Brevet FR2918718A1 — publié le 20090116

Pompe rotative pour véhicule La présente invention concerne une pompe rotative destinée à être embarquée dans un véhicule et en particulier, une pompe pour système SCR à l'urée ; elle concerne également un réservoir équipé d'une telle pompe ainsi que l'utilisation de cette pompe/réservoir dans un système SCR. Avec l'entrée en vigueur en 2005 de la norme Euro IV sur les émissions à l'échappement pour les poids lourds, des dispositifs de dépollution des NOx (ou oxydes d'azote) ont dû 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 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, d'un dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter dans la ligne d'échappement et d'un dispositif d'alimentation en solution d'urée du dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter. En général, le dispositif d'alimentation comprend une pompe rotative entraînée par un moteur. Les véhicules peuvent bien entendus être équipés d'autres pompes à liquide, par exemple d'une pompe à carburant, d'une pompe pouvant doser un additif directement dans le carburant (diesel en particulier) pour réduire l'émission de particules... Un point commun de ces pompes embarquées réside dans le fait qu'elles doivent idéalement présenter un encombrement limité pour une efficacité optimale (tant en termes de pression que de vitesse). Ces pompes sont généralement des pompes rotatives entraînées par un moteur de type quelconque, de préférence à couple magnétique pour éviter le recours à des joints dynamiques. Ainsi, la demande WO 2006/127137 décrit une pompe à carburant rotative entraînée par un moteur à couplage magnétique. Dans cette pompe, le carburant est aspiré à l'aide d'une turbine actionnée par un aimant rotatif et est ensuite refoulé à travers un filtre entourant ladite pompe, l'ensemble constituant un module compact. Ce document n'explicite toutefois pas le trajet du fluide entre l'aspiration et la sortie de la pompe. Dès lors, ce document n'explique pas comment optimiser les performances de la pompe notamment en termes de vitesse du fluide. En outre, pour augmenter l'efficacité de la turbine, il est avantageux de modifier la géométrie de ses pales d'une manière telle que généralement, la pompe ne peut tourner que dans un seul sens. Dans le cas des systèmes SCR à urée cités précédemment, il est toutefois avantageux de prévoir également un sens de rotation inverse permettant de purger le système en cas de gel (voir par exemple la demande FR 0700358 au nom de la demanderesse). La présente invention vise à fournir une pompe rotative entrainée par un moteur à couplage magnétique qui est efficace tant en termes de pression que de vitesse et ce avec un encombrement réduit. Selon une variante avantageuse, qui convient particulièrement pour les systèmes SCR à urée, elle permet également de fournir une pompe susceptible de tourner dans les deux sens. A cet effet, la présente invention concerne une pompe rotative destinée à pomper un fluide dans un système embarqué sur un véhicule et comprenant un axe de rotation solidaire à la fois d'un élément de pompage mécanique et d'un rotor aimanté, ce rotor comprenant au moins un évidement à travers lequel le fluide aspiré par l'élément de pompage mécanique est forcé. La pompe selon l'invention est une pompe rotative de n'importe quel type connu entraînée par un moteur à couplage magnétique et dont le contrôle est de préférence électronique (géré par un ECM ou Electronic Control Module). Le fluide auquel est destiné cette pompe est de préférence un composé liquide aux conditions normales d'utilisation et qui remplit une fonction active dans un véhicule de type automobile, poids lourd.... Ce fluide peut être utilisé pour le nettoyage, la lubrification, le freinage, la suspension, le refroidissement ou la dépollution notamment. Dans une forme de réalisation particulièrement appropriée, l'invention est utilisée dans le contexte de la dépollution des gaz d'échappement des véhicules. Dans ce cas le fluide peut être par exemple un additif utilisé pour la régénération d'un filtre à particules (FàP) ou peut être injecté dans les gaz d'échappement pour en réduire la teneur en NOx. Dans le cas d'un additif pour FàP, il s'agit généralement d'une composition, en solution dans un solvant hydrocarboné, d'un catalyseur de combustion à basse température de particules solides carbonées produites par la combustion incomplète d'un hydrocarbure lourd dans un moteur à allumage spontané. Par hydrocarbure lourd, on entend un carburant liquide ou pâteux à -3 température ordinaire dont les molécules comprennent plus de 9 atomes de carbone. Un exemple d'un tel hydrocarbure lourd est une coupe pétrolière appelée gasoil, utilisable dans les moteurs de type Diesel. Des exemples d'additifs liquides qui conviennent sont les sels de fer et de cérium en solution hydrocarbonée. En particulier, les solutions disponibles sous l'appellation commerciale EOLYS conviennent bien pour les FàP. Toutefois, la présente invention s' applique particulièrement bien à un agent réducteur susceptible de réduire les NOx présents dans les gaz d'échappement du moteur du véhicule. Il s'agit avantageusement d'un précurseur d'ammoniac en solution aqueuse. L'invention donne de bons résultats avec les solutions aqueuses d'urée et en particulier, les solutions eutectiques eau/urée telles que les solutions d'AdBlue dont la teneur en urée est comprise entre 31,8 % et 33,2 % en poids et qui contiennent environ 18 % d'ammoniac. L'invention peut également s' appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium également en solution aqueuse, vendus sous la marque Denoxium et qui contiennent environ 13 % d'ammoniac. Ces derniers présentent comme avantage par rapport à l'urée, le fait de ne geler qu'à partir de -35 C (par rapport à -11 C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération d'acide formique. Dans la pompe selon l'invention, l'effet de pompage (aspiration/refoulement) est essentiellement réalisé à l'aide d'un élément mécanique solidaire d'un axe de rotation. On entend par là un élément dont la géométrie est telle que sa rotation crée un effet de pompage. De préférence, cet élément de pompage comprend au moins deux engrenages (roues dentées) qui permettent, par rotation, de transvaser et d'augmenter la pression du fluide. Par rapport aux pompes rotatives classiques à turbine (c.à.d. une pièce rotative muni de pales ou d'ailettes), cette variante présente comme avantage d'avoir une bonne efficacité avec un gaz ou un liquide et quel que soit le sens de rotation. Pour obtenir une bonne efficacité avec un gaz et un liquide avec les turbines classiques, il faut choisir une géométrie de pales différente pour chaque fluide. Les turbines classiques sont donc généralement moins avantageuses en termes d'efficacité de pompage pour une utilisation combinée de gaz et liquides. Or, dans les systèmes à urée précités, lorsque la pompe tourne en mode purge , elle aspire de l'air ou des gaz d'échappement alors qu'en mode alimentation , elle aspire du liquide. Une pompe à engrenages convient donc bien pour ces systèmes. -4 En outre, une pompe à engrenages présente comme avantage par rapport aux pompes classiques, une grande efficacité dans les deux sens de rotation (l'un correspondant en général à l'alimentation du fluide et l'autre correspondant à une purge). En effet, pour augmenter l'efficacité de pompage d'une turbine classique, on modifie généralement le profil de ses pales pour les rendre asymétriques mais dès lors, l'effet bénéfique devient néfaste lorsqu'on inverse le sens de rotation. Selon l'invention, l'axe de rotation est solidaire d'un rotor aimanté qui peut être actionné (mis en rotation) par l'application d'un champ magnétique. Par aimanté , on entend que le rotor comprend de préférence au moins un aimant. Cet aimant peut être unique et être traversé par l'axe de rotation. Alternativement, il peut s'agir de plusieurs aimants disposés (de préférence de manière symétrique) autour de l'axe. Selon l'invention, le rotor aimanté comprend au moins un évidement à travers lequel le fluide aspiré par l'élément de pompage mécanique (engrenages de préférence) est forcé. De préférence, substantiellement tout le fluide aspiré est soumis successivement à l'action de l'élément mécanique et du rotor magnétique soit dans cet ordre, soit dans l'ordre inverse. De préférence, le fluide est d'abord aspiré par l'élément mécanique et est ensuite forcé à travers l'évidement du rotor dont la rotation lui confère un mouvement (trajectoire) hélicoïdal associé à une certaine accélération. De manière particulièrement préférée, afin de promouvoir ce mouvement, l'évidement dans le rotor est muni d'un relief optimisé. Une manière simple de réaliser cela en pratique consiste à insérer dans l'évidement, une pièce intermédiaire creuse (support) munie de reliefs internes adaptés pour donner à l'écoulement du fluide en son sein, une forme substantiellement hélicoïdale. Une sorte de capuchon muni d'ailettes hélicoïdales convient bien à cet effet. Dans une variante particulièrement préférée, le rotor de la pompe comprend un aimant muni d'un évidement central muni d'un support comprenant un capuchon qui coiffe l'aimant (et permet sa mise en position) et une partie cylindrique creuse s'étendant dans l'évidement à partir de la partie centrale du capuchon, l'axe de rotation de la pompe étant en partie inséré dans cette partie cylindrique qui est solidaire d'ailettes hélicoïdales s'étendant radialement de la partie cylindrique vers la paroi latérale de l'évidement. De préférence, le rotor aimanté est contenu dans un boîtier qui est fixe (ne tourne pas avec le rotor) et qui est de préférence relié de manière étanche à une -5 pipette de sortie (refoulement) de la pompe. Ce boîtier est avantageusement en acier inoxydable (de préférence en un grade qui résiste bien à l'urée, le cas échéant) et il est avantageusement prolongé par une tige comprenant un canal creux à travers lequel le fluide sort de la pompe. Dès lors, la connexion étanche susmentionnée peut être réalisée par simple clippage de cette tige dans la pipette. Le boîtier selon cette variante de l'invention comprend au moins un orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie permettant au fluide d'y entrer, de circuler à travers l'évidement du rotor, et puis d'en ressortir. De préférence, l'orifice de sortie consiste dans le canal creux susmentionné. Généralement, le boîtier a substantiellement la forme d'un cylindre muni d'une paroi supérieure et d'une paroi inférieure substantiellement parallèles et horizontales, l'orifice d'entrée étant situé substantiellement au centre de la paroi supérieure, autour de l'axe de rotation, et le canal creux d'étendant substantiellement au centre de la paroi inférieure. Dans cette variante, l'axe de rotation ne s'étend pas jusqu'au fond du boîtier mais s'arrête avant c.à.d. ne sort pas du boîtier par sa paroi inférieure. Dès lors, dans une variante particulièrement avantageuse de l'invention, le boîtier comprend un rotor aimanté muni d'un support tel que décrit ci-dessus et l'axe de rotation est muni au voisinage de son extrémité, d'une fente dans laquelle est insérée une rondelle d'arrêt ( circlips ), le rotor et son support reposant sur ladite rondelle à l'intérieur du boîtier. La pompe selon l'invention comprend généralement un stator pour appliquer un champ magnétique au rotor susmentionné, ce stator comprenant une ou plusieurs bobines magnétiques. Dans une variante préférée (en termes d'efficacité de couplage), les bobines du stator sont en contact direct avec le rotor (moyennant interposition de son boîtier, le cas échéant). L' alimentation électrique de ces bobines est de préférence gérée de manière électronique comme expliqué précédemment. Dès lors, la pompe selon l'invention comprend également de préférence un ou plusieurs circuits imprimés (cartes électroniques). Les cartes et/ou le stator peuvent ou non être intégrés à la pompe c.à.d. peuvent ou non être contenus dans un corps commun entourant l'élément de pompage, l'axe et le rotor et que l'on appelle généralement le corps de la pompe. De préférence, le corps de pompe intègre tous ces éléments. Dans une variante particulièrement avantageuse de l'invention, la pompe comprend un filtre qui entoure l'élément de pompage mécanique. De manière -6 préférée, la pompe aspire à travers le filtre de sorte qu'elle est protégée des impuretés. Dans cette variante, le filtre et l'élément mécanique peuvent être situés dans la partie inférieure de la pompe et être surplombés par le rotor, le tout étant entouré par un couvercle qui est lui-même surplombé par le stator et les cartes électroniques entourés par une enceinte étanche supérieure. Dans cette variante, le couvercle et l'enceinte supérieure constituent ce que l'on appelle le corps de la pompe c.à.d. le boîtier dans laquelle elle est comprise. Toutefois, de manière préférée, le corps de la pompe comprend un couvercle et une partie inférieure et : la partie inférieure du corps de pompe consiste en une enceinte étanche qui comprend le rotor, le stator et les cartes électroniques et sur laquelle reposent le filtre et l'élément mécanique de pompage; et le couvercle entoure le filtre et l'élément mécanique et est fixé via une liaison vis-écrou sur l'enceinte étanche. Dans le cas où la pompe est immergée dans un réservoir à liquide (urée par exemple), le couvercle des deux variantes susmentionnées a de préférence la forme d'une cloche qui ne s'étend de préférence pas (du moins entièrement) jusqu'au fond du réservoir et n'est pas accolée à l'enceinte et/ou au filtre. De manière tout particulièrement préférée, la cloche et l'enceinte/le filtre sont disposées de manière à créer un chemin pour le fluide tel que, lorsque la pompe est en marche avant (pour alimenter le fluide), le fluide est aspiré par en-dessous de la cloche à travers une cavité annulaire comprise entre la surface interne de la cloche et la surface externe de l'enceinte/du filtre, pour finalement être aspiré à travers ce dernier par l'élément de pompage mécanique. En d'autres termes : la cloche présente de préférence au moins une ouverture dans sa partie inférieure (qui est de préférence une ouverture annulaire occupant toute sa circonférence inférieure, ce qui revient à dire que la cloche repose sur le filtre en fait et non sur le fonds du réservoir) et elle est disposée de manière à créer une cavité annulaire comprise entre sa surface interne et la surface externe de l'enceinte/du filtre par où le liquide peut être aspiré à travers le filtre via l'ouverture inférieure de la cloche. L'avantage de cette variante est que si la pompe et le filtre sont purgés (par exemple en faisant tourner la pompe en sens inverse, puis en l'arrêtant), une poche d'air est formée autour du filtre assurant que celui-ci reste sec jusqu'au redémarrage de la pompe, qui sera dès lors plus rapide en cas de gel (puisqu'on aura ainsi à coup sûr évité la formation d'un bouchon de glace au niveau du filtre). La variante avec pompe immergée, filtre, corps de pompe avec cloche supérieure et enceinte inférieure est particulièrement avantageuse dans le cas où la pompe selon l'invention est intégrée à une embase immergée dans un réservoir. Une telle embase est par exemple décrite dans la demande PCT/EP2007/055613 au nom de la demanderesse. Par embase , on entend généralement une platine ou pièce aplatie (c.à.d. dont l'épaisseur est plus faible que sa longueur ou son diamètre) destinée à obturer une ouverture dans sa paroi inférieure. A noter que cette pièce peut être creuse et délimiter une enceinte qui communique avec le réservoir par un orifice à travers lequel l'additif peut circuler. Elle présente généralement un périmètre refermé sur lui-même, de forme quelconque. Le plus souvent, son périmètre a une forme circulaire. De manière préférée, cette embase intègre plusieurs autres 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 Dans ce cas, il est avantageux que l'enceinte inférieure du corps de pompe comprenne une paroi substantiellement cylindrique munie d'un fond et moulée d'une pièce avec l'embase. De préférence, elle comprend également un couvercle assemblé de manière étanche avec cette paroi cylindrique, sur lequel reposent l'élément de pompage mécanique et le filtre, et à travers lequel l'axe de rotation est inséré de manière étanche. Dans cette variante, il est également avantageux que la pompe soit située à l'intérieur d'un volume (fermé ou non) dans lequel, de préférence, au moins une partie d'un élément chauffant est fixée. De manière tout particulièrement préférée, ce volume est fermé c'est-à-dire est délimité par une paroi latérale substantiellement pleine jouant le rôle de piège pour le fluide (assurant un volume minimum de liquide dans toutes les conditions d'utilisation). Par substantiellement pleine , on entend que cette paroi peut comprendre des orifices mais alors, dans une partie supérieure de manière à pouvoir piéger du liquide (urée) dans sa partie inférieure. Dans cette variante, le piège peut soit être réalisé d'une pièce avec l'embase soit être fixée sur celle-ci, la première alternative étant préférée. De préférence, l'élément chauffant est un réchauffeur flexible (piste résistive insérée entre deux films flexibles ou apposée sur un film flexible) comme décrit dans la demande FR 0755118 au nom de la demanderesse. La présente invention est illustrée de manière non limitative par les figures 1 et 2. La figure 1 consiste en une coupe par un plan parallèle à l'axe de rotation dans une pompe selon une variante avantageuse de l'invention et destinée à injecter une solution d'urée dans les gaz d'échappement d'un véhicule à diesel. La figure 2 consiste en un détail de certains éléments illustrés sur la figure 1 (notamment du rotor (6) et de son support (5)). Sur ces figures, des n identiques désignent des éléments identiques. La pompe qui est illustrée à la figure 1 comprend un couvercle (1) en forme de cloche entourant un système d'engrenages (2) lui-même entouré par un filtre (3). Elle comprend également une enceinte inférieure étanche (4) constituée d'un couvercle et d'une paroi cylindrique munie d'un fond et moulée d'une pièce avec une embase (10) immergée dans un réservoir à urée (non représenté). Cette embase comprend également un piège à urée (11) moulé d'une pièce avec elle ainsi qu'une pipette (12), également moulée d'une pièce avec elle et destinée à être raccordée à une ligne d'alimentation de l'urée vers les gaz d'échappement d'un moteur (éléments non représentés). L'enceinte inférieure (4) comprend un rotor aimanté constitué d'un aimant (6) muni d'un support interne (5) et étant contenu dans un boîtier (8) comprenant une tige creuse clipsée de manière étanche dans la pipette (12). Ce boîtier est fixé au couvercle de l'enceinte (4) par une pièce de fixation annulaire (13) et il est entouré par des bobines magnétiques (7). Le fonctionnement de la pompe est géré par un contrôleur comprenant des cartes électroniques (9) également contenues dans l'enceinte étanche (4). La géométrie de l'aimant (6) et de son support (5) est illustrée en détail à la figure 2 qui montre d'une part ces deux éléments pris séparément et assemblés (vue supérieure) et ensuite, le support (5) uniquement (vue inférieure). On peut y voir que le support (5) a la forme d'une sorte de bouchon comprenant un capuchon (14), une partie cylindrique interne creuse (15) destinée à recevoir l'axe de rotation et des ailettes (16) ayant une surface latérale substantiellement hélicoïdale. Les arêtes de ces ailettes définissent une paroi cylindrique extérieure munie d'évidements substantiellement hélicoïdaux. Cette géométrie confère à -9 l'écoulement du l'urée au sein du support (5), une sorte de profil hélicoïdal ( screw profile ) qui permet de l'accélérer et ce faisant, d'augmenter l'efficacité de la pompe. REVENDICATIONS 1. Pompe rotative destinée à pomper un fluide dans un système embarqué sur un véhicule et comprenant un axe de rotation solidaire à la fois d'un élément de pompage mécanique (2) et d'un rotor aimanté (6), ce rotor (6) comprenant au moins un évidement à travers lequel le fluide aspiré par l'élément de pompage mécanique (2) est forcé. 2. Pompe selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'élément de pompage mécanique (2) comprend au moins deux engrenages (roues dentées) qui permettent, par rotation, de transvaser et d'augmenter la pression du fluide. 3. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans l'évidement est insérée une pièce intermédiaire creuse (support) (5) munie de reliefs internes (16) adaptés pour donner à l'écoulement du fluide en son sein, une forme substantiellement hélicoïdale. 4. Pompe selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le rotor (6) de la pompe comprend un aimant muni d'un évidement central muni du support (5) qui comprend un capuchon (14) coiffant l'aimant et une partie cylindrique creuse (15) s'étendant dans l'évidement à partir de la partie centrale du capuchon (14), l'axe de rotation de la pompe étant en partie inséré dans cette partie cylindrique (15) qui est solidaire d'ailettes hélicoïdales (16) s'étendant radialement de la partie cylindrique (15) vers la paroi latérale de l'évidement. 5. Pompe selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le rotor aimanté (6) est contenu dans un boîtier fixe (8) relié de manière étanche à une pipette (12) de sortie de la pompe et en ce que l'axe de rotation de la pompe est muni au voisinage de son extrémité inférieure, d'une fente dans laquelle est insérée une rondelle d'arrêt de sorte que le rotor (6) et son support (5) reposent sur ladite rondelle à l'intérieur du boîtier (8). 6. Pompe selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un stator (7) et des cartes électroniques (9), en ce qu'elle est comprise dans un corps de pompe comprenant un couvercle (1) et une partie inférieure et en ce que :-11- la partie inférieure du corps de pompe consiste en une enceinte étanche (4) qui comprend le rotor (6), le stator (7) et les cartes électroniques (9) et sur laquelle reposent le filtre (3) et l'élément mécanique de pompage (2); et le couvercle (1) entoure le filtre (3) et l'élément mécanique (2) et est fixé via une liaison vis-écrou sur l'enceinte étanche (4). 7. Réservoir à liquide dans lequel est immergé une pompe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couvercle (1) de la pompe a la forme d'une cloche qui présente au moins une ouverture dans sa partie inférieure et qui est disposée de manière à créer une cavité annulaire comprise entre sa surface interne et la surface externe de l'enceinte (4) /du filtre (3) par où le liquide peut être aspiré à travers le filtre (3) via son ouverture inférieure. 8. Réservoir selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pompe est intégrée à une embase (10) immergée dans le réservoir, et en ce que l'enceinte inférieure du corps de pompe (4) comprend une paroi substantiellement cylindrique munie d'un fond qui est moulée d'une pièce avec l'embase (10). 9. Réservoir selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pompe est située à l'intérieur d'un volume fermé (11) jouant le rôle de piège à liquide qui est réalisé d'une pièce avec l'embase (10) et qui comprend au moins une partie d'un réchauffeur flexible. 10. Utilisation d'une pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou d'un réservoir selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans un système SCR (de réduction catalytique sélective des NOx dans les gaz d'échappement d'un véhicule) utilisant une solution eutectique eau/urée.