[0001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1054953 déposée le 22 juin 2010 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[0002] L'invention porte sur le domaine de la dépollution des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Plus précisément, elle porte sur la réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion, par réduction catalytique sélective (ou SCR, selon l'acronyme anglophone pour « sélective catalytic réduction »).

[0003] La technologie de réduction des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective consiste à réduire les oxydes d'azote avant leur sortie du circuit d'échappement d'un moteur à combustion, à l'aide d'un agent réducteur (ou d'un précurseur d'agent réducteur) introduit dans la ligne d'échappement.

[0004] Dans la suite du présent document, on emploiera indifféremment le terme de réducteur pour désigner l'agent réducteur ou un précurseur de l'agent réducteur.

[0005] Cet agent réducteur peut être stocké sous forme liquide, et il s'agit alors généralement d'urée en solution aqueuse, cet urée étant hydrolysée et transformée en ammoniac lors de son mélange avec des gaz d'échappement.

[0006] Cet agent réducteur peut également être stocké sous forme gazeuse. Dans ce cas, il est tout particulièrement avantageux d'utiliser un matériau solide capable d'adsorber ou de désorber le gaz stocké. A titre d'exemple, le document PCT WO2006081824 divulgue une substance apte à assurer un tel stockage sous forme « solide », l'ammoniac étant alors stockée dans une poudre compacte solide placée dans une cartouche adéquate.

[0007] Afin de relâcher le réducteur, il est nécessaire de placer le matériau de stockage dans des conditions de température et de pression favorables. Typiquement, il est nécessaire de le chauffer. Un stockage de taille importante est difficile à chauffer efficacement, et, en outre, les phases de démarrage à froid d'un moteur à combustion sont très pénalisantes du point de vue des émissions polluantes. Il est ainsi nécessaire de traiter de manière efficace aussi rapidement que possible, et donc de pouvoir élever rapidement la température du matériau de stockage.

[0008] La demande de brevet DE102006061370 présente un dispositif pour le traitement par catalyse SCR des oxydes d'azotes, dans lequel l'agent réducteur (ammoniac) est stocké sous une forme « solide » c'est-à-dire un dans un matériaux capable de l'adsorber ou de l'absorber, dans deux réservoirs : un grand réservoir destiné à assurer l'autonomie souhaitée entre deux entretiens du véhicule ainsi équipé, et un petit réservoir tampon chauffé électriquement et rempli par le grand réservoir, permettant d'assurer un meilleur contrôle de la quantité d'agent réducteur relâché, ainsi qu'un chauffage rapide du petit réservoir. [0009] Cependant, cette solution est relativement complexe à plus d'un titre. D'une part, il est nécessaire d'assurer périodiquement, ou en continu, le remplissage du petit réservoir par le grand réservoir, ce qui nécessite un circuit complexe pour faire transiter le réducteur. En outre, le pilotage d'un tel circuit, tant pour la circulation des fluides que pour le contrôle des fonctions de chauffage, de purge, etc. est très complexe à mettre en œuvre. Enfin, une telle solution entraine une grande complexité industrielle et logistique, du fait de la variété des éléments mis en œuvre.

[0010] Dans la demande de brevet français 1051773 au nom de Peugeot Citroën Automobiles SA, on a décrit une architecture d'un système de stockage d'un réducteur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote comportant au moins deux cartouches, toutes les cartouches présentant un volume de stockage de réducteur identique.

[001 1 ] Ce système permet de rationnaliser le dispositif de stockage et de répondre à des contraintes spécifiques industrielles, de sûreté de fonctionnement, de packaging et de coût. Il n'est ainsi pas nécessaire d'assurer le transfert de réducteur entre les cartouches lors des phases d'utilisation du système SCR. De plus, il est plus facile de loger deux cartouches dans un véhicule qu'une seule deux fois plus volumineuse. Par ailleurs, des cartouches de volumes identiques permettent, en alimentant à tour de rôle le système de catalyse SCR, une simplification de l'architecture hydraulique et électrique (pour le chauffage) du système de stockage. Distribuer le stockage d'agent réducteur en plusieurs lieux permet d'utiliser des espaces inutilisés du véhicule et donc de réduire l'impact négatif sur l'habitabilité du véhicule ou sur le volume disponible pour le rangement dans le coffre. Ceci permet de plus des volumes stockés relativement importants ce qui permet de synchroniser les opérations de remplissage du réservoir avec des opérations de maintenance comme par exemple la vidange de l'huile de lubrification du moteur.

[0012] Selon cette demande de brevet 1051773, il est prévu d'alimenter l'injecteur de réducteur par une première cartouche jusqu'à ce quelle soit vide de réducteur, puis par une seconde cartouche jusqu'à ce qu'elle soit vide de réducteur, et ainsi de suite.

[0013] Si chaque réservoir est muni de son propre clapet anti-retour, de l'agent réducteur peut être piégé dans les canalisations. Celles-ci doivent alors être surdimensionnées par anticipation de ce phénomène de piégeage. D'autre part, il faut prévoir des purges à l'arrêt et/ou au démarrage du moteur. [0014] La présente invention a pour but une simplification de l'architecture du système de stockage permettant de bénéficier au mieux d'une réserve d'agent réducteur distribuée.

[0015] Selon l'invention, ce but est atteint avec un ensemble comportant un système d'injection alimenté par un ensemble de conduites amont, et apte à l'injection par une conduite aval d'un réducteur gazeux dans une ligne d'échappement, en amont d'un catalyseur pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes, ledit système comportant de plus un dispositif de stockage comportant au moins deux cartouches contenant un matériau de stockage du réducteur par adsorption ou absorption caractérisé en ce qu'une des cartouches est en liaison directe avec l'ensemble de conduites amont tandis que les autres cartouches sont reliées à cet ensemble de conduite amont par des clapet antiretour qui interdisent la recharge en gaz de ces autres cartouches.

[0016] De la définition qui précède, on note qu'une cartouche est apte à jouer un rôle de désorption et d'adsorption, et peut donc être considérée comme bidirectionnelle, alors que les autres cartouches sont associés à des clapets antiretour, de sorte qu'elles opèrent en mode unidirectionnel.

[0017] Ce dispositif sera avantageusement opéré en alternant des brèves phases de vie pendant lesquelles on alimente le système d'injection à partir de la cartouche en prise directe et des phases de vies relativement longues pendant laquelle cette alimentation s'effectue à partir d'une cartouche munie d'un clapet anti-retour.

[0018] Avantageusement, on va ainsi progressivement vider la première cartouche munie d'un clapet anti-retour, puis éventuellement la seconde cartouche du même type, et ainsi de suite. La cartouche bidirectionnelle est opérée pendant des périodes relativement brèves, c'est-à-dire typiquement de 5 à 20 fois plus courtes que les périodes d'opération des cartouches bidirectionnelles. Bien entendu, une fois que les cartouches bidirectionnelles sont vides, il peut se produire une phase de vie reposant uniquement sur la cartouche bidirectionnelle.

[0019] Dans une variante préférée de l'invention, les cartouches sont toutes identiques. Par identiques on entend ici que les caractéristiques des cartouches, notamment en matière d'encombrement, de volume de stockage et de matériaux de stockage sont suffisamment standardisées pour que toute cartouche puisse être positionnée indifféremment en position de cartouche bidirectionnelle ou unidirectionnelle. Ceci permet une simplification importante tant en matière de logistique qu'en matière de mise en œuvre industrielle, notamment pour la gestion des périphériques avec lesquels les cartouches sont en interface.

[0020] Dans une variante de l'invention, les cartouches sont au nombre de deux. Deux cartouches identiques permettent en effet généralement d'assurer, dans le cadre d'une application automobile, un intervalle de maintenance suffisant, sans entraîner un volume de cartouche unitairement trop important qui serait défavorable à une désorption rapide du réducteur dans la cartouche.

[0021 ] De préférence, le matériau de stockage est un solide ou un solide pulvérisé. [0022] De préférence, le matériau de stockage est un sel choisi parmi : CaCI ₂ , SrCI ₂ , FeCI ₂ , MgCI ₂ , NiCI ₂ . Ces sels permettent un stockage efficace et une désorption aisée du NH ₃ . SrCI ₂ est le sel préférentiellement utilisé dans l'invention.

[0023] Dans une variante de l'invention, les moyens de chauffage comportent un élément interne par cartouche. C'est une solution permettant un chauffage efficace du matériau de stockage, au prix d'une certaine complexité de la cartouche et d'un certain surcoût au niveau de la cartouche en elle-même.

[0024] Dans une autre variante, les moyens de chauffage comportent une nappe chauffante positionnée en surface d'au moins une cartouche, et présentant au moins un élément résistif. C'est un moyen simple de chauffer les cartouches. Il limite en outre le coût unitaire d'une cartouche (qui n'est pas en elle-même dotée d'un moyen de chauffage).

[0025] De préférence, la nappe comporte un substrat souple à base de silicone. La silicone est souple et résistante à la chaleur, ce qui permet l'obtention d'une nappe de chauffage résistante et pouvant épouser au mieux le contour des cartouches (ce qui en augmente l'efficacité de chauffage).

[0026] Dans une variante, le dispositif comporte une nappe unique positionnée en surface de plusieurs cartouches et présentant plusieurs moyens de chauffage, de sorte à permettre le chauffage de chaque cartouche indépendamment des autres, lors de l'alimentation d'un ou plusieurs éléments résistifs. Une nappe unique est moins coûteuse, et plus facile à mettre en œuvre.

[0027] De préférence, le dispositif présente un connecteur électrique de masse commun aux moyens de chauffage. Cela permet de réduire les coûts de la connectique associée au chauffage. [0028] De préférence, le dispositif comporte en outre une structure de fixation des cartouches et des moyens de fixation rapide de chaque cartouche à ladite structure, de sorte à permette un échange rapide de chaque cartouche indépendamment les unes des autres. On peut ainsi, lors d'une maintenance du système, remplacer aisément une cartouche vide ou partiellement vide de réducteur par une cartouche pleine.

[0029] La présente invention a également pour objet un procédé d'alimentation en réducteur d'un système de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote d'un moteur à combustion, mettant en jeu un dispositif de stockage tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que tant que les cartouches monodirectionnelles ne sont pas vides, on alimente le système d'injection selon un mode dit alternatif, pendant lequel on utilise exclusivement une cartouche monodirectionnelle, sauf pendant des phases brèves répétées, pendant lesquelles on autorise une désaturation de la cartouche bidirectionnelle. [0030] Dans une variante, les phases de dé-saturation sont des phases pendant lesquelles on alimente le système SCR à partir de la cartouche bidirectionnelle.

[0031 ] Dans une variante, les phases temporaires pendant lesquelles on alimente le système SCR à partir de la cartouche bidirectionnelle ont une durée de l'ordre de 5 à 20 fois plus courtes que les phases d'alimentation à partir d'une cartouche monodirectionnelle.

[0032] Dans une variante, appliquée à un ensemble comportant trois cartouches ou plus, le mode alternatif est poursuivi tant que les cartouches monodirectionnelles ne sont pas toutes vides.

[0033] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel.

[0034] La figure 1 est un schéma simplifié d'un système selon l'invention ;

[0035] La figure 2 est un schéma illustrant la stratégie selon l'invention d'utilisation des différentes cartouches, dans l'hypothèse d'un système à deux cartouches. [0036] Un schéma de principe d'un système selon l'invention est illustré à la figure 1 , avec une cartouche en connexion directe sur une conduite du système d'injection et une autre cartouche reliée à cette conduite en prévoyant un clapet anti-retour. [0037] Plus précisément, sur cette figure 1 , on utilise pour stocker la quantité de réducteur souhaitée 2 cartouches de stockage de réducteur d'oxyde d'azote. Ces cartouches présentent toutes un volume de stockage identique et contiennent un solide (ou solide pulvérisé) de même nature chimique.

[0038] Dans la variante de l'invention représentée en figure 1 , on utilise 2 cartouches identiques, tant dans leur volume de stockage que dans leur constitution. Cela permet une réduction des coûts de production et des coûts logistiques associés. Une première cartouche 1 et une seconde cartouche 2 sont reliées à une conduite amont 3 du système d'injection 4 au moyen d'un connecteur en U 5. Une conduite aval 6 permet d'acheminer le gaz réducteur jusqu'à la ligne d'échappement 7, en un point en amont d'un catalyseur de réduction sélective dit catalyseur SCR 8.

[0039] Ce système d'injection est ici simplement figuré au moyen d'une boite fonctionnelle car différentes solutions sont connues de l'art antérieur, toutes adaptées à fournir à la ligne d'échappement, en amont du catalyseur SCR, une quantité de gaz réducteur adaptée à la quantité de NOx présente à un instant donné dans la ligne d'échappement, quantité qui dépend en particulier du point de fonctionnement du moteur. Ce pilotage du système d'injection tient également compte de paramètres de fonctionnement du système tels que l'état du catalyseur.

[0040] Un exemple de système d'injection adapté à ce type d'installation est connu de la demande de brevet FR0956771 est constitué par un ensemble comportant une vanne et en aval de la vanne, des moyens limitateurs de débit à l'exemple d'un col sonique. Avec un tel ensemble, la quantité de gaz réducteur injectée est directement proportionnelle au temps d'ouverture de la vanne, ce qui facilite grandement le pilotage fin du système. [0041 ] Toujours figure 1 , on note que le connecteur en U 5 a une de ces deux branches (branche 9, reliée à la cartouche 2) munie d'un clapet anti-retour 10. Ce clapet anti-retour 10 n'autorise le flux gazeux qu'en direction du système d'injection (flèche 1 1 ). L'autre branche du connecteur en U ne comporte pas de clapet anti- retour, de sorte que le flux gazeux est bidirectionnel (flèche 12).

[0042] A noter que si l'on dispose d'un système comportant n cartouches, on aura toujours n-1 clapets anti-retour et la énième cartouche étant montée directement sur un connecteur, sans clapet.

[0043] Le clapet anti-retour peut être remplacé par un système de type vanne tout-ou-rien, obturant le conduit dès que l'on décide d'arrêter d'alimenter le système d'injection à partir d'une cartouche donnée, comme il sera détaillé plus après.

[0044] Les cartouches présentent dans cette variante de l'invention une forme sensiblement cylindrique fermée par deux demi-coquilles, qui est adaptée au stockage sous pression du réducteur. Il est proposé des formes cylindriques afin de favoriser la tenue à la pression cyclée et pour faciliter le processus de remplissage des cartouches. Le réducteur, à savoir l'agent réducteur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote ou un précurseur d'un tel réducteur, peut conformément à l'art antérieur connu être stocké sous forme gazeuse dans une poudre compacte solide (ou tout autre corps/état de la matière permettant de le réaliser) et être relâché sous l'effet d'un chauffage adéquat.

[0045] Les cartouches renferment comme matériau de stockage un sel, choisi parmi CaCI ₂ , SrCI ₂ , FeCI ₂ , MgCI ₂ , NiCI ₂ . Avec du dichlorure de strontium, la quantité d'ammoniac stockée peut atteindre environ 9 litres par litre de matériau de stockage. Les cartouches sont dimensionnées de sorte que le volume de réducteur stockable par l'ensemble des cartouches permette une autonomie suffisante pour assurer le fonctionnement du système de catalyse SCR entre deux maintenances programmées du moteur équipé d'un tel dispositif. Par ailleurs, dans le cadre d'un réchauffage par des moyens électriques de chauffage des cartouches, les cartouches sont dimensionnées de sorte à être suffisamment petites pour présenter une inertie thermique assez faible pour que les moyens de chauffage permettent une désorption rapide du réducteur consécutivement à un démarrage à froid du moteur à combustion équipé. Typiquement, pour une application automobile, on peut estimer qu'il faut que la désorption débute au plus 200 secondes environ après un démarrage à froid à 20 °C. Pour arriver à ce résultat, en fonction de la puissance des moyens de chauffage employés, l'inventeur a constaté que des cartouches sensiblement cylindriques présentant un diamètre compris entre 80mm et 250mm et une longueur de 100mm à 800mm, pour un volume interne compris entre 1 et 5 litres peuvent représenter un bon compromis.

[0046] Le dispositif pourra avantageusement disposer de moyens d'isolation thermique pour limiter la dissipation vers l'extérieur, et ainsi optimiser le temps de chauffage et limiter les pertes thermiques pour minimiser la consommation électrique à puissance thermique égale transférée au stockage gazeux.

[0047] Le chauffage est de préférence assurer au moins pour partie par des moyens électriques, même si on peut envisager un complément de chauffe utilisant la chaleur des gaz d'échappement ou de tout autre fluide chauffé par le moteur. Cependant, dans l'invention, il est important de pouvoir assurer indépendamment le chauffage de chacune des cartouches, afin de pouvoir provoquer la désorption du réducteur d'abord dans une cartouche, puis dans une autre et ainsi de suite. [0048] La forme cylindrique est tout particulièrement avantageuse car elle permet à l'aide de moyens de chauffage électriques, de minimiser l'apport électrique extérieur pour apporter la puissance thermique nécessaire à la désorption du réducteur gazeux. Les demi-coquilles fermant le cylindre peuvent présenter diverses formes, par exemple une forme de demi-sphère, ou coniques, ou encore présenter une surface plane reliée au cylindre par un rayon de courbure ou un chanfrein.

[0049] Dans certaines variantes de l'invention, non ici représentées, les cartouches peuvent présenter des géométries sensiblement différentes les unes par rapport aux autres, notamment pour répondre à des contraintes d'implantation dans un véhicule automobile, mais présentent néanmoins des volumes sensiblement identiques. [0050] Dans une variante de l'invention, les moyens de chauffage peuvent être principalement constitués de résistances internes aux cartouches.

[0051 ] Selon la variante de l'invention considérée, de nombreuses technologies de chauffage sont envisageable, et il est notamment possible d'employer des résistances de type CTP (à coefficient de température positif, c'est-à-dire dont la résistance augmente dans une plage de température déterminée).

[0052] Quel que soit le moyen de chauffage choisi, il importe de disposer de moyens permettant de chauffer une seule cartouche à la fois. Ceci permet la désorption du réducteur dans une cartouche à la fois. On peut ainsi alimenter le système de catalyse SCR par une seule cartouche à la fois, tout en limitant les pertes énergétiques car seule la cartouche employée pour alimenter le système est chauffée.

[0053] On va maintenant présenter à l'aide de la figure 2 un mode de fonctionnement optimal selon l'invention, alternant des phases de vie relativement longues, pendant lesquelles on alimente le système à partir du réservoir 2 muni d'un clapet anti-retour, et des phases de vie relativement brèves où l'on opère à partir du réservoir 1 .

[0054] La figure 2 correspond à la phase de vie « réservoirs plein ». Dans cette toute première phase de vie, on peut choisir d'opérer à partir du premier ou du second réservoir. Opérer à partir du premier réservoir, sans clapet anti-retour, est toutefois avantageux car il libère une certaine capacité de restockage de l'ammoniac.

[0055] Après x kilomètres, x pouvant être par exemple compris entre 100 et 1000km, on va passer en phase de vie nominale, dans laquelle on alterne une alimentation à partir du second réservoir (muni du clapet), par exemple pendant 1000 km, et une alimentation à partir du réservoir sans clapet.

[0056] Lorsque l'alimentation du système SCR est stoppée, à commencer bien sûr lors des phases d'arrêt du véhicule, l'ammoniac présent dans les conduites amont, entre les cartouches et le système d'injection, va recharger la cartouche non munie d'un clapet anti-retour, ce qui va permettre d'éviter une surpression dans cette conduite (ou de prévoir un surdimensionnement de ces conduites amont pour éviter des surpressions dangereuses).

[0057] Toutefois, cette possibilité d'absorption de l'excès d'ammoniac débité par la cartouche munie d'un clapet anti-retour ne demeure que dans la mesure où la cartouche absorbante conserve ses propriétés d'absorption, ce qui implique qu'elle n'est pas saturée. C'est pourquoi on procède à des phases de vie pendant lesquelles on fait débiter la cartouche non munie d'un clapet anti-retour. Comme il s'agit alors essentiellement d'éviter la saturation de la cartouche bidirectionnelle, ces phases de vie basée sur cette cartouche 1 seront avantageusement brèves, par exemple de l'ordre de 100 km.

[0058] Supposons que l'on a deux cartouches offrant chacune une capacité de stockage correspondant à environ 10000 km. Si on alterne ainsi 10 périodes de 100km avec utilisation de la cartouche 1 et 1000 km avec utilisation de la cartouche 2, on va entièrement vider la cartouche 2 pendant les 1 1000 premiers kilomètres, tout en conservant alors 90% de la capacité de la cartouche 1 . Une fois cette cartouche 2 vide, on ne va plus utiliser que la cartouche 1 jusqu'à son épuisement.

[0059] Dans ce qui précède, on a supposé que la permutation des cartouches était pilotée sur la base du kilométrage parcouru. Pour autant, il est bien sûr possible d'utiliser un autre paramètre de pilotage comme la quantité d'ammoniac injectée