Réduction catalytique sélective
Réduction catalytique sélective
Afin de se conformer aux directives strictes de l'EPA, le nouveau système de réduction catalytique sélective (SCR) est installé dans les nouveaux véhicules diesel de BMW. Le moteur M57D30T2 est conforme aux exigences EPA Tier 2, Bin 5. Cela permet aux nouveaux véhicules diesel d'être vendus dans les 50 États.
Le système SCR est un développement récent dans l'industrie automobile, mais cette technologie est utilisée depuis de nombreuses années par les centrales électriques au charbon.
Le terme "sélectif" indique que l'agent réducteur préfère s'oxyder sélectivement avec l'oxygène contenu dans les oxydes d'azote au lieu de l'oxygène présent dans les gaz d'échappement.
L'agent réducteur est injecté dans le système d'échappement où il est converti en ammoniac et en dioxyde de carbone. L'ammoniac résultant est utilisé dans un catalyseur spécial dans le courant d'échappement.
La réaction qui en résulte convertit les oxydes d'azote indésirables en azote et en eau inoffensifs.
L'agent réducteur préféré dans un système SCR est l'ammoniac (NH3). Cependant, l'ammoniac en lui-même est toxique et ne serait pas pratique ou sûr à transporter dans le véhicule. Ainsi, une alternative serait une substance "porteuse" plus sûre qui, dans ce cas, est un composé urée / eau. L'urée, (NH2) 2CO, est couramment utilisée comme engrais et est biologiquement compatible avec les eaux souterraines et chimiquement stable pour l'environnement. Ceci permet à l'urée d'être utilisée comme agent réducteur dans le système SCR. L'ammoniac est ensuite extrait de l'urée lors d'une réaction chimique «embarquée» qui a lieu une fois l'urée injectée dans le système d'échappement.
Le nom officiel de l'agent réducteur est Diesel Exhaust Fluid ou DEF. C'est le nom qui sera utilisé dans le manuel du propriétaire et dans ce matériel de formation.
Voir note ci-dessous:
Note importante sur DEF
Dans ce matériel de formation, plusieurs termes sont utilisés p pour DEF. Certains de ces termes comprennent un réducteur, un agent réducteur ou une solution urée / eau.
Le nom technique utilisé dans l'industrie est AUS32, qui est une solution urée / eau dont l'urée représente 32,5% du mélange.
Un autre terme utilisé est AdBlue, qui est la marque déposée pour AUS32. Cependant, il existe d'autres producteurs de AUS32. AdBlue est juste l'un d'entre eux.
La marque AdBlue est actuellement détenue par l'Association allemande de l'industrie automobile (VDA), qui garantit le respect des normes de qualité conformément aux spécifications DIN 70070.
Système d'échappement
Les systèmes d'échappement pour E90 et E70 ont été adaptés pour le marché américain. Il existe des dispositions spéciales pour le système SCR ainsi que pour la surveillance OBD spécifique aux États-Unis du DOC.
Chaque système est unique au véhicule avec différentes caractéristiques de silencieux et d'échappement.
Aperçu SCR - Simplifié
La réduction catalytique sélective est un système de réduction des oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d'échappement. A cet effet, un agent réducteur (solution d'urée / eau) est injecté dans les gaz d'échappement en aval du filtre à particules diesel.
La réaction de réduction d'oxyde d'azote a ensuite lieu dans le convertisseur catalytique SCR. La solution d'urée-eau est transportée dans deux réservoirs dans le véhicule. La quantité est mesurée de manière à être suffisante pour un intervalle de vidange d'huile.
Le graphique suivant montre une représentation simplifiée du système:
La raison de l'utilisation de deux réservoirs est que la solution d'urée-eau gèle à une température de -11 ° C (12,2 ° F). Pour cette raison, le plus petit réservoir "actif" est chauffé mais le plus grand réservoir passif ne l'est pas. De cette manière, le volume total de la solution d'urée-eau n'a pas besoin d'être chauffé, économisant ainsi de l'énergie. La quantité dans le réservoir actif est cependant suffisante pour couvrir de grandes distances.
Le petit réservoir chauffé est appelé réservoir actif. Une pompe transporte la solution d'urée-eau de ce réservoir vers le module de dosage. Cette ligne est également chauffée.
Le plus grand réservoir non chauffé est le réservoir passif. Une pompe de transfert transporte régulièrement la solution d'urée-eau du réservoir passif vers le réservoir actif.
Composants du système SCR
Emplacement du composant - E70
Sur le E70, le réservoir actif, y compris l'unité de livraison, est situé sur le côté droit directement derrière le panneau de pare-chocs avant. Le réservoir passif est situé à gauche dans le soubassement, à peu près sous le siège du conducteur. L'unité de transfert est installée à droite dans le soubassement. Les deux charges sont situées dans le compartiment moteur.
Emplacement du composant - E90
Sur le E90, le réservoir actif ainsi que le réservoir passif sont situés sous le plancher du coffre à bagages, le réservoir actif étant le plus bas des deux.
Les charges sont situées sur le côté gauche derrière la roue arrière, où elles sont accessibles par une ouverture dans le panneau de pare-chocs. Les charges sont disposées de la même manière que les réservoirs, c'est-à-dire que la charge la plus basse est celle du réservoir actif. L'unité de transfert et le filtre sont situés derrière l'obturateur.
Réservoir passif
Le réservoir passif est le plus grand des deux réservoirs d'alimentation. Le nom de réservoir passif fait référence au fait qu'il n'est pas chauffé. Les composants suivants constituent le réservoir passif:
• Capteurs de niveau (2x)
• Ventilation de fonctionnement (2x sur E90)
• Orifice de remplissage.
Le réservoir passif sur l'E70 est entouré d'isolant car il est positionné près de l'avant du système d'échappement où le transfert de chaleur vers la solution d'urée-eau serait très élevé.
Capteurs de niveau
Il y a deux capteurs de niveau dans le réservoir passif. L'un fournit le signal "Full" et l'autre le signal "Empty".
Les capteurs utilisent la conductivité de la solution urée-eau. Lorsque ces contacts sont mouillés avec une solution d'eau et d'urée, le circuit est fermé et le courant peut circuler, permettant ainsi un signal de capteur.
Les deux capteurs de niveau envoient leur signal à un évaluateur. Cet évaluateur filtre les signaux et reconnaît, par exemple, le ballottement de la solution d'urée-eau et transmet un signal de niveau correspondant à l'électronique diesel numérique.
Le capteur de niveau "Full" est situé en haut du réservoir passif. Les deux contacts sont mouillés lorsque le réservoir passif est complètement rempli et que le capteur envoie le signal "Full".
Le capteur de niveau "Vide" est situé à l'extrémité inférieure du réservoir passif. Le réservoir est considéré comme "non vide" tant que le capteur est recouvert d'une solution d'urée-eau. L'évaluateur détecte que le réservoir passif est vide quand aucun signal de capteur n'est reçu.
Ventilation
Le réservoir passif est équipé d'un évent de fonctionnement (2 dans le E90) et d'un évent de remplissage. L'évent de fonctionnement est dirigé dans l'atmosphère. Une pastille de filtre dite frittée garantit qu'aucune impureté ne peut pénétrer dans le réservoir par l'évent de fonctionnement. Ce comprimé fritté est constitué d'un matériau poreux et sert de filtre permettant le passage de particules jusqu'à une certaine taille.
L'évent de remplissage est dirigé dans le tuyau de remplissage et, par conséquent, aucun filtre n'est requis.
Unité de transfert
L'unité de transfert pompe la solution d'urée-eau du réservoir passif vers le réservoir actif. Il y a un filtre d'écran dans l'orifice d'entrée de la pompe.
Cette pompe est conçue comme une pompe à diaphragme. Il fonctionne de la même manière qu'une pompe à piston mais l'élément de pompe est séparé du fluide par un diaphragme. Cela signifie qu'il n'y a pas de problèmes concernant la corrosion.
Réservoir actif
Le réservoir actif est le plus petit des deux réservoirs et son nom fait référence au fait qu'il est chauffé. Compte tenu de son faible volume, peu d'énergie est nécessaire pour chauffer la solution d'urée-eau
Unité de fonction
L'unité dite fonctionnelle est située dans le réservoir actif. Il a l'apparence extérieure d'une chambre de surtension et accueille un chauffage, un filtre et un capteur de niveau. L'unité de livraison est attachée à elle.
Contrairement à une chambre de surtension dans le réservoir de carburant, la section inférieure de l'unité de fonction a des fentes. Cette chambre crée un plus petit volume dans le réservoir qui se mélange à peine avec la solution d'urée-eau à l'extérieur de la chambre.
Il y a un élément chauffant PTC (coefficient de température positif) dans la base de la chambre qui peut chauffer ce plus petit volume à un rythme relativement rapide. La ligne d'admission est également chauffée. De cette manière, la solution liquide d'urée-eau peut être rendue disponible pour le fonctionnement du véhicule même aux températures les plus basses.
L'élément chauffant dans la chambre est connecté à l'élément chauffant pour que la ligne d'admission forme un circuit de chauffage. Un semi-conducteur de puissance fournit le courant pour ce circuit de chauffage. Le semi-conducteur de puissance est contrôlé par le DDE. Le DDE peut déterminer le courant qui circule à travers les éléments chauffants et peut donc surveiller leur fonctionnement.
Le capteur de température fournit le signal pour le système de contrôle de chauffage. Il est conçu comme un capteur NTC (coefficient de température négatif). Le capteur de température est intégré à l'extrémité inférieure du capteur de niveau.
Capteur de niveau
Le capteur de niveau de l'unité fonctionnelle fournit la valeur de niveau pour l'ensemble du réservoir actif. Le capteur de niveau dans le réservoir actif fonctionne selon le même principe que les capteurs de niveau du réservoir passif. Dans ce cas, cependant, il n'y a qu'un capteur avec plusieurs contacts qui s'étendent à différents niveaux dans le réservoir actif.
Le capteur utilise la conductivité de la solution d'urée-eau. Un total de quatre contacts projet dans le réservoir. Lorsque ces contacts sont mouillés avec une solution d'eau et d'urée, le circuit est fermé et le courant peut circuler, permettant ainsi un signal de capteur. Trois contacts sont chargés de signaler les différents niveaux. Le quatrième contact est la référence, c'est-à-dire le contact par lequel le circuit électrique est fermé. Ce contact de référence ne peut pas être vu sur la figure car il est situé directement derrière le contact "Vide" (3). Le capteur de niveau envoie son signal à un évaluateur. Cet évaluateur filtre le signal et reconnaît, par exemple, le ballottement de la solution d'urée-eau et transfère un signal de niveau correspondant à l'électronique diesel numérique.
Unité de livraison
L'unité de distribution est située sur le réservoir actif à l'extrémité supérieure de l'unité de fonction. Entre autres choses, l'unité de distribution comprend la pompe qui transfère la solution d'urée-eau du réservoir actif au module de dosage. L'unité de distribution est également chauffée par un élément PTC.
L'élément chauffant dans l'unité de distribution est connecté à l'élément chauffant pour que la ligne de dosage forme un circuit de chauffage. Un semi-conducteur d'alimentation fournit le courant pour ce circuit de chauffage. Le semi-conducteur de puissance est contrôlé par le DDE. Le DDE peut déterminer le courant qui circule à travers les éléments chauffants et peut donc surveiller leur fonctionnement.
Pompe
La pompe est une partie commune avec la pompe dans l'unité de transfert. Pendant que le moteur tourne, il pompe la solution d'urée-eau du réservoir actif vers le module de mesure. Il dessine la ligne de dosage vide lorsque le moteur est éteint.
Capteur de pression
Le capteur de pression mesure la pression dans la conduite de refoulement vers le module de mesure. La valeur est transférée au DDE.
Vanne d'inversion
La vanne d'inversion permet d'inverser le sens de refoulement dans la conduite de dosage pour vider la ligne de dosage pendant que la pompe débite dans la même direction. Il est conçu comme une vanne à 4/2 voies qui permet l'échange de la ligne de dosage et de la conduite d'admission vers la pompe.
La vanne n'est pas actionnée par intervalles et n'a donc que deux positions. Comme la puissance est appliquée en permanence sur la vanne lorsqu'elle est actionnée, le temps d'actionnement maximal est limité afin d'éviter une surchauffe.
Module de mesure et mélangeur
Le module de dosage est chargé d'injecter la solution d'urée-eau dans le tuyau d'échappement. Il dispose d'une soupape similaire à l'injecteur de carburant dans un moteur à essence avec injection de tubulure d'admission.
Bien que le module de comptage ne possède pas de chauffage, il est encore chauffé par le système d'échappement à tel point qu'il nécessite même des ailettes de refroidissement.
Le module de mesure est actionné par un signal modulé en largeur d'impulsion (PWM) du DDE, de sorte que le facteur d'impulsions détermine la durée d'ouverture de la vanne.
Le module de dosage est équipé d'un insert conique (6) qui empêche le dessèchement de la solution d'urée-eau et le colmatage de la vanne. Sa forme crée un écoulement qui empêche la solution d'urée-eau de s'accumuler sur les parois du système d'échappement. Les dépôts d'urée sur l'insert sont brûlés car il est chauffé à des températures très élevées par le flux de gaz d'échappement.
Mixer
Le mélangeur monté dans le raccord à bride du tuyau d'échappement est situé directement derrière le module de dosage dans le système d'échappement. Il fait tourbillonner le flux de gaz d'échappement pour s'assurer que la solution d'urée-eau est bien mélangée avec les gaz d'échappement. Ceci est nécessaire pour assurer que l'urée se transforme complètement en ammoniac.
Capteurs de NOx
Le capteur d'oxyde d'azote se compose de la sonde de mesure actuelle et de l'unité de commande correspondante. L'unité de contrôle communique via le LoCAN avec l'unité de commande du moteur.
En termes de son principe de fonctionnement, l'oxyde d'azote peut être comparé à un capteur d'oxygène à large bande. Le principe de mesure repose sur l'idée de baser la mesure de l'oxyde d'azote sur la mesure de l'oxygène.
Le gaz d'échappement circule à travers le capteur de NOx. Ici, seuls les oxydes d'oxygène et d'azote sont intéressants. Dans la première chambre, l'oxygène est ionisé hors de ce mélange à l'aide de la première cellule de pompage et passé à travers l'électrolyte solide.
Un signal lambda peut être prélevé sur le courant de la pompe de la première chambre. De cette manière, les gaz d'échappement dans le capteur de NOx sont libérés de l'oxygène libre (non lié à l'azote).
L'oxyde d'azote restant traverse ensuite la seconde barrière pour atteindre la seconde chambre du capteur. Ici, l'oxyde de nitrogène est séparé par un élément catalytique en oxygène et en azote. L'oxygène libéré de cette manière est à nouveau ionisé et peut ensuite passer à travers l'électrolyte solide. Le courant de pompage qui se produit pendant ce processus permet de déduire la quantité d'oxygène et le niveau d'azote peut être déduit de cette quantité.
Le graphique suivant montre le principe de fonctionnement de ce système de mesure.
Fonctions du système SCR
La réduction catalytique sélective est actuellement le système le plus efficace pour réduire les oxydes d'azote (NOx). En cours de fonctionnement, il atteint un rendement de près de 100% et d'environ 90% sur toute la plage de fonctionnement du véhicule. La différence est attribuée au temps nécessaire au système jusqu'à ce qu'il soit complètement opérationnel après un démarrage à froid.
Ce système porte un agent réducteur, une solution d'urée-eau, dans le véhicule. La solution d'urée-eau est injectée dans le tuyau d'échappement par le module de dosage en amont du pot catalytique SCR. Le DDE calcule la quantité à injecter. La teneur en oxyde d'azote dans les gaz d'échappement est déterminée par le capteur de NOx avant le convertisseur catalytique SCR. Correspondant à cette valeur, la quantité exacte de la solution d'urée-eau nécessaire pour réduire complètement les oxydes d'azote est injectée. La solution d'urée-eau se transforme en ammoniac dans le tuyau d'échappement.
Dans le convertisseur catalytique SCR, l'ammoniac réagit avec les oxydes d'azote pour produire de l'azote (N2) et de l'eau (H2O).
Un autre capteur de NOx qui surveille cette fonction est situé en aval du convertisseur catalytique SCR.
Une sonde de température dans le tuyau d'échappement après le filtre à particules diesel (c'est-à-dire avant le catalyseur SCR) et le module de mesure influence également cette fonction. C'est parce que l'injection de la solution d'urée-eau commence seulement à une température minimale de 200 ° C (392 ° F).
Réaction chimique
La tâche du système SCR est de réduire considérablement les oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d'échappement. Les oxydes d'azote se présentent sous deux formes différentes:
• Monoxyde d'azote (NO)
• Dioxyde d'azote (NO2).
L'ammoniac (NH3) est utilisé dans le but de réduire les oxydes d'azote dans un convertisseur catalytique spécial. L'ammoniac est fourni sous la forme d'une solution d'urée-eau.
La solution d'urée-eau est injectée par le système de dosage dans le système d'échappement en aval du filtre à particules diesel. La quantité requise doit être dosée exactement de la même façon sinon des oxydes d'azote ou de l'ammoniac apparaîtraient à la fin. La description suivante des procédés chimiques explique pourquoi c'est le cas.
Conversion de la solution d'urée-eau
La distribution uniforme de la solution d'urée-eau dans les gaz d'échappement et la conversion en ammoniac ont lieu dans le tuyau d'échappement en amont du convertisseur catalytique SCR.
Initialement, l'urée ((NH2) 2CO) dissoute dans la solution d'urée-eau est libérée. La conversion de l'urée en ammoniac se fait en deux étapes.
Cela signifie que seule une partie de la solution d'urée-eau est convertie en ammoniac pendant la thermolyse. Le reste, qui est sous la forme d'acide isocyanique, est converti dans une seconde étape.
L'eau nécessaire à cet effet est également fournie par la solution d'urée-eau. Par conséquent, après l'hydrolyse, toute l'urée est convertie en ammoniac et en dioxyde de carbone.
On peut voir que chaque atome individuel a retrouvé sa place à la fin du processus, c'est-à-dire que les mêmes éléments sont à gauche comme à droite.
Cela ne se produit que lorsque le rapport de la solution urée-eau aux oxydes d'azote est correct. Des oxydes d'azote apparaîtraient si trop peu de solution d'urée-eau était injectée.
De la même manière, l'ammoniac émergerait si trop de solution d'urée-eau était injectée, entraînant une odeur désagréable et des dommages possibles pour l'environnement.
Contrôle SCR
La commande SCR est intégrée dans l'électronique numérique diesel (DDE).
Le contrôle SCR est divisé en le contrôle du système de mesure et la stratégie de mesure.
Stratégie de mesure
La stratégie de mesure fait partie intégrante du contrôle SCR qui calcule la quantité de solution d'urée-eau à injecter à quel moment.
En fonctionnement normal, le signal du capteur de NOx avant le convertisseur catalytique SCR est utilisé pour le calcul de la quantité. Ce capteur détermine la quantité d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement et envoie la valeur correspondante au DDE.
Cependant, le capteur de NOx doit atteindre sa température de fonctionnement avant de pouvoir commencer à mesurer. Selon la température, cela peut prendre jusqu'à 15 minutes. Jusque-là, le DDE utilise une valeur de remplacement pour déterminer la quantité d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement.
Un second capteur NOx est installé après le convertisseur catalytique SCR afin de surveiller le système. Il mesure s'il existe encore des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement. Si c'est le cas, la quantité injectée de la solution d'urée-eau est adaptée en conséquence.
Le capteur de NOx, cependant, mesure non seulement les oxydes d'azote mais aussi l'ammoniac mais ne peut pas les distinguer. Si l'on injecte trop de solution d'urée-eau, bien que les oxydes d'azote soient complètement réduits, il se produit un "glissement d'ammoniac", c'est-à-dire que l'ammoniac émerge du convertisseur catalytique SCR. Cela provoque à son tour une augmentation de la valeur mesurée par le capteur de NOx. Le but est donc de réaliser un minimum de la valeur du capteur.
Cependant, il s'agit d'une adaptation à long terme et non d'un processus de contrôle à court terme, car le convertisseur catalytique SCR remplit une fonction de stockage de l'ammoniac.
Contrôle du système de mesure
Le contrôle du système de comptage pourrait être considéré comme la partie exécutante. Il réalise les exigences définies par la stratégie de mesure. Cela comprend à la fois le dosage, c'est-à-dire l'injection, ainsi que l'apport de la solution d'urée-eau.
Les tâches du contrôle du système de comptage en fonctionnement normal sont listées ci-dessous:
Mesure de la solution d'urée-eau:
• Mise en œuvre de la quantité cible requise de solution d'urée-eau
• Rétroaction de la quantité réelle de solution d'urée-eau mise en œuvre.
Fournir une solution d'urée-eau:
• Préparation du processus de dosage (lignes de remplissage et pression accumulée) dans des conditions ambiantes correspondantes (température)
• Vidage des lignes pendant l'afterrunning
• Actionnement du chauffage.
De plus, la commande du système de mesure reconnaît les défauts, les conditions invraisemblables ou les situations critiques et initie les mesures correspondantes.
Mesure de la solution d'urée-eau
La stratégie de dosage détermine la quantité de solution d'urée-eau à injecter. Le contrôle du système de comptage exécute cette requête. Une partie de la fonction est l'actionnement de dosage qui détermine l'ouverture réelle de la vanne de dosage.
En fonction de la charge du moteur, la vanne de dosage injecte à une fréquence de 0,5 Hz à 3,3 Hz.
L'installation d'actionnement de comptage calcule les facteurs suivants afin d'injecter la quantité correcte:
• Le facteur de service de l'actionneur de la vanne de dosage pour déterminer la durée d'injection
• Temporisation d'actionnement pour compenser le temps de réaction de la vanne de dosage.
Le signal du capteur de pression dans la ligne de comptage est pris en compte pour assurer un calcul précis; la pression doit cependant rester constante à 5 bars.
La commande du système de comptage calcule &eacut