D'UNE SOLUTION D'UREE

[oooi] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1 160009 déposée le 4 novembre 201 1 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[0002] L'invention porte sur le domaine de la dépollution des moteurs à combustion interne, et en particulier les procédures de mise au point des moyens de dépollution et des lignes d'échappement associées.

[0003] Les émissions polluantes des moteurs à combustion, notamment des moteurs équipant les véhicules automobiles, sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Les polluants réglementés sont, selon la technologie de moteur à combustion considérée, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC), les oxydes d'azotes (NOx), et les particules.

[0004] Il est connu d'employer un certain nombre de moyens de dépollution dans la ligne d'échappement des moteurs à combustion pour en limiter les émissions de polluants réglementés. Un catalyseur d'oxydation permet le traitement du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés, et dans certaines conditions des oxydes d'azotes ; un filtre à particules peut être employé pour le traitement des particules de suie.

[0005] On désigne de manière générale ces dispositifs par le terme de moyens de « post-traitement » des gaz d'échappement.

[0006] Par exemple, pour satisfaire aux normes anti-pollution sur les émissions d'oxydes d'azote (NOx), un système spécifique de post-traitement peut être introduit dans la ligne d'échappement des véhicules, notamment des véhicules équipés de moteurs à mélange pauvre, c'est-à-dire du type diesel ou à allumage commandé fonctionnant avec un mélange stratifié (mélange carburé non-homogène présentant un taux de carburant inférieur à la stœchiométrie). Pour le traitement des oxydes d'azote (NOx), on connaît des technologies de réduction catalytique sélective, ou « SCR » selon un acronyme anglophone pour « Sélective Catalytic Réduction », qui consistent à réduire les NOx par introduction d'un agent réducteur (ou d'un précurseur d'un tel agent réducteur) dans les gaz d'échappement.

[0007] Dans le cadre de la réduction catalytique sélective des NOx, le réducteur employé peut notamment être une solution d'urée, précurseur d'ammoniac agissant comme agent réducteur.

[0008] Généralement, on procède donc à l'injection d'un produit précurseur de l'ammoniac à l'intérieur de la ligne d'échappement, typiquement de l'urée en solution. La dépollution est alors réalisée en deux réactions : une réaction de dissociation d'urée en ammoniac et une réaction de réduction des oxydes d'azote par l'ammoniaque.

[0009] La réaction de dissociation d'urée en ammoniaque est la suivante :

[0010] (NH2)2CO→ HNCO + NH3

[001 1 ] HNCO + H20→ C02 + NH3

[0012] La réaction de réduction des oxydes d'azote par l'ammoniaque est la suivante : [0013] 4NH3 + 4NO + 02→4N2 + 6 H20

[0014] 2NH3 + NO + N02→ 2N2 + 3 H20

[0015] 4NH3 + 2 N02 + 02→ 3N2 + 6 H20

[0016] La dissociation de l'urée est réalisée dès 140°C, et on recommande généralement une température de gaz d'échappement supérieure à ^" l eO'C pour s'assurer d'une bonne dissociation. Mais en pratique, on constate que la réaction de dissociation n'est, même à cette température, que partielle. En effet, le contact entre l'urée injectée et des parois des canalisations d'échappement, refroidies par échanges convectifs avec l'air ambiant, peut induire un dépôt solide d'urée cristallisée, pour des températures de gaz d'échappement allant jusque 270 'C.

[0017] Cette cristallisation, qui provoque un encrassement, est notamment sensible sur la buse d'injection d'urée, sur un flexible d'échappement ou sur la tuyauterie d'échappement se trouvant en aval de l'injecteur d'urée. Cette cristallisation obstrue une partie de la section d'écoulement des gaz, générant une élévation de la contre pression et une baisse des performances du moteur. Un bouchage complet de l'échappement pourrait même intervenir dans des cas extrêmes. L'efficacité de la dépollution chute également très rapidement car la cristallisation sur les parois favorise une baisse de température et donc une cristallisation encore accrue. [0018] Par ailleurs, l'utilisation d'un flexible dans la ligne d'échappement est relativement courante pour assurer un découplage entre les débattements du collecteur d'échappement dans le compartiment moteur et le reste de la ligne d'échappement situé sous la caisse du véhicule. Un flexible est généralement formé d'une paroi en tôle métallique ondulée, facilitant sa flexion. Un tel flexible comporte ainsi une alternance de parois en creux et de parois en saillie, ce qui forme des gorges.

[0019] Un tel flexible est fréquemment disposé en aval du dispositif d'injection d'urée, car il est avantageux de positionner l'injecteur d'urée au plus près du moteur afin de bénéficier d'une température des gaz d'échappement la plus élevée possible. L'encrassement de la tôle ondulée du flexible induit une modification de ses propriétés mécaniques. Le flexible stocke tout au long de l'utilisation du moteur des matières qui l'encrassent, combinant notamment de l'urée non décomposée et des suies, ce qui forme un composé solide dans les ondes de flexion. Cela a pour conséquence de rigidifier le flexible et entraine un risque très accru de casse de celui-ci.

[0020] Ce phénomène est cependant réversible. Lors du réchauffement des gaz d'échappement, une partie du dépôt est éliminée par réaction de dissociation de l'urée. On estime typiquement que dans le cadre d'une application à un moteur de type diesel équipant un véhicule automobile classique, température de gaz d'échappement de 400 °C ou plus pendant 15 minutes permet une élimination totale ou presque totale des cristaux d'urée dans la ligne d'échappement. Selon les cycles d'utilisation du moteur équipé d'un dispositif SCR, l'élimination du dépôt par élévation de la température peut s'avérer insuffisante et les dépôts peuvent s'accumuler de façon croissante dans le temps, en particulier pour un moteur fonctionnant dans des conditions favorisant la cristallisation du l'urée, par exemple dans le cadre d'un moteur équipant un véhicule circulant beaucoup en cycle urbain.

[0021 ] La prise en compte de ce phénomène est donc fondamentale dans la conception d'une ligne d'échappement pour un moteur destiné à une application donnée.

[0022] D'une manière générale, la méthode la plus simple pour caractériser cet encrassement consiste à effectuer un test en temps réel, c'est-à-dire pour une application automobile à rouler une distance prédéfinie selon un profil de roulage prédéfini correspondant aux conditions d'utilisation souhaitée (par exemple les plus sévères possibles en termes d'encrassement par les cristaux d'urée) du véhicule considéré.

[0023] Des tels essais sont cependant longs, coûteux, et posent des problèmes de reproductibilité. [0024] Dans l'invention, on propose un procédé optimisé d'essai d'encrassement de flexibles potentiellement soumis à la cristallisation d'urée, permettant de résoudre tout ou partie de ces problématiques.

[0025] Plus précisément, l'invention porte donc sur un procédé d'essai d'endurance d'un élément d'une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, la ligne comportant en amont de l'élément un moyen d'introduction d'une solution d'urée pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, comportant les étapes successives de :

Etape a) : détermination de conditions de fonctionnement, notamment les sollicitations thermiques et mécaniques subies par l'élément, représentatives d'une application donnée du moteur ;

Etape b) : mesure au banc d'essai de l'encrassement en masse de l'élément au cours d'un cycle prédéfini, en reproduisant parmi les conditions de fonctionnement déterminées à l'étape a) celles qui ont un effet sensible sur l'encrassement de l'élément; Etape c) : détermination sur un banc d'essai de paramètres d'essai accéléré, dont un débit de la solution d'urée, générant un encrassement en masse identique à celui obtenu à l'étape b), en une durée prédéfinie, plus courte que la durée du cycle prédéfini de l'étape b) ;

Etape d ) : application sur un banc d'essai d'une succession de phases d'encrassement dites accélérées, chaque phase durant la durée prédéfinie de l'étape c), en appliquant lors de ces phases les paramètres d'essai accéléré déterminés à l'étape c), et les conditions de fonctionnement qui n'ont pas d'effet sensible sur l'encrassement, telle que déterminée à l'étape a).

[0026] De préférence, chaque phase d'encrassement accélérée est suivie d'une phase dite de régénération apte à provoquer la dissociation au moins partielle de cristaux d'urée par élévation de la température.

[0027] De préférence, la phase de régénération reproduit les conditions de durée et de température d'une séquence de régénération d'un filtre à particules équipant l'application donnée considérée. [0028] Selon une variante de l'invention, la succession des phases d'encrassement accélérées éventuellement suivies d'une phase de régénération est poursuivie jusqu'au dysfonctionnement, l'endommagement ou la rupture de l'élément.

[0029] De manière alternative, la succession des phases d'encrassement accélérées éventuellement suivies d'une phase de régénération (RG) est poursuivie jusqu'au premier des événements suivants :

- dysfonctionnement, l'endommagement ou la rupture de l'élément, ou

- réalisation d'un nombre de cycles prédéterminé, et, dans le cas où le procédé a été poursuivi jusqu' à réalisation d'un nombre de cycles prédéterminé, le procédé comporte l'application successive de sollicitations mécaniques jusqu'à l'endommagement ou la rupture de l'élément.

[0030] De préférence, la détermination de conditions de fonctionnement de l'étape a) est réalisée au moins pour partie par des mesures réalisées sur l'application donnée lors de son fonctionnement. [0031 ] Généralement, les conditions de fonctionnement ayant un effet sensible sur l'encrassement comportent : la température des gaz d'échappement, la température de peau de la ligne d'échappement en des points donnés.

[0032] Généralement, les conditions de fonctionnement n'ayant pas d'effet sensible sur l'encrassement comportent les sollicitations mécaniques subies par l'élément considéré. [0033] Pour certaines applications, la durée prédéfinie est préférentiellement comprise entre quinze minutes et une heure et trente minutes, et préférentiellement entre trente minutes et une heure.

[0034] Une application préférentielle du procédé selon l'invention porte sur un essai d'endurance d'un flexible de liaison entre deux conduits de la ligne d'échappement. [0035] Une autre application préférentielle du procédé selon l'invention porte sur un essai d'endurance d'un mélangeur disposé dans la ligne d'échappement pour améliorer l'homogénéité du mélange entre les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement et la solution d'urée. [0036] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel :

La figure 1 représente schématiquement un moteur et sa ligne d'échappement, comportant un élément pouvant faire l'objet d'un procédé selon l'invention. · La figure 2 représente schématiquement un flexible d'une ligne d'échappement, pouvant faire l'objet d'un procédé selon l'invention.

La figure 3 représente schématiquement un procédé conforme à une variante préférentielle de l'invention sous forme d'ordinogramme.

La figure 4 présente sous forme graphique le principe d'une des étapes d'une variante préférentielle du procédé.

La figure 5 présente sous forme graphique l'objet d'une des étapes du procédé.

[0037] A la figure 1 on a représenté schématiquement un moteur 1 et sa ligne d'échappement, comportant une turbine de turbocompresseur 2, un catalyseur d'oxydation 3, un moyen d'introduction 4 d'une solution d'urée, à savoir un injecteur, un flexible 5 ondulé, et un catalyseur SCR 6.

[0038] Le procédé développé dans l'invention est particulièrement adapté pour réaliser des essais d'encrassement et d'endurance sur le flexible 5. La structure généralement employée pour constituer un tel flexible 5 est schématiquement représentée en figure 2. Le flexible 5 comporte notamment un ondulé 51 , généralement constitué d'une feuillure métallique ondulée pour en améliorer la flexibilité, entouré d'une tresse 52 généralement métallique qui limite les échanges thermique entre l'intérieur et l'extérieur de l'ondulé et le protège des agressions mécaniques extérieures, sans pour autant compromettre sa flexibilité.

[0039] Les gaz d'échappement G circulent dans l'ondulé 51 , qui présente une succession de gorges 53 dans lesquelles peut se produire le phénomène d'encrassement, notamment par cristallisation d'urée.

[0040] Le comblement des gorges 53 rend le flexible plus rigide, donc cassant en cas de fortes sollicitations extérieures.

[0041 ] La figure 3 représente schématiquement un procédé conforme à une variante préférentielle de l'invention sous forme d'ordinogramme. [0042] Le procédé représenté en figure 3 comporte les étapes successives suivantes :

[0043] Etape a) : la détermination, par exemple par des mesures sur un véhicule dans des conditions de roulage données, de conditions de fonctionnement CF représentatives de l'emploi de l'élément dans une application donnée du moteur 1 . Dans cette étape, l'objectif est de récupérer des données d'entrées pour les étapes suivantes du procédé.

[0044] Il est important de connaître les températures des gaz d'échappement et leur évolution lors du fonctionnement du moteur selon des conditions prédéfinie. Dans le cadre d'une application du procédé à un élément d'un véhicule automobile, on peut réaliser des mesures lors d'un roulage (en ville, sur route, autoroute, etc. selon les conditions souhaitées).

[0045] Pour l'application à un flexible de la ligne d'échappement d'un véhicule, on peut réaliser une série de température sur piste dans l'environnement du flexible, et récupérer les températures de gaz en entrée et sortie du flexible, et les températures de peau du flexible.

[0046] Ces températures constitueront les données d'entrée thermiques à appliquer sur le banc, par la suite, qui ont un effet sur le phénomène d'encrassement.

[0047] Le débit de réducteur (solution d'urée) et son profil d'injection doivent correspondre à un profil typique d'une utilisation donnée, et permettre l'atteinte d'un niveau de dépollution visé. Ce débit d'urée peut être typiquement obtenu par le pilotage d'un injecteur avec une consigne de commande créée à partir d'un générateur de fonctions.

[0048] On caractérise par ailleurs les sollicitations mécaniques subies par le flexible. Typiquement, on détermine les débattements du flexibles, leur amplitude. Ces données peuvent être obtenues par mesures, par simulation, par calculs, ou encore en se basant sur des données disponibles préalablement à la mise en œuvre du procédé.

[0049] De manière générale, s'il est bien évidemment préférable de déterminer les conditions de fonctionnement par des mesures directement réalisées sur l'application visée (ce qui garantit une parfaite représentativité des paramètres mesurés), il est possible de déterminer tout ou partie des condition de fonctionnement CF par calculs, estimations, emploi ou extrapolation de paramètres connus d'autres application, etc.

[0050] Etape b) : la mesure au banc d'essai de l'encrassement en masse de l'élément au cours d'un cycle prédéfini, en reproduisant parmi les conditions de fonctionnement CF déterminées à l'étape précédente celles qui ont un effet sensible sur l'encrassement de l'élément. [0051 ] Le but de cette étape est d'estimer l'encrassement M du flexible (en masse) sur un banc composant, dans les conditions de fonctionnement du flexible sur véhicule. Pour cela, on pèse le flexible avant et après l'application du cycle prédéfini, la différence de masse correspondant à l'encrassement emmagasiné par le flexible. Cet essai est appliqué en temps réel, c'est-à-dire qu'on reproduit en temps réel un cycle d'utilisation du flexible, dans des conditions temporelles identique à l'utilisation de destination du flexible. Typiquement, un cycle peut comporter, pour reproduire le comportement d'un véhicule automobile équipé d'un filtre à particule, une ou plusieurs phases présentant un niveau thermique faible ou modéré, favorable à l'encrassement, suivi d'une phase de régénération RG du filtre à particules à haute température, lors de laquelle tout ou partie des cristaux d'urée sont éliminés corolairement. Pour cela, lors de la phase de régénération, les gaz d'échappement sont amenés à une température de l'ordre de 550 'C à 600 ^< C.

[0052] Pour mettre en place ce cycle, on emploie les conditions de fonctionnement CF préalablement déterminée (températures, débit et profil d'injection d'urée, etc.), à tout le moins celles qui ont une influence sensible sur le phénomène d'encrassement.

[0053] La thermique des gaz peut être reproduite grâce à un brûleur électrique, à gaz, ou carburant liquide, ou un moteur thermique. Les niveaux thermiques peuvent être variables de façon dynamique ou discrétisé.

[0054] Lors de cette étape, et afin de reproduire au mieux les conditions de fonctionnement CF, on détermine empiriquement des paramètres extérieurs au moteur et sa ligne (par exemple le refroidissement subi par le flexible par exemple) qui doivent être appliqué au banc d'essai pour l'obtention de l'encrassement recherché.

[0055] La figure 4 présente sous forme graphique l'évolution de la température des gaz d'échappement au cours d'un cycle prédéfini typique, tel que pouvant être appliqué lors de l'étape b). On constate une succession d'oscillation de température de faible niveau suivi d'une élévation brusque et courte de la température, correspondant à une phase de régénération RG.

[0056] Il est possible d'un cycle sur l'autre de simuler des régénérations totales ou partielles (par exemple en appliquant des niveaux thermiques différents).

[0057] Etape c) : la détermination sur un banc d'essai de paramètres d'essai accéléré PA générant un encrassement en masse identique à celui obtenu à l'étape précédente, en une durée prédéfinie, plus courte que la durée du cycle prédéfini de l'étape précédente. [0058] Le but de cette étape est de déterminer empiriquement des paramètres d'essai permettant d'accélérer l'encrassement du flexible, à une vitesse contrôlée et voulue.

[0059] Dans le cadre d'une application à un flexible équipant la ligne d'échappement d'un véhicule automobile, la phase d'encrassement du flexible est par exemple ramenée typiquement à une durée de 45 minutes environ suivie d'une régénération d'une durée identique à (ou de l'ordre de) celle observée sur un véhicule. Dans cette phase, le débit de la solution d'urée est déterminé de sorte à générer la même masse de dépôt dans le flexible, au cours de la durée prédéfinie, que celle obtenue à l'étape b) en temps réel.

[0060] La figure 5 présente sous forme graphique l'objet de l'étape c). En abscisse, l'échelle est temporelle. En ordonnée, on a portée dans sur une échelle indicative la masse de matière encrassant l'élément considéré (cristaux d'urée éventuellement mêlés de particules de suie) au cours d'une phase d'encrassement (l'origine de l'ordonnée correspondant à la masse de matière constituant l'encrassement au début de la phase d'encrassement).

[0061 ] Lors d'une phase d'encrassement en temps réel, la masse de matière constituant l'encrassement évolue sensiblement selon la droite D1 , et atteint une masse M au bout de la durée TR d'une phase d'encrassement avant régénération. Lors d'une phase d'encrassement réalisée selon les paramètres déterminés dans l'étape c), la masse de matière constituant l'encrassement évolue sensiblement selon la droite D2, notamment grâce à une augmentation du débit d'urée par rapport à une phase d'encrassement en temps réel, pour atteindre la masse M au bout de la durée prédéfinie TA, plus courte que TR, et préférentiellement de l'ordre de 30 minutes à 1 heure.

[0062] On pourra notamment fixer la durée prédéfinie TA à 45 minutes environ.

[0063] Etape d) : l'application au banc d'essai d'une succession de phases d'encrassement dites accélérées, chaque phase durant la durée prédéfinie de l'étape c), en appliquant lors de ces phases les paramètres d'essais déterminés à l'étape c), et les conditions de fonctionnement qui n'ont pas d'effet sensible sur l'encrassement, telle que déterminée à l'étape a). Typiquement, on applique les sollicitations thermiques déterminées lors de l'étape a) selon les modalités déterminées à l'étape b), le débit d'urée déterminé à l'étape c), et les sollicitations mécaniques déterminées à l'étape a).

[0064] L'objet de cette étape est donc d'enchaîner les phases d'encrassement accélérées du flexible, préférentiellement suivies par des phases de régénération qui correspondent à des augmentations importantes de température (restant, elles, en temps réel), afin de caractériser l'endommagement de l'élément, typiquement un flexible, avec la quantité de dépôt cumulative qu'il accumulera, soit sur une durée prédéfinie correspondant par exemple au dimensionnement souhaité pour une application donnée (par exemple un objectif kilométrique de durée de vie pour un véhicule automobile), soit jusqu'à défaillance ou rupture de l'élément. Dans ce dernier cas, l'essai d'endurance ainsi mené permet de caractériser la marge de sécurité prise lors de la conception par rapport à la durée de vie souhaitée de l'élément.

[0065] Concernant les sollicitations mécaniques dans le cas de l'application à un flexible équipant la ligne d'échappement, les débattements en entrée et sortie du flexible sont générés afin de recréer les contraintes subies lors de son usage sur l'application visée. De manière préférentielle, soit la rupture du flexible intervient avant le nombre de cycles (phase d'encrassement suivie préférentiellement d'une régénération) prédéfinis et correspondant à la durée de vie souhaitée (il y a donc échec à l'essai d'endurance), soit il n'y a pas eu de rupture et dans ce cas soit on poursuit jusqu'à la rupture soit on applique une sollicitation mécanique jusqu'à rupture afin de déterminer la marge de sécurité existante quant à l'endurance du flexible.

[0066] Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les cycles peuvent être enchaînés au banc de test à raison d'environ 20 par jour, ce qui réduit considérablement le temps d'essai correspondant à la durée de vie totale souhaitée pour le moteur et sa ligne d'échappement.

[0067] Afin de valider un composant, typiquement un flexible, il faut s'assurer d'une bonne reproductibilité des résultats obtenus, pour établir une statistique suffisamment robuste. On pourra typiquement réaliser un essai sur 6 flexibles minimum. Il est possible d'en essayer plusieurs en même temps (par exemple 2 flexibles en parallèle)

[0068] Le principal avantage offert par l'invention est de permettre un gain de temps considérable dans la validation d'une solution technique mettant en jeu une ligne d'échappement d'un moteur comportant un moyen d'introduction d'une solution d'urée, tout en garantissant la même fiabilité qu'avec une campagne d'essais en temps réel. [0069] Typiquement, pour une application automobile, l'endurance d'un flexible équipant une ligne d'échappement peut être validée grâce à l'invention en une trentaine de jours, sans nécessiter le roulage d'un véhicule pendant une longue période.