Brevet FR2879238A1 — publié le 20060616

Procédé et système de stockage et d'injection d'un additif dans des gaz d'échappement d'un moteur Avec l'entrée en vigueur prochaine de la norme Euro IV sur les émissions à l'échappement pour les poids lourds, des dispositifs de dépollution des NOx (ou oxydes d'azotes) doivent être mis en place. Le système retenu par la plupart des constructeurs de poids lourds pour réduire les émissions de NOx à la valeur requise consiste généralement à réaliser une réaction de catalyse sélective avec des réducteurs tels que l'urée ( Urea SCR ou Réduction Catalytique Sélective utilisant l'ammoniac généré in situ dans les gaz d'échappement par décomposition de l'urée). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'urée, ainsi que d'un dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter dans la ligne d'échappement. Etant donné que la solution aqueuse d'urée généralement utilisée à cette fin (eutectique à 32.5 % en poids d'urée) gèle à -11 C, il est nécessaire de prévoir un dispositif de chauffage pour liquéfier la solution afin de pouvoir l'injecter dans la ligne d'échappement en cas de démarrage dans des conditions de gel. Dans l'art antérieur, plusieurs systèmes ont été prévus à cet effet. Généralement, ces systèmes comprennent des dispositifs de chauffage assez coûteux impliquant soit des éléments chauffants spécifiques, soit une dérivation du circuit de refroidissement du moteur. La demande US 2003/0101715 propose de résoudre ce problème en utilisant la ligne de retour carburant présente sur certains moteurs (diesel avec rampe d'injection directe, commune ou common rail notamment) pour réchauffer l'additif Toutefois, lorsque la température extérieure est suffisante, il n'est pas nécessaire voire même, pas souhaitable de réchauffer la solution d'urée sous peine de provoquer sa décomposition prématurée et l'émission de vapeurs odorantes non désirées (ce qui se produit déjà à partir de 60 C avec l'eutectique précitée). En outre, le système proposé dans ce document ne permet pas le refroidissement efficace du retour diesel en cas de températures élevées. La présente demande vise à résoudre ces problèmes en proposant un procédé et un système de stockage et d'injection d'un additif réducteur dans les gaz d'échappements d'un moteur qui est efficace et peu odorant quelle que soit la température ambiante et qui permet un refroidissement efficace du retour carburant si nécessaire. A cet effet, la présente invention concerne un procédé pour le stockage et l'injection d'un additif dans des gaz d'échappement d'un moteur alimenté en carburant à partir d'un réservoir à carburant et retournant audit réservoir le surplus de carburant chaud non consommé via une ligne de retour, ledit procédé consistant à réchauffer l'additif à l'aide de la ligne de retour lorsque la température de l'additif est inférieure à une valeur seuil T 1. Par température de l'additif , on entend de préférence la température de 10 l'additif dans son endroit de stockage (réservoir à additif). Cette température seuil T1 peut être par exemple de 40 C, de préférence 30 C voire 20 C. En effet, au-delà de 40 C, de nombreux additifs sont susceptibles de dégager des vapeurs agressives et/ou malodorantes, phénomène que la présente invention permet d'éviter. La présente invention concerne également un système permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit ci avant. En particulier, elle concerne un système de stockage et d'injection d'un additif dans des gaz d'échappement d'un moteur alimenté en carburant à partir d'un réservoir à carburant et retournant audit réservoir le surplus de carburant chaud non consommé via une ligne de retour comprenant au moins un tronçon en contact thermique avec l'additif (ou tronçon de chauffage de l'additif), ledit système comprenant un capteur de température et un dispositif permettant de court-circuiter le tronçon de chauffage lorsque la température mesurée par le capteur excède une valeur préfixée (seuil T1). En d'autres termes, un tel système comprend: - un tronçon de chauffage de l'additif qui consiste en un tronçon de la ligne de retour; un capteur de température; et un dispositif permettant de court-circuiter le tronçon de chauffage lorsque la température mesurée par le capteur excède la valeur seuil Tl. L'additif dont il est question dans le cadre de l'invention est de préférence un agent réducteur susceptible de réduire les NOx présents dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Il s'agit avantageusement d'ammoniac utilisé directement (ce qui présente les inconvénients de sécurité et de corrosion associés) ou généré in situ, dans les gaz d'échappement au départ d'un précurseur tel que l'urée (ce qui permet d'éviter les inconvénients précités). L'invention donne de bons résultats avec l'urée et en particulier, avec les solutions aqueuses d'urée. Les solutions eutectiques (comprenant 32.5 % en poids d'urée) conviennent bien. La présente invention peut être appliquée à tout moteur à combustion interne comprenant une ligne de retour carburant, c.à.d. une ligne retournant au réservoir à carburant, le surplus de carburant non consommé par le moteur. Elle est avantageusement appliquée à des moteurs diesel avec injection directe et en particulier, à des moteurs diesel de poids lourds. En effet, dans de tels moteurs, il n'est pas rare que la température du retour carburant soit comprise entre 60 et 90 C, température à laquelle certains additifs (et en particulier, les solutions d'urée) se décomposent. Le système selon l'invention comprend au moins un réservoir destiné au stockage de l'additif et au moins une ligne d'alimentation destiné à amener l'additif vers un tuyau d'échappement du moteur. Le réservoir de stockage de l'additif est généralement situé à proximité de la ligne de retour, entre le moteur et le réservoir à carburant. Avantageusement, il est situé à proximité de ce dernier, notamment pour garantir une meilleure accessibilité pour le remplissage. En outre, il est avantageux d'éloigner ces deux réservoirs du système d'échappement et du moteur, là où la température est élevée. Le système selon l'invention comprend généralement également un dispositif d'aspiration pour amener l'additif du réservoir à additif vers l'injecteur. Ce dispositif est généralement une pompe. Compte tenu de l'environnement corrosif, ce dispositif est de préférence situé en dehors du réservoir à additif et ses matériaux constitutifs seront de préférence choisis parmi les métaux résistant à la corrosion (certains grades d'acier inoxydable et d'aluminium notamment). Le recours à du cuivre, même pour des éléments de connexion, n'est pas souhaitable. Le système selon l'invention est généralement également équipé d'un injecteur permettant l'injection de l'additif dans les gaz d'échappement. Dans le cas des poids lourds, cet injecteur utilise avantageusement l'air comprimé disponible sur le circuit de freinage pour réaliser la dispersion et l'injection de l'additif. Le plus souvent enfin, le système selon l'invention comprend un calculateur relié à l'injecteur et permettant d'injecter dans les gaz d'échappement, la quantité d'additif requise (notamment en fonction des paramètres suivants: taux d'émission et de conversion des NOx; température et pression; vitesse et charge du moteur...). Selon l'invention, la ligne de retour du carburant chaud du moteur vers le réservoir à carburant comprend au moins un tronçon dit de chauffage, en contact thermique avec l'additif et susceptible de le réchauffer avant son injection dans les gaz d'échappement du moteur. A cet effet, ce tronçon peut être au moins en partie substantiellement accolé à la ligne d'alimentation en additif (par exemple, les deux lignes peuvent être coaxiales) et/ou au moins en partie à l'intérieur du réservoir à additif. Il est particulièrement avantageux que le tronçon de chauffage soit au moins en partie situé à l'intérieur du réservoir à additif pour pouvoir fondre la réserve d'additif en cas de gel et permettre un démarrage rapide du système. Dans ce cas, il est préférable que cette partie ait au moins partiellement la forme d'un serpentin (enroulement ou va-et-vient de boucles). De manière tout particulièrement préférée, ce serpentin entoure ou moins en partie le point d'aspiration de l'additif. Ce serpentin peut être formé à l'aide d'un tube droit en acier inoxydable ou dt'un tube corrugué en matière plastique (ce qui est plus économique et permet d'avoir une plus grande surface d'échange, mais souffre le désavantage d'une moins bonne conductibilité thermique). Il peut également être conçu de manière telle que seul sa partie active (le serpentin proprement dit, par opposition à ses extrémités) soit située dans le fond du réservoir à additif de manière a éviter de chauffer celui- ci en surface et de générer des vapeurs agressives ou mal odorantes. Il résulte de ce qui précède que de manière tout particulièrement préférée, le système selon l'invention comprend un dispositif pour aspirer l'additif en un point du réservoir à additif, la partie de tronçon située dans le réservoir à additif a au moins partiellement la forme d'un serpentin au voisinage du point d'aspiration et ce serpentin et le point d'aspiration sont dans le fond du réservoir à additif. Le système selon l'invention se caractérise essentiellement par la présence d'un capteur de température. Ce capteur est de préférence placé à l'intérieur du réservoir à additif et de manière tout particulièrement préférée, en un point proche du point d'aspiration de cet additif afin de s'assurer qu'il y soit à l'état liquide (injectable) lorsque le dispositif d'aspiration est enclenché. On peut par exemple prévoir que le capteur activerait ledit dispositif d'aspiration uniquement si la température est supérieure à une température seuil T2, où l'additif est liquide. Cette température T2 peut être par exemple -10 C, de préférence - 5 C voire 0 C. A noter que ce capteur peut également servir à d'autres fonctions dans le système et notamment, à communiquer avec le calculateur précité et à affiner la précision du dosage en additif. Ce capteur peut être de tout type connu, de préférence à base de matériau(x) résistant à la corrosion. Il s'agit de préférence d'un thermocouple enrobé d'une fine couche de matériau résistant chimiquement à l'additif. La température seuil Ti que ce capteur doit détecter dans le cadre de l'invention peut être par exemple de 40 C, de préférence 30 C voire 20 C. Au-delà de cette température, selon l'invention, le tronçon de chauffage de l'additif est by passé à l'aide d'un dispositif adéquat. Selon une variante préférée de l'invention, le capteur de température commande (directement ou indirectement, via un calculateur) une vanne et c'est cette vanne qui permet de court-circuiter (by passer) ledit tronçon lorsque la température dans le réservoir à additif dépasse le seuil Ti préfixé. Cette vanne dirige le retour de carburant chaud vers le réservoir à carburant sans passer par le tronçon de chauffage et ce via une ligne dite de dérivation qui aboutit en un point de la ligne de retour carburant situé en aval dudit tronçon. Dans la variante précitée, il est avantageux que la vanne soit une vanne à 3 voies qui permet de connecter un point de la ligne de retour en carburant en amont du tronçon de chauffage soit audit tronçon de chauffage, soit à la ligne de dérivation (de by pass). Il peut aussi être avantageux de munir ce point (ou plus exactement: un endroit proche de ce point sur le tronçon by passé) d'une vanne anti-retour empêchant lé carburant chaud de circuler à contre courant dans le tronçon de chauffage lorsque celui-ci est court-circuité. Du fait que le tronçon de chauffage peut être by passé, le système selon l'invention permet aisément de refroidir le carburant chaud non consommé par le moteur avant de l'alimenter au réservoir et ce quelles que soient les conditions de température. II suffit pour cela par exemple de munir la ligne de dérivation (by pass) précitée d'un échangeur de chaleur. En effet, lorsque l'additif est à une température inférieure à la valeur seuil du capteur de température, le carburant va circuler dans le tronçon de chauffe, réchauffer l'additif et se refroidir. Et lorsque la température de l'additif dépasse cette température seuil, le carburant va circuler dans la ligne de by pass où il pourra être refroidi par l'échangeur de chaleur. La présente invention est illustrée de manière non limitative par la figure 1. Celle-ci représente une variante de système selon l'invention destinée à un réservoir à diesel (1) comprenant une ligne d'alimentation (2) vers un moteur diesel (non représenté) et une ligne de retour (3) du diesel non consommé par le moteur, et qui y a été réchauffé, vers le réservoir à carburant (1). Ce système comprend un réservoir à urée (4) contenant une solution aqueuse d'urée à 32.5 % en poids d'urée (eutectique). Ce réservoir accueille en son sein, un tronçon (5) de la ligne de retour (3) du diesel chaud qui a la forme d'un serpentin entourant la zone de puisage de l'additif (point où aboutit une ligne de puisage (I0)) où est également situé un capteur de température (11). Ce tronçon peut être court-circuité à l'aide d'une vanne à 3 voies (6) qui a pour effet de diriger le diesel chaud directement en un point (7) en aval du tronçon (5) et ce au moyen d'une ligne de dérivation (8). Le tronçon (5) est muni, juste avant le point de jonction (7), d'une vanne anti-retour (9) empêchant le diesel chaud de passer de la ligne (8) dans le tronçon (5) en cas de dérivation. La ligne de dérivation (8) collabore avec un échangeur de chaleur (12) permettant de refroidir le diesel qui y circule, le cas échéant. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le stockage et l'injection d'un additif dans des gaz d'échappement d'un moteur alimenté en carburant à partir d'un réservoir à carburant (1) et retournant audit réservoir (1) le surplus de carburant chaud non consommé via une ligne de retour (3), ledit procédé consistant à réchauffer l'additif à l'aide de la ligne de retour (3) lorsque la température de l'additif est inférieure à une valeur seuil Ti. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est une solution aqueuse d'urée. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur est un moteur diesel avec injection directe. 4 - Système pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 et comprenant: un tronçon de chauffage de l'additif (5) qui consiste en un tronçon de la ligne de retour (3) ; un capteur de température (11) ; et un dispositif (6, 8) permettant de court-circuiter le tronçon de chauffage (5) lorsque la température mesurée par le capteur (11) excède la valeur seuil Ti. 5 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'additif est une solution aqueuse d'urée. 6 - Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le moteur est un moteur diesel avec injection directe. 7 - Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir (4) pour stocker l'additif et en ce que le tronçon de chauffage de l'additif (5) est au moins en partie situé à l'intérieur de ce réservoir (4). 8 - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour aspirer l'additif en un point du réservoir à additif (4) à l'aide d'une ligne d'aspiration (10), que la partie de tronçon (5) située dans le réservoir à additif (4) a au moins partiellement la forme d'un serpentin au voisinage du point d'aspiration et que ce serpentin et le point d'aspiration sont dans le fond du réservoir à additif (4). 9 - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur de température (11) est également placé à l'intérieur du réservoir à additif (4), en un point proche du point d'aspiration et qu'il permet d'enclencher le dispositif d'aspiration de l'additif uniquement si la température lue par le capteur (11) est supérieure à une température donnée (seuil T2), où l'additif est liquide. - Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le capteur de température commande une vanne à 3 voies (6) qui permet de connecter un point de la ligne de retour (3) en amont du tronçon de chauffage (5) soit audit tronçon (5), soit à une ligne de dérivation (8) qui aboutit en un point (7) de la ligne de retour (3) situé en aval dudit tronçon (5). 11 - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le tronçon de chauffage (5) est muni d'une vanne anti-retour (9) avant le point de jonction (7), ladite vanne (9) empêchant le diesel chaud de passer de la ligne (8) dans le tronçon (5) en cas de dérivation. 12 - Système selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la ligne de dérivation (8) est munie d'un échangeur de chaleur (12) susceptible de refroidir le retour de carburant chaud lorsqu'il circule à travers elle.