Brevet FR3012170A1 — publié le 20150424

LIGNE D'ECHAPPEMENT DE GAZ EQUIPEE D'UN DISPOSITIF D'INJECTION COMMUN D'ADDITIF ET D'AGENT REDUCTEUR [0001] La présente invention concerne une ligne d'échappement de gaz équipée de systèmes de dépollution pour moteur à combustion interne de véhicule automobile intégrant un dispositif d'injection commun d'additif et d'agent réducteur. [0002] Les moteurs diesel ou essence de véhicules automobiles génèrent différents types de polluants atmosphériques, majoritairement : - du dioxyde de soufre (S02) ; - des oxydes d'azote (N0x) ; - des composés organiques volatils (COV) ; et - de l'ammoniac (NH3). [0003] Les oxydes d'azote NOx comprennent le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2). [0004] Afin de respecter les normes environnementales, la maitrise des polluants atmosphérique est impérative et des technologies de traitement des gaz d'échappement sont indispensables. Les normes vont imposer d'être de plus en plus fin dans le contrôle des émissions de polluants. La dépollution des véhicules automobiles fait appel à différents dispositifs permettant d'éliminer les polluants produits par le moteur. Parmi les dispositifs existant, on peut citer les catalyseurs et le filtre à particules. [0005] Les catalyseurs de véhicules automobiles visent à convertir le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone (002) et en eau (H20), tout en réduisant la masse de particules du carburant diesel. [0006] Le filtre à particules est un dispositif de filtration permettant d'éliminer les particules solides présentes dans les gaz d'échappement. Après avoir été piégées et donc accumulées, les particules de suies sont éliminées périodiquement, généralement par combustion. Cette étape est communément appelée « étape de régénération du filtre à particules ». [0007] Afin de limiter la température de combustion des suies, il est avantageux d'utiliser un additif tel que de la cérine, injectée préférentiellement dans le réservoir de carburant pour réduire la température de combustion des particules de suies. [0008] D'autres méthodes différentes de l'additivation existent. Elles consistent par exemple en l'oxydation grâce à une formulation catalytique spécifique directement déposée sur les parois du filtre à particules, ou l'oxydation des suies en continu par réaction avec le NO2, ou encore par une technique de réchauffage électrique. [0009] Toutefois, les dispositifs ci-dessus (catalyseurs et filtre à particules) ne permettent pas d'éliminer efficacement les polluants atmosphériques que sont les oxydes d'azote (NON). [0010] Pour limiter les émissions d'oxydes d'azote NON, il existe à ce jour deux méthodes principales : - le piège à NON appelé également NON-Trap et - la RCS pour réduction catalytique sélective (SCR en anglais). [0011] Le piège à NON ou NON-Trap est basé sur une alternance de phases de chargement et de phases de purge du piège. Lors de la phase de chargement, le piège à NON stocke les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement en les piégeant chimiquement, grâce à une imprégnation spécifique dans le pot catalytique (platine, baryum, rhodium). Le platine sur le catalyseur transforme le monoxyde d'azote en dioxyde d'azote (NO2). L'oxyde de baryum fixe les molécules de NO2 pour en faire une chaîne Ba(NO3)2 qui va se fixer dans le piège. Lors de la phase de purge, les éléments stockés dans le piège à NON sont éliminés par une réaction chimique en milieu réducteur. Les oxydes d'azote sont ainsi transformés en gaz neutre (principalement de l'azote). Le piège à NON est ainsi nettoyé et prêt à poursuivre son rôle de piège à oxyde d'azote. [0012] La réduction catalytique sélective, RCS (ou SCR en anglais), consiste à réduire les NON en injectant un agent réducteur tel que de l'urée en amont d'un pain ou système SCR. La réduction mise en oeuvre transforme les NON en azote N2 et en eau. Cette conversion est rendue possible par l'injection d'un agent réducteur, qui peut être par exemple être un mélange d'eau et de 32,5% d'urée synthétique NH2-CO-NH2, communément appelé Adblue®. L'agent réducteur est soit déjà présent dans les gaz d'échappement, soit injecté en amont du système RCS. [0013] Afin de mesurer le taux de NON en aval du système RCS, on utilise une sonde NON qui est disposée en aval du filtre à particules (FAP). L'information issue de la sonde NON est utilisée pour asservir la commande de l'injecteur d'urée. [0014] L'implantation d'un système SCR sur les voitures automobiles pose des contraintes d'encombrement, de poids et de coût. Toutefois, un tel module ne modifie généralement pas le fonctionnement du filtre à particules. [0015] Comme cela est illustré à la figure 1, des activités sont en cours afin de disposer d'un élément commun regroupant la fonction SCR 1 et la fonction FAP 2 dans le même élément filtrant, sur une ligne d'échappement 4. Cet élément commun est appelé SCR sur FAP ou encore SCRF 3. [0016] La figure 2 schématise une partie de motorisation respectant la norme Euro VI. Cette motorisation dispose d'un circuit d'injection d'urée 5 pour la fonction RCS. L'urée qui se trouve dans un réservoir dédié 6 est pompée avant d'être intégrée au circuit par un injecteur 7 logé en amont du module RCS 1. Cette motorisation dispose également d'un circuit d'injection d'additif 8 permettant la régénération du filtre à particules 2. L'additif se trouve dans un réservoir 9 séparé. Une pompe spécifique 10 permet d'injecter l'additif dans le réservoir de carburant 11. [0017] La problématique de telles motorisations intégrant à la fois un catalyseur 12, un filtre à particules 2, un système SCR 1, des réservoirs 6, 9 et 11, des canalisations et des sondes associées, est que ces motorisations sont complexes et coûteuses. La multiplication des systèmes de dépollution entraine en effet de nouvelles contraintes d'espace et de coût de fabrication. [0018] Des solutions pour optimiser les motorisations consistent donc à mettre au point soit des dispositifs miniaturisés, soit de combiner les dispositifs soit par exemple de mettre au point des dispositifs permettant d'injecter plusieurs fluides. [0019] Les documents FR291933 8 et FR2919339 décrivent des lignes d'échappement de gaz pour moteur de véhicule automobile comportant un injecteur unique connecté à la sortie d'un sélecteur de fluides nécessaires au fonctionnement de systèmes de dépollution. Ce sélecteur de fluides étant capable de laisser passer alternativement ou simultanément les fluides vers l'injecteur. Chaque fluide provient d'un réservoir distinct et est amené vers l'injecteur par une pompe motorisée distincte. [0020] Le document US20130064744 divulgue un dispositif comportant deux réservoirs permettant le stockage de deux agents réducteurs. Les deux agents réducteurs débouchent dans une vanne trois voies mélangeuse qui est connectée à un unique injecteur. [0021] Les documents précités envisagent que les pompes motorisées permettent une rotation inversée. Toutefois, lorsque ces pompes motorisées permettent une telle rotation inversée, cette rotation inversée apporte uniquement une fonction permettant de purger le fluide. [0022] Le document CN102953787 décrit un dispositif comprenant une pompe double motorisée permettant d'injecter un seul agent réducteur hors de son réservoir. [0023] L'avantage procuré par la présence d'un injecteur unique est qu'il permet de limiter le nombre de composants d'une motorisation d'un véhicule automobile. Ceci permet de rendre les motorisations moins encombrantes mais également moins onéreuses. [0024] Toutefois, même s'il est avantageux de prévoir un système disposant d'un injecteur unique, cette solution ne permet pas de limiter le nombre des autres constituants situés en amont dudit injecteur. La réduction de l'encombrement et des coûts est donc relative. [0025] Un objectif que s'est fixé la présente invention est donc de disposer d'un système comprenant deux pompes entrainées par un moteur unique. [0026] La solution au problème posé a pour premier objet un dispositif d'injection de fluides nécessaires au fonctionnement de systèmes de dépollution à l'intérieur d'une ligne d'échappement 4 équipant un moteur à combustion interne 13 dont est pourvu un véhicule automobile, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un moteur 20 apte à tourner dans un sens horaire et antihoraire et deux pompes 23, 24 ; - une première pompe 23 étant activée lorsque le moteur tourne en sens horaire et permettant l'injection d'un premier fluide ; - une seconde pompe 24 étant activée lorsque le moteur tourne en sens antihoraire et permettant l'injection d'un second fluide. [0027] En effet, le Demandeur a pu mettre en évidence qu'il était possible d'optimiser l'architecture des circuits d'injection des fluides nécessaires au fonctionnement de systèmes de dépollution en mettant en commun une portion de ces circuits. [0028] Avantageusement, un des fluides est un agent réducteur pour la fonction SCR et l'autre fluide est un additif pour la régénération du filtre à particules. [0029] De préférence, l'agent réducteur est une composition comprenant de l'urée et/ou l'additif est de la cérine. [0030] De préférence encore, l'agent réducteur est une composition, commercialisée sous la marque AdBIueTM, comprenant 32,5% d'urée diluée dans de l'eau déminéralisée. [0031] Plus particulièrement, le Demandeur est parvenu à mettre en commun un injecteur d'urée, un injecteur de cérine, une portion du circuit, ainsi qu'une pompe électrique, afin de limiter la complexité et le coût du système. [0032] Préférentiellement, le périmètre commun entre le circuit contenant l'additif et le circuit contenant l'agent réducteur est un injecteur, une section de durite avale à une 10 pompe ou une pompe elle-même. [0033] Selon l'invention, le dispositif dispose d'un moteur 20 apte à tourner dans un sens horaire et antihoraire. Avantageusement, lorsque le moteur 20 tourne en sens horaire, une première pompe 23 pompera un premier fluide qui est un agent réducteur ; et lorsque le moteur 20 tourne en sens antihoraire, une seconde pompe 24 pompera un second fluide 15 qui est un additif. [0034] Préférentiellement, les pompes sont rendus solidaires avec le rotor du moteur par l'intermédiaire d'embrayages. [0035] Préférentiellement, le dispositif comprend en outre un ou plusieurs clapets antiretours. 20 [0036] Pour piloter l'injection d'agent réducteur ou d'additif, une unité de contrôle génère un signal électrique qui dépend des besoins du système de réduction catalytique sélective SCR et du filtre à particules FAP. L'unité de contrôle commande et contrôle le fonctionnement du dispositif. Une unité de contrôle est un circuit logique séquentiel qui réalise un automate fini, qui génère des signaux de contrôle pour piloter le moteur des 25 pompes. [0037] Avantageusement, le moteur 20 est un moteur électrique, piloté par une unité de contrôle transmettant un signal MLI (pour modulation de largeur d'impulsions). [0038] De préférence, l'unité de contrôle applique une séquence alternant l'injection du premier fluide et du second fluide. 30 [0039] De préférence, le signal MLI présente les propriétés suivantes : pour un Rapport Cyclique d'Ouverture (RCO) compris entre 51% et 100%, le moteur tourne dans le sens horaire. 51% correspondant à la vitesse minimum et 100% correspondant à la vitesse maximum ; pour un RCO compris entre 0% et 49%, le moteur tourne dans le sens antihoraire. 0% correspondant à la vitesse minimum et 49% correspondant à la vitesse maximum ; pour un RCO de 50%, le rotor du moteur reste en position statique. [0040] La modulation de largeur d'impulsions (MLI) ou PWM en anglais (pour Pulse Width Modulation) est une technique couramment utilisée pour synthétiser des signaux continus à l'aide de circuits à fonctionnement tout ou rien, ou plus généralement à états. Dans le domaine de l'électronique automobile, le Rapport Cyclique d'Ouverture (RCO) est le temps d'ouverture d'un actuateur, ou système de commande à distance, piloté par un signal carré, de fréquence et d'amplitude constante par rapport à un cycle complet. En d'autres termes, le RCO a pour but de commander des organes électroniques en leur imposant un temps d'ouverture dans une période de quelques millisecondes. La valeur du RCO est calculée selon la formule suivante : RCO = dans laquelle t1 correspond au temps de commande et T correspond à la durée du cycle complet. [0041] Les pompes 23, 24 selon l'invention sont avantageusement des pompes rotatives, notamment des pompes conventionnelles telles que des pompes à palier universel, des pompes à ailettes. De façon avantageuse, les pompes 23, 24 selon l'invention sont des pompes de mixage à engrenage interne. [0042] L'invention a pour deuxième objet une ligne 4 d'échappement de gaz pour moteur 13 de véhicule automobile équipée d'un tel dispositif 14. [0043] L'invention a pour troisième objet l'utilisation d'un tel dispositif pour limiter les polluants atmosphériques générés par une motorisation 13 de véhicule automobile. [0044] Enfin, l'invention a pour quatrième objet un procédé de mise en oeuvre de l'injection de fluides nécessaires au fonctionnement de systèmes de dépollution, par un tel dispositif, caractérisé en ce que la mise en oeuvre de l'injection est placée sous la dépendance d'une unité de contrôle transmettant un signal MLI audit dispositif. [0045] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un élément commun regroupant la fonction SCR 1 et la fonction FAP 2 dans le même élément filtrant, sur une ligne d'échappement 4. Cet élément commun est appelé SCR sur FAP ou encore SCRF 3 ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une partie de motorisation respectant la norme Euro VI intégrant notamment un circuit d'injection d'urée 5 pour la fonction SCR et un second circuit d'injection d'additif 8 pour la régération du FAP; - la figure 3 est une représentation schématique d'une partie de motorisation intégrant un dispositif 14 selon l'invention ; - les figures 4a, 4b et 4c sont des représentations schématiques d'un mode de réalisation du module double-pompe moteur du dispositif 14 selon l'invention ; - la figure 5 schématise un système SCR comprenant notamment un système permettant de chauffer les canalisations afin d'éviter le gel, notamment de l'agent réducteur. [0046] La figure 1 a déjà été décrite dans la partie introductive de la présente demande de brevet. [0047] La présente invention propose de mettre en commun un injecteur d'urée, un injecteur de cérine, une portion du circuit ainsi qu'un module double-pompe moteur électrique afin de limiter la complexité et le cout des systèmes actuels. [0048] De manière connue, comme cela est illustré à la figure 2, une ligne d'échappement 4 de gaz pour moteur 13 respectant la norme Euro VI comprend un module RCS 1, éventuellement couplé 3 à un filtre à particules 2, ainsi qu'un catalyseur 12. L'urée nécessaire au fonctionnement du module RCS 1 se trouve dans un réservoir spécifique 6. Après pompage, l'urée passe dans le circuit d'injection d'urée 5 et est injectée dans la ligne d'échappement 4 via un injecteur d'urée 7. L'additif se trouve également dans un réservoir dédié 9. Par une pompe spécifique 10, l'additif est injecté dans le réservoir d'essence 11. [0049] Dans la forme de réalisation montrée à la figure 3, le système n'envoie plus d'additif directement dans le réservoir d'essence 11. Les réservoirs d'urée 6 et d'additif 9 sont regroupés. Le dispositif 14 selon l'invention permet d'injecter directement dans la ligne d'échappement l'un ou l'autre des fluides, par un injecteur unique 7. Ceci permet de limiter les contraintes d'encombrement et de coût. [0050] La figure 4a est un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. L'élément 20 est un moteur électrique. Ce moteur électrique 20 a la propriété de tourner dans le sens horaire avec un rapport cyclique d'ouverture RCO préférentiellement compris entre 51% et 100%. Il a également la propriété de tourner dans le sens antihoraire avec un RCO préférentiellement compris entre 0% et 49%. [0051] Avantageusement, l'étage de sortie permettant de piloter le moteur électrique dans les deux sens de rotation est un pont en H. Le pont en H est une structure électronique servant à contrôler la polarité aux bornes d'un dipôle. Il est composé de quatre éléments de commutation généralement disposés schématiquement en une forme de H. [0052] L'élément 21 du dispositif illustré à la figure 4a est un premier embrayage permettant de rendre solidaire le rotor du moteur 20 et la pompe 23 de gauche lorsque le moteur tourne en sens horaire. [0053] Avantageusement, l'embrayage 21 peut par exemple être un embrayage électrique ou un embrayage mécanique du type centrifuge, comme une masselotte qui s'écarte avec la vitesse centrifuge. L'élément 22 est un second embrayage permettant de rendre solidaire le rotor du moteur 20 et la pompe 24 de droite lorsque le moteur tourne en sens antihoraire. Tout comme l'embrayage 21, l'embrayage 22 peut être un embrayage électrique ou embrayage mécanique. [0054] Les éléments 23 et 24 sont des pompes rotatives, par exemple des pompes conventionnelles telles que des pompes à palier universel, des pompes à ailettes. [0055] De façon avantageuse, les pompes 23, 24 selon l'invention sont des pompes de mixage à engrenage interne. [0056] Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend un ou plusieurs éléments 25 qui sont des clapets antiretours. De tels clapets permettent de contrôler le sens de circulation des fluides. Autrement dit, ils permettent des fluides dans un sens déterminé et bloque le flux si celui-ci venait à s'inverser. [0057] La figure 4b illustre un mode de fonctionnement du dispositif lorsque le moteur 20 tourne en sens horaire. Les flèches montrent que seul le fluide situé dans le réservoir 6 est pompé, par l'intermédiaire de la pompe 23, vers l'injecteur 7. Dans le cas d'espèce, lorsque le moteur tourne en sens horaire, seul l'agent réducteur c'est-à-dire la composition comprenant de l'urée est pompée. [0058] La figure 4c illustre un mode de fonctionnement du dispositif lorsque le moteur 20 tourne en sens antihoraire. Les flèches montrent que seul le fluide situé dans le réservoir 9 est pompé, par l'intermédiaire de la pompe 24, vers l'injecteur 7. Dans le cas d'espèce, lorsque le moteur tourne en sens antihoraire, seul l'additif est pompé. [0059] Avantageusement, afin de pouvoir purger le système, des vannes de fermetures 15 sont disposées. Elles permettent d'arrêter ou de modifier le débit des fluides. Préférentiellement, les circuits sont purgés séquentiellement. [0060] Avantageusement, afin que les dosages ne soient pas perturbés par la dilution des deux produits dans les phases transitoires, l'unité de contrôle pilotant le moteur 20 dispose d'une loi de commande avec hystérésis, La loi de commande peut être optimisée 20 afin de limiter les bascules entre les injections du premier fluide et du second fluide. [0061] Les injections d'agent réducteur (composition comprenant de l'urée) et d'additif (cérine) sont dissociées. En effet, généralement, l'injection d'additif est liée au fréquentiel de chargement en carburant, qui est relativement espacé dans le temps par rapport à l'injection d'agent réducteur. L'injection d'agent réducteur s'appuie sur un modèle SCR, 25 c'est-à-dire une loi de désorption du système SCR, ou pain SCR, en fonction de la température. Les injections d'agent réducteur sont donc plus rapprochées que celles de l'additif. [0062] Avantageusement, l'unité de contrôle peut également prendre en compte le volume en aval des pompes, c'est-à-dire le volume contenu dans la canalisation entre la 30 pompe et l'injecteur. [0063] Préférentiellement, l'unité de contrôle selon l'invention applique une séquence alternant l'injection du premier fluide et du second fluide. Lorsque l'unité de contrôle applique une injection du premier fluide, elle retire de cette injection le volume de la canalisation et applique après cette première injection, une deuxième injection du second fluide correspondant au volume de la canalisation. Ainsi, lorsque le volume souhaité du premier fluide est injecté, on dispose du second fluide au niveau de l'injecteur. Autrement dit, le second fluide a poussé le premier liquide. La marge d'erreur est le mélange (mix) potentiel pendant ces phases. [0064] Comme cela est illustré aux figures 4a, 4b et 4c, afin d'éviter ce mélange (mix), des clapets antiretours 25 peuvent être mise en place. [0065] L'agent réducteur utilisé est généralement une composition comprenant de l'urée. Le produit AdBlue, mélange d'eau et de 32,5% d'urée, cristallise à une température inférieure à -11 °C. Lors de son réchauffement, les cristaux se dissolvent et n'entraînent aucune altération de la qualité du produit. [0066] Afin de s'affranchir des problèmes liés au gel, le système SCR peut avantageusement être équipé d'un système de chauffage permettant de chauffer à la fois le réservoir et les canalisations. [0067] La figure 5 schématise un tel système SCR comprenant notamment un capteur de niveau, un capteur de température, un capteur de pression, des réchauffeurs de réservoir et des actionneurs pompe. Ces différents éléments sont reliés à une unité SCR. Cette unité SCR est elle-même reliée à un système de canalisation chauffante. L'alimentation de ce système est notamment réalisée par un système de batterie. [0068] . Bien entendu, l'homme du métier est en mesure d'adapter les techniques dont il dispose afin d'obtenir des moyens équivalents. [0069] Ainsi, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection de fluides nécessaires au fonctionnement de systèmes de dépollution à l'intérieur d'une ligne d'échappement (4) équipant un moteur à combustion interne (13) dont est pourvu un véhicule automobile, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un moteur (20) apte à tourner dans un sens horaire et antihoraire et deux pompes (23, 24) ; - une première pompe (23) étant activée lorsque le moteur tourne en sens horaire et permettant l'injection d'un premier fluide ; - une seconde pompe (24) étant activée lorsque le moteur tourne en sens antihoraire et permettant l'injection d'un second fluide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un des fluides est un agent réducteur et l'autre fluide est un additif. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'agent réducteur est une composition comprenant de l'urée et en ce que l'additif est de la cérine. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pompes sont rendus solidaires avec le rotor du moteur par l'intermédiaire d'embrayages (21, 22). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ou plusieurs clapets antiretours 25. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (20) est un moteur électrique, piloté par une unité de contrôle transmettant un signal MLI. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de contrôle applique une séquence alternant l'injection du premier fluide et du second fluide. 8. Ligne d'échappement de gaz pour moteur de véhicule automobile équipée d'un dispositif (14) selon l'une des revendications précédentes. 9. Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne (1) pourvu d'une ligne d'échappement selon la revendication 8. 10. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, pour limiter les polluants atmosphériques générés par une motorisation 13 de véhicule automobile. 11. Procédé de mise en oeuvre de l'injection de fluides nécessaires au fonctionnement de systèmes de dépollution, par un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la mise en oeuvre de l'injection est placée sous la dépendance d'une unité de contrôle transmettant un signal MLI audit dispositif.