FR3024999A1

FR3024999A1 - Unite de fourniture de reducteur pour une reduction catalytique selective pour l'automobile a chauffage optimise du fluide

Info

Publication number: FR3024999A1
Application number: FR1501735A
Authority: FR
Inventors: Stephen C Bugos; Michael J Hornby; Vuuren Willem Nicolaas Van
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2016-02-26
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: DE102015215560A1; FR3024999B1

Abstract

Les émissions d'oxyde d'azote (NOx) d'un véhicule. L'unité comporte un injecteur (12') de fluide actionné par un électro-aimant (20) ayant une entrée (30) pour du fluide et une sortie (16) pour du fluide. La sortie communique avec un trajet d'écoulement de gaz d'échappement du véhicule de sorte que l'injecteur de fluide commande l'injection de l'agent réducteur dans le trajet d'écoulement de gaz d'échappement. L'injecteur de fluide a un tube (14) d'entrée pour conduire l'agent réducteur entre l'entrée (30) et la sortie (16). Un dispositif (13') de chauffage à bobine est d'une seule pièce avec l'injecteur de fluide et construit et agencé pour, lorsqu'il est activé, chauffer par induction le tube (14) d'entrée et ainsi au moins une partie de l'agent réducteur de sorte qu'un volume non chauffé de l'agent réducteur dans le tube d'entrée voisin du tube de sortie est inférieur à environ 100 mm3.

Description

1 UNITE DE FOURNITURE DE REDUCTEUR POUR UNE REDUCTION CATALYTIQUE SELECTIVE POUR L'AUTOMOBILE A CHAUFFAGE OPTIMISÉ DU FLUIDE Domaine technique de l'invention L'invention se rapporte à une unité de fourniture de réducteur (UDR) qui fournit un agent réducteur à un système d'échappement de moteur et, plus particulièrement, à une UDR qui chauffe directement 10 sensiblement un volume entier de l'agent réducteur juste avant l'injection. Arrière-plan technologique Un nouveau tour de vis sur la législation des émissions en Europe et aux Etats-Unis d'Amérique 15 entraîne la mise en oeuvre de nouveaux systèmes de post-traitement d'échappement, notamment pour des technologies à combustion pauvre, tels que des moteurs à allumage à compression (diesel), et des moteurs à allumage par bougie à charge stratifiée (généralement 20 avec une injection directe) qui fonctionnent dans des conditions pauvres et ultra-pauvres. Des moteurs à combustion pauvre présentent des niveaux élevés d'oxyde d'azote (N0x) qui sont difficiles à traiter dans des environnements d'échappement riches en oxygène, 25 caractéristiques de la combustion pauvre. Des techniques de post-traitement d'échappement sont actuellement en développement et traitent les (N0x) dans ces conditions. L'une de ces techniques comportent un catalyseur qui facilite les réactions de l'ammoniac 30 (NH3) sur les oxydes d'azote d'échappement (N0x) pour produire de l'azote (N2) et de l'eau (H20) . Cette technique est appelée une réduction catalytique sélective (RCS). 3024999 2 sélective (RCS). L'ammoniac est difficile à manipuler dans sa forme pure dans l'environnement de l'automobile. Par conséquent, il est courant avec ce système d'utiliser 5 une solution liquide aqueuse d'urée classiquement à une concentration de 32 % de solution d'urée (CO (NH2)2). La solution est appelée AUS-32, et est également connue sous le nom commercial de AdBlue. La solution d'urée est fournie au courant d'échappement chaud et est transformée en de l'ammoniac dans l'échappement après avoir subi une thermolyse, ou décomposition thermique, en de l'ammoniac et en de l'acide isocyanique (HCNO). L'acide isocyanique subit alors une hydrolyse avec l'eau présente dans l'échappement et est transformée en ammoniac et en dioxyde de carbone (CO2). L'ammoniac provenant de la thermolyse et de l'hydrolyse subit ensuite une réaction catalysée avec les oxydes d'azote comme décrit précédemment. Dans les systèmes de production actuels, la UDR est classiquement montée sous le châssis du véhicule, dans un emplacement en aval sur la ligne d'échappement. Cela se traduit par des températures relativement basses au niveau du catalyseur RCS, des temps de réaction plus longs et un petit rendement de conversion des NON. Des températures d'échappement plus basses (enthalpie plus faible) empêchent également la décomposition thermique de la réaction de thermolyse de l'urée, ou dans le cas du sous-produit HNCO de thermolyse, les températures basses empêchent également la réaction d'hydrolyse. Le résultat est la présence d'urée et/ou de HCNO en excès au niveau du catalyseur RCS et une quantité insuffisante d'ammoniac pour participer aux réactions de réduction de NON. Un bon 3024999 3 exemple de cette situation a été présenté dans SAE 2007-01-1582 : « Etude de laboratoire et de moteur de dépôts relatifs à l'urée dans des systèmes de post-traitement RCS d'urée et de diesel ». Les données 5 dynamométriques de moteur de cette étude montrent qu'à des températures d'échappement en dessous de 300°C, une proportion pouvant être mesurée de l'urée injectée reste non transformée soit en HCNO, soit en NH3. Il existe également des activités dans l'industrie 10 examinant le potentiel d'autres agents réducteurs. Certains de ces agents (par exemple, le formiate de guanidinium) présentent des températures de décomposition plus élevées que celle de l'urée. Afin que ces variantes soient viables, elles nécessitent un 15 préchauffage, classiquement dans un reformeur dédié situé dans un passage d'écoulement en dérivation de l'échappement principal. Une description d'une technique de ce genre est donnée dans SAE 2012-01-1078, « Développement d'un système de dosage direct de NH3 de 20 RCS de 3ème génération pour un DeN0x très efficace ». Pendant la phase de démarrage, ces concepts de réformeur reposent classiquement sur un chauffage électrique de l'écoulement gazeux de dérivation et l'utilisation de catalyseurs de réaction d'hydrolyse 25 pour garantir les conditions convenables pour la transformation des supports en ammoniac. En référence à la figure 1, il est représenté une UDR 10 classique, désignée de manière générale par la référence 10, comportant un injecteur 12 de fluide.

30 L'injecteur 12 sert à délivrer du fluide, tel qu'une solution d'urée, et utilise un dispositif 13 chauffage 13 à bobine inductive, dans le but de transférer de la chaleur du dispositif 13 à un tube 14 d'entrée de 3024999 4 l'injecteur 10 et au fluide. En référence à la figure 2, cependant, en raison des limitations imposées par l'installation d'un injecteur de carburant à orifice dans une tête de cylindre ou dans un collecteur 5 d'admission, le dispositif 13 de chauffage à bobine ne s'étend pas complètement jusqu'à la pointe ou sortie 16 de l'injecteur 12. Il en résulte un trajet de flux magnétique, indiqué par les flèches A à la figure 2 d'étendue limitée qui induit un chauffage qui prend fin 10 environ 6 à 8 mm au-dessus du point de dosage ou de la sortie 16 de l'injecteur 12. Il s'ensuit un volume V non chauffé de fluide de 213 mm3 qui ne bénéficie pas d'un trajet de chauffage direct à la source de chauffage par induction (bobine 13). Ce volume V doit 15 être évacué avant que le fluide chauffé puisse être éjecté -à un débit de 5.2 mg/s (débit classique pendant un démarrage à froid de véhicules sur des cycles de test d'émissions), il faudrait théoriquement un minimum de 45 secondes pour éliminer ce fluide non chauffé.

20 Dans des applications d'injection d'urée, où un démarrage à froid est exigé, ce retard réduit l'efficacité du système pour faire débuter une réduction des émissions de NOx issues du moteur. Il existe ainsi un besoin de chauffer directement 25 un agent réducteur dans un injection à proximité du point de dosage pour garantir un transfert de chaleur plus efficace et produire la température souhaitée de l'agent réducteur de manière à diminuer le temps nécessaire pour éliminer l'agent réducteur non chauffé.

30 Résumé de l'invention Un objectif de la présente invention est de répondre aux besoins mentionnés ci-dessus. Conformément à la présente invention, cet objectif est atteint par 3024999 5 le fait de prévoir une unité de délivrance de réducteur pour réduire des émissions d'oxyde d'azote (NOx) d'un véhicule. L'unité de fourniture de réducteur comporte un injecteur de fluide actionné par un électro-aimant 5 ayant une entrée pour du fluide et une sortie pour du fluide. L'entrée pour du fluide est construite et agencée pour recevoir une source d'agent réducteur et la sortie pour du fluide est construite et agencée pour d'écoulement de gaz l'injecteur de réducteur dans d'échappement. communiquer avec un trajet 10 d'échappement du véhicule de sorte que fluide commande l'injection de l'agent le trajet d'écoulement de gaz L'injecteur de fluide a un tube d'entrée pour conduire l'agent réducteur entre l'entrée pour du fluide et la 15 sortie pour du fluide. Un dispositif de chauffage à bobine est intégré à l'injecteur de fluide et est construit et agencé pour, lorsqu'il est activé, chauffer par induction le tube d'entrée, pour ainsi chauffer l'agent réducteur à l'intérieur du tube 20 d'entrée. Un boîtier entoure une partie du dispositif de chauffage à bobine. Une structure de surmoulage est surmoulée autour du boîtier du dispositif de chauffage à bobine. Un boîtier d'injecteur recouvre au moins une partie de la structure de surmoulage et est construit 25 et agencé pour être en relation d'étanchéité avec la structure de surmoulage, à l'exception d'une étanchéité torique, de sorte qu'une extrémité du dispositif de chauffage à bobine est disposée de manière générale au voisinage de la sortie pour du fluide de l'injecteur.

30 Conformément à un autre aspect du mode de réalisation décrit, un procédé délivre un agent de réduction pour réduire des émissions d'oxyde d'azote (NOx) d'un véhicule. Le procédé associe un injecteur de 3024999 6 fluide actionné par un électro-aimant au trajet d'écoulement de gaz d'échappement. L'injecteur de fluide a une entrée pour du fluide et une sortie pour du fluide. L'entrée pour du fluide reçoit de l'agent 5 réducteur d'une source d'agent réducteur. La sortie pour du fluide communique avec le trajet d'écoulement de gaz d'échappement. L'injecteur de fluide a un tube d'entrée pour diriger l'agent réducteur entre l'entrée pour du fluide et la sortie pour du fluide. Au moins 10 une partie de l'agent réducteur est chauffée alors qu'il se trouve à l'intérieur du tube d'entrée, de sorte qu'un volume non chauffé de l'agent réducteur dans le tube d'entrée, qui est voisin de la sortie pour du fluide, est inférieur à environ 100 mm3. L'injecteur 15 de fluide est mis en fonctionnement pour injecter l'agent réducteur dans le trajet d'écoulement de gaz d'échappement. D'autres objectifs, caractéristiques et particularités de la présente invention, ainsi que les 20 procédés opératoires et les fonctions des éléments liés de la structure, la combinaison des pièces et l'économie de fabrication apparaîtront mieux lorsque l'on aura pris en compte la description détaillée qui va suivre en se référant aux dessins annexés, qui tous 25 forment une partie de cet exposé. Description succincte des dessins L'invention sera mieux comprise par la description détaillée qui suit de ses modes de réalisation préférés, en conjonction avec les dessins 30 annexés, dans lesquels les repères identiques désignent des pièces identiques, dans lesquels : la Figure 1 est une vue en coupe transversale d'une UDR classique incluant un injecteur de fluide. 3024999 7 la Figure 2 est une vue d'une partie inférieure de l'injecteur de l'UDR classique de la figure 1. la Figure 3 est une vue en coupe transversale d'une UDR incluant un injecteur de fluide disposé 5 conformément à un mode de réalisation de la présente invention. la Figure 4 est une vue d'une partie inférieure de l'injecteur de l'UDR de la figure 3. la Figure 5 est une vue de la partie inférieure 10 d'une UDR conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention. la figure 6 est une vue de la partie inférieure de l'UDR de la figure 3. Description détaillée d'un mode de réalisation 15 donné à titre d'exemple En référence à la figure 3, il est représenté une UDR désignée de manière générale par le repère 10', conformément à un mode de réalisation de la présente invention. L'UDR 10' peut être utilisé dans un système 20 du type décrit dans la demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique n° 2008/0236147 Al. L'UDR 10' comporte un injecteur 12' de fluide à électro-aimant, qui fournit une fonction de dosage de fluide et fournit la préparation en pulvérisation du 25 fluide dans le trajet 15 d'écoulement de gaz d'échappement d'un véhicule, dans une application de dosage pour réduire les émissions d'oxyde d'azote (N0x) d'un véhicule. L'injecteur 12' de fluide est ainsi construit et agencé pour être associé au trajet 15 30 d'écoulement de gaz d'échappement en amont d'un convertisseur catalytique RCS de manière classique. L'injecteur 12' de fluide est de préférence un injecteur de carburant à électro-aimant actionné 3024999 8 électriquement, tel que du type décrit dans le brevet américain n° 6 685 112. Ainsi, une première bobine 20 électromagnétique actionne l'injecteur 12' de fluide de la manière classique lorsqu'elle est activée.

5 L'injecteur 12' de fluide est disposé à l'intérieur d'un support 22 intérieur. Une structure de coupelle intérieure, désignée de manière générale par le repère 24, comporte une coupelle 26 d'entrée et un connecteur 28 d'entrée adjointe d'une pièce avec la 10 coupelle 26 d'entrée ou adjointe à celle-ci. Le connecteur 28 d'entrée définit l'entrée 30 pour du fluide de l'injecteur 12'. Le connecteur 28 d'entrée est classiquement en communication avec une source d'agent 32 réducteur fluide, tel qu'une solution 15 d'urée, qui est envoyée à l'injecteur 12' par l'intermédiaire du tube 14 d'entrée, pour être injectée à partir du point 16 de dosage ou de la sortie pour du fluide de l'injecteur 12. Le tube 14 d'entrée conduit ainsi la solution d'urée entre l'entrée 30 de fluide et 20 la sortie 16 de fluide. Le tube 14 d'entrée peut également être considéré comme un corps de vanne. Un bouclier 34 d'injecteur est couplé au support 22 d'injecteur de sorte que le bouclier 34 est fixé par rapport à l'injecteur 12'. Le bouclier 34 entoure au 25 moins une partie de l'injecteur 12' et l'isole de facteurs environnementaux, tels que des graviers pulvérisés, des jets d'eau à haute pression, des éclaboussures, etc... . Le bouclier 34 fournit également un support de structure pour l'UDR 10'. Des ouies 36 30 sont ménagées dans le bouclier 34 pour refroidir par de l'air l'injecteur 12' de fluide. La solution 32 d'urée est envoyée par l'entrée 30 et est fournie sous pression à l'injecteur 12' de 3024999 9 fluide à électrovanne. La solution d'urée est dosée et sort de l'injecteur 12' au point 16 de dosage de la manière classique, en raison du déplacement de l'électro-aimant 38 par rapport au siège 40. L'UDR 10' 5 est montée sur le système 41 d'échappement par un rebord 18, de préférence par un dispositif de serrage en V (non représenté). Bien entendu, d'autres procédés de montage peuvent être utilisés, en utilisant des boulons ou d'autres techniques de jonction mécaniques.

10 Pour chauffer la solution d'urée à la demande et avant l'injection, un dispositif 13' de chauffage à bobine inductive est disposé dans l'injecteur 12' à électro-aimant. Le dispositif 13' de chauffage à bobine inductive est actionné électriquement par 15 l'intermédiaire d'énergie appliquée à l'injecteur 10' et, lorsqu'il est activé, le dispositif 13' de chauffage à bobine fournit un champ électromagnétique (cf. les flèches A' à la fig.4) pour chauffer par induction le tube 14 d'entrée d'injecteur et ainsi 20 chauffer la solution d'urée en son sein au voisinage de la zone Z' de chauffage. En référence aux figures 2 et 4, dans le mode de réalisation, le dispositif 13' de chauffage à bobine a été repositionné plus près du point 16 de dosage qu'un dispositif 13 de chauffage à 25 bobine classique de la figure 2. Ainsi, la zone Z' de chauffage actif principal du tube 14 d'entrée a également été repositionnée vers le point 16 de dosage. Il en résulte une réduction du volume V de fluide « non chauffé » d'environ 50 % ou plus, le volume V' étant 30 inférieur à environ 100 mm3. Comme plus de volume de la solution d'urée est chauffé juste avant l'injection, un début plus précoce de l'injection après démarrage du moteur est possible, en réduisant ainsi encore les 3024999 10 émissions de NOx. Le repositionnement du dispositif de chauffage à bobine est permis par l'analyse fonctionnelle du joint 42 torique inférieur de l'injection 10 classique (fig. 5 2). Dans un système de carburant à injection à orifice, auquel les injecteurs 10 sont destinés, le joint 42 torique inférieur est nécessaire pour assurer une étanchéité de l'air d'admission, du collecteur d'admission ou de la tête de cylindre à l'emplacement 10 du montage de l'injecteur. Dans l'application UDR, cette fonction d'étanchéité n'est plus exigée de sorte que le joint 42 torique peut être éliminé dans l'injecteur 10' du mode de réalisation suivant l'invention. En référence à la zone 44 encerclée de la 15 fig. 3, une certaine étanchéité minimale est exigée pour empêcher l'entrée d'eau et de poussière. Cette étanchéité peut être réalisée par le fait de prévoir une structure 46 de surmoulage qui surmoule le boîtier 48 du dispositif de chauffage à bobine, qui entoure une 20 partie du dispositif 13' de chauffage à bobine. Un boîtier' 50 d'injecteur couvre une partie de la structure 46 de sourmoulage et coopère avec celle-ci de manière à être en liaison étanche avec la structure 46 de surmoulage. On comprendra que, si une étanchéité 25 plus robuste est nécessaire, un joint torique de petite section transversale pourrait être mis en oeuvre dans une rainure de la structure 46 de surmoulage, ce qui permettrait toujours d'effectuer le repositionnement du dispositif 13' de chauffage à bobine.

30 Un avantage du mode de réalisation de la fig. 4 est que la géométrie du boîtier 50 du dispositif de chauffage à bobine embouti intérieur n'est pas modifiée par rapport à celle de l'injecteur 10 classique de la 3024999 11 fig. 2. On comprendra que d'autres modes de réalisation sont toujours possibles, se traduisant par une optimisation encore plus grande de la réduction du volume non chauffé, lorsque la géométrie du boîtier 50 5 est modifiée. Une modification de ce genre du boîtier 50' est représentée à la fig.5, comparé au boîtier 50 classique de l'UDR 10' représentée à la fig.6. Ainsi, au lieu d'avoir la partie 52 conique, comme c'est le cas du boîtier 50 de la fig. 6, le boîtier 50' comporte 10 une partie 52' qui s'étend transversalement par rapport à l'axe B longitudinal de l'injecteur 10' et qui est disposée au voisinage d'une extrémité 54 du dispositif 13' de chauffage à bobine, qui est voisine de manière générale de la sortie 16 pour du fluide. Cela permet à 15 l'extrémité 54 du dispositif 13' de chauffage à bobine d'être déplacée encore plus en direction du point 16 de dosage par rapport à l'extrémité 54' de la bobine 13' de chauffage de la fig.6 et, par conséquent, de chauffer encore plus le volume de fluide dans le tube 20 16 d'entrée. Une mise en oeuvre de ces modes de réalisation a pour effet de diminuer le temps pour atteindre l'injection de fluide chaud dans l'échappement, avec une réduction qui en résulte des émissions de NOx lors 25 d'un démarrage à froid. Bien que la solution d'urée ait été décrite comme étant l'agent 32 réducteur, il va de soi que d'autres agents peuvent être utilisés, tels que le formiate de guanidinium, puisque l'agent est maintenant chauffé 30 lors de l'injection. Bien que l'UDR 10' soit décrite en utilisation dans un système RCS, l'UDR 10' peut être utilisée dans un système à piège de NOx pauvre également, dans lequel 3024999 12 l'agent réducteur est un carburant diesel (un carburant à base d'hydrocarbure). Les modes de réalisation préférés qui précèdent ont été représentés et décrits dans le but d'illustrer 5 la structure et les principes de fonctionnement de la présente invention, ainsi que d'illustrer les procédés d'utilisation des modes de réalisation préférés et sont susceptibles d'être modifiés sans sortir de tels principes. Par conséquent, l'invention comporte toutes 10 les modifications englobées dans la portée la plus générale de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Unité de fourniture de réducteur pour réduire des émissions d'oxyde d'azote (NOx) d'un véhicule, 5 l'unité de fourniture de réducteur étant caractérisée en ce qu'elle comporte : un injecteur (12') de fluide actionné par électro-aimant (20), ayant une entrée (30) pour du fluide et une sortie (16) pour du fluide, l'entrée 10 (30) pour du fluide étant construite et agencée pour recevoir de l'agent réducteur d'une source d'agent réducteur et la sortie pour du fluide étant construite et agencée pour communiquer avec un trajet d'écoulement de gaz d'échappement du 15 véhicule de sorte que l'injecteur de fluide commande l'injection de l'agent réducteur dans le trajet d'écoulement de gaz d'échappement, l'injecteur de fluide ayant un tube (14) d'entrée pour conduire l'agent réducteur entre l'entrée (30) 20 pour du fluide et la sortie (16) pour du fluide, un dispositif (13') de chauffage à bobine d'une pièce avec l'injecteur de fluide et construit et agencé pour, lorsqu'il est activé, chauffer par induction le tube (14) d'entrée, pour ainsi 25 chauffer l'agent réducteur à l'intérieur du tube (14) d'entrée, un boîtier (48) du dispositif de chauffage à 3024999 14 bobine, entourant une partie du dispositif (13') de chauffage à bobine, une structure (46) de surmoulage surmoulée sur le boîtier (48) du dispositif de chauffage à bobine et un boîtier (50) d'injecteur, recouvrant au moins une partie de la structure (46) de surmoulage et construit et agencé pour être en relation d'étanchéité avec la structure (46) de surmoulage, en l'absence d'un joint torique, de sorte qu'une extrémité du dispositif (13') de chauffage à bobine est disposée de manière générale au voisinage de la sortie (16) pour du fluide de l'injecteur.
2. Unité de fourniture suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un rebord construit et agencé pour monter l'injecteur de fluide sur le trajet d'écoulement de gaz d'échappement.
3 Unité de fourniture suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le boîtier du dispositif de chauffage à bobine comporte une partie s'étendant transversalement par rapport à un axe longitudinal de l'injecteur de fluide et voisin de manière générale de l'extrémité du dispositif de chauffage de bobine, qui est voisin de la sortie pour du fluide.
4. Unité de fourniture suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'agent réducteur est une solution d'urée. 3024999 15 5. Unité de fourniture suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'agent réducteur est du formiate de guanidinium.
5
6. Unité de fourniture suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'agent réducteur est un carburant à base d'hydrocarbure.
7. Unité de fourniture suivant l'une des 10 revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif (13') de chauffage à bobine d'une seule pièce avec l'injecteur de fluide est construit et agencé pour, lorsqu'il est activé, chauffer par induction le tube (14) d'entrée pour 15 ainsi chauffer l'agent réducteur dans le tube d'entrée de sorte qu'un volume non chauffé de l'agent réducteur dans le tube (14) d'entrée, qui est voisin de la sortie pour du fluide, est inférieur à environ 100 mm3. 20
8. Unité de fourniture suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'entrée pour du fluide reçoit de l'agent réducteur d'une source d'agent réducteur.