Brevet FR2902136A1 — publié le 20071214

Système de stockage pour additif de gaz d'échappement d'un moteur La présente demande concerne un système de stockage pour additif de gaz d'échappement d'un moteur. Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOX dans l'atmosphère. Pour atteindre cet objectif on connaît le procédé SCR (Selective Catalytic Reduction) qui permet la réduction des oxydes d'azote par injection d'un agent réducteur, généralement d'ammoniac, dans la ligne d'échappement. Cet ammoniac peut provenir de la décomposition par thermolyse d'une solution d'un précurseur d'ammoniac dont la concentration peut être celle de l'eutectique. Un tel précurseur d'ammoniac est généralement une solution d'urée. Avec le procédé SCR, les dégagements élevés de NOX produits dans le moteur lors d'une combustion à rendement optimisé sont traités en sortie de moteur dans un catalyseur. Ce traitement requiert l'utilisation de l'agent de réduction à un niveau de concentration précis et dans une qualité extrême. La solution est ainsi précisément dosée et injectée dans le flux de gaz d'échappement où elle est hydrolysée avant de convertir l'oxyde d'azote (NOX) en azote (N2) et en eau (H20). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'additif (urée généralement), ainsi que d'un dispositif pour doser et injecter la quantité d'additif désirée dans la ligne d'échappement. Dans l'art antérieur, plusieurs systèmes de stockage et d'alimentation en additif réducteur ont été prévus, qui peuvent en gros être classés en 2 catégories: ceux avec prélèvement direct de la quantité d'additif requise (donc sans recirculation de la solution d'additif), et ceux avec recirculation de la solution d'additif Dans le le` cas, le dispositif de dosage (qui peut être une pompe ou une vanne doseuse) peut être alimenté en additif par simple gravité, via une ligne démarrant dans le fond du réservoir de stockage. Le brevet US 5,628,186 décrit un tel système. Dans le 2d cas, où les débits aller-retour sont généralement contrôlés à l'aide d'un régulateur de pression, l'additif est dosé sous pression et il est généralement fait appel à une pompe pour générer cette pression. Le brevet US 6,063,350 décrit un tel système. Afin de pouvoir doser correctement la solution d'additif dans les gaz d'échappement, il est connu d'incorporer au réservoir d'additif, des éléments tels que jauge de niveau, capteur de température, senseur de qualité, résistance chauffante... Le brevet US 6,063,350 susmentionné propose de regrouper ces divers composants au niveau de l'embase de la pompe, disposée sur la paroi supérieure du réservoir. Cette manière de faire facilite l'intégration du système sur le véhicule (tous les raccords se faisant au même endroit) et permet de réduire le nombre d'ouvertures dans la paroi du réservoir. Toutefois, le fait que l'embase soit située sur la paroi supérieure du réservoir présente de nombreux inconvénients: présence de points hauts dans les lignes d'alimentation et de retour, où risquent de s'accumuler les gaz provenant d'une décomposition éventuelle de l'additif; - nécessité de prévoir un piège pour éviter le désamorçage de la pompe ; jaugeage peu précis suite à la déformation du fond du réservoir en cours de vie; exposition prolongée des composants aux vapeurs de l'additif, alors que ces vapeurs sont souvent corrosives (présence d'ammoniac dans le cas de l'urée); - endommagement possible de certains composants en cas de gel, car des blocs d'additif solide flottant en surface peuvent, de par leur mouvement, venir impacter sur lesdits composants. La présente demande vise à fournir un système de stockage pour additif de gaz d'échappements d'un moteur qui permet de réduire voire d'éviter complètement les inconvénients précités. A cet effet, la présente invention concerne un système pour le stockage d'un additif liquide de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif et une embase immergée , disposée à travers une ouverture pratiquée dans la paroi inférieure du réservoir, ladite embase comprenant au moins un orifice à travers lequel on peut alimenter un système d'injection dudit additif dans les gaz d'échappement, et intégrant en outre au moins un autre composant actif du système de stockage et/ou du système d'injection. Par paroi inférieure , on entend en fait désigner dans le cadre de l'invention, la moitié inférieure du réservoir (qu'il soit ou non moulé d'un seul tenant ou à partir de deux feuilles ou découpes de paraison). De préférence, l'embase est située dans le tiers inférieur du réservoir, et de manière tout particulièrement préférée, dans le quart inférieur, voire carrément dans le fonds de celui-ci. Elle peut être en partie sur la paroi inférieure latérale, auquel cas elle est légèrement en oblique une fois montée dans le véhicule. L'emplacement et/ou la direction de l'embase dépend notamment de l'emplacement du réservoir dans le véhicule, et de l'encombrement autour de celui-ci (compte tenu des composants à y intégrer). L'additif dont il est question dans le cadre de l'invention est un additif liquide aux conditions normales d'utilisation. Il s'agit 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'une solution d'un précurseur qui génère de l'ammoniac (agent réducteur effectif) in situ, dans les gaz d'échappement. L'invention donne de bons résultats avec l'urée comme précurseur et en particulier, avec les solutions aqueuses d'urée. Les solutions eutectiques (comprenant 32.5% en poids d'urée) conviennent bien. A noter toutefois que celles-ci gèlent vers -11 C et qu'il est donc avantageux de munir le système d'un réchauffeur en cas de gel, ce réchauffeur étant avantageusement intégré à l'embase selon l'invention (voir plus loin). La présente invention peut être appliquée à tout moteur à combustion interne susceptible de générer des NOx dans ses gaz d'échappement. Il peut s'agir d'un moteur avec ou sans ligne de retour carburant (c'est-à-dire une ligne retournant au réservoir à carburant, le surplus de carburant non consommé par le moteur). Elle est avantageusement appliquée à des moteurs diesel et en particulier, aux moteurs diesel de véhicules et de manière particulièrement préférée, aux moteurs diesel de poids lourds. Le système selon l'invention comprend au moins un réservoir destiné au stockage de l'additif Ce réservoir peut être en une matière quelconque, de préférence ayant une résistance chimique à l'additif concerné. Il s'agit en général de métal ou de matière plastique. Dans le cas de l'urée, les résines polyoléfines, en particulier le polyéthylène (et plus particulièrement, le PEHD ou polyéthylène haute densité), constituent des matériaux préférés. Selon l'invention, le réservoir est muni d'une embase ou platine qui est une pièce aplatie destinée à obturer une ouverture dans sa paroi inférieure. L'embase est, en particulier, bien adaptée au support d'accessoires qui traversent la paroi du corps creux. Elle présente un périmètre refermé sur lui-même, de forme quelconque. Le plus souvent, son périmètre a une forme circulaire. Selon l'invention, cette embase comprend au moins un orifice à travers lequel on peut alimenter un système d'injection dudit additif dans les gaz d'échappement. Cette alimentation peut être réalisée par simple gravité via une ligne d'injection traversant l'embase par ledit orifice. Alternativement et de manière préférée, elle se fait par une pompe. L' embase intègre également au moins un composant actif en stockage et/ou injection. On entend par là que le composant est fixé sur ou réalisé d'une pièce avec l'embase. Ce composant peut être intégré en interne au réservoir, ou en externe avec, le cas échéant, une connexion passant au travers de celle-ci. De manière préférée, l'embase selon l'invention intègre plusieurs composants actifs en stockage et/ou dosage et de manière tout particulièrement préférée, elle intègre tous les composants actifs qui sont amenés à être en contact avec l'additif liquide se trouvant dans, partant de ou arrivant dans le réservoir à additif. De préférence, le composant est choisi parmi les éléments suivants : une pompe; une jauge de niveau; un réchauffeur; un capteur de température; un senseur de qualité; un capteur de pression; un régulateur de pression. Ces éléments ont chacun un rôle actif dans le système de stockage et/ou d'injection de l'additif, et le fait de les intégrer sur une platine immergée (c.à.d. toujours en présence de l'additif, pour peu que le réservoir ne soit pas vide) présente des avantages spécifiques: pour la jauge de niveau: le point bas est mieux garanti et donc, la mesure subit 25 une moindre influence des déformations du réservoir; pour le réchauffeur: en cas de gel, l'aménagement d'un compartiment par design de la platine associé au système de réchauffage permet de délivrer le volume de solution d'additif nécessaire au fonctionnement du système de dépollution dans l'intervalle de temps demandé par les constructeurs 30 automobiles (par exemple: 100 ml en trois minutes); pour les capteurs de température, de qualité ou d'autre(s) caractéristique(s) de l'additif: permet aisément de le situer dans la zone critique d'alimentation au système d'injection. La jauge de niveau qui peut être intégrée à l'embase selon l'invention, peut 35 être de tout type. De préférence, il s'agit d'une jauge sans mouvement, par exemple de type capacitive. Quant au réchauffeur, il peut comprendre un échangeur de chaleur de capacité donnée, ou un élément chauffant de préférence entouré d'une enceinte (pour créer le compartiment susmentionné). De préférence, cette enceinte est d'un seul tenant (moulé d'une pièce, le cas échéant) avec l'embase. Les capteurs de température et de qualité peuvent également être de tout type connu. Tout autre capteur servant à mesurer une caractéristique de l'additif (pureté, concentration...) convient dans le cadre de l'invention. La présente invention concerne également un système d'alimentation pour un additif liquide dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique, ledit système comprenant un système de stockage tel que décrit précédemment et un système d'injection dudit additif dans les gaz d'échappement du moteur. Ce système d'injection comprend au moins une ligne d'injection et un injecteur (c.à.d. un dispositif permettant de disperser/nébuliser l'additif liquide dans les gaz d'échappement). Cet injecteur peut être un injecteur actif, piloté pour le dosage in situ de l'additif ; ou un injecteur passif dont le rôle se limite à nébuliser la quantité d'additif dosée par un dispositif adéquat en amont (généralement une vanne ou pompe doseuse). Le système d'alimentation selon l'invention peut ou non comprendre une pompe pour amener l'additif du réservoir à additif vers l'injecteur. De préférence, il comprend une pompe (pour pouvoir générer une pression d'injection stable) et selon une variante préférée, cette pompe est fixée sur l'embase. Cette pompe peut être située dans le réservoir à additif (avec comme avantage de constituer avec lui, un module compact et intégré) ou, compte tenu de l'environnement corrosif, être situé en dehors du réservoir à additif. 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. La pompe puise de l'additif liquide en un point dit de puisage dans le réservoir à additif Ce point est relié à la pompe par une ligne dite ligne de puisage. Ce point est de préférence situé au voisinage de voire sur l'embase. La quantité d'additif débitée par la pompe et non consommée par l'injecteur (en fonction du pilotage par le calculateur), le cas échéant, est avantageusement retournée au réservoir à additif par une ligne dite de retour d'additif Cette ligne est généralement équipée d'un régulateur de pression et/ou d'un capteur de pression. Elle relie soit l'injecteur, soit un autre point de la ligne d'injection en aval de la pompe, au réservoir à additif Dans cette variante, avantageusement, le régulateur et/ou le capteur de pression est/sont de préférence également intégré(s) à l'embase, c.à.d. fixé(s) sur celle-ci, de préférence à l'intérieur du réservoir. Le plus souvent, le système d'alimentation selon l'invention comprend un calculateur soit directement relié à l'injecteur (cas d'un injecteur actif) ou à un doseur séparé (cas de l'injecteur passif) 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, avantageusement, l'embase et/ou le composant intégré à celle-ci comprend une connexion vers ce calculateur. La calculateur dont il est question dans cette variante peut être le calculateur central du moteur (ECU ou Engine Control Unit) ou un autre calculateur intégré sur le véhicule (par exemple, celui gérant le système à carburant, le cas échéant = FSCU ou Fuel System Control Unit). Il peut également être un calculateur spécifique recevant des instructions/informations de l'ECU, du FSCU ou d'un autre calculateur intégré sur le véhicule. La présente invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un système tel que décrit précédemment. En particulier, il concerne un système pour la fabrication du réservoir de stockage de ce système. Ce réservoir peut être réalisé par tous les procédés de transformation connus dans le cas de corps creux. Un mode de mise en oeuvre préféré, en particulier lorsque le réservoir est en matière plastique, et en particulier, le PEHD, est le procédé d'extrusion-soufflage. Dans celui-ci, une paraison (en une ou plusieurs parties) est obtenue par extrusion, et elle est ensuite mis en forme par soufflage dans un moule. Le moulage du réservoir d'un seul tenant à partir d'une seule paraison donne de bons résultats. L'embase immergée de ce réservoir peut également être obtenue par tout moyen connu, mais elle est obtenue de manière préférentielle par injection, cette méthode permettant d'obtenir une bonne précision dimensionnelle. De préférence, l'embase est à base d'un matériau résistant aux carburants, tel que le polyacétal et en particulier, le POM (poly-oxy-méthylène); ou les polyamides et en particulier, les grades renforcés (par exemple à l'aide de fibres de verre). De préférence, l'embase est pourvue de systèmes d'accrochage pour les composants actifs qu'elle doit intégrer. Ces systèmes peuvent être moulés d'une pièce avec l'embase, ou des inserts nécessaires à cette fin peuvent être ajoutés pendant son moulage (par surmoulage par exemple), ou après celui-ci (par soudure). L'ouverture dans la paroi inférieure du réservoir peut être réalisée par tout moyen approprié, par exemple par usinage du réservoir moulé. De préférence, son pourtour est muni d'un relief (excroissance avec pas de vis par exemple) facilitant la fixation de l'embase, et qui est moulé en même temps que le réservoir. L'assemblage de l'embase sur l'ouverture du réservoir peut également être réalisé de toute manière connue, en particulier à l'aide d'un système bague-écrou vissé sur un filet côté réservoir, de préférence réalisé lors du soufflage de ce dernier (par une forme adéquate dans le moule) ; ou d'un système de fermeture de type baïonnette. Un joint (de préférence en élastomère) assure de préférence l'étanchéité entre le bord de l'ouverture dans le réservoir et l'embase. De préférence, ce joint repose sur une rigole aménagée sur le pourtour de l'embase, et il est de préférence comprimé entre le pourtour de l'ouverture dans le réservoir et l'embase. REVENDICATIONS 1. - Système pour le stockage d'un additif liquide de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif et une embase immergée , disposée à travers une ouverture pratiquée dans la paroi inférieure du réservoir, ladite embase comprenant au moins un orifice à travers lequel on peut alimenter un système d'injection dudit additif dans les gaz d'échappement, et intégrant en outre au moins un autre composant actif du système de stockage et/ou du système d'injection. 2. - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé 10 en ce que le l'embase intègre une jauge de niveau. 3. - Système de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embase intègre un réchauffeur pour l'additif. 4. - Système de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embase intègre un capteur servant à mesurer 15 une caractéristique de l'additif. 5. - Système d'alimentation pour un additif liquide dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un système de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes et un système d'injection comprenant au moins une ligne d'injection et un injecteur. 20 6. - Système d'alimentation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe qui est fixée sur l'embase. 7. - Système d'alimentation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une quantité d'additif débitée par la pompe et non consommée par l'injecteur est retournée au réservoir à additif par une ligne dite de retour qui est 25 équipée d'un régulateur de pression et/ou d'un capteur de pression qui est/sont intégré(s) à l'embase. 8. - Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur et en ce que l'embase et/ou le composant intégré à celle-ci comprend une connexion vers ce calculateur.-9 9. - Procédé pour la fabrication d'un système de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou d'un système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le réservoir de stockage est obtenu par extrusion-soufflage de matière plastique. 10. - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'embase est réalisée par injection de matière plastique.