Brevet FR2909901A1 — publié le 20080620

Méthode et système pour le dosage d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac dans des gaz d'échappement d'un moteur La présente invention concerne une méthode et un système pour le dosage d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac dans des gaz d'échappement d'un moteur L'évolution des législations concernant les émissions des véhicules Diesel prévoit notamment une réduction importante des rejets d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement. Le procédé SCR (Selective Catalytic Reduction) dans lequel les oxydes d'azote (NOx) sont réduits par l'ammoniac, est l'une des technologies de choix pour atteindre cet objectif de dépollution. Une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac (généralement d'urée ou d'un mélange d'urée et de formate d'ammonium) est alors injectée dans la ligne d'échappement en amont du catalyseur SCR. Le fonctionnement de ce catalyseur demande un dosage précis de la quantité de solution pulvérisée. En effet, tant le surdosage (menant à une libération d'ammoniac dans l'atmosphère) que le sous dosage (menant à un rejet d'oxydes d'azote, non traités à l'atmosphère) sont nuisibles. Or, ces solutions ne sont pas stables dans le temps, l'urée (et le formate, le cas échéant) se décomposant dans l'eau (et d'autant plus que la température est élevée) en ammoniac et en dioxyde de carbone. Dès lors, certains systèmes de l'art antérieur prévoient une correction de la quantité de solution injectée en fonction de l'évolution de la concentration en urée en fonction du temps, de la température et de la pression. Un tel système est par exemple décrit dans le brevet US 6,408,619 et la demande US 2003/0033799 qui décrivent le fait de corriger le volume de solution injectée en fonction de sa concentration effective en urée suite à son vieillissement. Toutefois, les méthodes décrites dans ces documents requièrent des capteurs spécifiques (respectivement de conductivité et de pression) qui grèvent le coût du système SCR. La présente demande vise à résoudre ce problème en fournissant une méthode de dosage précise et simple permettant de tenir compte du vieillissement de la solution. Dès lors, la présente invention concerne une méthode pour le dosage d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac stockée dans un réservoir ventilé et/ou taré en pression dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, 2909901 2 ladite méthode consistant à déterminer la concentration en précurseur de la solution sur base d'une mesure de la température de la solution dans le réservoir et d'abaques obtenus par vieillissement de solutions de référence et établissant pour différentes températures, l'évolution de la concentration en précurseur en fonction 5 du temps à la pression de tarage du réservoir. Cette méthode présente comme avantage d'être simple et de ne pas ajouter de capteur spécifique au système, un capteur de température étant déjà souvent présent (notamment pour le conditionnement thermique de la solution). Tout précurseur d'ammoniac en solution aqueuse peut convenir dans le 10 cadre de l'invention. L'invention donne de bons résultats avec les solutions eutectiques d'urée pour lesquelles il existe un standard qualité: par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'AdBlue (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31,8% et 33,2% (en poids) (soit 32.5 +1- 0.7% en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible 15 comprise entre 18,0% e 18,8%. L'invention peut également s'appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium vendus sous la marque DenoxiumTM et dont l'une des compositions (Denoxium-30) contient une quantité équivalente en ammoniac à celle de la solution d'Adblue . Ces derniers présentent comme avantage par rapport à l'urée, le fait de ne geler qu'à partir de -30 C (par rapport 20 à -11 C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération éventuelle d'acide formique. 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 25 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. Une variante avantageuse de l'invention consiste à tenir compte de toutes 30 les formes d'ammoniac disponibles directement ou indirectement dans la solution (sous forme de précurseur, d'ammoniac et d'ammoniaque), et pas uniquement de celle issue du précurseur. Elle tient compte du fait que: l'urée s'hydrolyse selon la réaction globale suivante: (NH2)2CO + H2O --i CO2 + 2NH3 (1) - l'ammoniac libéré se retrouve en partie dans l'atmosphère au dessus de la solution, se dissout en partie dans celle-ci et réagit en partie avec l'eau pour 2909901 3 former de l'ammoniaque selon la réaction: NH3 + H20 = NH4-OH (2) l'ammoniac et l'ammoniaque présents dans la solution sont injectés avec elle et participent à la réaction avec les NOx: 5 2NH3+NO+NO2 - 2N2+3H20 (3), la réaction d'équilibre (2) étant déplacée vers la gauche eu fur et à mesure de la consommation d'ammoniac. Des réactions similaires ont lieu avec le formate d'ammonium, qui en solution, peut libérer de l'ammoniac et de l'acide formique et qui se décompose à haute température pour former de l'ammoniac, du monoxyde et du dioxyde de 10 carbone. Dans la méthode selon l'invention, les concentrations en précurseur (urée et/ou formate d'ammonium par exemple), et éventuellement en ammoniac et en ammoniaque sont déterminées au préalable, sur des solutions de référence que l'on a laissé vieillir à dessein à différentes températures, de manière à obtenir des 15 abaques. Selon une variante, pour connaître ces concentrations, on réalise un dosage de l'azote total par une méthode de chimie analytique et on en déduit le nombre de moles de NH3 correspondantes par litre de solution. Des méthodes qui conviennent bien à cet effet sont la méthode de Kjeldahl et une combinaison 20 pyrométrie/chimiluminescence telle qu'appliquée par exemple par les analyseurs de type ANTEK 9000 NS. Selon une autre variante, on détermine séparément la teneur en précurseur (par exemple par une méthode de conductivité telle que décrite dans le brevet US `619 susmentionné) et la teneur en azote ammoniacal issu de sa décomposition 25 (par exemple au moyen d'une sonde ammoniacale ou par une méthode colorimétrique par exemple basée sur le bleu d'indophénol), et on somme les quantités de NH3 disponibles via ces deux sources. Quelle que soit la variante utilisée, soit on compare la valeur calculée avec la valeur théorique donnée ci avant (environ 18% pour les solutions d'AdBlue 30 ou de Denoxium -30TM) et on en déduit un facteur de correction sur le volume de solution à injecter; soit la méthode selon l'invention recourt à un calculateur qui utilise directement la valeur de concentration calculée pour en déduire le volume à injecter. Selon l'invention, la solution de précurseur est stockée dans un réservoir 35 ventilé et/ou dont la pression est tarée de sorte que seule la température soit à considérer comme paramètre pour l'établissement des abaques et non la pression. 2909901 4 Selon une variante avantageuse qui sera décrite plus en détail plus loin, la méthode selon l'invention utilise un calculateur conçu pour pouvoir cumuler les temps de conditionnement lorsque la température de la solution varie au cours du temps (ou en d'autres termes: qu'il puisse sauter d'un abaque à l'autre lorsque la 5 température varie et ce en vue de cumuler les effets du vieillissement thermique aux différentes températures). Alternativement, on pourrait munir le réservoir d'un système de conditionnement assurant une température constante dans le réservoir mais cette variante est plus difficile et coûteuse à réaliser en pratique. La présente invention concerne également un système pour le dosage et 10 l'injection d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant au moins un réservoir ventilé et/ou taré en pression, muni d'un capteur de température et destiné au stockage de la solution; une ligne d'injection de la solution dans les gaz d'échappement; et un calculateur permettant de calculer la 15 quantité de solution à injecter dans lesdits gaz en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur et de la quantité de précurseur présente dans la solution obtenue sur base d'une information du capteur de température d'abaques obtenus par vieillissement de solutions de référence et établissant pour différentes températures, l'évolution de la concentration en précurseur en fonction 20 du temps à la pression de tarage du réservoir. Le système selon l'invention comprend au moins un réservoir destiné au stockage de l'additif (solution de précurseur). 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. Les résines 25 polyoléfines, en particulier le polyéthylène (et plus particulièrement, le PEHD ou polyéthylène haute densité), constituent des matériaux préférés. Le système selon l'invention comprend généralement une pompe servant à amener la solution d'additif à la pression requise pour son dosage et son injection. Différents types de pompes peuvent convenir à l'application : pompe à 30 engrenage, pompe à piston, pompe à membrane... 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 35 d'acier inoxydable et d'aluminium notamment). Le recours à du cuivre, même pour des éléments de connexion, n'est pas souhaitable. 2909901 5 Selon l'invention, le réservoir est ventilé (c.à.d. mis à l'atmosphère) et/ou la pression régnant dans celui-ci est tarée au moyen d'un dispositif adéquat. Celui-ci peut consister en un simple clapet taré. De préférence, celui-ci peut diriger vers un canister, les vapeurs créant une surpression dans le réservoir de 5 manière à ce que celles-ci ne soient pas rejetées telles quelles dans l'atmosphère mais au préalable épurées en d'ammoniac. Cette variante (avec surpression) présente également comme avantage que la solubilité de l'ammoniac est augmentée et que donc, une grande partie de l'ammoniac issu de la dégradation du précurseur reste finalement disponible pour la réaction de SCR. 10 Dans cette variante, la gamme de surpression s'étend généralement de 100 mbar à 1 bar, avec un intervalle préféré entre 250 et 500 mbar. Au moment du remplissage, la pression à l'intérieur du réservoir est la pression atmosphérique. Après fermeture du réservoir, la pression interne résulte de la surpression autogène (résultant de la décomposition de l'urée, fonction de la température) et 15 peut ne pas atteindre la valeur de tarage du clapet. Le système selon l'invention comprend également une ligne d'injection destinée à amener l'additif vers le tuyau d'échappement du moteur et reliant pour ce faire le réservoir et un injecteur généralement situé à l'extrémité de la ligne d'injection débouchant dans ou près du tuyau d'échappement. Cet injecteur peut 20 être de tout type connu. Il peut soit être un injecteur dit actif c.à.d. incluant la fonction de dosage, soit un injecteur dit passif alors couplé à un dispositif additionnel de dosage tel qu'une vanne doseuse par exemple. Il s'agit avantageusement d'un injecteur passif et en particulier, d'un gicleur ou pulvérisateur permettant d'obtenir des gouttes de solution d'un diamètre compris 25 entre 5 et 100 m. Un tel gicleur est avantageusement muni d'un orifice de diamètre de l'ordre de 150 m û 250 m. Cet orifice est de préférence alimenté par un système de fins canaux (3 û 4) produisant un phénomène de swirl (vortex) de la solution en amont du gicleur. Le colmatage pourrait être évité par la purge qui élimine les dernières gouttelettes d'urée; il n'y a donc pas de 30 cristallisation par évaporation. Dans cette variante de l'invention, le dosage de la quantité de solution est de préférence réalisé par régulation de la durée et de la fréquence d'ouverture de la vanne doseuse. Cette vanne peut être une vanne piézoélectrique ou solénoïde dont la régulation peut être électronique. 35 Le système selon l'invention comprend un calculateur relié au dispositif de dosage et permettant d'amener vers l'injecteur, la quantité d'additif requise en 2909901 6 fonction de l'état de vieillissement de la solution et d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur qui peut être choisi parmi le taux d'émission et de conversion des NOx; la température et/ou la pression; la vitesse et/ou la charge du moteur... 5 Dans une variante préférée de l'invention, ce calculateur a une mémoire dans laquelle sont stockées des abaques donnant l'évolution en fonction du temps, de la concentration en précurseur et en ammoniac/que de la solution (exprimées telles quelles ou sous la forme d'ammoniac total disponible) à laquelle est destinée le système et ce à différentes températures voire même à 10 différentes pressions correspondants à des dispositifs de tarage (clapets) différents qu'il est possible d'utiliser sur ce type de système. Le système selon l'invention comprend enfin un capteur de la température régnant dans le réservoir. Avantageusement, ce capteur de température peut également remplir une autre fonction dans le système (par exemple pour le 15 conditionnement thermique de la solution). La présente invention est illustrée de manière non limitative par la figure 1 qui illustre un système selon une variante préférée de l'invention. Le sens de circulation des gaz d'échappement y est indiqué par une flèche marquée G . Ce système comprend un réservoir (1) contenant la solution de précurseur 20 d'ammoniac. Ce réservoir est muni d'un système de maintien de surpression (250 ù 500 mbar) (2) et d'un capteur (3) permettant de mesurer la température de la solution. La surpression présente l'avantage d'augmenter la solubilité de l'ammoniac produit par une dégradation du précurseur. Le précurseur d'ammoniac est acheminé par action d'une pompe (4) vers 25 un gicleur (6) situé dans la ligne d'évacuation (9) des gaz d'échappement du moteur, en amont d'un catalyseur SCR (8). Les quantités injectées sont conditionnées par une vanne doseuse (5) dont l'ouverture est pilotée par une unité de contrôle électronique ou ECU (7). Un capteur de température (3) fournit une donnée d'entrée à l'unité de contrôle (7). 30 Les évolutions en fonction du temps de la concentration en urée et en ammoniac/que de la solution de précurseur, déterminées par ailleurs (par exemple en utilisant les méthodes analytiques décrites précédemment sur des solutions vieillies à dessin dans le même système et dont des échantillons sont prélevés régulièrement pour analyse), sont introduites dans l'ECU, en 35 considérant la température comme paramètre. La température de la solution de précurseur est enregistrée au cours du 2909901 7 temps. Pour des niveaux de températures données, les temps de conditionnement sont cumulés. L'ECU se réfère alors aux évolutions de la concentration en urée et en ammoniac/que et établit la quantité équivalente en ammoniac disponible dans la solution de précurseur à tout moment du vieillissement. Cette quantité 5 équivalente est alors comparée à celle initiale, pour laquelle existe un standard qualité: par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'Adblue , la teneur en urée est comprise entre 31,8% et 33,2% (en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible comprise entre 18,0% et 18,8%, et le facteur de correction du volume à injecter est ainsi déterminé. REVENDICATIONS 1 - Méthode pour le dosage d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac stockée dans un réservoir ventilé et/ou taré en pression dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ladite méthode consistant à déterminer la concentration en précurseur de la solution sur base d'une mesure de la température de la solution dans le réservoir et d'abaques obtenus par vieillissement de solutions de référence et établissant pour différentes températures, l'évolution de la concentration en précurseur en fonction du temps à la pression de tarage du réservoir. 2 - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la solution aqueuse de précurseur d'ammoniac est une solution eutectique d'urée. 3 - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les abaques permettent de déduire la quantité totale d'ammoniac disponible dans la solution sous forme de précurseur, d'ammoniac et d'ammoniaque. 4 û Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que la quantité d'ammoniac disponible dans les solutions de référence est déterminée par un dosage analytique de l'azote total présent dans la solution. 5 - Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que la quantité d'ammoniac disponible dans les solutions de référence est déterminée sur base de la teneur en précurseur et de la teneur en azote ammoniacal déterminées indépendamment, par des méthodes spécifiques. 6 - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle utilise un calculateur conçu pour pouvoir cumuler les temps de conditionnement lorsque la température de la solution varie au cours du temps. 7 - Système pour le dosage et l'injection d'une solution aqueuse de précurseur d'ammoniac dans des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant au moins un réservoir ventilé et/ou taré en pression, muni d'un capteur de température et destiné au stockage de la solution; une ligne d'injection de la solution dans les gaz d'échappement; et un calculateur 2909901 9 permettant de calculer la quantité de solution à injecter dans lesdits gaz en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur et de la quantité de précurseur présente dans la solution obtenue sur base d'une information du capteur de température d'abaques obtenus par vieillissement de solutions de 5 référence et établissant pour différentes températures, l'évolution de la concentration en précurseur en fonction du temps à la pression de tarage du réservoir. 8 ù Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réservoir comprend un clapet taré susceptible de diriger vers un canister, des 10 vapeurs créant une surpression dans le réservoir. 9 ù Système selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les abaques permettent de déduire la quantité totale d'ammoniac disponible dans la solution sous forme de précurseur, d'ammoniac et d'ammoniaque. 10 ù Système selon la revendication précédente, dans lequel la mémoire du 15 calculateur comprend plusieurs séries d'abaques obtenus à des pressions de tarage différentes.