EP3721069A1 - Dispositif pour reduire la quantite d'oxydes d'azote emis d'un moteur diesel - Google Patents

Dispositif pour reduire la quantite d'oxydes d'azote emis d'un moteur diesel

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EP3721069A1
EP3721069A1 EP17835486.6A EP17835486A EP3721069A1 EP 3721069 A1 EP3721069 A1 EP 3721069A1 EP 17835486 A EP17835486 A EP 17835486A EP 3721069 A1 EP3721069 A1 EP 3721069A1
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EP
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water
injection
diesel engine
engine
air
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Withdrawn
Application number
EP17835486.6A
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Ravi VINAYAGAM
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ENERIA
Original Assignee
ENERIA
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Publication date
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a device for reducing the amount of nitrogen oxides emitted in the exhaust fumes of a diesel engine or generator, as well as an assembly formed of such a device associated with an engine or generator set running on diesel.
  • ELVs fall below the emissions of generators in the market.
  • the present invention aims to provide a device whose purpose is to reduce the amount of nitrogen oxides emitted in the exhaust fumes of a diesel engine.
  • the present invention also aims to provide such a device that is simple and inexpensive to manufacture and assemble.
  • the present therefore relates to a device for reducing the amount of nitrogen oxides emitted in the exhaust fumes of a diesel engine, said diesel engine comprising a combustion chamber and an air compressor, said device comprising:
  • a water injection system for injecting deionized water into said diesel engine, said water injection being carried out after said air compressor and before said combustion chamber, said injection of water into the combustion air to lower the combustion temperature, and thus the emissions of nitrogen oxides,
  • safety means such as probes and electro valves, for limiting and / or preventing the risks of malfunction of said diesel engine because of said device, and a control system comprising control means for determining the parameters of the water injection and / or for managing said safety means.
  • said water treatment system comprises a bottle containing strongly acidic and strong base anionic cationic resins for capturing the mineral salts of the water and thus demineralizing said water.
  • said water injection system comprises at least one spray nozzle generating a spray.
  • said spray forms an angle of approximately 45 °.
  • said spray has an average droplet size of about 0.5 ⁇ m.
  • said water injection system comprises an injection manifold comprising a water collecting tube provided with a plurality of connectors for connecting said tube to spray nozzles via flexible tubes.
  • said connectors are arranged on the top of said injection rail, to avoid any risk of gravity injection of the water present in the injection rail.
  • said security means comprise means for measuring one or more of the following parameters:
  • said safety means comprise at least a first electro-gap valve adapted to close the water supply in the event of power supply failure or at the request of the control system, at least one two-way valve that redundant the function said first solenoid valve, and at least one three-way valve to ensure the discharge of non-compliant water contained in the pipes to the sewer in case of malfunction of said water treatment system.
  • said control means calculate the flow rate of water to be injected into the engine according to predetermined conditions.
  • said device comprises an air cooler disposed after said air compressor and before said combustion chamber, said water injection being performed after said air compressor and before said air cooler.
  • the present invention also relates to an assembly comprising a diesel engine and a device as described above.
  • FIG. 1 is a schematic overview of the present invention, according to a first advantageous embodiment
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a different generator set that can be associated with the device of the present invention, forming a second advantageous embodiment
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of part of the device of FIG. 1,
  • FIG. 4 is a schematic representation of the measurement conditions of a device according to the present invention.
  • FIG. 5 is a detail view in cross section of a part of the device of FIG. 1,
  • FIG. 6 is a detailed view of the device of FIG. 1, illustrating advantageous security means
  • FIG. 7 is a graph illustrating an example of mapping with three parameters.
  • FIG. 8 is a graph illustrating an example of result obtained with the present invention.
  • the terms “high” and “low” refer to the right position of normal use of a motor, shown in FIGS. 1 to 3 and 5.
  • the invention applies to diesel engines and generators. The following description will be made primarily with reference to a particular generator, namely the Caterpillar 3516 BHD engine, shown in Figure 1, but it is understood that the present invention could be applicable to any type of diesel engine.
  • Figure 2 illustrates another generator, namely the Caterpillar 3516E engine, and will be described later the differences induced by this second embodiment.
  • a diesel engine is an internal combustion engine whose ignition is spontaneous during the injection of fuel, by self-ignition phenomenon related to high temperatures in the combustion chamber or cylinder 34. These are achieved thanks to a high compression rate generated by an air compressor 29.
  • the purpose of the compressor 29 is to increase the energy density in the combustion chamber 34, which makes it possible to increase the power of the engine without increasing its size or using a smaller engine (and therefore cheaper) for a given target power. By corollary effect, the ignition is facilitated.
  • An object of the invention is to lower the combustion temperatures because the temperature has been identified as a powerful catalyst for the formation of nitrogen oxides.
  • the principle of the invention is to supplement the humidity of the combustion air by the addition of water after the air compressor 29.
  • the lowering of the air temperature due to the endothermic nature of the evaporation of the water, increases its density. This principle makes it possible to maintain the nominal oxygen supply despite the additional contribution of water vapor in the combustion air. As a result, the nominal power of the generator set is not impaired.
  • the lowering of the air temperature has another consequence: it allows to lower the combustion temperature.
  • the nitrogen contained in the air is less oxidized and therefore there is less NOx production in the exhaust.
  • the device of the present invention takes into account the ambient conditions to adapt the injection of water to the relative humidity of the ambient air.
  • the device according to the invention comprises:
  • safety means such as probes and solenoid valves
  • the system is designed to avoid any risk of non-start of the generator whose emergency function is often essential.
  • the demineralized water is obtained from a bottle made of strong acidic and strong base anionic cationic resins.
  • the mineral salts are thus captured by the bottle allowing the production of demineralised water.
  • the quality of the produced water is measured by a communicating conductivity sensor with the control system. Injection principle:
  • the injection is carried out by nozzles placed between the air compressor 29 and the combustion chamber or cylinder 34, preferably between the air compressor 29 and the air cooler 33.
  • a nozzle is chosen at an angle of approximately 45 °, that is to say generating a spray forming an angle of approximately 45 °, to be adapted according to the configuration of the pipes.
  • the angle must be adapted to the tube in which it is desired to place the nozzle. An angle too small decreases the exchange surface and therefore the amount of evaporable water. An excessive angle projects water droplets on the walls, with a loss of efficiency.
  • the usual engine parts are drilled to place the nozzles, as shown in Figures 3 and 5.
  • the position of the nozzle and its orientation is defined to maximize the nozzle / wall distance to optimize the heat exchange time between the air and water, and thus maximize the share of water that is vaporized.
  • Figure 5 illustrates the placement of a nozzle in a hollow bend member typically having a wall thickness of 6 mm.
  • a hole is machined in the curved upper part of the part, as shown in Figure 5.
  • the dimensions in this first embodiment may be the following:
  • d1 is between 90 mm and 120 mm, preferably 105 mm;
  • d2 is between 180 mm and 200 mm, preferably 193 mm; d3 is between 190 mm and 220 mm, preferably 205 mm; d6 is between 230 mm and 260 mm, preferably 245.1 mm;
  • the diameter d7 of the hole is between 20 mm and 30 mm, preferably 25 mm;
  • the angle ⁇ of the axis of the hole with the vertical is between 15 ° and 25 °, preferably 19.5 °.
  • a nozzle-holder sleeve 20 is then welded into said hole to receive a suitable nozzle 4.
  • Figure 2 illustrates a second embodiment, with another model of generator set.
  • the nozzle 4 can be arranged in a flat vertical portion of the motor manifold, and the angle ⁇ of the axis of the hole with the vertical can then be 90 °.
  • the angle ⁇ of the axis of the hole with the vertical can then be 90 °.
  • Carto injection the hourly water mass to be injected for the required MaxNox value and for each power
  • Figure 4 shows schematically the measurement conditions. Determination of the quantity of water to be injected:
  • the amount of water to be injected is defined experimentally by factory calibration.
  • the conditions of this calibration are called "map conditions”.
  • the hourly flow rate of water injected into the engine denoted m injection carto is a function f of the power P and the level of Nox required:
  • TM -injection carto fiP Ma c NqC) f is defined experimentally for a humidity HR carto and a temperature T carto ⁇
  • Measurements are carried out in 100 kW increments between the nominal power of the motor and the motor power which leads to not injecting water because the production of Nox produced is less than MaxNox.
  • an injection pump 112 is controlled and, for each engine power level measured by sensors 35, the analog control signal of the pump 112 and the water injection flow rate (measured by a flowmeter 106) are defined. ).
  • Figure 7 shows a graph illustrating an example of mapping.
  • the experimental curves allow to define a polynomial equation of degree 5 to model the link between the three parameters of the cartography.
  • the control system thus knows, on the basis of the engine power, the other two parameters in real time.
  • the man-machine interface implemented makes it possible to enter in expert mode the coefficients of the two polynomials.
  • the cardboard injection flow rate resulting from the mapping is advantageously corrected for the water flow rate brought by the presence of moisture in the combustion air if HRi is not identical to HR carto .
  • the flow rate is also advantageously corrected for the ambient air temperature ⁇ ⁇ if it differs from T carto .
  • the control system can, if necessary, perform a correction of the mapping and refine the amount of water needed to inject.
  • a hysteresis of 40 kW is added at the start of the pump, to avoid a beat of the pump around the power value corresponding to the beginning of injection.
  • the injection is ordered by the control system if:
  • the outlet temperature TOC of the air compressor 29 is greater than 135.degree.
  • the reading of the electrical power is greater than the minimum value of injection of the curve of the cartography
  • the depollution order is activated by the user
  • a generator is a tool of security of electrical supply. We do not want the modification of this emergency production tool for environmental purposes may degrade the security of electricity supply.
  • the device of the invention is designed to minimize the risk of loss of availability of the generator while ensuring its function to limit the production of NOx when it is put into operation.
  • the quantity of water injected by the water meter is measured and compared with the exchange capacity of the bottle 107, calculated from the hardness of the water. mains water according to the manufacturer's instructions.
  • CE capacity of exchange for a water of 1 ° f of the bottle expressed in liter. French degree
  • the control system may sound an alarm when the total processed volume reaches Cp.
  • a second level of security exists in that a real-time conductivity measurement verifies the conductivity of the water. If it is not correct (if C> 50 qS / cm), the injection of water is stopped by the control system (sending treated water to the sewer).
  • a first solenoid valve 102 (solenoid valve normally closed at rest and acting in all or nothing) passively closes the water supply in case of power failure or on request of the control system, ensuring the shutdown. water injection as quickly as possible.
  • this two-way motorized valve 110 Downstream of this first electro valve 102, there is provided a two-way motorized valve 110 with cam position sensor that informs the state of the valve position (passing or not), this two-way valve 110 redundant the function of the first solenoid valve 102. It also allows a gradual closure of the network avoiding water hammers.
  • This two-way valve 110 is closely followed in series by a three-way valve 111 with a cam position sensor which indicates either the state to purge 150 or to the engine. By default, the position of this valve 111 is always oriented towards the purge position.
  • this three-way valve 111 ensures the emptying of the non-compliant water contained in the pipes to the sewers in case of malfunction of the treatment bottle 107. It also purges the pipes when the generator is stopped.
  • the solenoid valves are closed and to ensure that there is no filling in the cylinders 34, the three-way valve 111 is closed on the engine side and open on the evacuation side 150.
  • the positions of the two-way valves 110 and three channels 111 are monitored and if there is any discrepancy of position, the injection is stopped by the control system and an alarm is triggered.
  • a final solenoid valve can be activated only by order of the control system (analog signal greater than 0.1V).
  • an autonomous block ensures the continuity of operation of the control system. In the event of a voltage drop, the valves are closed by the control system and a "Nox Not Compliant" alarm is issued.
  • any of the analog probes are not working properly such as MAT, MAP, TOC, HR, P, C, Po, a nonconformity alarm can be issued and any injection stopped.
  • the device of the invention comprises a pressure reducer 101 disposed just behind the water inlet. It is ensured that the water pressure of the network Po after the pressure reducer 101 is preferably in the following range:
  • a nozzle having a calibrated orifice whose flow is capped is preferably chosen, even in case of overpressure upstream of the nozzle, in order to avoid any risk of accumulation of water in the engine.
  • the water injection is performed with a positive displacement pump 112, so that at low flow, it is low pressure. As a result, the quality of the droplets produced can be degraded, with the size of the droplets that may no longer be guaranteed.
  • control system may prohibit the injection of water if the TOC is less than 120 ° C, preferably less than 135 ° C.
  • MAT temperature temperature at the intake manifold:
  • the challenge is to calculate the temperature of the dew point Td 3 at the riskiest point, that is to say after cooling.
  • the number of moles of water is then calculated and injected per hour without the addition of water, solely by the presence of water from the ambient atmosphere, using the ideal gas law and Dalton's law.
  • N3 is the number of moles of water at point 3 per hour:
  • N is computed ai, the number of moles of air, including its moisture absorbed by the motor per hour, calculated as:
  • T n , M and A constants as a function of the temperature T 3 according to the values of the following table:
  • Temperature control ensures that the MAT temperature is maintained above the dew point to prevent condensation.
  • the measurement of the power P is performed by a current transformer at each phase and by a reference voltage measurement supplying a dedicated power converter. In this way, the power measurement is independent of the motor.
  • This strategy in which one does not connect to the power measurement means of the engine itself, eliminates a risk of wiring error that could be detrimental to the safety function of the generator itself. Design of the initiation ramp:
  • the device comprises an injection manifold 1 visible in FIG. 3.
  • This injection manifold 1 comprises a water collecting tube 2 provided with a plurality of connectors for connecting said tube 2 to spray nozzles 4, via suitable flexible tubes.
  • Each nozzle 4 is supported by a nozzle holder 3, which is fixed in the sleeve 20 assembled in the engine part 10, here a bend.
  • the injection manifold 1 is advantageously designed with a water inlet from above to avoid any risk of injection by gravity of the water present in the injection manifold, in case of anomaly.
  • Hysteresis around the power curve, formed of a dead band at +/- 40 kW, is preferably provided to prevent rapid start / stop of the injection pump 112 around the injection start point.
  • crankcase de-oiling system 30 is associated with the device of the invention. Indeed, it has been found a significant presence of water in the housing when using the device of the invention, given the fact that the piston / cylinder connection is never completely hermetic. Priority management of emergency stops:
  • generator set shutdown device and generator set off.
  • check hydro A sequence of opening and closing the water valves, called “check hydro”, is preferably performed at regular intervals (for example every month), so as to:
  • the so-called "cooling time” generator shutdown delay is set so that the shutdown lasts for 3 minutes, so as to evacuate the humid air and avoid any condensation of water. Obtained result :
  • Figure 8 illustrates an example obtained with a Caterpillar 3516 BHD engine for an MAxNox value of 1700 mg / Nm3.
  • the device of the invention makes it possible to remain below the limit value of 1700 mg / Nm3.

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Abstract

Dispositif pour réduire la quantité d'oxydes d'azote émis dans les fumées d'échappement d'un moteur diesel, ledit moteur diesel comportant une chambre de combustion (34) et un compresseur d'air (29), ledit dispositif comprenant : - un système de traitement d'eau, pour déminéraliser l'eau à injecter, - un système d'injection d'eau, pour injecter de l'eau déminéralisée dans ledit moteur diesel, ladite injection d'eau étant réalisée après ledit compresseur d'air (29) et avant ladite chambre de combustion (34), ladite injection d'eau dans l'air comburant permettant d'abaisser la température de combustion, et ainsi les émissions d'oxydes d'azote, - des moyens de sécurité, tels que des sondes et des électrovannes, pour limiter et/ou empêcher les risques de dysfonctionnement dudit moteur diesel à cause dudit dispositif, et - un système de commande, comportant des moyens de commande pour déterminer les paramètres de l'injection d'eau et/ ou pour gérer lesdits moyens de sécurité.

Description

Dispositif pour réduire la quantité d* oxydes d’azote émis d’un moteur diesel
La présente invention concerne un dispositif pour réduire la quantité d’oxydes d’azote émis dans les fumées d’échappement d’un moteur ou groupe électrogène fonctionnant au diesel, ainsi qu’un ensemble formé d’un tel dispositif associé à un moteur ou groupe électrogène fonctionnant au diesel.
Les groupes électrogènes utilisant du diesel comme carburant émettent plus ou moins d’oxydes d’azote (appelés Nox), dont les rejets dans l’atmosphère sont de plus en plus réglementés au travers des nouvelles valeurs limites d’émissions (VLE) propres à chaque zone géographique dans le monde.
Sur certains territoires, les VLE descendent en-dessous des émissions des groupes électrogènes du marché.
Afin de remédier à cette non-conformité environnementale, la présente invention a pour but de fournir un dispositif ayant pour objectif de faire baisser la quantité d’oxydes d’azote émis dans les fumées d’échappement d’un moteur diesel.
La présente invention a également pour but de fournir un tel dispositif qui est simple et peu coûteux à fabriquer et à assembler.
La présente a donc pour objet un dispositif pour réduire la quantité d’oxydes d’azote émis dans les fumées d’échappement d’un moteur diesel, ledit moteur diesel comportant une chambre de combustion et un compresseur d’air, ledit dispositif comprenant :
- un système de traitement d’eau, pour déminéraliser l’eau à injecter,
- un système d’injection d’eau, pour injecter de l’eau déminéralisée dans ledit moteur diesel, ladite injection d’eau étant réalisée après ledit compresseur d’air et avant ladite chambre de combustion, ladite injection d’eau dans l’air comburant permettant d’abaisser la température de combustion, et ainsi les émissions d’oxydes d’azote,
- des moyens de sécurité, tels que des sondes et des électro vannes, pour limiter et/ou empêcher les risques de dysfonctionnement dudit moteur diesel à cause dudit dispositif, et - un système de commande, comportant des moyens de commande pour déterminer les paramètres de l’injection d’eau et/ou pour gérer lesdits moyens de sécurité.
Avantageusement, ledit système de traitement d’eau comporte une bouteille contenant des résines cationique acide forte et anionique base forte pour capter les sels minéraux de l’eau et ainsi déminéraliser ladite eau.
Avantageusement, ledit système d’injection d’eau comporte au moins une buse de pulvérisation générant un spray.
Avantageusement, ledit spray forme un angle d’environ 45°.
Avantageusement, ledit spray a une taille de gouttelettes moyenne d’environ 0,5 qm.
Avantageusement, ledit système d’injection d’eau comporte une rampe d’injection comportant un tube collecteur d’eau pourvu d’une pluralité de raccords pour relier ledit tube à des buses de pulvérisation, via des tubes flexibles.
Avantageusement, lesdits raccords sont disposés sur le haut de ladite rampe d’injection, pour éviter tout risque d’injection par gravité de l’eau présente dans la rampe d’injection.
Avantageusement, lesdits moyens de sécurité comportent des moyens de mesure d’un ou plusieurs des paramètres suivants:
- le volume d’eau traité par ledit système de traitement d’eau,
- la conductivité de l’eau,
- la pression d’eau,
- la température au point d’injection d’eau,
- la température au collecteur d’admission du moteur.
Avantageusement, lesdits moyens de sécurité comportent au moins une première électro vanne à manque adaptée à fermer l’alimentation d’eau en cas de coupure d’alimentation électrique ou sur demande du système de commande, au moins une vanne deux voies venant redonder la fonction de ladite première électrovanne, et au moins une vanne trois voies pour assurer la vidange de l'eau non conforme contenue dans les tuyauteries vers les égouts en cas de dysfonctionnement dudit système de traitement d’eau. Avantageusement, lesdits moyens de commande calculent le débit d’eau à injecter dans le moteur selon des conditions préétablies.
Avantageusement, ledit dispositif comporte un refroidisseur d’air disposé après ledit compresseur d’air et avant ladite chambre de combustion, ladite injection d’eau étant réalisée après ledit compresseur d’air et avant ledit refroidisseur d’air.
La présente a aussi pour objet un ensemble comprenant un moteur diesel et un dispositif tel que décrit ci-dessus.
Ces caractéristiques et avantages et d'autres apparaîtront plus clairement au cours de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints, donnés à titre d’exemples non limitatifs, et sur lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique d’ensemble de la présente invention, selon un premier mode de réalisation avantageux,
- La figure 2 est une schématique d’un groupe électrogène différent qui peut être associé au dispositif de la présente invention, formant un second mode de réalisation avantageux,
- la figure 3 est une vue schématique en perspective d’une partie du dispositif de la figure 1 ,
- la figure 4 est une représentation schématique des conditions de mesure d’un dispositif selon la présente invention,
- la figure 5 est une vue de détail en section transversale d’une partie du dispositif de la figure 1 ,
- la figure 6 est une vue de détail du dispositif de la figure 1 , illustrant des moyens de sécurités avantageux,
- la figure 7 est un graphe illustrant un exemple de cartographie à trois paramètres, et
- la figure 8 est un graphe illustrant un exemple de résultat obtenu avec la présente invention.
Dans la description, les termes "haut" et "bas" se réfèrent à la position droite d’utilisation normale d’un moteur, représentée sur les figures 1 à 3 et 5. L'invention s'applique à des moteurs et groupes électrogènes fonctionnant au diesel. La description ci-après sera faite principalement en référence à un groupe électrogène particulier, à savoir le moteur Caterpillar 3516 BHD, représenté sur la figure 1, mais il est entendu que la présente invention pourrait s’appliquer à tout type de moteur diesel. Ainsi, la figure 2 illustre un autre groupe électrogène, à savoir le moteur Caterpillar 3516E, et il sera décrit ultérieurement les différences induites par ce second mode de réalisation.
De manière connue, un moteur diesel est un moteur à combustion interne dont l'allumage est spontané lors de l'injection du carburant, par phénomène d'auto-inflammation lié aux températures élevées dans la chambre de combustion ou cylindre 34. Celles-ci sont atteintes grâce à un fort taux de compression généré par un compresseur d’air 29. Le compresseur 29 a notamment pour but d’augmenter la densité d’énergie dans la chambre de combustion 34, ce qui permet d’augmenter la puissance du moteur sans augmenter sa taille ou de recourir à un plus petit moteur (et donc moins cher) pour une puissance cible donnée. Par effet corollaire, l’allumage est facilité.
Un but de l’invention est de faire baisser les températures de combustion, car la température a été identifiée comme un puissant catalyseur à la formation des oxydes d’azote.
Le principe de l’invention est de compléter l’humidité de l’air comburant par l’ajout d’eau après le compresseur d’air 29.
Le fait d’introduire l’eau sous forme de brouillard, avec une taille des gouttelettes visée d’environ 0,5 qm, dans une enceinte à plus de 200°C permet aux fines gouttelettes de s’évaporer quasi-instantanément en se mélangeant avec l’air comburant.
L’abaissement de la température de l’air, dû au caractère endothermique de l’évaporation de l’eau, augmente sa densité. Ce principe permet de maintenir l’apport d’oxygène nominal malgré l’apport complémentaire de vapeur d’eau dans l’air comburant. En conséquence, la puissance nominale du groupe électrogène n’est pas altérée. L’abaissement de la température de l’air a une autre conséquence: cela permet d’abaisser la température de combustion.
Ce principe est obtenu par deux phénomènes :
- l’air refroidi par l’évaporation, puis par l’échangeur, arrive moins chaud dans le cylindre 34 ;
- pendant l’explosion dans le cylindre 34, la capacité calorifique de l’air sur humidifié est supérieure ; la conséquence est que sa capacité à absorber l’énergie thermique dégagée par l’explosion est améliorée ; cela permet d’atténuer la montée en température dans le cylindre 34 après explosion.
Ainsi, l’azote contenu dans l’air est moins oxydé et par conséquent il y a moins de production de NOx dans les gaz d’échappement.
Le dispositif de la présente invention tient compte des conditions ambiantes pour adapter l’injection d’eau à l’humidité relative de l’air ambiant.
Le dispositif selon l’invention comprend :
- un système de traitement d’eau ;
- un système d’injection ;
- des moyens de sécurité, tels que des sondes et des électrovannes ;
- un système de commande.
Le système est pensé de façon à éviter tout risque de non-démarrage du groupe électrogène dont la fonction secours est souvent primordiale.
Système de traitement d’eau :
Afin d’éviter tout risque d’endommager le moteur, il convient d’injecter une eau la plus pure possible, donc sans calcaire ou autre ion pouvant provoquer des dépôts.
L’eau déminéralisée est obtenue à partir d’une bouteille constituée de résines cationique acide forte et anionique base forte. Les sels minéraux sont ainsi captés par la bouteille permettant une production d’eau déminéralisée.
La qualité de l’eau produite est mesurée par une sonde de conductivité communicante avec le système de commande. Principe d’injection :
L’injection est réalisée par des buses placées entre le compresseur d’air 29 et la chambre de combustion ou cylindre 34, de préférence entre le compresseur d’air 29 et le refroidisseur d’air 33.
On choisit de préférence une buse à angle d’environ 45°, c’est-à-dire générant un spray formant un angle d’environ 45°, à adapter selon la configuration des tuyauteries.
L’angle doit être adapté au tube dans lequel on souhaite placer la buse. Un angle trop petit diminue la surface d’échange et donc la quantité d’eau évaporable. Un angle trop grand projette des gouttelettes d’eau sur les parois, avec donc une perte d’efficacité.
Ci-après, il va être présenté un premier mode de réalisation spécifique à un groupe électrogène particulier, à savoir le moteur Caterpillar 3516 BHD représenté sur la figure 1.
Les pièces moteur habituelles sont percées pour placer les buses, comme représenté sur les figures 3 et 5. La position de la buse et son orientation est définie de façon à maximiser la distance buse/paroi pour optimiser la durée d’échange thermique entre l’air et l’eau, et ainsi maximiser ainsi la part de l’eau qui est vaporisée.
La figure 5 illustre la mise en place d’une buse dans une pièce creuse 10 formant coude, ayant typiquement une épaisseur de paroi de 6 mm.
Un trou est usiné dans la partie supérieure courbe de la pièce, comme visible sur la figure 5.
Avantageusement, les dimensions dans ce premier mode de réalisation peuvent être les suivantes :
dl est compris entre 90 mm et 120 mm, de préférence 105 mm ;
d2 est compris entre 180 mm et 200 mm, de préférence 193 mm ; d3 est compris entre 190 mm et 220 mm, de préférence 205 mm ; d6 est compris entre 230 mm et 260 mm, de préférence 245,1 mm ;
- d4 = d5 = d6/2 ; le diamètre d7 du trou est compris entre 20 mm et 30 mm, de préférence 25 mm ;
- l’angle a de l’axe du trou avec la verticale est compris entre 15° et 25°, de préférence 19,5°.
Un manchon porte-buse 20 est alors soudé dans ledit trou, pour recevoir une buse 4 appropriée.
La figure 2 illustre un second mode de réalisation, avec un autre modèle de groupe électrogène. Dans cette variante, la buse 4 peut être disposée dans une partie verticale plane du collecteur du moteur, et l’angle a de l’axe du trou avec la verticale peut alors être de 90°. En variante, on pourrait envisager plusieurs buses, par exemple deux, pour répartir le débit et ainsi mieux évaporer. Dans cette hypothèse, ces buses pourraient former un angle différent, par exemple injecter en biais, comme décrit précédemment en référence au premier mode de réalisation.
Ci-après, il va être expliqué comment la présente invention calcule les quantités d’eau à injecter et quels systèmes de sécurités sont prévus.
Paramètres mobiles mesurés :
Ces paramètres sont mesurés par des capteurs inclus dans le dispositif, indépendants du moteur.
• HRi : humidité relative de l'air ambiant
• Ti : température de l'air ambiant
• Pi : pression ambiante
• MAP : pression de suralimentation (après refroidissement, entrée moteur)
• COT : température sortie compresseur (point d'injection de l'eau)
• MAT : température collecteur d’admission (après refroidissement, entrée moteur)
• P : puissance électrique sortie alternateur
• C : conductivité de l'eau traitée
• Po : pression de l'eau du réseau Principaux paramètres mobiles calculés :
Td2: Température de point de rosée
PWS : pression de vapeur saturante
minjection rédie : masse d’eau horaire à injecter
Mi eau : masse d’eau horaire à injecter
PWi : pression de vapeur d’eau ambiante
PWair : pression partielle de l’air
Paramètres fixes :
MaxNox : niveau de Nox requis par le client
D : dureté de l’eau du réseau utilisé
CE : capacité d’échange de la bouteille de traitement de l’eau
Paramètres issus de la cartographie :
minjection carto : masse d’eau horaire à injecter pour la valeur de MaxNox requise et pour chaque puissance
P arto : Pression atmosphérique au moment de l’établissement de la cartographie
T arto : Température ambiante au moment de l’établissement de la cartographie
HRcarto : Taux d’humidité ambiant au moment de l’établissement de la cartographie
Paramètre moteur :
mair : masse horaire d’air absorbée par le moteur selon sa fiche technique, pour chaque puissance
La figure 4 représente schématiquement les conditions de mesure. Détermination de la quantité d’eau à injecter :
La quantité d’eau à injectée est définie expérimentalement par un calibrage en usine. Les conditions de ce calibrage sont appelées « conditions cartographiques ».
Une fois le moteur en production chez le client, les conditions peuvent avoir évolué et sont alors notées « conditions réelles ».
Mise en œuyre de la cartographie :
Le débit horaire d'eau injecté dans le moteur noté minjection carto est une fonction f de la puissance P et du niveau de Nox requis :
™-injectioncarto = fiP MacNqC ) f est défini expérimentalement pour une humidité HRcarto et une température Tcarto·
Les mesures sont réalisées par tranches de 100 kW entre la puissance nominale du moteur et la puissance moteur qui amène à ne pas injecter d'eau du fait que la production de Nox produit est inférieure à MaxNox.
En pratique, on commande une pompe d’injection 112 et on définit pour chaque niveau de puissance moteur mesurée par des capteurs 35, le signal analogique de commande de la pompe 112 et le débit d’injection d’eau (mesuré par un débitmètre 106).
La figure 7 représente un graphe illustrant un exemple de cartographie.
Dans cet exemple, les courbes expérimentales permettent de définir une équation polynomiale de degré 5 pour modéliser le lien entre les trois paramètres de la cartographie.
Pour le signal analogique :
y = -293, 62x5 + 2501, 6x4 - 8108, 5x3 + 12841c2 - 10010c + 3073,3
Pour le débit d’eau :
y = -7,0304x5 + 54,842x4 - 166, 85x3 + 248,5 lx2 - 181,59c + 52,149
Le système de commande connaît ainsi, sur la base de la puissance moteur, les deux autres paramètres en temps réel. L’interface homme machine mis en œuvre permet de saisir en mode expert les coefficients des deux polynômes.
Facteur correctif :
Le débit minjection carto issu de la cartographie est avantageusement corrigé du débit d'eau apporté par la présence d'humidité dans l'air comburant si HRi n’est pas identique à HRcarto.
Le débit est également avantageusement corrigé de la température d'air ambiant Ί\ si celle-ci diffère de Tcarto.
Le système de commande peut, si nécessaire, réaliser une correction de la cartographie et affiner la quantité d’eau nécessaire à injecter.
Hystérésis de démarrage d’iniection :
On ajoute une hystérésis de 40 kW au démarrage de la pompe, pour éviter un battement de la pompe autour de la valeur de puissance correspondant au début d’injection.
Commande de l’injection :
L’injection est ordonnée par le système de commande si :
- le groupe électrogène est en marche,
- la température de sortie COT du compresseur d’air 29 est supérieure à l35°C,
- MAT>Td3+4°C
- la lecture de la puissance électrique est supérieure à la valeur minimale d’injection de la courbe de la cartographie,
- l’ordre de dépollution est activé par l’utilisateur,
- il n’y a pas d’alarme critique.
Sécurités :
D'une manière générale, un groupe électrogène est un outil de sécurité d'approvisionnement électrique. On ne souhaite pas que la modification de cet outil de production de secours à des fins environnementales puisse dégrader la sécurité d'approvisionnement électrique.
En conséquence, le dispositif de l’invention est conçu pour limiter au maximum les risques de perte de disponibilité du groupe électrogène tout en assurant sa fonction de limiter la production de Nox lorsque celui-ci est mis en fonctionnement .
Pour cela, des dispositions spécifiques ont été déployées et sont décrites ci- après, en référence notamment à la figure 6.
Sur cette figure 6, les éléments suivants sont représentés :
101 : détendeur
102 : électrovanne à manque
103 : indicateur de pression
104 : préfiltre 25 qm
105 : pressostat
106 : compteur d’eau
107 : bouteille de résine
108 : conductimètre
109 : filtre 1 qm
110 : vanne motorisée deux voies
111 : vanne motorisée trois voies
112 : pompe d’injection
Calcul de la capacité restante de la résine :
Afin d’anticiper sur la saturation de la résine, on mesure la quantité d’eau injectée par le compteur d’eau que l’on compare avec la capacité d’échange de la bouteille 107, calculée à partir de la dureté de l’eau du réseau selon les indications du constructeur.
On définit l’autonomie Cp de la bouteille exprimée en litres par la formule suivante :
Avec : CE : capacité d’échange pour une eau de l°f de la bouteille exprimée en litre. degré français
D : dureté de l’eau exprimée en degré français
Le système de commande peut émettre une alarme lorsque le volume total traité atteint Cp.
Sécurité en cas de conductivité non conforme :
Un second niveau de sécurité existe par le fait qu’une mesure de conductivité en temps réelle vérifie la conductivité de l’eau. Si celle-ci est non conforme (si C>50 qS/cm), l’injection d’eau est stoppée par le système de commande (envoi vers les égouts de l’eau traitée).
On veut s’assurer qu’il ne peut pas y avoir le moindre écoulement d’eau jusqu’au collecteur d’eau depuis le dispositif de l’invention quand le groupe électrogène est en arrêt ou en mode veille, même en cas de défaillance du réseau d’eau, ce qui pourrait provoquer un bouchon hydraulique impliquant la casse du moteur au démarrage.
Pour cela une première électrovanne à manque 102 (électrovanne normalement fermée au repos et agissant en tout ou rien) ferme passivement l’alimentation d’eau en cas de coupure d’alimentation électrique ou sur demande du système de commande, assurant l’arrêt d’injection d’eau au plus vite.
En aval de cette première électro vanne 102, on prévoit une vanne deux voies motorisés 110 avec capteur de position à came qui renseigne l’état de la position de la vanne (passante ou non), cette vanne deux voies 110 venant redonder la fonction de la première électrovanne 102. Elle permet également une fermeture progressive du réseau évitant les coups de béliers.
Cette vanne deux voies 110 est suivie de près en série par une vanne trois voies 111 avec capteur de position à came qui indique soit l’état vers la purge 150 ou soit vers le moteur. Par défaut, la position de cette vanne 111 est toujours orientée vers la position purge.
La présence de cette vanne trois voies 111 assure la vidange de l'eau non conforme contenue dans les tuyauteries vers les égouts en cas de dysfonctionnement de la bouteille de traitement 107. Elle assure également la purge des tuyauteries lorsque le groupe électrogène est à l’arrêt.
En mode repos (pas d’injection d’eau), les électrovannes sont fermées et pour s’assurer qu’il n’y a pas de remplissage dans les cylindres 34, la vanne trois voies 111 est fermée coté moteur et ouverte côté évacuation 150.
Les positions des vannes deux voies 110 et trois voies 111 sont monitorées et s’il y a la moindre discordance de position, l’injection est stoppée par le système de commande et une alarme est déclenchée.
Et pour renforcer cette stratégie d’ensemble de vannes en série, une ultime électrovanne peut s’activer uniquement sur ordre du système de commande (signal analogique supérieur à 0.1V).
Les vannes motorisées sont privilégiées aux solénoïdes afin d’éviter le phénomène « d’effet collé » suite à une pression différentielle élevée dans le conduit.
Surveillance de tension :
Si le dispositif de l’invention devait perdre son alimentation électrique, un bloc autonome permet d’assurer la continuité de fonctionnement du système de commande. En cas de chute de tension, les vannes sont fermées par le système de commande et une alarme « Nox Non Conformes » est émise.
Si l’alimentation du système de commande devait être corrompue, une alarme de non-conformité peut être émise et toute injection stoppée.
Perte de sonde :
Si l’une des sondes analogiques ne fonctionne pas correctement tel que la MAT, MAP, COT, HR, P, C, Po, une alarme de non-conformité peut être émise et toute injection stoppée.
Pression d’eau du réseau non conforme :
Le dispositif de l’invention comprend un réducteur de pression 101 disposé juste derrière l'arrivée d'eau. On s'assure que la pression d'eau du réseau Po après le réducteur de pression 101 est de préférence comprise dans l'intervalle suivant :
2 bar < Po < 2,5 bar
En cas de non-conformité, l’injection d’eau peut être coupée.
Buses :
On choisit de préférence une buse ayant un orifice calibré dont le débit est plafonné, même en cas de surpression en amont de la buse, afin d’éviter tout risque d’accumulation d’eau dans le moteur.
Surveillance de la COT (température au point d'iniection de l'eau :
L’injection d’eau est réalisée avec une pompe volumétrique 112, de sorte qu’à bas débit, on est à faible pression. En conséquence, la qualité des gouttelettes produites peut se dégrader, avec la taille des gouttelettes qui risque de ne plus être garantie.
Afin d’éviter un manque de vaporisation de l’eau, le système de commande peut interdire l’injection d’eau si la COT est inférieure à l20°C, de préférence inférieure à l35°C. Température MAT (température au collecteur d’admission :
On veut s'assurer de l'absence de risque de condensation d'eau dans le collecteur et donc dans les cylindres 34. Pour cela, on doit s’assurer que la température mesurée MAT reste supérieure au point de rosée. L’enjeu est donc de calculer la température du point de rosée Td3 au point le plus risqué, c’est-à-dire après le refroidissement.
On note les points suivants, en référence à la figure 4 :
On calcule tout d’abord la température de point de rosée théorique Td3.
On commence par calculer les pressions de vapeur d’eau saturante PWSi et PWS3 aux points 1 et 3 selon l'équation approximée de W. Wagner and A. Pruf: " The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamïc Properties of Ordïnary Water Substance for General and Scientific Use ", Journal ofPhysical and Chemical Reference Data, June 2002 , Volume 31, Issue 2, pp. 387535. PWSi, i valant 1 ou 3, exprimée en hPa se calcule comme suit :
Avec :
Ti
ΰ = 1 -—
Tc
Tc= Température Critique exprimée en K égale à 647,096 K
Pc = Pression critique exprimée en hPa égale à 220 640 hPa
MAT exprimée en K
T;la température T, ou MAT selon le point i souhaité
Cl à C6 les coefficients sans unité suivants :
On calcule ensuite le nombre de moles d’eau ni injecté par heure sans l’ajout d’eau, uniquement par la présence d’eau de l’atmosphère ambiante, en utilisant la loi des gaz parfaits et la loi de Dalton.
Avec :
HRi le taux d’humidité au point 1
Vair le volume d’air injecté par heure
R=8,3l J-K ^mol 1
PWi la pression partielle de l’eau calculée par la formule :
PW1 = HR± * PWS1
On calcule le nombre de moles n injecté par heure au point 2 par la formule :
mÎnjectÎonréeue
n = -
Peau
Avec :
rriinjection réelle la masse d’eau injectée par heure en gramme
geau la masse molaire de l’eau soit 18,0153 g/mol
On obtient n3 le nombre de moles d’eau au point 3 par heure :
n3 = + n
On calcule nai, le nombre de moles d’air, incluant son humidité, absorbé par le moteur par heure, calculé par :
On en déduit, considérant les gaz comme parfaits, la pression de vapeur PW3 au point 3 par la loi de Dalton :
On en déduit la température du point de rosée Td3 par la formule empirique suivante, publiée par Vaisala Oyj dans le document intitulé « HUMIDITY
CONVERSION FORMULAS » (B210973EN-F - Vaisala 2013):
Avec :
Tn, M et A : constantes en fonction de la température T3 selon les valeurs du tableau suivant :
PW3 la pression de vapeur exprimée en mbar. Contrôle de la température :
Le contrôle de la température permet de garantir le maintien au-dessus du point de rosée de la température MAT afin d’éviter toute condensation.
On prend une garde de + 4°C; c’est-à-dire que l'on s'assure que :
MAT > Td3 + 4°C Mesure de puissance :
La mesure de la puissance P est réalisée par un transformateur d’intensité à chaque phase et par une mesure de tension référence alimentant un convertisseur de puissance dédié. De cette façon, la mesure de puissance est indépendante du moteur. Cette stratégie, dans laquelle on ne se connecte pas aux moyens de mesure de puissance du moteur lui-même, permet de supprimer un risque d’erreur de câblage pouvant porter préjudice à la fonction sécuritaire du groupe électrogène lui-même. Conception de la rampe d’iniection :
Le dispositif comporte une rampe d’injection 1 visible sur la figure 3. Cette rampe d’injection 1 comporte un tube collecteur d’eau 2 pourvu d’une pluralité de raccord pour relier ledit tube 2 à des buses de pulvérisation 4, via des tubes flexibles 5 appropriés. Chaque buse 4 est supportée par un porte-buse 3, qui vient se fixer dans le manchon 20 assemblé dans la pièce 10 du moteur, ici un coude.
La rampe d'injection 1 est avantageusement conçue avec une arrivée d'eau par le haut pour éviter tout risque d’injection par gravité de l’eau présente dans la rampe d’injection, en cas d’anomalie. Hystérésis :
Hystérésis autour de la courbe de puissance, formée d’une bande morte à +/- 40 kW, est de préférence prévue pour éviter des marche/arrêt rapides de la pompe d’injection 112 autour du point de démarrage de l’injection. Gaz carter :
Un système 30 de déshuilage des gaz carter est associé au dispositif de l’invention. En effet, il a été constaté une présence non négligeable d’eau dans le carter lors de l’utilisation du dispositif de l’invention, compte tenu du fait que la liaison piston/cylindre n’est jamais complètement hermétique. Gestion des priorités des arrêts d’urgence :
La gestion des priorités en cas d’actionnement d’un arrêt d’urgence par l’utilisateur est la suivante :
Si arrêt d’urgence du dispositif de l’invention : arrêt du dispositif, pas d’arrêt du groupe électrogène ;
Si arrêt du groupe électrogène : arrêt du dispositif et du groupe électrogène.
Check hvdro :
Une séquence d’ouverture et de fermeture des vannes d’eau, appelée « check hydro », est de préférence réalisée à intervalle régulier (par exemple tous les mois), de façon à :
- tester leur bon fonctionnement (génération d’une alarme en cas de défaut),
- évacuer l’eau pour permettre à l’eau de ne pas stagner trop longtemps. Arrêt naturel du système d’iniection :
La temporisation d’arrêt du groupe électrogène dite « cooling time » est paramétrée pour que l’arrêt dure 3 minutes, de façon à évacuer l’air humide et éviter toute condensation d’eau. Résultat obtenu :
La figure 8 illustre un exemple obtenu avec un moteur Caterpillar 3516 BHD pour une valeur de MAxNox de 1700 mg/Nm3.
On constate que quelle que soit la puissance, le dispositif de l’invention permet de rester en-dessous de la valeur limite de 1700 mg/Nm3.
La présente invention a été décrite en référence à des modes de réalisation avantageux, mais il est entendu qu’un homme du métier peut y apporter toutes modifications, sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications annexées.

Claims

Revendications
1.- Dispositif pour réduire la quantité d’oxydes d’azote émis dans les fumées d’échappement d’un moteur diesel, ledit moteur diesel comportant une chambre de combustion (34) et un compresseur d’air (29), caractérisé en ce que ledit dispositif comprend :
- un système de traitement d’eau, pour déminéraliser l’eau à injecter,
- un système d’injection d’eau, pour injecter de l’eau déminéralisée dans ledit moteur diesel, ladite injection d’eau étant réalisée après ledit compresseur d’air (29) et avant ladite chambre de combustion (34), ladite injection d’eau dans l’air comburant permettant d’abaisser la température de combustion, et ainsi les émissions d’oxydes d’azote,
- des moyens de sécurité, tels que des sondes et des électro annes, pour limiter et/ou empêcher les risques de dysfonctionnement dudit moteur diesel à cause dudit dispositif, et
- un système de commande, comportant des moyens de commande pour déterminer les paramètres de l’injection d’eau et/ou pour gérer lesdits moyens de sécurité.
2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit système de traitement d’eau comporte une bouteille (107) contenant des résines cationique acide forte et anionique base forte pour capter les sels minéraux de l’eau et ainsi déminéraliser ladite eau.
3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit système d’injection d’eau comporte au moins une buse de pulvérisation (4) générant un spray.
4.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ledit spray forme un angle d’environ 45°.
5.- Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ledit spray a une taille de gouttelettes moyenne d’environ 0,5 qm.
6.- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit système d’injection d’eau comporte une rampe d’injection (1) comportant un tube collecteur d’eau (2) pourvu d’une pluralité de raccords pour relier ledit tube (2) à des buses de pulvérisation (4), via des tubes flexibles (5).
7.- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel lesdits raccords sont disposés sur le haut de ladite rampe d’injection, pour éviter tout risque d’injection par gravité de l’eau présente dans la rampe d’injection.
8.- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de sécurité comportent des moyens de mesure d’un ou plusieurs des paramètres suivants:
- le volume d’eau traité par ledit système de traitement d’eau,
- la conductivité de l’eau,
- la pression d’eau,
- la température au point d’injection d’eau,
- la température au collecteur d’admission du moteur.
9.- Dispositif selon la revendication 8, dans lequel lesdits moyens de sécurité comportent au moins une première électro vanne à manque (102) adaptée à fermer l’alimentation d’eau en cas de coupure d’alimentation électrique ou sur demande du système de commande, au moins une vanne deux voies (110) venant redonder la fonction de ladite première électrovanne (102), et au moins une vanne trois voies (111) pour assurer la vidange de l'eau non conforme contenue dans les tuyauteries vers les égouts en cas de dysfonctionnement dudit système de traitement d’eau.
10.- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de commande calculent le débit d’eau à injecter dans le moteur selon des conditions préétablies.
11.- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un refroidisseur d’air (33) disposé après ledit compresseur d’air (29) et avant ladite chambre de combustion (34), ladite injection d’eau étant réalisée après ledit compresseur d’air (29) et avant ledit refroidisseur d’air (33).
12.- Ensemble comprenant un moteur diesel et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. j? J? J?
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