Brevet FR2986824A1 — publié le 20130816

La présente invention concerne, de façon générale, le domaine de la dépollution en relation avec les véhicules automobiles à moteur thermique, en particulier à moteur diesel. Plus particulièrement, cette invention se rapporte à un dispositif d'introduction d'un produit additif à l'origine liquide, en particulier un produit à fonction réductrice, dans une ligne de traitement telle que la ligne d'échappement d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique. La technologie utilisée pour la dépollution des oxydes d'azote NOx, sur des véhicules à moteur thermique tel que moteur diesel, nécessite d'avoir un dispositif de mise sous pression d'un produit additif, typiquement à une pression comprise entre 5 et 20 bars, afin d'en permettre la pulvérisation dans une ligne de traitement, plus particulièrement dans la ligne d'échappement du véhicule concerné. L'additif utilisé est en particulier un produit à base d'urée, mélangée à de l'eau. De manière généralement connue, pour réaliser l'introduction d'un tel produit additif dans une ligne de traitement, il est prévu un dispositif qui comprend un réservoir d'additif relié, par un conduit d'additif, à au moins un injecteur ou pulvérisateur d'additif placé sur la ligne de traitement, des moyens de pompage et de mise en pression de l'additif étant placés sur le conduit d'additif entre le réservoir d'additif et le pulvérisateur d'additif. Diverses techniques sont connues pour stocker le produit additif et pour le diriger vers un injecteur qui le pulvérise dans la ligne de traitement. Le document de brevet FR 2 879 239 décrit un dispositif dans lequel la mise sous pression de l'additif, constitué par une solution aqueuse d'urée, est réalisée par une pompe qui prélève l'additif dans un réservoir de stockage de cet additif, et qui envoie directement l'additif dans une ligne d'injection menant à l'injecteur, une ligne de retour ramenant vers le réservoir le surplus d'additif, non consommé par l'injecteur. Dans une telle conception, la pompe fonctionne dès la mise en marche du moteur thermique du véhicule et de façon permanente. Cette pompe doit donc être conçue pour fonctionner durant toute la durée de vie du véhicule, soit un fonctionnement, à titre d'indication, représentant une distance totale parcourue d'environ 240000 kilomètres. Ainsi la pompe doit être réalisée avec des composants particulièrement robustes et coûteux pour résister aux contraintes thermiques et mécaniques d'un fonctionnement permanent, et pour résister aussi à la corrosion par le produit additif utilisé. Selon une autre solution connue, décrite dans le document de brevet FR 2 870 172 ou son équivalent le document de brevet WO 2005/113279, l'additif est stocké dans un réservoir en forme de poche souple contenue dans une cartouche rigide et pouvant être mise sous pression par un ressort de compression. Dans ce cas, la pompe peut être supprimée, mais la pression de l'additif en amont de l'injecteur est proportionnelle à l'effort du ressort et inversement proportionnelle à la surface de la poche en contact avec une plaque sur laquelle s'appuie le ressort. En pratique, le volume d'additif à stocker dans la poche étant relativement important, typiquement compris entre 15 et 20 litres, cela nécessite une surface de poche relativement importante, de l'ordre de plusieurs dizaines de cm2, et des efforts de ressort très importants, pouvant atteindre plusieurs centaines de daN si on souhaite obtenir une pression d'injection élevée, typiquement comprise entre 5 et 10 bars. Compte tenu des contraintes d'encombrement disponible sur les véhicules, un ressort pouvant satisfaire toutes ces exigences n'existe certainement pas, et une telle solution «sans pompe» n'est pas réaliste. Dans une variante prévue par le document de brevet précité FR 2 870 172, la poche souple est mise sous pression par une pompe intégrée au véhicule et possédant une autre fonction principale, telle que la fonction d'alimentation du moteur en carburant. Dans ce cas, la poche doit déjà être compatible vis-à-vis des deux fluides avec lesquels elle est en contact par ses faces interne et externe, et aussi vis-à-vis des températures respectives de ces deux fluides. Une autre solution, connue par le document de brevet EP 0953739, prévoit l'utilisation d'une pompe qui, à partir d'un réservoir d'additif, remplit un accumulateur en mettant l'additif en pression. A partir de l'accumulateur, l'additif est envoyé sous une pression appropriée vers l'injecteur. Cette conception permet d'avoir une pompe à fonctionnement intermittent, actionnée cycliquement pour aspirer l'additif dans le réservoir et pour remplir à nouveau l'accumulateur. Toutefois, l'utilisation d'un accumulateur mécanique, sollicité fréquemment du fait d'un faible volume de liquide stocké résultant lui-même du manque de place dans un véhicule et de l'encombrement du ressort prévu pour l'obtention d'une pression suffisante pour une pulvérisation du liquide, pose un problème de fatigue dudit ressort dans un temps correspondant à la durée de vie d'un véhicule. La suppression de tout composant mécanique pour la mise sous pression de l'additif permettrait d'obtenir un fonctionnement durable. 2 986 824 3 Ainsi, d'une manière générale, le principe d'injection d'un produit additif à l'état liquide crée des problèmes de transfert du liquide au travers des moyens de mise en pression mécaniques et de maintien de la pression, provoquant un vieillissement prématuré par exemple du ressort d'un 5 accumulateur ou bien d'une pompe fonctionnant en permanence. Les réalisations utilisant ce principe sont aussi bruyantes en fonctionnement, d'autant plus que le dispositif est habituellement proche de l'habitacle du véhicule. Un autre principe connu consiste à vaporiser l'additif liquide, en un 10 point situé en amont de la zone de pulvérisation dans la ligne d'échappement. Ainsi, le document de brevet WO 2009/141051 (ou son équivalent US 2009/301070) prévoit une chambre de vaporisation, placée juste en amont d'une buse de pulvérisation, dans la ligne d'échappement, de l'additif gazéifié. La chambre de vaporisation renferme des éléments chauffants électriques par 15 lesquels l'additif, à l'origine liquide, est chauffé et vaporisé. Toutefois, cette chambre reste ouverte et fait ainsi communiquer en permanence son entrée avec sa sortie, sans qu'aucune « gestion » de son ouverture ou de sa fermeture soit d'une quelconque manière organisée. Ainsi, la chambre de vaporisation reste une simple zone de réchauffage d'un liquide qui traverse 20 cette chambre tout en restant à la pression d'un circuit ouvert. De plus, l'ajout d'une telle chambre dans un circuit de transfert de produit additif crée une perte de charge du fluide entrant, et cela peut provoquer un dépôt de liquide sur les parois de la chambre qui, étant plus froide que les éléments chauffants, crée une condensation puis un dépôt de sel. 25 On pourrait encore envisager l'injection d'un réducteur intrinsèquement gazeux, constitué d'un gaz d'ammoniaque, pour l'élimination des oxydes d'azote NOx au sein de la ligne d'échappement. Ceci pose toutefois un problème de stockage, nécessitant la compression d'une grande quantité de gaz dans une chambre de stockage devant être elle-même logée 30 dans un encombrement imparti. Le gaz doit être mis sous pression puis détendu à pression maîtrisée, pour ne pas détériorer le circuit de transfert et de diffusion précédant le catalyseur de traitement. L'utilisation d'une chambre sous forte pression crée un risque de déflagration suite à un choc du véhicule, de même l'excès de chaleur à proximité, notamment dû à un incendie, met en 35 danger les personnes environnantes. Un gaz sous pression élevée permanente présente aussi un risque important de fuite. La présente invention vise à éviter les inconvénients précédememnt exposés, et elle a ainsi pour but de fournir un dispositif permettant la pulvérisation d'un additif à l'état gazeux, sans nécessiter un stockage d'une quantité importante de gaz et sans souffrir des inconvénients d'une chambre de vaporisation telle que connue actuellement. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'introduction d'un produit additif à l'origine liquide, en particulier un produit à fonction réductrice, dans une ligne de traitement telle que la ligne d'échappement d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique, le dispositif étant essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend, d'amont en aval dans le sens de transfert du produit additif : - au moins un réservoir de stockage de produit additif à l'état liquide, - des moyens de puisage contrôlé du produit additif liquide dans le réservoir de stockage, - au moins une chambre d'expansion, alimentée en produit additif liquide par les moyens de puisage, et conçue pour la mise en pression et la vaporisation du produit additif par apport thermique, - une sortie de la chambre d'expansion, reliée de préférence par l'intermédiaire de moyens de dosage à au moins un pulvérisateur de produit additif au moins partiellement vaporisé, placé sur la ligne de traitement. Ainsi, l'invention fournit un dispositif qui permet de distribuer le 25 produit additif dans la ligne de traitement, en lui faisant subir de façon contrôlée un changement d'état partiel ou complet, le faisant passer de l'état liquide à l'état gazeux, par échauffement dans une chambre fermée. Dans une forme de réalisation de l'invention, les moyens de puisage contrôlé du produit additif liquide dans le réservoir de stockage 30 comprennent une vanne de puisage, située à l'entrée de la chambre d'expansion. Une chambre intermédiaire, de préférence isolée thermiquement, peut être placée entre le réservoir de stockage et la vanne de puisage. Une réserve de produit additif peut ainsi être prélevée du réservoir, notamment par 35 gravité, avant d'être admise dans la chambre d'expansion. L'isolation thermique de la chambre intermédiaire évite une vaporisation prématurée du produit additif. En variante, en particulier dans le cas où la chambre d'expansion ne peut être remplie en produit additif par simple gravité, les moyens de puisage contrôlé du produit additif liquide dans le réservoir de stockage comprennent une pompe de gavage, placée entre le réservoir de stockage et la vanne de puisage. La chambre d'expansion comporte avantageusement des moyens de contrôle de la température et/ou de la pression du produit additif remplissant 10 cette chambre d'expansion, notamment sous la forme d'un capteur de température ou de pression placé sur la paroi de ladite chambre. Dans un mode de réalisation, la chambre d'expansion comporte des moyens de chauffage actifs, par exemple sous la forme d'un réchauffeur électrique, pour réaliser le changement d'état du produit additif remplissant 15 cette chambre d'expansion. Dans un autre mode de réalisation, la chambre d'expansion est placée au contact ou au voisinage immédiat d'un élément chaud existant, tel que la ligne d'échappement elle-même, pour réaliser le changement d'état du produit additif remplissant cette chambre d'expansion. 20 Les deux modes de réalisation précédents peuvent être combinés, en prévoyant une chambre d'expansion principale placée au contact ou au voisinage immédiat d'un élément chaud existant, tel que la ligne d'échappement et, disposée en parallèle avec la chambre d'expansion principale, une chambre d'expansion secondaire pourvue de moyens de 25 chauffage actifs, par exemple sous la forme d'un réchauffeur électrique. Ainsi, l'apport thermique nécessaire à la vaporisation est réalisé depuis la ligne d'échappement en fonctionnement courant, en utilisant la chambre d'expansion principale, tandis qu'au démarrage du véhicule, la ligne d'échappement étant encore froide, cet apport thermique est réalisé en utilisant la chambre 30 d'expansion secondaire avec son réchauffeur. Les moyens de dosage, prévus en sortie de la chambre d'expansion (le cas échéant des chambres d'expansion), sont avantageusement constitués par une vanne de dosage, commandée notamment à partir du capteur de température ou de pression placé sur la 35 chambre d'expansion. Il est à noter que la vanne de dosage peut aussi être commandée, dans le sens de son ouverture, pour réaliser une dépressurisation de la chambre d'expansion lorsque le moteur du véhicule est mis à l'arrêt, ceci dans un but de sécurité. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce dispositif d'introduction d'un produit additif dans une ligne de traitement : Figure 1 est une vue schématique d'une première forme 10 d'exécution du dispositif objet de l'invention, appliquée à une ligne d'échappement ; Figure 2 est une vue schématique d'une deuxième forme d'exécution du dispositif, objet de l'invention ; Figure 3 est une vue schématique d'une troisième forme 15 d'exécution de ce dispositif. Le dispositif 1 selon l'invention, représenté sur les figures, est associé à une ligne d'échappement 2 d'un véhicule automobile à moteur thermique, en particulier un moteur de type diesel, la ligne d'échappement 2 contenant un catalyseur 3 (voir figures 2 et 3). 20 D'une manière générale, le dispositif 1 comprend un réservoir 4 de stockage d'additif liquide qui est relié, par un circuit, à un pulvérisateur 5 placé sur la ligne d'échappement 2, en amont du catalyseur 3. Dans la forme d'exécution de la figure 1, le réservoir 4 d'additif liquide est relié à une chambre intermédiaire 6 isolée thermiquement. La 25 chambre intermédiaire 6 est reliée, par l'intermédiaire d'une vanne de puisage 7, à une entrée d'une chambre d'expansion 8, ici pourvue d'un réchauffeur 9 de type électrique. Un capteur 10 de température ou de pression est placé sur la paroi de la chambre d'expansion 8. Cette chambre d'expansion 8 possède une sortie pourvue d'une 30 vanne de dosage 11 et reliée, par un conduit 12, au pulvérisateur 5. En fonctionnement, un produit additif liquide à propriétés réductrices, notamment à base d'urée est stocké dans le réservoir 4. Une réserve de produit additif est prélevée, par exemple par gravité, dans la chambre intermédiaire 6. 35 Le produit additif, encore à l'état liquide dans la chambre intermédiaire 6 traverse la vanne de puisage 7 ouverte pour parvenir dans la chambre d'expansion 8, qui est alors fermée du côté aval par la vanne de dosage 11. Sous l'effet du réchauffeur 9, le produit additif est mis en pression et vaporisé dans la chambre d'expansion 8. Le capteur 10 détermine les 5 conditions internes de température ou de pression à l'intérieur de la chambre d'expansion 8. Lorsque les conditions autorisant le transfert du produit additif vaporisé vers le pulvérisateur 5 sont réunies, la vanne de dosage 11 est ouverte, de façon à permettre le passage du produit additif vaporisé dans le conduit 12, et la diffusion de ce produit additif dans la ligne d'échappement 2, 10 par le pulvérisateur 5, afin de répondre au besoin de réduction des oxydes d'azote dans la ligne d'échappement 2. L'introduction du produit additif dans la ligne d'échappement 2, à l'état vaporisé, est ainsi réalisée cycliquement, au rythme de l'ouverture et de la fermeture de la vanne de puisage 7 et de la vanne de dosage 11. 15 Dans la forme d'exécution de la figure 2, sur laquelle les éléments correspondant à ceux décrits précédemment sont désignés par les mêmes repères numériques, la chambre d'expansion 8 se trouve au contact de la paroi de la ligne d'échappement 2. Ainsi, en fonctionnement, le produit additif encore liquide admis dans la chambre d'expansion 8 bénéficie de l'apport thermique 20 de la ligne d'échappement 2 qui est chaude, ce qui peut rendre inutile l'intervention d'un réchauffeur pour la vaporisation dudit produit additif. Pour le reste, le fonctionnement du dispositif est contrôlé par la vanne de puisage 7 et la vanne de dosage 11 et correspond à la description précédente. Dans la forme d'exécution de la figure 3, la vanne de puisage 7 est 25 une vanne à trois voies, dont une première sortie est reliée à une chambre d'expansion principale 8a située au contact de la paroi de la ligne d'échappement 2. La seconde sortie de la vanne de puisage 7 est reliée à une chambre d'expansion secondaire 8b, disposée en parallèle avec la chambre d'expansion principale 8a et pourvue d'un réchauffeur 9. Les deux chambres 30 d'expansion 8a et 8b sont pourvues chacune d'un capteur de température, respectivement 10a, 10b. Les sorties respectives des deux chambres d'expansion 8a et 8b sont réunies au niveau d'une vanne de dosage 11 à trois voies, alimentant un pulvérisateur 5 unique. Ainsi, en fonctionnement et lorsque la ligne d'échappement 2 est 35 chaude, le produit additif encore liquide est dirigé vers la chambre d'expansion principale 8a où il bénéficie de l'apport thermique de la ligne d'échappement 2 pour se vaporiser. Lorsque la ligne d'échappement 2 est froide donc au démarrage du véhicule, le produit additif encore liquide est dirigé vers la chambre d'expansion secondaire 8b, où il se vaporise sous l'effet du réchauffeur 9. Comme le montre aussi la figure 3, la chambre intermédiaire des formes d'exécution précédentes peut être supprimée, et remplacée par une pompe de gavage 13, en particulier pour le cas où la chambre d'expansion 8 (ou 8a, 8b) ne peut pas se remplir en produit additif liquide par simple gravité. La sortie de la pompe de gavage 13 est dans ce cas reliée à l'entrée de la vanne de puisage 7. Partant de la forme d'exécution de la figure 3, il est possible d'avoir des chambres d'expansion plus nombreuses, pourvues d'un réchauffeur ou bénéficiant du transfert de chaleur depuis la ligne d'échappement 2 ou depuis un autre élément chaud exploitable. Lorsque le moteur du véhicule est mis à l'arrêt, la chambre d'expansion 8 (ou 8a, 8b) est refroidie par échange thermique avec le milieu extérieur, ce qui a pour effet de réduire le volume du gaz et la pression interne. Cet effet peut être combiné avec une dépressurisation, par ouverture forcée de la vanne de dosage 11 commandée par un signal spécifique, transmis via le réseau de communication du véhicule. Le dimensionnement de la chambre d'expansion 8 est déterminé en fonction de la quantité de produit additif à introduire dans la ligne d'échappement 2 entre deux remplissages de cette chambre. Ainsi, le volume de cette chambre peut être compris entre 5 et 100 cm3, un tel dimensionnement évitant toute déflagration dangereuse lors d'un choc ou d'un incendie. L'utilisation de plusieurs chambres d'expansion, mises en parallèle, permet non seulement d'augmenter le volume dans lequel le produit additif se vaporise, mais aussi d'envisager un fonctionnement continu (et non cyclique) du dispositif, avec alternance des chambres utilisées pour la vaporisation du produit additif. Comme il va de soi, et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif d'introduction d'un produit additif dans une ligne de traitement qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. REVENDICATIONS1. Dispositif d'introduction d'un produit additif à l'origine liquide, en particulier un produit à fonction réductrice, dans une ligne de traitement telle 5 que la ligne d'échappement (2) d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend, d'amont en aval dans le sens de transfert du produit additif : - au moins un réservoir de stockage (4) de produit additif à l'état liquide, 10 - des moyens (6, 7 ; 13) de puisage contrôlé du produit additif liquide dans le réservoir de stockage (4), - au moins une chambre d'expansion (8 ; 8a ; 8b), alimentée en produit additif liquide par les moyens de puisage, et conçue pour la mise en pression et la vaporisation du produit additif par 15 apport thermique, - une sortie (12) de la chambre d'expansion (8 ; 8a ; 8b), reliée de préférence par l'intermédiaire de moyens de dosage (11) à au moins un pulvérisateur (5) de produit additif au moins partiellement vaporisé, placé sur la ligne de traitement (2). 20 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de puisage contrôlé du produit additif liquide dans le réservoir de stockage (4) comprennent une vanne de puisage (7), située à l'entrée de la chambre d'expansion (8 ; 8a ; 8b). 25 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une chambre intermédiaire (6), de préférence isolée thermiquement, est placée entre le réservoir de stockage (4) et la vanne de puisage (7). 30 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de puisage contrôlé du produit additif liquide dans le réservoir de stockage (4) comprennent une pompe de gavage (13), placée entre le réservoir de stockage (4) et la vanne de puisage (7). 35 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre d'expansion (8 ; 8a ; 8b) comporte desmoyens de contrôle de la température et/ou de la pression du produit additif remplissant cette chambre d'expansion, notamment sous la forme d'un capteur (10 ; 10a ; 10 b) de température ou de pression placé sur la paroi de ladite chambre (8 ; 8a ; 8b). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre d'expansion (8) comporte des moyens de chauffage actifs, par exemple sous la forme d'un réchauffeur électrique (9), pour réaliser le changement d'état du produit additif remplissant cette chambre d'expansion (8). 7. Dispositif selon l'un quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre d'expansion (8) est placée au contact ou au voisinage immédiat d'un élément chaud existant, tel que la ligne d'échappement (2) elle-même, pour réaliser le changement d'état du produit additif remplissant cette chambre d'expansion (8). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d'expansion principale (8a) placée au contact ou au voisinage immédiat d'un élément chaud existant, tel que la ligne d'échappement (2) et, disposée en parallèle avec la chambre d'expansion principale (8a), une chambre d'expansion secondaire (8b) pourvue de moyens de chauffage actifs, par exemple sous la forme d'un réchauffeur électrique (9). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de dosage, prévus en sortie de la chambre d'expansion (8) ou des chambres d'expansion (8a ; 8b), sont constitués par une vanne de dosage (11), commandée notamment à partir du capteur (10 ; 10a ; 10b) de température ou de pression placé sur la chambre d'expansion (8 ; 8a ; 8b). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vanne de dosage (11) est commandée, dans le sens de son ouverture, pour 35 réaliser une dépressurisation de la chambre d'expansion (8 ; 8a ; 8b) lorsque le moteur du véhicule est mis à l'arrêt.