Brevet FR2921104A1 — publié le 20090320

Méthode pour le chauffage d'un système SCR à l'aide d'éléments chauffants résistifs La présente demande concerne une méthode pour le chauffage d'un système SCR à l'aide d'éléments chauffants résistifs ainsi qu'un système SCR convenant pour l'application de cette méthode. Les législations sur les émissions des véhicules et poids lourds prévoient entre autres une diminution des rejets d'oxydes d'azote NOX 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 (NOX) en azote (N2) et en eau (H2O). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'additif (urée généralement), ainsi que d'un dispositif pour doser et injecter la quantité d'additif désirée dans la ligne d'échappement. Etant donné que la solution aqueuse d'urée généralement utilisée à cette fin (eutectique à 32.5 % en poids d'urée) gèle à -11°C, il est 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. Dans l'art antérieur, plusieurs systèmes ont été prévus à cet effet. Généralement, ces systèmes comprennent des dispositifs de chauffage impliquant soit des éléments chauffants spécifiques, soit une dérivation du circuit de refroidissement du moteur (voir par exemple la demande WO 2006/064001 au nom de la demanderesse). -2 En ce qui concerne l'utilisation d'éléments chauffants spécifiques, il est connu de mettre à l'intérieur du réservoir contenant la solution d'urée, et éventuellement, sur les lignes (d'alimentation et de retour, le cas échéant) d'urée, sur la pompe, le filtre... et d'autres éléments actifs du système, des éléments résistifs chauffants. Ainsi par exemple, la demande DE 10 2004 061 259 décrit un système utilisant des éléments résistifs séparés pour le réservoir, la pompe, le module de dosage et les lignes d'alimentation et de retour d'urée Ce système utilise des sondes de température présentes sur le réservoir, la pompe et le module de dosage et lorsqu'une de ces sondes indique une température inférieure à une valeur seuil donnée (généralement la température de congélation de la solution), toutes ces résistances sont activées de manière à dégeler l'ensemble du système. Une telle stratégie présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, lors du démarrage d'un véhicule par temps froid (gel), l'ensemble des dispositifs électriques (dégivrage des vitres, chauffage de l'habitacle...) est généralement mis en marche simultanément, ce qui provoque un pic de consommation électrique auquel vient alors s'ajouter celui du chauffage du système SCR. Ensuite, il convient de noter que certaines parties d'un système SCR peuvent tantôt contenir de la solution d'urée et tantôt non (cf. par exemple la partie supérieure du réservoir et les lignes dans le cas où celles-ci sont purgées). Dès lors, le fait de chauffer celles-ci alors qu'elles ne contiennent pas de liquide consomme inutilement de la puissance et peut en outre mener à la dégradation prématurée des éléments résistifs dans ces zones. La présente invention vise à résoudre ces problèmes et est basée sur l'idée de découpler les éléments résistifs de sorte à pouvoir, lors du démarrage d'un système SCR en cas de gel, n'activer que ceux destinés à chauffer des composants (ou parties de composants) effectivement en contact avec une quantité substantielle d'urée et à éventuellement activer les autres en différé. Dès lors, la présente demande concerne une méthode pour le chauffage d'un système SCR à urée utilisant au moins deux éléments résistifs chauffants (R1, R2) dont un (Rl) est destiné à chauffer un(e) ou des (parties de) composants toujours en contact avec une quantité substantielle d'urée et l'autre (R2) est destiné à chauffer un(e) ou des (parties de) composants qui ne sont parfois pas en contact avec une quantité substantielle d'urée, et selon laquelle, lors du démarrage du système dans des conditions de gel, l'élément résistif Rl est activé mais l'élément -3 résistif R2 n'est activé que si son composant est effectivement en contact avec une quantité substantielle d'urée. Par �système SCR�, on entend désigner un système de réduction catalytique des NOx des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, de préférence d'un véhicule, utilisant de l'urée comme précurseur d'ammoniac liquide. Par le terme �urée�, on entend désigner toute solution, généralement aqueuse, contenant de l'urée. L'invention donne de bons résultats avec les solutions eutectiques eau/urée pour lesquelles il existe un standard qualité: par exemple, selon la norme DIN 70070, dans le cas de la solution d'AdBlué (solution commerciale d'urée), la teneur en urée est comprise entre 31,8 % et 33,2 % (en poids) (soit 32.5 +/- 0.7 % en poids) d'où une quantité d'ammoniac disponible comprise entre 18,0 % e 18,8 %. L'invention peut également s'appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium en solution aqueuse également et 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, le fait de ne geler qu'à partir de -30°C (par rapport à -11°C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération éventuelle d'acide formique. La présente invention est particulièrement intéressante dans le cadre des solutions eutectiques eau/urée. Comme évoqué précédemment, les systèmes SCR comprennent généralement au moins un réservoir pour stocker la solution d'urée ainsi qu'un système pour alimenter celle-ci aux gaz d'échappement et qui comprend généralement des éléments actifs tels que pompe, filtre, vanne(s), canalisations (d'alimentation et/ou de retour). La méthode selon l'invention s'applique à tout composant d'un tel système, toute partie d'un tel composant et toute combinaison de tels composants (voire à un système SCR complet). La méthode selon l'invention utilise au moins deux éléments résistifs séparés qui sont activables (chauffables) indépendamment. Ils sont de préférence branchés en parallèle sur une même source de courant (ce qui n'exclut pas le fait que le système de chauffage puisse également comprendre un ou plusieurs autres éléments résistifs branchés en série). Cette source peut être la batterie du véhicule qui fournit environ 13.5 volts nominal (généralement avec un minimum de 9 volts et un maximum de 16 volts). Le fait de brancher les résistances en parallèle permet également plus facilement de diagnostiquer leur défaut de fonctionnement, le cas échéant (voir la demande FR 0756740 au nom de la - 4 demanderesse). Les éléments résistifs chauffants peuvent être des filaments métalliques chauffants, des réchauffeurs flexibles (c'est-à- dire des réchauffeurs comprenant une ou plusieurs piste(s) résistive(s) apposée(s) sur un film ou disposée(s) entre deux films (c'est-à-dire deux supports substantiellement plats et dont le matériau et l'épaisseur sont telles qu'ils sont flexibles)) ou tout autre type d'éléments résistifs ayant une forme, taille et flexibilité adaptées pour être inséré dans et/ou enroulé sur les composants du système SCR. Pour le réservoir et son embase (c.à.d. une platine intégrant au moins un et de préférence, tous les composants actifs du système à savoir pompe, filtre, jauge...), le cas échéant, des réchauffeurs flexibles conviennent bien. Selon l'invention, au moins un élément résistif est destiné à chauffer un composant (ou une partie de composant) qui n'est parfois pas en contact avec une quantité substantielle d'urée. On entend par là que son emplacement est tel que tantôt il est en contact avec voire immergé dans l'urée (liquide ou solide c.à.d, gelée) et que tantôt, il est principalement voire essentiellement en contact avec une phase gazeuse présente dans le système. Toujours selon l'invention, cet élément n'est activé (chauffé) au démarrage du système SCR dans des conditions de gel que si son composant est effectivement en contact avec une quantité substantielle d'urée liquide ou solide (et de préférence, totalement rempli ou immergé dedans). Dans le cadre de l'invention, par �conditions de gel�, on entend généralement une température ambiante inférieure à -5°C. En effet, théoriquement, les solutions eutectiques d'urée commencent à geler vers -8°C. Toutefois, compte tenu de leur vieillissement, il n'est pas rare qu'elles commencent à geler vers -5°C. Le système selon l'invention utilise de préférence au moins un capteur de température et de préférence, au moins 2 capteurs : un situé à l'intérieur du réservoir et un situé sur la ou les lignes. Dès lors, si lors du démarrage du système, ce(s) capteur(s) détecte(nt) une température inférieure ou égale à une valeur seuil (Tseu;i, de préférence égale à -5°C : voir ci-dessus), la méthode selon l'invention est appliquée. Pour ce faire, le système selon l'invention utilise généralement une unité de contrôle électronique (ECU ou Electronic Control Unit) qui agit sur des relais permettant d'activer/désactiver (c.à.d. alimenter en courant ou non) -5 spécifiquement chacune des résistances en fonction de l'information reçue du/des capteur(s). Dans une première variante de l'invention, le système SCR comprend un réservoir muni d'au moins deux éléments résistifs (R1, R2) dont un (R2) est situé dans une partie supérieure du réservoir et en ce que cet élément (R2) n'est pas activé lorsqu'il n'est pas immergé. Dans cette variante, l'ECU utilise donc une information relative au niveau d'urée dans le réservoir pour en déduire s'il doit ou non désactiver la résistance supérieure. Cette information peut être issue d'une jauge de niveau présente dans le réservoir. Alternativement, elle peut être issue d'un calcul basé sur la consommation d'urée, sur le gradient de température observé au cours de la chauffe, sur une pesée etc... Dans cette variante, les éléments résistifs peuvent être des composants séparés physiquement. Alternativement et de manière préférée, il peut s'agir d'au moins deux pistes résistives apposées sur un même support mais qui sont indépendantes (c.à.d. activables de manière séparée) et de préférence soit branchées en parallèle sur une même alimentation, soit branchées sur des alimentations séparées, la 1 ère variante étant particulièrement préférée. A noter qu'il peut y avoir plus de deux résistances séparées dans cette variante, pour affiner le principe. Dans le cas d'un réservoir dont la jauge est une jauge discrète à plusieurs (n) niveaux (et qui utilise par ex. n ampoules �reed�), le système SCR comprend de préférence également n (ou une fraction de n) éléments résistifs de chauffe dont chacune correspond à un niveau de la jauge et qui peuvent être activées/désactivées par l'ECU en fonction de la valeur lue par la jauge. Dans cette variante, la ou les résistances non immergées ne sont de préférence jamais activées (c.à.d. ne le sont pas lors du roulage du véhicule, une fois le démarrage du système SCR effectué). Dans une deuxième variante de l'invention, qui peut être utilisée en combinaison avec la lère, le système SCR comprend un réservoir à urée muni d'une résistance chauffante (Rl) et une ligne d'alimentation en urée munie d'une autre résistance chauffante (R2), ainsi qu'un dispositif permettant de purger la ligne d'alimentation à chaque arrêt du système; et en ce que, lors du démarrage du système dans des conditions de gel, la résistance Rl est activée mais pas la résistance R2, cette dernière n'étant activée (mise sous tension) qu'après un délai déterminé. Ce délai est calculé empiriquement à partir de tests à différentes -6 températures ambiantes basés sur les �worst cases�, c'est-à-dire où les lignes sont non purgées et pleines d'urée gelée. Il est généralement de l'ordre des minutes (voisin de 10 minutes par exemple). Dans la méthode selon l'invention, les éléments résistifs sont généralement activés au démarrage un temps minimum avant de faire fonctionner la pompe du système. Ce temps minimum est celui nécessaire pour fondre une certaine quantité d'urée, l'amener vers la pompe et permettre de démarrer celle-ci. Ce temps minimum peut être déterminé de manière expérimentale et la pompe peut être démarrée automatiquement après cette durée. Toutefois, de manière préférée, un temps minimum théorique est déterminé expérimentalement et/ou par calcul mais la pompe n'est définitivement mise en marche qu'après une vérification (au besoin itérative) de la stabilité de la pression à sa sortie. En d'autres termes: le temps minimum est celui requis pour atteindre une pression stable à la sortie de la pompe, le chauffage des éléments résistifs pouvant à cet effet être intermittent. Une telle méthode de démarrage de la pompe est décrite dans la demande FR 0755875 au nom de la demanderesse dont le contenu à cet effet est incorporé par référence dans la présente demande. Lorsque le système SCR comprend également une ligne de retour d'urée (c.à.d. lorsqu'il y a surdosage de la solution de sorte qu'une quantité non consommée par le système d'injection est retournée vers le réservoir), cette ligne est généralement également équipée d'une résistance séparée de la résistance Rl qui peut ou non être intégrée à la résistance R2 (c.à.d. qu'une seule résistance peut ou non chauffer les 2 lignes). Dans la méthode selon l'invention, le chauffage du système SCR est de préférence également régulé pendant le fonctionnement du système (roulage du véhicule) en cas de gel. De préférence, cette régulation se fait à l'aide de simples commutateurs commandés en fonction de la lecture des capteurs de température. Or, les capteurs commerciaux ont une précision de l'ordre du °C. Dès lors, il est avantageux de réguler sur une plage plus large (par ex. d'au moins 2°C) pour éviter le déclenchement intempestif des relais (MOFSET) et donc, limiter leur usure. En particulier, il est avantageux que le réservoir et la ligne soient chacun équipés d'un capteur de température (Tl, T2); que le chauffage du système SCR soit régulé pendant le fonctionnement normal du système à l'aide de commutateurs commandés par les capteurs de température; et que les commutateurs activent les résistances (R1, R2) lorsque la température lue par le capteur correspondant (T 1, T2) descend sous une valeur seuil (TSeU1], qui est de -7 préférence égale à -5°C) et désactivent respectivement R1 lorsque la température lue par Tl atteint/dépasse Tseui1+3°C et R2 lorsque la température lue par T2 atteint/dépasse Tseui1+2°C. La demanderesse a constaté qu'il était inutile de chauffer la solution d'avantage et qu'au contraire, le fait de chauffer au-delà de cette température dégradait les réchauffeurs (suite à une vitesse de corrosion plus élevée). Pour le capteur des lignes (qui mesure T2), il peut s'agir d'un capteur de température ambiante, donnant l'information de la température extérieure. A ce titre, on peut s'affranchir de ce capteur si l'information est disponible à travers le réseau de communication du véhicule (réseau CAN ou Controlled Area Network). A noter que cette variante est également intéressante en dehors du cadre de la présente invention, puisque ses avantages sont également observés avec tout système de chauffage comprenant au moins une résistance, un capteur de température et un système de régulation de la résistance utilisant la valeur lue par le capteur de température. Dans une autre variante (également intéressante en dehors du cadre de l'invention, pour tout liquide susceptible de geler et de se dégrader), pour éviter que la température ne soit localement trop élevée (ce qui peut arriver si la vitesse de chauffe est trop élevée et que la chaleur n'a pas le temps de se propager/dissiper), il peut être avantageux dans la méthode selon l'invention de varier la vitesse de chauffe en fonction de l'évolution de la température lue par le(s) capteur(s). Pour ce faire, elle peut avoir recours à un régulateur spécifique par exemple de type PID. La présente invention concerne également un système SCR comprenant au moins deux éléments résistifs chauffants (R1, R2) dont un (Rl) est destiné à chauffer un(e) ou des (partie(s) de) composants toujours en contact avec une quantité substantielle d'urée et l'autre (R2) est destiné à chauffer un(e) ou des (partie(s) de) composants qui ne sont parfois pas en contact avec une quantité substantielle d'urée, ainsi qu'un dispositif de régulation permettant, lors du démarrage du système dans des conditions de gel, d'activer l'élément résistif Rl mais de n'activer l'élément résistif R2 que si son composant est effectivement en contact avec une quantité substantielle d'urée. De préférence, ce système comprend plusieurs éléments résistifs chauffants branchés en parallèle sur une source de courant, et de manière tout particulièrement préférée, il comprend également un capteur de courant placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle, -8 et une unité de détection d'un disfonctionnement du système permettant d'interpréter un signal émis par le capteur. Cette unité de détection (ou de diagnostic) peut être une ECU spécifique dédié à cette fin. Alternativement et de manière préférée, il s'agit de la même ECU que celle qui commande la chauffe et vers laquelle le capteur envoie son signal (tension généralement). Les variantes avantageuses décrites ci-dessus dans le cadre de la méthode sont également applicables au système selon l'invention. REVENDICATIONS 1. - Méthode pour le chauffage d'un système SCR à urée utilisant au moins deux éléments résistifs chauffants (R1, R2) dont un (Rl) est destiné à chauffer un(e) ou des (partie(s) de) composants toujours en contact avec une quantité substantielle d'urée et l'autre (R2) est destiné à chauffer un(e) ou des (partie(s) de) composants qui ne sont parfois pas en contact avec une quantité substantielle d'urée, et selon laquelle, lors du démarrage du système dans des conditions de gel, l'élément résistif Rl est activé mais l'élément résistif R2 n'est activé que si son composant est effectivement en contact avec une quantité substantielle d'urée. 2. - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les éléments résistifs sont branchés en parallèle sur une même source de courant. 3. - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle utilise au moins un capteur de température et en ce que, si ce capteur détecte une température inférieure ou égale à une valeur seuil (TSeU1]), une unité de contrôle électronique (ECU ou Electronic Control Unit) agit sur des relais permettant d'activer/désactiver spécifiquement chacune des résistances. 4. - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système SCR comprend un réservoir muni d'au moins deux éléments résistifs séparés (R1, R2) dont un (R2) est situé dans une partie supérieure du réservoir et en ce que cet élément (R2) n'est pas activé lorsqu'il n'est pas immergé. 5. - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle utilise un ECU qui reçoit une information relative au niveau d'urée dans le réservoir d'une jauge de niveau discrète à plusieurs (n) niveaux pour activer/désactiver en conséquence n résistances dans le réservoir dont chacune correspond à un niveau de la jauge. 6. - Méthode selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle la/les résistances non immergées ne sont pas jamais activées. 7. - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système SCR comprend un réservoir à urée muni d'une - 10 - résistance chauffante (Rl) et une ligne d'alimentation en urée munie d'une autre résistance chauffante (R2), ainsi qu'un dispositif permettant de purger la ligne d'alimentation à chaque arrêt du système; et en ce que, lors du démarrage du système dans des conditions de gel, la résistance Rl est activée mais pas la résistance R2, cette dernière n'étant activée (mise sous tension) qu'après un délai déterminé. 8. - Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système SCR comprend une pompe et en ce que les éléments résistifs sont activés au démarrage un temps minimum avant de faire fonctionner cette pompe, ce temps minimum étant celui requis pour atteindre une pression stable à la sortie de la pompe. 9. - Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que le réservoir et la ligne sont chacun équipés d'un capteur de température (T 1, T2); en ce que le chauffage du système SCR est régulé pendant le fonctionnement normal du système à l'aide de commutateurs commandés par les capteurs de température; et en ce que les commutateurs activent les résistances (R1, R2) lorsque la température lue par le capteur correspondant (Tl, T2) descend sous une valeur seuil (Tseuil) et désactivent respectivement Rl lorsque la température lue par Tl atteint/dépasse Tseui1+3°C et R2 lorsque la température lue par T2 atteint/dépasse Tseui1+2°C. 10. - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la vitesse de chauffe de Rl et/ou R2 varie en fonction de l'évolution de la température lue par Tl et/ou T2. 11. - Système SCR convenant pour une méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant au moins deux éléments résistifs chauffants (R1, R2) dont un (Rl) est destiné à chauffer un(e) ou des (partie(s) de) composants toujours en contact avec une quantité substantielle d'urée et l'autre (R2) est destiné à chauffer un(e) ou des (partie(s) de) composants qui ne sont parfois pas en contact avec une quantité substantielle d'urée, ainsi qu'un dispositif de régulation permettant, lors du démarrage du système dans des conditions de gel, d'activer l'élément résistif Rl mais de n' activer l'élément résistif R2 que si son composant est effectivement en contact avec une quantité substantielle d'urée. -11- 12. - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments résistifs chauffants branchés en parallèle sur une source de courant, un capteur de courant placé en série avec la source de courant et l'ensemble de résistances branchées en parallèle, et une unité de détection d'un disfonctionnement du système permettant d'interpréter un signal émis par le capteur.