Brevet FR2979382A1 — publié le 20130301

Dispositif d'injection pour système de réduction catalytique sélective d'un véhicule et procédé d'utilisation du dispositif [0001] La présente invention concerne les systèmes de post-traitement des oxydes d'azote (NOx) par injection d'un agent réactif dans la ligne d'échappement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, du type essence ou Diesel. [0002] La plupart des véhicules automobiles sont munis d'un système de traitement des gaz d'échappement afin de diminuer la pollution due à l'émission des gaz d'échappement. Parmi les systèmes anti-pollution utilisés, le système appelé système de réduction catalytique sélective SCR (pour Selective Catalytic Reduction) comporte des moyens pour injecter un agent réactif dans les gaz d'échappement afin de réduire la quantité de NOx présente dans les gaz. Ces moyens comportent au moins un réservoir contenant un produit capable de fournir un agent réactif, par exemple de l'ammoniac. Ledit produit peut être un sel tel que Sr(NH3)8Cl2, Mg(NH3)6C12 et Ca(NH3)8C12. Lorsqu'il est chauffé, l'ammoniac NH3 contenu dans le sel est libéré, sort du réservoir et passe dans les gaz d'échappement pour réagir avec les oxydes d'azote. L'ammoniac réagit avec les oxydes d'azote NOx pour former de l'azote N2 et de l'eau. Le système comporte généralement une unité de dosage qui permet de contrôler la quantité d'ammoniac injectée dans les gaz d'échappement. Le chauffage du réservoir peut être effectué à l'aide d'une résistance chauffante entourant au moins en partie le réservoir ou placée dans le réservoir en contact avec le sel. [0003] Un système SCR peut comporter un ou plusieurs réservoirs (ou cartouches). Le dispositif de la présente invention est du type comportant plusieurs réservoirs, de volume de stockage de sel sensiblement identique (appelé habituellement "main" ou réservoir "principal"), et un réservoir de volume plus petit. Ce dernier, appelé habituellement "réservoir start-up" ou "réservoir de démarrage", peut être chauffé plus rapidement que les réservoirs principaux car il contient moins de sel. A titre d'exemple, le réservoir de démarrage peut atteindre une température suffisante pour libérer l'ammoniac au bout d'environ quelques minutes (par exemple 2 minutes) alors qu'il faut plusieurs dizaines de minutes pour les réservoirs principaux (environ 30 minutes). C'est donc le réservoir de démarrage qui est utilisé au début du roulage du véhicule (par exemple le matin lorsque le moteur est froid), ce qui permet de traiter les oxydes d'azote rapidement (au bout de quelques minutes). En roulage normal (moteur chaud), le réservoir de démarrage peut être rechargé à l'aide de l'ammoniac fourni par les réservoirs principaux (rechargement passif). [0004] Les systèmes SCR sont maintenant bien connus et utilisés commercialement. Ils sont par exemple décrits dans les documents EP181963A1, EP1199449B1 et US7497075B2. [0005] Les réservoirs perdent progressivement de l'agent réactif et doivent être rechargés. Ainsi les constructeurs préconisent de changer les réservoirs principaux à chaque révision du véhicule (environ tous les 20.000 km). Les réservoirs sont donc démontables, séparément l'un de l'autre et généralement à l'aide d'un connecteur rapide, d'où leur appellation courante de cartouches. Les réservoirs ou cartouches pouvant être en pression, et afin d'assurer la sécurité des opérateurs, un clapet anti-retour et une valve auto- obturante sont installés à la sortie de chaque cartouche dans le but d'éviter une fuite d'ammoniac gazeux. Cependant, d'une part, il est nécessaire de démonter et remonter chaque cartouche individuellement, ce qui prend du temps et ce qui augmente les risques de fuite d'ammoniac et, d'autre part, on utilise un connecteur pour chaque cartouche principale ce qui augmente le coût du système. [0006] La présente invention propose un dispositif qui ne présente pas ces inconvénients. [0007] A cette fin, l'invention propose un dispositif d'injection d'un agent réactif pour un système de réduction catalytique sélective SCR d'un véhicule, 30 ledit dispositif comportant: - un ensemble de n cartouches principales, avec n2, -une cartouche de démarrage ayant un volume de stockage dudit agent réactif inférieur au volume de stockage de chacune desdites cartouches principales, et - une unité de dosage, Selon l'invention, le dispositif comporte des moyens pour connecter en série lesdites cartouches principales. De plus, ladite cartouche de démarrage et la première cartouche principale, définie par n=1, dudit ensemble sont connectées en parallèle à ladite unité de dosage. Les cartouches principales successives peuvent être 10 avantageusement connectées entre elle par l'intermédiaire d'un clapet antiretour. De préférence, ladite unité de dosage peut être connectée à ladite première cartouche principale dudit ensemble par l'intermédiaire d'un connecteur avec valve auto-obturante suivi d'un clapet anti-retour. Ledit 15 connecteur permet de connecter ou déconnecter ledit ensemble des cartouches principales audit système SCR. Lesdites cartouches contiennent un sel solide capable de délivrer ledit agent réactif, tel que l'ammoniac gazeux, ledit sel étant choisi parmi Sr(NH3)8C12, Mg(NH3)6C12 et Ca(NH3)8C12 20 Lesdites cartouches principales peuvent avoir des volumes de stockage sensiblement identiques [0008] L'invention concerne aussi un procédé d'utilisation du dispositif défini précédemment. Selon ce procédé, on utilise d'abord l'agent réactif contenu dans la dernière, définie par le rang n, desdites cartouches principales dudit 25 ensemble, on estime la quantité d'agent réactif encore présent dans ladite cartouche de rang n et, lorsque ladite quantité est jugée insuffisante, on utilise la cartouche principale suivante, de rang n-1, et ainsi de suite jusqu'à utiliser l'agent réactif contenu dans la première cartouche (définie par le rang n=1) dudit ensemble. Avantageusement, la quantité d'agent réactif encore 30 contenue dans une cartouche est estimée en fonction de la consommation d'agent réactif, consommation déterminée grâce au pilotage de ladite unité de dosage, et/ou en mesurant le profil de montée de la pression de l'agent réactif sortant de ladite cartouche [0009] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, 5 donné à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 (art antérieur) montre schématiquement un système SCR classique, - la figure 2 représente schématiquement un premier mode de 10 réalisation d'un système SCR conforme à la présente invention, et - la figure 3 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention. [00010] Le système SCR 10 de l'art antérieur (figure 1) comporte une pluralité de n cartouches principales 11, 12 et 13 (n=3 dans le cas présent). 15 Ces cartouches sont connectées en parallèle à une unité de dosage 14, chacune par l'intermédiaire d'un connecteurl5, 16 ou 17, suivi d'un clapet anti-retour respectivement 18, 19 ou 20. Chacun desdits connecteurs comporte une valve auto-obturante et un filtre. Une cartouche de démarrage 21 est connectée à la sortie de chacun des clapets anti-retourl8, 19 et 20, 20 ainsi qu'à l'unité de dosage 14. Les inconvénients d'un tel système de l'art antérieur résident notamment dans le grand nombre de connecteurs et de clapets anti-retour utilisés et dans le fait que pour recharger les cartouches, il faut les démonter et les remonter séparément l'une de l'autre ce qui prend du temps et ce qui augmente les frais de maintenance. 25 [00011] La figure 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un système SCR 29 conforme à la présente invention. Ce système comporte un ensemble 30 de n (ici avec n=3) cartouches principales 31, 32 et 33 et des moyens permettant de connecter en série lesdites cartouches. Ces moyens comprennent différentes conduites et des 30 clapets anti-retour 34, 35 et 36. Un connecteur 37 intercalé entre la cartouche 31 (de rang n=1) et le clapet anti-retour 34 permet de démonter/remonter l'ensemble 30 des cartouches principales en une seule opération, ce qui facilite la maintenance du système SCR. [00012] Le système comporte une cartouche de démarrage 38 utilisée principalement lorsque le moteur thermique du véhicule n'a pas atteint sa température de fonctionnement normal. Comme dans l'art antérieur, les cartouches principales et de démarrage contiennent un sel solide capable de fournir un agent réactif lorsque le sel est chauffé. Les cartouches sont donc munies de moyens (non représentés) de chauffage du sel. Ce dernier peut être par exemple choisi parmi Sr(NH3)8C12, Mg(NH3)6C12 et Ca(NH3)8C12. Dans ce cas, l'agent réactif est de l'ammoniac gazeux NH3. Les volumes de sel stockés dans les cartouches principales peuvent être sensiblement identiques et plus élevés que le volume stocké dans la cartouche de démarrage. A titre d'exemple, une cartouche principale peut être utilisée pendant environ 10.000 à 15.000 km alors que la cartouche de démarrage peut être utilisée pendant une période correspondant à environ 400 à 800 km. [00013] La première cartouche principale 31 (c'est-à-dire celle de rang n=1) et la cartouche de démarrage 38 sont connectées en parallèle à une unité de dosage 39 qui permet d'envoyer dans la ligne d'échappement une quantité prédéterminée d'agent réactif. L'unité de dosage 39 est connectée à la ligne d'échappement par une conduite 40. [00014] Pour le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les cartouches principales 31 et 32 comportent chacune une entrée et une sortie, alors que les cartouches existant actuellement ne comportent qu'une seule entrée ou sortie. La figure 3 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation permettant de réutiliser sans modification les cartouches principales de l'art antérieur. Sont représentés sur cette figure 3, les cartouches principales 31 et 32, le connecteur 37 et les clapets antiretour 34 et 35. La flèche 41 indique la connexion à l'unité de dosage 39 et la flèche 42 la connexion au clapet anti-retour 36 de la cartouche principale 33. La cartouche principale 31 ne comporte qu'une seule sortie 43 qui est reliée au connecteur 37 et au clapet anti-retour 35. Il en est de même de la cartouche principale 32 qui ne comporte qu'une seule sortie 44 reliée aux clapets anti-retour 35 et 36. Les cartouches 31 et 32 peuvent donc être identiques à celles utilisées dans l'art antérieur. [00015] L'invention concerne aussi un procédé d'utilisation du dispositif conforme à l'invention. La cartouche de démarrage 38 est utilisée sans changement par rapport à l'art antérieur. Quant' aux cartouches principales de l'ensemble 30, on commence par utiliser la dernière cartouche, c'est-à-dire celle de rang n (donc ici la cartouche 33), jusqu'à épuisement de son stock d'ammoniac. A cette fin, seule cette cartouche 33 est chauffée au 10 début de l'utilisation de l'ensemble 30 des cartouches principales (éventuellement après utilisation de la cartouche de démarrage 38). L'ammoniac gazeux produit circule alors successivement, à travers le clapet anti-retour 36, la cartouche 32, le clapet anti-retour 35, la cartouche 31 puis le clapet anti-retour 34 pour être dirigé vers l'unité de dosage 39. 15 [00016] Des moyens de contrôle (non représentés), tels qu'un microprocesseur programmé, pilote l'unité de dosage 39 de façon à faire délivrer par l'unité de dosage la quantité d'ammoniac voulue pour la réduction des oxydes d'azote. [00017] Selon un mode de réalisation, la quantité d'ammoniac restant 20 dans la cartouche est estimée en fonction de la quantité d'ammoniac initialement stockée dans la cartouche et en fonction de la consommation d'ammoniac délivré par l'unité de dosage. Les moyens de contrôle font la somme de toutes les quantités d'ammoniac délivrées ce qui fournit la quantité d'ammoniac consommée et ce qui permet d'estimer, par 25 soustraction, la quantité d'ammoniac encore présente dans la cartouche. [00018] Selon un autre mode de réalisation, la quantité d'ammoniac restant dans la cartouche est estimée en contrôlant le profil de la montée en pression dans la cartouche lorsqu'elle est chauffée. Pour cela, on met à profit le fait que, lorsque la cartouche est chauffée, la montée en pression est de 30 plus en plus lente au fur et à mesure que la cartouche se vide. A partir d'un profil de pression prédéterminé, on déclare que la cartouche est vide. [00019] De préférence, les deux modes d'estimation décrits peuvent être utilisés en parallèle. [00020] Lorsque la cartouche de rang n est vide (en commençant par n=3 dans le cas présenté, donc la cartouche 33), on utilise alors la cartouche 5 adjacente (donc de rang n-1, ici la cartouche 32), jusqu'à épuisement de son stock d'ammoniac, puis lorsque cette cartouche 32 est vide, on utilise alors la cartouche 31 (de rang n-2) jusqu'à épuisement de son stock d'ammoniac. Selon le procédé de l'invention, la dernière cartouche connectée en série (la cartouche de rang n, donc ici la cartouche 33, est utilisée jusqu'à épuisement 10 et on termine par l'utilisation de la cartouche reliée au connecteur 37 (la cartouche de rang n=1, donc ici la cartouche 31). [00021] La cartouche de démarrage 38 est rechargée en ammoniac par les cartouches principales pendant le roulage du véhicule. [00022] Lorsque toutes les cartouches principales sont vides d'ammoniac, 15 ou lorsque la maintenance du véhicule est effectuée (par exemple tous les 20.000 km), l'ensemble 30 des cartouches principales est remplacé, simplement en agissant sur le connecteur 37. Ce dernier, monté du coté de la cartouche 31, est de préférence un connecteur rapide, par exemple encliquetable, ce qui permet un démontage ou montage sans outil, 20 simplement à la main. Le connecteur 37 comporte avantageusement une valve auto-obturante qui se ferme lorsque le connecteur est déconnecté. [00023] Un dispositif conforme à l'invention permet de supprimer n-1 connecteurs avec valve auto-obturante et filtre pour un système composé de n cartouches principales (avec r12). De plus, le remplacement des 25 cartouches principales est plus facile et plus rapide. Un gain économique est ainsi réalisé. 30 REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection d'un agent réactif pour un système de réduction catalytique sélective SCR (29) d'un véhicule, ledit dispositif comportant: - un ensemble de n cartouches principales (31, 32, 33), avec n2, - une cartouche de démarrage (38) ayant un volume de stockage dudit agent réactif inférieur au volume de stockage de chacune desdites cartouches principales, et - une unité de dosage (39), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (34, 35, 36, 37) pour connecter en série lesdites cartouches principales et en ce que ladite cartouche de démarrage (38) et la première cartouche principale (31), définie par n=1, dudit ensemble sont connectées en parallèle à ladite unité de dosage (39). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les cartouches principales successives (31 et 32, 32 et 33) sont connectées entre elle en série par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour (35, 36). 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite unité de dosage (39) est connectée à ladite première cartouche principale (31) dudit ensemble (30) par l'intermédiaire d'un connecteur (37) avec valve auto-obturante suivi d'un clapet anti-retour. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit connecteur (37) permet de connecter ou déconnecter ledit ensemble (30) des cartouches principales audit système SCR (29). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites cartouches (31, 32, 33, 38) contiennent un sel solide capable de délivrer ledit agent réactif. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit agent réactif est de l'ammoniac gazeux et en ce que ledit sel est choisi parmi Sr(NH3)8C12, Mg(NH3)6C12 et Ca(NH3)8C12 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites cartouches principales (31, 32, 33) ont des volumes de stockage sensiblement identiques. 8. Procédé d'utilisation du dispositif défini à l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on commence à utiliser l'agent réactif contenu dans la dernière (33), de rang n, desdites cartouches principales dudit ensemble (30); on estime la quantité d'agent réactif encore présent dans ladite cartouche de rang n et, lorsque ladite quantité est jugée insuffisante, on utilise la cartouche principale suivante (32), de rang n-1, et ainsi de suite jusqu'à utiliser l'agent réactif contenu dans la première cartouche (31), de rang n=1, dudit ensemble. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que la quantité d'agent réactif encore contenue dans une cartouche principale est estimée en fonction de la consommation d'agent réactif déterminée grâce au pilotage de ladite unité de dosage (39). 10. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que la quantité d'agent réactif encore contenue dans une cartouche est estimée en mesurant le profil de montée de la pression de l'agent réactif sortant de ladite cartouche.