Brevet FR2904855A1 — publié le 20080215

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 des véhicules, des dispositifs de dépollution des NOx (ou oxydes d'azotes) doivent être mis en place. Le système retenu par la plupart des constructeurs de véhicules 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. En vue de faciliter le fonctionnement et le re-démarrage d'un tel système en cas de gel, il est avantageux de périodiquement purger les canalisations ayant véhiculé l'urée en vue des les débarrasser des dépôts liquide d'additif, qui sont susceptibles de se solidifier en cas de gel. En particulier, il est avantageux de purger la ligne reliant le réservoir à additif à l'injecteur (ou ligne d'injection). Ceci permet également d'éviter l'utilisation d'un dispositif complexe de réchauffage des canalisations pour l'urée. Un tel dispositif de purge fait l'objet de la demande WO 2006/064028 au nom de la demanderesse. En ce qui concerne le dosage et l'injection des solutions d'urée dans les gaz d'échappement, plusieurs systèmes ont été décrits dans l'art antérieur. Ainsi, la demande US 2002/0081239 décrit à elle seule plusieurs solutions qui sont respectivement le dosage par simple gravité ; l'utilisation d'une pompe ; et le fait de mettre le réservoir sous pression soit via de l'air comprimé, soit par une pression mécanique exercée sur une paroi souple du réservoir. Cette demande ne propose pas de système de purge. La demande WO 03/033111 décrit quant à elle un système de dosage à l'aide d'une pompe incluant un dispositif de purge, mais qui présente l'inconvénient de by-passer la pompe (et les parties de canalisation avoisinantes) présente sur la ligne d'injection. Un tel système n'est donc pas très fiable. En outre, le recours à une pompe implique un coût relativement important. 2904855 2 La présente demande vise à résoudre ces problèmes en proposant un système de stockage et d'injection d'un additif réducteur dans les gaz d'échappements d'un moteur qui est à la fois simple, efficace, fiable et peu coûteux. Elle est basée sur l'idée originale d'utiliser un dispositif de type venturi 5 pour aspirer l'additif, avec l'avantage que les dispositifs utilisant cet effet sont simples, robustes et peu coûteux et peuvent également être utilisés pour purger les canalisations du système. Il convient de noter à ce propos que la demande US précitée mentionne l'utilisation d'un effet venturi mais uniquement pour mélanger l'urée avec de l'air comprimé, le cas échéant, et non pas pour aspirer la 10 solution du réservoir. Dès lors, le système qui y est décrit doit soit être pourvu d'un moyen d'aspiration supplémentaire (pompe par exemple), soit être disposé dans le véhicule de manière de manière à ce que la solution puisse s'écouler par gravité (voir ≈[0036]), ce qui est contraignant d'un point de vue architecture système. 15 A cet effet, la présente invention concerne un système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, un injecteur et un dispositif pour véhiculer l'additif du réservoir à l'injecteur via une ligne d'injection, ledit dispositif étant de type venturi et 20 susceptible d'aspirer la quantité d'additif nécessaire pour optimiser son effet quelle que soit l'implantation du réservoir à additif sur le véhicule. 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 25 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 30 d'urée) conviennent bien. 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 2904855 -3 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 et au moins une ligne d'injection destinée à amener l'additif 5 vers un tuyau d'échappement du moteur. Cette ligne est munie en son extrémité, d'un injecteur permettant l'injection de l'additif dans les gaz d'échappement. Selon l'invention, cette ligne comprend également un dispositif de type venturi pour amener l'additif du réservoir à additif vers l'injecteur, ce dispositif utilisant donc un effet d'aspiration par venturi. En particulier, le système selon l'invention 10 ne comprend pas de pompe ni d'autre dispositif mettant la solution d'additif sous pression pour pouvoir l'injecter dans les gaz d'échappement. Il permet en outre d'obtenir un débit d'aspiration tel que le réservoir à additif peut être implanté n'importe où sur le véhicule (en d'autres termes : l'effet d'aspiration que ce dispositif permet d'obtenir est suffisant pour pouvoir couvrir toute la gamme de 15 débits nécessaires sans devoir être assisté par un effet de gravité). Les débits nécessaires dépendent des quantités demandées par le catalyseur ainsi que de la fréquence et de la durée de l'injection. En particulier, le dispositif venturi est de préférence capable d'assurer un débit allant de 0.5 à 1001/h. Selon l'invention, l'effet venturi peut être obtenu par tout dispositif connu 20 utilisant un jet ou un flux de fluide susceptible de créer un effet d'aspiration. De préférence, ce fluide est un gaz et de manière tout particulièrement préférée, un gaz inerte c.à.d. peu ou pas susceptible d'interférer avec la réaction SCR. En effet, par définition, ce fluide et l'additif vont se mélanger et être injectés conjointement dans les gaz d'échappement. Il s'agit de préférence d'air (et en 25 particulier, d'air comprimé comme par exemple disponible sur les poids lourds équipés d'un système de freinage à l'air comprimé) ou de gaz d'échappement (et en particulier, de gaz d'échappement sous pression provenant par exemple d'un turbocompresseur du moteur). Une source d'air comprimé indépendante donne également de bons résultats. A noter toutefois que l'utilisation de gaz de 30 turbocompresseur permet de réchauffer la solution d'additif par passage à travers le venturi, ce qui est avantageux. La chaleur du gaz est en effet utile à la vaporisation de la solution d'urée, voire même à la formation d'ammoniac. Un grand nombre de dispositifs de type venturi existe commercialement. Dans le cadre de l'invention, on peut envisager un venturi de type trompe à eau, 35 en inversant les entrées gaz et liquide. 2904855 -4 Le système selon l'invention comprend généralement un dispositif permettant de doser la quantité exacte d'additif requise. Ce dispositif peut être intégré à l'injecteur (en d'autres termes : l'injecteur peut être un injecteur dit actif ou injecteur/doseur) ou être constitué par un dispositif additionnel tel 5 qu'une vanne doseuse par exemple. Cette dernière variante est préférée car elle permet de séparer les fonctions de dosage et d'injection, ce qui augmente la fiabilité du système et permet d'améliorer la robustesse de l'injecteur. La vanne doseuse a généralement une ouverture régulée en fréquence et en durée. Le choix préféré porte sur les vannes de type piézoélectrique ou solénoïde pouvant être 10 pilotées électroniquement. A noter que cette vanne doseuse peut soit doser directement la quantité l'additif, soit doser la quantité de fluide actionnant le venturi et par là, le débit d'additif aspiré. Cette dernière variante est préférée car elle permet en fait le gain d'une vanne : celle sur la ligne allant du réservoir vers le venturi. 15 Le plus souvent, le système selon l'invention comprend un calculateur relié à la vanne doseuse. Ce calculateur peut être spécialement dédié à cette fonction ; alternativement, il peut être intégré à l'ordinateur central du véhicule gérant notamment le fonctionnement du moteur (ECU ou Engine Control Unit) ou à tout autre ordinateur présent sur le véhicule (tel que celui du système à carburant 20 ou FSCU û Fuel System Control Unit). Selon une variante préférée de l'invention, le dispositif venturi peut également servir à purger le système qui comprend dès lors généralement des vannes et/ou tronçons de lignes supplémentaires à cet effet. Selon une autre variante préférée de l'invention, qui peut ou non être 25 utilisée conjointement avec la précédente, le système selon l'invention comprend un dispositif de refroidissement de l'injecteur. Dans le cas d'un injecteur actif (doseur), ce dispositif peut consister en un retour d'additif vers le réservoir. Toutefois, dans le cadre de l'invention, il s'agit de préférence d'une chambre d'expansion de gaz entourant l'injecteur. Selon une variante particulièrement 30 avantageuse, ce gaz est le fluide actionnant le venturi, et la chambre est reliée à la réserve de ce fluide par une ligne dite de refroidissement. La purge et/ou le refroidissement de l'injecteur sont également gérés par le calculateur susmentionné, le cas échéant. La présente invention est illustrée de manière non limitative par les 35 figures 1 et 2, qui concernent chacune une variante différente. La figure 1 représente une variante avec vanne doseuse sur la ligne allant du réservoir à 2904855 5 l'injecteur et la figure 2, une variante où la vanne doseuse est présente sur la ligne d'actionnement du venturi. Sur ces figures, des N identiques désignent des éléments identiques. La figure 1 représente une variante de système selon l'invention 5 comprenant un réservoir à additif (1) contenant un précurseur d'ammoniac (solution aqueuse d'urée à 32.5% en poids d'urée (eutectique)) et une ligne d'injection (2) allant du réservoir (1) vers un injecteur (5) situé au niveau du tuyau d'échappement (7). La ligne d'injection (2) comprend une vanne doseuse (6) et un venturi (3) alimenté en air comprimé par un compresseur (4) via une 10 ligne munie d'une vanne (8). Les vanne(s) (6, 8) sont des vannes tout ou rien à deux positions. En mode de fonctionnement normal (injection d'additif), la vanne (8) est ouverte entre le compresseur (4) et le venturi (3), et la vanne doseuse (6) est ouverte entre le réservoir (1) et le venturi (3). La quantité de solution injectée est 15 dosée à l'aide de la vanne doseuse (6). La purge des lignes est réalisée selon les étapes suivantes : Etape 1 : fermeture de la vanne (6) entre le réservoir (1) et le Venturi (3) ; envoi d'air comprimé dans le venturi (3) à travers la vanne (8) permettant la purge de la portion de la ligne (2) en aval de la vanne (6) jusqu'à l'injecteur (5). 20 Etape 2 : basculement des vannes (6) et (8) de manière à purger la portion de ligne (2) comprise entre la vanne (6) et le réservoir (1) par injection d'air comprimé vers la vanne (8), puis vers la vanne doseuse (6) et ensuite vers le réservoir (1). La figure 2 représente une variante où la vanne doseuse (6) est cette fois 25 présente sur la ligne d'air comprimé et permet donc de moduler de manière indirecte les quantités injectées de solution de précurseur d'ammoniac injectées. L'injecteur (5) est muni d'une chambre de détente (9) permettant son refroidissement suite à l'expansion des gaz acheminés du compresseur (4) par la canalisation (10). 30 L'injecteur (5) et sa chambre de refroidissement (9), le dispositif venturi (3) et la ligne (2) sont purgés à l'air comprimé lorsque la vanne (5) met en communication le compresseur (4) avec une canalisation (11) reliée à l'injecteur (5) et ce faisant, injecte de l'air comprimé à travers l'injecteur (5) puis à travers le dispositif venturi (3), puis à travers la ligne (2) jusqu'au réservoir (1). REVENDICATIONS 1. - Système pour le stockage et l'injection d'un additif dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule, ledit système comprenant un réservoir pour le stockage de l'additif, un injecteur et un dispositif pour véhiculer l'additif du réservoir à l'injecteur via une ligne d'injection, ledit dispositif étant de type venturi et susceptible d'aspirer la quantité d'additif nécessaire pour optimiser son effet quelle que soit l'implantation du réservoir à additif sur le véhicule. 2. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif venturi est capable d'assurer un débit allant de 0.5 à 1001/h. 3. - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif venturi utilise un gaz sous pression. 4. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le gaz est de l'air comprimé. 5. - Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz est un gaz d'échappement issu d'un turbocompresseur associé au moteur. 6. - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne doseuse. 7. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vanne doseuse est disposée sur une ligne reliant le venturi à une réserve de fluide actionnant celui-ci. 8. - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif venturi permet également de purger le système. 9. - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu'il comprend un dispositif de refroidissement de l'injecteur. 10. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est une chambre d'expansion de gaz entourant l'injecteur.