EP2553228A1 - 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

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Publication number
EP2553228A1
EP2553228A1 EP11712904A EP11712904A EP2553228A1 EP 2553228 A1 EP2553228 A1 EP 2553228A1 EP 11712904 A EP11712904 A EP 11712904A EP 11712904 A EP11712904 A EP 11712904A EP 2553228 A1 EP2553228 A1 EP 2553228A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
injection
pressure
exhaust line
neck
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11712904A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Charial
Philippe Chevalier
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PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Peugeot Citroen Automobiles SA
Publication of EP2553228A1 publication Critical patent/EP2553228A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents
    • F01N3/208—Control of selective catalytic reduction [SCR], e.g. by adjusting the dosing of reducing agent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea
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    • F01N2610/06—Adding substances to exhaust gases the substance being in the gaseous form
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    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
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    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F01N2610/1406—Storage means for substances, e.g. tanks or reservoirs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 the injection into an exhaust line of a reducing agent injected in gaseous form.
  • NOx nitrogen oxides
  • the main route implemented on current vehicles was that of the reduction of emissions at the source, in other words, by operating the engine under conditions such as NO x levels. products are below the limit rates. These conditions are met in particular by controlling very finely the various parameters of the engine, starting with the parameters of fuel injection and reinjection at the intake of a portion of the exhaust gas, in order to reduce the concentration in oxygen favorable to the formation of oxides of nitrogen.
  • Ammonia is itself a gas whose fumes are harmful to health and posing therefore handling problems and a risk of leakage if the vehicle is involved in a shock, it is known to store it in a tank in the form of urea in aqueous solution, hydrolyzed to ammonia in contact with the exhaust gas.
  • the reducer is effective after a hydrolysis phase which imposes a minimum distance between the injection point and the selective reduction catalyst, distance that is not always easy to respect in particular with light vehicles dedicated to urban use.
  • the patent application EP1 977817 teaches to dispose at the outlet of the gaseous ammonia tank successively an all-or-nothing type valve, still subsequently called on / off valve, a buffer tank equipped with a pressure sensor, and a metering valve whose opening is controlled by a control unit.
  • Such a device is relatively expensive because it requires a metering valve of extreme precision to ensure that the injected quantity is exactly dosed at all times to treat all the NO x of the exhaust line without risking however, ammonia discharges at the end of the line due to overdose.
  • This so-called safety solenoid valve ensures the total absence of reducing agent flow if the injection housing has any operating anomaly.
  • the flow limiting means are advantageously constituted by a sonic neck, that is to say a narrowing such that the gas flow in the neck is fixed if the pressure upstream of the neck is greater than the pressure downstream of the neck. collar. Note that this collar must be the narrowest point of the injection line, in other words, there can be no greater narrowing between this neck and the junction point with the exhaust line.
  • the main valve is preferably disposed in the immediate vicinity of the neck so that it is the input.
  • the amount of injected reagent is strictly proportional to the opening time of the valve - in other words, this quantity can be controlled in a simple manner by a simple control of the valve.
  • this is obtained by arranging a pressure sensor upstream of the main valve.
  • this sensor is a continuous sensor capable of providing an analog signal that can be correlated with the pressure surrounding this sensor.
  • this sensor is constituted by a simple pressure switch.
  • the device further comprises means for estimating the pressure downstream of the flow limiting means.
  • the main valve is a solenoid type valve, for example of type on / off.
  • a proportional valve may also be used, but it will then be essentially used as an on / off valve.
  • the safety valve is also preferably of the on-off valve type (on / off).
  • valve is controlled by a control unit associated with the engine control computer.
  • the active reservoir is associated with at least one reserve.
  • Each reserve is connected to the reagent supply line by a bypass provided with a non-return valve, all of the branches joining the supply line in one (or more) stitching point upstream of the valve.
  • FIGS. 1 and 2 show two variants of a device for regulating the gearbox injection according to the invention.
  • the invention relates to an injection device in an exhaust line, a gaseous reactant, comprising a supply line of reagent to the exhaust line, the supply line being provided with an injection box comprising a main valve, and flow limiting means arranged downstream of the valve and a solenoid valve disposed upstream or downstream of the housing so that it is both possible to control the reducer flow rate gas accurately and ensure any leakage of reagent to the line.
  • an architecture makes it possible to control the flow with a reduced number of components, including those constituted by sensors, which reduces the cost of the assembly regulating the injection in a simple manner and
  • Figure 1 shows an exhaust line provided with a NO x treatment device by selective catalytic reduction from a reagent added in gaseous form.
  • the exhaust line 1 typically connected to a diesel-type internal combustion engine, or any other engine operating on wide ranges lean mixture, that is to say with an excess of air relative to the oxygen fuel ratio required by the fuel combustion reaction, comprises in particular an oxidation catalyst 2, generally disposed at the beginning of the line to receive the hottest possible gas, so the main role is to convert the carbon monoxide produced by the carbon dioxide engine.
  • This catalyst also converts the gaseous hydrocarbons also to carbon dioxide.
  • a selective reduction catalyst 3 which may be for example constituted by a layer of vanadium oxide or a zeolite deposited on a ceramic support, by example of cordierite type.
  • means 4 for estimating the temperature downstream of the oxidation catalyst 2 and means 5 for estimating the amount of NO x downstream of the SCR catalyst, to ensure operation reduction system, especially that the gearbox injection is effective.
  • the exhaust line may also include other pollution control organs, such as a particle filter, disposed upstream or preferably downstream of the catalyst SCR .
  • the SCR catalyst serves to promote the reduction of NO x by a reducing agent.
  • a reducing agent for reducing the NO x.
  • ammonia when used, the NO x are reduced to nitrogen and water vapor essentially according to the following 3 reactions:
  • the reducing reagent which in substitution of ammonia NH 3 can also be for example hydrogen (H 2 ) or hydrocarbons (HC) is injected directly in gaseous form into the exhaust line.
  • H 2 hydrogen
  • HC hydrocarbons
  • the reducing gas is injected into the exhaust line, at a point 6 upstream of the catalyst SCR 3, by means of a supply line 7, for example T-welded on the exhaust line 1, in a flush mounting or with a supply line 7 penetrating slightly in line 1.
  • Ammonia (or any other reactive agent) is preferably stored in at least two tanks, both connected to a supply line, a control means being interposed on this pipe to precisely control the amount of reagent injected.
  • the smaller reservoir constitutes the active reservoir 8, in which the reagent is stored in gaseous form or at least capable of releasing the reagent in gaseous form.
  • the volume of this active reservoir is preferably between 300 and 700 ml, and advantageously of the order of 400 ml, ie of the order of magnitude of the amount of ammonia necessary to treat the NO x emitted by the combustion of a fuel. amount of fuel corresponding to two full of fuel tank.
  • the second tank which will subsequently also qualify as reserve 9, for its part has a much larger volume than that of the active reservoir, and will typically be designed in such a way that it suffices to provide all the necessary information.
  • ammonia (or any other reactive agent) can be stored in two (or more) reservoirs identical in size, all connected to a pipe. fed, a regulating means being interposed on this pipe to precisely control the amount of injected reagent.
  • Figure 2 shows an active reservoir 8 'of the same size as the large tank, the other elements of this variant remaining unchanged.
  • This second tank is advantageously isolated from the injection device by a check valve 10.
  • the active tank is simply connected to the supply line.
  • All tanks or reserves are provided with means to create a depression and / or to provide calories to release the stored gas.
  • these means consist of a heating resistor.
  • a complex salt of formula M (NH 3 ) m X 2 wherein M is selected from Li, Mg, Ca, Sr, V, Cr, Mn, Fe, CO, Ni, Cu and Zn and wherein m is 2 to 12 and X is F, Cl, Br, I , S0 4 , MoO 4 or PO 4 obtained after absorption of NH 3 with a salt of the MX 2 type.
  • M is selected from Li, Mg, Ca, Sr, V, Cr, Mn, Fe, CO, Ni, Cu and Zn and wherein m is 2 to 12 and X is F, Cl, Br, I , S0 4 , MoO 4 or PO 4 obtained after absorption of NH 3 with a salt of the MX 2 type.
  • An example of such a complex salt is Mg (NH 3 ) 6 Cl 2 , comprising 51.7% of ammonia, compacted.
  • the patent application WO2007 / 095955 teaches a compaction process that can be implemented for the invention.
  • each tank may be equipped with heating means 15 and 16, driven as and when required as will be detailed below.
  • the injection control means are essentially constituted by a main shutter valve 1 1, for example an on / off solenoid valve, that is to say capable of being placed between a first position where the pipe is completely closed, so that no gas is introduced into the line, in the opposite position.
  • a main shutter valve 1 for example an on / off solenoid valve, that is to say capable of being placed between a first position where the pipe is completely closed, so that no gas is introduced into the line, in the opposite position.
  • flow limiting means 12 Downstream of this valve are provided flow limiting means 12.
  • these means consist of a simple sonic neck, that is to say by a narrowing whose narrowness is such that the flow rate of the gas in this neck is constant.
  • valve Upstream of the main valve are arranged means 13 sensitive to pressure. It should be noted that the valve is preferably disposed as close as possible to the entrance of the sonic neck.
  • the set of control means is grouped in a housing 14, connected to a motor control unit and receiving and transmitting signals from and to this engine control.
  • the supply line 7 may have for example a total length of up to 4 meters, while the housing 14 is a length for example less than 10 cm.
  • R is the constant of perfect gases.
  • the required flow is on average between 5 and 10 mg / s and for all operating points of the engine can vary between 2 and 60 mg / s (the most critical points corresponding to transient regimes). It can thus be seen from the table above that a pressure of 2.8 bars at the neck inlet is systematically sufficient, without it being even necessary to provide a pressure sensor downstream of the neck.
  • the valve will be opened for approximately 1/3 of the time, with an opening time, two closing times (with respect to an internal clock controlling the solenoid valve for example according to a frequency of 50Hz).
  • the solenoid valve When the motor stops, the solenoid valve is in the closed position.
  • the active tank When the engine starts, the active tank is heated. As a result, the ammonia is released and the pressure in the supply line, upstream of the valve will grow rapidly to reach for example 3 bars.
  • the exhaust gases flowing in line 1 heat up the SCR catalyst, which only becomes effective once at more than 150 ° C. In practice, the catalyst preheating time is longer than the time required to reach the desired inlet pressure.
  • this pressure can be controlled by means of a pressure switch.
  • the pressure switches such as those disclosed in document FR-A-2 725 245, make it possible to convert a pressure into an electrical signal delivered to the computer.
  • the movements of a membrane in a chamber depending on the pressure in the chamber allow to open or close an electrical contact which delivers or not an electrical signal. This is a binary signal: as long as the pressure switch is open, the pressure is too low, and one can for example increase the heat supplied to the storage means. If the pressure switch is closed, the pressure is above the pressure threshold and the heating means can then be stopped.
  • the inertia of the system is low so that by simply controlling the heating in the active reservoir, it is actually possible to control the pressure at the neck inlet.
  • the use of a second manocontact can also be used to trigger an alert if the pressure upstream of the valve should exceed a given critical value.
  • a pressure sensor capable of providing an analog signal.
  • the measured pressure can be used to calculate the flow rate value and the opening time of the corresponding valve, this calculation can be performed by an on-board computer or using pre-loaded maps.
  • the temperature at the neck inlet is also a key parameter, even if it is easily calculated that a temperature increase of 60 ° leads only to a flow variation of the order of 30.degree. -10%.
  • the neck is the narrowest point of the supply line, and therefore the flow downstream of the neck is dictated by the flow in the neck, it is possible that the neck is placed at a point relatively distant from the neck.
  • the exhaust line for example up to 4 or 5 meters away, so that the neck inlet temperature is in fact substantially equal to the ambient ambient temperature. This temperature is already used by the engine calculation unit, its acquisition does not require additional sensor. If a temperature difference is found during tests, it is also possible to provide an estimator to correct this value, for example to take into account the heat supplied to release the ammonia.
  • a temperature sensor may be provided at the neck entrance.
  • the device further comprises pressure detection members downstream of the pressure-limiting device, the downstream pressure-sensing device, for example a pressure sensor or a pressure sensor. a pressure switch. It should be noted that, as indicated above, if it is chosen to operate the injection only if the pressure upstream of the neck is above a threshold pressure, it is no longer necessary to have a sensor downstream of the collar.
  • the injection means are in fact constituted by a single solenoid valve, mounted just upstream of the sonic neck. No injection device is required downstream of the sonic neck, the only critical point being that no narrower narrowing than the sonic neck should be provided downstream of it - which, given the narrowness of the neck leaves a great freedom including at the junction with the exhaust line. Furthermore, the length of the supply line between the neck and the exhaust line can be chosen between 0.5 and 4-5m for example. In other words, there is in fact no functional constraint for the implantation in the vehicle of reservoirs and the assembly constituted by the pressure-sensitive means, the solenoid valve and the sonic neck.
  • the control of the main solenoid valve and reservoir heating means is performed for example directly by a dedicated engine control module, the latter further comprising a module capable of calculating the amount of NO x produced at any time, and the amount of reducing agent needed to treat it.
  • this module can be mounted in a dedicated computer to the NO x post-processing means.
  • the CAN Controller Area Network
  • multiplexing the network of the vehicle can be used to control the tank heating system from the calculation module of the NO x injection.
  • control means of the main solenoid valve are also connected to a second solenoid valve 17, disposed upstream of the injection housing or alternatively downstream of this housing, as shown in 17 '.
  • This second solenoid valve is essentially safe and ensures the absence of reducer flow to the exhaust line if the injection box has an abnormality, and especially if the main solenoid valve 1 1 is blocked, partially or completely in a open position.
  • the flow control solenoid valve undergoes a very large number of openings and closures because the flow is controlled not by opening more or less this valve but by modulating the opening and closing times, so that there is a risk of blockage, and if it occurs in the open position, there will be no tightness especially when the vehicle is stopped, resulting in a risk of overconsumption and pollution if the seal is not perfect
  • This solenoid valve for example of the on-off valve type, is connected by the control line 18 to the control means of the solenoid valve 1 1 and is designed such that it is in the closed position by default, and is therefore open during the injection phases.
  • the main solenoid valve is at least partially open, we will observe the presence of gaseous reagent, for example ammonia in the exhaust line in all phases of rolling, including in phases called lifting of foot during which the fuel injection can be temporarily interrupted, and therefore during which there is no combustion and therefore no formation of NO x .
  • gaseous reagent for example ammonia in the exhaust line in all phases of rolling, including in phases called lifting of foot during which the fuel injection can be temporarily interrupted, and therefore during which there is no combustion and therefore no formation of NO x .
  • an NO x sensor disposed in the exhaust line typically just downstream of the SCR catalyst

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'injection dans une ligne d'échappement (1), d'un réactif gazeux, comportant un réservoir actif (8) de gaz, une conduite d'amenée (7) de réactif, une vanne (11), et des moyens limitateurs de débit (12) disposés en aval de la vanne (11). L'invention s'applique notamment à l'injection d'ammoniac pour une réduction des oxydes d'azote présents dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne de type diesel.

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 1 052270 déposée le 29 mars 2010 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[0002] La présente invention concerne l'injection dans une ligne d'échappement d'un agent réducteur injecté sous forme gazeuse.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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 se sévériser, 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 ».
[0007] 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.
[0008] Apportée 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 constituer par une solution aqueuse à 30%, donc dont seulement un tiers du volume est 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 peu compromettre en particulier une partie du volume dédié à la roue de secours ou aux bagages.
[0009] Par ailleurs, le 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 stocké le réducteur sous une forme solide et de le transformer en une espèce solide avant son injection dans la ligne d'échappement. Référence est faite par exemple à US 5,809,875 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.
[001 1 ] 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 2006/081824 enseigne de plus comment réaliser des pastilles compactes d'un sel complexe capable de libérer de l'ammoniac après chauffage.
[0012] Pour doser la quantité d'ammoniac injectée sous forme gazeuse dans la ligne d'échappement, la demande de brevet EP1 977817 enseigne de disposer en sortie du réservoir d'ammoniac gazeux successivement une vanne de type tout-ou-rien, encore appelé par la suite vanne on/off, un réservoir tampon équipé d'un capteur de pression, et d'une vanne doseuse dont l'ouverture est pilotée par une unité de commande.
[0013] Un tel dispositif est relativement onéreux car il nécessite une vanne doseuse d'une extrême précision pour s'assurer que la quantité injectée est à tout moment exactement dosée pour traiter l'ensemble des NOx de la ligne d'échappement sans risquer pour autant des rejets d'ammoniac en bout de ligne dus à un surdosage.
[0014] Dans la demande de brevet français 0956771 déposée le 29 septembre au nom de la demanderesse, il a été proposé une architecture de système d'injection remarquable par sa simplicité et son efficacité essentiellement avec un boîtier d'injection constitué par la combinaison d'une vanne principale et de moyens limitateurs, à l'exemple d'un col sonique, disposés en aval de la vanne, sur le circuit d'amenée de l'ammoniac ou autre réducteur sélectif des NOx. [0015] Les auteurs de la présente invention ont trouvé que ce dispositif pouvait être encore amélioré par l'ajout d'une électrovanne de sécurité, en amont ou en aval de l'ensemble constitué par la vanne on/off et les moyens limitateurs de débit.
[0016] Cette électrovanne dite de sécurité permet de s'assurer de l'absence totale de débit d'agent réducteur si le boîtier d'injection présente une quelconque anomalie de fonctionnement.
[0017] Les moyens limitateurs de débit sont avantageusement constitués par un col sonique, c'est- à-dire un rétrécissement tel que le débit gazeux dans le col est fixe si la pression en amont du col est supérieure à la pression en aval du col. A noter que ce col doit constituer le point le plus étroit de la ligne d'injection, autrement dit, il ne peut pas y avoir de rétrécissement supérieur entre ce col et le point de jonction avec la ligne d'échappement. La vanne principale est de préférence disposée à proximité immédiate du col de sorte qu'elle en constitue l'entrée.
[0018] Dans ces conditions, la quantité de réactif injecté est strictement proportionnelle au temps d'ouverture de la vanne - autrement dit, cette quantité peut être contrôlée de manière simple par un simple pilotage de la vanne.
[0019] Pour calculer le débit, il est nécessaire de pouvoir estimer la pression à l'entrée du col sonique. Dans une variante préférée de l'invention, ceci est obtenu en disposant un capteur de pression en amont de la vanne principale. Dans une variante, ce capteur est un capteur continu, capable de fournir un signal analogique qui peut être corrélé à la pression environnant ce capteur. Dans une variante, ce capteur est constitué par un simple manocontact.
[0020] Avantageusement, on prévoit de plus des moyens pour estimer la température à l'entrée des moyens limitateurs de débit, moyens qui peuvent être constitués par un capteur de température placés également dans la conduite d'amenée, juste en amont de la vanne principale.
[0021 ] Dans une variante de l'invention, le dispositif comporte de plus un moyen pour estimer la pression en aval des moyens limitateurs de débit.
[0022] Dans une variante préférée de l'invention, la vanne principale est une vanne de type électrovanne, par exemple de type on/off. Une vanne proportionnelle peut également être utilisée, mais elle sera alors essentiellement utilisée comme une vanne on/off. La vanne sécuritaire est également de préférence du type vanne tout-ou-rien (on/off).
[0023] Dans une variante, la vanne est pilotée par une unité de commande associée au calculateur de contrôle du moteur.
[0024] Dans une variante, le réservoir actif est associé à au moins une réserve. Chaque réserve est reliée à la conduite d'amenée de réactif par une dérivation munie d'un clapet anti-retour, l'ensemble des dérivations rejoignant la conduite d'amenée en un (ou plusieurs) point de piquage en amont de la vanne.
[0025] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux figures 1 et 2 qui montrent deux variantes d'un dispositif de régulation de l'injection de réducteur selon l'invention.
[0026] L'invention se rapporte à un dispositif d'injection dans une ligne d'échappement, d'un réactif gazeux, comportant une conduite d'amenée de réactif à la ligne d'échappement, la conduite d'amenée étant munie d'un boîtier d'injection comportant une vanne principale, et des moyens limitateurs de débit disposés en aval de la vanne et une électrovanne disposée en amont ou en aval du boîtier de sorte qu'il est à la fois possible de maîtriser le débit de réducteur gaz avec précision et de garantir toute fuite de réactif vers la ligne. En outre, une telle architecture permet de maîtriser le débit avec un nombre réduit de composants, y compris ceux constitués par des capteurs, ce qui réduit le coût de l'ensemble réguler l'injection de manière simple et
[0027] La figure 1 montre une ligne d'échappement munie d'un dispositif de traitement des NOx par réduction catalytique sélective à partir d'un réactif ajouté sous forme gazeuse.
[0028] La ligne d'échappement 1 , 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, comporte notamment un catalyseur d'oxydation 2, disposé en général en début de ligne pour recevoir des gaz le plus chaud possible, donc le principal rôle est de convertir le monoxyde de carbone produit par le moteur en dioxyde de carbone. Ce catalyseur convertit également les hydrocarbures gazeux également en dioxyde de carbone.
[0029] En aval de ce catalyseur d'oxydation, on a disposé un catalyseur de réduction sélective 3, dit SCR, 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.
[0030] Sur cette ligne, on a également représenté des moyens 4 pour estimer la température en aval du catalyseur d'oxydation 2 et des moyens 5 pour estimer la quantité de NOx en aval du catalyseur SCR, afin de s'assurer du fonctionnement du système de réduction, notamment de ce que l'injection de réducteur est bien effective.
[0031 ] Même s'ils ne sont pas représentés sur la figure 1 , la ligne d'échappement peut également comporter d'autres organes de dépollution, comme par exemple un filtre à particules, disposé en amont ou de préférence en aval du catalyseur SCR.
[0032] Le catalyseur SCR sert à favoriser la réduction des NOx par un réducteur. Ainsi, lorsque de l'ammoniac est utilisé, les NOx sont réduits en diazote et en vapeur d'eau essentiellement selon les 3 réactions suivantes:
4NH3 + 4NO + 02 4N2 + 6H20
2NH3 + NO + N02 -» 2N2 + 3H20
8NH3 + 6N02 7N2 + 12H20
[0033] Le réactif réducteur, qui en substitution de l'ammoniac NH3 pet également être par exemple de l'hydrogène (H2) ou des hydrocarbures (HC) est injecté directement sous forme gazeuse dans la ligne d'échappement. Ainsi, le réactif est immédiatement disponible, ce qui permet de simplifier l'architecture de la ligne. En outre, ceci permet de limiter volume et masse du réservoir par rapport à l'utilisation d'urée, constituée à 70% d'eau. Le gaz réducteur est injecté dans la ligne d'échappement, en un point 6 en amont du catalyseur SCR 3, au moyen d'une conduite d'amenée 7 par exemple soudée en T sur la ligne d'échappement 1 , dans un montage affleurant ou avec une conduite d'amenée 7 pénétrant légèrement dans la ligne 1 .
[0034] L'ammoniac (ou tout autre agent réactif) est de préférence stocké dans au moins deux réservoirs, tous deux reliés à la une conduite d'amenée, un moyen de régulation étant interposé sur cette conduite pour contrôler précisément la quantité de réactif injectée. Le plus petit réservoir constitue le réservoir actif 8, dans lequel le réactif est stocké sous forme gazeuse ou du moins capable de libérer le réactif sous forme gazeuse. Le volume de ce réservoir actif est de préférence compris entre 300 et 700ml, et avantageusement de l'ordre de 400ml, soit de l'ordre de grandeur de la quantité d'ammoniac nécessaire pour traiter les NOx émis par la combustion d'une quantité de carburant correspondant à deux pleins de réservoir carburant.
[0035] Le second réservoir, qui sera par la suite également qualifié de réserve 9, a pour sa part un volume beaucoup plus important que celui du réservoir actif, et sera typiquement conçu d'une manière telle qu'il suffise pour fournir tout l'ammoniac nécessaire pour traiter tous les NOx émis par le véhicule sur une période relativement longue, couvrant par exemple l'intervalle entre deux maintenances recommandées (soit par exemple tous les 30000km).
[0036] Par ailleurs conformément à l'enseignement de la demande de brevet français 1051773, l'ammoniac (ou tout autre agent réactif) pourra être stocké dans deux (ou plus) réservoirs identiques en taille, tous reliés à la une conduite d'amenée, un moyen de régulation étant interposé sur cette conduite pour contrôler précisément la quantité de réactif injectée. Cette variante est illustrée figure 2, où on a représenté un réservoir actif 8' de même taille que le réservoir de grande taille, les autres éléments de cette variante restant inchangés.
[0037] Ce second réservoir est avantageusement isolé du dispositif d'injection par un clapet antiretour 10. Par contre, le réservoir actif est simplement relié à la conduite d'amenée.
[0038] A noter qu'il est aussi possible de prévoir plus d'une réserve, ce qui permet d'augmenter la quantité de réactif embarquée - et donc l'autonomie du véhicule - et/ou de répartir la masse de réactif en différents points du véhicule. Chaque réserve sera alors munie d'un clapet anti-retour.
[0039] Tous les réservoirs ou réserves sont munis de moyens pour créer une dépression et/ou pour apporter des calories afin de libérer le gaz stocké. Avantageusement, ces moyens sont constitués par une résistance chauffante.
[0040] 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 pour l'invention.
[0041 ] Le gaz est libéré des réservoirs par apport thermique ou par une baisse de pression. Ainsi, chaque réservoir peut être équipé de moyens de chauffage 15 et 16, pilotés au fur et à mesure des besoins comme il sera détaillé plus loin.
[0042] Les moyens de régulation de l'injection sont essentiellement constitués par une vanne principale d'obturation 1 1 , par exemple une électrovanne de type on/off, c'est-à-dire capable d'être placée entre une première position où la conduite est totalement obturée, de sorte qu'aucun gaz n'est introduit dans la ligne, à la position inverse.
[0043] En aval de cette vanne sont prévus des moyens limitateurs de débit 12. Dans le cas ici représenté, ces moyens sont constitués par un simple col sonique, c'est-à-dire par un rétrécissement dont l'étroitesse est telle que le débit d'écoulement du gaz dans ce col est constant.
[0044] En amont de la vanne principale sont disposés des moyens 13 sensibles à la pression. Il doit être noté que la vanne est de préférence disposée le plus près possible de l'entrée du col sonique.
[0045] Le simple pilotage de la vanne principale suffit pour maîtriser précisément la quantité de réactif gazeux injectée. En pratique, l'ensemble des moyens de régulation est regroupé dans un boîtier 14, reliés à une unité de contrôle moteur et recevant et émettant des signaux de et vers ce contrôle moteur. A noter par ailleurs que la figure 1 n'est en aucun cas une représentation à l'échelle, la conduite d'amenée 7 pouvant avoir par exemple une longueur totale allant jusqu'à 4 mètres, alors que le boîtier 14 est d'une longueur par exemple inférieure à 10 cm .
[0046] Selon la formule de Barré de Saint Venant, dans un col sonique de section S, le débit d'un gaz de masse moléculaire M, et dont le rapport y des chaleurs spécifiques respectivement à pression constante et à volume constant pression et de la
température en entrée du col : Débit
[0047] Dans la formule ci-dessus, R est la constante des gaz parfaits.
[0048] Cette équation se vérifie si la pression en aval du col est telle que Pavai < Pe *
[0049] Pour l'ammoniac, à 15 Ό, sous pression atmosphérique (1 ,013 bars), le rapport est égal à 1 ,3096, donc cette condition est remplie si la pression en aval du col est environ inférieure à 0,54 fois la pression à l'entrée du col. Cette pression en aval du col est égale à la pression dans la ligne d'échappement, qui est toujours inférieure à 1 ,5 bars (150kPa). Donc, si on choisit d'opérer avec une pression en entrée de col de plus de 2,75 bars, la condition est toujours vérifiée. [0050] Dans ces conditions, on peut calculer qu'avec un col de 0,4mm de diamètre, en fonction de la température Te (température en degrés Celsius) en entrée de col et de la pression en entrée de col, on pourra par exemple obtenir les débits suivants :
[0051 ] Pour un véhicule de tourisme ou un utilitaire léger, pour traiter des gaz d'échappement avec de l'ammoniac, le débit requis est en moyenne entre 5 et 10 mg/s et pour l'ensemble des points de fonctionnement du moteur peut varier entre 2 et 60 mg/s (les points les plus critiques correspondants à des régimes transitoires). On voit donc d'après le tableau ci-dessus qu'une pression de 2,8 bars en entrée de col est systématiquement suffisante, sans qu'il ne soit même nécessaire de prévoir un capteur de pression en aval du col.
[0052] Pour ajuster le débit à la demande, fournie par exemple via une cartographie établie lors d'essais sur bancs moteurs, on va alors simplement faire varier les intervalles de temps d'ouverture et de fermeture. Ainsi, si on souhaite un débit de 20mg/s, on ouvrira la vanne pendant environ 1 /3 du temps, avec un temps d'ouverture, deux temps de fermeture (par rapport à une horloge interne pilotant l'électrovanne par exemple selon une fréquence de 50Hz).
[0053] A l'arrêt du moteur, l'électrovanne est en position fermée. Au démarrage du moteur, on commence à chauffer le réservoir actif. De ce fait, l'ammoniac est libéré et la pression dans la conduite d'amenée, en amont de la vanne va croître rapidement pour atteindre par exemple 3 bars. Simultanément, les gaz d'échappement qui s'écoulent dans la ligne 1 échauffent le catalyseur SCR qui ne devient réellement efficace qu'une fois à plus de 1 50Ό. En pratique, le temps de préchauffage du catalyseur est plus long que le temps nécessaire pour atteindre la pression d'entrée souhaitée.
[0054] Dans une première variante de l'invention, cette pression peut être contrôlée au moyen d'un manocontact. Les manocontacts, tels que ceux divulgués dans le document FR-A-2 725 245, permettent de convertir une pression en un signal électrique délivré au calculateur. Les mouvements d'une membrane dans une chambre en fonction de la pression régnant dans la chambre permettre d'ouvrir ou de fermer un contact électrique ce qui délivre ou non un signal électrique. Il s'agit d'un signal binaire : tant que le manocontact est ouvert, la pression est trop faible, et on peut par exemple augmenter la chaleur fournie aux moyens de stockage. Si le manocontact est fermé, la pression est au-delà du seuil de pression et on peut alors arrêter les moyens de chauffage. Comme le volume du réservoir actif est petit, l'inertie du système est faible de sorte qu'en pilotant simplement le chauffage dans le réservoir actif, on peut en fait contrôler la pression en entrée de col. Eventuellement, on peut également prévoir d'utiliser deux manocontacts, le second étant taré à une pression légèrement supérieure à la pression utilisée pour le tarage du premier manocontact. L'utilisation d'un second manocontact peut également servir pour déclencher une alerte si la pression en amont de la vanne devait excéder une valeur critique donnée.
[0055] Alternativement, on peut également utiliser un capteur de pression capable de fournir un signal analogique. Avec un tel capteur de pression, la pression mesurée peut être utilisée pour calculer la valeur de débit et le temps d'ouverture de la vanne correspondant, ce calcul pouvant être effectué par un calculateur embarqué ou utilisant des cartographies pré-chargées.
[0056] Dans la formule de calcul du débit, la température en entrée de col est également un paramètre clef, même si on calcule aisément qu'une augmentation de température de 60Ό ne conduit qu'à une variation de débit de l'ordre de -10%. Comme le col est le point le plus étroit de la conduite d'amenée, et que par conséquent, le débit en aval du col est dicté par le débit dans le col, il est possible que le col soit placé en un point relativement éloigné de la ligne d'échappement, par exemple jusqu'à 4 ou 5 mètres de distance, de sorte que la température en entrée de col soit en fait essentiellement égale à la température ambiante extérieure. Cette température étant déjà utilisée par l'unité de calcul moteur, son acquisition ne demande pas de capteur supplémentaire. Si un écart de température est constaté lors d'essais, il est également possible de prévoir un estimateur pour corriger cette valeur, par exemple pour tenir compte de la chaleur fournie pour libérer l'ammoniac. Alternativement, un capteur de température peut être prévu en entrée de col.
[0057] Dans une variante tout particulièrement préférée de l'invention, le dispositif comprend en outre des organes de détection de la pression en aval du dispositif limitateur de pression, l'organe de détection de pression en aval par exemple un capteur de pression ou un manocontact. A noter que comme indiqué précédemment, si on choisit de n'opérer l'injection qu'à la condition que la pression en amont du col soit au-delà d'une pression seuil, il n'est plus besoin de disposer d'un capteur en aval du col.
[0058] Lorsque le réservoir actif commence à se vider (ce qui peut être estimé de manière simple en fonction du temps d'ouverture de la vanne), on va commander le chauffage du réservoir principal, de sorte que la pression en amont du clapet anti-retour provoque l'ouverture de ce dernier. Lors des temps d'ouverture de l'électrovanne, une partie de l'ammoniac libérée par le réservoir principal va être injectée dans la ligne, une autre partie servant à remplir le réservoir actif. Pendant les temps de fermeture, seule l'opération de remplissage du réservoir se poursuit. De toute façon, en contrôlant les moyens de chauffe dans les deux réservoirs, on continue à réguler la pression en entrée du col sonique.
[0059] Il doit être souligné que les moyens d'injection sont de fait constitués par une électrovanne unique, montée juste en amont du col sonique. Aucun dispositif d'injection n'est nécessaire en aval du col sonique, le seul point critique étant qu'aucun rétrécissement plus étroit que le col sonique ne doit être prévu en aval de celui-ci - ce qui compte tenu de l'étroitesse du col laisse une grande liberté y compris au niveau de la jonction avec la ligne d'échappement. Par ailleurs, la longueur de la conduite d'amenée, entre le col et la ligne d'échappement peut être choisie entre 0,5 et 4-5m par exemple. Autrement dit, il n'y a de fait aucune contrainte fonctionnelle pour l'implantation dans le véhicule des réservoirs et de l'ensemble constitué par les moyens sensibles à la pression, l'électrovanne et le col sonique.
[0060] Le pilotage de l'électrovanne principale et des moyens de chauffage des réservoirs est effectué par exemple directement par un module dédié du contrôle moteur, ce dernier comportant par ailleurs un module apte à calculer la quantité de NOx produite à tout instant, et la quantité d'agent réducteur nécessaire pour traiter celle-ci. Alternativement, ce module peut être monté dans un calculateur dédié aux moyens de post-traitement des NOx. Notons par ailleurs, que le réseau CAN (« Controller Area Network » ou multiplexage) du véhicule peut être utilisé pour piloter le système de chauffage des réservoirs à partir du module de calcul de l'injection des NOx.
[0061 ] Ces moyens de contrôle de l'électrovanne principale sont également reliés à une seconde électrovanne 17, disposée en amont du boîtier d'injection ou alternativement en aval de ce boîtier, comme montré en 17'. Cette seconde électrovanne est essentiellement sécuritaire et permet de garantir l'absence de débit de réducteur vers la ligne d'échappement si le boîtier d'injection présente une anomalie, et notamment si l'électrovanne principale 1 1 est bloquée, partiellement ou complètement dans une position ouverte. Notons que l'électrovanne de contrôle de débit subit un très grand nombre d'ouvertures et de fermetures car le débit est contrôlé non en ouvrant plus ou moins cette vanne mais en modulant les temps d'ouverture et de fermeture, de sorte qu'il existe un risque de blocage, et si celui-ci se produit en position ouverte, il n'y aura pas d'étanchéité notamment lorsque le véhicule est à l'arrêt, d'où un risque de surconsommation et de pollution si l'étanchéité n'est pas parfaite.
[0062] Cette électrovanne sécuritaire, par exemple de type vanne tout-ou-rien, est reliée par la ligne de commande 18 aux moyens de pilotage de l'électrovanne 1 1 et est conçue telle qu'elle est en position fermée par défaut, et est donc ouverte lors des phases d'injection.
[0063] Si l'électrovanne principale est au moins partiellement ouverte, on va observer la présence de réactif gazeux, par exemple d'ammoniac dans la ligne d'échappement dans toutes les phases de roulage, y compris dans des phases dites de levée de pied pendant lesquelles l'injection de carburant peut être temporairement interrompue, et donc pendant lesquelles il n'y a pas de combustion et donc pas de formation de NOx. Or, un capteur NOx disposé dans la ligne d'échappement (typiquement juste en aval du catalyseur SCR) de par son principe va produire un signal en présence de NH3 ou de N02. On peut alors conclure à un dysfonctionnement dû à une fuite de réactif si on observe une réponse du capteur NOx dans des phases où les gaz ne peuvent pas comporter de NOx et où donc les moyens de pilotage du système SCR ne commandent pas d'injection de réactif. Fuite qui peut donc être maîtrisée de manière simple par l'électrovanne 17. Il peut être souligné que la dynamique de réponse de cette électrovanne 17 peut être relativement lente comparée à celle de l'électrovanne principale, de sorte que cette seconde électrovanne n'a qu'un impact très réduit sur le coût total du système.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'injection dans une ligne d'échappement (1 ), d'un réactif gazeux, comportant un réservoir actif (8) de gaz, une conduite d'amenée (7) de réactif à la ligne d'échappement, ladite conduite étant munie d'un boîtier d'injection comportant une vanne principale (1 1 ) et des moyens limitateurs de débit (12) disposés en aval de la vanne (1 1 ), caractérisé par une électrovanne reliée à des moyens de pilotage du boîtier d'injection.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite électrovanne est placée sur la conduite d'amenée du réactif, en amont du boîtier d'injection.
3. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite électrovanne est placée sur la conduite d'amenée du réactif, en aval du boîtier d'injection.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens limitateurs de débit (12) sont constitués par un col sonique.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capteur de pression (13) disposé en en amont de la vanne principale(1 1 ).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens pour estimer la température à l'entrée des moyens limitateurs de débit.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour estimer la pression en aval des moyens limitateurs de débit.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne principale et l'électrovanne de sécurité sont des vannes de type tout-ou-rien.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vanne est pilotée par une unité de commande associée au calculateur de contrôle du moteur.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus au moins une réserve (9), munie d'un clapet anti-retour (10), reliée à la conduite d'amenée de réactif en un point en amont de la vanne.
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