FR2966513A1 - Dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'echappement, ensemble et vehicule automobile comportant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'echappement, ensemble et vehicule automobile comportant un tel dispositif Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un Dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, comportant • une portion de conduit d'échappement (1) présentant un point d'introduction de fluide et un tronçon sensiblement cylindrique droit (13) en aval dudit point d'introduction ; • un injecteur de fluide (2) présentant un nez (21) d'injecteur disposé au point d'introduction, coaxialement au tronçon droit (13) de la portion de conduit (1), de sorte à injecter le fluide selon un cône d'axe central sensiblement colinéaire à l'axe central du tronçon droit (13), caractérisé par des moyens de déviation (4) d'un flux gazeux disposés dans la portion de conduit (1) et conformés pour générer un courant (C) gazeux sensiblement tourbillonnaire autour de l'axe central du cône d'injection. L'invention porte également sur un ensemble comportant un tel dispositif et un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, et sur un véhicule automobile comportant un tel ensemble.

Description

DISPOSITIF D'INTRODUCTION D'UN FLUIDE DANS UNE LIGNE D'ECHAPPEMENT, ENSEMBLE ET VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF
[0001] L'invention porte sur le domaine des systèmes d'introduction d'un fluide dans un conduit d'échappement d'un moteur à combustion. Elle porte en particulier sur le domaine de l'introduction d'une solution d'urée par un injecteur, dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion. [0002] Les émissions de gaz polluants par un moteur à combustion, notamment dans une application à un véhicule automobile, sont réglementées par des normes de plus en plus sévères. Ces normes portent notamment sur le niveau d'émission d'oxydes d'azote (ou NOx). [0003] Afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote, on connaît un dispositif de réduction catalytique, appelé dispositif de réduction catalytique sélective des oxydes d'azotes, qui consiste à les faire réagir sur un catalyseur spécifique installé dans la ligne d'échappement du moteur, à l'aide d'un agent réducteur introduit dans la ligne en amont du catalyseur. [0004] On emploie indifféremment l'expression « réduction catalytique sélective » ou l'acronyme SCR (de l'anglais « selective catalytic reduction »). [0005] On emploie couramment une solution d'urée en tant que précurseur d'ammoniac, qui agit en tant qu'agent réducteur pour la SCR. La solution d'urée est introduite à l'aide d'un injecteur dans la ligne d'échappement du moteur équipé, en amont d'un catalyseur SCR. L'urée présente néanmoins l'inconvénient de cristalliser à des conditions de température (autour de 200°C) et de pression présentes dans la ligne d'échappement.
Ainsi, des cristaux d'urée risque d'obstruer l'injecteur de solution d'urée, ou à tout le moins d'en perturber le fonctionnement, en limitant son débit ou en modifiant la forme de son cône d'injection (forme du spray en sortie d'injecteur). [0006] Un tel phénomène doit en conséquence être évité. [0007] Il est connu divers moyens pour limiter ce phénomène. [0008] Le premier consiste à essayer de conserver la buse de l'injecteur suffisamment froide pour demeurer sous la température de cristallisation de l'urée, soit par des moyens de refroidissement liquide ou par conduction du nez de l'injecteur, soit en maintenant la buse éloignée (en retrait) du flux gazeux chaud s'écoulant dans la ligne d'échappement.
Cependant, des moyens de refroidissement sont complexes et coûteux à mettre en ceuvre, tandis que le fait d'éloigner l'injecteur nécessite un grand volume d'implantation et s'avère peu efficace, car on ne maitrise pas précisément la température et les phénomènes aérodynamiques dans la zone d'implantation de l'injecteur. [0009] Un autre moyen de limiter l'encrassement de la buse d'injecteur consiste à la placer au point le plus chaud possible, afin de la soumettre à une température de plus de 300°C, et ainsi vaporiser les cristaux qui auraient pu se former. Cette solution est cependant très contraignante pour l'injecteur, qui subit des contraintes thermiques importantes, et également en termes d'implantation, car la position de l'injecteur est contrainte par la recherche d'un point suffisamment chaud, alors même qu'une injection dans le même axe que celui d'implantation du catalyseur SCR est à privilégier. [0010] D'autres moyens forts complexes à mettre en ceuvre peuvent également être envisagés, comme des systèmes spécifiques de nettoyage de la buse. [0011] La demanderesse a déposé le 21 septembre 2010 la demande de brevet français enregistrée sous le numéro national 10.57534, qui divulgue un dispositif dans lequel l'encrassement de la buse est combattu en générant un courant de balayage du nez d'injecteur. [0012] On ne connaît donc pas dans l'état de la technique de moyen simple et pleinement satisfaisant pour lutter contre les causes mêmes du phénomène d'encrassement de l'injecteur par cristallisation du fluide introduit, notamment dans le cadre d'un système SCR. L'invention vise à l'obtention d'un tel moyen. [0013] Plus précisément l'invention porte sur un dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, comportant une portion de conduit d'échappement dotée d'un injecteur de fluide, d'un tronçon sensiblement cylindrique droit en aval de l'injecteur ; l'injecteur de fluide présentant un nez d'injecteur disposé coaxialement au tronçon droit de la portion de conduit, de sorte à injecter le fluide selon un cône d'axe central sensiblement colinéaire à l'axe central du tronçon droit, et comportant des moyens de déviation d'un flux gazeux disposés dans la portion de conduit et conformés pour générer un courant gazeux tourbillonnaire autour de l'axe central du cône d'injection. [0014] On oriente ainsi une part d'un flux de gaz d'échappement circulant dans la portion de conduit, générant un courant gazeux tourbillonnaire, (que l'on définit couramment par l'anglicisme « swirl ») sensiblement dans l'axe d'injection du fluide (axe central du cône d'injection de l'injecteur). Ce courant tourbillonnaire a pour effet de faciliter l'éjection du fluide injecté (typiquement de la solution d'urée) de la zone à proximité du nez d'injecteur (point d'introduction du fluide), et par conséquent évite un éventuel retour de fluide sur le nez. Cela évite le risque d'encrassement du nez par cristallisation d'une part du fluide introduit dans la ligne d'échappement. [0015] Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de déviation comportent une déformation localisée d'une paroi de la portion de conduit. De préférence, la déformation comporte une cavité en forme de portion d'hélicoïde. [0016] La déformation peut être obtenue par des procédés bien connus, et notamment par emboutissage du conduit ou soudage d'une forme rapportée au conduit d'échappement. De préférence, la déformation est créée par emboutissage de la portion de conduit d'échappement, généralement constituée de deux demi-coquilles. L'avantage économique de ce mode de réalisation réside dans le fait que le courant tourbillonnaire est généré directement par des formes d'emboutissage et ne nécessite pas d'intégration de pièces complémentaires. En créant une forme de type hélicoïde afin de canaliser une partie des gaz échappements on oriente un courant gazeux tourbillonnaire dans l'axe d'injection d'urée, ce qui force l'évacuation du fluide introduit de la zone d'introduction de fluide. [0017] Selon un autre mode de réalisation, les moyens de déviation comportent un déflecteur rapporté dans la portion de conduit. [0018] Dans l'application préférentielle de l'invention, l'injecteur est un injecteur de solution d'urée. [0019] De préférence, un mélangeur est disposé dans le tronçon droit de la portion de conduit. Cela permet l'obtention rapide d'un mélange homogène entre les gaz d'échappement circulant dans le conduit et le fluide injecté. [0020] L'invention porte également sur un ensemble comportant un dispositif conforme à l'invention, et un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote. L'invention porte enfin sur un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un tel ensemble. C'est l'application préférentielle de l'invention, notamment dans le cadre d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement du véhicule, dispositif mettant en jeu un système de catalyse SCR. [0021] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence à la figure unique représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0022] La figure 1 présente schématiquement en 3 dimensions et en transparence un dispositif conforme à la variante préférentielle de réalisation de l'invention. [0023] Dans l'invention, une portion de conduit d'échappement 1 est dotée d'un injecteur 2 de fluide, en l'occurrence un injecteur d'une solution d'urée pour la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote sur un catalyseur dédié. [0024] L'injecteur 2 est pourvu d'une extrémité par laquelle est réalisée l'injection : on parle du nez 21 de l'injecteur. [0025] Le nez 21 de l'injecteur 2 est positionné en retrait de la portion de conduit 1 dans un volume 3 communicant avec celle-ci. Ce volume 3 permet à l'injecteur de ne pas être directement implanté dans l'environnement très contraint thermiquement de l'intérieur de portion de conduit 1, dans laquelle circule un flux de gaz d'échappement d'un moteur thermique. [0026] Le flux de gaz d'échappement circule dans la portion de conduit d'une manière fortement canalisée par le conduit d'échappement, qui est généralement obtenu par emboutissage ou par soudage de tubes. Le but de l'invention est rempli par un dispositif conforme à cette dernière, lorsqu'un flux gazeux circule dans la portion de conduit selon un sens d'écoulement donné. L'expression sens d'écoulement donné désigne bien évidemment le fait que le flux gazeux entre dans la portion de conduit 1 par une extrémité d'entrée 11 pour ressortir par une extrémité de sortie 12 de ladite portion de conduit, ce qui définit de fait le sens d'écoulement du flux dans la portion de conduit 1 et les notions d«< amont » et d«< aval » se comprenant selon le sens du flux. Il s'agit donc de la direction d'écoulement principale du flux gazeux dans la portion de conduit, indépendamment des turbulences ou reflux locaux dans ladite portion de conduit 1. Dans les dispositifs communément employés, l'écoulement aéraulique dans cette zone est peu maîtrisé, de sorte qu'une partie du fluide introduit par l'injecteur peut refluer vers ce dernier, stagner dans cette zone, et encrasser le nez de l'injecteur, notamment par cristallisation lorsque le fluide en question est une solution d'urée. [0027] La portion de conduit 1 présente un tronçon droit 13, en aval des moyens d'injection. C'est en partie dans ce tronçon droit que le fluide introduit se mélange homogènement aux gaz d'échappement. Le tronçon droit 13 est sensiblement coaxial au cône d'injection de l'injecteur 2, ou, plus, précisément, l'axe central du tronçon droit 13, pour le cas ou ce dernier est cylindrique de révolution, est sensiblement confondu avec l'axe central du cône formé par le fluide lors de son injection par l'injecteur 2. [0028] Les cristaux formés sur le nez 21 d'injecteur perturbent l'injection de la solution d'urée. La quantité injectée est alors peu précise, et le cône d'injection peut être déformé. La quantité d'oxydes d'azote pouvant être traités par la quantité d'agent réducteur introduit dans le conduit d'échappement par l'injecteur 2 est alors mal connue. Le système de dépollution peut alors être insuffisamment efficace, ou au contraire, relâcher dans l'atmosphère de l'ammoniac (en cas de surcompensation du phénomène de cristallisation par augmentation de l'injection d'urée). [0029] Dans l'invention, on prévoit des moyens de déviation 4 d'un flux gazeux, en l'occurrence du flux des gaz d'échappement, disposés dans la portion de conduit 1 et conformés pour conformés pour générer un courant C gazeux sensiblement tourbillonnaire autour de l'axe central du cône d'injection. [0030] Le courant C tourbillonnaire, conjugué à la progression des gaz d'échappement entre l'entrée 11 et la sortie 12 de la portion de conduit, accélère les gaz dans la zone d'injection, favorisant leur évacuation de cette zone. Par ailleurs, la bonne maîtrise de l'aéraulique ainsi obtenue dans cette zone permet d'éviter tout reflux de fluide vers le nez 21 de l'injecteur. [0031] Les moyens de déviation 4 permettant d'engendrer un courant gazeux tourbillonnaire selon l'axe du tronçon droit 13 comportent préférentiellement une cavité en forme de portion d'hélicoïde. La part du flux des gaz d'échappement s'engageant dans cette portion d'hélicoïde sont déviés et adoptent un mouvement tourbillonnaire en suivant les parois de la portion d'hélicoïde. La portion du flux déviée selon un mouvement tourbillonnaire influe également sur l'ensemble des gaz présents à proximité dans le conduit d'échappement pour leur faire également adopter un mouvement tourbillonnaire. [0032] L'intégration de la portion d'hélicoïde se fait préférentiellement directement au cours du procédé d'emboutissage de demi-coquilles formant la portion de tube 1. Ainsi, elle n'engendre aucune contre-pression supplémentaire dans le conduit d'échappement. Dans un tel mode de réalisation, la définition des paramètres que sont la largeur, la profondeur et le pas de la portion d'hélicoïde permet de jouer sur l'importance de la partie de flux de gaz d'échappement qui sera canalisée, et sur la dynamique du mouvement tourbillonnaire ainsi généré. [0033] La portion d'hélicoïde peut être positionnée en divers endroit de la portion de tube, à proximité du point d'injection de fluide : sur les flancs de la portion de tube, en partie basse de cette portion de tube, etc. La portion d'hélicoïde peut être formée sur l'extrados du conduit (en creux, vu de l'intérieur du conduit), ou sur l'intrados du conduit (en relief, à l'intérieur du conduit).L'axe central de la portion d'hélicoïde est colinéaire avec l'axe du cône d'injection de l'injecteur 2. [0034] Un mélangeur (non représenté) peut être avantageusement disposé dans le tronçon droit afin d'assurer un mélange homogène entre les gaz d'échappement et le fluide introduit. Les mélangeurs, parfois également appelé « mixeurs », sont des dispositifs bien connus pouvant prendre diverses formes et permettant d'augmenter localement les turbulences d'un écoulement gazeux, afin d'obtenir rapidement et sur une faible longueur de conduit d'échappement un mélange homogène.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS: 1. Dispositif d'introduction d'un fluide dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion, comportant une portion de conduit d'échappement (1) dotée : - d'un injecteur (2) de fluide ; - d'un tronçon sensiblement cylindrique droit (13) en aval de l'injecteur ; l'injecteur de fluide (2) présentant un nez (21) d'injecteur disposé coaxialement au tronçon droit (13) de la portion de conduit (1), de sorte à injecter le fluide selon un cône d'axe central sensiblement colinéaire à l'axe central du tronçon droit (13), caractérisé par des moyens de déviation (4) d'un flux gazeux disposés dans la portion de conduit (1) et conformés pour générer un courant (C) gazeux tourbillonnaire autour de l'axe central du cône d'injection.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déviation (4) comportent une déformation localisée d'une paroi de la portion de conduit (1).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la déformation comporte une cavité en forme de portion d'hélicoïde.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déviation (4) comportent un déflecteur rapporté dans la portion de conduit (1).
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (2) est un injecteur de solution d'urée.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un mélangeur est disposé dans le tronçon droit (13) de la portion de conduit (1).
  7. 7. Ensemble comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes et un catalyseur de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote.
  8. 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble selon la revendication 7.
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