FR2951775A1

FR2951775A1 - Dispositif d'injection d'un produit additif dans une ligne de traitement

Info

Publication number: FR2951775A1
Application number: FR0957455A
Authority: FR
Inventors: Rodolphe Emaille
Original assignee: MGI Coutier SA
Current assignee: Akwel SA
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-04-29
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: FR2951775B1; WO2011048292A2; WO2011048292A3

Abstract

Ce dispositif d'injection d'un additif liquide comprend un réservoir d'additif (3) relié par un conduit d'additif (4) à un injecteur (5) placé sur une ligne de traitement (3) d'un organe de dépollution d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique. Une pompe (6) aspirante et refoulante est placée sur le conduit d'additif (4). Un accumulateur (7) est raccordé au conduit d'additif (4) entre la pompe (6) et l'injecteur (5). La pompe (6) est actionnée cycliquement pour remplir l'accumulateur (7) avec une quantité de produit additif mis sous pression, que cet accumulateur dirige ensuite vers l'injecteur (5). Application à l'injection d'un additif réducteur constitué d'un mélange d'eau et d'urée, pour la dépollution d'un moteur diesel.

Description

La présente invention concerne, de façon générale, le domaine de la dépollution en relation avec les véhicules automobiles à moteur thermique, en particulier à moteur diesel. Plus particulièrement, cette invention se rapporte à un dispositif d'injection d'un produit additif liquide, en particulier un produit à fonction réductrice, dans une ligne de traitement d'un organe de dépollution d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique. La technologie utilisée pour la dépollution des oxydes d'azote NOx, sur des véhicules à moteur thermique tel que moteur diesel, nécessite d'avoir un dispositif de mise sous pression d'un produit additif liquide, notamment à une pression comprise entre 5 et 20 bars, afin d'en permettre l'injection sous forme de brouillard dans une ligne de traitement, plus particulièrement dans la ligne d'échappement du véhicule concerné. L'additif utilisé est en particulier un produit à base d'urée, mélangée à de l'eau. De manière généralement connue, pour réaliser la fonction d'injection d'un tel produit additif dans une ligne de traitement, on prévoit un dispositif qui comprend un réservoir d'additif relié, par un conduit d'additif, à au moins un injecteur d'additif placé sur la ligne de traitement, des moyens de pompage et de mise en pression de l'additif étant placés sur le conduit d'additif entre le réservoir d'additif et l'injecteur d'additif.

Ainsi le document de brevet FR 2 879 239 décrit un dispositif dans lequel la mise sous pression de l'additif, constitué par une solution aqueuse d'urée, est réalisée par une pompe qui prélève l'additif dans un réservoir de stockage de cet additif, et qui envoie directement l'additif dans une ligne d'injection menant à l'injecteur, une ligne de retour ramenant vers le réservoir le surplus d'additif, non consommé par l'injecteur. Dans une telle réalisation, la pompe fonctionne dès la mise en route du moteur thermique et de façon permanente. Cette pompe doit donc être conçue pour fonctionner durant toute la durée de vie du véhicule, soit un fonctionnement durant 8000 heures sur 15 ans pour une distance totale parcourue de 240000 kilomètres. Ainsi la pompe doit être réalisée avec des composants particulièrement robustes et coûteux pour résister aux contraintes thermiques et mécaniques d'un fonctionnement permanent, ainsi qu'à la corrosion par le produit additif utilisé. Selon une autre solution connue, décrite dans le document de brevet F R 2 870 172 ou son équivalent le document du brevet WO2005/113279, l'additif est stocké dans un réservoir sous forme de poche souple contenue dans une cartouche rigide et pouvant être mise sous pression par un ressort de compression. Dans ce cas, on comprend que la pompe peut être supprimée, mais la pression de l'additif en amont de l'injecteur est proportionnelle à l'effort du ressort et inversement proportionnelle à la surface de la poche en contact avec une plaque sur laquelle s'appuie le ressort. En pratique, le volume d'additif à stocker dans la poche étant relativement important, typiquement compris entre 15 et 20 litres, cela nécessite une surface de poche relativement importante, de l'ordre de plusieurs dizaines de cm2, et des efforts de ressort très importants, pouvant atteindre plusieurs centaines de daN si on souhaite obtenir une pression d'injection élevée, typiquement comprise entre 5 et 10 bars. Compte tenu des contraintes d'encombrement disponible sur les véhicules, un ressort pouvant satisfaire toutes ces exigences n'existe certainement pas, et une telle solution «sans pompe» n'est pas réaliste. Dans une variante prévue par le document de brevet précité FR 2 870 172, la poche souple est mise sous pression par une pompe intégrée au véhicule et possédant une autre fonction principale, telle que la fonction d'alimentation du moteur en carburant. Dans ce cas, la poche doit déjà être compatible vis-à-vis des deux fluides avec lesquels elle est en contact par ses faces interne et externe, et des températures respectives de ces fluides. De plus, cette solution a un impact sur la pompe qui voit son point de fonctionnement modifié du fait de l'argumentation du volume de fluide compris entre la poche contenant l'additif et la cartouche rigide. Ainsi, un régulateur de pression doit être ajouté à la pompe pour obtenir un fonctionnement convenable.

La présente invention vise à éviter les inconvénients précédemment exposés, et elle a donc pour objectif de fournir un dispositif d'injection d'un produit additif liquide capable de mettre le produit additif sous une pression convenable en vue de son injection dans une ligne de traitement, en procédant à un pompage de l'additif mais avec simplification et allègement de la construction et du fonctionnement des moyens de mise en pression de cet additif, permettant de dimensionner les composants au juste nécessaire tout en garantissant leur fonctionnement sur toute la durée de vie du véhicule. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'injection d'un produit additif liquide, en particulier un produit à fonction réductrice dans une ligne de traitement d'un organe de dépollution d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique, le dispositif comprenant un réservoir d'additif relié par un conduit d'additif à au moins un injecteur d'additif placé sur la ligne de traitement, et des moyens de pompage et de mise en pression de l'additif placés sur le conduit d'additif entre le réservoir d'additif et l'injecteur d'additif, ce dispositif étant essentiellement caractérisé par le fait que lesdits moyens de pompage et de mise en pression de l'additif comprennent, d'une part, une pompe aspirante et refoulante, placée sur le conduit d'additif et, d'autre part, un accumulateur raccordé au conduit d'additif entre la pompe et l'injecteur d'additif, de telle sorte que la pompe puisse être actionnée cycliquement pour remplir l'accumulateur avec une quantité de produit additif, que cet accumulateur dirige ensuite vers l'injecteur d'additif. Ainsi, l'additif est temporairement stocké sous pression dans un accumulateur, qui permet d'alimenter l'injecteur sans source d'énergie pendant un temps qui est fonction du volume de l'accumulateur et du débit d'injection de l'additif dans la ligne de traitement. Le remplissage en additif de l'accumulateur n'est réalisé que cycliquement, lorsque cet accumulateur est vide à la fin du temps précité, à l'aide d'une pompe réalisant la mise en pression de l'additif. Le temps de fonctionnement de la pompe de mise en pression de l'additif réalisant la mise en pression d'une quantité élémentaire d'additif dans un accumulateur, est fortement réduit en comparaison avec les réalisations antérieures, ce qui permet d'envisager une pompe plus simple et plus économique, à base de composants en matière plastique injectée et d'un moteur électrique de type courant pour l'entraînement des organes rotatifs de la pompe. Avantageusement, cette pompe est une pompe rotative, telle qu'une pompe à engrenages, à deux sens de rotation.

En prévoyant aussi une électrovanne intercalée sur le conduit d'additif, entre la pompe et l'accumulateur, il devient aisé de réaliser à l'aide de cette pompe, entraînée en sens inverse de celui du remplissage, une purge de l'accumulateur et plus généralement des circuits hydrauliques, en vue de vidanger ces circuits hydrauliques, notamment pour une mise hors gel, ou de les mettre à la pression atmosphérique lorsque le véhicule est à l'arrêt pour éviter un fonctionnement inutile du dispositif. S'il est renoncé à ces avantages, l'électrovanne peut être remplacée par un simple clapet anti-retour. Dans une forme de réalisation du dispositif d'injection de l'invention, l'accumulateur comprend un corps cylindrique et un piston, associé à une membrane étanche, qui est monté coulissant dans le corps cylindrique et soumis à l'effet d'un ressort, le piston avec sa membrane délimitant dans le corps cylindrique une chambre de volume variable, en communication avec le conduit d'additif et recevant ladite quantité de produit additif. Avantageusement, deux capteurs sont disposés au niveau de la paroi du corps cylindrique de l'accumulateur pour détecter les positions de fin de course du piston et commander la mise en marche et l'arrêt de la pompe, à chaque cycle de remplissage de l'accumulateur. Ainsi, le remplissage de l'accumulateur au moyen de la pompe n'est réalisé que lorsque cet accumulateur est vide ou presque vide, l'information sur l'état « vide » de l'accumulateur étant délivrée par un capteur de fin de course du piston. Dès que le piston atteint son autre position de fin de course, le deuxième capteur provoque la remise à l'arrêt de la pompe. Un tel dispositif permet donc de ne faire tourner la pompe que lorsqu'existe le besoin de remplir d'additif la chambre de l'accumulateur, par exemple tous les vingt à trente kilomètres parcourus par le véhicule, en amenant par exemple un volume de 20 cm3 d'additif à chaque cycle de remplissage. Le nombre total de cycles de fonctionnement du dispositif s'avère ainsi relativement faible au cours de la durée de vie du véhicule, par exemple 12000 cycles pour une distance parcourue de 240000 kilomètres. Par ailleurs, le temps de remplissage de l'accumulateur n'étant que de quelques secondes, par exemple 5 secondes à chaque cycle, la durée totale de fonctionnement de la pompe se trouve en conséquence également réduite et limitée à quelques heures ou dizaines d'heures, par exemple la pompe et son moteur ne fonctionneront qu'environ 20 heures au total, au lieu de 8000 heures dans un dispositif traditionnel. Cet aspect est déterminant pour le choix d'une pompe à composants simples et économiques. Selon un autre aspect avantageux du dispositif de l'invention, la pompe est prévue pour être entraînée dans le sens inverse de celui du remplissage de l'accumulateur, en vue du remplissage du réservoir d'additif à partir d'un récipient d'additif constituant une recharge, ce récipient d'additif étant connecté au conduit d'additif par un raccord hydraulique avec clapet antiretour. Ainsi, par une séquence spécifique de pilotage de la pompe, et en prévoyant simplement un raccord hydraulique équipé d'un clapet anti-retour, il est possible de remplir à nouveau le réservoir d'additif vide, en s'affranchissant d'un ensemble goulotte et bouchon et d'un système de remplissage spécifique.

L'invention sera de toute façon mieux comprise, et d'autres avantages seront mis en évidence, à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce dispositif d'injection d'un produit additif dans une ligne de traitement. Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif d'injection 5 d'additif, conforme à la présente invention, dans une première forme d'exécution avec électrovanne, Figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif d'injection d'additif conforme à la présente invention, dans une seconde forme d'exécution avec clapet anti-retour, 10 Figure 3 est un schéma similaire à celui de la figure 1, illustrant la possibilité de remplissage du réservoir d'additif à l'aide du dispositif de l'invention. Sur les trois figures, il est montré de façon très schématique une ligne de traitement, et plus particulièrement la ligne d'échappement 2 d'un 15 véhicule automobile à moteur thermique, en particulier un moteur de type diesel, ligne dans laquelle doit être injecté un additif liquide à fonction dépolluante, qui est en particulier un mélange d'eau et d'urée dans des proportions prédéfinies (typiquement : urée dissoute dans l'eau à raison de 33 %), ou tout autre mélange d'eau et d'urée auquel peuvent être ajoutés des 20 composés chimiques ou organiques améliorant l'efficacité et/ou le comportement de l'additif en fonction des contraintes thermiques et climatiques, par exemple améliorant le comportement aux basses températures par abaissement de la température de gel de l'additif. L'additif liquide est stocké dans un réservoir d'additif 3 qui est relié, 25 par un conduit additif 4, à un injecteur électromagnétique d'additif 5 placé sur la ligne d'échappement 2. Au départ du conduit d'additif 4 est placée une pompe 6 aspirante et refoulante, qui est en particulier une pompe rotative à deux sens de rotation, entraînée dans un sens ou dans l'autre par un moteur électrique lui-même à 30 deux sens de rotation (non représenté). La pompe 6 est par exemple une pompe à engrenages. Sur le conduit d'additif 4, en aval de la pompe 6, est raccordé un accumulateur 7. L'accumulateur 7 comprend un corps cylindrique 8, un piston 9 associé à une membrane étanche et monté coulissant dans le corps 35 cylindrique 8 et un ressort 10 comprimé entre le fond du corps cylindrique 8 et le piston 9.

Le piston 9 avec sa membrane délimite, dans le corps cylindrique 8, une chambre 11 de volume variable qui se trouve en libre communication avec le conduit d'additif 4. Deux capteurs de fin de course 12 et 13, implantés sur une même carte électronique 14, sont disposés au niveau de la paroi du corps cylindrique 8 de l'accumulateur 7, de manière à pouvoir détecter deux positions extrêmes du piston 9 dans ledit corps cylindrique 8. En considérant plus particulièrement la forme d'exécution de la figure 1, une électrovanne 15 est intercalée sur le conduit d'additif 4 entre la pompe 6 et l'accumulateur 7. L'électrovanne 15 permet de relier hydrauliquement la pompe 6 à l'accumulateur 7 pour réaliser la purge de l'accumulateur et du conduit d'additif 4, ce qui est intéressant pour se prémunir des problèmes liés au gel de l'additif, ou si l'on ne souhaite pas maintenir le conduit d'additif 4 et l'injecteur 5 sous pression lorsque le véhicule est à l'arrêt.

Dans la forme d'exécution de la figure 2, l'électrovanne précédemment considérée est remplacée par un clapet anti-retour 16, lui aussi intercalé sur le conduit d'additif 4 entre la pompe 6 et l'accumulateur 7. Cette seconde forme d'exécution est plus simple et plus économique que la précédente, mais elle ne permet pas de purger les circuits hydrauliques ou de les mettre à la pression atmosphérique. Le fonctionnement de base du dispositif, dans l'une ou l'autre des deux formes d'exécution précédemment décrites (figures 1 et 2), est le suivant : Initialement, on suppose que l'accumulateur 7 est vide, c'est-à-dire qu'il contient une quantité minimale ou nulle d'additif, le piston 9 occupant sa position de fin de course basse, déterminée par le capteur 12, et la chambre 11 possédant ainsi son volume minimal. En mettant en marche la pompe 6, et en ouvrant l'électrovanne 15 (cas de la figure 1), l'additif est aspiré depuis le réservoir d'additif 3, et refoulé dans le conduit d'additif 4. L'accumulateur 7 est ainsi rempli d'additif, admis dans la chambre 11 en repoussant le piston 9, ce qui comprime le ressort 10. Le remplissage de l'accumulateur 7 se poursuit ainsi jusqu'à détection de la position de fin de course haute du piston 9 par le capteur 13. De par la conception de l'accumulateur 7 et la présence du ressort 10, la variation de pression d'additif dans cet accumulateur 7, et aussi dans le conduit d'additif 4 en amont de l'injecteur 5, est linéaire sur toute la course du piston 9.

L'arrivée détectée du piston 9 en position de fin de course haute provoque la mise à l'arrêt de la pompe 6. L'additif est alors injecté dans la ligne de traitement 2, avec un débit défini par les caractéristiques de l'accumulateur 7, du conduit d'additif 4 et de l'injecteur 5.

Ce processus se poursuit jusqu'à détection de la position de fin de course basse du piston 9, signifiant que l'accumulateur 7 est vide ou presque vide. La pompe 6 peut alors être automatiquement remise en marche, pour un nouveau cycle de remplissage/vidange de l'accumulateur 7, et ainsi de suite... Il est possible d'intégrer dans la carte électronique 14 la loi de variation de la pression de l'additif en fonction du volume prélevé par l'injecteur 5, ceci afin d'avoir une meilleure précision sur le débit de l'injecteur. De plus, l'accumulateur 7 ayant une capacité définie par construction, il est possible, par un simple comptage du nombre de cycles de remplissage de cet accumulateur, de calculer automatiquement à tout moment le volume d'additif restant disponible dans le réservoir d'additif 3, initialement plein. Ainsi, est réalisé un jaugeage qui peut être très précis (précision inférieure à ± 1 %) et qui permet de donner au conducteur du véhicule une information d'alerte si la quantité d'additif restante dans le réservoir d'additif 3 devient faible et nécessite un nouveau remplissage de ce réservoir. Une telle précision est à comparer à la faible précision, de l'ordre de ± 15 % des systèmes de jaugeage classiques utilisant un flotteur. La figure 3 illustre un mode de remplissage avantageux du réservoir d'additif 3, avec utilisation du dispositif de l'invention et en particulier de sa pompe 6 à deux sens de rotation. Un bidon d'additif 17, servant de recharge, est connecté à cet effet au conduit d'additif 4 par un raccord hydraulique 18 équipé d'un clapet anti-retour 19, le raccord 18 se situant entre la pompe 6 et l'électrovanne 15. La pompe 6 est alors entraînée dans le sens inverse de son utilisation normale, de manière à aspirer l'additif contenu dans le bidon d'additif 17 et à envoyer cet additif dans le réservoir d'additif 3.

Dans la configuration de la figure 3, il est également possible de vidanger le réservoir d'additif 3, préalablement à son remplissage, afin d'en extraire un restant d'additif pouvant être dégradé par une longue durée de stockage, ceci par une commande de la pompe 6 dans le sens du puisage direct de l'additif, et en maintenant l'électrovanne 15 fermée.

Pour rendre possibles les deux modes de fonctionnement illustrés par la figure 3, le raccord 18 et le clapet anti-retour 19 font avantageusement partie de la même pièce et constituent un clapet auto-obturant ; lorsque le bidon 17 est connecté au raccord 18, la fonction anti-retour du clapet 19 est inhibée, permettant ainsi la circulation de l'additif dans un sens ou dans l'autre. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif d'injection d'un produit additif dans une ligne de traitement qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - en réalisant le dispositif avec un réservoir d'additif qui peut être de tout type, en particulier un réservoir rigide ou au contraire un réservoir sous forme de poche souple, - en réalisant l'accumulateur sous toute forme appropriée, l'accumulateur à piston et membrane tel que décrit pouvant être remplacé par un accumulateur du type à vessie, gonflée avec un gaz inerte tel que de l'azote, - en utilisant le dispositif pour l'injection d'additifs liquides de toute nature, qui peuvent être des additifs à base d'urée pour les applications de traitement des oxydes d'azote, ou des additifs à base de cérine utilisés dans les applications de dépollution des particules, - en faisant fonctionner ce dispositif dans toutes conditions de pression et de débit, la pression d'additif en amont de l'injecteur étant facilement ajustable par modification de la raideur du ressort de l'accumulateur et par une modification de la section de cet accumulateur.25

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection d'un produit additif liquide, en particulier un produit à fonction réductrice, dans une ligne de traitement (2) d'un organe de dépollution d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique, le dispositif comprenant un réservoir d'additif (3) relié par un conduit d'additif (4) à au moins un injecteur d'additif (5) placé sur la ligne de traitement (2), et des moyens de pompage et de mise en pression de l'additif placés sur le conduit d'additif (4) entre le réservoir d'additif (3) et l'injecteur d'additif (5), caractérisé en ce que lesdits moyens de pompage et de mise en pression de l'additif comprennent, d'une part, une pompe (6) aspirante et refoulante, placée sur le conduit d'additif (4) et, d'autre part, un accumulateur (7) raccordé au conduit d'additif (4) entre la pompe (6) et l'injecteur d'additif (5), de telle sorte que la pompe (6) puisse être actionnée cycliquement pour remplir l'accumulateur (7) avec une quantité de produit additif, que cet accumulateur (7) dirige ensuite vers l'injecteur d'additif (5).
2. Dispositif d'injection d'un produit additif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe (6) est une pompe rotative, telle qu'une pompe 20 à engrenages, à deux sens de rotation.
3. Dispositif d'injection d'un produit additif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une électrovanne (15) ou un clapet anti-retour (16) est intercalé sur le conduit d'additif (4), entre la pompe (6) et l'accumulateur (7). 25
4. Dispositif d'injection d'un produit additif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'accumulateur (7) comprend un corps cylindrique (8) et un piston (9), associé à une membrane étanche, qui est monté coulissant dans le corps cylindrique (8) et soumis à l'effet d'un 30 ressort (10), le piston (9) avec sa membrane délimitant dans le corps cylindrique (8) une chambre (11) de volume variable, en communication avec le conduit d'additif (4) et recevant ladite quantité de produit additif.
5. Dispositif d'injection d'un produit additif selon la revendication 4, 35 caractérisé en ce que deux capteurs (12, 13) sont disposés au niveau de la paroi du corps cylindrique (8) de l'accumulateur (7), pour détecter les positionsde fin de course du piston (9) et commander la mise en marche et l'arrêt de la pompe (6), à chaque cycle de remplissage de l'accumulateur (7).
6. Dispositif d'injection d'un produit additif selon l'ensemble des revendications 2 et 3, avec une électrovanne (15) intercalée sur le conduit d'additif (4), caractérisé en ce que la pompe (6) est prévue pour être entraînée dans le sens inverse de celui du remplissage de l'accumulateur (7), en vue de vidanger les circuits hydrauliques notamment pour une mise hors gel, ou de les mettre à la pression atmosphérique lorsque le véhicule est à l'arrêt.
7. Dispositif d'injection d'un produit additif selon la revendication 2 ou 6, caractérisé en ce que la pompe (6) est prévue pour être entraînée dans le sens inverse de celui du remplissage de l'accumulateur (7), en vue du remplissage du réservoir d'additif (3) à partir d'un récipient d'additif (17) constituant une recharge, ce récipient d'additif (17) étant connecté au conduit d'additif (4) par un raccord hydraulique (18) avec clapet anti-retour (19).
8. Dispositif d'injection d'un produit additif selon l'ensemble des revendications 3 et 7, caractérisé en ce qu'il est prévu pour vidanger le réservoir d'additif (3) afin d'en extraire un restant d'additif, ceci par une commande de la pompe (6) dans le sens du puisage direct de l'additif, et en maintenant l'électrovanne (15) fermée.25