage de NH3 est trop faible. Inversement, il pourrait y avoir toujours une fuite de NH3, c'est-à-dire du NH3 non utilisé pour la réduction, si le contrôle du stockage de NH3 n'est pas assez rapide ou la consigne de NH3 est trop élevée, par rapport à l'augmentation de température, et la durée nécessaire pour consommer le NH3 dans le catalyseur RCS du deuxième système.
On connaît le document US 201 1/023463A1 qui se rapporte à des procédés et systèmes pour commander un système d'un véhicule ayant une première région RCS en amont d'une deuxième région RCS de commande d'émission. Dans un exemple, quand la température dans la ligne au niveau de la deuxième région RCS dépasse une valeur maximale donnée de température, il est effectué un refroidissement forcé de la deuxième région RCS qui peut être couplée à un dispositif de refroidissement pour maintenir une température plus basse que la première région RCS.
Il a aussi été proposé des solutions dites passives. Une solution passive prévoit une augmentation du volume des catalyseurs RCS. Une autre solution passive prévoit d'utiliser un catalyseur de nettoyage des rejets d'ammoniac, aussi dénommé « Clean Up Catalyst » ou « Ammonia Slip Catalyst » en langue anglo-saxonne, pour éliminer le surplus de NH3 non utilisé pour la réduction catalytique sélective des deux systèmes RCS consécutifs dans la ligne d'échappement. Le catalyseur de nettoyage des rejets d'ammoniac se trouve en aval des deux systèmes RCS dans la ligne d'échappement, avantageusement dans la portion d'extrémité aval de la ligne d'échappement.
Ces solutions présentent le désavantage d'augmenter le coût et l'encombrement du système par l'augmentation du volume du catalyseur RCS pour la première solution passive et par l'implantation d'un catalyseur additionnel pour la deuxième solution.
Le document US-A-201 1 /01 1060 décrit une ligne d'échappement présentant un système RCS et un piège à oxydes d'azote actif. Lors des régénérations du piège à oxydes d'azote, ce qui se fait à intervalles de temps réguliers pour vider le piège des NOx qu'il a adsorbés, le vidage se faisant dans des conditions de richesse supérieure donc avec un surplus d'hydrocarbures, le piège relâche de l'ammoniac. Cet ammoniac est capturé par le système RCS puis utilisé plus tard pour la réduction catalytique des NOx. Il est proposé dans ce document de créer un effet Venturi entre le piège à NOx et le système RCS, ce qui amène suffisamment d'air pour garder le système RCS en richesse pauvre ou inférieure à un.
Un tel maintien en richesse inférieure à un permet de protéger l'empoisonnement du catalyseur RCS par des hydrocarbures lors des régénérations et réduit les pertes en NH3 par oxydation. Un tel document n'aborde cependant pas la problématique de l'association de deux systèmes RCS placés l'un après l'autre dans la ligne d'échappement et ne donne aucune indication quant à une réduction de la fuite de NH3 n'ayant pas été utilisée pour la réduction des NOx et donc perdue.
Le problème à la base de la présente invention est, pour une ligne d'échappement de véhicule automobile équipée de deux systèmes de réduction catalytique sélective pour la réduction des oxydes d'azote, d'optimiser la consommation d'agent réducteur afin de réduire le surplus d'ammoniac de la ligne d'échappement qui n'a pas été utilisé pour la réduction.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur sous forme d'ammoniac dans une ligne d'échappement de gaz issus de la combustion dans un moteur thermique de véhicule automobile, la ligne d'échappement comprenant des premier et deuxième systèmes de réduction catalytique sélective, le deuxième système de réduction étant disposé en aval du premier système de réduction dans la ligne d'échappement en étant séparé d'un espacement par rapport au premier système de réduction, le premier système de réduction injectant un agent précurseur de l'ammoniac dans la ligne d'échappement pour la réduction d'oxydes d'azote, un surplus d'ammoniac non utilisé passant par la ligne d'échappement du premier au deuxième système de réduction, caractérisé en ce que la température dans la ligne d'échappement au niveau du deuxième système de réduction est mesurée ou estimée dans des intervalles de temps prédéterminés, et quand une vitesse d'élévation de température calculée à partir des mesures ou des estimations de température est supérieure à une vitesse d'élévation de température prédéterminée, sous condition que la température dans la ligne au niveau du deuxième système de réduction soit supérieure à une deuxième valeur maximale de température inférieure à une première valeur maximale de température, il est effectué un refroidissement forcé dans l'espacement entre les premier et deuxième systèmes de réduction.
La solution consiste à faire baisser la température, ceci le plus rapidement possible puis à la contrôler pour que la quantité de NH3 soit juste suffisante pour la réduction des NOx dans les gaz d'échappement. Ceci est fait en introduisant un refroidissement rapide entre les deux systèmes RCS espacés l'un de l'autre. En effet, comme il sera vu par la suite, il est possible de suspendre le refroidissement dans certaines conditions, par exemple quand la température baisse significativement ou quand la température n'est pas très élevée.
Ce dispositif de refroidissement peut être activé lorsque la température dans la ligne d'échappement monte fortement lors des accélérations et sur les stabilisés à température élevée. Ainsi le refroidissement peut s'effectuer sur une plus longue période que sur une accélération. Le refroidissement peut se faire dès qu'une valeur de température maximale prédéterminée ou première valeur a été atteinte ou sera vraisemblablement atteinte. Dans ce dernier cas, il est tenu compte de la vitesse d'élévation de température ceci dès que la température a atteint une valeur de température ou deuxième valeur inférieure à la valeur de température maximale prédéterminée. Un contrôle du procédé selon l'obtention d'une vitesse d'élévation relativement élevée permet d'anticiper l'atteinte de la première valeur dans un intervalle de temps réduit.
La mise en œuvre d'un tel procédé permet une réduction de fuite de NH3 n'ayant pas été utilisé pour la réduction. L'efficacité du deuxième système RCS est optimisée par la mise en œuvre du procédé par le contrôle de la fuite de NH3. Une augmentation du stockage de NH3 dans le deuxième système RCS est ainsi possible, d'où une économie d'agent réducteur ainsi qu'une diminution de la pollution extérieure en NH3 engendrée, tout cela sans augmenter les émissions de NOx donc sans nuire à la dépollution des NOx. Les émissions de NOx peuvent même diminuer.
Comparé à l'état de la technique, il n'y a pas besoin d'augmenter le volume du catalyseur du deuxième système RCS. De plus, il n'est plus obligatoire d'utiliser un catalyseur de nettoyage de NH3 en sortie de la ligne d'échappement, donc en aval du deuxième système RCS.
Avantageusement, le refroidissement forcé est suspendu dans le cas où le second système n'a pas atteint une température prédéterminée de fonctionnement normal, cette température prédéterminée de fonctionnement normal étant inférieure à 180°C. Ceci permet le fonctionnement optimal du ceuxième système RCS, la priorité étant donnée à la montée en température de fonction du deuxième système RCS.
Avantageusement, le refroidissement forcé est programmé pour durer de 20 à 40 secondes en provoquant une baisse de température de 50 à 100°C dans l'espacement entre les deux systèmes de réduction. Ceci correspond à la durée d'une forte mais courte accélération du véhicule automobile.
Avantageusement, le refroidissement forcé est programmé pour durer de plusieurs minutes ou en continu, en provoquant une baisse de température de 50 à 100° C ou plus dans l'espacement entre les deux systèmes de réduction. Ceci correspond à une accélération soutenue ou à un stabilisé à haute température du véhicule automobile.
Le dépassement de la vitesse d'élévation de température prédéterminée correspond à l'obtention rapide d'une température élevée au niveau du deuxième système RCS significative d'une fuite de NH3 non utilisé pour la réduction des NOx si le deuxième système a déjà du NH3 stocké ou si un surplus du premier système est relâché et stocké dans le deuxième. Les intervalles de temps sont relativement étroits pour assurer une grande réactivité du refroidissement dans la ligne d'échappement au niveau du deuxième système RCS.
Il est souhaitable de désactiver le dispositif de refroidissement en fonction des conditions de roulage dans l'échappement. Il est de même souhaitable de contrôler le niveau de refroidissement en fonction des conditions de roulage.
Avantageusement, la première valeur maximale de température est de l'ordre de 340 °C et la deuxième valeur maximale de températire est de l'ordre de 310 °C.
Avantageusement, la vitesse d'élévation de température prédéterminée est d'environ de 0,2 °C par seconde et l'intervalle de temps entre deux mesures ou estimations est d'environ 0,5 à 1 seconde.
Dans un mode de réalisation optionnelle, lors d'un refroidissement forcé, quand la vitesse d'élévation devient inférieure à la vitesse d'élévation de température prédéterminée, si la mesure ou l'estimation de température dans la ligne au niveau du deuxième système indique une température supérieure à la deuxième valeur de température maximale, le refroidissement forcé continue et si cette mesure ou estimation indique une température inférieure à la deuxième valeur de température maximale, le refroidissement est suspendu.
Ainsi, si la température n'augmente plus mais reste à un niveau élevé représentatif par expérience d'un surplus de NH3 non consommé pour la réduction des NOx et formant une fuite de NH3, le refroidissement se poursuit, ce qui n'est pas le cas si la température est en dessous de la température maximale prédéterminée représentative de la formation d'un surplus de NH3. Dans ce dernier cas, le refroidissement peut être suspendu pour revenir aux conditions normales de consommation d'agent réducteur.
La présente invention concerne aussi une ligne d'échappement en sortie d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, la ligne comprenant plusieurs éléments de dépollution sélective d'un polluant, dont des premier et deuxième systèmes de réduction catalytique sélective, le deuxième système de réduction étant disposé en aval du premier système de réduction dans la ligne d'échappement en étant séparé d'un espacement par rapport au premier système de réduction, le premier système de réduction comportant un injecteur d'un agent précurseur de l'ammoniac dans la ligne d'échappement pour la réduction d'oxydes d'azote, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour mettre en œuvre un tel procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur sous forme d'ammoniac dans la ligne, l'espacement comprenant un dispositif de refroidissement forcé.
Avantageusement, le dispositif de refroidissement forcé est du type turbine de récupération de puissance, aussi connue sous l'appellation anglo-saxonne du « turbo compound » au moins partiellement logée dans la ligne d'échappement ou du type récupérateur d'énergie par cycle de Rankine ou équivalent technique. Le dispositif de refroidissement forcé peut récupérer de l'énergie qui peut être stockée, ce qui est un autre avantage préférentiel de la présente invention.
Avantageusement, le premier système de réduction catalytique est regroupé dans un premier pain de dépollution avec un filtre à particules et un catalyseur d'oxydation, le premier système de réduction étant intégré dans le filtre à particules, un injecteur d'agent réducteur précurseur de l'ammoniac traversant une paroi du premier pain et débouchant dans le premier pain en amont du premier système de réduction, le deuxième système de réduction étant intégré dans le premier pain après le premier système de réduction en laissant un espacement entre eux ou étant intégré dans un deuxième pain avec un espacement entre premier et deuxième pains, la ligne d'échappement comprenant un ou des éléments sélectionnés parmi au moins une ligne de recirculation des gaz d'échappement à l'admission d'air du moteur basse et/ou haute pression, un piège à oxydes d'azote passif ou actif, un capteur de température, une sonde à oxydes d'azote.
La présente invention concerne un ensemble d'une telle ligne d'échappement et de son contrôle commande en dépollution caractérisé en ce que la ligne d'échappement est telle que décrite précédemment, le contrôle commande comprenant des éléments d'estimation ou de mesure de la température dans l'espacement entre les deux systèmes, des moyens de calcul d'une vitesse d'élévation de température, des moyens de comparaison d'une vitesse d'élévation calculée avec une vitesse d'élévation de température prédéterminée mémorisée par des moyens de mémorisation du contrôle commande ou des moyens de mémorisation d'une première et d'une deuxième valeur de température maximale avec des moyens de comparaison de la température mesurée ou estimée avec les deux valeurs de température maximale mémorisées et des moyens d'activation et de désactivation du dispositif de refroidissement.
Il est ainsi effectué un contrôle étendu de la quantité de NH3 restant en surplus après réduction des NOx dans le deuxième système et formant une fuite de NH3, ce contrôle étant adapté au plus près du fonctionnement du moteur thermique du véhicule automobile, notamment par le suivi de la température dans la ligne d'échappement.
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une vue latérale d'une portion d'une ligne d'échappement comprenant des éléments de dépollution dont deux systèmes RCS consécutifs, la ligne d'échappement étant conforme à l'état de la technique,
- la figure 1 a montre des courbes de température, de concentrations respectives en NOx et NH3 à divers endroits de la ligne d'échappement illustrée à la figure 1 ,
- la figure 2 est une représentation schématique d'une vue latérale d'une portion d'une ligne d'échappement comprenant des éléments de dépollution dont deux systèmes RCS consécutifs et séparés dans deux pains de dépollution différents, la ligne d'échappement étant conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention en comportant un dispositif de refroidissement forcé intercalé entre les systèmes RCS,
- la figure 2a montre des courbes de température, de concentrations respectives en NOx et NH3 à divers endroits de la ligne d'échappement illustrée à la figure 2, la température de la ligne décroissant au niveau du deuxième système RCS du fait du dispositif de refroidissement forcé intercalé entre les deux systèmes RCS et la concentration de la fuite de NH3 en fin de ligne d'échappement après le deuxième système RCS étant très faible ou nulle,
- la figure 3 est une représentation schématique d'une vue latérale d'une portion d'une ligne d'échappement comprenant des éléments de dépollution dont deux systèmes RCS consécutifs et contenus en étant séparés dans un même pain de dépollution avec un dispositif de refroidissement forcé intercalé entre les systèmes RCS, une ligne RGE étant illustrée à cette figure après le pain de dépollution, la ligne d'échappement étant conforme à un deuxième mode de réalisation de la présente invention,
- les figures 4 et 5 reprennent la ligne d'échappement selon la figure 2 conforme au premier mode de réalisation de l'invention en lui ajoutant une ligne RGE à un emplacement respectif.
Aux figures 1 , 2, 3 à 5, il est représenté seulement une partie de ligne d'échappement portant les éléments de dépollution. Une ligne d'échappement complète peut contenir une turbine d'un turbocompresseur et/ou une ligne de recirculation des gaz d'échappement à l'admission du moteur haute pression, cette ligne de recirculation haute pression se piquant sur la ligne d'échappement en amont de la turbine. Ce sont de telles lignes de recirculation qui sont regroupées sous l'abréviation de ligne RGE, abréviation qui sera par la suite utilisée aussi bien que ligne de recirculation. La ligne d'échappement selon la présente invention est à prendre dans un sens large en tant que système d'échappement et non pas en tant que simple conduit d'échappement. La ligne d'échappement comprend donc des éléments qui sont extérieurs au conduit d'échappement comme une ligne de recirculation des gaz d'échappement à l'admission du moteur bien que lui étant relié en prélevant des gaz d'échappement directement dans ce conduit.
Les termes amont et aval sont à prendre par rapport au moteur auquel la ligne d'échappement est raccordée. L'entrée de la ligne d'échappement raccordée à la sortie du moteur est la portion la plus amont de la ligne et la sortie de la ligne d'échappement vers l'extérieur est la portion la plus aval de la ligne d'échappement.
La figure 1 représente une portion de ligne 1 ' d'échappement selon l'état de la technique. Cette ligne 1 ' d'échappement présente des caractéristiques qui sont communes avec une ligne 1 d'échappement selon la présente invention.
Une ligne 1 ', 1 d'échappement en sortie d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile aussi bien selon l'état de la technique montrée à la figure 1 que selon des modes de réalisation de la présente invention montrés en figures 2, 3 à 5 comprend plusieurs éléments de dépollution sélective d'un polluant.
Par exemple, aux figures 1 , 2, 3 à 5, il est montré un catalyseur d'oxydation 8, un filtre à particules et des premier et deuxième systèmes 2, 3 de réduction catalytique sélective ou systèmes RCS. Ceci n'est pas limitatif et seuls les premier et deuxième systèmes RCS 2, 3 sélective sont essentiels pour la présente invention.
Par exemple, le premier système 2 ou le deuxième système 3 peut être intégré dans un filtre à particules dans une ligne 1 d'échappement conforme à la présente invention. La ligne 1 d'échappement peut optionnellement comporter un ou plusieurs pièges à NOx associés ou non avec un catalyseur d'oxydation 8 et/ou un catalyseur des rejets d'ammoniac pouvant par exemple être intégré au deuxième système RCS, bien que la présente invention permette de s'en passer au moins dans de nombreux cas de figure.
Le deuxième système RCS 3 est disposé en aval du premier système RCS 2 dans la ligne 1 ', 1 d'échappement en étant éloigné par un espacement 4 du premier système RCS 2.
De manière classique, le premier système RCS 2 injecte un agent précurseur de l'ammoniac dans la ligne 1 ', 1 d'échappement pour la réduction d'oxydes d'azote. Bien que cela ne soit pas montré aux figures que le deuxième système RCS 3 présente aussi un dispositif d'injection d'agent précurseur placé en amont du deuxième système RCS 3, une telle disposition entre cependant dans le cadre de la présente invention. Du NH3 non consommé par le premier système RCS 2 pour la réduction des NOx et désorbé peut être acheminé avec les gaz d'échappement vers le deuxième système RCS 3.
Comme il peut être vu à la figure 1 a, avec la ligne 1 ' d'échappement de l'état de la technique, quand la température augmente dans un premier pain 7 intégrant le premier système RCS 2, du NH3 est produit à partir de l'agent précurseur injecté à base d'urée. Une partie de la quantité de NH3 produite est utilisée pour la réduction des NOx, ce qui fait que la concentration des NOx reste sensiblement nulle.
Avec une augmentation de température entre les deux systèmes RCS 2, 3 si cette augmentation de température est suffisamment forte, du NH3 adsorbé dans le deuxième système RCS 3 est désorbé. Cependant, cette quantité de NH3 n'est pas utilisée pour la réduction des NOx et représente un surplus d'ammoniac ou fuite de NH3 qui est rejeté dans l'environnement, ce qui est à éviter, l'ammoniac étant un produit toxique.
A la figure 1 a, il est visible qu'au niveau de l'extrémité aval du deuxième système RCS 3 dans la ligne 1 ' d'échappement, il subsiste un surplus de NH3 non utilisé pour la réduction formant une fuite de NH3. Ce surplus de NH3 se traduit par un pic dans un intervalle de temps réduit, le surplus de NH3 non utilisé décroissant relativement rapidement car utilisé en traitement d'un surplus de NOx dans la ligne 1 ' d'échappement, conséquence de l'accélération ou du maintien dans un haut régime stabilisé.
A la figure 1 a, la référence T indique la température, NOx la concentration en oxydes d'azote et NH3 la concentration en ammoniac. Il y a une courbe de concentration de NH3 en amont du deuxième système RCS 3 et une courbe de concentration de NH3 en aval de ce deuxième système RCS 3. Ceci sera aussi valable pour la figure 2 montrant l'application du procédé d'optimisation selon la présente invention.
En se référant aux figures 2, 2a, 3 à 5, afin d'éviter principalement la formation d'un surplus ou fuite de NH3 en sortie de ligne 1 d'échappement, la présente invention concerne un procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur sous forme d'ammoniac dans une ligne 1 d'échappement telle que précédemment décrite avec deux systèmes RCS 2, 3 espacés l'un de l'autre dans la ligne 1 par un espacement 4.
Dans ce procédé, la température dans la ligne 1 d'échappement au niveau du deuxième système RCS 3 est mesurée ou estimée. A partir des mesures ou des estimations de température dans la ligne d'échappement 1 au niveau du deuxième système RCS 3 prises dans des intervalles de temps prédéterminés, il est calculé une vitesse d'élévation de la température. Quand cette vitesse d'élévation est supérieure à une vitesse d'élévation de température prédéterminée, il est effectué un refroidissement forcé dans l'espacement 4 entre premier et deuxième systèmes RCS 2, 3. En alternative, le refroidissement forcé peut aussi être effectué quand la température dans la ligne au niveau du deuxième système de réduction dépasse une première valeur maximale de température.
Dans le cadre de l'invention, il convient de surveiller la montée en température pour anticiper l'obtention d'une température élevée avec formation d'une quantité de NH3 trop élevée pour être juste suffisante pour assurer la réduction des NOx. Ceci est fait en surveillant la vitesse d'élévation de température au niveau du deuxième système RCS 3.
Tant que cette vitesse d'élévation continue, le procédé est activé. Comme un refroidissement même rapide n'a pas une action instantanée, il convient d'agir le plus tôt possible lors d'une élévation de la vitesse de montée de température quitte à interrompre la mise en œuvre du procédé si une température maximale n'est pas atteinte ou si la vitesse de montée de température décroît fortement.
La première valeur maximale de température est de l'ordre de 340°C et la deuxième valeur maximale de température est de l'ordre de 310°C. La température peut être mesurée à un endroit de la ligne 1 d'échappement autre qu'au niveau du deuxième système RCS 3 et extrapolée à ce niveau.
Le refroidissement forcé se fait sans addition d'un gaz ou d'un liquide dans la ligne 1 d'échappement, sans changer le débit dans la ligne ou la concentration d'oxygène ou d'hydrocarbures dans cette ligne 1 d'échappement. Ceci permet de ne pas perturber le débit de gaz dans la ligne 1 . De plus, une telle addition de gaz ou de liquide ne serait pas suffisante pour garantir un refroidissement efficace de la ligne au niveau du deuxième système RCS 3. Or un refroidissement forcé et prononcé est recherché dans le cadre de la présente invention.
La présente invention concerne aussi une ligne 1 d'échappement reprenant les caractéristiques précédemment mentionnées, essentiellement des premier et deuxième systèmes RCS 2, 3. Le deuxième système RCS 3 est disposé en aval du premier système RCS 2 dans la ligne 1 d'échappement et éloigné par un espacement 4 du premier système RCS 2. L'espacement 4 comprend un dispositif de refroidissement 6 forcé dans la ligne 1 d'échappement.
Aux figures 2, 3 à 5, le dispositif de refroidissement 6 est représenté symboliquement par un rectangle en dehors de la ligne 1 d'échappement. Il est à garder à l'esprit cependant que le dispositif de refroidissement 6 peut être au moins partiellement intégré dans la ligne 1 d'échappement.
Comme il est visible à la figure 2a, la température sans refroidissement et le surplus de NH3 aussi sans refroidissement respectivement à l'entrée et à la sortie du deuxième système RCS 3 sont montrés en pointillés respectivement avec les références T et NH3 tandis que la température refroidie Tr et le surplus ou fuite de NH3 après refroidissement NH3r sont montrés en traits pleins, le refroidissement étant effectué conformément à la présente selon l'invention.
Le refroidissement infléchit la montée en température donc la formation de NH3 selon la flèche verticale pointant vers le bas. Il s'ensuit une réduction de la quantité de NH3 formée qui n'est utilisée que pour la réduction des NOx. En conséquence, le surplus ou fuite de NH3 non utilisé pour la réduction et rejeté dans l'environnement à l'extérieur de la ligne 1 d'échappement est considérablement diminué voir nul par rapport à celui de l'état de la technique montré à la figure 1 a.
Dans un premier cas de figure, le refroidissement forcé peut être programmé pour durer de 20 à 40 secondes en provoquant une baisse de température de 50 à 100 °C dans l'espacement 4 entre les deux systèmes 2, 3 de réduction.
Dans un deuxième cas de figure, le refroidissement forcé peut être programmé pour durer plusieurs minutes ou être continu, en provoquant une baisse de température de 50 à 100 °C ou plus dans l'espacement entre les deux systèmes 2, 3 de réduction. Ceci correspond à une accélération soutenue ou un stabilisé à température élevée du véhicule automobile.
La vitesse d'élévation de température prédéterminée peut être d'environ de O,2°C par seconde et l'intervalle de temps entre deux mesures ou estimations peut être d'environ 0,5 à 1 seconde.
Lors d'un refroidissement forcé, quand la vitesse d'élévation devient inférieure à la vitesse d'élévation de température prédéterminée, si la mesure ou l'estimation de température dans la ligne au niveau du deuxième système 3 indique une température supérieure à la deuxième valeur de température maximale, le refroidissement forcé continue et si cette mesure ou estimation indique une température inférieure à la deuxième valeur de température maximale, le refroidissement est suspendu.
Ceci n'est pas incompatible avec un refroidissement forcé programmé pour durer de 20 à 40 secondes, étant donné que la température maximale est prédéterminée pour être représentative d'une accélération ou d'un stabilisé produisant un surplus ou fuite de NH3 non utilisé pour la réduction des NOx, une accélération pouvant atteindre une telle durée.
Plusieurs types de dispositifs de refroidissement 6 peuvent être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention. Par exemple mais non limitativement, le dispositif de refroidissement 6 forcé est du type turbine de récupération de puissance ou du type récupérateur d'énergie par cycle de Rankine ou équivalent technique au moins partiellement logé dans la ligne d'échappement 1 .
Dans une application préférentielle de l'invention, le dispositif de refroidissement 6 forcé peut récupérer de l'énergie qui peut être stockée. Par exemple, le dispositif de refroidissement 6 peut fabriquer de l'électricité et être connecté à une génératrice électrique qui stocke cette électricité comme source d'énergie d'appoint. Cela peut par exemple servir au rechargement de la ou des batteries du véhicule automobile.
En se référant plus particulièrement aux figures 2, 3 à 5, le premier système RCS 2 peut être regroupé dans un premier pain 7 de dépollution avec un filtre à particules et un catalyseur d'oxydation 8. Dans ce cas, le premier système RCS 2 peut être intégré dans le filtre à particules. Un injecteur 5 d'agent réducteur précurseur de l'ammoniac peut traverser une paroi du premier pain 7 et débouchant dans le premier pain 7 en amont du premier système RCS 2.
A la figure 3, le deuxième système RCS 3 peut être intégré dans le premier pain 7 après le premier système RCS 2 en laissant un espacement 4 entre eux. Aux figures 2, 4 et 5, le deuxième système RCS 3 peut être intégré dans un deuxième pain 9 avec un espacement 4 entre premier et deuxième pains 7, 9. C'est dans cet espacement 4 que le dispositif de refroidissement 6 est actif.
La ligne 1 d'échappement peut comprendre un ou des éléments sélectionnés parmi au moins une ligne RGE 10 basse et/ou haute pression, un piège à oxydes d'azote passif ou actif, un capteur de température, une sonde à oxydes d'azote 1 1 , une sonde à oxygène, un capteur de suies pour le filtre à particules, ceci n'étant pas exhaustif ni obligatoire. Il est aussi possible d'inclure un catalyseur de nettoyage de l'ammoniac en sortie de la ligne 1 d'échappement, bien que la ligne 1 d'échappement selon la présente invention permette, dans une large gamme de fonctionnement du moteur, de se passer d'un tel catalyseur.
A la figure 3, une ligne RGE 10 basse pression présente un piquage en aval du seul premier pain 7 à proximité de la sortie du premier pain 7. La sonde à oxydes d'azote 1 1 est aussi présente dans la ligne 1 d'échappement en étant intercalée entre le premier pain 7 et la ligne RGE 10.
A la figure 4, une ligne RGE 10 basse pression présente un piquage en aval du deuxième pain 9 à proximité de la sortie du deuxième pain 9. La sonde à oxydes d'azote 1 1 est aussi présente dans la ligne 1 d'échappement en étant intercalée entre le deuxième pain 9 et la ligne RGE 10.
A la figure 5, une ligne RGE 10 basse pression présente un piquage entre les premier et deuxième pains 9 dans l'espacement 4. Ceci peut se faire avantageusement en amont ou en aval du dispositif de refroidissement 6. Un piquage en amont du dispositif de refroidissement 6 est montré à la figure 5. La sonde à oxydes d'azote 1 1 est aussi présente dans la ligne 1 d'échappement en étant placée en aval du deuxième pain 9.
Aux figures 3 à 5, une flèche dans la ligne RGE 10 indique le parcours des gaz recirculés vers l'admission du moteur. A la figure 5, une flèche dans la ligne 1 d'échappement indique le parcours des gaz d'échappement dans la ligne 1 . Ceci est valable aussi pour les figures 2, 3 et 4.
Pour chaque figure 2, 3 à 5, le premier pain 7 présente après l'injecteur 5 une boîte de mélange 12 d'agent réducteur précurseur de l'ammoniac avec les gaz d'échappement, avantageusement de l'AdBlue®. Cet agent précurseur, peut se décomposer en un agent propre à assurer la réduction catalytique sélective, c'est-à-dire en NH3 et se mélanger aux gaz d'échappement dans la boîte de mélange 12.
En ce qui concerne un piège passif ou actif de NOx, il peut être utilisé un système de piège à oxydes d'azote sans additif du type LNT (« Lean NOx Trap » en langue anglo-saxonne). Un tel système de piège élimine les NOx via un bref passage en richesse un ou supérieure dans les gaz en sortie du moteur. Les hydrocarbures en surplus réagissent avec les NOx stockés et les neutralisent en les transformant en gaz azote. Ce système est dit actif parce qu'il y une modification au contrôle moteur.
Il peut aussi être utilisé un autre système sous forme d'un piège passif à oxydes d'azote en tant qu'absorbeur d'oxydes d'azote passif, piège qui est aussi connu sous la dénomination de PNA (« Passive NOx Adsorber » en langue anglo-saxonne). Ce système est dit passif parce qu'il n'y a pas de passage en richesse un ou supérieure pour son épuration en NOx.
Un piège actif à oxydes d'azote permet la rétention des NOx dans des conditions de fonctionnement du moteur non favorables de dépollution, ce piège actif à oxydes d'azote pouvant libérer et/ou détruire les NOx piégés dans d'autres conditions plus favorables à leur destruction.
Un tel piège à NOx en tant qu'adsorbeur de NOx peut être utilisé en association avec un système RCS. Ceci permet d'augmenter l'efficacité d'élimination des oxydes d'azote par adsorption des oxydes d'azote à température basse et désorption des oxydes une fois que le catalyseur du système RCS est actif. Le système RCS est fréquemment placé en aval du piège à NOx, qu'il soit actif ou passif.
La présente invention concerne aussi un ensemble d'une telle ligne 1 d'échappement et de son contrôle commande en dépollution, la ligne 1 d'échappement étant telle que précédemment décrite. Le contrôle commande comprend des éléments d'estimation ou de mesure de la température dans l'espacement 4 entre les deux systèmes RCS 2, 3 et des moyens de calcul d'une vitesse d'élévation de température.
Le contrôle commande comprend des moyens de comparaison d'une vitesse d'élévation calculée avec une vitesse d'élévation de température prédéterminée mémorisée par des moyens de mémorisation du contrôle commande. Enfin, selon la vitesse d'élévation calculée, le contrôle commande comprend des moyens d'activation et de désactivation du dispositif de refroidissement 6. En alternative, le contrôle commande comprend des moyens de mémorisation d'une première et d'une deuxième valeur de température maximale avec des moyens de comparaison de la température mesurée ou estimée avec les deux valeurs de température maximale mémorisées et des moyens d'activation et de désactivation du dispositif de refroidissement 6.
Les moyens de désactivation sont opérationnels dans les conditions précédemment indiquées, à savoir un deuxième système RCS 3 n'ayant pas atteint sa température de fonction optimale, une inversion de la vitesse d'élévation de la température conduisant à une diminution de la température, ou, en alternative, une température mesurée ou estimée qui est inférieure à une température maximale prédéterminée et reconnue comme impliquant la formation d'un surplus de NH3 non consommé pour la réduction des NOx et formant une fuite de NH3.
Le procédé et la ligne d'échappement selon la présente invention permettent de réduire les émissions toxiques de NH3 dans l'environnement. Il y a moins d'oxydation de NH3, à partir d'environ 400 °C, et moins de formation ce NO, à partir de 500 °C, si un catalyseur d'oxydation de NH3 est présent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur sous forme d'ammoniac dans une ligne (1 ) d'échappement de gaz issus de la combustion d'un moteur thermique de véhicule automobile, la ligne (1 ) d'échappement comprenant des premier et deuxième systèmes de réduction (2, 3) catalytique sélective, le deuxième système de réduction (3) étant disposé en aval du premier système de réduction (2) dans la ligne (1 ) d'échappement en étant éloigné par un espacement (4) du premier système de réduction (2), le premier système de réduction (2) injectant un agent précurseur de l'ammoniac dans la ligne (1 ) d'échappement pour la réduction d'oxydes d'azote, un surplus d'ammoniac non utilisé passant par la ligne (1 ) d'échappement du premier (2) au deuxième système de réduction (3), caractérisé en ce que la température dans la ligne (1 ) d'échappement au niveau du deuxième système de réduction (3) est mesurée ou estimée au niveau du deuxième système de réduction (3) dans des intervalles de temps prédéterminés, et :
• quand une vitesse d'élévation de température calculée à partir des mesures ou des estimations de température est supérieure à une vitesse d'élévation de température prédéterminée, sous condition que la température dans la ligne (1 ) au niveau du deuxième système de réduction (3) soit supérieure à une deuxième valeur maximale de température inférieure à une première valeur maximale de température,
· il est effectué un refroidissement forcé dans l'espacement (4) entre les premier et deuxième systèmes de réduction (2, 3).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le refroidissement forcé est suspendu dans le cas où le second système n'a pas atteint une température prédéterminée de fonctionnement normal, cette température prédéterminée de fonctionnement normal étant inférieure à 180 °C.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le refroidissement forcé est programmé pour durer de 20 à 40 secondes en provoquant une baisse de température de 50 à 100°C dans l'espacement (4) ente les deux systèmes de réduction (2, 3).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première valeur maximale de température est de l'ordre de 340°C et la deuxième valeur maximale de température est de l'ordre de 310 °C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vitesse d'élévation de température prédéterminée est d'environ de 0,2 °C par seconde et l'intervalle de temps entre deux mesures ou estimations est d'environ 0,5 à 1 seconde.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors d'un refroidissement forcé, quand la vitesse d'élévation devient inférieure à la vitesse d'élévation de température prédéterminée, si la mesure ou l'estimation de température dans la ligne au niveau du deuxième système (3) indique une température supérieure à la deuxième valeur de température maximale, le refroidissement forcé continue et si cette mesure ou estimation indique une température inférieure à la deuxième valeur de température maximale, le refroidissement est suspendu.
7. Ligne (1 ) d'échappement en sortie d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, la ligne (1 ) comprenant plusieurs éléments de dépollution sélective d'un polluant, dont des premier et deuxième systèmes de réduction (2, 3) catalytique sélective, le deuxième système de réduction (3) étant disposé en aval du premier système de réduction (2) dans la ligne (1 ) d'échappement en étant éloigné par un espacement (4) du premier système de réduction (2), le premier système de réduction (2) comportant un injecteur (5) d'un agent précurseur de l'ammoniac dans la ligne (1 ) d'échappement pour la réduction d'oxydes d'azote, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour mettre en œuvre un procédé d'optimisation de la consommation d'agent réducteur sous forme d'ammoniac dans la ligne (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'espacement (4) comprenant un dispositif de refroidissement (6) forcé.
8. Ligne (1 ) d'échappement selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif de refroidissement (6) forcé est du type turbine de récupération de puissance ou du type récupérateur d'énergie par cycle de Rankine ou équivalent technique en étant au moins partiellement logé dans la ligne d'échappement (1 ).
9. Ligne (1 ) d'échappement selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle le premier système de réduction (2) est regroupé dans un premier pain (7) de dépollution avec un filtre à particules et un catalyseur d'oxydation (8), le premier système de réduction (2) étant intégré dans le filtre à particules, un injecteur (5) d'agent réducteur précurseur de l'ammoniac traversant une paroi du premier pain (7) et débouchant dans le premier pain (7) en amont du premier système de réduction (2), le deuxième système de réduction (3) étant intégré dans le premier pain (7) après le premier système de réduction (2) en laissant un espacement (4) entre eux ou étant intégré dans un deuxième pain (9) avec un espacement (4) entre les premier et deuxième pains (7, 9), la ligne (1 ) d'échappement comprenant un ou des éléments sélectionnés parmi au moins une ligne de régénération (10) des gaz d'échappement à l'admission d'air du moteur basse et/ou haute pression, un piège à oxydes d'azote passif ou actif, un capteur de température, une sonde à oxydes d'azote (1 1 ).
10. Ensemble d'une telle ligne (1 ) d'échappement et de son contrôle commande en dépollution, caractérisé en ce que la ligne (1 ) d'échappement est selon l'une quelconque des trois revendications précédentes, le contrôle commande comprenant des éléments d'estimation ou de mesure de la température dans l'espacement (4) entre les deux systèmes de réduction (2, 3), des moyens de calcul d'une vitesse d'élévation de température, des moyens de comparaison d'une vitesse d'élévation calculée avec une vitesse d'élévation de température prédéterminée mémorisée par des moyens de mémorisation du contrôle commande ou des moyens de mémorisation d'une première et d'une deuxième valeur de température maximale avec des moyens de comparaison de la température mesurée ou estimée avec les deux valeurs de température maximale mémorisées et des moyens d'activation et de désactivation du dispositif de refroidissement (6).
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