Brevet FR2921911A1 — publié le 20090410

Système de stockage et d'injection d'une solution d'additif dans des gaz d'échappement d'un moteur La présente invention concerne un système de stockage et d'injection d'une solution d'additif dans des gaz d'échappement d'un moteur. Les évolutions des législations (européenne : programmes EURO V et EURO VI; US : phase �Tier 2 Bin 5� de L'EPA (Environmental Protection Agency)) visant la réduction des émissions polluantes des véhicules à moteur conduisent à l'introduction sur les véhicules de systèmes d'élimination des oxydes d'azote NOx des gaz d'échappement. L'une des technologies développées consiste à injecter dans la ligne d'échappement une solution contenant un précurseur d'ammoniac (généralement de l'urée) qui réduit chimiquement sur un catalyseur les NOx en azote. Les véhicules sont alors équipés d'un système permettant le stockage de la solution de précurseur, ainsi que le pompage et l'injection de cette dernière dans l'échappement. Afin d'éviter de trop fréquents remplissages, il est intéressant de pouvoir disposer d'une réserve embarquée suffisante. En particulier, un des objectifs visés est d'effectuer le remplissage à l'entretien véhicule. Une autonomie de 30000 km est donc à prévoir, soit, en tenant compte de la consommation de la solution d'urée (environ llitre par 1000 km) une réserve de 30 1. Par ailleurs, les architectures compactes des véhicules ne permettent pas toujours de dégager un tel volume en un seul endroit. Une solution se ramène à utiliser au moins deux réservoirs sur le véhicule, là où l'encombrement le permet, permettant de stocker le volume souhaité. Il est alors nécessaire de prévoir un système de transfert entre ces réservoirs, qui ne peut pas toujours s'effectuer par gravité. L'environnement véhicule peut conduire, d'autre part, à une géométrie de réservoir qui nécessite, pour des raisons fonctionnelles, la mise en place d'une réserve (piège) à l'intérieur du réservoir. Il faut alors prévoir également un système de transfert de la solution de précurseur d'ammoniac du réservoir pour alimenter le piège. En outre, étant donné que la solution aqueuse d'urée généralement utilisée à cette fin (eutectique eau/urée à 32.5 % en poids d'urée) gèle à -11°C, il est 2921911 -2 nécessaire de prévoir un dispositif de chauffage pour liquéfier la solution afin de pouvoir l'injecter dans la ligne d'échappement en cas de démarrage dans des conditions de gel. En vue d'éviter les problèmes de gel mais d'éviter de trop grever le coût du système, il serait souhaitable de ne devoir chauffer qu'un seul 5 des deux réservoirs. Des systèmes d'urée avec deux réservoirs ont déjà été proposés. Ainsi, le brevet US 5,884,475 décrit le recours à 2 réservoirs d'urée en série: un principal (de stockage) et un secondaire (de petit volume) qui est chauffé et qui sert pour le démarrage en cas de gel. Aucun dispositif spécifique pour le transfert de la 10 solution du réservoir principal vers le réservoir secondaire n'est décrit dans ce document, la pompe principale d'alimentation en urée jouant ce rôle en aspirant à travers le réservoir secondaire. Or, si le réservoir secondaire n'est pas situé en dessous du réservoir principal, il n'est pas forcément toujours rempli de solution d'où un risque que la pompe fonctionne à vide (ce qui pourrait l'endommager) et 15 que le système ne soit pas alimenté en additif. Une solution évidente pour résoudre ce problème serait de prévoir une pompe additionnelle entre les deux réservoirs. Une telle solution est toutefois coûteuse. Les demandes FR 0610039 et 0756106 au nom de la demanderesse 20 présentent un système amélioré de ce point de vue qui fait appel à des clapets de différents tarages. Bien que cette solution soit plus économique, elle peut toutefois nécessiter une mise au point délicate, en fonction, par exemple, des différences de pertes de charge d'une architecture à l'autre. La présente invention vise à résoudre ce problème en fournissant un 25 système plus simple que celui décrit dans ces demandes. A cet effet, la présente invention concerne un système pour le stockage et l'injection d'une solution d'additif dans des gaz d'échappement d'un moteur et comprenant deux réservoirs pour le stockage de la solution et une pompe d'alimentation de la solution de ces réservoirs vers une ligne d'injection, ces 30 deux réservoirs étant en parallèle et reliés à la pompe chacun par une branche de ligne d'alimentation, la branche (I) issue du premier réservoir (1) créant des pertes de charges plus faibles que la branche (II) issue de l'autre réservoir (2) de sorte que la solution est normalement prélevée principalement dans le réservoir (1) et qu'elle est prélevée du réservoir (2) et uniquement de celui-ci, lorsque le réservoir (1) est inopérationnel. 2921911 -3 Avec une telle architecture, il suffit d'équiper le réservoir (2) d'un dispositif de chauffage pour disposer d'un système efficace en cas de gel. On peut bien entendu généraliser l'invention à un système comportant un réservoir �actif� (chauffé) et plusieurs réservoirs � passifs � (non chauffés) dont 5 le rôle est d'augmenter le volume de solution embarquée. 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 d'un précurseur d'ammoniac en solution aqueuse. L'invention donne de bons 10 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 15 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. La présente invention peut être appliquée à tout moteur à combustion 20 interne comprenant une ligne de retour carburant, c.à.d. 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, à des moteurs diesel de poids lourds. Le système selon l'invention comprend au moins deux réservoirs destinés 25 au stockage de l'additif et au moins une ligne d'injection destinée à injecter l'additif dans les gaz d'échappement du moteur. Dans une première variante préférée, le réservoir (2) est un réservoir situé en dehors du volume de réservoir (1). De préférence, le réservoir (2) a un volume plus faible que le réservoir (1) pour des questions thermiques et/ou de précision 30 de jaugeage. Dans cette variante, les réservoirs de stockage de l'additif peuvent être situés n'importe où sur le véhicule, en fonction de la place disponible. Toutefois, selon une variante particulièrement avantageuse, le réservoir (2) est à un niveau supérieur à celui du réservoir (1) et il comprend une ouverture ou une tubulure de remplissage ainsi qu'une ligne de trop plein débouchant dans le 35 réservoir (1) et d'emplacement et de géométrie appropriées pour que le réservoir 2921911 -4 (1) puisse se remplir par débordement du réservoir (2). Une telle variante permet de simplifier le remplissage en le réduisant à une seule opération. Dans une deuxième variante préférée, le réservoir (2) est situé à l'intérieur du réservoir (1) et constitue une réserve pour ce dernier. 5 Dans ces 2 variantes, afin que les systèmes concernés soient susceptibles d'affronter des conditions de gel, le réservoir (2) est de préférence muni d'un dispositif de chauffage. L'architecture du système selon l'invention permet alors de se passer de dispositif de chauffage sur le réservoir (1), d'où une économie. Le dispositif de chauffage peut être un système tel que décrit dans la 10 demande WO 2006/064001 au nom de la demanderesse (et comprenant un tronçon de retour carburant susceptible d'être by-passé); comprendre un filament chauffant intégré à un raccord (comme décrit dans la demande FR 0607531 au nom de la demanderesse); un réchauffeur flexible tel que décrit dans les demandes FR 0755118 et 0756635 également au nom de la demanderesse... 15 Selon l'invention, la branche (II) d'alimentation en urée issue du réservoir (2) crée des pertes de charges plus élevées que la branche (I) issue du réservoir (1), de sorte que la solution est normalement prélevée principalement dans le réservoir (1) et qu'elle est prélevée du réservoir (2) et uniquement de celui-ci, lorsque le réservoir (1) est inopérationnel. (par exemple parce que vide ou rempli 20 de solution gelée). Les pertes de charge plus élevées dans la branche (II) sont généralement obtenues en réduisant la section de passage du liquide au moins localement dans cette branche (par rapport à la section de passage dans la branche (I)). En d'autres termes: il suffit de faire en sorte que la branche (II) ait une section de passage minimale plus faible que la section de passage minimale 25 de la branche (I). Selon une variante préférée, les branches (I) et (II) sont constituées de tronçons de lignes substantiellement cylindriques (éventuellement munies de clapets et/ou autres accessoires) de diamètres différents. Alternativement, ces tronçons peuvent avoir des diamètres identiques mais le tronçon (II) est muni 30 d'un étranglement ou de tout autre dispositif provoquant une perte de charge contrôlable. Selon l'invention, la ligne d'alimentation comprend deux branches, chacune d'elles reliant la pompe à un des réservoirs. Ces deux branches peuvent déboucher dans un tronçon de ligne commun les reliant à la pompe. 35 Alternativement, ces deux branches peuvent directement piquer sur la pompe. La variante selon laquelle les deux branches sont reliées à la pompe par un 2921911 -5 tronçon commun est préférée car elle permet d'économiser des longueurs de tuyauterie. Dès lors, le système selon l'invention utilise généralement au moins un dispositif anti-retour (clapet par exemple) sur la branche (I) pour éviter que le 5 réservoir (2) ne se vide dans le réservoir (1) via la branche (II) et le tronçon commun. Ce clapet est avantageusement associé à un flotteur qui ouvre la branche (I) tant qu'il y a de l'additif dans le réservoir (1), et la ferme lorsque le réservoir (1) est vide. Le système selon l'invention utilise également de préférence un dispositif 10 (clapet ou autre) anti-retour sur la branche (II) afin d'éviter que du liquide ne retourne dans le système une fois que celui-ci a été purgé (le cas échéant). Lorsque le réservoir (2) est une réserve à l'intérieur du réservoir (1), ce dispositif est avantageusement une cloche telle que décrite dans la demande FR 0756388 au nom de la demanderesse. Comme décrit dans cette demande, la cloche fait 15 avantageusement partie d'un module compact intégrant la pompe, un filtre et un dispositif permettant de purger la ligne. En particulier, cette cloche est de préférence intégrée à un boîtier commun entourant le filtre et au moins une partie de la pompe. De même, lorsque le système comprend une ligne de retour (c.à.d. lorsque 20 la pompe dose une quantité excédentaire de solution, qui est de préférence dirigée vers le réservoir (2) pour éviter qu'en cas de gel prolongé, celui-ci ne se vide : voir la demande FR 0756106 susmentionnée), il est avantageux de munir celle-ci d'un dispositif anti-retour également. La pompe du système selon l'invention est de préférence une pompe 25 rotative entraînée par un moteur et dont le contrôleur est géré par une unité de contrôle électronique (ECU). De préférence la pompe est du type pompe à engrenages, par exemple comme celle décrite dans la demande FR 0756387 au nom de la demanderesse. Elle comprend en général un stator et un rotor et peut de préférence fonctionner selon deux sens de rotation opposés, l'un 30 correspondant en général à l'alimentation en liquide de la ligne d'alimentation et l'autre correspondant à une purge de la ligne d'alimentation. Tout type de moteur électrique rotatif peut convenir. De préférence, le moteur est du type moteur à courant continu sans balais (�brushless direct current� ou BLDC). Dans ce cas, l'entraînement de la pompe est réalisé par un 35 couplage magnétique entre le rotor de la pompe et un axe d'entraînement du moteur. 2921911 -6 Ce moteur est de préférence contrôlé par un contrôleur c.à.d. une unité de commande (comprenant généralement un régulateur PID et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur) et d'alimentation électrique qui fournit au moteur, la puissance nécessaire pour le faire tourner à la vitesse souhaitée et qui permet 5 d'inverser son sens de rotation, le cas échéant. Lorsque la branche (I) devient inopérationnelle et que l'alimentation se fait par la branche (II) uniquement, le contrôleur selon cette variante de l'invention adapte la vitesse de rotation du moteur pour que la quantité de solution alimentée dans les gaz soit suffisante malgré les pertes de charge plus élevées. 10 En d'autres termes, selon une variante avantageuse de l'invention, la pompe est une pompe rotative entraînée par un moteur géré contrôlé par un contrôleur comprenant un régulateur PID et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur, de sorte que lorsque la branche (I) devient inopérationnelle et que l'alimentation en solution se fait par la branche (II) uniquement, le 15 contrôleur est susceptible d'adapter la vitesse de rotation du moteur pour que la quantité de solution alimentée dans les gaz soit suffisante malgré les pertes de charge plus élevées. De préférence, comme décrit dans la demande FR 0700358 au nom de la demanderesse, le contrôleur de la pompe est piloté par une ECU qui lui envoie 20 un signal de commande de type PWM (�Pulse Width Modulation�) incluant des informations relatives aux conditions de fonctionnement de la pompe. Par ces conditions, on entend désigner une information relative à la pression de fonctionnement de la pompe ainsi qu'au moins une autre information telle que son arrêt/blocage, son sens de rotation.... Il s'agit de préférence de toutes les 25 conditions de fonctionnement de la pompe à savoir: arrêt, marche avant, marche arrière, pression de fonctionnement (en sortie de pompe)... de sorte que le fonctionnement de la pompe est entièrement conditionné par un seul signal. L'ECU dont il est question dans le cadre de cette variante de l'invention est soit une ECU spécifique à cette fonction, soit une ECU susceptible d'également 30 assurer d'autres fonctions et étant pour cela capable de communiquer également avec des composants autres que la pompe, par exemple avec des capteurs de température et/ou de pression, ainsi que de commander et/ou de contrôler le fonctionnement de ces composants. Cet ECU peut par exemple être spécifique à une fonction SCR d'un véhicule, soit être intégré à l'ECU du moteur. 35 Le système selon l'invention est généralement également équipé d'un injecteur permettant l'injection de l'additif dans les gaz d'échappement. Cet 2921911 -7 injecteur peut 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 5 pulvérisateur permettant d'obtenir des gouttes de solution d'un diamètre compris 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 10 la purge qui élimine les dernières gouttelettes d'urée; il n'y a donc pas de 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 15 dont la régulation peut être électronique. La présente invention est illustrée de manière non limitative par les figures 1 et 2. La figure 1 représente un système SCR à 2 réservoirs séparés (1, 2) et la figure 2, un système SCR ayant un réservoir secondaire (2) (bac de réserve) intégré à un réservoir principal de stockage (1). 20 Elles représentent toutes deux des variantes de systèmes selon l'invention destinées à injecter une solution d'urée dans les gaz d'échappement d'un véhicule à diesel. La figure 1 illustre l'exemple d'un système à 2 réservoirs, (1) et (2). Dans cette configuration le réservoir (2) est équipé d'un système de réchauffage 25 permettant d'assurer une réserve de précurseur d'ammoniaque liquide aux basses températures ( (11) évite la vidange du réservoir (2) dans le réservoir (1). Lorsque la solution n'est pas disponible à partir du réservoir (1) (suite à la congélation), le liquide est prélevé dans le réservoir (2), après dégel sous l'action du système de réchauffage. Lorsque le réservoir (1) est vide, le flotteur (12) vient obturer la 5 canalisation (3), et le liquide est prélevé dans le réservoir (2) uniquement. Au remplissage, le flotteur (12) remonte dans le logement (13) en libérant la ligne. Ce système est généralisable à plusieurs réservoirs. La figure 2 montre le cas du transfert entre le volume principal d'un réservoir (1) et une réserve (2) positionnée dans ce cas sur une embase (platine) 10 immergée. Ce cas s'applique particulièrement bien à un design de réservoir mince. La platine est munie de différents accessoires, dont un réchauffeur (12), permettant le dégel du précurseur lors de basses températures. L'ensemble est connecté au système d'injection par les pipettes d'alimentation (6) et de retour (7). La solution est prélevée dans le volume principal du réservoir (1) au travers 15 de l'orifice (11) et dans le volume de réserve (2) par la canalisation (14). L'excès de solution retourne dans la réserve (2) par la ligne (15) ; la réserve peut déborder dans le réservoir. Le débit d'aspiration au travers de la ligne (14) est plus faible que celui au travers de l'orifice (11). Le clapet anti-retour (3) évite la vidange de la réserve (2) dans le réservoir (1). En cas de gel, le système de 20 réchauffage (12) permet le fonctionnement du système d'injection par prélèvement dans la réserve (2). Lorsque le réservoir (1) est vide, le flotteur (5) vient obturer la canalisation (16) (évitant l'aspiration éventuelle de gaz), et le système fonctionne avec le volume de réserve. La version représentée illustre également la possibilité de purge du système d'injection, par inversion du sens 25 de pompage, et prélèvement d'air dans le ciel du réservoir au travers de la canalisation (10), et retour dans la réserve via la canalisation (14). La cloche (8) évite le retour de liquide dans le système d'injection après l'étape de purge. A noter que l'utilisation d'une canalisation (10) pour réaliser la purge est également intéressante en dehors du cadre de l'invention pour tout système SCR 30 avec ligne de retour (dosage d'urée en excès). Ainsi, selon une variante particulièrement avantageuse et utile en dehors du cadre de l'invention également, cette canalisation est en fait (comme d'ailleurs illustré) un tube capillaire soigneusement calibré pour à la fois permettre la purge par aspiration d'air dans le ciel du réservoir (comme expliqué ci-dessus), mais aussi, pour 35 pouvoir contrôler les pertes de charge dans la ligne de retour. 2921911 -9 Ainsi par exemple, la figure 3 illustre un système décrit dans la demande FR 0755875 également au nom de la demanderesse et qui comprend les éléments suivants: 1: réservoir à urée 5 2: jauge (capteur de niveau) 3: réchauffeur flexible 4: filtre 5: capteur de température 6: capteur de courant pour le réchauffeur flexible 10 7: pompe 8: capteur de vitesse 9: filament chauffant pour les lignes et cartouche chauffante de la pompe 10: capteur de pression 11: capteur de courant pour le réchauffeur des lignes 15 12: injecteur 13: clapet anti-retour évitant que le liquide ne tourne en rond (dans la boucle créée par la ligne aller et celle de retour vers le réservoir) lors de la purge (lorsque la pompe tourne à l'envers) 14: orifice calibré (restriction) - sert à fixer le débit et à ajouter une résistance 20 afin d'augmenter la pression (en augmentant des pertes de charge dans la ligne de retour) 15: moteur d'entraînement de la pompe 16: clapet anti-retour permettant de réguler la pression à la sortie de la pompe. Un tel système peut avantageusement être simplifié en remplaçant le clapet 25 anti-retour (13) et la restriction (14) présents sur la ligne de retour, par un tube capillaire tel que le tube (10) sur la ligne de retour (7) de la figure précédente (figure 2). A noter également que dans les systèmes où la purge ne peut pas se faire à travers l'injecteur (par exemple parce que celui-ci est en dehors du périmètre de 30 contrôle du système SCR), le fait de recourir à un capillaire permet également de se passer d'une vanne de purge telle que décrite dans la demande FR 0757602 également au nom de la demanderesse. REVENDICATIONS 1 û Système pour le stockage et l'injection d'une solution d'additif dans des gaz d'échappement d'un moteur et comprenant deux réservoirs pour le stockage de la solution et une pompe d'alimentation de la solution de ces réservoirs vers une ligne d'injection, ces deux réservoirs étant en parallèle et reliés à la pompe chacun par une branche de ligne d'alimentation, caractérisé en ce que la branche (I) issue du premier réservoir (1) créant des pertes de charges plus faibles que la branche (II) issue de l'autre réservoir (2) de sorte que la solution normalement prélevée principalement dans le réservoir (1) et qu'elle est prélevée du réservoir (2) et uniquement de celui-ci, lorsque le réservoir (1) est inopérationnel. 2 û Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réservoir (2) est un réservoir situé en dehors du volume de réservoir (1), en ce qu'il a un volume plus faible que le réservoir (1), en ce qu'il est situé à un niveau supérieur à celui du réservoir (1) et en ce qu'il comprend une ouverture ou une tubulure de remplissage ainsi qu'une ligne de trop plein débouchant dans le réservoir (1) et d'emplacement et de géométrie appropriées pour que le réservoir (1) puisse se remplir par débordement du réservoir (2). 3 û Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir (2) est situé à l'intérieur du réservoir (1) et constitue une réserve pour ce dernier. 4 û Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le réservoir (2) est muni d'un dispositif de chauffage. 5 û Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les branches (I) et (II) sont constituées de tronçons de lignes substantiellement cylindriques de diamètres différents. 6 û Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux branches (I, II) sont reliées à la pompe par un tronçon commun et en ce qu'il comprend au moins un dispositif anti-retour sur la branche (I). 7 û Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif anti-retour est un clapet associé à un flotteur qui ouvre la branche (I) 2921911 -11- tant qu'il y a de l'additif dans le réservoir (1), et la ferme lorsque le réservoir (1) est vide. 8 ù Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de purge et un dispositif anti- 5 retour sur la branche (II) afin d'éviter que du liquide ne retourne dans le système une fois que celui-ci a été purgé 9 ù Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne de retour munie d'un dispositif antiretour. 10 10 ù Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe est une pompe rotative entraînée par un moteur géré contrôlé par un contrôleur comprenant un régulateur PID et un contrôleur de la vitesse de rotation du moteur, et en ce que lorsque la branche (I) devient inopérationnelle et que l'alimentation en solution se fait par la branche (II) 15 uniquement, le contrôleur est susceptible d'adapter la vitesse de rotation du moteur pour que la quantité de solution alimentée dans les gaz soit suffisante malgré les pertes de charge plus élevées.