FR2948297A3 - Dispositif de melange de carburant a pales dissymetriques - Google Patents

Dispositif de melange de carburant a pales dissymetriques Download PDF

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Abstract

Dispositif de mélange (8) de carburant injecté dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion avec les gaz d'échappement circulant dans celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux pales dissymétriques par rapport à l'axe longitudinal du conduit, disposées dans un coude (1) de celui-ci avant son arrivée sur un organe de traitement des gaz, de manière à créer deux mouvements rotatifs antagonistes dans le flux des gaz d'échappement.

Description

-1- DISPOSITIF DE MELANGE DE CARBURANT A PALES DISSYMETRIQUES
La présente invention concerne la dépollution des moteurs à combustion interne turbocompressés ou non. Elle se rapporte à là zone du conduit d'échappement située en amont d'un catalyseur constituant le premier organe d'un système de post traitement qui peut comporter différents organes de dépollution, tels qu'un filtre à particules. Plus précisément, elle a pour objet un dispositif de mélange de carburant injecté dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion avec les gaz d'échappement circulant dans celui-ci, ainsi qu'une ligne d'échappement et un moteur à combustion équipés d'un tel dispositif. La nécessité d'implanter un injecteur de carburant dans la ligne échappement (selon les cas cinquième ou septième injecteur ) afin de régénérer le filtre à particules est difficilement compatible avec les contraintes d'encombrement actuelles des lignes d'échappement. En effet, la distance entre la sortie de la turbine d'un turbocompresseur et l'entrée du catalyseur est délibérément aussi courte que possible, afin de réduire au minimum les pertes thermiques dans la ligne, en amont du catalyseur. Or le cinquième injecteur doit en principe être suffisamment éloigné du catalyseur, d'une part pour faciliter l'homogénéisation du carburant avec les gaz d'échappement, et d'autre part pour faciliter son évaporation avant d'atteindre l'entrée du catalyseur. Les insuffisances d'évaporation et d'homogénéisation insuffisante sont en partie compensées par l'implantation de mélangeurs dans la ligne d'échappement, entre l'injecteur et l'entrée du pain catalyseur. Cependant, les distances entre l'injecteur et l'entrée du pot catalytique sont généralement trop faibles pour obtenir un mélange suffisant des gaz d'échappement avec le carburant injecté. La conséquence de cette proximité est l'apparition de forts gradients thermiques en entrée du pain catalytique. Les écarts de température peuvent se traduire par une combustion non homogène des gaz dans le filtre à particules lors de sa régénération, avec des risques de 2948297 -2 ruptures thermomécaniques dans les matériaux actifs du filtre, et, dans la plupart des cas, une régénération partielle du filtre à particules. Différents systèmes de pâles insérées dans la ligne pour mélanger les gaz avec le carburant injecté ont déjà été proposés, mais toujours au prix de 5 pertes de charge importantes dans le flux de l'échappement. Par la publication JP 10339396, on connaît par exemple un mélangeur de carburant comportant un ensemble de pales radiales placées en amont d'un coude du tuyau d'échappement. La publication US 2004 022 3408 propose un autre système de mélange à ailettes placé à "intersection de deux ro tuyaux. Dans les deux cas, le mouvement tourbillonnaire créé dans le flux d'échappement par les ailettes, est indépendant du débit dans le conduit, et pénalise l'écoulement des gaz aux forts débits de l'échappement La présente invention a pour but de diminuer considérablement les pertes de charge créées par le mélangeur dans le flux d'échappement, 15 lorsqu'elles sont inutiles. Dans ce but, elle prévoit que le dispositif de mélange comporte au moins deux pales dissymétriques par rapport à l'axe longitudinal du conduit, disposées dans un coude de celui-ci avant son arrivée sur un organe de traitement des gaz, de manière à créer deux mouvements rotatifs antagonistes 20 dans le flux des gaz d'échappement. De préférence, les pales s'étendent vers le centre du conduit à partir de la paroi de celui-ci, dans l'intrados du coude, et elles sont placées dans la partie aval du coude. La forme des pales proposée permet de plus, de gérer un bon 25 compromis mélange I pertes de charge, D'autres caractéristiques et avantages de la présente 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 annexés, sur lesquels : 30 - la figure 1 situe l'implantation du mélangeur proposé dans le tube d'échappement, - la figure 2 montre son effet sur les gaz, - les figures 3 et 4 sont une vue latérale et une vue de dessous du mélangeur, - la figure 5 illustre sa fixation ci dans le conduit, et - les figures 6 et 7 donnent ses principales caractéristiques 5 géométriques. Sur la figure 1, on a représenté une section de tube d'échappement coudée 1, située en amont d'un catalyseur 2, et raccordée au cône d'entrée 3 de celui-ci. Les gaz d'échappement pénétrant dans la section coudée du tube 1, sont issus du système d'échappement du moteur, après avoir traversé, ou ro non, la turbine d'un turbocompresseur (non représentée). Un système d'injection de carburant 4 est Implanté à l'entrée du coude 1, ou tout du moins dans la partie amont de celui-ci. Comme indiqué plus haut, la distance entre l'injecteur 4 et l'entrée du pot catalytique 2 est généralement trop faible pour obtenir un mélange suffisant des gaz d'échappement avec le carburant injecté.
15 En l'absence de mélangeur, les gaz ont naturellement tendance à se décoller de la partie intérieure, ou intrados la du coude, à la sortie de celui-ci. Ce phénomène est particulièrement sensible aux forts débits, où il nuit à la répartition homogène des gaz dans la dernière partie du conduit, et à leur arrivée dans le cône du catalyseur.
20 La figure 1, indique simplement l'emplacement des pales de mélange du carburant 6a, 6b aux gaz d'échappement prévues par l'invention. Les pâles 6a, 6b sont placées en amont du catalyseur 2, sur l'intradosl a du coude 1, dans la partie inférieure de celui-ci. Conformément à l'invention, les pales 6a, 6b sont en effet situées en 25 intrados aval du coude 1, de manière à être actives lors des faibles débits de gaz d'échappement. En revanche, elles seront inactives aux forts débits, pour ne pas créer de pertes de charge dans ces circonstances où il n'y a pas de carburant injecté dans la ligne d'échappement. Le dispositif de mélange proposé 8 présente donc deux pales 6a, 6b. Comme indiqué sur la figure 3, les 30 deux pales génèrent dans le conduit deux mouvements rotatifs contraires mis en évidence sur la figure 2. Ces mouvements de swirl antagonistes sont propres à favoriser le mélange du carburant aux gaz à faible débit. A cet effet, elles sont dissymétriques, Sur les figures 3 et 4, on voit que les pales 6a, 6b partent d'un corps annulaire 7, vers l'intérieur du conduit 1. Les pâles 6a, 6b et le corps annulaire 7, avec lequel elles ne forment qu'une seule pièce, constituent le dispositif de mélange de carburant 8 injecté dans la ligne d'échappement avec les gaz circulant dans celle-ci. Le mélangeur décrit 8 comporte deux pales dissymétriques par rapport à l'axe longitudinal du conduit, disposées dans un coude de celui-ci avant son 0 10 arrivée sur un organe de traitement des gaz, de manière à créer deux mouvements rotatifs antagonistes dans le flux des gaz d'échappement. Ces pales s'étendent vers le centre du conduit à partir de la paroi de celui-ci, dans l'intrados du coude. Elles sont placées dans la partie aval de celui-ci. Sans sortir du cadre de l'invention, le nombre de pales peut toutefois être supérieur 15 à deux. Conformément à l'invention, les pales 6a, 6b sont intégrées sur un corps annulaire 8, de préférence rapporté sur le conduit, entre deux sections de celui-ci. De façon non limitative, le corps du mélangeur peut être fixé par emmanchement à l'extrémité inférieure du tube 1 et le départ du cône d'entrée 20 3 du catalyseur 2, comme sur la figure 5. Comme indiqué ci-dessus, les pales 6a, 6b placées de préférence en amont du système de post-traitement sur la partie intrados du tube 1. Pour générer un mouvement de rotation opposé permettant un fort brassage des gaz sur une faible distance, les deux pales n'ont donc pas la même orientation 25 par rapport à l'axe de symétrie du tube, La disposition adoptée, qui réduit inévitablement l'ampleur du mouvement de rotation dans la direction longitudinale du tube, facilite le mélange des taches OÙ zones de forte concentration du carburant dans les gaz d'échappement, avec le reste du flux. En se reportant aux figures 6 et 7, qui sont respectivement des coupes 30 selon AA de la figure 4 et selon BB de la figure 5, on voit que les deux mouvements de rotation antagonistes du flux de gaz sont déterminés par l'écart longitudinal Hl et H2 entre la jonction Al, A2 des pales 6a, 6b sur le -5- corps annulaire 8, et leurs extrémités respectives Cl, C2. Ainsi, l'extrémité Cl de la première pale 6a est en amont de sa jonction Al dans le sens de l'écoulement des gaz, alors que l'extrémité C2 de la deuxième pale 6b est en aval de sa jonction A2. Dans ces conditions, la première pale 6a induit un mouvement de rotation horaire dans le conduit, tandis que la deuxième pale.6b induit un mouvement contra-horaire. Les deux pales dissymétriques s'étendent donc respectivement vers l'amont et vers l'aval du conduit, à partir de leur jonction sur le corps annulaire. Le mélangeur peut notamment être en tôle pliée d'une seule pièce, Le pliage des pales, défini par l'angle 131 et 132, permet de concentrer le flux plus ou moins fortement sur la périphérie. Dans l'exemple non limitatif illustré par les figures 6 et 7, mais qui est considéré comme la configuration optimale, la première pale 6a est pliée d'un angle 131 de l'ordre de 90°, ce qui permet de concentrer l'effet de rotation sur le centre du tube. Cette concentration est compensée par la deuxième pale 6b, pliée plus fortement 132 de l'ordre de 1200), de manière à orienter une partie du flux vers la périphérie du tube. La longueur LI, L2 des pales en direction du centre du conduit, peut être adaptée à chaque cas rencontré, de même que les angles d'extrémité des pales a1 et 2, de l'ordre de 90° dans l'exemple décrit. Dans tous les cas, les pales doivent cependant être localisées dans l'intrados du tube. La disposition inverse dans la partie extrados, qui aurait pour effet de pénaliser fortement la perte de charge dans les cas de fort débit, ne peut donc pas être adoptée. En variante, l'invention prévoit de placer un nombre plus élevé de pales, par exemple quatre, dans l'Intrados du tube, tout en les orientant de façon analogue, de manière à créer des mouvements rotatifs opposés. En résumé, l'invention propose un mélangeur à deux pales permettant une homogénéisation du carburant injecté/ gaz échappement dans le cas d'un tube coudé. Par sa géométrie, le mélangeur oriente le flux sur deux niveaux de rotation différents, permettant un niveau de turbulence plus important. Un mélangeur de carburant dans la ligne d'échappement n'étant utile que lorsque l'on injecte du carburant dans la ligne (c'est-à-dire uniquement sur des points de fonctionnement à faible débit), il devient pénalisant sur les points à forts débits, puisqu'il introduit alors inutilement une perte de charge dans l'écoulement des gaz. Par rapport aux mélangeurs classiques, rinvention présente donc "intérêt majeur, de limiter fortement ses pertes de charge aux points de fonctionnement à forts débits,

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mélange (8) de carburant injecté dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion avec les gaz d'échappement circulant dans celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux pales dissymétriques par rapport à Faxe longitudinal du conduit, disposées dans un coude (1) de celui-ci avant son arrivée sur un organe de traitement des gaz, de manière à créer deux mouvements rotatifs antagonistes dans le flux des gaz ro d'échappement.
  2. 2. Dispositif de mélange de carburant (8) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales (6a, 6b) s'étendent vers le centre du conduit à partir de la paroi de celui-ci, dans l'intrados du coude.
  3. 3. Dispositif de mélange de carburant (8) selon la revendication 1 ou 15 2, caractérisé en ce que les pales (6a, 6b) sont placées dans la partie aval du coude,
  4. 4. Dispositif de mélange de carburant (8) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les pales (6a, 6b) sont intégrées sur un corps annulaire rapporté sur le conduit, entre deux sections de celui-ci. 20
  5. 5. Dispositif de mélange de carburant (8) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps annulaire (7) est fixé par emmanchement entre l'extrémité inférieure du coude et le départ du cône d'entrée(3) d'un catalyseur (2).
  6. 6. Dispositif de mélange de carburant selon la revendication 4 ou 5, 25 caractérisé en ce qu'il présente deux pales dissymétriques (6a, 6b) s'étendant respectivement vers l'amont et vers l'aval du conduit à (1) partir de leur jonction sur le corps annulaire (7).
  7. 7. Dispositif de mélange de carburant (8) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première pale (6a) est pliée d'environ 90°vers l'amont 30 du conduit tandis que la deuxième (6b) est pliée d'environ 120' vers l'aval du conduit.
  8. 8. Ligne d'échappement de moteur thermique, caractérisée en ce que le conduit d'échappement présente un coude muni d' un injecteur de carburant à l'échappement (6) dans sa partie amont du coude, et d'un dispositif de mélange de carburant (8) conforme à l'une des revendications précédentes dans la partie aval du coude.
  9. 9. Moteur à combustion interne caractérisé en ce que sa ligne d'échappement est conforme à la revendication 8, et/ou comporte un dispositif de mélange de carburant conforme à l'une des revendications 1 à 7.
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