Brevet FR2725755A1 — publié le 19960419

" Dispositif de post-traitement de gaz d'échappement avec un système collecteur des gaz d'échappement o est dispo- sé un convertisseur catalytique " L'invention concerne un dispositif pour le post-traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combus- tion interne à allumage spontané, comprenant un système collecteur des gaz d'échappement dans lequel on dispose un convertisseur catalytique de réduction servant à réduire les constituants NOX des gaz d'échappement du moteur à com- bustion interne, un dispositif de dosage consistant en une vanne de dosage commandée de façon électrique et servant à introduire de façon dosée un agent de réduction dans le flux des gaz d'échappement amenés au convertisseur cataly- tique en fonction des valeurs mises en mémoire dans un champ caractéristique de la teneur en NOX des gaz d'échap- pement pour les paramètres de fonctionnement différents du moteur à combustion interne et du convertisseur catalyti- que, et une amenée d'air commandée par une vanne à partir d'une source d'air comprimé, amenée d'air grâce à laquelle on amène aux gaz d'échappement les quantités d'agent de ré- duction qui sortent du côté de la sortie de la vanne de do- sage commandée de façon électrique, en les divisant finement avec l'air. Etat de la technique. Les moteurs à combustion interne à allumage spontané ont tendance, à cause de l'excès important d'oxy- gène avec lequel on les fait fonctionner, à donner une émission élevée de NOX. Ceci se produit de façon amplifiée dans le cas des moteurs à combustion interne à allumage spontané qui fonctionnent avec une injection directe dans la chambre principale de combustion. Pour réduire ces émissions on dispose de la possibilité d'opérer après coup une réduction du NOX au moyen d'un convertisseur catalytique de réduction. Pour cela sont par exemple appropriés des systè- mes de conversion catalytique basés sur de la zéolite. Ces systèmes de conversion catalytique conviennent avant toute chose à des utilisations à des températures relativement basses telles que celles que l'on rencontre dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne à allumage spontané. Les températures de ces gaz d'échappement sont largement plus faibles que celles que l'on rencontre dans le cas des gaz d'échappement des moteurs à combustion in- terne à allumage par appareillage extérieur. Cette basse température des gaz d'échappement rend plus difficile le démarrage de la réaction dans un convertisseur catalytique de réduction. Pour activer le processus de réduction il a déjà été proposé par la publication de R. Schâfer et R. van Basshuysen, "Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von PKWVerbrennungsmotoren", page 115, Edition Springer, d'utiliser des moyens de réduction sous la forme d'urée en solution aqueuse, en amont d'un convertisseur catalytique de réduction du NOX dans les gaz d'échappement en employant une vanne commandée électriquement, selon un dispositif du type décrit au début. L'admission de l'urée délivrée par la vanne de dosage commandée de façon électrique a lieu avec de l'air comprimé qui est utilisé en même temps pour mettre le ré- servoir d'urée fermé sous une pression de refoulement per- mettant d'obtenir sur la vanne à commande électrique une chute de pression constante nécessaire au dosage. Cette chute de pression doit en outre assurer la préparation fi- nement divisée de l'urée de telle sorte qu'au plus tard dans le convertisseur catalytique le gaz NH3, qui est né- cessaire dans les gaz d'échappement pour la réduction sou- haitée des composants du NOX, se dégage grâce à la désagrégation de la liaison urique en liaison avec l'action de la chaleur. Ce dispositif est exposé à des températures élevées des gaz d'échappement et on court le risque que la vanne de dosage commandée de façon électrique reste collée. En particulier en cas d'actionnement intermittent avec le pourtour d'air de l'orifice de sortie de la vanne de dosage commandée électriquement, qui est prévu dans l'état de la technique, on n'a pas encore l'assurance que la division fine requise de l'urée, que l'on a dosée, se produise avec la quantité voulue. En particulier, avec la longue conduite de liaison entre le point de dosage et le point d'entrée de l'urée dosée, qui est prévue dans le cas de l'état de la technique, on court ici le risque que de l'urée ayant déjà été finement divisée se recombine en grosses gouttes, et que l'on ait un dosage irrégulier. Avantages de l'invention. La solution selon l'invention est caractérisée par le fait que la vanne qui sert à commander l'amenée d'air est une vanne de commande commandée de façon électri- que, qui est disposée en aval de l'orifice de sortie de la vanne de dosage et dont l'orifice de sortie débouche direc- tement dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne. La solution selon l'invention présente l'avantage qu'à l'aide de la vanne de commande et du flux d'air sous pression commandé via l'orifice de sortie, on introduit de l'air et des moyens de réduction finement divisés dans les gaz d'échappement, sans que les gouttelettes se rassemblent à nouveau, car une autre préparation de moyens de réduction finement divisés dans l'air a lieu dans les gaz d'échappe- ment chauds. De cette manière, la quantité d'agent de ré- duction à introduire est exactement préréglée et l'air sous pression qui est amené par le processus d'extraction à l'orifice de sortie de la vanne de commande, veille à la bonne préparation de la solution d'urée. Selon un développement avantageux du dispositif selon l'invention, la vanne de commande est refroidie par un agent de refroidissement qui s'écoule autour d'un corps récepteur. Dans ce cas il est avantageux de refroidir en même temps la vanne de dosage qui est disposée en même temps que la vanne de commande dans un carter de support commun. Grâce à la possibilité d'un stockage préalable avant le point de sortie de la vanne de dosage il se pro- duit, lors de l'ouverture de la vanne de commande, un flux d'air qui tourbillonne fortement au passage d'étranglement allant vers la partie qui guide les gaz d'échappement du système d'échappement du moteur à combustion interne, flux d'air qui prépare de façon optimale l'agent de réduction. D'une manière avantageuse on utilise de l'urée en solution aqueuse comme agent de réduction, que l'on peut employer sans courir le risque d'un collage des coupes de dosage dans le cas de la solution selon l'invention, et qui offre un degré élevé d'appui à la réduction dans le convertisseur catalytique de réduction. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - la vanne de commande présente une aiguille qui est ac- tionnée par une armature d'un électroaimant et guidée de façon étanche dans un guidage qui sépare une chambre de préstockage d'une chambre d'entrée d'air sous pression, tandis que la vanne de dosage est reliée directement à la chambre de préstockage et la chambre d'entrée de l'air sous pression est reliée de la même façon à une chambre annulaire qui entoure la partie sortante de la vanne de dosage, - l'aiguille pénètre avec une extrémité dans la chambre d'air sous pression et y est sollicitée dans le sens de la fermeture par un ressort, et l'extrémité de l'armature pénètre également dans la chambre d'entrée d'air sous pression et y arrive en appui contre l'aiguille, - l'aiguille présente sur le côté situé à l'opposé de la chambre d'entrée de l'air sous pression, une surface d'étanchéité sur laquelle elle peut être mise en appui sur un siège de soupape sous l'action du ressort et forme entre le guidage et le siège de soupape, avec le carter en tant que chambre de préstockage, une chambre annu- laire, dans laquelle débouche un alésage de liaison ve- nant de la partie sortante de la vanne de dosage, - on utilise comme agent de refroidissement l'eau de re- froidissement provenant du circuit d'eau de refroidisse- ment du moteur à combustion interne, - pour alimenter la vanne de dosage on prévoit un réservoir d'agent de réduction qui est réalisé sous la forme d'un réservoir fermé relié à la source d'air comprimé, - on utilise comme agent de réduction de l'urée en solution aqueuse. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre une représentation schématique du dis- positif selon l'invention; et - la figure 2 montre en détail la configuration de la vanne de dosage et de commande combinée, sans le dispositif de refroidissement correspondant. Description de l'exemple de réalisation On a représenté uniquement une partie du sys- tème d'échappement d'un moteur à combustion interne à allu- mage spontané qui peut fonctionner avec une injection directe ou une injection indirecte. Venant de ce système d'échappement, un tuyau d'échappement 1 débouche dans un convertisseur catalytique de réduction 2 qui sert à réduire les constituants NOX des gaz d'échappement et, dans ce but, est disposé aussi près que possible de la sortie des gaz d'échappement des différentes cylindres du moteur à combus- tion interne. Ceci est important pour la raison que la tem- pérature des gaz d'échappement, dans le cas de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne à allumage spontané, est relativement basse et qu'une température qui décroît quand la distance augmente entre la chambre de com- bustion et la sortie, abaisse la capacité de fonctionnement d'un convertisseur catalytique. Comme convertisseur cataly- tique on peut utiliser par exemple le convertisseur cataly- tique que l'on appelle DENOX et qui est construit à base de zéolite. Ces convertisseurs catalytiques ont une tempéra- ture de fonctionnement relativement basse dans le cas de laquelle on peut effectuer un processus de réduction. On peut aussi placer le cas échéant en aval de ce convertis- seur catalytique un convertisseur catalytique par oxydation qui peut brûler après coup aussi d'éventuels constituants imbrûlés dans les gaz d'échappement. En amont du convertisseur catalytique de réduc- tion 2 on a inséré dans la paroi du tuyau d'échappement 1 un dispositif de dosage 4. Ce dispositif présente une vanne de commande 5, une vanne de dosage 6 et un dispositif de refroidissement 7. Le dispositif de refroidissement est réalisé sous la forme d'une enveloppe de refroidissement 9 entourant un corps commun de support 8 de la vanne de do- sage et de la vanne de commande 5, enveloppe qui est par- courue par l'eau de refroidissement prélevée à partir du circuit d'eau de refroidissement du moteur à combustion in- terne et qui veille à un refroidissement intensif du dispo- sitif de dosage 4 exposé aux gaz brûlants d'échappement sur le tuyau d'échappement 1. La vanne de dosage 6 sert au dosage d'un agent de réduction qui, dans le cas présent, est de préférence une solution aqueuse d'urée à partir de laquelle on peut fractionner le NH3 pour le réduire. Cette solution d'urée est préstockée dans un réservoir d'urée 11 qui est relié par une conduite 12 à la vanne de dosage 6. La vanne de do- sage est dans ce cas une vanne commandée de façon électri- que et reçoit son excitation d'un appareil de commande 14 par la liaison 15. L'appareil de commande délivre dans ce cas des signaux d'ouverture à la vanne de dosage 6 en fonc- tion de valeurs mises en mémoire de préférence dans un champ caractéristique en tant que paramètres du moteur à combustion interne, paramètres à partir desquels on peut introduire dans les gaz d'échappement la quantité voulue de la solution d'urée à utiliser. Comme paramètres essentiels, on retiendra en premier lieu la quantité de carburant Qk mise dans le moteur à combustion interne et la vitesse de rotation n, qui se traduisent par une quantité de gaz d'échappement par unité de temps en fonction de laquelle on dose l'urée pour obtenir une conversion optimale des cons- tituants NOX. Dans ce cas on peut, à partir des paramètres habituels tels que par exemple la température des gaz d'échappement T elle-même, se fixer sur les constituants NOX des gaz d'échappement qui valent la peine d'être ré- duits à l'aide de la quantité d'urée introduite ou de NH3. La vanne de commande 5 sert à la commande de l'instant d'ouverture et de l'amenée d'air sous pression servant à diviser finement l'urée dans cet air sous pres- sion et dont le refoulement dans les gaz d'échappement aide à la division fine. L'air sous pression est amené à la sou- pape de commande par une conduite d'air sous pression 16 qui part d'un réservoir d'air comprimé 18 alimenté par un compresseur 19. Dans la conduite d'air sous pression, on a prévu, pour obtenir une pression régulière, une soupape de limitation de pression 20 qui réduit à 3 bars la pression de l'air amené à la vanne de commande 5. La chambre 21 est en outre reliée au réservoir d'air comprimé, le réservoir d'urée étant constitué comme un réservoir que l'on peut fermer de façon étanche après remplissage. La pression dans cette chambre libre est réglée à 5 bars à l'aide d'une sou- pape de limitation de pression 23 disposée dans la conduite d'amenée 22. A l'aide de cette pression on dispose d'une différence de pression pour refouler de l'urée, via la vanne de dosage, dans la zone de la vanne de commande sol- licitée par l'air sous pression. De cette façon on arrive à ce que, lors de l'ouverture de la vanne de dosage 6, de l'urée puisse sortir et, par ailleurs, à ce que l'urée en train de sortir via l'orifice de sortie puisse être déjà finement divisée et puisse se mélanger rapidement avec l'air comprimé disponible à cet endroit quand la vanne de commande est encore fermée. Lors de l'ouverture de la vanne de commande qui suit, ce mélange d'air et d'urée est encore davantage préparé par les turbulences qui se produisent à l'orifice de sortie de la vanne de commande. Pendant ce temps, à l'intérieur de la vanne de commande et en amont de l'orifice de sortie de cette vanne, le mélange d'air et d'urée subit encore une préparation de température grâce à la chaleur de base du corps de support, chaleur qu'il re- çoit malgré le refroidissement effectué à partir du système des gaz d'échappement. La construction de la vanne de commande et de la vanne de dosage ressort de la figure 2. Comme on l'a mentionné, on a prévu un corps de support commun 8 dans le cas duquel une douille de guidage 25 est disposée dans un alésage longitudinal avec un orifice de sortie 26 situé du côté frontal et qui s'étend en forme de cône, orifice de sortie 26 qui forme, dans la zone de son parcours en forme de cône, un siège de soupape pour une surface d'étanchéité 28 d'une aiguille de soupape 29. Cette surface d'étanchéité se trouve dans ce cas sur une tête 30 d'une manière telle que l'aiguille de soupape ait la forme d'une aiguille de soupape ouvrant vers l'extérieur. A l'intérieur de la douille de guidage on a constitué, sur l'aiguille de sou- pape, une tige de guidage 31 qui passe de façon étanche dans la douille de guidage et une partie 32 qui se rétrécit entre cette tige de guidage 31 et la tête 30, tandis qu'en- tre la partie rétrécie 32 et la douille de guidage un es- pace annulaire 33 reste libre en tant que chambre de préstockage. Dans cet espace débouche un alésage de liaison 34 qui, en formant un angle par rapport à l'axe longitudi- nal de l'aiguille de soupape, conduit dans le corps de sup- port 8 à la vanne de dosage 6. Cet alésage débouche dans une chambre 37 qui entoure l'extrémité 36, située du côté de la sortie, de la vanne de dosage, chambre à partir de laquelle, perpendiculairement à l'axe longitudinal de la vanne de dosage 6, un alésage de liaison 38 mène à une chambre annulaire 39. Celle-ci entoure, de l'autre côté de la tête 30, l'extrémité 40 de l'aiguille de soupape 29 qui sort de la douille de guidage. A cette extrémité l'aiguille de soupape présente une coupelle de ressort 42 et entre celle-ci et le boîtier est serré un ressort de compression 43 sous l'action duquel l'aiguille de soupape est mise en position de fermeture par sa tête 30. On utilise de préférence comme vanne de dosage 6 un injecteur habituel tel que ceux dont on se sert habi- tuellement dans le cas des installations d'injection d'es- sence à basse pression, avec un orifice de sortie ajusté en conséquence qui rend cette soupape appropriée au dosage des très petites quantités d'urée nécessaires par unité de temps de la commande synchronisée de cette électrovanne. L'aiguille de soupape 29, en tant que partie de la vanne de commande, est actionnée par une armature 44 au moyen d'un poussoir 45 guidé dans le carter de support, l'armature faisant partie d'un électroaimant connu en soi, que l'on n'a pas besoin de décrire ici plus en détail. La chambre annulaire 39 forme la chambre d'entrée de l'air sous pres- sion, qui est reliée, au moyen d'une conduite sous pression 47 s'étendant dans le corps de support 8, à la conduite d'air sous pression 16 d'une manière que l'on n'a pas re- présentée plus en détail. L'aiguille de soupape est, par cette amenée d'air, complètement entourée d'air sous pres- sion et cet air sous pression entoure aussi en outre l'ex- trémité, située du côté de la sortie, de la vanne de dosage 6, en recevant l'urée qui sort à cette extrémité et en re- foulant davantage celle-ci dans la chambre annulaire 33. En fonctionnement, la vanne de dosage 6 est commandée sur un temps prédéfini pour introduire des quan- tités correspondantes d'urée dans la chambre de préstockage 33 alors que l'aiguille de soupape 29 est encore fermée. Ensuite, l'aiguille de soupape est poussée par le mouvement de réglage de l'armature 44 et l'on refoule dans les gaz d'échappement l'urée préstockée en même temps que de l'air sous pression, sur la fente située entre le siège de sou- pape et la surface d'étanchéité. La vitesse de sortie éle- vée à cette sortie assure le reste de la préparation de l'urée introduite. En même temps a lieu ensuite un rinçage de la vanne de dosage avec de l'air sous pression de telle sorte que jusqu'à l'introduction d'urée suivante, l'urée qui a été dosée auparavant soit le plus complètement possi- ble expulsée, et qu'on évite de cette façon le risque d'un collage de la vanne de dosage et de la vanne de commande. Grâce à l'air sous pression, il se produit un rinçage in- termédiaire qui est sans cela effectué essentiellement par l'enveloppe d'eau de refroidissement 9. Dans ce qui précède, on a utilisé comme agent de réduction de préférence de l'urée à cause de l'efficaci- té élevée qu'on peut en attendre dans le cas de faibles quantités à approvisionner. Au lieu de cela il est égale- ment connu d'utiliser, comme agent de réduction, du carbu- rant qui peut être mis ici dans la même mesure à la place de l'urée et pour lequel le dispositif décrit convient éga- lement très bien. R E V E N D I C A T I O NS 1) Dispositif pour le post-traitement de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne à allumage spontané, comprenant un système collecteur des gaz d'échap- pement (1) dans lequel on dispose un convertisseur cataly- tique de réduction (2) servant à réduire les constituants NOX des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, un dispositif de dosage consistant en une vanne de dosage (6) commandée de façon électrique et servant à introduire de façon dosée un agent de réduction dans le flux des gaz d'échappement amenés au convertisseur catalytique (2) en fonction des valeurs mises en mémoire dans un champ carac- téristique de la teneur en NOX des gaz d'échappement pour les paramètres de fonctionnement différents du moteur à combustion interne et du convertisseur catalytique, et une amenée d'air commandée par une vanne (5) à partir d'une source d'air comprimé (18), amenée d'air grâce à laquelle on amène aux gaz d'échappement les quantités d'agent de ré- duction qui sortent du côté de la sortie (36) de la vanne de dosage (6) commandée de façon électrique, en les divi- sant finement avec l'air, dispositif caractérisé en ce que la vanne qui sert à commander l'amenée d'air est une vanne de commande (5) commandée de façon électrique, qui est dis- posée en aval de l'orifice de sortie de la vanne de dosage (6) et dont l'orifice de sortie (26) débouche directement dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne. 2) Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la vanne de commande (5) est refroidie par un agent de refroidissement qui entoure en s'écoulant le corps de support (8). 3) Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la vanne de commande (5) et la vanne de dosage (6) sont disposées dans un corps de support (8) com- mun, et la vanne de dosage (6) est refroidie au moyen de ce corps de support (8) également par l'agent de refroidisse- ment. 4) Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la vanne de commande (5) présente une ai- guille qui est actionnée par une armature (44) d'un électroaimant et guidée de façon étanche dans un guidage (25) qui sépare une chambre de préstockage (33) d'une cham- bre d'entrée d'air sous pression (39), tandis que la vanne de dosage (6) est reliée directement à la chambre de pré- stockage (33) et la chambre d'entrée d'air sous pression (39) est reliée de la même façon à une chambre annulaire (37) qui entoure la partie sortante (36) de la vanne de do- sage (6). ) Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que l'aiguille (29) pénètre avec une extrémité dans la chambre d'air sous pression (39) et y est sollici- tée dans le sens de la fermeture par un ressort (43), et l'extrémité de l'armature (44) pénètre également dans la chambre d'entrée d'air sous pression (39) et y arrive en appui contre l'aiguille (29). 6) Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'aiguille (29) présente sur le côté situé à l'opposé de la chambre d'entrée d'air sous pression (39), une surface d'étanchéité (28) sur laquelle elle peut être mise en appui sur un siège de soupape (27) sous l'action du ressort (43), et forme entre le guidage (25) et le siège de soupape (27), avec le carter (8) en tant que chambre de préstockage, une chambre annulaire (33) dans laquelle dé- bouche un alésage de liaison (34) venant de la partie sor- tante de la vanne de dosage (6). 7) Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que l'on utilise comme agent de refroidisse- ment l'eau de refroidissement provenant du circuit d'eau de refroidissement du moteur à combustion interne. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour alimenter la vanne de dosage, on prévoit un réservoir (11) d'agent de réduc- tion qui est réalisé sous la forme d'un réservoir fermé re- lié à la source d'air comprimé. 9) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on utilise comme agent de ré- duction de l'urée en solution aqueuse.