Brevet FR3107352A1 — publié le 20210820

Ce procédé de mesure d’un débit de liquide (5) à la sortie d’une pompe (11) est remarquable en ce qu’on prévoit un accumulateur à gaz (13) de volume connu à la sortie de cette pompe, en ce qu’on mesure la pression de gaz ou de liquide à l’intérieur de cet accumulateur (13), en ce qu’on en déduit le volume de gaz à l’intérieur de cet accumulateur (13), puis le volume dudit liquide à l’intérieur de cet accumulateur (13), puis le débit de ce liquide en sortie de cet accumulateur (13). (Fig. 1) Procédé de mesure d’un débit de liquide à la sortie d’une pompe Domaine de l’invention La présente invention concerne un procédé de mesure d’un débit de liquide à la sortie d’une pompe, et trouve son application notamment dans le domaine de l’automobile. Etat de la technique On connaît de la technique antérieure différents procédés et dispositifs permettant de mesurer un débit de liquide à la sortie d’une pompe: ces procédés et dispositifs antérieurs utilisent typiquement des débitmètres ou des pompes volumétriques. Problème technique restant posé Le coût de ces débitmètres et de ces pompes volumétriques est relativement élevé, et leur fiabilité est discutable. La présente invention a ainsi notamment pour objectif de fournir des moyens de mesure du débit de liquide à la sortie d’une pompe qui permettent de réduire les coûts et de rester fiables dans la durée. On atteint cet objectif, ainsi que d’autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de mesure d’un débit de liquide à la sortie d’une pompe, remarquable en ce qu’on prévoit un accumulateur à gaz de volume connu à la sortie de cette pompe, en ce qu’on mesure la pression de gaz ou de liquide à l’intérieur de cet accumulateur, en ce qu’on en déduit le volume de gaz à l’intérieur de cet accumulateur, puis le volume dudit liquide à l’intérieur de cet accumulateur, puis le débit de ce liquide en sortie de cet accumulateur. Grâce à ce procédé, on peut obtenir une information précise sur le débit sortant de l’accumulateur à gaz par simple mesure de la pression du gaz au-dessus du liquide, que l’on utilise ensuite pour en déduire le volume de ce gaz à l’intérieur de l’accumulateur au moyen de l’équation des gaz parfaits. Par différence, on en déduit le volume de liquide à l’intérieur de l’accumulateur, puis par un calcul d’intégration par rapport au temps, on peut en déduire le volume de liquide sortant de l’accumulateur par unité de temps, c’est-à-dire le débit de liquide à la sortie de cet accumulateur. On obtient de la sorte une mesure de débit de liquide à la sortie de l’accumulateur à gaz qui est très précise, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un débitmètre. On notera de plus que l’utilisation d’un accumulateur à gaz, c’est-à-dire en fait d’un simple réservoir comprenant une phase liquide surmontée d’une phase gazeuse, à l’exclusion de tout mécanisme du type à ressort et/ou à membrane de séparation entre les deux phases, permet de supprimer tous les risques de grippage ou de dysfonctionnement (hystérésis…) inhérent à ces mécanismes, ainsi que de réduire au plus bas les coûts de fabrication, d’autant que le capteur de pression et le traitement de l’information fournie par ce capteur font déjà parti du système hôte en vue d’assurer la régulation de pression. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l’invention, pouvant être prises seules ou en combinaison: on commande la vitesse de ladite pompe en fonction dudit débit mesuré: ce mécanisme de régulation, pouvant être piloté par le contrôleur électronique du véhicule, permet d’ajuster la vitesse de la pompe au débit de liquide souhaité; on applique ce procédé à la mesure du débit d’urée utilisée pour réduire les émissions de NOx dans les gaz d’échappement d’un moteur diesel: cette application particulière du procédé est particulièrement indiquée pour ce type de moteur, dans lequel il est important de pouvoir réaliser une régulation et un contrôle précis du débit d’urée; il importe en effet que le volume d’urée attendu soit effectivement délivré afin de satisfaire aux normes applicables au traitement des gaz d’échappement des moteurs diesels; on applique ce procédé à la mesure du débit d’eau utilisée pour refroidir un moteur à essence: cette application particulière du procédé pourrait convenir aux futures exigences anti-pollution susceptibles d’interdire l’utilisation de carburant pour faire baisser la température interne des moteurs. La présente invention se rapporte également à un accumulateur à gaz pour la mise en œuvre du procédé conforme à ce qui précède, remarquable en ce qu’il comprend, dans son fond destiné à être positionné vers le bas en service, une entrée dudit liquide, et dans sa partie supérieure destinée à être positionnée vers le haut en service, une sortie dudit liquide munie d’un tube plongeant, la distance de l’extrémité dudit tube plongeant par rapport audit fond étant calibrée. Un tel accumulateur à gaz permet, grâce à la connaissance précise de la distance séparant l’extrémité du tube du fond de l’accumulateur, de connaître précisément le volume de gaz correspondant à la situation dans laquelle le niveau de liquide atteint juste l’extrémité du tube. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles de cet accumulateur à gaz, pouvant être prises seulement combinaison: cet accumulateur à gaz présente une forme dont la section se réduit en direction de son fond: cette forme particulière de l’accumulateur permet de réduire les variations de volume de liquide, et donc de gaz, lorsque l’inclinaison de cet accumulateur est modifiée, c’est-à-dire lorsque le véhicule circule sur un terrain dont la pente varie; cet accumulateur à gaz comprend un étranglement dans sa partie médiane: cette forme particulière de l’accumulateur permet de réduire les pertes de gaz si la surface libre est proche de l’orifice de sortie, notamment à basse pression d’utilisation. La présente invention se rapporte également à un dispositif de mesure du débit de liquide à la sortie d’une pompe, remarquable en ce qu’il comprend un accumulateur conforme à ce qui précède, et des moyens de contrôle programmés pour mettre en œuvre le procédé conforme à ce qui précède. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent: : une vue en coupe d’un ensemble de réservoir et de boîtier pouvant renfermer une pompe et un accumulateur à gaz selon l’invention; : une vue en coupe schématique d’un accumulateur à gaz selon l’invention, vide de liquide; : une vue analogue de cet accumulateur, le volume V0 d’air présent dans cet accumulateur étant tel que le niveau de liquide atteint juste l’extrémité inférieure du tube plongeant de cet accumulateur; : une vue analogue de cet accumulateur, le volume V1 d’air étant inférieur au volume V0; : une vue analogue de cet accumulateur, le volume V2 d’air étant inférieur au volume V1; et : une vue analogue de cet accumulateur, vide de liquide, et présentant une variante de forme. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques ou similaires sur l’ensemble des figures. Description détaillée de modes de réalisation de l’invention On se reporte à présent à la , sur laquelle on a représenté un réservoir 1 muni d’un bouchon 3 pouvant contenir un liquide tel qu’une solution aqueuse d’urée 5. L’urée peut être utilisée dans le cadre de la réduction des NOx dans les gaz d’échappement d’un moteur diesel de véhicule automobile, mais l’invention n’est bien entendue nullement limitée à ce liquide particulier. Elle peut être appliquée par exemple à un réservoir contenant de l’eau pour refroidir un moteur à essence, conformément aux nouvelles normes antipollution, ou bien encore à un réservoir contenant un mélange d’eau et d’alcool, dans le cadre d’un dispositif de production d’hydrogène pour un véhicule utilisant une pile à combustible ou une pile à hydrogène. Un boîtier 7, présentant une paroi 9 commune avec le réservoir 1, renferme différents organes, et notamment une pompe 11 communiquant avec l’intérieur du réservoir 1 et avec un accumulateur à gaz 13 selon l’invention, cet accumulateur étant lui-même relié à un conduit de sortie 15 permettant d’amener l’urée à son point d’utilisation sur le moteur du véhicule équipé de l’ensemble qui vient d’être décrit. L’accumulateur à gaz 13 permet d’absorber les variations de pression dans le circuit de circulation de l’urée, mais surtout, dans le cadre de la présente invention, cet accumulateur à gaz permet de mesurer le débit d’urée circulant dans le conduit de sortie 15. Plus précisément, comme cela est visible sur la , l’accumulateur à gaz 13 comprend un ballon 16 à l’intérieur duquel s’étend un tube plongeant 17, le fond 19 de ce ballon étant muni d’une arrivée de liquide 21. Il n’est pas nécessaire que cette arrivée de liquide soit située précisément au fond du ballon 16: il suffit qu’elle débouche dans ce ballon sous la surface de liquide lorsque ce liquide atteint juste l’extrémité libre du tube plongeant 17 comme cela est visible sur la , le volume de gaz étant alors V0. Il est important de préciser ici que l’accumulateur à gaz 13 est destiné à être positionné sur le véhicule automobile comme cela représenté sur les figures 2 à 6, c’est-à-dire en sorte que le fond 19 du ballon 16 et l’extrémité libre 23 du tube plongeant 17, soient situés vers le bas par rapport à la verticale du lieu où se trouve le véhicule équipé de ces organes. La distance d séparant l’extrémité 23 du tube plongeant 17 du fond 19 est parfaitement connue, c’est-à-dire calibrée, dans la mesure où cette longueur définit le volume géométrique V0 de gaz surmontant le liquide. Ainsi, lorsque l’urée arrive dans le ballon 16 par l’entrée 21, comme indiqué par la flèche F de la et que son niveau à l’intérieur du ballon 16 atteint juste l’extrémité libre du tube plongeant 17 comme cela est visible sur cette figure, on connaît parfaitement le volume V0 de gaz surmontant ce liquide à l’intérieur de ce ballon. Par la suite, lorsque le niveau d’urée à l’intérieur du ballon 16 augmente, comme cela est représenté sur les figures 4 et 5, le niveau d’air au-dessus de l’urée réduit progressivement de V0 à V1, puis à V2. En supposant la température de fonctionnement sensiblement constante, et en utilisant l’équation des gaz parfaits en vertu de laquelle le produit de la pression d’air à l’intérieur du ballon 16 par le volume de cet air, est sensiblement constant, on peut à chaque instant connaître ce volume si on connaît cette pression. Or cette dernière est très facilement mesurable au moyen d’un capteur de pression 24 disposé dans la partie supérieure du ballon 16, ou de tout autre dispositif qui permet d’établir la valeur de la pression, comme par exemple la lecture du courant consommé par le moteur de la pompe 11. Par différence, on peut donc à chaque instant connaître le volume d’urée à l’intérieur du ballon 16, et par intégration par rapport au temps, on peut donc en déduire le volume d’urée sortant par le tube plongeant 17 du ballon 16 par unité de temps, c’est-à-dire le débit d’urée à la sortie de l’accumulateur à gaz 13. Cette mesure de débit peut être utilisée pour étalonner une fois par cycle de fonctionnement un autre dispositif de mesure de débit comme un contrôle de débit au moyen d’une pompe volumétrique par exemple, ou en cours de fonctionnement si le système permet un arrêt du dosage de l’urée pendant un bref instant, ou en continu en contrôlant le différentiel de débit entre la pompe de dosage et l’injecteur doseur. Le recalibrage du dispositif s’effectue automatiquement lorsque l’on coupe le moteur du véhicule: une mise à l’air du ballon 16 est effectuée, permettant de purger l’urée située à l’intérieur de ce ballon, puis lors de l’allumage suivant du moteur, on repart d’une situation calibrée dans laquelle le niveau de l’urée à l’intérieur de ce ballon est juste situé à l’extrémité libre 23 du tube plongeant 17, comme cela est représenté à la . Cette opération peut être systématique ou occasionnelle. La connaissance du débit d’urée à la sortie de l’accumulateur à gaz 13 permet, avec le contrôleur électronique du véhicule, d’ajuster la vitesse de la pompe 11 de manière à obtenir un débit correspondant précisément à une consigne donnée. Comme on peut le comprendre à la lumière de la description qui précède, le procédé et l’accumulateur à gaz selon l’invention permettent d’obtenir de manière très simple et précise une mesure de débit du liquide pompé. Aucun dispositif mécanique particulier n’est nécessaire, la mesure de débit s’effectue à partir de la seule connaissance de la géométrie des pièces formant l’accumulateur à gaz 13, et en particulier de la géométrie du ballon 16, et de la pression par quelque moyen que ce soit. Concernant cette géométrie, on notera que l’on peut avantageusement prévoir que le fond 19 de ce ballon soit arrondi ou aille en se rétrécissant vers le bas, comme cela est représenté sur les figures 2 à 6, de manière à limiter les effets d’une variation d’inclinaison de l’accumulateur 13 par rapport à la verticale, sur la variation du volume d’urée à l’intérieur du ballon 16 par perte de gaz, et donc conséquemment de la pression d’air mesurée. On notera également que l’on peut avantageusement prévoir que la partie centrale du ballon 16 présente un étranglement 25 comme cela est représenté sur la , de manière à réduire la superficie de la surface d’échange entre le liquide et l’air situé à l’intérieur du ballon 16, et ainsi réduire la diffusion de l’air à l’intérieur de ce liquide, susceptible de perturber la précision des mesures. Dans l’exemple exposé ci-dessus, la pompe 11 et l’accumulateur à gaz 13 ont été représentés à l’intérieur du boîtier 7: cet agencement convient particulièrement dans le cadre véhicule légers, mais dans un poids-lourd ces organes peuvent être disposés ailleurs, et en particulier ne pas se trouver au voisinage immédiat du réservoir 1. De plus, il faut bien noter que la présente invention n’est pas limitée à son application au domaine de l’automobile: elle peut être utilisée dans tout domaine où il importe de pouvoir mesurer avec précision un débit de liquide en sortie de pompe, sans mettre en œuvre de débitmètre ou de système mécanique analogue complexe, du moment que la pression du liquide peut être mesurée, évaluée ou calculée. Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Il est à noter en particulier qu’il peut être particulièrement intéressant de placer l’élément de mesure de la pression en partie haute du ballon 16 afin d’assurer l’absence de liquide en face du capteur lors de l’arrêt du système (pression nulle, retour du volume de gaz à V0), et ainsi de protéger ce capteur des effets d’expansion du liquide en phase de gel. Procédé de mesure d’un débit de liquide (5) à la sortie d’une pompe (11), caractérisé en ce qu’on prévoit un accumulateur à gaz (13) de volume connu à la sortie de cette pompe, avec dans son fond (19) destiné à être positionné vers le bas en service, une entrée dudit liquide sortant de la pompe, en ce qu’on mesure la pression de gaz ou de liquide à l’intérieur de cet accumulateur (13), en ce qu’on en déduit le volume de gaz (V0, V1, V2) à l’intérieur de cet accumulateur (13), puis le volume dudit liquide à l’intérieur de cet accumulateur (13), puis le débit de ce liquide en sortie de cet accumulateur (13), ladite sortie (21) dudit liquide (5) étant placée dans la partie supérieure de l’accumulateur et destinée à être positionnée vers le haut en service. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on commande la vitesse de ladite pompe (11) en fonction dudit débit mesuré. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, appliqué à la mesure du débit d’urée utilisée pour réduire les émissions de NOx dans les gaz d’échappement d’un moteur diesel. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, appliqué à la mesure du débit d’eau utilisée pour refroidir un moteur à essence. Accumulateur à gaz (13) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, dans son fond (19) destiné à être positionné vers le bas en service, une entrée dudit liquide, et dans sa partie supérieure destinée à être positionnée vers le haut en service, une sortie (21) dudit liquide (5) munie d’un tube plongeant (17), la distance ( d ) de l’extrémité (23) dudit tube plongeant par rapport audit fond (19) étant calibrée. Accumulateur à gaz (13) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il présente une forme dont la section se réduit en direction de son fond. Accumulateur à gaz (13) selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu’il comprend un étranglement (25) dans sa partie médiane. Dispositif de mesure du débit de liquide à la sortie d’une pompe, caractérisé en ce qu’il comprend un accumulateur (13) conforme à l’une quelconque des revendications 5 à 7, et des moyens de contrôle programmés pour mettre en œuvre le procédé conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 4.