FR2913069A3 - Dispositif d'injection avec protection thermique du nez d'injecteur - Google Patents

Abstract

Le dispositif d'injection est prévu pour injecter un jet (J) d'agent de réaction dans une ligne de circulation de gaz d'un moteur à combustion interne. Il comporte un injecteur (2), un canal d'injection (20) de l'agent de réaction débouchant dans la ligne de circulation par le bout du nez d'injecteur (4) et une bague (3) de protection thermique du nez (4) s'appuyant d'un côté sur un épaulement de l'injecteur (2) par au moins une face d'appui et dotée sur le côté opposé d'un orifice (32) permettant de laisser passer un jet d'agent de réaction. Cette bague comprend au moins un corps (C) intermédiaire entre la face d'appui et l'extrémité incluant l'orifice, ce corps (C) formant une interface thermiquement conductrice entre le nez d'injecteur (4) et un support de refroidissement.La bague est monobloc et emmanchée sur le nez (4) d'injecteur pour transmettre la chaleur (par conduction) vers le support (S).

Description

Dispositif d'injection avec protection thermique du nez d'injecteur

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne, dans le domaine des moteurs à combustion interne, un dispositif d'injection d'un agent de réaction.

L'invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif d'injection avec protection thermique du nez d'injecteur. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les injecteurs connus ont généralement une extrémité en saillie dans une conduite ou une chambre où doit se produire une réaction. Les injecteurs sont plus particulièrement implantés dans la culasse ou dans la ligne d'échappement, pour fournir un agent réactif depuis leur extrémité en saillie, sous la forme d'un jet. Ainsi, l'agent réactif peut se mélanger rapidement et de façon homogène et la réaction peut se produire de manière satisfaisante.

Cependant, les injecteurs subissent des conditions difficiles, notamment en terme de chaleur (problème de tenue des matériaux) et en terme d'encrassement. Ceci limite le niveau de température admissible pour un injecteur. On comprend que le dépassement du cahier des charges thermique pose des problèmes de fiabilité : - encrassement du nez par le coking (problème d'injection) ; fiabilité du mécanisme de l'aiguille pour la tenue des matériaux (risque d'incendie du à une fuite à l'injecteur). Dans ces conditions très sévères d'implantation dans la culasse ou la ligne d'échappement, les injecteurs sont particulièrement fragilisés au niveau de leur extrémité libre (le nez de l'injecteur est la partie la plus exposée et donc la plus fragile). Pour les injecteurs injectant dans la culasse, le nez est refroidi en grande partie par la circulation du gazole, de sorte que la fiabilité n'est pas trop réduite. En revanche, le problème se pose de façon plus aiguë f 2 7 pour les injecteurs qui fonctionnent par intermittence, par exemple pour déclencher une phase de régénération de Filtre À Particules (FAP). II est connu dans l'art antérieur, par le document JP 2002 151734 ou son équivalent EP 1 138 891, un système d'injection dans lequel l'injecteur est encastré dans une position de retrait à l'intérieur d'une paroi interne du conduit d'échappement, pour ne pas subir certains effets préjudiciables de la chaleur. Un passage de dérivation vers cet injecteur encastré est prévu pour guider le jet de carburant vers le conduit d'échappement. L'inconvénient de ce système est que le jet délivré depuis le passage étroit de dérivation ne peut pas permettre un mélange homogène entre l'agent injecté et les gaz circulant dans la conduite. Les parois du passage étroit reçoivent une partie du jet et un film liquide se forme. Dans le cas d'une injection dans le conduit d'échappement, en amont d'un dispositif antipollution, ce liquide va couler vers le dispositif antipollution. Les performances d'un catalyseur de ce dispositif antipollution ne pourront donc pas être optimales et il y aura de toute façon une surconsommation de l'agent injecté.

II est également connu, selon un montage conventionnel d'un injecteur, de placer l'extrémité d'injection en léger retrait ou à un niveau affleurant avec les parois internes du conduit d'échappement. Cependant, les gaz chauds apportent tout de même de la chaleur au niveau de cette extrémité et l'injecteur concentre une importante quantité de chaleur qui provoque des problèmes de fiabilité. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION

La présente invention a pour but de pallier un ou plusieurs 25 inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif d'injection suffisamment résistant et fiable pour être implanté dans la culasse ou dans un conduit d'échappement soumis à des conditions très sévères (chaleur, particules résiduelles).

Ce but est atteint par un dispositif d'injection pour injecter un agent de 30 réaction dans une ligne de circulation de gaz d'un moteur à combustion interne, le dispositif comportant au moins un injecteur relié à une source d'agent de réaction et incluant une extrémité libre formant un nez d'injecteur, un canal d'injection de l'agent de réaction débouchant dans la ligne de circulation par une première zone du bout du nez d'injecteur, caractérisé en ce qu'il comporte une bague de protection thermique du nez d'injecteur s'appuyant d'un côté sur un épaulement de l'injecteur par au moins une face d'appui et dotée sur le côté opposé d'un orifice permettant de laisser passer un jet d'agent de réaction, la bague comprenant au moins un corps intermédiaire entre la face d'appui et l'extrémité incluant l'orifice, ce corps intermédiaire formant une interface thermiquement conductrice entre le nez d'injecteur et un support de refroidissement. Ainsi, il est avantageusement permis de dissiper la chaleur apportée par les gaz chauds par la bague qui protège le nez d'injecteur, cette bague pouvant être en contact avec une grande surface d'échange.

Selon une autre particularité, la bague est une pièce monobloc thermiquement conductrice et emmanchée sur le nez de l'injecteur, la bague étant intercalée entre une partie cylindrique du nez d'injecteur et le support refroidi par un fluide de refroidisserent. Selon une autre particularité, l'injecteur diffuse le jet depuis la première zone, l'orifice étant délimité par au moins un bord distant du nez d'injecteur et recouvrant une seconde zone du bout du nez d'injecteur entourant la première zone. Selon une autre particularité, ledit bord est formé dans un rétrécissement de section de la bague.

Selon une autre particularité, la seconde zone et la première zone du bout du nez sont concentriques et orientées dans une même direction. Selon une autre particularité, la distance entre l'épaulement de l'injecteur et l'extrémité libre de l'injecteur incluant une buse est légèrement supérieure à la longueur recouverte par la bague, de sorte que le nez d'injecteur coupe à son extrémité un plan d'affleurement situé au niveau du bord.

Selon une autre particularité, la bague comprend une collerette pour s'appuyer sur l'épaulement de l'injecteur et, à l'opposé de la collerette, une portion tronconique. Selon une autre particularité, la plus petite section de la portion tronconique est prolongée vers l'intérieur par un disque protecteur formant une face opposée à la face d'appui. Selon une autre particularité, la collerette forme un joint d'étanchéité. Selon une autre particularité, la bague de protection thermique est essentiellement constituée de cuivre, tandis que le nez d'injecteur est constitué d'acier inoxydable. Le dispositif d'injection peut avantageusement être implanté dans une culasse d'un moteur thermique, au niveau d'une chambre de combustion ou alternativement dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique. L'invention avec ses caractéristiques et avantages ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre une vue en coupe d'un dispositif d'injection selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple d'implantation d'un dispositif d'injection selon l'invention - les figures 3A et 3B représentent l'emmanchement d'une bague de protection thermique sur un nez d'injecteur pour former un dispositif d'injection selon l'invention la figure 4 illustre un dispositif d'injection de l'art antérieur ; la figure 5 représente un mode de réalisation d'un dispositif d'injection selon l'invention - la figure 6 illustre une vue inférieure et une vue en coupe longitudinale d'une bague de protection apte à s'intercaler entre un nez d'injecteur et un support refroidi ; - la figure 7 montre une vue éclatée pour l'implantation d'un dispositif d'injection selon l'invention dans une ligne d'échappement.

DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION Le dispositif d'injection permet d'injecter un agent de réaction dans une ligne de circulation de gaz (G) d'un moteur thermique (M). Il comporte au moins un injecteur (2) relié à une source d'agent de réaction. L'extrémité libre de l'injecteur forme un nez d'injecteur (4). Comme illustré à la figure 1, un canal d'injection (20) de l'agent de réaction débouche dans la ligne de circulation de circulation de gaz (G) par le bout du nez d'injecteur (4). Selon l'implantation du dispositif d'injection, la chaleur à laquelle doit faire face le dispositif peut provenir des gaz chauds circulant au niveau de l'entrée d'une chambre de combustion ou des gaz d'échappement. Le dispositif d'injection selon l'invention prévoit une bague (3) thermiquement conductrice emmanchée sur le nez (4) de l'injecteur (2) pour dissiper la chaleur (par conduction) vers un support (S) qui est refroidi par un fluide de refroidissement. La bague (3) est par exemple intercalée entre une partie cylindrique du nez d'injecteur (4) et le support (S) refroidi, comme illustré à la figure 5. Cette bague (3) assure une protection thermique pour le nez (4) de l'injecteur (2) puisqu'elle dissipe la chaleur provenant de la ligne de circulation des gaz chauds et recouvre en quasi-totalité le nez d'injecteur (4), à l'exception d'un orifice (32) permettant de laisser passer un jet d'agent de réaction. De manière non limitative, la bague (3) est de préférence une pièce monobloc. La comparaison entre les figures 4 et 5 permet d'illustrer la protection thermique assurée selon l'invention (figure 5) pour le nez d'injecteur. En référence à la figure 4 relative à un mode de réalisation connu, on constate que c'est par l'intermédiaire d'une rondelle d'étanchéité (Re) que le support ayant une fonction de culasse peut refroidir l'injecteur. Lorsqu'il n'y a pas de circulation de gazole en continu dans l'injecteur (2), celui-ci n'est refroidi que par l'intermédiaire de ce support, dont le refroidissement est assuré par eau ou par air. Par conséquent la chaleur (Q) fourni par les gaz chauds est transmise dans tout le nez d'injection, comme indiquée par la succession de flèches, et dissipée via la rondelle d'étanchéité par une faible surface d'échange (SE). Cette surface d'échange (SE) correspond à un épaulement du support sur lequel vient s'appuyer la rondelle d'étanchéité, l'injecteur étant par ailleurs positionné par une paroi de guidage (GI) du support. L'échange thermique direct entre le nez de l'injecteur et le support formant culasse n'est pas réalisable car le centrage de l'injecteur dans le support s'effectue par un diamètre situé en partie haute de l'injecteur, au niveau de la paroi de guidage (GI) indiquée sur la figure 4. Un jeu est nécessaire dans ce cas entre le nez de l'injecteur et son logement afin d'éviter un montage hyperstatique et un risque de blocage de l'aiguille interne du système d'injection. En référence à la figure 4, le chemin d'évacuation de la chaleur emmagasinée par le nez de l'injecteur est complexe. Pour parvenir jusqu'à la culasse, la chaleur remonte via le nez de l'injecteur et passe au travers de la rondelle d'étanchéité (Re). La conduction de la chaleur est entravée par une restriction de section au niveau de la rondelle d'étanchéité. Comme le chemin à parcourir est important, la conductivité du nez n'est pas bonne. En référence aux autres figures que la figure 4, il est proposé selon l'invention d'établir un contact bine plus direct entre le nez (4) de l'injecteur (2) et la culasse refroidie ou support (S) de refroidissement. Avec ce type de solution, le chemin emprunté par la chaleur est plus court (pour parvenir jusqu'au support (S) et la surface d'échange (SE') est plus grande, comme illustré aux figures 5 et 7. Le chemin d'échange thermique est plus direct en ce sens que la chaleur passe du nez (4) de l'injecteur (2) vers le support (S) de type culasse refroidie par l'intermédiaire de la bague conductrice qui est en contact à la fois avec le support (S) et avec le nez (4). Autrement dit, la résistance thermique du nez (4) de l'injecteur (2) est court-circuitée . L'exemple de dispositif d'injection illustré dans les figures 1, 2 et 5 permet de mieux dissiper la chaleur et de réduire considérablement le contact direct entre le nez d'injecteur (4) et les gaz chauds. La bague (3) recouvre tout le nez d'injecteur (4) à l'exception d'une première zone (41) du bout du nez d'injecteur (4) par laquelle le canal d'injection (20) débouche. En référence aux figures 3A, 3B et 6, cette première zone (41) est découverte grâce à un orifice (32), de préférence central, situé à l'extrémité la plus étroite de la bague (3). Une seconde zone (42) du bout du nez d'injecteur (4) entourant la première zone (41) est recouverte par un disque protecteur (35). Du côté de son extrémité de plus grande section, la bague (3) de protection thermique du nez d'injecteur (4) s'appuie sur un épaulement (E) de l'injecteur (2) par au moins une face d'appui. Dans l'exemple des figures, l'orifice (32) de sortie permettant à la buse d'injecter le jet (J) a un diamètre inférieur à l'orifice formé au niveau de la face d'appui. La bague (3) comprend au moins un corps (C) intermédiaire entre la face d'appui et l'extrémité incluant l'orifice (32) de sortie. Ce corps (C) intermédiaire forme une interface thermiquement conductrice entre le nez d'injecteur (4) et le support (S) de refroidissement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la bague (3) de protection thermique est essentiellement constituée de cuivre, tandis que le nez d'injecteur (4) est constitué d'acier inoxydable. On comprend que la bague (3) doit être réalisée dans un matériau à haute conductivité thermique. Le disque protecteur (35) forme une face opposée à la face d'appui pour recouvrir et protéger le bout du nez (4) de l'injecteur (2). Le bord (33) délimitant l'orifice (32) de sortie peut être de type tronconique et recouvre la seconde zone (42) du bout du nez d'injecteur (4), périphérique à la première zone (41) centrale. Cette seconde zone (42) et la première zone (41) du bout du nez sont par exemple concentriques et orientées dans une même direction. Le bord (33) est distant du bout du nez d'injecteur (4) et recouvre donc à distance le pourtour de la zone (41) d'injection. Ce bord (33) formé dans le rétrécissement de section de la bague (3) ne touche donc pas le bout du nez (4), afin de ne pas contraindre ce dernier au montage. Comme illustré notamment aux figures 1, 5 et 6, la bague (3) comprend une collerette (30) pour s'appuyer sur l'épaulement (E) de l'injecteur (2). A l'opposé de cette collerette (30), la bague (3) comprend une portion tronconique (tc) pour épouser le bout du nez (4) de l'injecteur (2). La plus petite section de la portion tronconique (tc) peut être prolongée vers l'intérieur par le disque protecteur (35). En référence à la figure 1, il existe un jeu (e) entre le disque protecteur (35) qui prolonge radialement la portion tronconique (tc) et la zone (42) en vis-à-vis du bout du nez (4). En référence aux figures 3A et 3B la distance (L1) entre l'épaulement (E) de l'injecteur (2) et l'extrémité libre de l'injecteur (2) où est placée la buse est par exemple légèrement supérieure à la longueur (L2) recouverte par la bague (3). Dans ce cas, le bout du nez (4) peut dépasser légèrement de la bague (3). En référence aux figures 3A, 3B et 6, la bague (3) peut être montée par l'extrémité d'injection sur le nez (4) de l'injecteur (2). Elle comporte un alésage (34) qui forme un logement pour le nez (4) de l'injecteur (2), une collerette (30) en partie supérieure en contact avec le support (S) et avec un épaulement (E) de l'injecteur (2) délimitant la base du nez (4). La bague (3) ne peut ainsi pas glisser vers la ligne de circulation des gaz (G) puisque la collerette (30) est retenue par des butées du support (S). La collerette (30) assure en outre une fonction d'étanchéité. En référence aux figures 5 et 7, le ou les joint(s) d'étanchéité (Je) placé(s) contre le support (S) comprennent une ouverture (0) pour laisser passer le jet. La restriction coté nez (4) dans la bague (3), avec la portion de type tronconique (tc) prolongée par le disque protecteur (35), permet protéger le bout du nez (4) de la thermique générée par les gaz (en particulier les gaz d'échappement, comme illustré dans l'exemple de la figure 2). D'autres formes de restriction peuvent naturellement être prévues pour protéger au mieux le bout du nez (4). Cette restriction permet également d'assurer un détrompage (rendant l'erreur impossible pour la connexion) au moment de la mise en place de la bague (3) sur le nez (4) de l'injecteur (2). En effet, le bout du nez (4) est de type conique. La bague (3) comprend un diamètre extérieur au maxi matière (principe du maximum de matière) pour assurer un montage sans contrainte dans la culasse ou support (S) refroidi. Dans le type d'implantation illustré sur la figure 2, le dispositif selon l'invention comprend un conduit d'échappement (1) transportant des gaz brûlés (G) entre une sortie (Si) d'un moteur (M) à combustion interne, par exemple, un moteur Diesel, et une sortie (S2) de la ligne d'échappement. Le sens d'écoulement des gaz brûlés (G) est indiqué par une flèche transparente en double ligne et s'opère de gauche à droite sur la figure 2. Le conduit d'échappement (1) dispose d'un axe privilégié (AB) pouvant coïncider ou non avec son axe de symétrie. De manière connue, le conduit d'échappement (1) se présente comme un corps tubulaire dont la section dans le plan perpendiculaire à l'axe privilégié (AB) du conduit (1) peut présenter des profils quelconques compatibles à l'écoulement d'un fluide tel qu'un gaz d'échappement. Dans ce cas de figure, l'injecteur (2) permet d'injecter un agent réducteur (par exemple, hydrocarbure, urée) à l'intérieur du conduit d'échappement (1) directement dans l'écoulement de gaz brûlés (G). L'injecteur (2) est naturellement relié à au moins une source d'agent réducteur (non représenté). Le mélange (Z) réactionnel est d'autant plus homogène que l'injecteur (2) est bien placé et fonctionne correctement. La bague (3) de protection thermique améliore la tenue de l'injecteur et empêche la formation de coking sur le nez (4) de l'injecteur (2). Le jet de l'agent réducteur (J) pénètre dans le conduit d'échappement (1) via le canal d'injection (20), en traversant l'orifice (32) d'extrémité de la bague (3). Le canal d'injection (20) dispose d'un axe privilégié qui peut se confondre avec son axe de symétrie, et avec l'axe privilégié de l'injecteur (2).

En référence à la figure 2, un dispositif antipollution comprenant, par exemple, un ou plusieurs modules, peut être installé dans le conduit d'échappement en aval de l'injecteur (2) par rapport au sens d'écoulement des gaz brûlés (G). Un premier module du dispositif antipollution disposé à l'entrée du dispositif antipollution par rapport au sens d'écoulement des gaz brûlés (G) dans le conduit d'échappement (1), comprend au moins un catalyseur (T) de régénération du dispositif antipollution, par exemple, un catalyseur (T) d'oxydation. Un second module (non représenté sur la figure) du dispositif antipollution peut être disposé en aval du catalyseur (T). Ce second module comprend au moins un filtre à particules et/ou au moins un piège à NOx et/ou au moins un module SCR (en anglais Selective Catalytic Reduction ) et/ou au moins un autre dispositif similaire. II s'agit des moyens antipollution connus par un homme du métier pour réduire les émissions polluantes (NOx, SOx, des particules etc.) lors de la traversée du conduit d'échappement (1) par les gaz brûlés (G) sortant du moteur (M) à combustion interne. Le dispositif d'injection selon l'invention, avec la bague (3) de protection thermique permet de placer l'injecteur à contre-courant par rapport à la circulation de gaz. Le dispositif peut être placé dans une cavité du conduit (1), comme illustré dans l'exemple de la figure 2 (implantation du nez dans une zone de vitesse de gaz réduite). Quelle que soit l'orientation de l'injecteur (2), la bague peut être interposée entre une partie cylindrique du nez d'injecteur (4) et le support (S) refroidi par un fluide de refroidissement (eau, air par exemple). Ce support (S) peut être la partie de culasse dans laquelle est introduit l'injecteur (2). En résumé, le dispositif selon l'invention permet de favoriser l'échange thermique avec une bague (3) de conception relativement aisée, sans requérir de modification particulière dans le mode d'implantation de l'injecteur (2). Ce type de dispositif permet donc une grande flexibilité d'implantation de l'injecteur (2) et la durée de vie de l'injecteur est considérablement accrue. II doit être évident pour les personnes du métier que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'injection pour injecter un agent de réaction dans une ligne de circulation de gaz (G) d'un moteur à combustion interne (M), le dispositif comportant au moins un injecteur (2) relié à une source d'agent de réaction et incluant une extrémité libre formant un nez d'injecteur (4), un canal d'injection (20) de l'agent de réaction débouchant dans la ligne de circulation par une première zone (41) du bout du nez d'injecteur (4), caractérisé en ce qu'il comporte une bague (3) de protection thermique du nez d'injecteur (4) s'appuyant d'un côté sur un épaulement (E) de l'injecteur (2) par au moins une face d'appui et dotée sur le côté opposé d'un orifice (32) permettant de laisser passer un jet d'agent de réaction, la bague (3) comprenant au moins un corps (C) intermédiaire entre la face d'appui et l'extrémité incluant l'orifice (32), ce corps (C) intermédiaire formant une interface thermiquement conductrice entre le nez d'injecteur (4) et un support (S) de refroidissement.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la bague (3) est une pièce monobloc thermiquement conductrice et emmanchée sur le nez (4) de l'injecteur (2), la bague (3) étant intercalée entre une partie cylindrique du nez d'injecteur (4) et le support (S) refroidi par un fluide de refroidissement.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'injecteur (2) diffuse le jet depuis la première zone (41), l'orifice (32) étant délimité par au moins un bord (33) distant du nez d'injecteur (4) et recouvrant une seconde zone (42) du bout du nez d'injecteur (4) entourant la première zone (41).

4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ledit bord (33) est 25 formé dans un rétrécissement de section de la bague (3).

5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la seconde zone (42) et la première zone (41) du bout du nez sont concentriques et orientées dans une même direction.

6. Dispositif selon une des revendications 1 à 5, dans lequel la distance (L1) entre l'épaulement (E) de l'injecteur (2) et l'extrémité libre de l'injecteur (2) incluant une buse est légèrement supérieure à la longueur (L2) recouverte par la bague (3).

7. Dispositif selon une des revendications 1 à 6, dans lequel la bague (3) comprend une collerette (30) pour s'appuyer sur l'épaulement (E) de l'injecteur (2) et, à l'opposé de la collerette (30), une portion tronconique (tc).

8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la plus petite section de la portion tronconique (tc) est prolongée vers l'intérieur par un disque protecteur (35) formant une face opposée à la face d'appui.

9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la collerette (30) forme un joint d'étanchéité.

10. Dispositif selon une des revendications 1 à 9, dans lequel la bague (3) de protection thermique est essentiellement constituée de cuivre, tandis 15 que le nez d'injecteur (4) est constitué d'acier inoxydable.

11. Utilisation du dispositif selon une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le dispositif d'injection est implanté dans une culasse d'un moteur thermique, au niveau d'une chambre de combustion.

12. Utilisation du dispositif selon une des revendications 1 à 10, 20 caractérisée en ce que le dispositif d'injection est implanté dans une ligne d'échappement d'un moteur thermique.