FR2920472A1

FR2920472A1 - Exhaust system for turbo-charged heat engine, has rectifier rectifying flow of clean exhaust gas in exhaust conduit before exhaust gas enters into oxidation catalyst, for breaking turbulent flow generated by rotation of turbine

Info

Publication number: FR2920472A1
Application number: FR0757344A
Authority: FR
Inventors: Franck Alizon; Julien Ange Maestroni
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2009-03-06
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: FR2920472B1

Abstract

The system has a fuel injector (8) arranged between a turbine (6) of a turbocharger and a catalytic anti-pollution unit i.e. oxidation catalyst (12), along an exhaust conduit (4). A straightener (16) straightens flow of clean exhaust gas in the exhaust conduit before the exhaust gas enters into the oxidation catalyst, for breaking a turbulent flow generated by the rotation of the turbine. The straightener is arranged between the turbine and a bend of the exhaust conduit in a direction of the oxidation catalyst.

Description

- 1 - DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT DE MOTEUR THERMIQUE - 1 - THERMAL ENGINE EXHAUST DEVICE

La présente invention concerne la dépollution des moteurs thermiques, en particulier des moteurs Diesel turbocompressés, associés à un filtre à particules. Elle a pour objet un dispositif d'échappement de moteur thermique turbocompressé comportant, le long du conduit d'échappement, un injecteur de carburant situé entre une turbine du turbocompresseur et un organe de dépollution catalytique, et un filtre à particules (FAP). Les filtres à particules piègent les polluants, mais ne les traitent que lors des phases de régénération, correspondant à des modes de combustion spécifiques. Les régénérations du filtre à particules sont généralement déclenchées par des injections tardives de carburant dans les chambres de combustion du moteur, associées ou non à des injections dans la ligne d'échappement du moteur. La réaction du carburant injecté, dans le catalyseur d'oxydation, dégage de la chaleur, qui permet d'atteindre, en entrée du filtre à particules, une température de l'ordre de 650°C, assurant la combustion des particules à l'intérieur du filtre. Lors de l'injection à l'échappement, le carburant s'évapore, et est entraîné par les gaz d'échappement vers le catalyseur d'oxydation, tout en se mélangeant à ces derniers. Cependant, une fraction du carburant liquide ne s'évapore pas, et se dépose sur les parois de la ligne d'échappement. De plus, la richesse du mélange en entrée du catalyseur, n'est pas uniforme. - 2 Dans ces conditions, la régénération du filtre n'est pas homogène. Des gradients thermiques trop importants au sein de celui-ci peuvent endommager la structure du filtre, et conduire à sa fissuration, notamment en cas d'emballement de la régénération. Par ailleurs, les régénérations hétérogènes en température sont plus longues que les régénérations homogènes. Il a déjà été proposé d'améliorer le mélange air/réducteur dans le conduit d'échappement, en coudant le conduit pour créer dans la ligne d'échappement où le carburant est injecté, un mouvement de type swirl , propre à favoriser le mélange du carburant avec les gaz. The present invention relates to the depollution of heat engines, in particular turbocharged diesel engines, associated with a particulate filter. It relates to a turbocharged engine exhaust system having, along the exhaust duct, a fuel injector located between a turbocharger turbine and a catalytic pollution control member, and a particulate filter (FAP). Particulate filters trap pollutants, but treat them only during regeneration phases, corresponding to specific modes of combustion. Particle filter regenerations are usually triggered by late fuel injections into the engine's combustion chambers, whether or not associated with injections into the engine exhaust line. The reaction of the injected fuel in the oxidation catalyst releases heat, which makes it possible to reach, at the inlet of the particle filter, a temperature of the order of 650 ° C., ensuring the combustion of the particles at the inside the filter. During the exhaust injection, the fuel evaporates, and is driven by the exhaust gas to the oxidation catalyst, while mixing with them. However, a fraction of the liquid fuel does not evaporate, and is deposited on the walls of the exhaust line. In addition, the richness of the input mixture of the catalyst is not uniform. Under these conditions, the regeneration of the filter is not homogeneous. Too great thermal gradients within it can damage the structure of the filter, and lead to cracking, especially in case of runaway regeneration. In addition, the heterogeneous regenerations in temperature are longer than the homogeneous regenerations. It has already been proposed to improve the air / reductant mixture in the exhaust duct, by bending the duct to create in the exhaust line where the fuel is injected, a swirl type of movement, suitable for promoting the mixing of the fuel. fuel with the gases.

Mais, l'efficacité des coudes est rarement optimale. En effet, elle dépend de la structure de l'écoulement en amont du dispositif. Le régime de rotation du turbo variant très fortement sur le domaine d'activation de l'injection à l'échappement, la génération et la propagation d'un mouvement de type swirl dans le reste de la ligne d'échappement, peut être abaissée de façon conséquente, voire désamorcée sur certains points de fonctionnement du moteur. Une autre solution, illustrée par la publication US200211916, consiste à placer une grille en travers du conduit d'échappement. Cette grille est destinée à mélanger le carburant injecté aux gaz d'échappement, mais, elle n'est pas associée à une turbine de turbocompresseur, et ne permet pas de redresser un flux tourbillonnaire, tel que celui qui est issu d'une turbine de turbocompresseur. La présente invention vise à réduire les risques de régénérations hétérogènes sur un filtre à particules - 3 de moteur turbocompressé, par un contrôle des gradients thermiques du gaz arrosant l'entrée du filtre à particules. Dans ce but, elle propose de disposer dans le conduit d'échappement, en sortie immédiate de la turbine du turbocompresseur, des moyens de redressement de flux, propres à casser, avant son entrée dans le catalyseur, les mouvements tourbillonnaires générés par la turbine, dans le flux des gaz d'échappement. De préférence, le conduit est occupé, sur une partie de sa longueur, par un redresseur, définissant sur l'ensemble de la section du conduit, des canaux longitudinaux parallèles à l'axe du conduit. But, the effectiveness of the elbows is rarely optimal. Indeed, it depends on the structure of the flow upstream of the device. The rotational speed of the turbo varying very strongly over the activation area of the exhaust injection, the generation and propagation of a swirl-type movement in the rest of the exhaust line, can be lowered from consistent, or even defused on some points of operation of the engine. Another solution, illustrated by the publication US200211916, consists in placing a grid across the exhaust duct. This grid is intended to mix the injected fuel with the exhaust gases, but, it is not associated with a turbocharger turbine, and does not allow to straighten a vortex flow, such as that which is derived from a turbocharger. turbocharger. The present invention aims to reduce the risks of heterogeneous regeneration on a turbocharged engine particulate filter - 3, by controlling the thermal gradients of the gas watering the inlet of the particulate filter. For this purpose, it proposes to dispose in the exhaust duct, at the immediate outlet of the turbine of the turbocharger, flow recovery means, able to break, before entering the catalyst, the vortex movements generated by the turbine, in the exhaust stream. Preferably, the duct is occupied, over part of its length, by a rectifier, defining over the entire section of the duct, longitudinal channels parallel to the axis of the duct.

Le redresseur est avantageusement disposé entre la turbine et un premier coude du conduit en direction d'un organe de dépollution Ces mesures permettent de rendre robuste la génération de swirl dans la ligne d'échappement, en 20 aval du redresseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins 25 annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'architecture simplifiée de contrôle moteur post-traitement, -la figure 2 détaille la structure du redresseur de flux de gaz d'échappement, et 30 - les figures 3A et 3B sont des coupes transversales du redresseur, illustrant deux autres modes de réalisation de celui-ci. - 4 - Sur la figure 1, on a fait apparaître schématiquement un bloc moteur 1, avec son collecteur d'admission 2 et son collecteur d'échappement 3. Sur la ligne d'échappement 4, est placée la roue de la turbine 6 d'un turbocompresseur, reliée mécaniquement à la roue de compresseur 7 de celui-ci, située en amont du collecteur d'admission 2. En aval de la turbine 6, on trouve un injecteur de carburant à l'échappement, ou cinquième injecteur 8, destiné à provoquer la régénération du filtre à particules 11, par élévation de la température dans le catalyseur d'oxydation 12 précédant celui-ci. Le catalyseur d'oxydation peut par exemple être intégré au filtre à particules, sous la forme d'un filtre à particules catalytique. The rectifier is advantageously disposed between the turbine and a first bend of the duct towards a depollution member. These measurements make it possible to make the generation of swirls in the exhaust line robust downstream of the rectifier. Other characteristics and advantages of the invention will become clear from reading the following description of a nonlimiting embodiment thereof, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagram of simplified architecture for post-processing engine control, FIG. 2 details the structure of the exhaust gas flow rectifier, and FIGS. 3A and 3B are cross-sections of the rectifier, illustrating two other embodiments of FIG. this one. FIG. 1 schematically shows an engine block 1, with its intake manifold 2 and its exhaust manifold 3. On the exhaust line 4, the turbine wheel 6 is located. a turbocharger, mechanically connected to the compressor wheel 7 thereof, located upstream of the intake manifold 2. Downstream of the turbine 6, there is an exhaust fuel injector, or fifth injector 8, intended to cause the regeneration of the particulate filter 11, by raising the temperature in the oxidation catalyst 12 preceding it. The oxidation catalyst may for example be integrated in the particulate filter, in the form of a catalytic particle filter.

Deux capteurs de température (TeDOC et TeFAP) 13, 14, en entrée et en sortie du catalyseur 12 informent le calculateur du moteur (Engine Control Unit ou ECU) 10, qui pilote, en fonction des informations reçues, la pompe d'alimentation 9, du cinquième injecteur 8. Two temperature sensors (TeDOC and TeFAP) 13, 14, at the input and at the output of the catalyst 12 inform the engine control unit (Engine Control Unit or ECU) 10, which, according to the received information, controls the feed pump 9 of the fifth injector 8.

Enfin, le conduit 4 porte un organe de redressement 16, du flux d'air sortant de la turbine 6, dont la structure est détaillée sur les figures 2 à 3B. Le redresseur 16 est placé en aval de la roue de turbine 6. Il peut avantageusement être disposé entre la turbine 6 et un premier coude 4a du conduit 4, en direction d'un organe de dépollution tel que le catalyseur 12. Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 2, le redresseur 16 est fixé sur la bride de sortie 17 du carter de turbocompresseur 6a, au moyen d'une entretoise 18. En variante, il peut être accroché à un joint métallique ou associée à d'autres moyens de fixation ou d'intégration sur le conduit, non - 5 représentés. La pièce 16 ne remplit pas une fonction de mélangeur. Son rôle est de redresser le flux de gaz d'échappement, en cassant le swirl généré par la rotation de la turbine, offrant ainsi, en aval de cette pièce, une structure aérodynamique semblable, quelle que soit la vitesse de rotation de la turbine. Les figures 2 à 3B illustrent trois modes de réalisation du redresseur 16. Une structure de type nid d'abeille avec des canaux de section quadrangulaires, telle que montrée sur la figure 2, est particulièrement adaptée au besoin. Toutefois, d'autres structures alvéolées, telles que des cellules hexagonales illustrées par la figure 3A, triangulaires (figure 3B), ou autres, peuvent être utilisées sans sortir du cadre de l'invention. Compte tenu de l'ampleur du mouvement de swirl généré par la turbine, la densité de canaux dans le redresseur peut être relativement faible, de manière à limiter les pertes de charge induites. Ainsi, des cellules larges d'environ 5mm offrent notamment une efficacité suffisante, sans dégrader fortement la perméabilité du conduit. Toutefois, cette valeur n'a qu'une valeur indicative, qui peut évoluer selon les architectures concernées. La longueur optimale des canaux dépend de leur nombre. Un compromis satisfaisant doit donc être trouvé entre l'efficacité du redressement, et les pertes de charge sur la ligne d'échappement. A titre d'exemple, avec une densité de cellule assez faible (taille des cellules d'environ 5mm) la longueur des canaux peut être équivalente au diamètre du conduit 4. Enfin, le matériau retenu pour cette pièce doit posséder de bonnes caractéristiques mécaniques aux fortes températures en atmosphère oxydante, s'élevant jusqu'à 650 ou 700°C. En conclusion, le dispositif proposé trouve une application sur toute ligne d'échappement de moteur turbocompressé, munie d'un système post traitement avec un injecteur additionnel à l'échappement. Ce dispositif permet d'optimiser le processus de régénération du filtre à particules, sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur. Finally, the duct 4 carries a rectifying member 16, the air flow leaving the turbine 6, whose structure is detailed in Figures 2 to 3B. The rectifier 16 is placed downstream of the turbine wheel 6. It can advantageously be disposed between the turbine 6 and a first bend 4a of the duct 4, in the direction of a depollution device such as the catalyst 12. In the non-limiting embodiment of Figure 2, the rectifier 16 is fixed on the outlet flange 17 of the turbocharger housing 6a, by means of a spacer 18. Alternatively, it can be attached to a metal seal or associated with other fastening or integration means on the duct, not shown. Part 16 does not perform a mixer function. Its role is to straighten the flow of exhaust gas, breaking the swirl generated by the rotation of the turbine, thus providing, downstream of this room, a similar aerodynamic structure, regardless of the speed of rotation of the turbine. FIGS. 2 to 3B illustrate three embodiments of the rectifier 16. A honeycomb structure with quadrangular section channels, as shown in FIG. 2, is particularly adapted if necessary. However, other honeycomb structures, such as hexagonal cells illustrated in FIG. 3A, triangular (FIG. 3B), or others, can be used without departing from the scope of the invention. Given the magnitude of the swirl movement generated by the turbine, the channel density in the rectifier can be relatively low, so as to limit the induced pressure losses. Thus, large cells of about 5 mm in particular provide sufficient efficiency, without greatly degrading the permeability of the conduit. However, this value has only an indicative value, which can evolve according to the architectures concerned. The optimal length of the channels depends on their number. A satisfactory compromise must therefore be found between the efficiency of the recovery, and the pressure losses on the exhaust line. For example, with a fairly low cell density (cell size of about 5 mm), the length of the channels may be equivalent to the diameter of the duct 4. Finally, the material selected for this part must have good mechanical characteristics at the same time. high temperatures in an oxidizing atmosphere, rising to 650 or 700 ° C. In conclusion, the proposed device finds an application on any exhaust line of turbocharged engine, provided with a post-treatment system with an additional injector to the exhaust. This device makes it possible to optimize the regeneration process of the particulate filter over the entire operating range of the engine.

Ceci est obtenu grâce à l'uniformité de la distribution de la richesse en entrée du catalyseur (ou le filtre catalytique), c'est-à-dire grâce à l'homogénéité de la fraction massique de carburant en entrée du catalyseur d'oxydation. Le mélange homogène du carburant injecté dans les gaz d'échappement permet de gagner en fiabilité du composant catalyseur, tout en réduisant son taux d'imprégnation. Grâce à cette économie de matériau, l'invention permet un gain économique sur la réalisation du catalyseur. This is obtained thanks to the uniformity of the distribution of the input richness of the catalyst (or the catalytic filter), that is to say thanks to the homogeneity of the fuel mass fraction at the inlet of the oxidation catalyst. . The homogeneous mixture of the fuel injected into the exhaust gas increases the reliability of the catalyst component, while reducing its impregnation rate. With this economy of material, the invention allows an economic gain on the realization of the catalyst.

L'efficacité accrue des injections de carburant à l'échappement, sur les régénérations du filtre à particules, permet notamment de diminuer la part des injections tardives de carburant dans les cylindres, qui augmentent la dilution de carburant dans l'huile du moteur. L'invention permet donc aussi d'espacer les vidanges. Enfin, l'implantation d'un redresseur en sortie de la roue de la turbine, diminue fortement les amplitudes des pulsations de pression en aval de la turbine. Or, de telles pulsations peuvent être néfastes si elles entraînent, par un phénomène de reflux, des gouttes liquide de réducteur vers l'arrière, en particulier sur certaines sondes placées - 7 - entre le turbocompresseur et l'injecteur de carburant, telles des sondes de type sonde richesse, qui ne supportent pas d'être arrosées de carburant. Grâce à l'invention les risques de tels arrosages par reflux des gaz d'échappement dans le conduit, sont donc écartés. The increased efficiency of the fuel injections at the exhaust, on regeneration of the particulate filter, in particular makes it possible to reduce the proportion of late fuel injections into the cylinders, which increase the dilution of fuel in the engine oil. The invention therefore also makes it possible to space the oil changes. Finally, the implementation of a rectifier at the outlet of the impeller of the turbine greatly reduces the amplitudes of the pressure pulsations downstream of the turbine. However, such pulsations can be detrimental if they cause, by a phenomenon of reflux, drops of liquid reducer backwards, in particular on some probes placed between the turbocharger and the fuel injector, such probes of type probe wealth, which do not support being sprinkled with fuel. Thanks to the invention, the risks of such reflux watering of the exhaust gases in the duct are therefore excluded.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'échappement de moteur thermique turbocompressé comportant le long du conduit d'échappement (4) un injecteur de carburant (8) situé entre une turbine de turbocompresseur (6) et un organe de dépollution catalytique (12), et un filtre à particules (11), caractérisé en ce qu'il présente dans le conduit d'échappement (4), en sortie immédiate de la turbine (6), des moyens de redressement (16) du flux de gaz d'échappement propres à casser, avant son entrée dans l'organe catalytique (12), les mouvements tourbillonnaires générés par la rotation de la turbine (6). Turbocharged engine exhaust system comprising, along the exhaust duct (4), a fuel injector (8) located between a turbocharger turbine (6) and a catalytic decontamination device (12), and a filter with particles (11), characterized in that it has in the exhaust duct (4), at the immediate outlet of the turbine (6), rectifying means (16) of the flow of clean exhaust gases to break , before entering the catalytic member (12), the swirling movements generated by the rotation of the turbine (6).

2. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit est occupé sur une partie de sa longueur par un redresseur (16) définissant sur l'ensemble de la section du conduit des canaux longitudinaux (16a) parallèles à l'axe du conduit. 2. Exhaust device according to claim 1, characterized in that the duct is occupied over part of its length by a rectifier (16) defining on the whole section of the duct longitudinal channels (16a) parallel to the duct axis.

3. Dispositif d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le redresseur (16) est disposé entre la turbine (6)et un premier coude (4a) du conduit (4), en direction d'un organe de dépollution (12). 3. Exhaust device according to claim 2, characterized in that the rectifier (16) is arranged between the turbine (6) and a first bend (4a) of the duct (4), towards a depollution device ( 12).

4. Dispositif d'échappement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le redresseur (16) est fixé sur une bride de sortie (17) du turbocompresseur. 4. Exhaust device according to claim 2 or 3, characterized in that the rectifier (16) is attached to an outlet flange (17) of the turbocharger.

5. Dispositif d'échappement selon la revendication 4 caractérisé en ce que le redresseur (16) est accroché sur un joint métallique (18) au niveau de la bride (17) du turbocompresseur. 5. Exhaust device according to claim 4 characterized in that the rectifier (16) is hooked on a metal seal (18) at the flange (17) of the turbocharger.

6. Dispositif d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur des canaux (16a) est équivalente au diamètre du conduit (4). 6. Exhaust device according to claim 4, characterized in that the length of the channels (16a) is equivalent to the diameter of the duct (4).

7. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les canaux (16a) ont une section quadrangulaire. 7. Exhaust device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the channels (16a) have a quadrangular section.

8. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les canaux 10 (16a) ont une section triangulaire. 8. Exhaust device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the channels 10 (16a) have a triangular section.

9. Dispositif d'échappement selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les canaux (16a) ont une section hexagonale. 9. Exhaust device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the channels (16a) have a hexagonal section.

10. Dispositif d'échappement selon l'une des 15 revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur d'oxydation (12) est intégré au filtre à particules (11) sous la forme d'un filtre à particules catalytique. 10. Exhaust device according to one of the preceding claims, characterized in that the oxidation catalyst (12) is integrated in the particulate filter (11) in the form of a catalytic particle filter.