Brevet FR2750452A1 — publié le 19980102

L'invention concerne un dispositif pour traiter, après coup, les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne par un catalyseur de réduction, qui sert à réduire les composants NOX des gaz d'échappement, catalyseur de ré- duction auquel arrive un tuyau de gaz d'échappement, avec une vanne commandée électriquement en tant que système pour doser un agent de réduction à mettre dans le courant des gaz d'échappement amenés au catalyseur, et avec un système de va- porisation grâce auquel l'agent de réduction dosé est vapori- sé avant d'être mis dans les gaz d'échappement, le système de vaporisation présentant un corps creux qui pénètre, à travers la paroi du tuyau d'échappement, dans le courant des gaz d'échappement, et qui est relié, par au moins une ouverture de passage, au courant des gaz d'échappement, corps creux à l'intérieur duquel pénètre à une faible distance de sa paroi intérieure, un corps de chauffage au moyen duquel on chauffe un agent de réduction, mis dans la partie intérieure res- tante, jusqu'à sa température de vaporisation. Etat de la technique Les gaz d'échappement des moteurs.à combustion interne à allumage spontané ont tendance, du fait qu'on les fait fonctionner avec un excès d'air, à donner des émissions chargées en NOX. Celles-ci sont amplifiées dans le cas des moteurs à combustion interne à injection directe dans la chambre de combustion. Pour réduire ces émissions, il y a une possibilité qui consiste à réaliser une réduction du NOX à l'aide d'un catalyseur de réduction correspondant. Pour cela ce sont par exemple les catalyseurs à base de zéolite qui conviennent. Un autre problème des moteurs à combustion in- terne à allumage spontané réside dans la température relati- vement basse des gaz d'échappement, ce qui rend plus difficile le démarrage de la fonction réductrice d'un tel ca- talyseur. Il est connu par le document EP-A-503 882 d'uti- liser aussi du HC comme agent de réduction, c'est-à-dire du carburant, qui est mis en amont d'un catalyseur conçu pour réduire le NOX à la manière de la zéolite dans le système des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, en étant commandé par la température du catalyseur. Le dosage a lieu dans ce cas de façon intermittente, le HC devant être inter- posé dans la structure poreuse du catalyseur afin de disposer de ce HC pour la conversion du NOX quand la température du catalyseur augmente. Ce dispositif a, outre l'utilisation désavantageuse déjà présentée ci- dessus d'une électrovanne et du coût que cela entraîne, l'inconvénient que la quantité de HC qui est mise ne peut pas provoquer directement une conver- sion des composants du NOX, mais doit être seulement préparée dans le catalyseur. Dans le cas des gaz d'échappement relati- vement assez froids d'un moteur à combustion interne à allu- mage spontané, cette mesure ne suffit pas. Dans le cas d'un dispositif du type selon l'introduction ci-dessus, connu par le document DE-A1- 44 36 415, il est prévu d'utiliser comme corps creux un corps réalisé sous la forme d'une pièce frittée, qui présente par conséquent une paroi poreuse s'étendant sur toute sa lon- gueur. Ceci a l'inconvénient que d'une part la pièce frittée n'est pas augmentée aux hautes températures et quand le mo- teur à combustion interne est en fonctionnement à des tempé- ratures qui changent fréquemment, de sorte qu'elle est rapidement détruite, et que d'autre part du carburant peut sortir sur toute la longueur de la pièce frittée en direction des gaz d'échappement, même alors qu'il n'est pas encore va- porisé. Comme les corps de chauffage ne présentent régulière- ment que sur certaines parties de leur surface, une température élevée nécessaire à la vaporisation de l'agent de réduction que l'on a amené, tel que du carburant, le carbu- rant que l'on a amené n'est pas chauffé régulièrement et, en particulier, n'est pas assez chauffé pour avoir la garantie qu'il passe sous la forme de vapeur sur toute la longueur du corps de chauffage et sorte sous cette forme dans le tuyau d'échappement. Ceci vaut en particulier pour des bougies à incandescence qui peuvent être utilisées ici de façon très avantageuse en tant que produits de grande série économiques et de fonctionnement sûir. Un agent de réduction sortant sous la forme liquide affecte les émissions du moteur à combustion interne de façon défavorable Avantages de l'invention Pour remédier aux inconvénients ci-dessus, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que le corps creux est un manchon en métal qui présente une ouver- ture de passage pour relier sa chambre intérieure au courant des gaz d'échappement sur son côté frontal. Ce dispositif selon l'invention a, par rapport à l'état de la technique, l'avantage de donner l'assurance que l'agent de réduction à mettre avant l'entrée dans les gaz d'échappement, est complètement vaporisé, en s'assurant, par l'utilisation d'un manchon en métal, de conserver même dans des conditions extrêmes un fonctionnement efficace. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - le corps de chauffage est une bougie à fourreau à incandes- cence, chauffée électriquement, connue, qui pénètre dans le corps creux et remplit largement l'intérieur du corps creux. De telles bougies à fourreau à incandescence, en tant qu'éléments aidant au démarrage des moteur à combus- tion interne à allumage spontané, sont des bougies à incan- descence connues que l'on trouve facilement en tant que produits de grande série et qui permettent d'avoir une so- lution économique, fonctionnant de façon sûre, pour le dis- positif selon l'invention; - le corps creux pénètre par son côté frontal, présentant l'ouverture de passage, dans le coeur du courant des gaz d'échappement passant dans le tuyau d'échappement. De cette façon on peut obtenir un très bon mélange de l'agent de ré- duction que l'on a mis, avec les gaz d'échappement; - le corps de chauffage est une bougie à fourreau à incandes- cence, chauffée électriquement; - la bougie à fourreau à incandescence est reliée de manière interchangeable à un élément de fixation qui est inséré dans la paroi du tuyau d'échappement et à travers lequel passe en outre un canal d'alimentation qui amène l'agent de réduction à vaporiser, vers l'intérieur du corps creux fixé sur lui. Du fait que le corps de chauffage puisse être in- séré de façon interchangeable dans un élément de fixation dans lequel est aussi disposé un canal d'alimentation vers l'intérieur du corps creux, on obtient une unité compacte, facile à monter, facile à orienter et facile à réparer; - le corps creux et le corps de chauffage qu'il loge, sont excentrés par rapport à l'axe de l'élément de fixation en forme d'élément à vis qui est vissé dans la paroi du tuyau d'échappement. On parvient à la compacité grâce à la dispo- sition excentrée du corps creux et du canal d'alimenta- tion; - on fixe sur l'ajutage fileté une tôle de retenue pour la vanne commandée électriquement, qui est reliée par une courte conduite de liaison au canal d'alimentation. On ob- tient ainsi un très faible volume mort entre le poste de dosage et l'endroit de la vaporisation. Pendant les pério- des o le moteur à combustion interne est à l'arrêt la vanne commandée électriquement sert d'organe d'obturation. Grâce au faible volume mort entre la vanne et le tuyau d'échappement on peut obtenir une adaptation dynamique du dosage de la quantité d'agent de réduction aux paramètres de fonctionnement. Après le débranchement du dosage, quand par exemple le catalyseur est trop chaud ou trop froid pour fonctionner sans problème, il ne s'échappe pendant un temps court que très peu d'agent de réduction du volume mort. Lors du redémarrage on n'a alors besoin de ne remplir que très peu jusqu'à ce que soit atteinte la pleine efficacité de fonctionnement; - la tôle de retenue entoure la vanne sur trois côtés par une surface enveloppe qui se trouve dans le sens longitudinal de la vanne et perpendiculaire à la paroi de pourtour du tuyau d'échappement. L'utilisation de la vanne commandée électriquement, qui est de préférence un injecteur de car- burant du commerce, est très avantageuse. De cette façon on augmente d'une part la compacité du dispositif avec les avantages que cela comporte, comme on l'a déjà évoqué, et d'autre part la vanne reçoit de façon avantageuse un sup- port et en même temps une protection; - la tôle de retenue présente des moyens d'encliquetage au moyen desquels on relie la vanne à la tôle de retenue; - l'ajutage fileté présente des surfaces d'engagement par la forme, en particulier un hexagone, au moyen duquel on peut le visser dans le tuyau d'échappement; - on utilise comme agent de réduction, un carburant, en par- ticulier un carburant pour moteur Diesel. Dessins La présente invention va être décrite ci-après plus en détail à partir d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre la représentation schématique d'un sys- tème d'alimentation en carburant d'un moteur à combustion interne à allumage spontané, complété par le dispositif se- lon l'invention, et - la figure 2 montre une coupe à travers le corps creux selon l'invention pour préparer l'agent de réduction. Description de l'exemple de réalisation On a reproduit schématiquement une coupe à tra- vers une partie d'un cylindre 1 d'un moteur à combustion in- terne à allumage spontané. Dans le cas de cet exemple de réalisation, il s'agit d'un moteur à combustion interne à al- lumage spontané avec injection indirecte, c'est-à-dire que le carburant n'est pas directement injecté dans la chambre prin- cipale de combustion 4, délimitée immédiatement par le piston 3 du moteur à combustion interne, mais dans une chambre de tourbillonnement 5, placée en amont de celle-ci, chambre de tourbillonnement 5 qui est reliée à la chambre principale de combustion 4 par un canal de trop- plein 6. Il est prévu, pour aider au démarrage, une bougie à incandescence 7 pénétrant dans cette chambre de tourbillonnement. Les composants du carburant injecté et de l'air, brûlés dans la chambre de tourbillonnement et dans la chambre principale de combustion, sont poussés par l'intermédiaire d'une soupape d'échappement 8 dans un canal de gaz d'échappement ou dans un tuyau d'échappement 9 par la course d'échappement du piston 3 du moteur à combustion interne après la fin de la course d'ex- plosion. Le canal d'échappement 9 se compose en règle géné- rale d'une pipe d'échappement consistant en plusieurs canaux partant chacun d'un cylindre du moteur, qui se transforme en un tuyau collecteur débouchant à l'air libre par une ou plu- sieurs lignes d'échappement. Dans le tuyau collecteur on dis- pose, dans l'exemple représenté, un catalyseur de réduction 11 en aval duquel on monte, comme on l'a indiqué en tirets, un catalyseur d'oxydation et, le cas échéant, le dispositif habituel d'amortissement du bruit, ou silencieux, qu'on trouve sur l'installation d'échappement d'un moteur à combus- tion interne. L'alimentation en carburant de l'injecteur 2 pour chaque cylindre a lieu au moyen d'une pompe d'injection de carburant 14 qui reçoit le carburant à partir d'un réservoir de carburant 15 et qui dose, par l'intermédiaire de conduites d'injection 16, le carburant mis sous haute pression, pour l'amener de façon alternée respectivement à l'un des injec- teurs 2. Le carburant de fuite des différents injecteurs est ramené par des conduites de fuite 17 au réservoir de carbu- rant. La pompe d'injection de carburant est reliée à une pompe de prérefoulement, non davantage représentée, pour transférer le carburant du réservoir vers une chambre d'aspi- ration interne, alors qu'habituellement on conserve dans la chambre d'aspiration une pression de carburant commandée en fonction de la vitesse de rotation, pour commander des fonc- tions dépendant de la vitesse de rotation. La pression de trop-plein qui sert à commander cette pression de la chambre d'aspiration revient habituellement sans pression au réser- voir de carburant 15 par la conduite de trop-plein 19. Dans le présent exemple, on a monté toutefois dans la conduite de trop-plein 19 un régulateur de pression 20 qui peut par exem- ple être réglé sur 0,3 bar, de telle sorte qu'en aval de ce régulateur de pression 20 on dispose d'une pression d'alimen- tation de 0,3 bar. Par l'intermédiaire d'une conduite de car- burant 21, cette pression est amenée à une vanne de dosage 23, commandée électriquement, qui amène, en étant commandée par un dispositif de commande 24 en fonction de paramètres tels que la charge (Qk), la vitesse de rotation (n) et la température des gaz d'échappement et/ou du catalyseur, le carburant en tant qu'agent de réduction à un dispositif de vaporisation 26. Celui-ci se trouve dans le tuyau d'échappe- ment en amont du catalyseur de réduction 11. La construction de ce dispositif de vaporisation va ressortir en détail de la figure 2. Sur la figure 2, on a représenté une partie du tuyau d'échappement ou du canal d'échappement 9, avec le dis- positif de vaporisation 26, installé dedans, qui est repré- senté en partie en coupe. Dans la paroi du canal d'échappement 9 se trouve un manchon à insertion 28 dans le- quel on peut visser de façon étanche un ajutage fileté 29. Dans cet ajutage fileté se trouve, de façon excentrée par rapport à l'axe longitudinal de l'ajutage fileté, un logement 38 avec un filetage intérieur et un siège d'étanchéité, file- tage intérieur dans lequel on peut visser une bougie à incan- descence 40 pour qu'elle vienne en appui étanche, par une surface d'étanchéité, sur le siège d'étanchéité 39. Le loge- ment se transforme, du côté du canal d'échappement, en un corps creux 41 qui se compose d'un manchon cylindrique en mé- tal. Ce corps creux 41 pénètre à peu près jusqu'au milieu du tuyau d'échappement et présente, sur sa face frontale 42, une ouverture de passage 43 qui relie la chambre intérieure 44 du corps creux au tuyau d'échappement. La chambre intérieure consiste dans ce cas essentiellement en une fente annulaire formée entre la bougie à incandescence 40 et la paroi in- térieure du corps creux 41. Dans cette fente annulaire 45 débouche un canal d'alimentation 47 qui mène de façon oblique au corps creux 41 ancré dans l'ajutage fileté 29, et réalisé de préférence d'une seule pièce avec celui-ci. La sortie du canal d'alimen- tation 47 de l'ajutage fileté 29 se trouve également excen- trée par rapport à l'axe longitudinal de l'ajutage fileté à côté du logement 38, sur la face frontale 49 de l'ajutage fi- leté 29 qui est située à l'opposé dans le tuyau d'échappement 9. Pour pouvoir visser celui-ci dans le manchon à insertion 28, cet ajutage fileté présente de préférence une surface hexagonale. Le canal d'alimentation 47 se transforme vers la sortie, à partir de l'ajutage fileté 29, en une courte con- duite de liaison 51 qui part d'une tasse de recueil 52. Dans cette tasse de recueil on introduit de façon étanche l'extré- mité de la vanne de dosage 23 et on la fixe sur celle-ci avec une pince de serrage élastique. La vanne de dosage est en ou- tre fixée par un collier de serrage élastique 54 sur une tôle de retenue 55. Cette tôle entoure la vanne de dosage, qui est de préférence un injecteur de carburant, sur trois côtés, avec en section transversale une forme à peu près en U, et protège de cette façon la vanne de dosage et sa liaison avec la conduite 51, contre des influences mécaniques et aussi des influences de température qui peuvent s'exercer à partir des parties adjacentes du tuyau d'échappement 9. La tôle de rete- nue est fixée sur l'ajutage fileté 29, elle est par exemple brasée sur un épaulement 56 et forme de cette façon, en même temps que la vanne de dosage, l'ajutage fileté et le corps creux 41, une unité compacte, facile à changer. La courte conduite de liaison entre la vanne de dosage et le corps creux 41 garantit un faible volume mort entre l'ouverture de la vanne de dosage et la sortie de l'agent de réduction dans les gaz d'échappement. En mettant la tôle de retenue 55 sur l'épaulement 56 on facilite dans ce cas en outre le maniement de l'ajutage fileté au moyen de la surface hexagonale 50. La bougie à incandescence peut aussi être facilement changée en tant que pièce excentrée à côté de l'injecteur 23. Cette unité compacte a en outre les avantages fonctionnels suivants: La chambre intérieure comprise entre le corps creux 41 sous la forme du manchon métallique, et la bougie à incandescence 40, a un très petit volume de sorte que le carburant qui est mis dans ce petit volume, ou l'agent de réduction, peut être chauffé rapidement et de façon inten- sive sur la bougie à incandescence. Ce faisant les températu- res les plus élevées se produisent à la pointe de la bougie à incandescence 40 tournée vers l'ouverture de passage 43, et la position de l'ouverture de passage garantit que tout le carburant qui entre dans les gaz d'échappement soit obligé de passer devant cette pointe fortement chauffée de la bougie à incandescence, et subisse à cet endroit sa vaporisation. On peut éliminer par de courtes combustions li- bres les salissures extérieures dues aux gaz d'échappement, en élevant la température de la bougie à incandescence forte- ment au dessus de la température normale de fonctionnement. La faible masse du manchon métallique qui forme le corps creux est très vite chauffée, de telle sorte que dans ce cas on a la garantie de pouvoir brûler les suies déposées. L'in- troduction du carburant au centre du courant des gaz d'échap- pement et sous une forme exclusivement gazeuse, évite la formation d'incrustations de carburant ou d'agent de réduc- tion sur les parois, et garantit une répartition homogène de l'agent de réduction apporté. Le manchon métallique peut en outre être chauffé à haute température même en fonctionnement permanent, sans que l'on ait à craindre une perte de fonc- tionnement. Le chauffage de la bougie à incandescence 40 a lieu au moyen d'une ligne de commande 36 qui provient du dis- positif de commande 24. Le catalyseur 11 est constitué sous la forme d'un catalyseur de réduction et sert à réduire les composants NOX dans les gaz d'échappement du moteur à combus- tion interne. Le présent moteur à combustion interne est un moteur à combustion interne à allumage spontané que l'on fait fonctionner de manière connue avec un excès considérable d'air et, pour cette raison, ce mode de combustion présente une fraction considérable de composants NOX dans les gaz d'échappement. Cette fraction est déjà grande dans le cas d'un moteur à combustion interne qui fonctionne selon le mode de combustion à chambre de tourbillonnement. Elle est encore plus grande dans le cas d'un moteur à combustion interne avec injection directe dans la chambre principale de combustion 4. Du fait de l'excès important d'air qui se trouve encore dans les gaz d'échappement et d'une fraction extrêmement réduite de CO dans les gaz d'échappement qui en est la conséquence, on ne peut pas obtenir dans une mesure satisfaisante une ré- duction des composants NOX s'effectuant de façon efficace avec ce CO. A cela s'ajoute le fait aggravant que les gaz d'échappement des moteur à combustion interne à allumage spontané présentent une température sensiblement plus faible que les moteur à combustion interne à allumage par appa- reillage extérieur avec formation du mélange à l'extérieur, ce qui rend sensiblement plus difficile le mode d'action d'un catalyseur monté après, et l'obtention d'un rendement élevé avec ce catalyseur. En ajoutant un agent de réduction on combat ces inconvénients. Le carburant apporté permet de réaliser une réaction de réduction dans le catalyseur. En même temps a lieu aussi une conversion thermique du carburant dans le ca- talyseur, ce qui accroît la température de fonctionnement du catalyseur et améliore son efficacité. Pour cela il est né- cessaire, pour augmenter l'efficacité, que l'agent de réduc- tion apporté soit finement divisé et arrive en se déplaçant rapidement dans les gaz d'échappement. Il est en outre impor- tant de mettre la quantité d'agents de réduction qui est né- cessaire pour désempoisonner efficacement les gaz d'échappement. A l'aide de la vanne 23, commandée électrique- ment, précommandée au moyen du dispositif de commande 24, on met alors, en fonction du volume des gaz d'échappement, la quantité d'agent de réduction respectivement nécessaire, dé- terminée à partir de la charge et de la vitesse de rotation, en prenant en outre en considération la température T des gaz d'échappement et/ou du catalyseur. La bonne préparation du carburant pour moteur Diesel, que l'on utilise ici comme agent de réduction, a lieu à l'aide du dispositif de vaporisation 26, après avoir réglé la quantité de carburant à l'aide de la vanne 23 évoquée pré- cédemment. Le dispositif de vaporisation ne délivre dans ce cas que du carburant sous forme de vapeur, qui arrive par l'ouverture de passage du corps creux dans les gaz d'échappe- ment. Ce corps creux est chauffé d'une part par les gaz d'échappement, et d'autre part aussi par la bougie à incan- descence 40. La commande du chauffage a lieu également en fonction des paramètres mentionnés, de telle sorte que l'on ait l'assurance d'obtenir une délivrance continue sous forme de vapeur du carburant en quantité nécessaire dans les gaz d'échappement. D'une manière avantageuse, la vanne de dosage 23 est alimentée par le circuit de carburant de la pompe d'in- jection de carburant, qui de toute façon est nécessaire au fonctionnement du moteur à combustion interne. A l'aide du régulateur de pression 20, on dispose dans ce cas de la basse pression nécessaire, sans grand surcoût. La vanne de dosage peut être d'une manière simple un injecteur à basse pression,5 qui peut être modifié d'une manière facile en réduisant l'ou- verture de sortie à un trou unique. Grâce à la commande men- tionnée, qui sert à rendre efficace la réduction mais évite aussi que du HC en excès passe dans l'environnement comme émission des gaz d'échappement, il n'y a besoin que d'une faible quantité supplémentaire de carburant pour faire fonc- tionner le catalyseur de réduction. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Dispositif pour traiter, après coup, les gaz d'échappe- ment d'un moteur à combustion interne par un catalyseur de réduction (11) qui sert à réduire les composants NOX des gaz d'échappement, catalyseur de réduction auquel arrive un tuyau de gaz d'échappement (9), avec une vanne commandée électri- quement (23) en tant que système pour doser un agent de ré- duction à mettre dans le courant des gaz d'échappement amenés au catalyseur (ll),et avec un système de vaporisation (26) grâce auquel l'agent de réduction dosé est vaporisé avant d'être mis dans les gaz d'échappement, le système de vapori- sation (26) présentant un corps creux (41) qui pénètre, à travers la paroi du tuyau d'échappement (9), dans le courant des gaz d'échappement, et qui est relié, par au moins une ou- verture de passage (43), au courant des gaz d'échappement, corps creux (41) à l'intérieur (44) duquel pénètre, à une faible distance de sa paroi intérieure, un corps de chauffage (40) au moyen duquel on chauffe un agent de réduction, mis dans la partie intérieure restante, jusqu'à sa température de vaporisation, caractérisé en ce que le corps creux (41) est un manchon en métal qui présente une ouverture de passage (43) pour relier sa chambre intérieure au courant des gaz d'échappement sur son côté frontal. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de chauffage est une bougie à fourreau à incandes- cence (40), chauffée électriquement. 3 ) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps creux (41) pénètre par son côté frontal (49) dans le coeur du courant des gaz d'échappement passant dans le tuyau d'échappement. 4 ) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la bougie à fourreau à incandescence(40) est reliée de ma- nière interchangeable à un élément de fixation (29) qui est inséré dans la paroi du tuyau d'échappement(9) et à travers lequel passe en outre un canal d'alimentation (47) qui amène l'agent de réduction à vaporiser, vers l'intérieur (44, 45) du corps creux (41) fixé sur lui. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps creux (41) et le corps de chauffage (40) qu'il loge, sont excentrés par rapport à l'axe de l'élément de fixation en forme d'élément à vis qui est vissé dans la paroi du tuyau d'échappement. 6 ) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on fixe sur l'ajutage fileté (29) une tôle de retenue (55) pour la vanne commandée électriquement (23), qui est reliée par une courte conduite de liaison (51) au canal d'alimenta- tion (47). 7 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tôle de retenue (55) entoure la vanne (23) sur trois côtés par une surface enveloppe qui se trouve dans le sens longitu- dinal de la vanne et perpendiculaire à la paroi de pourtour du tuyau d'échappement. 8 ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tôle de retenue (55) présente des moyens d'encliquetage (54) au moyen desquels on relie la vanne à la tôle de rete- nue. 9 ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'ajutage fileté (29) présente des surfaces d'engagement par la forme, en particulier un hexagone(50), au moyen duquel on peut le visser dans le tuyau d'échappement (9). ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise comme agent de réduction, un carburant, en par- ticulier un carburant pour moteur Diesel.