Brevet FR3087500A1 — publié le 20200424

Système d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion L'invention concerne un système d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile et un procédé d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un système d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile comprenant un moyen de déminéralisation de la solution aqueuse. L'invention peut être utilisée notamment à bord des véhicules automobiles comprenant un moteur à combustion, plus particulièrement à bord des véhicules automobile comprenant un moteur essence turbocompressé à injection directe. Il est connu d'injecter de l'eau dans le circuit d'admission d'air du moteur. En se mélangent au gaz d'admission, l'eau injectée permet de réduire les températures de combustion et les émissions de polluants appelés NOx, et d'augmenter les performances, par exemple, d'un moteur essence en diminuant la sensibilité au cliquetis. Un tel système d'injection est décrit dans le document de brevet FR2801076A1. Cependant, pour assurer le bon fonctionnement d'un système d'injection traditionnel, il est connu de remplir le réservoir de stockage avec de l'eau déminéralisée afin de ne pas boucher le circuit d'injection avec du tartre. Cette solution est contraignante. En effet, l'utilisateur d'un véhicule automobile équipé d'un tel système d'injection doit prendre avec lui des bidons d'eau déminéralisée quand il part en voyage car il faut prévoir environ 3 litres d'eau déminéralisée pour 1000 kilomètres parcourus. Certes, on peut acheter de l'eau déminéralisée dans les stations-service, mais l'utilisateur n'en trouvera pas dans toutes les stations-service. Le document de brevet W02017137100A1 prétend palier l'inconvénient précité en proposant un système d'injection d'eau dans un moteur à combustion comprenant un moyen de déminéralisation de l'eau du robinet situé entre le réservoir et au moins un injecteur. Certes, cette proposition est séduisante mais en pratique l'eau injectée dans le circuit d'admission du moteur doit présenter - 2 - une conductivité électrique inférieure ou égale à 50 microsiemens par centimètre (pS/cm) à 20 degrés Celsius (°C), voire - pour certains constructeurs automobiles - inférieure ou égale à 15 pS/cm à 20° C, or la conductivité électrique de l'eau du robinet peut facilement atteindre 1500 pS/cm à 20° Cet rarement descendre au- 5 dessous de 700 pS/cm. En pratique, quand une cartouche du type à résine échangeuse d'ions constitue le moyen de déminéralisation et qu'on veut réduire la taille de la cartouche au strict minimum pour une application automobile, l'eau qui traverse la cartouche doit la traverser lentement, autrement dit, avec un faible débit, afin de laisser le temps à la résine d'amener la conductivité électrique de 10 l'eau du robinet à 50 pS/cm à 20°C, voire à 15 pS/cm à 20°C. Ceci n'est pas satisfaisant car le débit d'eau pour une injection d'eau dans un moteur à combustion doit pouvoir atteindre 80 kg par heure. La solution qui consisterait à augmenter le débit d'eau dans la cartouche pour traverser rapidement la cartouche n'est pas plus satisfaisante car elle ne permettrait pas d'amener la conductivité 15 électrique de l'eau du robinet à 50 pS/cm à 20°C, voire à 15 pS/cm à 20°C sauf à augmenter considérablement la taille de la cartouche. Par l'expression « résine échangeuse d'ions », on entend désigner une résine du type cationique ou anionique ou un mélange de ces deux types de résines, préférentiellement un mélange de résine cationique et anionique ayant une capacité d'échange 20 supérieure à 330 mEq où mEq représente la quantité en milligrammes d'un soluté égal à 1/1000 de son poids équivalent en grammes en tenant compte de la valence des ions. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour objet un système d'injection d'une 25 solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile comprenant un réservoir d'une solution aqueuse, un moyen d'injection de la solution aqueuse dans un circuit de filtration connectant le réservoir à au moins un injecteur du moteur à combustion. Selon l'invention, le système d'injection comprend en outre un moyen de recirculation de la solution aqueuse dans le circuit 30 de filtration et un dispositif de caractérisation de la solution aqueuse permettant, en fonction d'au moins une caractéristique de la solution aqueuse, d'injecter la solution aqueuse dans le moteur ou de faire recirculer la solution aqueuse dans le circuit de filtration. - 3 - Grâce à l'invention, l'utilisateur du véhicule est libre de remplir le réservoir avec de l'eau du robinet ou avec de l'eau déminéralisée du commerce. Dans tous les cas, le système d'injection selon l'invention empêche le circuit d'injection d'être entartré et assure une injection, au plus tôt, de l'eau 5 déminéralisée dans le moteur. En effet, tant que l'eau qui sort du circuit de filtration ne présente pas des caractéristiques conformes à des caractéristiques attendues, l'eau est renvoyée dans le circuit de filtration pour traitement supplémentaire. Dès que l'eau qui sort du circuit de filtration présente des caractéristiques conformes à des caractéristiques attendues, l'eau est injectée dans le moteur par l'admission 10 d'air du moteur. Par l'expression « solution aqueuse », on entend désigner de l'eau ayant des caractéristiques (ou propriétés) physico-chimiques quelconques. Par l'expression « eau déminéralisée du commerce », on entend désigner de l'eau ayant une conductivité électrique comprise entre 50 et 100 15 pS/cm à 20°C, par exemple de l'eau ayant une conductivité électrique égale à 100 pS/cm à 20°C. Par l'expression « eau déminéralisée », on entend désigner de l'eau ayant une conductivité électrique inférieure ou égale à 15 pS/cm à 20° C. Par l'expression « au plus tôt », on entend désigner de l'eau 20 déminéralisée qui ne fait aucun détour ni aucune pause entre la sortie du réservoir et l'admission du moteur. Selon des caractéristiques additionnelles de l'invention : - le dispositif de caractérisation comprend au moins un capteur de qualité apte à mesurer une caractéristique représentative de la qualité de la 25 solution aqueuse. On appelle ici capteur de qualité de l'eau un capteur apte à mesurer une caractéristique (ou propriété) physico-chimique de l'eau donnant une information représentative de la concentration en ions de l'eau. - le capteur de qualité est un capteur de conductivité électrique apte à mesurer la conductivité électrique de la solution aqueuse. Alternativement, le - 4 - capteur de qualité est un capteur de résistivité électrique, un capteur d'impédance, un capteur de dureté, un capteur de densité, un capteur de turbidité, une sonde pH ou tout autre capteur apte à mesurer une propriété physico-chimique de la solution aqueuse caractéristique de la nature déminéralisée ou pas de la solution 5 aqueuse. - le capteur de qualité mesure une caractéristique de la solution aqueuse à une sortie du circuit de filtration et/ou dans le réservoir. - le circuit de filtration est un circuit de filtration par adoucisseur. - le circuit de filtration comprend un moyen de déminéralisation de la 10 solution aqueuse. - le moyen de déminéralisation de la solution aqueuse comprend une résine échangeuse d'ions. - le moyen d'injection de la solution aqueuse comprend une pompe et un canal d'injection de la solution aqueuse à au moins un injecteur du moteur à 15 combustion. Le moyen de recirculation de la solution aqueuse comprend une pompe et un conduit de renvoi de la solution aqueuse dans le réservoir. De préférence la pompe du moyen d'injection est aussi la pompe du moyen de recirculation. - le système d'injection selon l'invention comprend en outre une vanne 20 comprenant une voie d'entrée connectée à la sortie du circuit de filtration, une première voie de sortie connectée au conduit de renvoi et une deuxième voie de sortie connectée au canal d'injection. - la vanne comprend un mécanisme d'ouverture/fermeture sélective de la première voie de sortie et de la deuxième voie de sortie, ledit mécanisme étant 25 commandé par une unité de contrôle électronique (ECU) apte, d'une part, à fermer la première voie de sortie et à ouvrir la deuxième voie de sortie quand la caractéristique représentative de la qualité de la solution aqueuse mesurée par le capteur de qualité est dans une plage de valeurs de référence et, d'autre part, à ouvrir la première voie de sortie et à fermer la deuxième voie de sortie de la vanne - 5 - quand la caractéristique représentative de la qualité de la solution aqueuse mesurée par le capteur de qualité est en dehors d'une plage de valeurs de référence. - le système d'injection selon l'invention comprend un réservoir d'une 5 solution aqueuse, un circuit de filtration de la solution aqueuse comprenant une entrée de fluide et une sortie de fluide, le réservoir étant en communication de fluide avec le circuit de filtration à travers une pompe située entre une sortie du réservoir et l'entrée du circuit de filtration, un conduit de renvoi de la solution aqueuse dans le réservoir comprenant une entrée de fluide et une sortie de fluide, 10 la sortie de fluide du conduit de renvoi étant en communication de fluide avec une entrée du réservoir, un canal d'injection de la solution aqueuse comprenant une entrée de fluide et une sortie de fluide, la sortie de fluide du canal d'injection d'eau étant en communication de fluide avec au moins un injecteur du moteur à combustion, le système comprend en outre un capteur de qualité de la solution 15 aqueuse à la sortie du circuit de filtration, une vanne comprenant une voie d'entrée, une première voie de sortie et une deuxième voie de sortie, telle que la sortie du circuit de filtration est connectée de manière étanche à la première voie d'entrée de la vanne, et telle que l'entrée du conduit de renvoi est connectée de manière étanche à la première voie de sortie de la vanne et telle que l'entrée du canal 20 d'injection est connecté de manière étanche à la deuxième voie de sortie de la vanne, la vanne comprend en outre un mécanisme d'ouverture/fermeture sélective de la première voie de sortie et de la deuxième voie de sortie de la vanne, ledit mécanisme est commandé par une unité de contrôle électronique (ECU) apte, d'une part, à fermer la première voie de sortie et à ouvrir la deuxième voie de sortie 25 de la vanne quand une valeur caractéristique de la qualité de la solution aqueuse mesurée par le capteur de qualité à la sortie du circuit de filtration est dans une plage de valeurs de référence et, d'autre part, à ouvrir la première voie de sortie et à fermer la deuxième voie de sortie de la vanne quand la valeur caractéristique de la qualité de la solution aqueuse mesurée par le capteur de qualité à la sortie du 30 circuit de filtration est en dehors d'une plage de valeurs de référence. - la vanne est une électrovanne et le mécanisme d'ouverture/fermeture sélective est un servomoteur électrique. - 6 - - le système comprend un capteur de qualité dans le réservoir. Ce capteur permet, outre la mesure de la conductivité électrique, de vérifier que le produit qui est stocké dans le réservoir est bien une solution aqueuse et pas un autre produit comme par exemple une solution d'urée ou du carburant. Si tel était 5 le cas, l'unité de contrôle électronique (ECU) en serait informée et empêcherait ce produit d'être injecté dans le moteur. - le moyen de déminéralisation est un filtre de déminéralisation de la solution aqueuse. Avantageusement, le filtre de déminéralisation est une cartouche amovible, de cette façon, on facilite la maintenance et le remplacement 10 du filtre. - le circuit de filtration comprend un moyen de chauffage apte à chauffer la solution aqueuse. Ceci est particulièrement avantageux en hiver, quand il faut dégeler la solution aqueuse. Préférentiellement, le moyen de chauffage est choisi parmi un moyen de chauffage électrique et/ou un moyen de chauffage 15 comportant un fluide caloporteur tel qu'un liquide de refroidissement du moteur ou un gaz d'échappement en provenance du moteur. On prévoit aussi selon l'invention un procédé d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile comprenant les étapes successives suivantes : 20 a) Pomper la solution aqueuse contenue dans un réservoir, b) Envoyer ladite solution aqueuse pompée dans un circuit de filtration comprenant un moyen de déminéralisation, c) Mesurer au moins une valeur d'une caractéristique de la solution aqueuse à la sortie du circuit de filtration, 25 d) Renvoyer la solution aqueuse dans le réservoir et reprendre le procédé à l'étape a) si la valeur mesurée à l'étape c) est en dehors d'une plage de valeurs de référence, sinon aller à l'étape e), e) Injecter la solution aqueuse dans le moteur ou mesurer au moins une valeur d'une caractéristique de la solution aqueuse dans le réservoir, - 7 - f) Reprendre le procédé à l'étape a) si la valeur mesurée à l'étape e) est en dehors d'une plage de valeurs de référence, sinon arrêter le procédé. Ainsi, le procédé d'injection selon l'invention permet de protéger les injecteurs du moteur contre le tartre tout en optimisant l'utilisation du moyen de 5 déminéralisation par l'injection « au plus tôt » de la solution aqueuse dans le moteur. On va maintenant décrire, à titre d'exemples non limitatifs, différents modes de réalisation de l'invention à l'aide des figures suivantes : - la figure 1 est une vue schématique d'un système d'injection illustrant 10 un moyen de déminéralisation dans un canal d'injection, - la figure 2 illustre par un graphique la variation de la conductivité électrique de l'eau du robinet dans un système « simple passe ». - la figure 3 illustre par un graphique la variation de la conductivité électrique de l'eau déminéralisée du commerce dans un système « simple 15 passe ». - la figure 4 est une vue schématique d'un système d'injection illustrant un moyen de déminéralisation dans un conduit de renvoi. - la figure 5 illustre par un graphique la variation de la conductivité électrique de l'eau du robinet dans un système « multipasse ». 20 - la figure 6 illustre par un graphique la variation de la conductivité électrique de l'eau déminéralisée du commerce dans un système « multipasse ». - la figure 7 est une vue schématique d'un système d'injection selon l'invention revendiquée. La figure 1 est une représentation schématique d'un système 25 d'injection d'eau dans un moteur à combustion pour véhicule automobile. Ce système qu'on appellera « simple passe » comprend un réservoir d'eau 10 muni d'une tubulure de remplissage 11 du réservoir, une pompe 12 pour pomper l'eau - 8 - stockée dans le réservoir et l'envoyer à l'entrée d'un circuit de filtration 14, un canal d'injection 16 d'eau à la sortie du circuit de filtration 14, un premier capteur de qualité 13 pour mesurer la qualité de l'eau dans le réservoir et un deuxième capteur de qualité 17 pour mesurer la qualité de l'eau à la sortie du circuit de filtration 14. 5 La qualité de l'eau peut être caractérisée par différentes caractéristiques de l'eau, aussi appelées propriétés physico-chimiques de l'eau. Parmi ces caractéristiques, on peut citer la conductivité électrique, la résistivité électrique, I impédance, la dureté, la densité, la turbidité ou le pH. Dans la suite des exemples, la caractéristique retenue est la conductivité électrique de l'eau. 10 Dans le système d'injection de la figure 1, un filtre 15 de déminéralisation de l'eau est placé dans le circuit de filtration 14 afin de déminéraliser l'eau du réservoir avant de l'envoyer à l'admission du moteur (non représenté). Le filtre 15 est un filtre à cartouche du type à résines échangeuses d'ions. Le premier capteur de qualité 13 indique la conductivité électrique de l'eau 15 stockée dans le réservoir 10. Le deuxième capteur de qualité 17 indique la conductivité électrique de l'eau à la sortie du circuit de filtration 14. L'eau déminéralisée qui entre dans le circuit d'admission du moteur doit présenter une conductivité électrique inférieure ou égale à une valeur de référence, typiquement, 15 pS/cm à 20°C. Ainsi, tant que la conductivité électrique 20 de l'eau est inférieure ou égale à la valeur de référence, l'eau qui sort du circuit de filtration 14 est injectée dans le moteur, via le canal d'injection 16. Dès que la conductivité électrique mesurée par le capteur de qualité 17 est supérieure à la valeur de référence, une unité de contrôle électronique (ECU) commande l'arrêt de la pompe 12 ainsi que la fermeture d'une vanne deux voies 18 située à la sortie 25 d'un canal d'injection 16, entre le canal d'injection 16 et un injecteur du moteur à combustion. En pratique, la vanne 18 est une électrovanne associée à un injecteur pour former un injecteur électrique à électrovanne. L'eau du robinet présente généralement une conductivité électrique supérieure à 700 gS/cm à 20°C tandis que l'eau déminéralisée qu'on trouve dans 30 le commerce présente une conductivité électrique inférieure à 100 pS/cm à 20°C. Ainsi, selon que le réservoir 10 est rempli avec de l'eau du robinet ou avec de l'eau - 9 - déminéralisée du commerce, la durée de vie du filtre de déminéralisation 15 varie. La figure 2 illustre par un graphique la variation, dans un système « simple passe », de la conductivité électrique de l'eau du robinet en fonction de la quantité d'eau traitée par le filtre de déminéralisation 15 pour un volume donné 5 d'eau dans le réservoir, un débit donné d'eau à travers la pompe 12 et un filtre 15 donné. Dans ce premier test en laboratoire, la conductivité électrique initiale de l'eau est de 708 pS/cm, le volume d'eau dans le réservoir est de 20 litres, le débit d'eau à travers le filtre 15 de déminéralisation est de 80 kg par heure. On constate que la conductivité électrique baisse rapidement de 708 pS/cm à 426 pS/cm dès 10 le traitement de 2,7 kg d'eau par le filtre 15. « Rapidement » veut dire ici en deux minutes ou moins. Toutefois, la conductivité électrique de l'eau ne baisse pas assez pour atteindre la valeur de référence de 15 pS/cm à 20°C. En effet, la valeur de la conductivité électrique la plus faible atteinte ici est de 304 pS/cm après traitement de 10,7 kg d'eau, cette conductivité électrique est encore trop élevée 15 pour autoriser l'injection de l'eau dans un moteur à combustion. Par conséquent, un système « simple passe » tel que celui décrit dans le document de brevet WO2017137100A1 ne permet pas, en pratique, de déminéraliser l'eau du robinet pour être injectée dans un moteur. « En pratique » veut dire ici avec un volume de résine échangeuse d'ions raisonnable, par exemple 1 à 2 de, pour un débit 20 d'injection d'eau dans le moteur devant pouvoir atteindre 80 kg d'eau par heure. La figure 3 illustre par un graphique la variation, dans un système simple passe », de la conductivité électrique de l'eau déminéralisée du commerce mesurée en fonction du temps, pour un volume donnée d'eau dans le réservoir 10, un débit donné d'eau à travers la pompe 12 et un filtre 15 donné. 25 Dans ce deuxième test en laboratoire, on se place dans les mêmes conditions opératoires que le premier test (voir figure 2), il n'y a que la conductivité électrique initiale de l'eau qui change, elle est ici de 100 pS/cm. La courbe qui relie les nombreux points représente l'évolution de la conductivité électrique de l'eau à la sortie du filtre 15 en fonction du temps. On constate que la conductivité électrique 30 est amenée sans délai de 100 pS/cm à moins de 15 pS/cm à la sortie du filtre 15. Par l'expression « sans délai », on entend désigner un traitement de déminéralisation de l'eau qui permet d'atteindre instantanément, ou quasiment -10- instantanément, la valeur de référence sans traitement supplémentaire. La droite qui passe par l'origine représente la quantité d'eau traitée mesurée en fonction du temps. On constate que la conductivité électrique de l'eau dépasse et reste supérieure à la valeur de référence de 15 pS/cm après traitement de 170 kg d'eau. 5 Par conséquent, un système « simple passe » permet, d'une part, de traiter sans délai de l'eau déminéralisée du commerce afin de l'injecter au plus tôt dans un moteur et, d'autre part, de traiter une quantité satisfaisante d'eau avant épuisement du filtre. Par l'expression « épuisement du filtre », on entend désigner le fait qu'un filtre, chargé de maintenir une propriété physico-chimique d'une 10 solution aqueuse dans une plage de valeurs de référence, n'est plus capable de remplir sa charge. Dans l'exemple précédent, l'épuisement du filtre est constaté par le fait que la conductivité électrique de l'eau dépasse et reste supérieure à la valeur de référence de 15 pS/cm à 20°C après le passage de 170 kg d'eau à travers le filtre 15. 15 En conclusion des premier et deuxième tests, un système REVENDICATIONS1. Système d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile, ledit système comprenant un réservoir (100) d'une solution aqueuse, un moyen d'injection de la solution aqueuse dans un circuit de filtration (104) connectant le réservoir (100) à au moins un injecteur du moteur à combustion, caractérisé en ce que ledit système comprend en outre un moyen de recirculation de la solution aqueuse dans le circuit de filtration (104) et un dispositif de caractérisation de la solution aqueuse permettant, en fonction d'au moins une caractéristique de la solution aqueuse, d'injecter la solution aqueuse dans le moteur ou de faire recirculer la soiution aqueuse dans le circuit de filtration (104). 2. Système d'injection selon la revendication 1, tel que le 15 dispositif de caractérisation comprend au moins un capteur de qualité (103, 110) apte à mesurer une caractéristique représentative de la qualité de la solution aqueuse. 3. Système d'injection selon la revendication 2, tel que le 20 capteur de qualité (103, 110) est apte à mesurer la conductivité électrique de la solution aqueuse. 4. Système d'injection selon la revendication 2 ou 3, tel que le capteur de qualité (103, 110) mesure une caractéristique de la solution 25 aqueuse à une sortie (104b) du circuit de filtration (104) etiou dans le réservoir (100). 5. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, tel que le circuit de filtration (104) comprend un 30 moyen de déminéralisation (105) de :a solution aqueuse. 6. Système d'injection selon la revendication précédente, tel que le moyen de déminéralisation (105) de la solution aqueuse comprend une résine échangeuse 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, tel que le moyen d'injection de la solution aqueuse comprend une pompe (102) et un canal d'injection (108) de la solution aqueuse à au moins un injecteur du moteur à combustion, et tel que le moyen de recirculation de la solution aqueuse comprend une pompe (106) et un conduit de renvoi (109) de la solution aqueuse dans le réservoir (100), de préférence la pompe (102) du moyen d'injection est aussi la pompe (106) du moyen de recirculation de la solution aqueuse. 8. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une vanne (107) comprenant une voie d'entrée (107a) connectée à la sortie (104b) du circuit de filtration (104), une première voie de sortie (107b) connectée au conduit de renvoi (109) et une deuxième voie de sortie (107c) connectée au canal d'injection (108). 9. Système selon la revendication précédente, tel que la vanne (107) comprend un mécanisme d'ouvertureffermeture sélective de la première 20 voie de sortie (107b) et de la deuxième voie de sortie (107c), ledit mécanisme étant commandé par une unité de contrôle électronique (ECU) apte, d'une part, à fermer la première voie de sortie (107b) et à ouvrir la deuxième voie de sortie (107c) quand ladite caractéristique représentative de la qualité de la solution aqueuse mesurée par le capteur de qualité (110) est dans une plage 25 de valeurs de référence et, d'autre part, à ouvrir la première voie de sortie (107b) et à fermer la deuxième voie de sortie (107c) de la vanne (107) quand ladite caractéristique représentative de la qualité de la solution aqueuse mesurée par le capteur de qualité (110) est en dehors d'une plage de valeurs de référence. 30 10. Procédé d'injection d'une solution aqueuse dans un moteur à combustion pour véhicule automobile comprenant les étapes successives suivantes a) Pomper la solution aqueuse contenue dans un réservoir (100), - 20 b) Envoyer ladite solution aqueuse pompée dans un circuit de filtration (104) comprenant un moyen de déminéralisation (105), c) Mesurer au moins une valeur d'une caractéristique de la solution aqueuse à la sortie du circuit de filtration (104), 5 d) Renvoyer la solution aqueuse dans le réservoir et reprendre le procédé à l'étape a) si la valeur mesurée à l'étape c) est en dehors d'une plage de valeurs de référence, sinon aller à l'étape e), e) Injecter la solution aqueuse dans le moteur ou mesurer au moins une valeur d'une caractéristique de la solution aqueuse dans le réservoir (100), f) Reprendre le procédé à l'étape a) si la valeur mesurée à l'étape e) est en dehors d'une plage de valeurs de référence, sinon arrêter le procédé.