Brevet FR3050484A1 — publié le 20171027

SYSTEME D'INJECTION DE REACTIF DANS LA LIGNE D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention concerne un système d'injection de réactif dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique. [0002] Ce système permet notamment l'introduction dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique d'un réactif en vue de traiter ses gaz d'échappement. L'invention s'intéresse plus particulièrement à la dépollution des gaz d'échappement des moteurs thermiques de véhicules, notamment de véhicules automobiles. [0003] Le réactif intéressant plus particulièrement l'invention est un agent réducteur, du type ammoniac, qui permet de traiter les oxydes d'azote (NOx) des gaz d'échappement par réduction catalytique sélective (ou SCR, selon l'acronyme anglophone correspondant « Selective Catalytic Reduction »). Ce type d'agent réducteur est utilisé dans la technologie dite SCR liquide, qui utilise un précurseur d'agent réducteur sous forme liquide, comme une solution aqueuse d'urée, susceptible de se transformer/de se décomposer en ammoniac quand elle est injectée dans la ligne d'échappement. Dans la suite du présent texte, quand on mentionnera, par soucis de concision, l'urée pour traiter les NOx, ce terme est à comprendre comme un réactif particulièrement visé par l'invention (soit le réactif lui-même - comme l'ammoniac- , soit son précurseur -comme l'urée-) pour traiter des espèces chimiques également particulièrement visées par l'invention, mais sans que l'invention se restreigne spécifiquement à ce réactif et à ces espèces chimiques. [0004] L'urée se décompose thermiquement en effet en ammoniac en deux étapes, une thermolyse puis une hydrolyse, à partir d'une température d'environ 135°C. Plus précisément, la solution d'urée injectée dans la ligne d'échappement se vaporise dans un premier temps pour se transformer en urée solide et en vapeur d'eau. Ensuite, l'urée se transforme en ammoniac NH3 et en acide isocyanique HNCO. L'acide isocyanique et l'eau se transforment en ammoniac et en dioxyde de carbone à l'intérieur d'un catalyseur implanté sur la ligne d'échappement. L'ammoniac peut ensuite réduire chimiquement les oxydes d'azote NOx rejetés par le moteur en azote et en eau. [0005] II est nécessaire d'injecter l'urée en amont du catalyseur SCR, de façon à ce que la décomposition de l'urée en ammoniac et HNCO ait le temps de se faire entièrement avant de parvenir dans le catalyseur, et à une température des gaz 3050484 2 d'échappement suffisante, au point d'injection de l'urée donc, mais également en entrée du catalyseur SCR, pour assurer la décomposition complète de l'urée en ammoniac. Les gaz d'échappement sont d'autant plus chauds qu'ils sont proches de la sortie moteur, on aurait donc tendance à injecter l'urée au plus près de la sortie moteur. 5 [0006] Il s'avère que des réactifs aptes à réduire les NOx, comme l'urée et ses produits de décomposition incluant l'ammoniac, tendent à devenir corrosifs, notamment vis-à-vis de matériaux métalliques, à haute température, notamment quand on se rapproche de la température de décomposition de l'urée, et notamment à partir de 120 ou 130°C. L'injecteur, essentiellement métallique, est donc susceptible de se détériorer, par 10 oxydation de ses parois. En outre, des résidus de polymère à base d'urée peuvent se déposer dans l'injecteur à ces températures, et en perturber le fonctionnement. Il est donc nécessaire de prévoir des moyens pour que l'injecteur de ces réactifs soit apte à résister à cette corrosion, et pour éviter/ralentir la formation de ces dépôts polymériques. [0007] Pour ce faire, on peut envisager des moyens de refroidissement de l'injecteur qui 15 soient externes à la conception de l'injecteur même, par exemple en ayant recours à un groupe moto ventilateur. Ce groupe moto ventilateur peut être dédié, ou être déjà présent pour une fonction de ventilation ou de refroidissement, par exemple de l'habitacle du véhicule, et dont tout ou partie une partie de la capacité de refroidissement est utilisée quand cela est nécessaire pour refroidir l'injecteur. Mais cette solution est complexe et 20 consommatrice en énergie électrique. [0008] On pourrait envisager d'injecter de l'urée constamment quand le moteur tourne, de façon à ce que l'urée elle-même serve à refroidir l'injecteur, mais cette solution n'est pas non plus dénuée d'inconvénients : elle entraînerait une surconsommation en urée, nécessiterait un remplissage plus fréquent de son réservoir. En outre, elle risque 25 d'envoyer un excès d'urée dans la ligne d'échappement, entraînant des risques de fuite d'ammoniac en bout de ligne d'échappement, qu'il faudra prendre en compte également. [0009] Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. Plus précisément, l'invention a pour but de mettre au point un nouveau type d'injecteur apte à injecter des réactifs corrosifs à haute température en minimisant sa détérioration, dont la conception 30 soit réalisable à l'échelle industrielle, et dont la mise en oeuvre reste simple. [0010] L'invention a tout d'abord pour objet un système d'injection de réactif dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique, comprenant : - un réservoir de réactif, - une 3050484 3 pompe, - un injecteur, - un ensemble de conduits assurant la connexion fluidique du réactif depuis le réservoir vers l'injecteur par aspiration via la pompe. Le système en question comprend un conduit supplémentaire débouchant à une extrémité dans le réservoir de réactif au-dessus du seuil de remplissage maximum en réactif dudit réservoir 5 et raccordé à l'autre de ses extrémités audit ensemble de conduits en amont de la pompe dans une zone de raccordement munie d'un système de vannes pilotées autorisant le passage vers l'injecteur, soit du réactif, soit d'air prélevé au-dessus du niveau du réactif dans le réservoir via ledit conduit supplémentaire. [0011] L'invention propose ainsi de refroidir l'injecteur, ou tout au moins de le maintenir 10 en dessous d'une température susceptible de le dégrader ou d'en détériorer le fonctionnement, par des moyens à la fois simples à mettre en oeuvre et efficaces : ces moyens consistent à prévoir que l'injecteur peut injecter du réactif (de l'urée) dans son mode de fonctionnement normal quand il est nécessaire de traiter des NOx contenus dans le flux des gaz d'échappement, mais également de l'air quand il n'est pas nécessaire de 15 traiter les NOx mais que l'injecteur risque de dépasser une certaine température. Injecter de l'air refroidit de fait le corps de l'injecteur, sans perturber la ligne d'échappement. Et injecter plus précisément de l'air prélevé dans le réservoir d'urée, en utilisant les mêmes conduites d'acheminement de fluide vers l'injecteur, mis à part une conduite supplémentaire rend la mise en oeuvre de l'invention très simple : On n'a aucune 20 redondance dans les circuits d'approvisionnement en urée et en air de l'injecteur, on peut notamment utiliser la même pompe d'aspiration pour aspirer l'urée ou l'air, et le même conduit d'amenée débouchant dans l'injecteur, et il s'est avéré que l'injecteur, conçu au départ pour injecter un liquide (en l'occurrence de l'urée en phase aqueuse), était apte à injecter aussi de l'air (en phase gazeuse) sans poser de problème. 25 [0012] De préférence le réactif est sous forme liquide, le réactif comprenant notamment de l'urée en phase aqueuse. [0013] Selon un mode de réalisation préféré, le réactif est un précurseur liquide d'un agent réducteur de type ammoniac, pour réduire les NOx des gaz d'échappement. [0014] Avantageusement, le réservoir est muni d'une entrée d'air extérieur au-dessus du 30 niveau de remplissage maximal du réservoir, ladite entrée d'air étant de préférence munie d'un moyen de filtrage. On s'assure ainsi que de l'air remplace l'urée dans le réservoir au fur et à mesure de la consommation en urée, et que cet air est débarrassé d'impuretés, de poussières qui seraient susceptibles d'encrasser l'injecteur. 3050484 4 [0015] Avantageusement, le système d'injection selon l'invention comprend des moyens de pilotage de la pompe et des vannes de type moyens électroniques/informatiques. Les systèmes d'injection conventionnels sont généralement pilotés avec des moyens de ce type, du type calculateur. La mise en oeuvre de l'invention ajoute au pilotage de la pompe 5 le pilotage des vannes pour passer d'un mode d'injection d'urée à un mode d'injection d'air. [0016] L'invention a également pour objet un procédé d'injection de réactif dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique mettant en oeuvre le système décrit plus haut. [0017] L'invention a également pour objet un procédé d'injection de réactif dans la ligne 10 d'échappement d'un moteur thermique, le réactif venant réagir avec une ou des espèces chimiques contenues dans les gaz d'échappement, le procédé prévoyant d'injecter le réactif quand le taux de cette/ces espèces chimiques atteint ou dépasse un seuil donné et d' injecter de l'air seulement quand ce taux est en deçà dudit seuil. [0018] Selon un mode de réalisation, on injecte de l'air quand ledit taux est en deçà dudit 15 seuil et que l'injecteur atteint un seuil de température. [0019] Dans ce mode de réalisation, la température de l'injecteur peut être mesurée directement (au niveau de l'injecteur lui-même) ou indirectement (à partir de la température des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement à proximité de la zone où débouche l'injecteur par exemple). 20 [0020] Le procédé de l'invention propose donc un mode « actif » où l'on injecte de l'urée dans la ligne, pour un traitement effectif de certains des gaz contenus dans les gaz d'échappement, et un mode « refroidissement » où l'on continue à injecter un fluide, de l'air, par l'injecteur pour le maintenir à une température inférieure à une température qui conduirait à le détériorer, notamment sous l'effet corrosif du réactif au-delà d'environ 120 à 25 130° quand il s'agit d'urée. On peut prévoir un trdsième mode, où l'on injecte ni urée ni air si le traitement des NOx ne nécessite pas une injection d'urée supplémentaire et que l'injecteur reste sous une température seuil pouvant conduire à sa détérioration. [0021] Contrairement aux solutions précédemment envisagées pour éviter l'échauffement de l'injecteur, ce procédé n'entraîne pas de surconsommation en réactif et 30 ne nécessite pas de moyens de refroidissement extérieurs/additionnels du type ventilateurs ou échangeurs thermiques. Il peut être mis en oeuvre avec pas/très peu de 3050484 5 modification par rapport à l'architecture du système de traitement des gaz d'échappement dans son ensemble : on peut prélever de l'air dans le réservoir de réactif, utiliser une même pompe d'aspiration, le même calculateur de pilotage, on garde exactement la même conception pour l'injecteur. 5 [0022] Selon un mode de réalisation préféré, soit on mesure le taux de la ou des espèces chimiques, notamment par un ou plusieurs capteurs disposés sur la ligne d'échappement (des capteurs de NOx), soit on l'estime, notamment à l'aide d'une cartographie. On peut aussi, pour piloter le système d'injection, exploiter à la fois des données mesurées et estimées. 10 [0023] Dans l'exemple préféré de l'invention, les espèces chimiques sont des gaz NOx. [0024] Le procédé selon l'invention utilise avantageusement un injecteur, une pompe et un réservoir de réactif, et un conduit d'amenée à l'injecteur qui sont communs, pour injecter sous pression dans la ligne d'échappement alternativement le réactif ou de l'air. [0025] L'invention peut préconiser ainsi que l'injecteur injecte en permanence un fluide, 15 soit l'urée pour traiter les gaz d'échappement, soit de l'air pour éviter son échauffement, tant que le moteur tourne, ou qu'il soit aussi autorisé que l'injecteur n'injecte rien, quand le risque d'échauffement n'est pas avéré et que la ligne d'échappement n'a pas besoin de réactif en plus. [0026] L'invention a également pour objet le système de traitement des gaz 20 d'échappement d'un moteur thermique, intégrant le système d'injection décrit plus haut. [0027] L'invention a également pour objet la ligne d'échappement d'un moteur thermique, intégrant ledit système de traitement. Elle a également pour objet le groupe motopropulseur comprenant un moteur thermique et ladite ligne d'échappement, ainsi que tout véhicule comprenant un tel groupe motopropulseur. 25 [0028] L'invention a également pour objet un calculateur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé de mise en oeuvre du système d'injection ou du procédé d'injection selon l'invention. [0029] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après selon un exemple, à titre indicatif et nullement limitatif, en 30 référence aux figures annexées, dans lesquelles : 3050484 6 - La figure 1 est une représentation schématique du système d'injection selon l'invention ; - La figure 2 est représentation schématique sous forme d'un logigramme du pilotage du système d'injection de la figure 1. [0030] Toutes ces figures sont extrêmement schématiques, et les différents composants 5 représentés à la figure 1 ne sont pas nécessairement à l'échelle. [0031] L'exemple concerne un système d'injection d'urée dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique de type diesel équipant un véhicule automobile. [0032] La figure 1 représente un système d'injection d'urée 1 appartenant à un système de traitement des gaz d'échappement connu en soi, équipant la ligne d'échappement et 10 incluant un catalyseur SCR, et qui ne sera donc pas décrit en détails. Pour un exemple de système de ce type, on peut se reporter notamment au brevet WO 2015/181456. [0033] Le système d'injection 1 comprend un réservoir 2 fermé, muni d'une prise d'air 3 extérieur au réservoir munie d'un filtre (non représenté). Ce réservoir est rempli périodiquement avec de l'urée en phase aqueuse 4 (dans un pourcentage massique en 15 urée de l'ordre de 30%) jusqu'à un seuil de remplissage maximal 5. Le système comprend également une pompe 6, un injecteur 7 débouchant dans la ligne d'échappement (non représentée). La pompe est par exemple, de façon connue, un module jauge-pompe piloté, et est aussi désignée usuellement sous le terme de pompe de gavage. Un ensemble de conduits assure la connexion fluidique depuis l'urée 4 contenue dans le 20 réservoir 2 jusqu'à l'injecteur 7 via la pompe 6. Selon l'invention, on vient ajouter un conduit supplémentaire 10 qui débouche à l'une de ses extrémités au-dessus du niveau maximal 5 en urée du réservoir 2. A l'autre de ses extrémités, il vient de raccorder au conduit 7 dans une zone de raccordement équipée de moyens de commutation 11, à savoir un système de vannes pilotables permet de faire passer à l'injecteur soit de l'urée 25 provenant du conduit 7 plongeant dans le réservoir, soit de l'air prélevé par le conduit 10 au-dessus du niveau d'urée dans le réservoir. La flèche f représente la direction générale d'écoulement de l'urée depuis le réservoir 2 vers l'injecteur 7. [0034] Un calculateur (non représenté) pilote le fonctionnement de la pompe 6 et des vannes du système de commutation 11, pour gérer l'injection d'urée ou d'air dans la ligne 30 d'échappement, le contrôle commande est représenté de façon simplifiée à la figure 2. 3050484 7 [0035] Le principe en est le suivant : en fonctionnement normal, la ligne du système d'injection 1 est sous pression (on comprend par « ligne » les conduites assurant la connexion fluidique depuis le réservoir jusqu'à l'injecteur) et l'injection d'urée est réalisée pour traiter les NOx quand les conditions sont réunies. Dans certains cas de vie du 5 moteur, les gaz d'échappement peuvent atteindre de très fortes températures (par exemple une descente de col après un roulage avec caravane, une mise au ralenti du véhicule après un roulage chargé...), l'injecteur 7, qui débouche dans la ligne d'échappement, est alors soumis à de fortes températures mettant en danger son intégrité. Pour le refroidir, il serait envisageable d'injecter de l'urée qui servira aussi, en 10 cas de besoin, à traiter les NOx mais cela engendrerait une surconsommation en urée dans les phases de vie moteur ne le nécessitant pas forcément, ou pas dans ces quantités, pour le traitement des NOx. [0036] Pour ces cas de vie notamment, l'invention prévoit donc d'équiper le système d'injection 1 de deux lignes qui permettent soit de prélever de l'urée, soit de l'air filtré, 15 depuis le réservoir d'urée 2. [0037] Dans les phases de vie où l'injection d'urée n'est pas nécessaire pour traiter les NOx (par exemple quand le catalyseur SCR contient suffisamment d'ammoniac issu de la décomposition de l'urée), le prélèvement d'urée est arrêté et est positionné sur le prélèvement en air. Ainsi, l'urée injectée dans la ligne d'échappement est utilisée pour 20 traiter les NOx (tout en refroidissant l'injecteur 7), puis c'est l'air qui prend le relais, cette fois uniquement pour refroidir l'injecteur 7. [0038] Si l'on se reporte à la figure 2, la logique du pilotage de la pompe 6 et du système de commutation 11 est, de façon simplifiée, la suivante : A : besoin de refroidissement de l'injecteur 7 ? 25 B : est ce qu'il y a un besoin de traitement des NOx par introduction d'urée ? C : dans l'affirmative (« Y » signifiant oui, et « N » non dans le logigramme), on vient commander l'injection d'urée dans la quantité voulue pendant une période de temps voulu, (et on opère du même coup le refroidissement de l'injecteur 7) D : dans la négative, on vient passer la ligne d'injection en mode injection d'air 30 avec le système de commutation 11, on met la ligne d'injection sous pression d'air et on injecte de l'air dans la ligne d'échappement (assurant ainsi le refroidissement de l'injecteur 7) E : est-ce que l'injecteur est refroidi ? 3050484 8 - D : dans la négative, on continue à injecter de l'air - F : dans l'affirmative, est-ce qu'il y a un besoin de traitement des NOx par introduction d'urée ? - G : dans la négative, on arrête d'injecter de l'air 5 - H : dans l'affirmative, on repasse en mode injection d'urée [0039] Dans cette mise en oeuvre du système d'injection, on voit que l'on a trois modes de fonctionnement : le mode injection d'urée (pour traiter les gaz d'échappement et refroidir l'injecteur), le mode injection d'air (pour refroidir l'injecteur), et le mode inactif (sans injection) quand le moteur thermique fonctionne, quand l'injecteur reste sous une 10 température donnée et qu'il n'y a pas besoin d'urée supplémentaire dans la ligne d'échappement. [0040] On peut alternativement prévoir uniquement le mode injection d'urée et le mode injection d'air, pour garantir toujours le refroidissement de l'injecteur, sans plus avoir à surveiller systématiquement la température de l'injecteur (ou de son environnement 15 immédiat). REVENDICATIONS1. Système d'injection (1) de réactif dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique, comprenant : - un réservoir (2) de réactif (4), - une pompe (6), - un injecteur (7), - un ensemble de conduits (7,8,9) assurant la connexion fluidique du réactif (4) depuis le réservoir(2) vers l'injecteur(7) par aspiration via la pompe (6), caractérisé en ce qu'il comprend un conduit supplémentaire (10) débouchant à une extrémité dans le réservoir (2) de réactif au-dessus du seuil de remplissage maximum (5) en réactif dudit réservoir et raccordé à l'autre de ses extrémités audit ensemble de conduits en amont de la pompe dans une zone de raccordement (11) munie d'un système de vannes pilotées autorisant le passage vers l'injecteur (7), soit du réactif, soit d'air prélevé au-dessus du niveau du réactif dans le réservoir via ledit conduit supplémentaire (10). 2. Système d'injection (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réactif (4) est un précurseur liquide d'un agent réducteur, notamment de type ammoniac, pour réduire les NOx des gaz d'échappement. 3. Système d'injection (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (2) est muni d'une entrée d'air (3) extérieur au-dessus du niveau de remplissage maximal du réservoir, ladite entrée d'air étant de préférence munie d'un moyen de filtrage. 4. Système d'injection (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pilotage de la pompe (6) et des vannes (11) de type moyens électroniques/informatiques. 5. Procédé d'injection de réactif (4) dans la ligne d'échappement d'un moteur thermique mettant en oeuvre le système d'injection (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réactif vient réagir avec une ou des espèces chimiques contenues dans les gaz d'échappement, et en ce qu'on injecte le réactif quand le taux de cette/ces espèces chimiques atteint ou dépasse un seuil donné et en ce qu'on injecte de l'air seulement quand ce taux est en deçà dudit seuil. 3050484 10 6. Procédé d'injection de réactif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on injecte de l'air quand ledit taux est en deçà dudit seuil et que l'injecteur (7) atteint un seuil de température. 7. Procédé d'injection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 5 température de l'injecteur (7) est mesurée directement ou indirectement. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'on mesure, notamment par un ou plusieurs capteurs disposés sur la ligne d'échappement, ou en ce qu'on estime le taux de la ou des espèces chimiques, notamment à l'aide d'une cartographie. 10 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que ledit procédé utilise un injecteur (7), une pompe (6) et un réservoir (2) de réactif, et un conduit d'amenée à l'injecteur (9) qui sont communs, pour injecter sous pression dans la ligne d'échappement alternativement le réactif ou de l'air.