Brevet FR2903727A1 — publié le 20080118

Système de stockage pour précurseur d'ammoniac La présente demande concerne un système de stockage pour un précurseur d'ammoniac (en particulier, une solution aqueuse d'urée) destiné à être injecté dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne. Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NO, 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 (NO,) en azote (N2) et en eau (H2O). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution aqueuse d'urée, 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 de solutions d'urée ont été prévus. Certains de ces systèmes ont même été conçus pour supprimer les effets liés à la décomposition de la solution d'urée embarquée, qui, sous l'action de la chaleur, conduit à un dégagement d'ammoniac et de dioxyde de carbone, d'autant plus important que la température à laquelle la solution est portée est élevée. Les émanations d'ammoniac pourraient en effet favoriser des phénomènes de corrosion et être source d'une nuisance olfactive, en raison du caractère irritant de ce gaz dont le seuil de détection se situe entre 0,5 et 37 mg/m3 d'air. Ainsi, la demande JP 2003-314252 décrit un système de stockage d'urée comprenant un réservoir et un canister permettant d'adsorber les vapeurs 2903727 -2 d'ammoniac générées dans le réservoir avant de relâcher à l'atmosphère, les gaz sous pression générés au dessus de la solution d'urée dans le réservoir fermé. La demande US 2006/0051276 divulgue quant à elle un système d'adsorption de ces vapeurs comprenant une bouteille de lavage contenant de 5 l'eau, et une vanne de sécurité. L'un et l'autre de ces documents proposent de remplacer régulièrement respectivement le canister et la bouteille, afin de garantir le bon fonctionnement à long terme du système. Une telle procédure implique une intervention humaine qui est désagréable (compte tenu du problème olfactif évoqué précédemment). 10 Dans le cas du canister, elle est en outre coûteuse. La présente demande vise à résoudre ces problèmes en fournissant un système de stockage pour solutions d'urée qui permet une régénération automatique et contrôlée du canister. A cet effet, la présente invention concerne un système pour le stockage 15 d'une solution aqueuse d'urée destinée à être injectée dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir muni d'une canalisation de ventilation comprenant un canister susceptible d'adsorber les vapeurs d'ammoniac générées dans le réservoir, ce canister étant relié à une ligne de purge susceptible d'être montée sur la ligne 20 d'échappement du moteur. La présente invention concerne donc un système de stockage pour solutions aqueuses d'urée. Etant donné ce qui précède, on entend en fait par solution aqueuse d'urée désigner tout précurseur d'ammoniac auquel la présente invention peut s'appliquer. Les solutions eutectiques d'urée 25 (comprenant 32.5% en poids d'urée dans de l'eau) conviennent bien dans le cadre de l'invention. Ces solutions sont destinées à être injectées dans les gaz d'échappement de 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 30 (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 la solution d'urée. Ce réservoir peut être en une matière quelconque, de préférence ayant une résistance chimique à l'additif concerné. Il s'agit en 2903727 -3 général de métal ou de matière plastique. 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 ligne de ventilation qui 5 débouche généralement dans sa paroi supérieure (voire, en tête de tubulure de remplissage) et qui permet d'évacuer les gaz sous pression au dessus de la solution stockée. De préférence, cette ligne comprend au moins un clapet taré pour ne ventiler le réservoir (c.à.d. pour en évacuer les gaz sous pression en les dirigeant 10 vers le canister) qu'au-delà d'une certaine pression (généralement supérieure ou égale à 200 mbar, voire à 400 mbar, mais de préférence inférieure ou égale à 800 mbar, voire à 600 mbar). Cette manière de procéder permet de limiter le dégagement gazeux. On peut pour se faire par exemple utiliser un clapet de sécurité pression / dépression muni de deux valves avec ressorts, l'une limitant la 15 surpression à l'intérieur du réservoir, l'autre admettant une entrée d'air en cas de dépression. Ce clapet peut se trouver entre le canister et sa connexion vers l'atmosphère, ou entre le réservoir et le canister. Cette dernière variante est préférée, car elle permet de limiter la quantité de vapeurs à adsorber. Dans ce 20 cas, le clapet en question est de préférence situé près de l'endroit où la ligne de ventilation débouche dans le réservoir. Selon une variante particulièrement préférée de l'invention, cet endroit est situé en tête de tubulure de remplissage et le clapet taré est intégré à l'obturateur. Il est dès lors ôté ou escamoté lors du remplissage du réservoir. 25 Selon une variante particulièrement préférée de l'invention, objet d'une demande co-pendante au nom de la demanderesse, le système selon l'invention comprend également (outre le clapet de mise en pression susmentionné) un dispositif permettant de diriger les vapeurs présentes dans le réservoir vers le canister juste avant son remplissage, quelle que soit la pression qui y règne. De 30 manière tout particulièrement préférée, le système selon cette variante de l'invention comprend également un dispositif permettant de diriger les vapeurs présentes dans le réservoir vers le canister pendant son remplissage. Selon l'invention, la ligne de ventilation comprend un canister ou boîtier comprenant une substance susceptible d'adsorber les vapeurs d'ammoniac. Il 35 s'agit préférentiellement de solides poreux de surface spécifique importante (charbons actifs modifiés, zéolithes, tamis moléculaires, oxydes de métaux, 2903727 4 vanadium, titane, mais aussi des silices-alumines). Un tel canister est généralement raccordé d'une part, à la ligne de ventilation et d'autre part, à l'atmosphère. Selon l'invention, ce canister est également relié à la ligne d'échappement du moteur par une ligne de purge. On entend par ligne de 5 purge , une canalisation permettant d'amener les émanations du canister lors de sa régénération, dans les gaz d'échappement. Le système selon l'invention est de préférence muni d'un dispositif permettant d'aspirer un gaz de purge. Un dispositif qui donne de bons résultats consiste en un Venturi et compte tenu de l'application, ce Venturi est 10 avantageusement actionné par les gaz d'échappement. Selon une première variante, qui est préférée, le gaz de purge consiste justement en gaz d'échappement dont on force le passage au travers du canister pour le régénérer (purger). En pratique, ceci peut être réalisé grâce à un piquage sur la ligne d'échappement (en amont de l'injecteur de la solution d'urée), avec 15 aspiration par un dispositif de type Venturi via la ligne de purge. Dans cette variante, lors de la ventilation, l'ammoniac est adsorbé sur le canister, et l'air purifié peut être injecté dans les gaz d'échappement via la ligne de purge. Selon une deuxième variante, la ligne de purge comprend un dispositif qui est susceptible d'aspirer de l'air à travers le canister pour le régénérer (purger), et 20 d'alimenter les gaz résultant de la régénération aux gaz d'échappement. Un tel dispositif peut être un venturi disposé en son extrémité, qui est de préférence actionné par le passage des gaz d'échappement. L'air est aspiré via un simple embout piquant sur le canister, qui est avantageusement le même que celui qui permet la ventilation du réservoir. En effet, dans cette variante, lors de la 25 ventilation, l'ammoniac est adsorbé sur le canister, et l'air purifié est rejeté à l'atmosphère via un embout. La purge à l'aide des gaz d'échappement est préférée, car l'efficacité de la purge est favorisée par la température élevée des gaz. La purge à l'air évite cependant un piquage supplémentaire sur la ligne d'échappement. 30 De manière préférée, le système selon l'invention comprend également au moins une vanne qui permet d'isoler certaines parties du système respectivement en ventilation ou en purge. Des électrovannes pilotables par un ordinateur de bord (celui qui gère le fonctionnement du moteur (ECU ou Engine Control Unit) par exemple, celui qui gère le système à carburant (FSCU ou Fuel System 35 Control Unit) ;...) donnent de bons résultats. Dans le cas où le clapet taré de ventilation est disposé entre le réservoir et le canister, ce clapet peut remplir les 2 2903727 -5 fonctions (ventilation en cas de surpression ; fermeture de la connexion réservoir/canister en cas de purge). Ceci est possible en utilisant un clapet de sécurité en pression et dépression tel que décrit précédemment. Lorsque les gaz d'échappement sont utilisés comme gaz de purge, cette 5 vanne est de préférence située sur la ligne de ventilation, à l'endroit du piquage amont. Elle permet respectivement d'ouvrir le piquage et de fermer la connexion vers le réservoir (lors de la purge) ou de fermer le piquage et d'ouvrir la connexion vers le réservoir (en ventilation). Lorsque le gaz de purge est l'air, cette vanne se situe de préférence sur la ligne de purge et respectivement ouvre 10 celle-ci lors de la purge, et la ferme en ventilation. La présente invention concerne également un véhicule automobile équipé d'un système tel que décrit précédemment. En d'autres termes, il concerne un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne ayant une ligne d'échappement et comprenant un réservoir muni d'une canalisation de ventilation comprenant un 15 canister susceptible d'adsorber les vapeurs d'ammoniac générées dans le réservoir, le canister étant relié à une ligne de purge montée sur la ligne d'échappement du moteur. Dans ce véhicule, la gestion des cycles de purge est de préférence assurée de manière automatique par un ordinateur qui peut être spécifique à la gestion du 20 système de stockage et d'injection d'urée. Elle peut également être confiée à un ordinateur déjà embarqué dans le véhicule tel que l'ordinateur de bord gérant le fonctionnement du moteur (ECU ou Engine Control Unit), ou l'ordinateur gérant le système à carburant (FSCU ou Fuel System Control Unit). Dans ce cas, de préférence, l'ECU ou le FSCU gère la totalité de la fonction SCR. 25 La présente invention est illustrée de manière non limitative par les figures 1 à 3. La figure 1 représente un système de stockage d'urée intégrant certaines variantes décrites ci-dessus, et dont la purge est réalisée au moyen des gaz d'échappement et la figure 2, un tel système où la purge est effectuée à l'air. Ces deux figures illustrent une même variante de dispositif permettant la 30 ventilation juste avant le remplissage. La figure 3 représente en détail le dispositif permettant la ventilation juste avant le remplissage des systèmes illustrés aux figures 1 et 2, faisant appel à une pièce intermédiaire en forme d'anneau. Dans ces figures, des numéros identiques désignent des éléments 35 identiques ou similaires. 2903727 -6 On peut y voir un réservoir (1) équipé d'une ligne de ventilation (10) qui débouche dans le haut de la tubulure de remplissage, et d'un clapet (2) taré à 500 mbar pour permettre de maintenir une surpression dans le réservoir (1). Ce clapet (2) est intégré à un bouchon (12) et il comprend un 1 er orifice (9) 5 communiquant avec le réservoir (1) (via sa tubulure de remplissage) et un second orifice (7) communiquant avec l'entrée de la ligne de ventilation (10) lorsque le bouchon est fermé. Sous l'effet d'une pression au moins égale à 500 mbar, un élément mobile dans le clapet (ou le clapet lui-même) se soulève et met le réservoir et la ligne de ventilation en communication. Un flux gazeux est alors 10 entraîné au travers de l'orifice (9) dans le clapet (2) et via la ligne de ventilation (10), vers un canister (3) dans lequel l'ammoniac est adsorbé. La sortie de ce canister est reliée à la ligne d'échappement (4) du moteur par une ligne de purge (13), et l'entrée du canister est reliée soit à la ligne d'échappement par une ligne (6), à travers une vanne (11) (figure 1), soit à 15 l'atmosphère via un embout (6) (figure 2). Dans le système de la figure 1, la vanne (11) est prévue dans la ligne de ventilation (10) pour isoler le réservoir (1) durant la purge du canister (3). Durant les processus d'adsorption (à la fois en fonctionnement et au remplissage), la vanne (11) ouvre la ligne de ventilation. 20 Dans ce système, la régénération du canister (3) est réalisée par un balayage avec les gaz d'échappement. La vanne (11) est alors dans une position où elle ferme la ligne de ventilation (10). Une fraction des gaz d'échappement est alors aspirée à travers le canister via la ligne de piquage (6) par un dispositif de type venturi (5) installé dans la ligne d'échappement (4). 25 Dans le système de la figure 2, la régénération du canister est assurée par un balayage à l'air et la vanne (11) est disposée sur la ligne de purge (13). Lors de la purge, la vanne (11) est en position ouverte ; de l'air entre dans le filtre par l'embout (6), étant aspiré à travers le canister (3) et la ligne de purge (13) par un dispositif de type Venturi (5) installé dans la ligne d'échappement. 30 Les deux systèmes (tant celui de la figure 1 que celui de la figure 2) sont prévus pour ventiler juste avant le remplissage quelle que soit la pression régnant dans le réservoir (1). L'ammoniac s'échappant par la ligne (10) est également adsorbé sur le canister (3) à l'issue de cette opération. Pour ce faire, lors de l'ouverture du bouchon (12) pour le remplissage, la 35 surpression éventuelle à l'intérieur du réservoir est relâchée lorsqu'un troisième orifice (14) du clapet (2) vient coïncider avec la lumière d'un anneau (8) 2903727 7 solidaire de la tubulure, au cours du mouvement de rotation (par exemple d'un quart de tour) du bouchon (12) entraînant le clapet (2). L'intérieur du réservoir communique avec la ligne de ventilation comme indiqué sur la figure 3a, au travers d'une chambre creuse (15). La ventilation du réservoir (lorsque le 5 bouchon est mis) est réalisée comme indiquée par la flèche sur la figure 3b. REVENDICATIONS 1 - Système pour le stockage d'un précurseur d'ammoniac destiné à être injecté dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, ledit système comprenant un réservoir (1) muni d'une ligne de ventilation (10) comprenant un canister (3) susceptible d'adsorber les vapeurs d'ammoniac générées dans le réservoir (1), caractérisé en ce que le canister (3) est relié à une ligne de purge (13) susceptible d'être montée sur la ligne d'échappement du moteur. 2 - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la ligne de ventilation (10) comprend un clapet (2) taré pour ne ventiler le réservoir qu'à une pression supérieure ou égale à 200 mbar. 3 - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif permettant de diriger les vapeurs présentes dans le réservoir (1) vers le canister (3) juste avant son remplissage. 4 - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif permettant de diriger les vapeurs présentes dans le réservoir (1) vers le canister (3) pendant son remplissage. 5 - Système de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un Venturi (5) permettant d'aspirer 20 un gaz de purge. 6 - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le gaz de purge consiste en gaz d'échappement dont on force le passage au travers du canister (3) à l'aide d'un piquage sur la ligne d'échappement avec aspiration par le Venturi (5) à travers la ligne de purge (13). 25 7 - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une vanne (11) située sur la ligne de ventilation (10), à l'endroit du piquage, permet respectivement d'ouvrir le piquage et de fermer la connexion vers le réservoir (1) (lors d'une purge), et de fermer le piquage et d'ouvrir la connexion vers le réservoir (1) (en ventilation). 2903727 8 - Système de stockage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz de purge est de l'air et en ce que le Venturi (5) est disposé sur la ligne de purge (13) et aspire l'air à travers un embout (6) présent sur le canister (3). 9 - Système de stockage selon la revendication précédente, caractérisé 5 en ce qu'une vanne (11) située sur la ligne de purge (13) permet respectivement d'ouvrir celle-ci (lors d'une purge), et de la fermer (en ventilation). 10 - Véhicule équipé d'un système de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes.