FR2995629A1

FR2995629A1 - Dispositif de stockage d'ammoniac et ligne d'echappement equipee d'un tel dispositif

Info

Publication number: FR2995629A1
Application number: FR1258659A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Guinehut
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-21
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: US20140075922A1; CN103672397A; DE102013109974A1; CN103672397B; DE102013109974B4; FR2995629B1

Abstract

Le dispositif (1) de stockage d'ammoniac comprend : - une enveloppe (11) ; - un matériau solide (13) prévu pour absorber et désorber l'ammoniac ; et - un organe (15) de chauffage du matériau solide (13). Le dispositif (1) comprend une mousse métallique (25) disposée dans l'enveloppe (11) et ayant des pores (27) ouverts, le matériau solide (13) comportant essentiellement des particules (36) de taille adaptée pour se loger dans lesdits pores (27).

Description

Dispositif de stockage d'ammoniac et ligne d'échappement équipée d'un tel dispositif L'invention concerne en générale les dispositifs de stockage d'ammoniac, notamment pour l'injection d'ammoniac dans une ligne d'échappement de véhicule automobile. Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un dispositif de stockage d'ammoniac, le dispositif comprenant : - une enveloppe ; - un matériau solide prévu pour absorber et désorber l'ammoniac ; - un organe de chauffage du matériau solide. Un tel dispositif est connu par exemple de EP 2 316 558. Ce document décrit que le matériau solide prévu pour absorber ou désorber l'ammoniac est un sel métallique, du type MgCl2 ou SrCl2. Dans ce dispositif, il est nécessaire de chauffer de manière efficace toute la masse de matériau solide, de manière à provoquer la désorption du maximum d'ammoniac. Ceci n'est pas facile à obtenir quand par exemple l'organe de chauffage est un organe résistif, chauffant par conduction à travers l'enveloppe du dispositif. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de stockage d'ammoniac qui permet un chauffage plus uniforme de l'ensemble de la masse de matériau solide. A cette fin, l'invention porte sur un dispositif du type précité, caractérisé en ce que le dispositif comprend une mousse métallique disposée dans l'enveloppe et ayant des pores ouverts, le matériau solide comportant essentiellement des particules de tailles adaptées pour se loger dans lesdits pores.

La mousse métallique permet de conduire la chaleur de manière très efficace jusqu'aux particules disposées dans les pores. Le chauffage est d'autant plus efficace que les particules sont de petites tailles. Typiquement, la mousse métallique remplie la plus grande partie du volume interne de l'enveloppe, de préférence plus de 75% de ce volume interne et encore de préférence plus de 90% de ce volume. Avantageusement, au moins 50% de la masse du matériau solide est logé dans les pores de la mousse métallique, de préférence au moins 75% de la masse totale de matériau solide, et encore de préférence au moins 90% de la masse totale de matériau solide.

La mousse métallique se présente typiquement sous la forme d'un bloc, ayant sensiblement une forme conjuguée du volume interne de l'enveloppe. Ainsi, pour une enveloppe cylindrique, le bloc de mousse métallique aura une forme également cylindrique. La mousse métallique constitue de préférence un bloc unique, d'une seule pièce. En variante, la mousse métallique est formée de plusieurs blocs. L'enveloppe délimite un volume interne clos, avec un orifice pour l'évacuation de l'ammoniac désorber. Cette désorption est provoquée par le chauffage du matériau solide. Les pores sont ouverts au sens où ils communiquent entre eux, et permettent à l'ammoniac désorbé du matériau solide de s'échapper hors de la mousse métallique, jusqu'à l'orifice de sortie ménagée dans l'enveloppe.

Le matériau solide est un matériau, avantageusement, décrit dans EP 2 316 558. Par exemple, ce matériau solide est un sel métallique, par exemple du MgCl2 ou SrCl2. L'enveloppe est typiquement en un matériau métallique, par exemple en acier, ou en aluminium. En variante, l'enveloppe est en un matériau composite Le dispositif peut également présente une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Avantageusement, la mousse est une mousse d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Un tel matériau est léger, économique, et conduit bien la chaleur. En variante, la mousse n'est pas en aluminium mais dans un autre matériau léger bon conducteur de la chaleur, par exemple du magnésium. Typiquement, les pores ouverts de la mousse présentent un diamètre moyen compris entre 0,1 et 10 mm. De préférence, ces pores ont un diamètre compris entre 0,5 et 5 mm et encore de préférence 1 et 2 mm. On entend ici par diamètre moyen la moyenne statistique des diamètres, prise pour tous les pores de la mousse métallique. Le diamètre d'un pore correspond par exemple à la somme de sa dimension maximum et de sa dimension minimum, divisée par deux. Comme indique plus haut, le matériau solide se présente sous la forme de particules solides. Quand elles ne sont pas chargées en ammoniac, ces particules présentent avantageusement un diamètre moyen compris entre 50 micromètres et 5 mm, de préférence compris entre 60 micromètres et 500 micromètres et valant typiquement entre 100 et 200 micromètres. Quand elles sont saturées en ammoniac, ces particules présentent typiquement un diamètre compris entre 300 et 400 micromètres. On entend ici par diamètre moyen, la moyenne statistique des diamètres de toute la population de particules. Le diamètre d'une particule correspond par exemple à la somme de la dimension minimum de cette particule et de sa dimension maximum, divisée par deux. Dans chaque pore de la mousse métallique, on trouve une ou plusieurs particules du matériau solide, en fonction de la taille du pore et de la taille des particules.

Dans un exemple de réalisation, l'organe de chauffage est situé à l'extérieur de la cartouche. Par exemple, l'organe chauffant est un organe résistif plaqué contre l'enveloppe. L'organe chauffant chauffe par conduction à travers la paroi de l'enveloppe. Il comporte par exemple une ou plusieurs résistances électriques agencées autour de l'enveloppe, par exemple des fils résistifs. En variante, l'organe de chauffage est une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur. Selon un autre exemple de réalisation, l'organe de chauffage chauffe par induction ou par un autre type d'onde, à travers la paroi de l'enveloppe. Alternativement, l'organe de chauffage est une bougie chauffante, située à l'intérieure de l'enveloppe. La bougie s'étend par exemple selon l'axe central de l'enveloppe, et chauffe par conduction le matériau situé autour d'elle. Elle comprend typiquement une résistance électrique, éventuellement logée à l'intérieur d'un corps destiné à la protéger. Dans ce cas, la mousse métallique comporte un logement destiné à recevoir la bougie. De préférence, la surface externe de la bougie est en contact avec la surface interne du logement.

En variante, l'organe de chauffage comporte deux électrodes placées à l'intérieur de l'enveloppe, et un générateur électrique raccordé électriquement aux deux électrodes, de manière à faire circuler un courant électrique dans la mousse métallique. Par exemple, les deux électrodes sont placées à deux extrémités opposées de l'enveloppe, la mousse métallique étant logée entre les deux électrodes, et électriquement en contact avec les deux électrodes. La mousse métallique constitue donc un organe résistif, convertissant le courant électrique en chaleur. Dans ce cas, on prévoit typiquement une couche isolante entre la mousse métallique et l'enveloppe. Avantageusement, l'enveloppe externe est rigidement fixée à la mousse métallique, par exemple, par une soudure.

Ceci permet de rigidifier l'enveloppe externe, et d'améliorer ses propriétés mécaniques de tenue à la pression. Ainsi, on peut par exemple diminuer l'épaisseur de paroi de l'enveloppe. La fixation de l'enveloppe externe à la mousse métallique est réalisée typiquement par une pluralité de points ou de lignes de soudure.

Ces soudures sont faites à partir de l'extérieur de l'enveloppe, à travers cette enveloppe. Les lignes ou points de soudure sont répartis de manière sensiblement uniforme sur toute la paroi de l'enveloppe. Selon une variante de réalisation, l'enveloppe est une peau venue de matière avec la mousse métallique. La structure du dispositif est ainsi considérablement simplifiée. En d'autres termes, l'enveloppe est constituée d'une zone externe du bloc de mousse métallique, ne comportant pas de pores. L'épaisseur de cette zone est suffisante pour assurer une tenue en pression du dispositif. Cette peau est obtenue lors de la fabrication du bloc de mousse métallique, ou en variante, est obtenue lors d'une étape ultérieure consistant à fermer les pores du bloc de mousse métallique sur au moins une partie de sa surface externe. Selon une variante de réalisation, l'enveloppe délimite un volume interne présentant une pluralité de zones non occupées par la mousse métallique, séparées les unes des autres par des zones occupées par la mousse métallique. Ces zones sont typiquement remplies de matériau solide. On augmente ainsi la quantité de matériau solide susceptible d'être stockée dans l'enveloppe, et ainsi la quantité d'ammoniac disponible. En variante, ces zones sont vides et servent de réservoir tampon pour l'ammoniac gazeux.

Par exemple, lesdites zones occupent entre 5 et 50% du volume interne, de préférence entre 10 et 30% et par exemple entre 10 et 20%. Selon un second aspect, l'invention vise une ligne d'échappement de véhicule, comprenant un dispositif de stockage d'ammoniac ayant les caractéristiques ci-dessus. Le véhicule est par exemple une voiture, un véhicule utilitaire ou un camion.

La ligne d'échappement comprend typiquement un catalyseur SCR (Selective Catalytic Reduction, ou Réduction catalytique sélective). L'ammoniac est injectée sous forme gazeuse, immédiatement en amont du catalyseur SCR. Dans le catalyseur SCR, l'ammoniac réagit avec les NOx, et convertit ceux-ci en N2. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et également limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquels : - la figure 1 représente une ligne d'échappement équipée d'un dispositif de stockage d'ammoniac conforme à l'invention ; - la figure 2 représente de manière plus détaillée le dispositif de stockage de la figure 1, vu en coupe, avec un organe de chauffage placé à l'extérieur de l'enveloppe ; - les figures 3 et 4 sont des vues similaires à celle de la figure 2, montrant des variantes de réalisation de l'organe de chauffage ; - la figure 5 est une vue agrandie d'une partie du bloc de mousse métallique, montrant que celui-ci présente une peau externe constituant l'enveloppe du dispositif ; et - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3, pour une variante de réalisation dans laquelle, la mousse métallique n'occupe pas entièrement le volume interne de l'enveloppe. La figure 1 représente un dispositif 1 de stockage d'ammoniac, prévu pour fournir un flux d'ammoniac gazeux à une ligne d'échappement 3 de véhicule d'automobile. La ligne d'échappement 3 est prévue pour capter les gaz d'échappement provenant des chambres de combustion d'un moteur thermique 5 du véhicule. Elle comporte un catalyseur SCR 7 (Selective Catalytic Reduction ou Réduction catalytique sélective). Le dispositif 1 injecte l'ammoniac gazeux en amont du catalyseur SCR, dans un conduit 9 de la ligne d'échappement. Dans le catalyseur SCR, l'ammoniac NH3 réagit avec les NOx contenus dans les gaz d'échappement. Les NOx sont convertit en N2 gazeux et en eau H2O. Le dispositif 1 comporte une enveloppe 11, un matériau solide 13 (visible sur les figures 2 à 4) prévu pour absorber et désorber l'ammoniac, et un organe 15 de chauffage du matériau solide. L'enveloppe 11 délimite un volume interne clos, présentant une sortie 17 pour l'ammoniac. La sortie 17 est raccordée fluidiquement par un conduit 19 à un organe 21 d'injection de l'ammoniac dans la ligne d'échappement. Le dispositif comprend en outre une unité de dosage 23 intercalée dans le conduit 19. L'unité de dosage 23 est prévue pour contrôler la quantité d'ammoniac injectée dans la ligne d'échappement 3. Cette unité de dosage est par exemple du type décrit dans WO 2011/113454 ou encore WO 2001/121196. Comme visible sur la figure 2, le dispositif de stockage 1 comprend une mousse métallique 25, disposée dans l'enveloppe 11, et ayant des pores ouverts 27. Sur ces figures, la taille des pores a été exagérée pour des raisons de clarté. Dans l'exemple représenté, la mousse métallique se présente sous la forme d'un bloc de forme sensiblement conjuguée du volume interne de l'enveloppe. La mousse remplie tout le volume interne de l'enveloppe, à l'exception de la zone de ce volume interne qui jouxte la sortie 17. Notamment, elle touche l'enveloppe 11 sur la plus grande partie de cette enveloppe. Par exemple, l'enveloppe 11 présente une forme générale cylindrique, avec une paroi tubulaire 29, un fond inférieur 31 fermant une extrémité inférieure de la paroi tubulaire et un fond supérieur 33, portant la sortie 17 et fermant une extrémité supérieure de la paroi 29. La mousse métallique 25 est au contact à la fois du fond inférieur 31 et de la paroi 29. La zone 35 du volume interne située immédiatement sous le fond supérieur 33 est libre au sens où elle ne comporte pas de mousse métallique.

La mousse métallique est une mousse d'aluminium comportant typiquement entre 197 et 1969 pores par mètre linéaire. Les pores présentent des diamètres compris entre 5 et 0,5 mm. Le matériau solide est un sel métallique, par exemple SrCl2. Ce matériau est finement divisé, et se présente sous la forme d'un grand nombre de particules 36, de tailles adaptées pour se loger dans les pores de la mousse métallique. Plus précisément, le matériau solide est constitué de particules 36 qui, quand elles ne sont pas chargées en ammoniac, présentent un diamètre moyen de l'ordre de 100 microns. Ces particules, quand elles sont saturées en ammoniac, ont un diamètre moyen compris entre 300 et 400 microns. La taille des particules a été exagérée sur les figures pour des raisons de clarté.

La plus grande partie des particules 36 est logée dans les pores 27 de la mousse métallique. Une faible proportion de ces particules 36 est logée dans la zone 35, située immédiatement sous le fond supérieur 33. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, l'organe de chauffage 15 est une résistance électrique, placée à l'extérieure de l'enveloppe 11. La résistance électrique 15 est plaquée contre l'enveloppe 11. Elle comporte une pluralité de fils résistifs, répartis sur toute la paroi tubulaire 29 de l'enveloppe. Dans la variante de réalisation de la figure 3, l'organe de chauffage est une bougie 37, placée à l'intérieure de l'enveloppe 11. La mousse métallique présente alors un logement 39, dans lequel est reçue la bougie 37. La bougie 37 s'étend par exemple selon l'axe central de l'enveloppe 11. Elle est portée par le fond intérieur 31. La bougie 37 comporte par exemple un corps étanche au gaz et une résistance électrique chauffante, engagée à l'intérieur du corps. Le corps conduit la chaleur et est plaqué contre la paroi du logement 39. Dans la variante de réalisation de la figure 4, l'organe de chauffage comporte deux électrodes 41, 43 et un générateur électrique 45, raccordé électriquement aux deux électrodes 41, 43. Les deux électrodes 41, 43 sont placées à l'intérieur de l'enveloppe 11, à deux extrémités opposés de celle-ci. Par exemple, l'électrode 41 est placée contre le fond inférieur 31 et l'électrode 43 est placée contre le fond supérieur 33. La mousse métallique 25 est disposée entre les deux électrodes 41, 43, et est électriquement en contact avec chacune des deux électrodes 41, 43. Quand le générateur électrique 45 fonctionne, un courant électrique circule de l'électrode 41 à l'électrode 43 à travers la mousse métallique 25. La mousse métallique 25 fait office d'organe de chauffage résistif, et convertit le courant électrique en chaleur. L'enveloppe 11 est rigidement fixée à la mousse métallique par une pluralité de lignes de soudure 46 (représentées sur la figure 3). Ces lignes 46 sont situées sur la paroi 29. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, l'enveloppe 11 est partiellement constituée par une peau venue de matière avec la mousse métallique. Dans un exemple de réalisation, la peau de la mousse métallique constitue la paroi tubulaire 29 et le fond inférieur 31 de l'enveloppe. Cette peau est constituée d'une couche continue formée à la surface externe de la mousse métallique, dans laquelle la mousse métallique est dénuée de pore. Cette couche présente une épaisseur suffisante pour résister à la pression de l'ammoniac sans qu'il y ait création de fissure à travers la couche, par lesquelles l'ammoniac pourrait s'échapper. Le fond supérieur 33 de l'enveloppe est, dans ce cas, rapporté directement sur la mousse métallique, par l'intermédiaire d'une liaison étanche. La zone de la surface externe de la mousse métallique tournée vers le fond supérieur 33 comporte des pores ouverts, de manière à permettre à l'ammoniac de s'échapper de la mousse métallique et de s'écouler jusqu'à la sortie 17. Une autre variante de réalisation de l'invention va maintenant être détaillée en référence à la figure 6. Seuls les points par lesquels cette variante diffère de celle de la figure 3 seront décrits ci-dessous. Les éléments identiques ou assurant la même fonction seront désignés par les mêmes références. Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, le volume interne délimité par l'enveloppe comporte une pluralité de zones 47 occupées par la mousse métallique, et une pluralité de zones 49 non occupées par la mousse métallique. Les zones 49 sont séparées les unes des autres par les zones 47. Elles occupent environ 50% du volume interne. Les zones 49 sont remplies par des particules de matériau solide. Le logement 39 de réception de la bougie 37 est ménagé dans une des zones 47. Les zones 49 sont réparties en différents points du volume interne pour faciliter la conduction de la chaleur vers ces zones, via la mousse métallique. Dans l'exemple de la figure 6, le dispositif comporte deux zones 49. Plus précisément, le dispositif comporte une première zone 49 annulaire, entourant une zone 47 cylindrique dans laquelle est logée la bougie chauffante 37. La zone première 49 est située vers le fond inférieur 31. La seconde zone 49 présente une forme cylindrique et s'étend au centre de l'enveloppe, vers le fond supérieur 33. Elle est entourée par une zone 47 de forme annulaire. La zone 47 cylindrique est raccordée à la zone 47 annulaire par une zone du bloc de mousse en forme de disque, séparant ainsi les deux zones 49 l'une de l'autre.

Claims

REVENDICATIONS1.- Dispositif de stockage d'ammoniac, le dispositif (1) comprenant : - une enveloppe (11) ; - un matériau solide (13) prévu pour absorber et désorber l'ammoniac ; - un organe (15) de chauffage du matériau solide (13); caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend une mousse métallique (25) disposée dans l'enveloppe (11) et ayant des pores (27) ouverts, le matériau solide (13) comportant essentiellement des particules (36) de taille adaptée pour se loger dans lesdits pores (27).
2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mousse (25) est une mousse d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.
3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pores (27) présentent un diamètre moyen compris entre 0,1 et 10 mm.
4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules (36) non chargées en ammoniac présentent un diamètre moyen compris entre 50 lm et 5 mm.
5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de chauffage (15) est situé à l'extérieur de l'enveloppe (11).
6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de chauffage (15) comprend une bougie chauffante (37) située à l'intérieur de l'enveloppe (11).
7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de chauffage (15) comprend deux électrodes (41, 43) placées à l'intérieur de l'enveloppe (11), et un générateur électrique (45) raccordé aux deux électrodes (41, 43), de manière à faire circuler un courant électrique dans la mousse métallique (25).
8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe externe (11) est rigidement fixée à la mousse métallique (25), par exemple par soudure.
9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'enveloppe (11) est une peau venue de matière avec la mousse métallique (25).
10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe (11) délimite un volume interne, présentant une pluralité de zones (49) non occupées par la mousse métallique (25), et séparées les unes des autres par des zones (47) occupées par la mousse métallique (25).
11.- Ligne d'échappement (3) de véhicule, comprenant un dispositif (1) de stockage d'ammoniac selon l'une quelconque des revendications précédentes.