EP2126299A1 - Ligne d'echappement de moteur a combustion interne pourvue de moyens de reduction d'oxydes d'azote - Google Patents

Ligne d'echappement de moteur a combustion interne pourvue de moyens de reduction d'oxydes d'azote

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Publication number
EP2126299A1
EP2126299A1 EP08762009A EP08762009A EP2126299A1 EP 2126299 A1 EP2126299 A1 EP 2126299A1 EP 08762009 A EP08762009 A EP 08762009A EP 08762009 A EP08762009 A EP 08762009A EP 2126299 A1 EP2126299 A1 EP 2126299A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
housing
exhaust line
axial outlet
duct
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08762009A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Noël MORENO LAHORE
Sami Belhalfaoui
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP2126299A1 publication Critical patent/EP2126299A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/20—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a flow director or deflector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2470/00—Structure or shape of gas passages, pipes or tubes
    • F01N2470/18—Structure or shape of gas passages, pipes or tubes the axis of inlet or outlet tubes being other than the longitudinal axis of apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention generally relates to the depollution of flue gases flowing in an exhaust line of an internal combustion engine.
  • It relates more particularly to an exhaust line of an internal combustion engine comprising a flue gas circulation duct in the path of which are provided means for injecting a reducing agent, vortex generating means and an SCR catalyst. .
  • It also relates to an internal combustion engine comprising an engine block provided with cylinders, a fresh gas inlet line opening into these cylinders and such a burnt gas exhaust line originating in the cylinders.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the production of diesel engines and spark ignition engines operating at low richness.
  • the flue gases of internal combustion engines contain many pollutants that need to be treated or filtered before discharging these flue gases into the atmosphere. In particular, efforts are being made to reduce nitrogen oxide emissions.
  • a reducing agent is injected into the exhaust duct, upstream of an SCR catalyst, using an injector disposed in this exhaust duct.
  • the injector is connected to a reducing agent reservoir and a pump.
  • a control system controls the volume of reducing agent injected into the exhaust duct depending, among other things, on the flow rate of nitrogen oxides flowing in this duct.
  • the reducing agent generally used is an aqueous solution of urea which, in contact with the flue gases, is converted into ammonia intended to react in the SCR catalyst with the nitrogen oxides.
  • the volume of reducing agent injected into the exhaust duct must be precisely calculated so that the mixture of ammonia and nitrogen oxides is stoichiometric and that the reaction in the SCR catalyst is complete. Too large a volume of injected reducing agent would cause a release of ammonia into the atmosphere and increase the consumption of reducing agent. Too little volume of injected reducing agent would cause a discharge of pollutant nitrogen oxides into the atmosphere.
  • the mixture of ammonia and flue gases must, when it arrives in the SCR catalyst, be homogeneous so as to minimize the release of ammonia into the atmosphere and to maximize the efficiency of the treatment of the nitrogen oxides.
  • the diameters of the exhaust ducts being generally small, a portion of the reducing agent can be projected on the walls of this duct.
  • the walls have a temperature lower than that of the flue gases, this temperature thwarts the transformation of urea into ammonia, which generates on these walls an accumulation of unprocessed urea crystals and / or polymers resulting from a bad transformation. urea.
  • This accumulation of urea crystals and polymers has two adverse effects.
  • the unprocessed urea generates a lack of ammonia in the flue gases so that the mixture is no longer stoichiometric. There is therefore a release of nitrogen oxides into the atmosphere.
  • this accumulation if it is important, can reduce the inlet section of the SCR catalyst, or even block it.
  • Document WO 2006/009056 discloses a device for reducing this accumulation of polymers and urea crystals in the exhaust duct.
  • the proposed device comprises, on the one hand, upstream of the injector, a static propeller which causes rotation and homogenization of the flue gases in the duct, and, on the other hand, downstream of this injector, a divergent to allow a homogeneous distribution of the mixture at the inlet of the SCR catalyst.
  • the injector used remains subjected to very high temperatures due to its position in the middle of the flue gas flow.
  • such a propeller has a manufacturing cost and a cost of assembly important.
  • urea does not have sufficient time in the catalyst to treat the nitrogen oxides, which reduces the overall efficiency of the system.
  • the present invention proposes an exhaust line which limits the formation of polymers and urea crystals, which increases the duration of circulation of the flue gases mixed with urea. before they enter the SCR catalyst and which improves the homogeneity of the gases at the inlet of the SCR catalyst.
  • the invention proposes an exhaust line as defined in the introduction, in which said vortex generating means comprise a casing into which said injection means open, which has an axial outlet connected to the side of the casing.
  • catalyst SCR and a lateral inlet connected to said conduit along an axis offset from the axis of the axial outlet, to allow tangential entry of the burnt gases into the housing.
  • offset simply means that the axes are not intersecting. The entrance being lateral, these two axes are also not parallel.
  • the flue gases that open into the housing through its lateral inlet are naturally rotated so as to exit through its axial outlet. This rotation allows them to wrap the jet of reducing agent and reduce the impact of the reducing agent on the walls of the housing.
  • the vortices then cause rapid homogenization of the flue gases with the reducing agent. This homogenization also allows all of the nitrogen oxides to be efficiently treated in the SCR catalyst.
  • the injection means open into the housing in the axis of the axial outlet, through a bottom wall of the housing located opposite the axial outlet;
  • said bottom wall extends in an oblique plane with respect to the axis of the axial outlet; and the reducing agent is an aqueous solution of urea.
  • a bypass line which originates in the pipe, upstream of the housing, and which opens into the housing, next to the injection means along an axis intersecting with the axis of the axial exit.
  • the flue gas flow that opens into the housing through this bypass conduit creates, within the housing, a gas movement which prevents any reversal of the flue gases from the side inlet to the same lateral inlet (phenomenon said of "back-flow").
  • This flow also reduces the formation of polymers in the union flange between the injector and the exhaust duct, by increasing the temperature of this zone.
  • the injection means comprise an injector provided with a body disposed outside the conduit, and an end nose opening to the inside the case.
  • the body of the injector remains at a relatively low temperature which allows, by simple conduction of heat, to cool the end nose.
  • the injector can thus be made entirely in an inexpensive material.
  • the housing comprises an envelope, a first part of which is cylindrical about the axis of the axial outlet and another part of which is disposed downstream of the first part. , is conical convergent around the axis of the axial exit.
  • the cylindrical part which is pierced by the lateral inlet, makes it possible to apply a swirling motion to the burnt gases.
  • the conical part creates a venturi which accelerates the mixture of burnt gas and reducing agent. The mixture thus becomes turbulent, which improves its homogeneity.
  • this connecting duct makes the flue gas flow burned and slower, which increases the time available for the transformation of urea into ammonia before it enters the SCR catalyst.
  • the invention also relates to an internal combustion engine which comprises such an exhaust line.
  • DETAILED DESCRIPTION OF AN EXEMPLARY EMBODIMENT The following description, with reference to the appended drawings, given by way of non-limiting example, will make it clear what the invention consists of and how it can be achieved.
  • FIG. 1 is a schematic overview of an internal combustion engine comprising an exhaust line according to the invention.
  • FIGS. 2 and 3 are detailed views, from two different angles, of zone II of FIG.
  • upstream and downstream will be used in the direction of gas flow, from the fresh gas sampling point into the atmosphere to the exit of the flue gases by an SCR catalyst 33 .
  • FIG. 1 diagrammatically shows an internal combustion engine 10 of the diesel type, which comprises a motor unit 11 provided here with four cylinders 11 A.
  • the internal combustion engine 10 comprises an electronic device (not shown) for controlling its various members.
  • the internal combustion engine 10 comprises an intake line 20 which comprises an air filter 21 which filters the fresh gases taken from the atmosphere.
  • This intake line 20 further comprises a compressor 71 of turbocharger 70 which compresses the fresh gases filtered by the air filter 24, and a main air cooler 22 which cools these compressed fresh gases.
  • the intake line 20 opens into an air distributor 12 which brings the fresh gases into each of the cylinders 11 A of the engine block 11.
  • the internal combustion engine 10 comprises an exhaust gas collector 13 which is connected to an exhaust line 30 extending to the catalyst SCR 33.
  • EGR line a flue gas recirculation line 40, called the EGR line, which comprises an EGR cooler 41 and an EGR valve 42 for regulating the gas flow.
  • This line starts in the exhaust line 30, downstream of the exhaust manifold 13, and opens into the intake line 20, upstream of the air distributor 12.
  • the exhaust line 30 has in particular, on the exhaust manifold 13 side, a turbine 72 which actuates the compressor 71. It also comprises a duct 31, 32 which extends from the outlet of the turbine 72 until SCR catalyst 33. This duct comprises in particular an upstream duct 31 and a downstream duct 32 separated by vortex generating means 50.
  • the upstream duct 31 is further provided with a device 43 for treating hydrocarbons, carbon monoxide and polluting particles.
  • the upstream duct 31 is constituted by a single cylindrical duct whose end connected to the vortex generating means 50 is here bent at 90 degrees.
  • the exhaust line 30 further comprises means 35 for injecting a reducing agent.
  • injection means conventionally comprise a reservoir 36 of reducing agent, a pump 37 which pumps the reducing agent into the reservoir 36 to inject it under pressure into the downstream conduit 32, via an injection pipe 38.
  • the reducing agent used here is an aqueous solution of urea. It comprises about one-third of suitable urea, in contact with the flue gas, to be converted into ammonia which allows, within the SCR 33 catalyst, to reduce the nitrogen oxides pollutants included in the flue gases.
  • the vortex generating means 50 comprise a housing 58 into which the injection pipe 38 opens, and which has an axial outlet 57 connected to the side of the catalyst SCR 33 and a side inlet 56 connected at the bent end of the upstream duct 31 along an axis W offset with respect to the axis V of the axial outlet 57.
  • the housing 58 has for this purpose an elongate shape along the axis V, in three coaxial parts juxtaposed. It more precisely presents a cylindrical upstream portion 51 around the axis V and of diameter approximately equal to 150 millimeters, ie two to three times larger than the diameter of the upstream duct 31. It has a central part 52 which is convergent conical around of the axis V, that is to say which has a truncated cone shape whose section decreases in the direction of flow of flue gas to a diameter of about 50 millimeters. Its opening angle is approximately equal to 30 degrees. Finally, it has a swallow part 53 cylindrical of revolution about the axis V which is connected to the downstream duct 32.
  • the free end of the upstream portion 51 is closed by a bottom wall 59 which extends along a plane P1 oblique with respect to the axis V.
  • the inclination angle A1 of this plane P1 relative to the normal plane at the axis V is here about equal to 20 degrees.
  • the free end of the downstream portion 53 is however open and forms the axial outlet 57 of the housing 58. It is lined with a fixing flange for securing the housing 58 with the downstream duct 32. It could alternatively be directly welded to the downstream duct 32.
  • the side wall of the upstream portion 51 of the housing 58 is in turn pierced by an opening which forms the lateral inlet 56 of the housing 58.
  • This opening has a geometry such that the bent end of the upstream pipe 31 may be there connected without this connection will induce losses on the flow of flue gas.
  • the axis W in which the upstream duct 31 is connected to the housing 58 is here orthogonal to the axis V of the housing 58 and is not secant thereto.
  • the axis W of the upstream duct 31 is offset with respect to the axis V of the casing 58 so that the external face of the upstream duct 31 is connected tangentially to the external face of the upstream portion 51 of the casing 58.
  • the flue gas flow from the upstream duct 31 opens into the housing 58 tangentially to the inner face of the wall of its upstream portion 51, and is thus rotated by it.
  • the length of the upstream portion 51 of the housing 58 is variable along its periphery.
  • the upstream duct 31 is connected to the most elongated zone of the upstream portion 51 of the casing 58.
  • the flue gases that open into the casing 58 are driven in a swirling motion of axis V by the cylindrical shape of the upstream portion. 51, while being directed towards the axial outlet 57 of the housing 58 through the bottom wall 59.
  • the reducing agent injection means 35 comprise an injector 55 which is connected to the end of the injection pipe 38.
  • This injector 55 is provided with a body disposed outside the housing 58, and an end nose opening inside the housing 58 via an opening in the center of the bottom wall 59 of this housing.
  • the injector is more precisely arranged so that the jet of reducing agent that it injects into the vortex flow of burned gases is directed in the axis V of the axial outlet 57 of the housing 58.
  • the projection cone has an angle weak opening which makes it possible to disperse the reducing agent homogeneously in the flue gases.
  • the injector 55 is controlled in real time by the electronic control means of the motor 10, so that the amount of injected reducing agent is accurately metered.
  • the exhaust line 30 further comprises a bypass line 39 which originates in the upstream duct 31, upstream of its bent end, and which opens into the bottom wall 59 of the housing 58.
  • the bottom wall 59 presents this effect a secondary inlet made next to the opening made in the center of the bottom wall for the injector 55, so that the flow of flue gases from this bypass pipe reduces the formation of urea crystals and / or polymers in the union flange of the injector and the exhaust line. This flow also prevents any phenomenon of return of the flue gas from the side inlet 56 to the same lateral inlet.
  • the bypass pipe 39 has a diameter approximately 5 times smaller than that of the upstream pipe 31. Its end connected to the bottom wall 59 of the housing 58 extends along an axis U intersecting with the axis V of the reducing agent jet .
  • the downstream duct 32 comprises, in addition to the catalyst SCR 33, a connecting duct 34 which connects the axial outlet of the casing 58 to the inlet of this catalyst.
  • This connecting duct 34 has a divergent conical shape from the axial outlet 57 of the casing 58 to the inlet of the SCR catalyst 33.
  • the widening section of this connecting duct 34 makes it possible to slow down and make the turbulence less turbulent. burned out of the convergent conical central portion 52 of the housing 58.
  • the opening angle of this duct is approximately equal to 7 degrees.
  • the flue gases from the combustion of fresh gas and fuel in the cylinders 11A open into the turbine 72, then into the upstream duct 31. They are thus driven, for the most part, to the side inlet 56 of the housing 58, and for a small part, to the secondary inlet of the housing 58 via the bypass line 39. The majority of the burned gases then rush into the housing 58 and is guided by the cylindrical wall of the upstream portion 51 of the housing 58, which gives it a swirling motion of axis V.
  • the injector 55 injects simultaneously, in the center of this vortex flow of flue gas, the aqueous mixture of urea.
  • the volume of aqueous solution injected is calculated as a function, inter alia, of the flow rate of nitrogen oxides so that, once all of the urea has been transformed, the mixture of ammonia and nitrogen oxides is stoichiometric.
  • the mixture of burnt gases and aqueous urea solution is homogenized in the venturi formed by the central portion 52 of the casing 58.
  • the high temperature of the flue gas allows the urea to be transformed according to the following chemical reactions.
  • the water contained in the aqueous solution of urea evaporates, so that the burned gases contain
  • the temperature of the gases causes a thermolysis of the urea, so that each molecule of urea generates a molecule of ammonia NH 3 and a molecule of isocyanic acid HCNO
  • This acid is then converted into ammonia and carbon dioxide by a hydrolysis reaction.
  • the diameter of the latter 58 is large enough that the aqueous solution of urea is dispersed on a large area. This aqueous solution heats up rapidly in contact with the flue gas, which prevents the isocyanic acid from polymerizing and forming a deposit on this wall.
  • the swirling motion and the acceleration of the flue gases in the venturi formed by the central portion 52 of the housing 58 promote the homogenization of the flow.
  • the length and slowing of the flue gases within the connecting duct 34 increases the residence time of the flue gases to improve the conversion of urea to ammonia.
  • the mixture that enters the SCR catalyst 33 is fairly homogeneous and stoichiometric.
  • the reduction reaction of the nitrogen oxides contained in the flue gases will then be more effective. Releases of ammonia and nitrogen oxides to the atmosphere are minimized.

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Abstract

L'invention concerne une ligne d'échappement (30) d'un moteur à combustion interne (10) comprenant un conduit (31, 32) de circulation de gaz brûlés sur le trajet duquel sont prévus des moyens d'injection (35) d'un agent réducteur, des moyens générateurs de tourbillons (50) et un catalyseur SCR (33). Selon l'invention, lesdits moyens générateurs de tourbillons comportent un boîtier dans lequel débouchent lesdits moyens d'injection, qui présente une sortie axiale raccordée du côté du catalyseur SCR et une entrée latérale raccordée audit conduit selon un axe décalé par rapport à l'axe de la sortie axiale, pour permettre une entrée tangentielle des gaz brûlés dans le boîtier.

Description

Ligne d'échappement de moteur à combustion interne pourvue de moyens de réduction d'oxydes d'azote
/^V*«^^Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention concerne de manière générale la dépollution des gaz brûlés circulant dans une ligne d'échappement de moteur à combustion interne.
Elle concerne plus particulièrement une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant un conduit de circulation de gaz brûlés sur le trajet duquel sont prévus des moyens d'injection d'un agent réducteur, des moyens générateurs de tourbillons et un catalyseur SCR.
Elle concerne également un moteur à combustion interne comprenant un bloc-moteur pourvu de cylindres, une ligne d'admission de gaz frais débouchant dans ces cylindres et une telle ligne d'échappement de gaz brûlés prenant naissance dans les cylindres.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation des moteurs Diesel et des moteurs à allumage commandé fonctionnant à faible richesse.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les gaz brûlés des moteurs à combustion interne contiennent de nombreux polluants qu'il convient de traiter ou de filtrer avant de rejeter ces gaz brûlés dans l'atmosphère. On cherche actuellement en particulier à réduire les émissions d'oxydes d'azote.
Il est pour cela connu de stocker les oxydes d'azote sur un catalyseur SCR, puis de régénérer ce dernier lors de phases spécifiques du moteur. Cette technique est toutefois difficile et coûteuse à mettre en oeuvre.
Il est également connu de traiter les oxydes d'azote en continu, pendant le fonctionnement normal du moteur.
A cet effet, on injecte un agent réducteur dans le conduit d'échappement, en amont d'un catalyseur SCR, à l'aide d'un injecteur disposé dans ce conduit d'échappement. L'injecteur est relié à un réservoir d'agent réducteur et à une pompe. Un système de contrôle pilote le volume d'agent réducteur injecté dans le conduit d'échappement en fonction, entre autres, du débit d'oxydes d'azote circulant dans cette conduite.
L'agent réducteur généralement utilisé est une solution aqueuse d'urée qui, au contact des gaz brûlés, se transforme en ammoniac destiné à réagir dans le catalyseur SCR avec les oxydes d'azote. On comprend que le volume d'agent réducteur injecté dans le conduit d'échappement doit être précisément calculé de manière que le mélange d'ammoniac et d'oxydes d'azote soit stoechiométrique et que la réaction dans le catalyseur SCR soit complète. Un trop grand volume d'agent réducteur injecté provoquerait un rejet d'ammoniac dans l'atmosphère et augmenterait la consommation d'agent réducteur. Un trop faible volume d'agent réducteur injecté engendrerait un rejet d'oxydes d'azote polluants dans l'atmosphère.
Le mélange d'ammoniac et de gaz brûlés doit en outre, à son arrivée dans le catalyseur SCR, être homogène de manière à minimiser les rejets d'ammoniac dans l'atmosphère et à maximiser l'efficacité du traitement des oxydes d'azote.
Il est connu à cet effet de disposer un injecteur au centre du conduit d'échappement de manière que celui-ci disperse uniformément l'agent réducteur dans les gaz brûlés. Toutefois, la tenue thermique de l'injecteur nécessite alors, pour la réalisation de l'injecteur, l'utilisation de matériaux résistants et coûteux.
En outre, dans un tel dispositif, les diamètres des conduits d'échappement étant généralement faibles, une partie de l'agent réducteur peut être projetée sur les parois de ce conduit. Les parois présentant une température inférieure à celle des gaz brûlés, cette température contrarie la transformation de l'urée en ammoniac, ce qui génère sur ces parois une accumulation de cristaux d'urée non transformés et/ou de polymères issus d'une mauvaise transformation de l'urée. Cette accumulation de cristaux d'urée et de polymères présente deux effets néfastes. Tout d'abord, l'urée non transformée génère un manque d'ammoniac dans les gaz brûlés de sorte que le mélange n'est plus stoechiométrique. Il y a donc un rejet d'oxydes d'azote dans l'atmosphère. En outre, cette accumulation, si elle est importante, peut réduire la section d'entrée du catalyseur SCR, voire la boucher.
On connaît du document WO 2006/009056 un dispositif permettant de réduire cette accumulation de polymères et de cristaux d'urée dans le conduit d'échappement. Le dispositif proposé comporte, d'une part, en amont de l'injecteur, une hélice statique qui provoque la mise en rotation et l'homogénéisation des gaz brûlés dans le conduit, et, d'autre part, en aval de cet injecteur, un divergent pour permettre une distribution homogène du mélange à l'entrée du catalyseur SCR. Toutefois, l'injecteur utilisé reste soumis à de très fortes températures dues à sa position au milieu du flux de gaz brûlés. En outre, une telle hélice présente un coût de fabrication et un coût d'assemblage importants. Enfin, il faut assurer un temps de résidence de l'urée dans les gaz brûlés assez grand pour permettre une bonne décomposition en ammoniac. L'urée ne dispose pas, dans ce dispositif, de suffisamment de temps dans le catalyseur pour traiter les oxydes d'azote, ce qui réduit l'efficacité globale du système.
OBJET DE L'INVENTION
Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une ligne d'échappement qui limite la formation de polymères et de cristaux d'urée, qui accroît la durée de circulation des gaz brûlés mêlés à l'urée avant leur entrée dans le catalyseur SCR et qui améliore l'homogénéité des gaz en entrée du catalyseur SCR.
Plus particulièrement, on propose selon l'invention une ligne d'échappement telle que définie dans l'introduction, dans laquelle lesdits moyens générateurs de tourbillons comportent un boîtier dans lequel débouchent lesdits moyens d'injection, qui présente une sortie axiale raccordée du côté du catalyseur SCR et une entrée latérale raccordée audit conduit selon un axe décalé par rapport à l'axe de la sortie axiale, pour permettre une entrée tangentielle des gaz brûlés dans le boîtier.
Le terme « décalé » signifie simplement que les axes ne sont pas sécants. L'entrée étant latérale, ces deux axes ne sont en outre pas parallèles.
Grâce à l'invention, les gaz brûlés qui débouchent dans le boîtier par son entrée latérale sont naturellement entraînés en rotation de manière à sortir par sa sortie axiale. Cette mise en rotation leur permet d'envelopper le jet de d'agent réducteur et de réduire l'impact de l'agent réducteur sur les parois du boîtier. Les tourbillons provoquent alors l'homogénéisation rapide des gaz brûlés avec l'agent réducteur. Cette homogénéisation permet en outre à l'ensemble des oxydes d'azote d'être traités avec efficacité dans le catalyseur SCR.
D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la ligne d'échappement conforme à l'invention sont les suivantes :
- la projection de l'axe de ladite entrée latérale dans un plan qui est parallèle à cet axe et qui comprend l'axe de ladite sortie axiale, forme avec cet axe de la sortie axiale un angle compris entre 15 et 90 degrés ;
- les moyens d'injection débouchent dans le boîtier dans l'axe de la sortie axiale, au travers d'une paroi de fond du boîtier située à l'opposée de la sortie axiale ;
- ladite paroi de fond s'étend dans un plan oblique par rapport à l'axe de la sortie axiale ; et - l'agent réducteur est une solution aqueuse d'urée.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la ligne d'échappement conforme à l'invention, il est prévu une conduite de dérivation qui prend naissance dans le conduit, en amont du boîtier, et qui débouche dans le boîtier, à côté des moyens d'injection, selon un axe sécant avec l'axe de la sortie axiale.
Ainsi, le flux de gaz brûlés qui débouche dans le boîtier par cette conduite de dérivation crée, à l'intérieur du boîtier, un mouvement de gaz qui prévient tout retournement des gaz brûlés issus de l'entrée latérale vers cette même entrée latérale (phénomène dit de « back-flow »). Ce flux réduit aussi la formation de polymères dans la collerette d'union entre l'injecteur et le conduit d'échappement, en augmentant la température de cette zone.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la ligne d'échappement conforme à l'invention, les moyens d'injection comprennent un injecteur pourvu d'un corps disposé à l'extérieur du conduit, et d'un nez d'extrémité débouchant à l'intérieur du boîtier.
Ainsi, le corps de l'injecteur reste à une température relativement basse qui permet, par simple conduction de chaleur, de refroidir le nez d'extrémité. L'injecteur peut ainsi être réalisé tout entier dans un matériau peu coûteux.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la ligne d'échappement conforme à l'invention, le boîtier comporte une enveloppe dont une première partie est cylindrique autour de l'axe de la sortie axiale et dont une autre partie, disposée en aval de la première partie, est conique convergente autour de l'axe de la sortie axiale.
La partie cylindrique, qui est percée de l'entrée latérale, permet d'appliquer un mouvement tourbillonnaire aux gaz brûlés. La partie conique crée un venturi qui accélère le mélange de gaz brûlés et d'agent réducteur. Le mélange devient ainsi turbulent, ce qui améliore son homogénéité.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la ligne d'échappement conforme à l'invention, il est prévu un conduit de jonction conique divergent entre la sortie axiale du boîtier et l'entrée du catalyseur SCR.
Ainsi, grâce à sa forme, ce conduit de jonction rend l'écoulement de gaz brûlés laminaire et plus lent, ce qui augmente le temps disponible pour la transformation de l'urée en ammoniac avant son entrée dans le catalyseur SCR.
L'invention concerne également un moteur à combustion interne qui comprend une telle ligne d'échappement. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un moteur à combustion interne comprenant une ligne d'échappement selon l'invention ; et
- les figures 2 et 3 sont des vues de détail, sous deux angles différents, de la zone II de la figure 1.
Dans la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement des gaz frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés par un catalyseur SCR 33.
Sur la figure 1 , on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 10 de type Diesel, qui comprend un bloc-moteur 11 pourvu ici de quatre cylindres 11 A.
Classiquement, le moteur à combustion interne 10 comporte un dispositif électronique (non représenté) de pilotage de ses différents organes.
En amont des cylindres 11 A, le moteur à combustion interne 10 comporte une ligne d'admission 20 qui comporte un filtre à air 21 qui filtre les gaz frais prélevés dans l'atmosphère. Cette ligne d'admission 20 comporte en outre un compresseur 71 de turbocompresseur 70 qui comprime les gaz frais filtrés par le filtre à air 24, ainsi qu'un refroidisseur d'air principal 22 qui refroidit ces gaz frais comprimés. La ligne d'admission 20 débouche dans un répartiteur d'air 12 qui amène les gaz frais dans chacun des cylindres 11 A du bloc-moteur 11.
En sortie des cylindres 11A, le moteur à combustion interne 10 comporte un collecteur d'échappement 13 de gaz brûlés qui est raccordé à une ligne d'échappement 30 s'étendant jusqu'au catalyseur SCR 33.
Il comporte également une ligne de recirculation 40 des gaz brûlés, appelée ligne EGR, qui comporte un refroidisseur EGR 41 et une vanne EGR 42 de régulation du débit de gaz. Cette ligne prend naissance dans la ligne d'échappement 30, en aval du collecteur d'échappement 13, et débouche dans la ligne d'admission 20, en amont du répartiteur d'air 12.
La ligne d'échappement 30 comporte en particulier, du côté du collecteur d'échappement 13, une turbine 72 qui actionne le compresseur 71. Elle comporte également un conduit 31 , 32 qui s'étend à partir de la sortie de la turbine 72 jusqu'au catalyseur SCR 33. Ce conduit comporte en particulier un conduit amont 31 et un conduit aval 32 séparés par des moyens générateurs de tourbillons 50. Le conduit amont 31 est en outre pourvu d'un dispositif 43 de traitement des hydrocarbures, monoxyde de carbone et particules polluantes.
Le conduit amont 31 est constitué par une simple conduite cylindrique dont l'extrémité raccordée aux moyens générateurs de tourbillons 50 est ici coudée à 90 degrés.
La ligne d'échappement 30 comporte en outre des moyens d'injection 35 d'un agent réducteur. Ces moyens d'injection comprennent de manière classique un réservoir 36 d'agent réducteur, une pompe 37 qui pompe l'agent réducteur dans le réservoir 36 pour l'injecter sous pression dans le conduit aval 32, via une conduite d'injection 38.
L'agent réducteur utilisé est ici une solution aqueuse d'urée. Elle comporte environ un tiers d'urée adaptée, au contact des gaz brûlés, à se transformer en ammoniac qui permet, au sein du catalyseur SCR 33, de réduire les oxydes d'azote polluants compris dans les gaz brûlés.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens générateurs de tourbillons 50 comportent un boîtier 58 dans lequel débouche la conduite d'injection 38, et qui présente une sortie axiale 57 raccordée du côté du catalyseur SCR 33 et une entrée latérale 56 raccordée à l'extrémité coudée du conduit amont 31 selon un axe W décalé par rapport à l'axe V de la sortie axiale 57.
Comme le montrent les figures 2 et 3, le boîtier 58 présente à cet effet une forme allongée selon l'axe V, en trois parties coaxiales juxtaposées. Il présente plus précisément une partie amont 51 cylindrique autour de l'axe V et de diamètre environ égal à 150 millimètres, soit deux à trois fois plus grand que le diamètre du conduit amont 31. Il présente une partie centrale 52 qui est conique convergente autour de l'axe V, c'est-à-dire qui présente une forme de cône tronqué dont la section diminue dans le sens de circulation des gaz brûlés jusqu'à un diamètre environ égal à 50 millimètres. Son angle d'ouverture est environ égal à 30 degrés. Il présente enfin une partie avale 53 cylindrique de révolution autour de l'axe V qui est raccordée au conduit aval 32.
L'extrémité libre de la partie amont 51 est fermée par une paroi de fond 59 qui s'étend selon un plan P1 oblique par rapport à l'axe V. L'angle d'inclinaison A1 de ce plan P1 par rapport au plan normal à l'axe V est ici environ égal à 20 degrés.
L'extrémité libre de la partie avale 53 est en revanche ouverte et forme la sortie axiale 57 du boîtier 58. Elle est bordée d'une bride de fixation permettant de solidariser le boîtier 58 avec le conduit aval 32. Elle pourrait en variante être directement soudée sur le conduit aval 32.
La paroi latérale de la partie amont 51 du boîtier 58 est quant à elle percée d'une ouverture qui forme l'entrée latérale 56 du boîtier 58. Cette ouverture présente une géométrie telle que l'extrémité coudée de la conduite amont 31 peut y être branchée sans que ce branchement n'induise de pertes de charges sur le flux de gaz brûlés.
L'axe W selon lequel le conduit amont 31 est raccordé au boîtier 58 est ici orthogonal à l'axe V du boîtier 58 et n'est pas sécant à celui-ci. Au contraire, l'axe W du conduit amont 31 est décalé par rapport à l'axe V du boîtier 58 de manière que la face externe du conduit amont 31 se branche tangentiellement à la face externe de la partie amont 51 du boîtier 58. Ainsi, le flux de gaz brûlés issu du conduit amont 31 débouche dans le boîtier 58 tangentiellement à la face intérieure de la paroi de sa partie amont 51 , et est ainsi entraîné en rotation par celle-ci.
Du fait de l'inclinaison de la paroi de fond 59 du boîtier 58 par rapport à l'axe V, la longueur de la partie amont 51 du boîtier 58 est variable le long de sa périphérie. Le conduit amont 31 est branché dans la zone la plus allongée de la partie amont 51 du boîtier 58. Ainsi, les gaz brûlés qui débouchent dans le boîtier 58 sont entraînés dans un mouvement tourbillonnaire d'axe V par la forme cylindrique de la partie amont 51 , tout en étant orienté vers la sortie axiale 57 du boîtier 58 par la paroi de fond 59.
Comme le montre plus précisément la figure 3, les moyens d'injection 35 d'agent réducteur comportent un injecteur 55 qui est raccordé à l'extrémité de la conduite d'injection 38.
Cet injecteur 55 est pourvu d'un corps disposé à l'extérieur du boîtier 58, et d'un nez d'extrémité débouchant à l'intérieur du boîtier 58 via une ouverture pratiquée au centre de la paroi de fond 59 de ce boîtier. L'injecteur est plus précisément disposé de manière que le jet d'agent réducteur qu'il injecte dans le flux tourbillonnaire de gaz brûlés soit dirigé dans l'axe V de la sortie axiale 57 du boîtier 58. Le cône de projection présente un angle d'ouverture faible qui permet de disperser de manière homogène l'agent réducteur dans les gaz brûlés. L'injecteur 55 est piloté en temps réel par les moyens électroniques de pilotage du moteur 10, de manière que la quantité d'agent réducteur injecté soit précisément dosée. La ligne d'échappement 30 comporte en outre une conduite de dérivation 39 qui prend naissance dans le conduit amont 31 , en amont de son extrémité coudée, et qui débouche dans la paroi de fond 59 du boîtier 58. La paroi de fond 59 présente à cet effet une entrée secondaire réalisée à côté de l'ouverture pratiquée au centre de la paroi de fond pour l'injecteur 55, de manière que le flux de gaz brûlés issu de cette conduite de dérivation réduise la formation de cristaux d'urée et/ou de polymères dans la collerette d'union de l'injecteur et de la ligne d'échappement. Ce flux empêche en outre tout phénomène de retour des gaz brûlés issus de l'entrée latérale 56 vers cette même entrée latérale. La conduite de dérivation 39 présente un diamètre environ 5 fois inférieur à celui du conduit amont 31. Son extrémité raccordée à la paroi de fond 59 du boîtier 58 s'étend selon un axe U sécant avec l'axe V du jet d'agent réducteur.
Le conduit aval 32 comporte, outre le catalyseur SCR 33, un conduit de jonction 34 qui raccorde la sortie axiale du boîtier 58 à l'entrée de ce catalyseur. Ce conduit de jonction 34 présente une forme conique divergente depuis la sortie axiale 57 du boîtier 58 jusqu'à l'entrée du catalyseur SCR 33. L'élargissement de section de ce conduit de jonction 34 permet de ralentir et de rendre moins turbulents les gaz brûlés sortant de la partie centrale 52 conique convergente du boîtier 58. L'angle d'ouverture de ce conduit est environ égal à 7 degrés.
En fonctionnement, les gaz brûlés issus de la combustion de gaz frais et de carburant dans les cylindres 11A débouchent dans la turbine 72, puis dans le conduit amont 31. Ils sont ainsi conduits, pour une majeure partie, jusqu'à l'entrée latérale 56 du boîtier 58, et, pour une partie minime, jusqu'à l'entrée secondaire du boîtier 58 via la conduite de dérivation 39. La majeure partie des gaz brûlés s'engouffre alors dans le boîtier 58 et est guidée par la paroi cylindrique de la partie amont 51 du boîtier 58, ce qui lui confère un mouvement tourbillonnant d'axe V.
L'injecteur 55 injecte simultanément, au centre de ce flux tourbillonnaire de gaz brûlés, le mélange aqueux d'urée. Le volume de solution aqueuse injecté est calculé en fonction, entre autres, du débit d'oxydes d'azote de manière que, une fois l'ensemble de l'urée transformé, le mélange d'ammoniac et d'oxydes d'azote soit stoechiométrique. Le mélange de gaz brûlés et de solution aqueuse d'urée s'homogénéise dans le venturi formé par la partie centrale 52 du boîtier 58.
La température élevée des gaz brûlés permet à l'urée de se transformer selon les réactions chimiques suivantes. Dans un premier temps, l'eau contenue dans la solution aqueuse d'urée s'évapore, si bien que les gaz brûlés contiennent de l'urée (Nhb^CO. Dans un second temps, la température des gaz provoque une thermolyse de l'urée, si bien que chaque molécule d'urée engendre une molécule d'ammoniac NH3 et une molécule d'acide isocyanique HCNO. Les gaz étant chauds, cet acide se transforme ensuite en ammoniac et en dioxyde de carbone par une réaction d'hydrolyse.
Si, malgré la forme du boîtier 58 et la position de l'injecteur 55, une partie du jet de solution aqueuse impacte les parois du boîtier 58, le diamètre de ce dernier est suffisamment grand pour que la solution aqueuse d'urée soit dispersée sur une grande surface. Cette solution aqueuse chauffe donc rapidement au contact des gaz brûlés, ce qui évite que l'acide isocyanique ne se polymérise et ne forme un dépôt sur cette paroi .
Le mouvement tourbillonnaire et l'accélération des gaz brûlés dans le venturi formé par la partie centrale 52 du boîtier 58 favorisent l'homogénéisation du flux. La longueur et le ralentissement des gaz brûlés au sein du conduit de jonction 34 augmente le temps de résidence des gaz brûlés pour améliorer la transformation d'urée en ammoniac. Ainsi, le mélange qui entre dans le catalyseur SCR 33 est assez homogène et stoechiométrique. La réaction de réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz brûlés sera alors plus efficace. Les rejets d'ammoniac et d'oxydes d'azote dans l'atmosphère sont ainsi minimisés.
La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ligne d'échappement (30) d'un moteur à combustion interne (10) comprenant un conduit (31 , 32) de circulation de gaz brûlés sur le trajet duquel sont prévus des moyens d'injection (35) d'un agent réducteur, des moyens générateurs de tourbillons (50) et un catalyseur SCR (33), caractérisée en ce que lesdits moyens générateurs de tourbillons (50) comportent un boîtier (58) dans lequel débouchent lesdits moyens d'injection (35), qui présente une sortie axiale (57) raccordée du côté du catalyseur SCR (33) et une entrée latérale (56) raccordée audit conduit (31 , 32) selon un axe (W) décalé par rapport à l'axe (V) de la sortie axiale (57), pour permettre une entrée tangentielle des gaz brûlés dans le boîtier (58), et en ce que la ligne d'échappement (30) comporte une conduite de dérivation (39) qui prend naissance dans ledit conduit (31 , 32), en amont du boîtier (58), et qui débouche dans le boîtier (58), à côté des moyens d'injection (35).
2. Ligne d'échappement (30) selon la revendication précédente, dans laquelle la projection de l'axe (W) de ladite entrée latérale (56) dans un plan qui est parallèle à cet axe (W) et qui comprend l'axe (V) de ladite sortie axiale (57), forme avec cet axe (V) de la sortie axiale (57) un angle compris entre 15 et 90 degrés.
3. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'injection (35) débouchent dans le boîtier (58) dans l'axe de la sortie axiale (57), au travers d'une paroi de fond (59) du boîtier (58) située à l'opposée de la sortie axiale (57).
4. Ligne d'échappement (30) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite paroi de fond (59) s'étend dans un plan (P1 ) oblique par rapport à l'axe (V) de la sortie axiale (57).
5. Ligne d'échappement (30) selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel ladite conduite de dérivation (39) débouche dans le boîtier (58) selon un axe (U) sécant avec l'axe (V) de la sortie axiale (57).
6. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'agent réducteur est une solution aqueuse d'urée.
7. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'injection (35) comprennent un injecteur (55) pourvu d'un corps disposé à l'extérieur du conduit (31 , 32), et d'un nez d'extrémité débouchant à l'intérieur du boîtier (58).
8. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le boîtier (58) comporte une enveloppe dont une première partie (51 ) est cylindrique autour de l'axe (V) de la sortie axiale (57) et dont une autre partie (52), disposée en aval de la première partie (51), est conique convergente autour de l'axe (V) de la sortie axiale (57).
9. Ligne d'échappement (30) selon l'une des revendications précédentes, comportant un conduit de jonction (34) conique divergent prévu entre la sortie axiale (57) du boîtier (58) et l'entrée du catalyseur SCR (33).
10. Moteur à combustion interne (10) comprenant une ligne d'admission (20) de gaz frais qui débouche dans des cylindres (11A) d'un bloc moteur (11), caractérisé en ce que les cylindres (11A) débouchent dans une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés selon l'une des revendications 1 à 9.
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