WO2011098695A1 - Dispositif d'injection dans une ligne d'echappement, d'un agent reducteur gazeux - Google Patents

Dispositif d'injection dans une ligne d'echappement, d'un agent reducteur gazeux Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection dans une ligne d'échappement (1), d'un agent réducteur gazeux, comportant au moins une réserve d'agent réducteur gazeux (4, 5), une conduite d'amenée (6) dudit agent, et au moins une vanne (70). L'invention consiste en ce qu'il comporte une réserve (8) d'agent réducteur gazeux supplémentaire dit « de secours » raccordée par un conduit (9) à la conduite d'amenée (6) de l'agent réducteur en amont de la vanne (70), ledit conduit (9) comportant une vanne (10) actionnable uniquement par un dispositif de commande manuel.

Description

DISPOSITIF D'INJECTION DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT, D'UN AGENT
REDUCTEUR GAZEUX
[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1050894 déposée le 9 février 2010 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[ooo2] La présente invention concerne un dispositif d'injection dans une ligne d'échappement, d'un réactif gazeux, la ligne d'échappement comportant un tel dispositif ainsi qu'un véhicule pourvu de cette ligne d'échappement.
[ooo3] L'utilisation de combustible fossile comme le pétrole ou le charbon dans un système de combustion, en particulier le carburant dans un moteur, entraine la production en quantité non négligeable de polluants qui peuvent être déchargés par l'échappement dans l'environnement et y causer des dégâts. Parmi ces polluants, les oxydes d'azote (appelés NOx) posent un problème particulier puisque ces gaz sont soupçonnés d'être un des facteurs qui contribuent à la formation des pluies acides et à la déforestation. En outre, les NOx sont liés à des problèmes de santé pour les humains et sont un élément clé de la formation de « smog » (nuage de pollution) dans les villes. La législation impose des niveaux de rigueur croissante pour leur réduction et/ou leur élimination de sources fixes ou mobiles.
[ooo4] Parmi les polluants que les législations tendent à réglementer de façon de plus en plus stricte figurent également les suies ou autres matériaux particulaires résultant essentiellement d'une combustion incomplète du carburant, plus particulièrement lorsque le moteur est opéré en mélange dit pauvre, c'est-à-dire avec un excédent d'oxygène (d'air) par rapport à la stœchiométrie de la réaction de combustion. Les mélanges pauvres sont de règle pour les moteurs dits diesel, dont l'allumage est obtenu par compression.
[ooo5] Pour limiter les émissions de NOx, la principale voie mise en œuvre sur les véhicules actuels a été celle de la réduction des émissions à la source, autrement dit, en opérant le moteur dans des conditions telles que les taux de NOx produits soient inférieurs aux taux limites. Ces conditions sont réunies notamment en pilotant de manière très fine les différents paramètres du moteur, à commencer par les paramètres d'injection de carburant et de réinjection à l'admission d'une partie des gaz d'échappement, ceci afin de réduire la concentration en oxygène favorable à la formation des oxydes d'azote.
[0006] Les niveaux d'émission tolérés tendant à être de plus en plus sévères, une autre solution consiste à utiliser des solutions de post-traitement, en introduisant un agent réducteur dans la ligne d'échappement. Ainsi, une solution de post-traitement ayant fait la preuve de son efficacité est l'utilisation d'une source d'ammoniac (NH3). L'ammoniac réagit avec les NOx sur un catalyseur pour former de l'azote N2 inerte et de l'eau H20. Cette solution est essentiellement connue sous le nom de son acronyme anglais SCR pour « Sélective Catalytic Réduction ». Par conséquent, il est nécessaire de stocker ce réducteur sur le véhicule. Pour cela, plusieurs concepts ont été développés pour embarquer l'ammoniac : sous forme d'urée solide, sous forme d'urée liquide en solution aqueuse, sous forme de carbamate d'ammonium, etc....
[ooo7] En effet, l'ammoniac étant lui-même un gaz dont les émanations sont nuisibles à la santé et posant de ce fait des problèmes de manutention et un risque de fuite si le véhicule est impliqué dans un choc, il est connu de le stocker dans un réservoir sous la forme d'urée en solution aqueuse, hydrolysé en ammoniac au contact des gaz d'échappement.
[ooo8] Apporter le réducteur sous forme liquide présente toutefois un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, la limite de solubilité de l'urée est relativement élevée, de sorte que les solutions commercialisées pour les véhicules équipés d'un tel système catalytique sont typiquement constituées par une solution aqueuse à 30%, dont seulement un tiers du volume est donc réellement actif. Pour les poids lourds pour lesquels ces systèmes ont été tout d'abord développés, il est relativement facile d'embarquer un réservoir de quelques dizaines de litres. Par contre, pour les véhicules légers, l'encombrement d'un tel réservoir devient rapidement critique, et peut compromettre en particulier une partie du volume dédié à la roue de secours ou aux bagages.
[ooo9] Par ailleurs, l'agent réducteur n'est effectif qu'après une phase d'hydrolyse ce qui impose une distance minimale entre le point d'injection et le catalyseur de réduction sélective, distance qu'il n'est pas toujours facile de respecter en particulier avec les véhicules légers dédiés à un usage urbain. [0010] C'est pourquoi il a également été proposé de stocker l'agent réducteur sous une forme solide par exemple dans une cartouche et de le transformer en une espèce gazeuse avant son injection dans la ligne d'échappement. Référence est faite par exemple à US 5,809,775 qui dans un contexte de moteurs industriels, propose de stocker de l'urée sous forme solide et de la transformer en ammoniac par chauffage dans un réacteur, où l'ammoniac est stocké à température élevée avant son injection dans la ligne d'échappement.
[ooi i] Il est également connu, par exemple de US 6,387,336 que certains sels, comme le chlorure de strontium, ont la capacité de stocker de l'ammoniac et de le relâcher après chauffage. WO 2006/081 824 enseigne de plus comment réaliser des pastilles compactes d'un sel complexe capable de libérer de l'ammoniac après chauffage.
[ooi 2] Une architecture SCR gazeuse présente donc de réels avantages en termes de masse embarquée puisqu'il n'y a plus d'eau, et en termes d'efficacité. Cependant, une SCR Gazeuse possède un point faible important puisqu'il n'est pas possible de refaire un appoint en cas de « panne sèche ». Il est alors nécessaire de changer la cartouche, ce qui nécessite l'accès à des pièces de rechanges (changement de la cartouche) qui ne seront pas nécessairement disponibles partout alors que pour une SCR liquide, un appoint est davantage possible car la solution d'urée aqueuse connue sous la dénomination commerciale « Adblue » (marque déposée) est largement répandue pour les poids lourds, et disponible aujourd'hui dans de nombreuses stations services, sur les autoroutes notamment.
[0013] De plus, selon la réglementation européenne, il est prévu pour ce type de système, que lorsqu'il ne reste que 800km d'autonomie de réducteur liquide, un système d'incitation est activé. Pour ce système d'incitation, les constructeurs ont le choix entre 3 stratégies qui prévoient dans le véhicule :
1 / un compteur de redémarrages restants
21 un compteur de la distance restante à parcourir
3/ une limitation de vitesse. [0014] Dans tous les cas, le redémarrage du véhicule est interdit dès l'épuisement du réservoir ou dès que les kilomètres restants sont parcourus. De ce fait, la panne sèche de réducteur SCR est donc très pénalisante.
[0015] La présente invention propose donc de pallier ces inconvénients en proposant une architecture SCR gazeuse qui, malgré l'apparition d'une panne sèche permet au conducteur du véhicule de mettre en œuvre, lors de cette situation exceptionnelle, une solution de secours lui permettant de redémarrer le véhicule.
[0016] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'injection dans une ligne d'échappement, d'un agent réducteur gazeux, comportant au moins une réserve dudit agent réducteur gazeux, une conduite d'amenée de l'agent, et une vanne, caractérisé en ce qu'il comporte une réserve ou cartouche d'agent réducteur gazeux supplémentaire dite « de secours » raccordée par un conduit à la conduite d'amenée de l'agent réducteur en amont de la vanne, ledit conduit comportant une vanne actionnable par un dispositif de commande manuel et donc uniquement par l'intervention volontaire d'un utilisateur.
[0017] Ainsi, lorsque le véhicule tombe en « panne sèche » d'agent réducteur gazeux, ledit véhicule est interdit de redémarrer comme on l'a vu précédemment. Cependant de manière avantageuse, le conducteur peut alors utiliser l'agent réducteur gazeux contenu dans la réserve ou cartouche de secours de manière à pouvoir redémarrer son véhicule pour se rendre à un garage, par exemple, et procéder aux changements des différentes réserves ou cartouches.
[0018] La cartouche de secours présente de préférence un volume de 11 suffisant pour permettre de parcourir environ 1000 km.
[ooi 9] Dans la mesure où cette utilisation est une utilisation de secours, la présence d'une vanne dont l'actionnement résulte d'une commande manuelle consciente et volontaire de l'utilisateur et non du contrôle moteur permet à cet utilisateur d'intervenir uniquement lorsque cela est nécessaire.
[0020] De préférence, le dispositif de commande de la vanne est un dispositif de commande manuel. Ainsi, selon une forme de réalisation, le dispositif de commande de la vanne est constitué d'une poignée dont l'actionnement permet l'ouverture de la vanne et par conséquent l'activation de la cartouche de secours dans le dispositif d'injection. Selon une autre forme de réalisation, le dispositif de commande de la vanne est constitué d'un bouton de commande tel qu'un bouton poussoir commandant un actionneur électrique de la vanne.
[0021 ] De manière préférée, l'un ou l'autre des dispositifs de commande est positionné dans le véhicule de manière à ne pas être directement accessible à l'utilisateur. Ainsi, lorsque le conducteur se retrouve en panne sèche d'agent réducteur gazeux qui l'interdit de redémarrer, il se réfère au carnet d'entretien de son véhicule qui lui indique qu'il peut par une intervention manuelle utiliser la cartouche de secours et, où se trouve le dispositif de commande de cette cartouche.
[0022] En outre, on prévoit un dispositif qui permet de détecter l'activation de cette cartouche de secours, et autorise le redémarrage du moteur. Ce dispositif peut permettre en outre de mémoriser un code défaut dans le calculateur moteur pour prévenir que cette cartouche de secours a été utilisée, et doit être changée lors de la prochaine révision (en cas de vanne mécanique, une recopie de position permet cette détection. Une solution software sur base de l'info pression est également envisageable).
[0023] L'invention concerne également une ligne d'échappement reliée à un moteur à combustion interne de type Diesel, ou tout autre moteur fonctionnant sur de larges plages en mélange pauvre, comportant notamment un catalyseur d'oxydation et en aval de ce catalyseur d'oxydation, un catalyseur de réduction sélective, dit SCR, caractérisée en ce qu'un dispositif d'injection d'un agent réducteur gazeux selon l'invention est positionné en amont dudit catalyseur de réduction sélective.
[0024] L'invention a trait également à un véhicule comprenant un moteur avec un collecteur d'échappement et la ligne d'échappement selon l'invention reliée au collecteur d'échappement.
[0025] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel la figure unique représente une ligne d'échappement munie d'un dispositif d'injection selon l'invention.
[0026] Une ligne d'échappement SCR gazeux 1 est typiquement reliée à un moteur à combustion interne de type Diesel, ou tout autre moteur fonctionnant sur de larges plages en mélange pauvre, c'est-à-dire avec un excès d'air par rapport au ratio oxygène carburant demandé par la réaction de combustion du carburant, et comporte notamment un catalyseur d'oxydation 2, disposé en général en début de ligne pour recevoir des gaz le plus chaud possible, dont le principal rôle est de convertir le monoxyde de carbone produit par le moteur en dioxyde de carbone. Ce catalyseur 2 convertit également les hydrocarbures gazeux également en dioxyde de carbone.
[0027] En aval de ce catalyseur d'oxydation 2, on dispose un catalyseur de réduction sélective, dit SCR 3 qui peut être par exemple constitué par une couche d'oxyde de vanadium ou une zéolithe déposée sur un support en céramique, par exemple du type cordiérite.
[0028] Le réactif ou agent réducteur, qui est ici de l'ammoniac NH3 est injecté directement sous forme gazeuse dans la ligne d'échappement. L'ammoniac (ou tout autre agent réactif) est de préférence stocké dans deux réserves ou cartouches 4 et 5, toutes deux reliées à une conduite d'amenée 6, des moyens de régulation 7 comprenant une vanne 70 et des moyens pour contrôler le débit étant interposés sur cette conduite 6 pour contrôler précisément la quantité d'agent réducteur injectée. La plus petite réserve 4 constitue le réservoir de démarrage destiné à effectuer les démarrages grâce à sa capacité à monter plus rapidement en température. La seconde réserve 5, qui sera par la suite également qualifiée de principal, a pour sa part un volume beaucoup plus important que celui de la réserve de démarrage 4.
[0029] Plutôt que de stocker le gaz dans une enceinte pressurisée, il peut l'être sous une forme solide, par exemple dans le cas de l'ammoniac sous la forme d'un sel complexe de formule M(NH3)mX2, où M est choisi parmi Li, Mg, Ca, Sr, V, Cr, Mn, Fe, CO, Ni, Cu et Zn et où est m est compris entre 2 et 12 et X est F, Cl, Br, I, S04, Mo04 ou P04 obtenu après absorption de NH3 par un sel de type MX2. Un exemple d'un tel sel complexe est le Mg(NH3)6CI2, comportant 51 .7% d'ammoniac, compacté. La demande de brevet WO2007/095955 enseigne un procédé de compactage pouvant être mis en œuvre dans le cadre de l'invention.
[0030] Le gaz NH3 est libéré des réserves 4 ou 5 par apport thermique ou par une baisse de pression. Ainsi, chaque réserve 4, 5 peut être équipée de moyens de chauffage, pilotés au fur et à mesure des besoins.
[0031 ] Le système SCR de référence contient donc à la base deux réserves ou cartouches 4, 5, la cartouche principale 5 et la cartouche dite de démarrage 4. Selon l'invention, la ligne d'échappement 1 comporte en outre une troisième cartouche ou réserve 8 installée dans le véhicule dès la fabrication, raccordée audit circuit principal par un conduit 9 mais séparée dudit circuit principal par une vanne 10 actionnable par un utilisateur de manière consciente. Ainsi, cette cartouche 8 ne peut être utilisée tant que le conducteur n'a pas actionné cette vanne 10.
[0032] De préférence cette vanne 10 est actionnable uniquement par une intervention du conducteur soit manuellement par le conducteur du véhicule devant tourner ladite vanne 10, soit électriquement en appuyant sur un bouton de commande.
[0033] De préférence, le volume de cette réserve de secours est de 1 litre environ, et permet de parcourir jusqu'à 1000 km.
[0034] Ainsi, lorsque le client tombe en "panne sèche" ayant vidé les cartouches 4 et 5, il est interdit de redémarrer son véhicule. Il se réfère alors à son carnet d'entretien, qui lui propose une intervention de sa part permettant de mettre en fonction cette cartouche de secours : soit manuellement (le client doit aller tourner la vanne 10), soit en appuyant sur un bouton de commande, par exemple un bouton poussoir.
[0035] Des moyens de détection sont en outre prévus pour détecter l'activation de cette cartouche de secours 8, et autoriser alors le redémarrage du moteur. Ces moyens de détection peuvent notamment être des moyens de détection de l'ouverture de la vanne tels qu'un capteur de position du clapet de la vanne. Dans le cas d'une commande électrique de la vanne, les moyens de détection peuvent être constitués d'un capteur de position de l'actionneur électrique. De même, les moyens de détection peuvent être constitués d'un capteur de pression déjà présent au niveau du moyen de régulation 7.
[0036] De plus, on mémorise un code défaut dans le calculateur moteur pour prévenir que cette cartouche de secours 8 a été utilisée, et doit être changée lors de la prochaine révision.
[0037] De préférence, la commande d'actionnement de la cartouche de secours 8 déclenche un signal visuel sur le tableau de bord du véhicule, par exemple, indiquant que ladite cartouche 8 a été actionnée. De cette façon, on rappelle au conducteur du véhicule que cette cartouche de secours 8 utilisée doit être elle aussi remplacée.
[0038] L'invention n'est bien entendu nullement limitée à l'exemple de réalisation décrit mais englobe les variantes entrant dans le champ de protection de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'injection dans une ligne d'échappement (1 ), d'un agent réducteur gazeux, comportant au moins une réserve dudit agent réducteur gazeux (4, 5), une conduite d'amenée (6) de l'agent, et au moins une vanne (70), caractérisé en ce qu'il comporte une réserve ou cartouche (8) d'agent réducteur gazeux supplémentaire dite « de secours » raccordée par un conduit (9) à la conduite d'amenée (6) de l'agent réducteur en amont de la vanne (70), ledit conduit (9) comportant une vanne (10) actionnable uniquement par un dispositif de commande manuel.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de commande de la vanne (10) du conduit (9) est constitué d'une poignée.
3. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de commande de la vanne (10) du conduit (9) est constitué d'un bouton de commande tel qu'un bouton poussoir commandant un actionneur électrique de la vanne.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le dispositif de commande est positionné dans le véhicule de manière à ne pas être directement accessible à l'utilisateur.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des moyens de détection sont prévus pour détecter l'activation de la cartouche de secours (8), et autoriser le redémarrage du moteur.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de détection sont des moyens de détection de l'ouverture de la vanne (10) du conduit (9) tels qu'un capteur de position du clapet de la vanne (10).
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de détection sont constitués d'un capteur de position de l'actionneur électrique de la vanne (10) du conduit (9)
8. Dispositif selon l'une des revendications 5, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour mémoriser un code défaut dans le calculateur moteur pour prévenir que cette cartouche de secours (8) a été utilisée, et doit être changée lors de la prochaine révision.
9. Ligne d'échappement reliée à un moteur à combustion interne de type Diesel, ou tout autre moteur fonctionnant sur de larges plages en mélange pauvre, comportant notamment un catalyseur d'oxydation (2) et en aval de ce catalyseur d'oxydation (2), un catalyseur de réduction sélective, dit SCR (3), caractérisée en ce qu'un dispositif d'injection d'un agent réducteur gazeux selon l'une des revendications 1 à 7 est positionné en amont dudit catalyseur de réduction sélective (3)
10. Véhicule comprenant un moteur avec un collecteur d'échappement et la ligne d'échappement selon la revendication 9 reliée au collecteur d'échappement.
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